Wraz z rosnącą uwagą w branży budowlanej skierowaną na projekty o obniżonej emisji dwutlenku węgla, projekty hybrydowe łączące drewno ze stalą lub innymi materiałami są coraz częściej poszukiwane jako rozwiązania. W Buro Happold zwracamy na to uwagę i wspieramy to rozwiązanie.
Drewno oferuje zarówno wszechstronność, jak i doskonałe właściwości sejsmiczne; stal zapewnia wytrzymałość i połączenia. Połączenie obu materiałów w projekcie jest często najbardziej efektywnym sposobem na osiągnięcie optymalnych rezultatów.
Zdolność adaptacji
Konstrukcje hybrydowe często zapewniają wyższe poziomy wydajności niż samo drewno; jednak ich sukces często zależy od kilku czynników, w tym od tego, jak dobrze komponenty są połączone i czy zostały odpowiednio przetestowane. Ze względu na złożoność i czasochłonność procesów projektowych takich jak ten, projektanci powinni poświęcić niezbędną ilość czasu na opracowanie wydajnego systemu połączeń i przetestowanie obciążeń, z którymi będą musieli się zmierzyć podczas rzeczywistych zastosowań.
W miarę jak właściciele budynków coraz bardziej koncentrują się na zmniejszaniu emisji dwutlenku węgla, specjaliści od inżynierii budowlanej zaczęli poszukiwać wydajnych projektów o niższym zużyciu energii jako ważnego celu projektowania konstrukcyjnego. Jedną z metod osiągnięcia tego celu jest połączenie paneli podłogowych z drewna klejonego krzyżowo (CLT) ze stalową konstrukcją szkieletową. Aby pomóc w skuteczniejszym osiągnięciu tego celu, w niniejszym badaniu oceniono, które hybrydowe przekroje stropów CLT-stal zapewniają optymalną wydajność, gdy są oceniane pod kątem wielu kryteriów decyzyjnych dotyczących redukcji emisji gazów cieplarnianych na etapie produkcji.
Aby było to skuteczne, należy zmaksymalizować nośność komponentów hybrydowych. W związku z tym przetestowano różne metody w celu zwiększenia wiązania między drewnem a stalą. Kleje okazały się idealną metodą łączenia tych materiałów w porównaniu z łącznikami typu kołkowego i łącznikami z blachy perforowanej (PMPF), z próbkami w małej skali używanymi do oceny siły wiązania między materiałami; wiązania klejowe okazały się lepsze nawet o 82% w porównaniu zarówno z łącznikami typu kołkowego, jak i łącznikami PMPF, co daje maksymalną nośność na ścinanie elementu hybrydowego wynoszącą 82%!
Wraz ze wzrostem popytu na drewno i konstrukcje hybrydowe, właściciele budynków, zespoły projektowe i władze sprawujące jurysdykcję szybko się do tego dostosowują. To nagrane webinarium poświęcone będzie innowacyjnym projektom, w których hybrydowe systemy drewniano-stalowe maksymalizują zalety każdego z materiałów; omówione zostaną również niektóre wyzwania związane z włączeniem elementów hybrydowych do wysokich budynków drewnianych, a także rozwiązania.
Efektywność energetyczna
Zastosowanie konstrukcji hybrydowych łączących drewno ze stalą lub innymi materiałami skutkuje bardziej energooszczędnymi budynkami. Takie podejście łączy wydajność strukturalną z ciepłem i elastycznością zapewnianą przez drewno, a także zwiększoną odpornością na zagrożenia sejsmiczne lub wiatrowe. Konstrukcja hybrydowa pomaga również obniżyć emisję dwutlenku węgla w budynkach.
Jedno z hybrydowych podejść projektowych obejmuje połączenie drewna klejonego z żebrami stalowymi w celu utworzenia hybrydowej konstrukcji kratownicowej. Stal zapewnia sztywność i wytrzymałość niezbędną do podparcia smukłych elementów drewnianych. System hybrydowy oferuje ekonomiczne rozwiązanie, które jest zarówno proste, jak i wszechstronne w zastosowaniu. Drewno nie zawsze może optymalnie współpracować ze stalą, dlatego podczas projektowania należy wziąć to pod uwagę. Przykładowo, kluczowe jest umieszczenie elementów drewnianych w pobliżu górnego pasa (ściskanie), podczas gdy stal pozostaje w dolnym pasie (rozciąganie). Co więcej, połączenia powinny być zaprojektowane w taki sposób, aby uniknąć powstawania szczelin rozszerzalności cieplnej pomiędzy komponentami. Niezwykle ważna jest również współpraca z producentami, którzy rozumieją zarówno procesy produkcji drewna, jak i stali, ponieważ ich szczegóły połączeń znacznie różnią się od standardowych standardów AESS.
