СЕЙСМОСТІЙКІСТЬ ДЕРЕВ’ЯНИХ БУДІВЕЛЬ

Дерев’яні конструкції, за своєї відносної легкості, мають природну гнучкість, що є перевагою під час сейсмічних навантажень. Проте, ця гнучкість потребує контролю та направлення через спеціальні інженерні рішення. Клеєний брус, як будівельний матеріал, відіграє тут ключову роль завдяки своїй високій міцності, стабільності та передбачуваності характеристик. На відміну від цільного масиву, клеєний брус мінімізує внутрішні дефекти та забезпечує рівномірний розподіл навантажень.

Основний принцип сейсмостійкого проєктування полягає у створенні шляхів для передачі інерційних сил, що виникають під час землетрусу, від даху до фундаменту. Ці сили розподіляються через систему горизонтальних (діафрагми) та вертикальних (стіни з розкосами) елементів, які разом утворюють просторову жорсткість будівлі. Згідно з EN 1995-1-1, Єврокод 5, розрахунки дерев’яних конструкцій враховують динамічні навантаження, що є критично важливим для сейсмостійких регіонів. Важливо, щоб обрана деревина для будинку відповідала вимогам щодо міцності та пружності. Для клеєного бруса це можуть бути класи міцності, наприклад, GL24h або GL28h, які гарантують необхідну несучу здатність. Проєктування має передбачати деталізацію кожного вузла, щоб уникнути концентрації напружень, що може призвести до руйнування.

Сучасні технології дозволяють створювати з клеєного бруса довговічні та стійкі до зовнішніх впливів конструкції, які відповідають найвищим стандартам безпеки. Правильне поєднання міцності матеріалу та інженерних рішень дає змогу будувати надійні будинки навіть у складних геологічних умовах.

Діафрагми жорсткості є горизонтальними елементами, такими як перекриття та покриття даху, які діють як жорсткі диски або балки. Їхня основна функція – збирати горизонтальні сейсмічні навантаження, що діють на будівлю, та передавати їх до вертикальних несучих елементів (стін, рам). Без ефективних діафрагм, стіни могли б діяти незалежно, що призвело б до неконтрольованих деформацій і руйнування.

У дерев’яних будинках з клеєного бруса діафрагми зазвичай формуються з дерев’яних балок перекриття, на які укладається настил (наприклад, з CLT панелей, фанери чи OSB). Цей настил, будучи жорстко прикріпленим до балок, працює як єдине ціле, забезпечуючи просторову жорсткість. Згідно з рекомендаціями EN 1995-1-1, для розрахунку діафрагм необхідно враховувати їхню здатність сприймати як зсувні, так і вигинальні навантаження. Наприклад, для фанерного настилу товщиною 18-22 мм, закріпленого шурупами з кроком 100-150 мм по периметру, можна досягти високої жорсткості. Ключовим є належне з’єднання діафрагми з вертикальними елементами, що забезпечується анкерними болтами або спеціальними сталевими пластинами. Важливо також враховувати отвори у діафрагмах (для сходів, інженерних комунікацій), оскільки вони можуть знизити її ефективність. Ці отвори потребують посилення додатковими балками або металевими елементами для компенсації втрати жорсткості.

Ефективність діафрагми жорсткості безпосередньо залежить від якості матеріалів, точності виконання та надійності з’єднань. У цьому контексті, використання клеєного бруса дозволяє досягти високої однорідності та міцності конструкції, що є критично важливим для сейсмічно активних зон.

Розкоси – це діагональні елементи, що додаються до каркасу стіни або рами для збільшення її опору горизонтальним силам. Вони перетворюють потенційно гнучкі елементи у жорсткі трикутники, які не можуть деформуватися під дією зсувних навантажень. У дерев’яних будівлях використовуються різні типи розкосів, зокрема жорсткі панельні стіни (shear walls), що формуються з обшивки, та діагональні елементи (X-подібні або K-подібні розкоси).

При проєктуванні будинків з клеєного бруса, вертикальні несучі стіни часто функціонують як зсувні діафрагми, якщо їх належним чином обшити. Наприклад, стіни з бруса, обшиті з обох боків CLT панелями або подвійним шаром фанери/OSB, створюють дуже ефективну систему, здатну сприймати значні горизонтальні навантаження. Згідно з інженерними розрахунками, міцність таких стін на зсув залежить від товщини обшивки, кроку кріплення та характеристик матеріалів. Наприклад, для стіни висотою 3 м з клеєного бруса 200х200 мм, обшитої 15 мм фанерою з кроком кріплення 50 мм, несуча здатність на зсув може досягати 20-30 кН/м. Проєкти таких будівель повинні детально розробляти вузли з’єднання розкосів з іншими елементами. Для рамних конструкцій з клеєного бруса можуть застосовуватися сталеві діагональні тяги або дерев’яні розкоси, що кріпляться до стовпів та ригелів за допомогою металевих пластин і болтів.

