Nu de aandacht in de bouwsector steeds meer uitgaat naar ontwerpen met een lagere koolstofuitstoot, wordt er steeds vaker gezocht naar hybride ontwerpen die hout combineren met staal of andere materialen als oplossing. Bij Buro Happold nemen we hier nota van en ondersteunen we dit...
Hout biedt zowel veelzijdigheid als uitstekende seismische prestaties; staal biedt sterkte en verbindingen. Het combineren van beide materialen voor uw project is vaak de meest efficiënte manier om optimale resultaten te bereiken.
Aanpassingsvermogen
Hybride ontwerpen leveren vaak hogere prestatieniveaus dan hout alleen; het succes ervan hangt echter vaak af van verschillende factoren, zoals hoe goed de componenten met elkaar verbonden zijn en of ze voldoende getest zijn. Vanwege de complexiteit en het tijdrovende karakter van ontwerpprocessen zoals deze, moeten ontwerpers de nodige tijd nemen om een efficiënt verbindingssysteem te ontwikkelen en te testen op de belastingen waarmee ze in de praktijk te maken krijgen.
Nu gebouweigenaren zich meer en meer richten op het verminderen van hun koolstofvoetafdruk, zijn bouwkundige professionals op zoek gegaan naar efficiënte ontwerpen met een lager opgenomen energieverbruik als een belangrijk doel van structureel ontwerp. Een methode om dit doel te bereiken is de combinatie van CLT-vloerpanelen (cross laminated timber) met staalskeletbouw. Om dit doel effectiever te bereiken, werd in dit onderzoek beoordeeld welke hybride vloerdoorsneden van CLT naar staal een optimale efficiëntie boden bij evaluatie op basis van meerdere beslissingscriteria voor de reductie van broeikasgasemissies in de productiefase.
Om dit effectief te laten werken, moet het draagvermogen van hybride componenten worden gemaximaliseerd. Daarom werden verschillende methoden getest om de verbinding tussen hout en staal te vergroten. Lijmen bleek een ideale methode om deze materialen aan elkaar te bevestigen in vergelijking met deuvelvormige bevestigingsmiddelen en geponste metalen plaatbevestigingen (PMPF), met kleinschalige proefstukken die werden gebruikt om de hechtsterkte tussen de materialen te evalueren; lijmverbindingen bleken tot 82% superieur in vergelijking met zowel deuvelvormige bevestigingsmiddelen als PMPF-bevestigingen, wat resulteerde in een maximale belastbaarheid van 82% afschuifcapaciteit van de hybride component!
Naarmate de vraag naar hout en hybride ontwerpen toeneemt, passen gebouweigenaren, ontwerpteams en bevoegde autoriteiten zich snel aan. Deze vooraf opgenomen webinar verkent innovatieve projecten waarbij hybride hout/staal-systemen de voordelen van elk materiaal maximaliseren; ook worden enkele uitdagingen besproken die gepaard gaan met het opnemen van hybride elementen in hoge houten gebouwen, evenals oplossingen.
Energie-efficiëntie
Het gebruik van hybride ontwerpen die hout combineren met staal of andere materialen resulteert in energie-efficiëntere gebouwen. Deze benadering combineert structurele efficiëntie met de warmte en flexibiliteit die hout biedt, evenals een grotere veerkracht tegen seismische of windgevaren. Hybride constructies dragen ook bij aan een lagere koolstofemissie in gebouwen.
Een hybride ontwerpbenadering omvat de combinatie van gelijmd gelamineerd hout met stalen ribben om een hybride vakwerkconstructie te vormen. Staal biedt stijfheid en sterkte die nodig zijn om slanke houten balken te ondersteunen. Een hybride systeem biedt een economische oplossing die zowel eenvoudig als veelzijdig toepasbaar is. Hout presteert niet altijd optimaal in combinatie met staal; daarom moet hier bij de planning rekening mee worden gehouden. Het is bijvoorbeeld van cruciaal belang dat houten balken bij de bovenste drager worden geplaatst (in druk) terwijl staal bij de onderste drager blijft (trek). Verder moeten verbindingen zo worden ontworpen dat er geen thermische uitzettingsvoeg ontstaat tussen de onderdelen. Het is ook van vitaal belang om samen te werken met fabrikanten die verstand hebben van de fabricageprocessen van zowel hout als staal, aangezien hun verbindingsdetails aanzienlijk verschillen van de standaard AESS-normen.
In de bouw wordt al heel lang gebruik gemaakt van constructiehout, maar pas recentelijk heeft het aan belang gewonnen als voorkeursmateriaal voor de bouw van grootschalige constructies. Deze trend kan worden teruggevoerd op de voordelen ten opzichte van beton en staal: een van deze voordelen is de veelzijdigheid in het creëren van ingewikkelde vormen zonder de kosten aanzienlijk te verhogen. Met constructief hout kunnen architecten hun visie verwezenlijken en tegelijkertijd kosten besparen.
Hout biedt veel voordelen: koolstofopslag en de status van hernieuwbare bron; de esthetische kwaliteiten overtreffen staal en beton; hout mist echter wel wat van de stijfheid en sterkte die hoogbouw nodig heeft - daarom combineren ingenieurs hout vaak met andere materialen die meer stijfheid of draagvermogen bieden dan de eigen materialen kunnen bieden.
De meest gebruikte manier om hout aan staal te lijmen is met lijm. Er zijn verschillende methoden getest, waaronder deuvels en geponste metalen plaatbevestigingen (PMPF). Een recent onderzoek concludeerde dat lijmverbindingen superieure prestaties leveren in hybride hout-staal secties in vergelijking met deuvels (treksterkte tot 9 keer hoger) en PMPF's (5,55 keer meer afschuifcapaciteit dan deuvels). Bovendien kunnen hybride staal-hout gebouwen de koolstofuitstoot in de bovenbouw met 5-35% verminderen in vergelijking met staal-beton gebouwen.
