CLT + ФАХВЕРК — АРХІТЕКТУРА БЕЗ КОМПРОМІСІВ

CLT (Cross-Laminated Timber) – це інноваційний багатошаровий дерев’яний матеріал, що складається з взаємно перпендикулярно склеєних ламелей. Така структура забезпечує високу міцність, стабільність розмірів та несучу здатність у двох напрямках, що робить CLT ідеальним для стінових, стельових та покрівельних елементів. Ця технологія дозволяє створювати великі, готові до монтажу панелі, що значно прискорює будівельний процес та знижує вплив людського фактора. Фахверк, з іншого боку, є традиційною будівельною системою, де несучим елементом виступає жорсткий дерев’яний каркас з вертикальних, горизонтальних та діагональних балок, а проміжки між ними заповнюються легшими матеріалами. Його характерною рисою є видимі дерев’яні елементи, що надають будівлі неповторного естетичного вигляду.

Комбінація цих двох систем створює унікальний симбіоз. CLT-панелі можуть формувати жорстке, енергоефективне ядро будівлі, забезпечуючи швидкий монтаж та відмінні теплоізоляційні характеристики (наприклад, U-значення до 0.15 Вт/(м²К) для стіни 200 мм з додатковим утепленням), тоді як фахверкові елементи використовуються для створення фасадної структури, що підкреслює архітектурну виразність та забезпечує гнучкість у плануванні відкритих просторів. Це дозволяє досягти оптимального балансу між функціональністю, швидкістю будівництва та високою естетикою. Наприклад, CLT-панелі можуть бути використані як внутрішні несучі стіни або перекриття, забезпечуючи високу жорсткість та акустичну ізоляцію (Rw до 55 дБ), в той час як зовнішні фахверкові конструкції формують архітектурний образ, дозволяючи інтегрувати панорамні скляні елементи та створювати відчуття простору. Такий підхід дає змогу реалізовувати проєкти з винятковими теплотехнічними показниками, наближаючись до стандартів Passive House, що є особливо цінним у контексті сучасних вимог до енергоефективності будівель, таких як ДБН В.2.6-31:2021.

Ключовим аспектом успішної гібридної конструкції CLT + фахверк є ефективна структурна інтеграція, що забезпечує належний розподіл навантажень та стійкість системи. Фахверковий каркас зазвичай несе основне вертикальне навантаження від власної ваги та перекриттів, тоді як CLT-панелі можуть виступати як діафрагми жорсткості, що сприймають горизонтальні навантаження (вітер, сейсміка) та передають їх на фундамент. Важливо розуміти, що кожен елемент у цій гібридній системі відіграє певну роль, оптимізовану під його механічні властивості.

При проєктуванні таких систем застосовуються складні інженерні розрахунки, часто з використанням BIM-моделювання та чисельних методів аналізу скінченних елементів. Наприклад, балки фахверку класу міцності GL24h або GL28c (згідно з EN 14080) забезпечують високу несучу здатність, тоді як CLT-панелі можуть мати міцність на вигин fmk до 24 Н/мм² та міцність на стиск fck до 21 Н/мм². З’єднання між елементами мають бути розраховані таким чином, щоб забезпечити передачу зсувних та нормальних сил. Це може включати використання шпонкових з’єднань, металевих перфорованих пластин, болтових з’єднань або клейових систем на основі епоксидних смол. Досвід Німеччини, де такі гібридні рішення активно впроваджуються, показує, що точне проєктування з урахуванням деформаційних характеристик різних матеріалів є критичним. Наприклад, диференційована усадка деревини, хоча і мінімальна для клеєної деревини, все ж вимагає врахування у довготерміновій перспективі. Стандарт EN 1995-1-1 (Єврокод 5) надає методологію для розрахунку дерев’яних конструкцій, включно з гібридними системами, що дозволяє інженерам точно визначати несучу здатність та деформації. Використання багатошарових CLT-панелей товщиною від 100 мм до 300 мм забезпечує високу жорсткість та здатність до перерозподілу навантажень у випадку локальних деформацій, що є неперевершеною перевагою у порівнянні з традиційними каркасними системами. Це дозволяє створювати стійкі конструкції навіть за умов значних прольотів чи складних архітектурних форм.

