Перспективы применения древесины перекрестно-клееной в условиях Арктики

Глобальная конкуренция за ресурсы и транспортные коммуникации трансформирует Арктический регион из мировой периферии в зону пристального внимания. Арктическая зона Российской Федерации (АЗ РФ) включает в себя 9 регионов. Четыре относятся к ней полностью, а пять — частично (рис. 1). Площадь Арктической зоны составляет 4,8 млн км² (порядка 28 % территории страны). Здесь проживает около 2,6 млн чел. [1].

В 2022 г. был подписан Указ Президента РФ от 26.10.2020 № 645 «О Стратегии развития Арктической зоны Российской Федерации и обеспечения национальной безопасности на период до 2035 года» [2]. В предложенной стратегии низкий уровень доступности благоустроенного жилья назван в числе основных угроз национальной безопасности в Арктике. Ядром государственной политики является инновационная модернизация, способная обеспечить устойчивое социально-экономическое развитие, модернизацию инфраструктуры, создание новых высококвалифицированных рабочих мест, повышение качества жизни населения, развитие сообществ коренного населения, охрану местных экосистем. В том числе посредством преодоления ограниченности инфраструктуры арктической транспортной системы — Северного морского пути (СМП).

Социально-экономическое развитие АЗ РФ связано со значительными сложностями, связанными с ее удаленностью, экстремальными природно-климатическими условиями региона (низкие температуры, длительные периоды темноты, вечномерзлые грунты, короткий летний сезон и т.д.) и высокими затратами при реализации традиционных строительных решений. Кроме того, строительство в Арктическом регионе сопряжено с экологическими рисками. Все это требует поиска и применения эффективных и адаптивных технологий и строительных материалов для возведения зданий различного функционального назначения и формирования природно-технических систем.

Достигнутый в последние годы значительный прогресс в области технологий производства, совершенствовании методик расчета и конструирования клееных деревянных конструкций (КДК) и накопленный позитивный опыт строительства и эксплуатации зданий и сооружений различной степени сложности из древесины и ее производных [3][4] позволяют все более широко применять КДК в строительной индустрии. Использование КДК в строительстве приобретает все большие масштабы в мире и России. Согласно данным, приведенным в [5], объем рынка клееной древесины в мире в 2023 г. составил 360,41 млрд долл. Ожидается, что в 2024 г. он составит 381,42 млрд долл., к 2030 г. достигнет 542,68 млрд долл. (рост порядка 6 % в год).

Объем ввода зданий с использованием деревянных конструкций в России вырос в 2023 г. по сравнению с 2021 г. на 31 % и составил 14,2 млн м². При этом в сегменте клееной древесины рост составил порядка 13 % [6].

Строительные изделия из клееной древесины позволяют формировать ограждающие, вертикальные (стены, стойки) и горизонтальные (перекрытия и покрытия, ригели) несущие элементы остова здания или сооружения, в том числе комбинируя их с более «традиционными» строительными материалами.

В настоящей статье внимание авторов сфокусировано на одном из наиболее перспективных видов КДК — древесине перекрестно-клееной (ДПК) (англ. назв. Cross-Laminated Timber = CLT), привлекающей внимание участников рынка и исследователей строительных конструкций [7][8]. Согласно оценкам специалистов, ежегодно мировой рынок ДПК растет примерно на 14 % и к 2023 г. достигнет 2 млрд долл. [9].

Технология производства ДПК (используемые в зарубежных источниках наименования и торговые марки: CLT, X-lam, Сross-lam, KLH, Holz-massiv) в ее современном исполнении была разработана в начале 1990-х годах в Германии и Австрии, а к 2000-м гг. материал получил широкое распространение при возведении строительных конструкций зданий и сооружений во многих странах мира. Конструктивные элементы из ДПК сегодня рассматриваются как экологически чистая альтернатива железобетонным конструкциям и производятся большим количеством предприятий как в России, так и за рубежом [10–12].

