МЕТОДЫ РАСЧËТА ДЕРЕВЯННЫХ КОНСТРУКЦИЙ В УСЛОВИЯХ СЕЙСМИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТИ

​METHODS OF CALCULATION OF WOODEN STRUCTURES IN CONDITIONS OF SEISMIC ACTIVITY

Sergey Zakharin

master's student, Department of Construction, Kaliningrad State Technical University,

Russia, Kaliningrad

Irina Khomyakova

scientific supervisor, Ph.D. tech. sciences, Kaliningrad State Technical University,

Russia, Kaliningrad

АННОТАЦИЯ

В статье исследуются современные тенденции и нормативные аспекты применения деревянных конструкций в строительстве. Обсуждаются основные стандарты и нормы, регламентирующие проектирование и использование древесины в различных странах, таких как Россия и США. Особое внимание уделяется перспективам перекрестноклееной древесины (CLT) и методам расчета конструкций в условиях сейсмической активности. Также рассматривается необходимость дальнейших исследований и разработок для улучшения нормативной базы и повышения эффективности использования древесины в строительстве.

ABSTRACT

The article examines current trends and regulatory aspects of the use of wooden structures in construction. The main standards and regulations governing the design and use of wood in various countries such as Russia and the United States are discussed. Particular attention is paid to the prospects of cross-laminated timber (CLT) and methods for designing structures under seismic conditions. The need for further research and development to improve the regulatory framework and increase the efficiency of wood use in construction is also considered.

Ключевые слова: деревянные конструкции, перекрестноклееная древесина, стандарты, нормы, сейсмическая активность, проектирование.

Keywords: wooden structures, cross-laminated wood, standards, norms, seismic activity, design.

Расчёт строительных конструкций является одним из ключевых этапов проектирования, независимо от места их строительства. В современном мире существует множество нормативных документов и стандартов, регулирующих процесс проектирования и строительства. Они включают в себя как национальные нормы, действующие в конкретной стране, так и международные стандарты, широко применяемые во всем мире. В данном исследовании будет проведен сравнительный анализ российских и зарубежных норм проектирования на примере расчета строительных конструкций. Нормативные документы по проектированию строительных конструкций играют ключевую роль в обеспечении безопасности, надежности и эффективности строительных объектов. Они устанавливают требования к проектированию, материалам, методам испытаний и контроля качества, а также обеспечивают согласованность и стандартизацию процессов проектирования и строительства. В России нормативное регулирование проектирования строительных конструкций осуществляется через Федеральные законы, нормативные документы и строительные кодексы. Например, ОСТ (общероссийские строительные нормы и правила), СНиП (строительные нормы и правила) и ГОСТ (государственные стандарты) являются основными нормативными документами, регулирующими проектирование и строительство в России. В зарубежных странах также существует множество нормативных документов и стандартов, регулирующих проектирование строительных конструкций. Например, в Европейском союзе это Еврокоды, в США – ACI (American Concrete Institute), AISC (American Institute of Steel Construction), а в Великобритании – BS (British Standards).

Основной документ для строительства с деревянными конструкциями в России - СП 64.13330.2017 "Деревянные конструкции", но также есть ряд других документов, которые уточняют требования в зависимости от типа строения. Кроме того, существуют документы для строительства в зоне сейсмической активности, такие как СП 14.13330.2018 "Строительство в сейсмических районах", а также дополнительные местные нормы для более детальных требований в различных регионах России.

Основной документ для требований к деревянным конструкциям в России - это СП 64.13330.2017 "Деревянные конструкции", но также существует ряд других документов, уточняющих требования в зависимости от типа строения, таких как мосты, жилые или общественные здания. Для зон сейсмической активности применяются дополнительные нормативы, такие как СП 14.13330.2018 "Строительство в сейсмических районах". В некоторых регионах действуют также территориальные строительные нормы для дополнительной детализации требований.

Рассматривая опыт зарубежных стран по созданию нормативной документации, регламентирующей деревянное строительство в сейсмических районах, целесообразным видится анализ норм, действующих в странах ЕС и Северной Америки. В странах ЕС проектирование, изготовление, монтаж и оценка технического состояния строительных конструкций осуществляется в соответствии с требованиями европейских стандартов (EN). Основные правила проектирования представлены в рамках системы Еврокодов.