Drewno konstrukcyjne jest od dawna wykorzystywane w przemyśle budowlanym, ale dopiero niedawno zyskało na popularności jako materiał wybierany do budowy konstrukcji na dużą skalę. Trend ten można przypisać jego przewadze nad betonem i stalą: wśród tych zalet jest wszechstronność w tworzeniu skomplikowanych kształtów bez znacznego zwiększania kosztów. Drewno inżynieryjne pozwala architektom na realizację ich wizji przy jednoczesnym obniżeniu kosztów.
Drewno zapewnia wiele korzyści: magazynowanie dwutlenku węgla i status zasobów odnawialnych; jego walory estetyczne przewyższają stal i beton; jednak drewnu brakuje pewnej sztywności i wytrzymałości, których potrzebują budynki wysokościowe - dlatego inżynierowie często łączą drewno z innymi materiałami, które oferują większą sztywność lub nośność niż mogą zaoferować jego własne materiały.
Najbardziej rozpowszechnioną metodą łączenia drewna ze stalą są kleje. Przetestowano różne metody, w tym łączniki kołkowe i łączniki z blachy perforowanej (PMPF). Niedawne badania wykazały, że połączenia klejowe zapewniają lepszą wydajność w hybrydowych sekcjach drewniano-stalowych w porównaniu z kołkami (wytrzymałość na rozciąganie jest do 9 razy większa) i PMPF (5,55 razy większa nośność na ścinanie niż kołki). Co więcej, hybrydowe budynki stalowo-drewniane mogą zmniejszyć emisję dwutlenku węgla w konstrukcji nośnej nawet o 5-35% w porównaniu z budynkami stalowo-betonowymi
Elastyczność
Projekty hybrydowe zapewniają większą elastyczność niż projekty z jednego materiału, wykorzystując korzystne cechy drewna, gdy jest to potrzebne, i stosując inne materiały, gdy jest to konieczne. Podłogi z drewna klejonego krzyżowo (CLT) mogą zmniejszyć emisję dwutlenku węgla, podczas gdy stalowe kratownice mogą poprawić właściwości sejsmiczne; jednoczesne wykorzystanie wielu materiałów pozwala projektom hybrydowym zrównoważyć zrównoważony rozwój z wytrzymałością - coś, co projekty świadome ekologicznie muszą wziąć pod uwagę.
Konstrukcje hybrydowe to szybko rozwijająca się dziedzina inżynierii budowlanej, a nowe rozwiązania techniczne są stale tworzone, aby sprostać wymaganiom rynku. Firma Peikko niedawno wprowadziła na rynek znormalizowaną gamę elementów łączących drewno ze stalą, zaprojektowanych w celu uproszczenia projektowania konstrukcji hybrydowych, dzięki czemu tworzenie niezawodnych konstrukcji hybrydowych jest znacznie prostsze dla inżynierów.
Wielu ekspertów zdaje sobie jednak sprawę z wyzwań związanych z szerszym zastosowaniem konstrukcji hybrydowych, szczególnie w Australii, gdzie wysokie budynki drewniano-stalowe nie były dotychczas szeroko rozpowszechnione. Aby zwalczyć te trudności, naukowcy przeprowadzają kilka eksperymentów mających na celu zbadanie potencjału Australii w zakresie hybrydowej konstrukcji drewniano-stalowej.
Jeden z takich eksperymentów obejmuje testowanie wydajności hybrydowych belek stalowo-drewnianych. Belki te składają się z lameli z drewna sosny radiata i jodły Douglas, które zostały połączone z obudowanymi sekcjami stalowymi, a badania te oceniają ich odporność na zginanie, nośność i wpływ rodzajów kleju, rozmiaru / lokalizacji / typu itp. w celu opracowania bardziej wydajnych projektów konstrukcyjnych dla hybrydowych budynków stalowo-drewnianych w Australii.