Успіх гібридної конструкції CLT + фахверк значною мірою залежить від правильно спроєктованих та виконаних вузлів кріплення. Ці вузли не просто з’єднують елементи; вони відповідають за передачу всіх типів навантажень (вертикальних, горизонтальних, зсувних, моментних) і повинні зберігати свою функціональність протягом усього терміну служби будівлі, в тому числі в екстремальних умовах, таких як пожежа. Розглянемо кілька ключових типів з’єднань:

1. **З’єднання CLT-панелей з балками фахверку:** Це може бути виконано за допомогою металевих кронштейнів (сталь S235, S355), які кріпляться до торця CLT та до бічної поверхні балки фахверку болтами або саморізами по дереву. Для забезпечення високої несучої здатності та жорсткості часто використовуються потаємні з’єднання з клейовими або штирьовими елементами. Наприклад, в Німеччині широко застосовуються спеціальні перфоровані пластини, що відповідають DIN EN 14545, які забезпечують швидкий монтаж та перевірену несучу здатність. Мінімальні відстані між кріпленнями та від краю елемента регулюються EN 1995-1-1, щоб уникнути розколювання деревини. Застосування саморізів з повним різьбленням (vollgewindeschrauben) дозволяє ефективно передавати осьові навантаження та зменшити ризик розколювання.

2. **З’єднання CLT-панелей між собою:** Для стін та перекриттів часто використовуються з’єднання ‘шип-паз’ або ‘ластівчин хвіст’ з додатковим кріпленням шурупами або клейовими швами. Для забезпечення повітронепроникності та герметичності (показник n50 < 0.6 1/год згідно з DIN EN 13829) застосовуються спеціальні ущільнювальні стрічки та герметики. При вертикальному стикуванні CLT-стін використовують спеціальні шпонки з фанери або твердої деревини для передачі зсувних сил, які додатково фіксуються косими шурупами. Це є критично важливим для забезпечення жорсткості диска перекриття та стійкості всієї будівлі.

3. **Кріплення фахверкових балок:** Традиційно, фахверк використовує врубки та нагелі, проте сучасні системи часто інтегрують металеві пластини та болти, приховані в конструкції. Важливо, щоб ці з’єднання забезпечували мінімальний зазор для компенсації усадки деревини. В Німеччині для з’єднань дерев’яних елементів часто використовуються спеціалізовані коннектори, які пройшли сертифікацію Deutsches Institut für Bautechnik (DIBt) та відповідають вимогам стійкості до навантажень та довговічності. Застосування високоякісної нержавіючої сталі для металевих елементів кріплення є обов’язковим для забезпечення тривалого терміну служби та запобігання корозії, що може негативно вплинути на несучу здатність конструкції. Високотехнологічне будівництво вимагає ретельної уваги до таких деталей.

Питання вогнестійкості є одним з найважливіших при проєктуванні будь-яких дерев’яних конструкцій, а особливо гібридних систем. Незважаючи на загальноприйняте уявлення про вразливість деревини до вогню, сучасні дерев’яні конструкції, зокрема CLT та фахверк, можуть демонструвати високі показники вогнестійкості завдяки ефекту обвуглювання (charring effect). Зовнішній шар деревини, що обгорів, утворює захисний шар, який уповільнює поширення вогню та зберігає несучу здатність внутрішнього, неушкодженого перерізу.

В Європі вогнестійкість будівельних елементів класифікується за стандартом EN 13501-2. Цей стандарт визначає такі критерії, як: R (несуча здатність), E (цілісність) та I (теплоізоляційна здатність), з вказанням часу в хвилинах (наприклад, REI 60, REI 90, REI 120). Для CLT-панелей швидкість обвуглювання становить приблизно 0.7 мм/хв для хвойних порід. Це означає, що для досягнення класу вогнестійкості REI 60 (60 хвилин збереження несучої здатності) необхідно забезпечити достатній «запас» товщини деревини, що обвуглиться. Наприклад, для CLT стіни товщиною 140 мм, що складається з 5 шарів по 28 мм, після 60 хвилин пожежі обвуглиться приблизно 42 мм з кожного боку, залишаючи центральні шари несучими.