Вибір типу та розміру розкосів залежить від інтенсивності сейсмічного впливу, висоти будівлі та загальної архітектурної концепції. Оптимальне розташування та проєктування розкосів дозволяють рівномірно розподіляти навантаження та уникати надмірних концентрацій напружень, забезпечуючи довговічність та безпеку конструкції.

Анкеровка – це система кріплень, що забезпечує міцне з’єднання між різними структурними елементами будівлі та її фундаментом. Під час землетрусу виникають інерційні сили, які можуть викликати підняття (uplift) та зсув (sliding) стін від фундаменту або відокремлення одного елемента від іншого. Якісна анкеровка є критично важливою для запобігання цим явищам.

Для будинків з клеєного бруса основні типи анкерів включають анкерні болти, які проходять через нижній вінець бруса і закріплюються у фундаменті, а також спеціальні сталеві кріплення (наприклад, кутники, пластини, тяги) для з’єднання стін між собою, з перекриттями та дахом. Згідно з ДБН В.1.1-12:2014 ‘Будівництво у сейсмічних районах України’, анкерні кріплення повинні розраховуватися на виривання та зсув з коефіцієнтами надійності, що відповідають категорії сейсмічної небезпеки регіону. Наприклад, для зони з інтенсивністю 7 балів за шкалою MSK-64, вимоги до анкерів будуть значно вищими, ніж для 6 балів. Типовий вузол анкеровки включає сталеву пластину або кутник, що кріпиться до бруса за допомогою міцних шурупів (наприклад, конструкційних шурупів з повним різьбленням діаметром 8-10 мм) та до бетонного фундаменту за допомогою хімічних або розпірних анкерів діаметром 16-20 мм. Крок анкерів зазвичай становить 1-2 метри, з обов’язковим встановленням в кутах будівлі та по краях прорізів.

Правильне проєктування та монтаж анкеровки є запорукою того, що вся конструкція буде працювати як єдине ціле під час сейсмічного впливу, ефективно розподіляючи та гасячи енергію коливань. Недостатня або неякісна анкеровка може стати причиною локальних руйнувань, навіть якщо основні елементи мають достатню міцність.

Сейсмостійкість та енергоефективність, хоча й є різними аспектами будівництва, тісно пов’язані на етапі проєктування. Добре спроєктована сейсмостійка конструкція з клеєного бруса може одночасно бути високоенергоефективною. Важливо розуміти, як рішення щодо структурної цілісності впливають на теплотехнічні характеристики (U-value або R-value).

Для України, де кліматичні умови варіюються, вимоги до теплового опору (R-value) та коефіцієнта теплопередачі (U-value) визначаються ДБН В.2.6-31:2021 ‘Теплова ізоляція будівель’. Сейсмостійкі вузли кріплення, особливо металеві елементи, можуть стати “містками холоду”, якщо їх не ізолювати належним чином. Наприклад, сталеві анкерні пластини та болти, що проходять крізь утеплювач, можуть значно збільшувати теплові втрати. Ефективним рішенням є використання термовставок або розташування металевих елементів таким чином, щоб вони були повністю занурені в шар теплоізоляції. Для зовнішніх стін з клеєного бруса, які мають додаткове утеплення (наприклад, мінеральною ватою товщиною 150-200 мм), загальне значення U-value має бути не вищим за 0.28 Вт/(м²·К), а для покрівлі – до 0.20 Вт/(м²·К) для більшості регіонів України. Це забезпечує оптимальну систему вентиляції та комфортний мікроклімат у приміщенні.

Таблиця: Мінімальні значення U-value для зовнішніх стін в Україні за сейсмічними зонами

Оптимізація теплотехнічних характеристик на етапі проєктування сейсмостійких будівель з клеєного бруса є інвестицією у довгострокову енергоефективність та комфорт мешканців, що також сприяє зниженню експлуатаційних витрат.

Проєктування надійних вузлів кріплення є фундаментальним для сейсмостійкості дерев’яних будівель, особливо при використанні клеєного бруса. Цей покроковий посібник допоможе зрозуміти процес розробки ключового вузла: з’єднання стіни з фундаментом.

