Краткий анализ текущей практики и перечень проблем (инженерных и нормативных), которые надо решать для использования CLT и других массивных деревянных конструкций (mass timber) в высотном жилом строительстве в сейсмоопасных районах.
Ключевые преимущества (контекст)
- Низкая масса: уменьшение инерционных сил по сравнению с бетоном (примерно $\sim 1/3$–$1/5$ по массе на этаж), что снижает горизонтальные силы и требования к фундаментации.
- Префабрикация и скорость возведения, устойчивость углеродного следа, хорошая теплозащита.
Основные инженерные проблемы
1. Поведение системы в пластической зоне и диссипация энергии
- CLT — относительно «жёсткий» и частично «хрупкий» материал на уровне панелей; ключевой элемент — связи (соединения), их циклическая работоспособность и способность к накоплению пластических деформаций и демпфированию. Требуется обоснование для выбора поведенческого коэффициента $R$ / $q$.
2. Соединения и узлы
- Необходимы стандартизованные, проверенные на циклические нагружения соединения (болты, стыки с металлическими вкладышами, скобы, анкеры), характеризующиеся надежной гистерезисной кривой и допустимым остаточным смещением.
3. Системная динамика и модельное описание
- Точные модели для нелинейного расчёта: панели как стенные элементы (shear walls), расчёт диафрагм, учёт прогиба и локальных потерь жёсткости. Требуются калиброванные модели гистерезиса и накопления повреждений.
- Правильная оценка собственных периодов $T$ с учётом массы и жёсткости: $T\propto \sqrt{m/k}$.
4. Rocking/уход от пола (uplift) и контроль совместной работы стена–перекрытие
- Возможна работа с отрывом/подъёмом элементов; надо предусмотреть замыкание (re-engagement) и энергодиссипацию.
5. Аварийное поведение и избыточность
- Обеспечение запасов несущей способности при частичной утрате элементов (удар, локальный пожар, разрушение узла).
6. Взаимодействие с фундаментом и осадками
- Большая жёсткость некоторой конфигурации может вызывать неравномерное распределение нагрузок; чувствительность к дифференциальным осадкам.
7. Повреждения материала: влажность, гниение, биологическое воздействие, долговременная деформация (ползучесть)
- Необходимы меры защиты на этапе монтажа и эксплуатации, контроль влажности; учёт длительной потери жёсткости/прочности.
8. Пожар + землетрясение (комбинированная опасность)
- Работа в условиях после пожара (ослабленные конструкции) плюс последующее сейсмическое воздействие; требуется сценарное моделирование и критерии остаточной работоспособности.
9. Комфорт и эксплуатационные требования
- Вибрация и шум: панели легче и требуют расчёта норм вибрации для жилых помещений; пределы допустимых ускорений/перемещений.
10. Масштаб и стандартизация элементов
- Производственные допуски, качество склеивания, связующее (адгезивы) и их работоспособность при циклических нагрузках/температуре.
Нормативные и практико-правовые проблемы
1. Ограничения по высоте и площади
- Во многих кодах существуют предельные значения высоты/площади для деревянных зданий; они часто не отражают современных возможностей CLT и mass timber и основаны на старых представлениях о горючести и прочности.
2. Классификация горючести и требования по пожарной безопасности
- CLT часто рассматривают как «горючий» материал, что влечёт дополнительные требования (спринклеры, огнезащитные слои). Необходимо признание массы дерева (char layer) и методик расчёта остаточной несущей способности после обугливания в рамках норм.
3. Отсутствие унифицированных правил для сейсмического расчёта mass timber
- Нужны ясные критерии для применения поведенческих коэффициентов $R$ / $q$, уровней пластичности и допустимого остаточного прогиба; на сегодня часто применяют заимствованные из легких деревянных каркасов значения, что рисковано.
4. Отсутствие типовых сертифицированных узлов и их предельных характеристик
- Требуется нормативная база для типовых соединений с заданными циклическими свойствами и предельными состояниями.
5. Требования к испытаниям и верификации
- Нормы должны устанавливать набор обязательных испытаний (циклические испытания стен/узлов/диафрагм, системные полноразмерные испытания) и критерии приемлемости.
6. Инспекции, контроль производства и монтаж
- Обязательная сертификация заводов-производителей (аналог PRG‑320), контроль адгезивов и сушильных режимов, стандарты монтажа.
7. Страхование и ответственность
- Риски пожара и землетрясения пока приводят к повышенным страховым тарифам и отсутствию понятных требований для страхования mass timber в высоких зданиях.
Что нужно сделать (рекомендации)
1. На инженерном уровне
- Разработать и внедрить типизированные соединения, проверенные циклическими тестами; ввести библиотеки элементов с паспортами.
- Проводить системные ненелинейные расчёты (time–history и pushover с калиброванными гистерезисными моделями).
- Учитывать комбинированные сценарии (пожар → урон → последующее землетрясение).
- Внедрять мониторинг (датчики смещений/вибраций/влажности) для первых проектов и использовать данные для корректировки моделей.
2. На нормативном уровне
- Ввести путь performance‑based design (PBD) для mass timber с чёткими критериями предельных состояний, тестирования и акцептации.
- Пересмотреть пределы высот/площадей на основе результатов системных испытаний и аналитики остаточной несущей способности после пожара.
- Определить поведенческие коэффициенты и требования к демпфированию на основе экспериментальных данных (а не переносить из ЛВЖ‑каркасов).
- Стандартизировать требования к качеству производства (сертификация CLT по принципу PRG‑320 или эквивалент).
3. На уровне исследований и валидации
- Масштабные системные испытания полноразмерных этажных сборок и стен при циклических нагрузках.
- Исследования гистерезиса соединений, кумулятивного повреждения и остаточной прочности.
- Моделирование и эксперимент по комбинированным рискам (пожар + сейсмика, долгосрочная влажность + сейсмика).
4. Практические меры при проектировании сейчас
- Применять гибридные схемы (ядро из железобетона/стали + деревянные панели) для центров линейной жёсткости и контроля смещений.
- Проектировать по принципам capacity design: направлять пластические деформации в предсказуемые, заменяемые элементы (сохранение несущей схемы).
- Обеспечивать спринклеры/пассивную огнезащиту в соответствии с актуальными риск‑оценками и нормативами.
Короткое заключение
- Технологически CLT и mass timber пластично подходят для высотного строительства в сейсмических районах, но ключ ограничений — соединения, системное поведение под циклической нагрузкой, пожарно‑сейсмические сценарии и отсутствующая/неполная нормативная база. Решение требует сочетания целевых исследований, системных испытаний, стандартизации узлов и перехода к performance‑based нормативам, а также поэтапного применения гибридных схем до полной нормативной зрелости.