Фахверкові балки, завдяки своїм значним перерізам, також демонструють відмінну вогнестійкість. Відповідно до німецького стандарту DIN 4102-4, який надає табличні значення вогнестійкості для різних будівельних матеріалів та конструкцій, великі дерев’яні балки можуть досягати класу F30 (30 хвилин вогнестійкості) або навіть F60 без додаткового захисту, залежно від їх розмірів. Для гібридних систем, де CLT-панелі та фахверкові балки працюють разом, необхідно проводити комплексний аналіз вогнестійкості. Це може включати використання обчислювальних моделей для прогнозування поведінки всієї системи при пожежі. Ключові вузли кріплення, розглянуті раніше, також повинні зберігати свою функціональність при підвищених температурах. Це вимагає використання металевих кріплень з високою температурою плавлення або захисту їх від прямого впливу вогню, наприклад, шляхом покриття вогнезахисними матеріалами або розташування у внутрішніх шарах конструкції. Для гібридних стінових елементів, де CLT комбінується з утеплювачем та фахверковою решіткою, може бути досягнутий клас REI 90 або навіть REI 120 за умови застосування належних конструктивних рішень та перевірених вогнезахисних матеріалів. Це є результатом ретельних досліджень та випробувань, що проводяться в провідних європейських інститутах, таких як Fraunhofer WKI в Німеччині, що підтверджує високий рівень безпеки інженерних розрахунків та конструкцій.

Теплотехнічні та акустичні характеристики гібридних систем CLT + фахверк мають значний потенціал для оптимізації, забезпечуючи високий рівень комфорту та енергоефективності. CLT-панелі самі по собі є відмінним теплоізолятором, з коефіцієнтом теплопровідності λ приблизно 0.13 Вт/(м·К). Однак, для відповідності сучасним стандартам енергоефективності, таким як вимоги німецького законодавства EnEV (Energieeinsparverordnung) або українського ДБН В.2.6-31:2021, які вимагають U-значення для зовнішніх стін у межах 0.20-0.25 Вт/(м²К), необхідно застосовувати додаткове утеплення.

У гібридних фахверково-CLT стінах зазвичай використовується багатошаровий ‘пиріг’. Фахверковий каркас створює порожнини, які ідеально підходять для заповнення ефективними теплоізоляційними матеріалами: мінеральною ватою (λ = 0.035-0.040 Вт/(м·К)), дерев’яними волокнами (λ = 0.038-0.045 Вт/(м·К)) або целюлозним утеплювачем. Зовнішній шар може бути виконаний з вентильованого фасаду, що додатково покращує теплотехнічні властивості та забезпечує захист від атмосферних впливів. Наприклад, стіна, що складається з 100 мм CLT, 200 мм мінеральної вати у фахверковому каркасі та зовнішньої обробки, може легко досягти U-значення близько 0.15 Вт/(м²К), що значно перевершує мінімальні нормативні вимоги та наближає будівлю до стандарту пасивного будинку.

Щодо акустики, масивність CLT-панелей забезпечує добру звукоізоляцію від повітряного шуму. Для стіни CLT товщиною 100 мм показник звукоізоляції може сягати Rw = 45-48 дБ. Додавання шарів утеплювача та зовнішньої обшивки в фахверковій частині системи додатково підвищує акустичний комфорт. Наприклад, подвійна стіна з CLT-панелей, розділених повітряним прошарком та наповнених ізоляцією, може досягти Rw > 60 дБ. Це критично для забезпечення комфорту проживання, особливо в міських умовах. Таким чином, грамотне проєктування гібридної стіни дозволяє не тільки ефективно утримувати тепло, але й створювати тихий та затишний внутрішній простір, що підтверджується випробуваннями згідно з EN ISO 717-1 для повітряного шуму та EN ISO 717-2 для ударного шуму. Важливим є також правильне виконання деталей примикань та вузлів для уникнення містків холоду та звуку.

Успішна реалізація гібридних конструкцій CLT + фахверк неможлива без застосування сучасних технологій проєктування та виробництва. Центральне місце тут займає BIM-моделювання (Building Information Modeling), що дозволяє створити єдину цифрову модель будівлі, інтегруючи архітектурні, конструктивні та інженерні рішення. Це мінімізує помилки на етапі проєктування, забезпечує точне узгодження всіх елементів та оптимізує послідовність монтажу. Завдяки BIM, можна не тільки візуалізувати майбутню будівлю, але й виконувати складні розрахунки, моделювати поведінку конструкції під різними навантаженнями, а також генерувати детальну кошторисну документацію. При роботі з гібридними системами, BIM дозволяє точно моделювати кожен вузол кріплення, враховуючи допуски та матеріали, що є критично важливим для забезпечення структурної цілісності.