1. Аналіз сейсмічних навантажень: Визначте інтенсивність сейсмічної дії для конкретного місця будівництва згідно з ДБН В.1.1-12:2014. Це дозволить розрахувати горизонтальні та вертикальні інерційні сили, які має витримати вузол.
2. Вибір матеріалів: Оберіть клас міцності клеєного бруса (наприклад, GL28h) та тип анкерних елементів (сталеві пластини, болти, хімічні анкери). Для сталевих пластин використовуйте марки сталі з високою межею текучості (наприклад, S235 або S275).
3. Концептуальне рішення вузла: Запропонуйте схему кріплення. Наприклад, “L”-подібні сталеві кронштейни з отворами для болтів.
4. Розрахунок анкерних болтів: Визначте необхідний діаметр та кількість анкерних болтів, що кріпляться до фундаменту, з урахуванням сил на виривання та зсув. Зверніть увагу на глибину закладення анкерів у бетон. Наприклад, для болта М16, глибина може бути 150-200 мм.
5. Розрахунок кріплення до бруса: Оберіть тип та кількість шурупів або болтів для з’єднання сталевих кронштейнів з нижнім вінцем клеєного бруса. Використовуйте конструкційні шурупи зі збільшеною площею голови для кращого притискання.
6. Деталізація з’єднань: Прорисуйте вузол у масштабі, вказавши розміри всіх елементів, розташування кріплень та відстані до країв бруса. Дотримуйтеся мінімальних відстаней від краю бруса до кріплення, щоб уникнути розколювання деревини (зазвичай не менше 3-5 діаметрів шурупа/болта).
7. Забезпечення теплоізоляції: Заплануйте теплоізоляцію вузла, щоб уникнути містків холоду. Це може бути терморозрив або повне занурення металевих елементів у шар утеплювача.
8. Врахування технології монтажу: Переконайтеся, що вузол можна реалізувати на будівельному майданчику з використанням стандартного обладнання.
9. Перевірка на відповідність нормам: Проведіть фінальну перевірку всіх розрахунків та прийнятих рішень на відповідність ДБН та Єврокодам.
10. Документація: Створіть повний комплект креслень та специфікацій для будівельників, включаючи інструкції з монтажу.

Цей підхід дозволяє систематично розробляти надійні та безпечні вузли, що є основою довговічної сейсмостійкої будівлі з клеєного бруса.

Завершальним, але не менш важливим етапом у забезпеченні сейсмічної безпеки дерев’яної будівлі є аудит відповідності проєкту та реалізованої конструкції чинним нормативам, а також, за необхідності, проведення випробувань. В Україні основними документами є ДБН В.1.1-12:2014 “Будівництво у сейсмічних районах України” та ДБН В.2.6-160:2010 “Дерев’яні конструкції. Основні положення”.

Аудит проєкту включає:

• Перевірка розрахунків: Комплексний аналіз статичних і динамічних розрахунків на міцність та стійкість, виконаних з урахуванням сейсмічних навантажень. Особлива увага приділяється коефіцієнтам надійності та врахуванню пластичності матеріалів.
• Відповідність вузлів: Детальна перевірка всіх конструктивних вузлів (діафрагм, розкосів, анкеровок) на відповідність вимогам ДБН та рекомендаціям Єврокоду 5 (EN 1995-1-1). Чи правильно розраховані розміри пластин, діаметри болтів, крок кріплень?
• Матеріали та якість: Оцінка відповідності обраних будівельних матеріалів (клас клеєного бруса, тип кріплень) проєктним вимогам та стандартам.
• Повнота документації: Перевірка наявності всіх необхідних креслень, специфікацій та інструкцій з монтажу, що забезпечують коректне виконання робіт на об’єкті.

Випробування конструкцій:

У деяких випадках, особливо для інноваційних або складних проєктів, можуть знадобитися натурні або лабораторні випробування елементів конструкції. Це можуть бути:

• Випробування на зсув: Перевірка фактичної міцності та жорсткості діафрагм та зсувних стін.
• Випробування анкерних вузлів: Тестування на виривання та зсув анкерів у бетоні та з’єднань з деревиною.
• Динамічні випробування: Імітація сейсмічних навантажень на зменшеній моделі будівлі або окремих вузлів для оцінки їхньої поведінки під час землетрусу.

Результати аудиту та випробувань дозволяють підтвердити або скоригувати проєктні рішення, забезпечуючи максимальний рівень сейсмічної безпеки будівлі. Це критичний крок для кожного будинку, що будується в потенційно небезпечних зонах.