EN 1995, известный как Еврокод 5, и EN 1998, известный как Еврокод 8, являются основными стандартами для проектирования деревянных конструкций и сейсмостойких конструкций соответственно в странах-участниках Европейского Союза. Эти стандарты представляют собой общие принципы сотрудничества и устанавливают требования к проектированию, которые должны быть учтены в национальных документах. EN 1995 содержит требования к несущей способности, эксплуатационной пригодности, огнестойкости и долговечности деревянных конструкций. Вместе с другими Еврокодами, такими как EN 1990 и EN 1991, он обеспечивает базовые принципы проектирования конструкций из дерева.

EN 1998 устанавливает требования к проектированию сейсмостойких конструкций, включая здания и сооружения, с учетом вероятности сохранения жизни людей и работоспособности конструкций в случае землетрясений. Он также содержит специфические правила для деревянных сооружений, включая рассеивающее и слабо рассеивающее структурное поведение, в зависимости от структурного класса пластичности конструкции. Важной частью этих стандартов является подробное описание механических связей в соединениях элементов деревянных конструкций, а также требования к свойствам материалов. Однако эти стандарты не накладывают прямых ограничений на выбор конструктивных решений, что позволяет проектировщикам принимать обоснованные и инновационные решения в своей работе.

В США основной нормативной базой для деревянного строительства являются National Design Specification (NDS) и стандарты American Society for Testing and Materials (ASTM). Для проектирования конструкций из дерева используются NDS for Wood Construction, разработанные American Wood Council. В процессе нормотворчества в США важную роль играют ассоциации и объединения строителей, проектировщиков и производителей строительных материалов. Эти объединения разрабатывают стандарты, которые не только способствуют спросу на их продукцию, но и уточняют и расширяют нормативно-техническую базу.

При проектировании деревянных конструкций в условиях сейсмической активности применяются национальные правила в сочетании со специальными проектными положениями ANSI/AWC SDPWS. Эти положения содержат требования и рекомендации по проектированию конструкций, их элементов и соединений для учета воздействия ветра и сейсмических нагрузок. Расчет проектируемых конструкций может выполняться по методу допустимого расчетного напряжения (ASD) или методу частных коэффициентов для нагрузок и сопротивлений (LRFD). В последней редакции ANSI/AWC SDPWS уточнены требования к несущей способности и деформативности элементов деревянных конструкций, а также внесены дополнения по работе с конструкциями из клееной древесины (CLT). Разработчики также провели работу по анализу материалов из дерева для обеспечения эквивалентных значений расчетных характеристик конструкций под сейсмическими нагрузками и синхронизировали их с характеристиками под воздействием ветра.

Эта гармонизация нормативов упрощает процесс разработки проектов, делая конструкции более надежными и предсказуемыми. Документ содержит рекомендации по проектированию деревянных конструкций, особенно конструкций из клееной древесины (CLT), которые хорошо справляются с динамическими нагрузками. Также в стандарте представлены расчетные данные и описания различных конструктивных систем для обеспечения эффективности принимаемых решений при гарантированной надежности конструкций.

Особое внимание уделено механическим связям для соединений обшивок в условиях ветровых и сейсмических нагрузок. Этот документ, по сути, является методическим руководством по применению конкретных конструктивных решений для многих видов строительства. В Канаде проектирование и строительство осуществляются в соответствии с Национальным строительным кодексом, а требования по применению дерева уточняются в стандарте "Проектирование конструкций из древесины". Этот стандарт содержит рекомендации по проектированию конструкций из древесины, включая алгоритмы расчета несущей способности и рекомендации по использованию широко распространенных строительных изделий, таких как двутавровые балки и стропильные панели. Он также уделяет внимание расчетным характеристикам и огнестойкости элементов из клееной древесины и систем их соединений.

В настоящее время производство и использование клееных плит из древесины с перекрестным расположением слоев активно развивается. Некоторые предприятия, такие как Ладожский домостроительный комбинат и Сокол СиЭлТи, активно занимаются производством таких материалов и продвигают их на рынке совместно с ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко. Для эффективного использования клееных плит разрабатывается и актуализируется соответствующая документация. Например, СТО 16.23.1-001-6202182–2022 устанавливает общие технические требования к конструкциям из перекрестноклееной древесины.

Основным документом, устанавливающим требования к клееным плитам в России, является ГОСТ Р 56706–2015, однако в нем отсутствует полная информация о физико-механических характеристиках материала. В последней версии СП 64.13330.2017 были включены требования и рекомендации для расчета и использования клееных плит. Например, в разделе 6.14 устанавливаются требования к свойствам таких конструкций и алгоритм определения нормативных сопротивлений. Однако существующая методика расчета подразумевает некоторый запас из-за исключения из расчета "неработающих" слоев.