На етапі виробництва ключову роль відіграють верстати з числовим програмним керуванням (ЧПУ). Сучасні CLT-панелі та клеєні балки для фахверку виготовляються на високоточних ЧПУ-верстатах, які забезпечують ідеальне дотримання розмірів, точність вирізів для віконних та дверних прорізів, а також точність виконання всіх отворів та пазів для з’єднань. Похибка виробництва на таких верстатах не перевищує 1-2 мм, що дозволяє досягти майже ювелірної точності при збиранні конструкції на будівельному майданчику. Це особливо важливо для гібридних систем, де необхідно забезпечити ідеальне сполучення різнорідних елементів. Фактично, будівництво перетворюється на збирання великого «конструктора», що значно скорочує терміни монтажу та підвищує якість кінцевого продукту.

Наприклад, виробництво CLT-панелей відбувається на автоматизованих лініях, де деревина проходить контроль вологості (10-12%), сортування за міцністю, склеювання під тиском з використанням екологічно безпечних поліуретанових клеїв, а потім обробку на портальних ЧПУ-центрах. Аналогічно, фахверкові елементи з клеєного бруса (GL24h або GL28c) розкроюються та обробляються з високою точністю, враховуючи всі врубки, пази та отвори для кріплень. Інтеграція BIM-моделі безпосередньо у виробничі лінії ЧПУ дозволяє мінімізувати ручні операції та людський фактор, гарантуючи відповідність готових елементів проєктній документації. Цей підхід забезпечує неперевершену якість та ефективність, що є основою для будівництва енергоефективних та довговічних споруд у XXI столітті. Сучасні проєкти широко використовують ці принципи.

Німеччина, з її багатою історією дерев’яного будівництва та прагненням до інновацій та енергоефективності, є одним з європейських лідерів у впровадженні гібридних CLT-фахверкових систем. Німецькі будівельні норми, такі як Musterbauordnung (MBO) та стандарти DIN, створюють сприятливе середовище для розвитку та застосування передових дерев’яних конструкцій, включаючи гібридні рішення. Багато архітектурних бюро та будівельних компаній активно експериментують з цими технологіями, створюючи будівлі, що поєднують високу функціональність, естетику та сталість.

Один з яскравих прикладів – багатоквартирні будинки та офісні будівлі, де несучий каркас може бути виконаний з традиційного фахверку або клеєного бруса, а перекриття та внутрішні стіни – з CLT-панелей. Це дозволяє досягти високої швидкості монтажу на будмайданчику (до 30-50% швидше порівняно з монолітним будівництвом) та знизити загальну вартість проєкту завдяки оптимізації трудових ресурсів та скороченню термінів оренди будівельної техніки. Крім того, легкість дерев’яних конструкцій зменшує навантаження на фундамент, що може призвести до додаткової економії. Для більших проєктів, таких як освітні заклади або громадські будівлі, гібридні системи дозволяють створювати великі відкриті простори без проміжних опор, завдяки високій несучій здатності CLT-панелей та клеєного бруса.

Німецькі інженерні компанії розробили численні стандартизовані рішення для вузлів з’єднань, що пройшли випробування та сертифікацію, зокрема DIBt (Deutsches Institut für Bautechnik), що гарантує їх надійність та безпеку. Наприклад, в регіоні Баден-Вюртемберг, де традиції фахверку особливо сильні, активно розвивається сучасне дерев’яне будівництво. Це включає в себе використання CLT для висотних будівель у поєднанні з елементами, що візуально відтворюють фахверкову естетику. Такі проєкти демонструють, що гібридна архітектура – це не просто поєднання двох технологій, а створення синергетичного ефекту, що дозволяє перевершити можливості кожної з них окремо. Цей досвід показує шлях до архітектури без компромісів, де функціональність, естетика, енергоефективність та довговічність поєднуються в єдиному рішенні.