Дърво и бетон: съединението прави силата

Бетонът и дървесината са материали, които са влагани в различни конструкции от векове. Всеки един от тях си има своите предимства и недостатъци. През последните години се преоткриват добрите характеристики на дървесината и тя все използва все по-често като основен материал за конструкцията на високи сгради и небостъргачи. Пример за това е най-високата дървена кула в света.  Не бива да забравяме и добрия стар бетон. А какво ще стане, ако ги комбинираме?

Възможно ли е да запазим добрите им характеристики и да елиминираме недостатъците в действието на всеки един от тях?

Сигурно се питате как може два толкова различни материала да работят заедно. Изграждането на такива конструкции се обуславя от характеристиките на дървесината и бетона. Както може би знаете, последният е композитен материал и поради сравнително ниската си опънна якост в конструкциите се армира, за да се получи един нов материал – стоманобетон, който да притежава необходимата носимоспособност. След края на Първата световна война, поради липсата на стомана се налага изграждането на нови системи – TCC (Timber-concrete constructions – Конструкции от стомана и дървесина). Връзката между елементите се е осъществявала чрез система от гвоздеи, а по-късно, през 1939г. в Швейцария се използват специални профили за осигуряване на комбинираното действие. За пръв път през 30-те години на XX-ти век Ричард Хенд патентова метод за производство на строителен материал от цимент и дървесина. Използването на системата се свързва с реконструкция на стари исторически сгради в Германия. През последните 50 години интересът към TCC нараства, особено при мостовете. Пример за това може да е мостът Вихантасалми, Финландия, построен през 1999г. През следващите години системите намират приложение в проектирането на подови конструкции, заради малката конструктивна височина на комбинираното сечение. При тях се елиминират чувствителността към вибрации, която е основен недостатък на тези, изпълнени изцяло от дървесина.

Мостът Вихантасалми, Финландия(Снимка: ©https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Vihantasalmi_bridge_AB_2.jpg)

Проектирането на TCC  е свързано с няколко основни принципа, които неминуемо трябва да спазваме. Първият от тях е нулевата линия да бъде разположена възможно по-близо до връзката между двата материала. По този начин се гарантира, че те работят ефективно – бетонът на натиск, а дървесината на опън. Съединенията трябва да бъдат оразмерени подходящо, за да могат да предават усилията, да осигуряват комбинираното действие и да не се разрушават. Последно, но не по важност, е изискването сечението, изготвено от дървесина, да е проектирано да поеме усилията от опън. Осъзнаването на действието на комбинираното сечение е от изключителна важност за сигурността на конструкцията.

Ако сте инженер или сте в строителния сектор и това ви е заинтригувало, сигурно сте се запитали как може да пресметнете подобна конструкция. Оказва се, че в повечето стандарти липсва точна и ясна методика за изчислението им. В Еврокод 5, част 2 може да откриете необходимата информация. Основните проблеми са липсата на корава връзка между елементите, произтичаща от  деформируемостта на свързващия елемент, което води до приплъзване, както и деформациите, произтичащи от характеристиките на материалите – пълзене и съсъхване. Решението на първия проблем може да откриете в линейно-еластичния метод на Mohler 1956г. и еласто-пластичния метод Frangi and Fontana 2003г., както и приблизителното решение на Ceccotti, 2002г. Деформациите от съсъхване и пълзене могат да се отчетат чрез ефективен модул, подобно на методиката за комбинирани стомано-стоманобетонни сечения, отново предложен от Ceccotti.

Снимка: ©https://structurecraft.com/

Предимства на TCC

– Намаляване на масата в сравнение с чисто стоманобетонните подови конструкции. Това води до намалена сеизмична маса.

– Разделяне на работата на елементите, с което се гарантира най-ефективното им използване, намаляване на пукнатините при работа на бетона в опънна зона.

– Възможност за по-лесен монтаж, кофриране и декофриране.

– Намаляване на вибрациите, подобряване на акустиката с сравнение с дървените подови конструкции.

– Естетически по-добро възприятие на дървените греди, намаляване на въглеродните емисии.

Разбира се, системата има и своите недостатъци. Някои от тях са ниската пожароустойчивост, която може да се избегне с подходяща импрегнация и защита на дървесината, разслояването на дървесината при опън и други.

Снимка: ©https://structurecraft.com/

През последните години са направени редица експерименти, проучвания за изследването на системите за поведението при краткосрочни и дългосрочни въздействия. TCC притежават голям потенциал за устойчиво поведение при изграждането на подови конструкции.