Ниже приведены результаты сравнительного анализа методики расчета соединений деревянных элементов на цилиндрических нагелях, в том числе и болтах, реализованной в нормативных документах и учебно-методических изданиях ряда стран, гармонизировавших строительные нормы по проектированию деревянных конструкций со стандартом Еврокод 5 с учетом национальных приложений.

Методика расчета симметричных двухсрезных соединений деревянных элементов на нагелях по отечественным нормам. Расчетное значение несущей способности Fν,Rd для одного среза нагеля в соединении определяется по формуле:

где kmod – коэффициент модификации; Fν,Rk – характеристическое значение несущей способности для одного среза нагеля в соединении, рассчитываемое по формулам и принимаемое равным минимальному значению из всех расчетных величин; γМ – частный коэффициент свойств материалов и изделий.

Минимальное характеристическое значение несущей способности для каждой из плоскостей сдвига на один нагель в двухсрезных соединениях древесины с древесиной определяется из выражений:

где hh,i,k – характеристическое значение сопротивления древесины i-го элемента соединения вдавливанию нагеля плашмя по направлению волокон и определяемое по формуле: fh,k=0,082(1-0,01d)ρk; здесь ρk – характеристическое значение плотности древесины, кг/м3 12; d – диаметр нагеля, мм; t1 – толщина крайнего элемента; t2 – толщина среднего элемента; β – коэффициент, учитывающий отношение характеристического значения сопротивления материала элемента 1 и элемента 2 при вдавливании в них жесткого нагеля плашмя.

Технический кодекс установленной практики TCP EN 1995-1-1-2009 и строительные правила SP 05.05.01- 2021, по сравнению с методом расчета согласно СНиП II-25-80, учитывается большее количество параметров, влияющих на величину несущей способности одной секции нагеля в соединениях дерево-древесина: учитываются механические характеристики материалов (характерное значение сопротивления к плоскому прижатию нагеля, характерное значение величины момента, вызывающего образование пластикового шарнира в поперечном сечении нагеля, характерное значение несущей способности нагеля при вытягивании); плотность древесины. Результаты сравнительного расчета растянутого соединения деревянной фермы с использованием двухсторонних накладок на нагели (пример 5.3 [4]) согласно TCP EN 1995-1-1-2009 и TCP 45-5.05-146-2009 показали, что расчетное значение несущей способности для одного сечения нагеля в симметричном двухсекционном разрезе прочность соединения в 14 и 1,26 раза выше, соответственно, что снижает расход металла на крепеж и древесины на накладки.

Отметим, что в выражении (2) второе слагаемое Fах,Rk/4, учитывающее эффект нити, согласно ТКП EN 1995- 1-1-2009, ограничивалось по величине в процентном отношении от несущей способности по теории пластичности Джохансена – для болтов 25%. Более того, согласно15, расчет нагельных соединений древесины с древесиной можно было вести без учета эффекта нити при условии, что характеристическое значение несущей способности нагеля при выдергивании Fах,Rk не определено. Данные положения не были включены в СП 5.05.01-2021.

Методика расчета симметричных двухсрезных соединений на нагелях по зарубежным нормам. В последнем нормативном документе по проектированию деревянных конструкций в Украине ДБН В.2.6-161:201716, который фактически содержит положения нормативных документов ТКП EN 1995-1-1-2009 и СП 5.05.01-2021, формулы для расчета значения несущей способности Fν,Rk для одного среза нагеля аналогичны формулам (1) и (2). Расчетное значение несущей способности Rd для одного среза нагеля в двухсрезном соединении деревянных элементов по польским нормам PN-B-03150:200017 определяют по формулам:

где fh,i,d – расчетное значение сопротивления древесины i-го элемента соединения вдавливанию нагеля плашмя по направлению волокон; γМ – частный коэффициент свойств материалов19; t1 – толщина крайнего элемента; t2 – толщина среднего элемента; d – диаметр нагеля; β – коэффициент; fu,k – характеристическое значение прочности материала нагеля при его растяжении.

Анализ нормативно-технической литературы, изданной в Чехии, показывает, что при расчете соединений древесины на нагелях используется методика как Еврокода 5 [5], так и немецких норм DIN 1052:2004 [6]. При определении расчетного значения несущей способности для одного среза нагеля в соединении [5] используют формулу:

В Китае [7] при расчете соединений деревянных элементов на нагелях используют положения Еврокода 5 – формулы (3). Литовские нормы STR 2.05.07:200520 включают положения Еврокода 5 в части общих указаний по проектированию деревянных конструкций, механических свойств древесины и плитных материалов на ее основе. Остальные положения по проектированию, в том числе и соединений деревянных элементов на нагелях, фактически повторяют СНиП II-25-80 и СП 64.13330.201121.