ДПК представляют собой многослойную конструкцию, в которой ламели уложены послойно и склеены между собой во взаимно перпендикулярном направлении. Геометрические размеры элементов фактически ограничены только технологическими и логистическими возможностями производителя. Толщина готового изделия варьируется в диапазоне от 60 до 400 мм, длина может достигать 20 м, а ширина — 3,5 м и более. Число слоев в одном таком элементе может достигать 11, но наиболее распространенными являются 3-, 5- и 7-слойные ДПК. На рисунке 2 показан общий вид ДПК, стрелки указывают направление ламелей в склеиваемых слоях.

Технология производства ДПК предусматривает следующие этапы [12]:

1) сушка до влажности 8–12 %, отбор, проверка влажности и классификация пиломатериала;

2) сортировка и отбор пиломатериала по груп- пам;

3) продольное фрезерование пиломатериалов;

4) торцовка заготовок, нарезка зубчатого шипа, нанесение клеевого состава, сращивание по длине и укладка ламелей в слой будущего изделия;

5) нанесение клея на верхнюю поверхность слоя;

6) укладка слоев изделия;

7) прессование склеенных слоев изделия;

8) формирование готового строительного элемента — выполнение отверстий и проемов, шлифовка поверхностей изделия.

Технология изготовления ДПК позволяет в значительной степени снизить влияние недостатков древесины, вызванных ее естественным произрастанием, таких как анизотропия строения, наличие пороков и ограниченность сортамента геометрических размеров поперечных сечений применяемых пиломатериалов. При этом можно в более полной мере использовать преимущества этого строительного материала, к которым необходимо отнести: низкую плотность, высокий коэффициент конструктивного качества (отношение прочности к средней плотности), высокую коррозионную стойкость и низкую теплопроводность. Таким образом, технология позволяет сделать материал более прогнозируемым, обеспечить высокую надежность и конструктивную безопасность зданий и сооружений, а также снизить материалоемкость конструктивных решений.

На сегодняшний день в мире реализовано большое количество проектов зданий различного функционального назначения из ДПК, которые используются в качестве несущих и ограждающих конструкций. Одним из самых первых и в какой-то степени знаковых объектов, построенных с использованием ДПК, является многоэтажный жилой дом Stadthaus, расположенный в г. Лондоне (Великобритания). В данном здании ДПК используются в качестве несущих и ограждающих конструкций. Лестнично-лифтовые узлы из ДПК образуют несущий остов («ядро жесткости») здания, вокруг которого располагаются жилые квартиры. Нагрузка перераспределяется между этим остовом и «сотовой» структурой внутренних и наружных стен (рис. 3).

ДПК активно применяются в северных странах со сложными климатическими условиями. Например, 2009 г. в г. Векше (Швеция) был введен в эксплуатацию жилой комплекс Limnologen, состоящий из 4-х жилых зданий высотой восемь этажей (рис. 4).

В Финляндии в г. Ювяскюля в 2015 г. был построен жилой комплекс Puukuokka Housing Block, состоящий из трех разноэтажных зданий (6–8 этажей). Общая площадь зданий жилого комплекса составляет 18 650 м². Компоновка жилого комплекса и каждого отдельного здания следует очертаниям природного ландшафта (рис. 5) [15].

Показательным проектом последнего времени является первый в России малоэтажный комплекс жилых зданий (высотой 4 этажа) из ДПК, сданный в эксплуатацию в начале 2023 г. (рис. 6). Объект был реализован холдингом Segezha Group (входит в АФК «Система») в г. Соколе (Вологодская обл.). Каждое здание комплекса включает 32 одно- и двухкомнатные квартиры площадью от 48 до 65 кв. м.