Badania te mogą mieć ogromny wpływ na sposób projektowania wieżowców w Australii. Celem jest zmniejszenie ich współczynnika ocieplenia globalnego (GWP) poprzez zmniejszenie zużycia betonu.
Branża konstrukcyjna jest świadkiem międzynarodowej zmiany w kierunku hybrydowych technik budownictwa stalowo-drewnianego dla budynków wysokich, napędzanych różnymi czynnikami, w tym dominującą geografią; funkcją budynku; względami wysokości i innymi zmiennymi.
Zrównoważony rozwój
Wraz z ewolucją praktyk budowlanych w kierunku bardziej ekologicznych podejść, drewno stało się pożądanym materiałem budowlanym o zaletach zarówno środowiskowych, jak i architektonicznych. Niestety, wytrzymałość i trwałość drewna ogranicza możliwości jego wykorzystania w niektórych projektach; aby zmaksymalizować jego wykorzystanie w takich przypadkach, wiele zespołów projektowych zwraca się w kierunku konstrukcji hybrydowych, które łączą zalety masowego drewna z wytrzymałością stali lub betonu, tworząc idealną konstrukcję hybrydową.
Projekty hybrydowe mogą również oferować znaczące korzyści w zakresie zrównoważonego rozwoju. Zastosowanie różnych materiałów razem może zmniejszyć ogólną emisję dwutlenku węgla i poprawić efektywność energetyczną, oferując jednocześnie elastyczność, zdolność adaptacji i oszczędność kosztów. Łączenie drewna z betonowymi materiałami konstrukcyjnymi może obniżyć koszty budowy i przyspieszyć proces budowlany; istotne jest jednak, aby wybrać odpowiednie kombinacje materiałów w celu ochrony integralności strukturalnej budynków.
Budynki hybrydowe zapewniają nie tylko oszczędność emisji dwutlenku węgla; mogą również oferować zwiększoną odporność sejsmiczną w porównaniu z tradycyjnymi konstrukcjami stalowo-betonowymi. W przeprowadzonym niedawno badaniu przeanalizowano sześć pionierskich studiów przypadków konstrukcji hybrydowych łączących szkielet stalowy i drewnianą konstrukcję kratownicową pod kątem odporności na trzęsienia ziemi. Wyniki pokazują, że konstrukcje hybrydowe zapewniają bardziej przyjazne dla środowiska alternatywy, jednocześnie spełniając wszystkie wymagania sejsmiczne AEC Code.
Budownictwo drewniane sięga tysiącleci wstecz; jego niedawne odrodzenie jest spowodowane zwiększoną uwagą na zrównoważone praktyki i niższą emisję dwutlenku węgla. Obecnie coraz więcej firm budowlanych zwraca się w stronę drewna w ramach planu walki ze zmianami klimatycznymi przy jednoczesnym tworzeniu zdrowszych środowisk.
Microsoft i Gensler, we współpracy z Thornton Tomasetti, przeprowadzili niedawno badania, które wykazały, że wykorzystanie zrównoważonego drewna może znacznie obniżyć ślad węglowy centrum danych w porównaniu z konwencjonalną konstrukcją stalową i o 65% w porównaniu z prefabrykowaną konstrukcją betonową. W połączeniu z innowacyjnymi rozwiązaniami inżynieryjnymi i starannym planowaniem zespołu, konstrukcja hybrydowa jest atrakcyjną opcją dla budowniczych, którzy chcą zminimalizować wpływ swojego projektu na środowisko.
Drewno jest idealnym materiałem dla wysokowydajnych budynków, ale jego mocne i słabe strony muszą być dokładnie rozważone podczas projektowania. Inżynierowie muszą zrozumieć jego mocne strony (sztywność, trwałość), słabości (przepuszczalność) i wpływ na środowisko przed przystąpieniem do jego stosowania. Konstrukcja hybrydowa staje się coraz bardziej popularnym rozwiązaniem, które łączy w sobie różne zalety różnych materiałów, tworząc unikalne konstrukcje o trwałym wyglądzie i funkcjonalności.