Flexibiliteit
Hybride ontwerpen bieden meer flexibiliteit dan ontwerpen op basis van één materiaal, doordat ze gebruikmaken van de gunstige eigenschappen van hout wanneer dat nodig is en andere materialen gebruiken wanneer dat nodig is. CLT-vloeren (gelamineerd hout) kunnen de koolstofuitstoot verminderen, terwijl stalen spanten de seismische prestaties kunnen verbeteren. Door meerdere materialen tegelijk te gebruiken, kunnen hybride ontwerpen een balans vinden tussen duurzaamheid en sterkte - iets waar milieubewuste projecten rekening mee moeten houden.
Hybride constructies ontwikkelen zich snel op het gebied van constructietechniek en er worden voortdurend nieuwe technische oplossingen ontwikkeld om aan de eisen van de markt te voldoen. Peikko heeft onlangs een gestandaardiseerd assortiment hout-staalverbindingen uitgebracht die ontworpen zijn om het ontwerpen van hybride constructies te vereenvoudigen, waardoor het voor ingenieurs veel eenvoudiger wordt om betrouwbare hybride constructies te maken.
Maar veel experts erkennen dat er uitdagingen zijn verbonden aan een bredere toepassing van hybride constructies, met name in Australië waar hoogbouw van hout op staal nog niet wijdverspreid is. Om deze problemen aan te pakken, voeren onderzoekers verschillende experimenten uit om het potentieel van hybride hout-staal constructies in Australië te onderzoeken.
Eén zo'n experiment betreft het testen van de prestaties van hybride staal-hout balken. Deze balken bestaan uit houten lamellen van de radiata pine en de Douglas fir die zijn verlijmd met omhulde stalen profielen. In deze studies wordt de buigweerstand, draagkracht en invloed van lijmsoorten, grootte/locatie/type etc. geëvalueerd om efficiëntere constructieve ontwerpen te ontwikkelen voor hybride staal-hout gebouwen in Australië.
Dit onderzoek zou een enorm transformerend effect kunnen hebben op de manier waarop hoogbouw in Australië wordt ontworpen. Het doel is om hun aardopwarmingsvermogen (GWP) te verminderen door het gebruik van beton te verminderen.
De bouwindustrie is getuige van een internationale verschuiving naar hybride staal-hout bouwtechnieken voor hoogbouw, gedreven door verschillende factoren waaronder dominante geografie; gebouwfunctie; hoogteoverwegingen en andere variabelen.
Duurzaamheid
Naarmate de bouwpraktijken zich ontwikkelen in de richting van milieuvriendelijkere benaderingen, heeft hout zich ontpopt als een gewild bouwmateriaal met zowel milieu- als architectonische voordelen. Helaas beperken de sterkte en duurzaamheid van hout het gebruik in bepaalde projecten; om het gebruik in dergelijke gevallen te maximaliseren, richten veel ontwerpteams zich op hybride constructies die de voordelen van massief hout combineren met de sterkte van staal of beton om de perfecte hybride constructie te produceren.
Hybride ontwerpen kunnen ook aanzienlijke duurzaamheidsvoordelen bieden. Door verschillende materialen samen te gebruiken kan de totale koolstofuitstoot worden verminderd en de energie-efficiëntie worden verbeterd, terwijl tegelijkertijd flexibiliteit, aanpassingsvermogen en kostenbesparingen worden geboden. Het combineren van hout met betonnen constructiemateriaal kan de bouwkosten verlagen en het bouwproces versnellen; het is echter essentieel dat de juiste combinaties van materialen worden gekozen om de structurele integriteit van gebouwen te beschermen.
Hybride gebouwen leveren meer op dan alleen koolstofbesparing; ze kunnen ook een betere aardbevingsbestendigheid bieden in vergelijking met traditionele staal-beton constructies. Een recente studie onderzocht zes baanbrekende casestudies van hybride ontwerpen die staalskeletbouw en houten vakwerkconstructies combineren voor aardbevingsbestendigheid. De resultaten tonen aan dat hybride constructies milieuvriendelijkere alternatieven bieden en tegelijkertijd voldoen aan alle seismische vereisten van de AEC Code.
Houtbouw dateert al van duizenden jaren geleden; de recente opleving wordt gedreven door meer aandacht voor duurzame praktijken en lagere koolstofemissies. Steeds meer bouwbedrijven kiezen nu voor hout als onderdeel van een plan om klimaatverandering tegen te gaan en tegelijkertijd een gezondere omgeving te creëren.
Microsoft en Gensler, in samenwerking met Thornton Tomasetti, hebben onlangs onderzoek uitgevoerd dat heeft aangetoond hoe het gebruik van duurzaam hout de CO2-voetafdruk van een datacenter aanzienlijk kan verlagen in vergelijking met conventionele staalconstructie en 65 procent in vergelijking met prefab betonconstructie. In combinatie met innovatieve technische oplossingen en zorgvuldige teamplanning is hybride constructie een aantrekkelijke optie voor bouwers die de milieu-impact van hun project willen minimaliseren.
Hout is een ideaal materiaal voor hoogwaardige gebouwen, maar de sterke en zwakke punten ervan moeten zorgvuldig worden overwogen tijdens het ontwerp. Ingenieurs moeten de sterke punten (stijfheid, duurzaamheid), zwakke punten (doordringbaarheid) en milieueffecten begrijpen voordat ze overgaan tot het gebruik ervan. Hybride constructie is een steeds populairdere oplossing geworden die verschillende voordelen van verschillende materialen samenbrengt om unieke constructies te produceren met een blijvende visuele aantrekkingskracht en functionaliteit.