К основным преимуществам технологии ДПК, которые способствуют их все более активному использованию, необходимо отнести [17–21]:

• низкую энергоемкость процесса производства в сравнении с производством «традиционных» строительных материалов;
• высокие физико-механические характеристики материала позволяют использовать его для формирования ответственных элементов конструкции — дисков и диафрагм жесткости, несущего остова здания или сооружения;
• легкость строительных элементов и конструкций, позволяющая снизить нагрузки на основание и облегчить конструкции фундаментов;
• высокую степень заводской готовности строительных изделий, позволяющую сократить использование строительной техники и практически исключить сложные и ресурсоемкие операции при производстве строительно-монтажных работ (СМР), а также значительно повысить скорость возведения зданий и сооружений;
• низкую теплопроводность;
• экологичность;
• сейсмостойкость конструктивных систем на основе ДПК;
• долговечность.

Одним из ключевых вопросов в условиях Арктики является энергоэффективность зданий. Важно подчеркнуть, что теплопроводность ДПК составляет 0,13 Вт/м×°С. Это значительно ниже, чем у железобетона, кирпича, пенобетона и др. Теплоемкость ДПК составляет 2,0 Дж/кг×°С, что более чем в 2 раза превышает теплоемкость железобетона и кирпича (0,88 Дж/кг×°С и 0,84 Дж/кг×°С соответственно) (табл. 1).

Низкая теплопроводность ДПК в условиях Арктики позволит зданиям сохранить комфортную температуру внутри здания и снизить расходы на тепловую энергию.

Как уже было сказано выше, ДПК обладают низкой плотностью и, как следствие, небольшим удельным весом по сравнению с «традиционными» строительными материалами (табл. 2).

Малый собственный вес конструкций из ДПК позволяет отказаться от мощных монолитных фундаментов, изготовление которых в условиях Арктики представляет собой непростую и дорогостоящую задачу. Здания из ДПК могут быть смонтированы на различных типах свайных фундаментов (винтовые, забивные и т.д.), а также на существующих фундаментах, что особенно актуально для некоторых городов АЗ РФ, где остались фундаменты от демонтированных старых трех- и пятиэтажек. Таким образом, применение ДПК позволяет снизить нагрузку от надземных строительных конструкций на основания в сложных инженерно-геологических условиях вечной мерзлоты (в том числе отступающей) и стабилизировать их состояние.

Отдельно следует отметить, что технология изготовления строительных элементов из ДПК позволяет сделать этот материал высокотехнологичной и экологически чистой альтернативой железобетонным и каменным конструкциям. Так, по результатам проведенных испытаний на перекос разрушающая статическая нагрузка, по достижении которой работа образцов перешла в стадию пластических деформаций, составила 120 тc для 5-слойной панели и 115 тc для 7-слойной панели. Для сравнения, разрушающая нагрузка для железобетона (толщина 100 мм, армирование — сетка стержней диаметром 16 мм) — 30 тc, для одинарной кирпичной кладки — 20 тc, кладки, усиленной железобетоном, — 30 тc [21–23].

Технология производства и обработки ДПК открывает широкие возможности ее применения в производстве конструкций и элементов для модульного строительства, что весьма актуально для условий Арктического региона. Такой тип строительного производства находит все более широкое применение в строительной индустрии как в мире, так и в РФ благодаря сокращению сроков строительства, увеличению прогнозируемости экономических и качественных характеристик объектов строительства [24][25].

Возможность повышения степени индустриализации, т.е. переноса значительной части ответственных операций в контролируемые условия, позволяет оптимизировать затраты, исключить ресурсоемкие процессы при выполнении СМР непосредственно на строительной площадке, вывести работы по монтажу за пределы короткого строительного сезона, что весьма актуально при перспективном развитии АЗ РФ [24].

Таким образом, расширение практики возведения зданий и сооружений из ДПК в условиях Арктики позволит эффективно реализовать инновационную модернизацию и обеспечить устойчивое социально-экономическое развитие инфраструктуры СМП и АЗ РФ в целом.