В заключение, рассмотренные в тексте материалы подчеркивают важность развития и применения деревянных конструкций в современном строительстве. Они отражают не только активное использование передовых технологий в производстве и применении древесины, но и необходимость постоянного совершенствования нормативной базы для эффективного и безопасного использования этих материалов. В частности, освещена актуальность перекрестноклееной древесины (CLT) и ее значимость в современной строительной практике. Продвижение этого материала на рынке и его активное применение свидетельствует о его потенциале и перспективах. Кроме того, обсуждается важность соответствующей нормативной базы и стандартизации для обеспечения надежности и безопасности деревянных конструкций. В этом контексте рассмотрены российские и американские нормы, а также уточнены требования и рекомендации для проектирования и использования древесины в условиях сейсмической активности.

Также важным аспектом является необходимость дальнейших исследований и разработок в области материалов и методов расчета, чтобы лучше понять и использовать потенциал древесины в строительстве. Развитие новых методик и стандартов, учитывающих современные тенденции и технологии, позволит эффективнее использовать древесину как устойчивый и экологически чистый строительный материал. В целом, представленные данные и анализ показывают, что древесина остается важным и перспективным материалом для строительства, и дальнейшее развитие этой области будет способствовать созданию устойчивых, безопасных и современных зданий и сооружений.

Список литературы:

1. Жук В. В., Матвеенко Е. С. Сопоставительный анализ отечественных и зарубежных норм расчета соединений деревянных элементов нагельного типа //Вестник Полоцкого государственного университета. Серия F. Строительство. Прикладные науки. – 2022. – №. 14. – С. 16-21.
2. Смотров Д. Г. Сравнительный анализ зарубежных и отечественных методик расчётов железобетонных конструкций с целью обеспечения безопасности объектов на этапе проектирования //Молодежь и XXI век-2012. – 2012. – С. 103-107.
3. Вилкова М. Ю., Хомякова И. В. Сравнительный анализ отечественных и европейских норм проектирования на примере рамных конструкций //Современные строительные материалы и технологии. – 2023. – С. 84-93.
4. Арцыбашева О. В. и др. Проблемы и перспективы гармонизации отечественных и зарубежных нормативных документов по огнестойкости деревянных конструкций //Технологии техносферной безопасности. – 2014. – №. 3. – С. 11-11.
5. Аушева И. Анализ требований при проектировании зданий с учетом возможности прогрессирующего обрушения //Избранные доклады 66-й Университетской научно-технической конференции студентов и молодых ученых. – 2020. – С. 9-12.
6. Хасанова К. Р. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ОГНЕСТОЙКОСТИ ОТЕЧЕСТВЕННЫХ И ЗАРУБЕЖНЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ //Актуальные проблемы строительства, ЖКХ и техносферной безопасности. – 2021. – С. 288-290.
7. ЗВЕЗДОВ А. И., ВЕДЯКОВ И. И., ПЯТИКРЕСТОВСКИЙ К. П. История строительных норм проектирования в России и задачи их совершенствования //Промышленное и гражданское строительство. – 2018. – №. 11. – С. 28-34.
8. Калугин А. В. Деревянные конструкции //Учеб. пособие (конспект лекций). М.: Издательство АСВ. – 2003.
9. Найчук, А.Я. Рамы из древесины и материалов на ее основе / А.Я. Найчук, И.Ф. Захаркевич, А.Б. Шурин ; под ред. А.Я. Найчука, И.Ф. Захаркевича, А.Б. Шурина. – Брест : БрГТУ, 2022. – 68 с.
10. Kotwica, J. Konstrukcje drewniane w budownictwie tradycyjnym / J. Kotwica. – Warszawa : Arkady, 2004. – 357 p.
11. Krämer, V. Dřevěné konstrukce. Příklady a řešení podle ČSN 73 1702. Modifikovaný překlad 2. Vydání publikace Fúr den HolsbauAufgoben und Losungen nach DIN 1052 / V. Krämer. – Praha : ČKAIT, 2009. – 316 p.
12. Blass, H.J. Navrhování, výpočet a posuzování dřevěných stavebních konstrukcí. Obecha pravidla a pravidla pro pozemni stavby. Komentář k ČSN 73 1702:2007. Modifikovaný překlad vesvětlivek k německě normě DIN 1052:2004 / H.J. Blass, J. Ehlbeck, H. Kreuzinger, G. Steck. – Praha : ČKAIT, 2008. – 226 p.