Теплофизические характеристики ограждающих конструкций быстровозводимого складного модуля на основе деревянных конструкций

Актуальность научных исследований и опытно-конструкторских разработок в области проектирования и строительства быстровозводимых

- Необходимостью освоения и комплексного развития территорий Арктической зоны Российской федерации

- Более 50% вводимой жилой площади в северных регионах обеспечивается за счет объектов индивидуального жилищного строительства (ИЖС) и порядка 30–50% ИЖС реализовано в деревянных конструкциях.

- Экспортные ограничения на вывоз древесины за рубеж обуславливают необходимость переработки леса на российской территории и внедрения технологий глубокой переработки для получения продукции высокой степени заводской готовности.

- Модульное

- Производство и применение складных (трансформируемых) деревянных конструкций позволяет значительно увеличить преимущества высокой степени заводской готовности элементов здания, а также сократить продолжительность строительно-монтажных работ в построечных условиях, что положительно скажется на качестве коечной строительной продукции.

- Рыночная ниша деревянного домостроения с использованием складных (трансформируемых) конструкций на основе древесины практически не занята, ни в Республике Карелии, ни в РФ. В зарубежной практике успешно реализуются и развиваются проекты с применением трансформируемых конструкций.

Быстровозводимые здания повышенной заводской готовности с деревянным складным каркасом могут быть применены в туристическом секторе, в индивидуальном жилищном строительстве, в качестве объектов временного размещения, а также в качестве продукции двойного назначения для МЧС и Минобороны РФ. На территориальном рынке Петрозаводской агломерации и Республики Карелия к предлагаемым к разработке решениям проявило заинтересованность ООО «ЛИННА» (ТМ «ECO TALO»), входящее в группу компаний «НОВА», и занимающиеся строительством индивидуальных жилых домов из стеновых панелей повышенной заводской готовности на основе деревянного каркаса. Проектная организация ООО «НОВА-ПРО», входящая в группу компаний «НОВА» также проявила интерес к разрабатываемым конструктивно-технологическим решениям с возможностью внедрения инженерных решений в базу типовых решений при проектировании.

В рамках разработки и научно-технического обоснования концептуальной модели (эскизного проекта) многофункционального трансформируемого модуля для типового проекта повторного применения быстро возводимого здания на основе объемно модульного решения высокой степени заводской готовности на основе деревянных каркасных конструкций необходимо реализовать следующие задачи:

- Разработка объемно планировочных решений здания, предусматривающих использование многофункционального модуля высокой степени заводской готовности на основе деревянных складных конструкций с учетом эксплуатации здания в условиях Арктики.

- Конструктивный расчет (в том числе теплотехнический) элементов системы складывания (элементов несущих конструкций и шарнирных элементов) с учетом нагрузок и воздействий, возникающих при заводском производстве, возведении (монтаже) и эксплуатации.

- Анализ и оценка ранее разработанных и применяемых решений и предлагаемого варианта.

Предварительно были выполнены исследования опыта применение модульных трансформируемых зданий и технологий их возведения, а также опыта применения деревянных конструкций в трансформируемых решениях зданий в России и за рубежом. На первом этапе исследований были разработаны объемно планировочные решения здания, предусматривающие использование многофункционального модуля высокой степени заводской готовности на основе деревянных складных конструкций с учетом эксплуатации здания на северных и Арктических территориях. Объемно-планировочные решения предполагают не только габаритные размеры модуля, но и способ крепление модулей между собой. На следующем этапе работ была разработана система складывания складного модуля. Система складывания включает в себя элементы несущих конструкций модуля и шарнирные элементы складывания (трансформации). На основе решений несущих и шарнирных элементов выполнялось конструирование всей системы складывания с подбором используемых материалов и сечений элементов. Сравнительная оценка предлагаемого решения и классических решений по строительству зданий на основе деревянных каркасных конструкций предполагает сравнение по продолжительности строительно-монтажных работ, выполняемых в построечных условиях, общей продолжительности строительства, качеству и стабильности получаемой продукции за счет заводского изготовления модульной конструкции.

Основные технические параметры разрабатываемого складного модуля предполагают следующие характеристики:

- Несущие элементы конструкции должны быть выполнены из древесины.

- Габаритный размер элементов заводского изготовления должен быть не более 13,0 х 2,5 х 2,6 м (Длина х Ширина х Высота) с учетом возможности перевозки автомобильным и железнодорожным транспортом.

- Сопротивление теплопередаче элементов ограждающих конструкции должно обеспечивать возможность эксплуатации здания в арктических условиях.

- Время раскладывания (приведение в эксплуатируемое состояние) модуля должно составлять не более 4 часов.

В научной периодике представлено достаточно большое количество статей, описывающих различные системы складывания и модульные конструкции зданий, как в России, так и за рубежом. Однако тематика, связанная со зданиями, состоящими из модулей повышенной заводской готовности на основе деревянный каркас возможность раскладывания в период монтажа, представлена не достаточно широко. Европейские компании, успешно реализующие данную технологию, и имеют ряд международных патентов на собственные системы складывания, которые не достаточно подходят для применения в арктических территориях.

Анализ рынка трансформируемых конструкций показал, что в России отсутствуют производства и компании, реализующих технологию трансформации (складывания) конструкций зданий

2.1. Определение минимально необходимых требований тепловой защиты

Теплотехнический расчет выполнялся для территории г. Мурманска. Расчет проводился на основании следующих исходных данных, на основании СП 131.13330.2012 «Строительная климатология. Актуализированная редакция СНиП 23-01-99* (с Изменениями N 1, 2)» и ГОСТ 30494-2011 «Здания жилые и общественные. Параметры микроклимата в помещениях»:

- Средняя температура наиболее холодной пятидневки обеспеченностью 0,92 — минус 30 оС.

- Средняя температура периода со средней суточной температурой воздуха ниже или равной плюс 8 оС (средняя температура воздуха отопительного периода) — минус 3,4 оС.

- Продолжительность периода со средней суточной температурой воздуха ниже или равной плюс 8 оС (продолжительность отопительного периода) — 275 суток.

- Температура пребывания — плюс 22 оС.

- Количество градусо-суток отопительного периода (ГСОП) — 6985 оС•сут.

В соответствии с СП 50.13330.2012 «Тепловая защита зданий. Актуализированная редакция СНиП 23-02-2003 (с Изменениями N 1, 2)» были получены нормативные значения сопротивления теплопередаче для следующих ограждающих конструкций:

- Покрытие (скатная утепленная кровля) — 5,2 (м²•оС)/Вт.

- Перекрытие (нижнее, утепленное) — 4,7 (м²•оС)/Вт.

- Стены — 4,0 (м²•оС)/Вт.

2.2. Определение сопротивления теплопередаче конструкций рассматриваемых вариантов

Сборно-разборный утепленный дом латвийской компании «Rustic 20 XL Brette Haus» площадью 30 квадратных метров, изготовляется совместно с заводом по производству CLT-панелей «WIGO Group». Дом является изделием высокой степени заводской готовности со складной концепцией (см. рисунок 1) и поставляется в готовом виде по принципу «подключи и эксплуатируй». На первом этаже расположена гостиная с кухней и ванной комнатой, а в мезонине предполагается размещение зоны отдыха со спальней. Дом изготовлен из возобновляемого древесного материала с почти нулевым количеством отходов

Рисунок 1 - Схема раскладывания (трансформации) Rustic 20 XL Brette Haus

DOI:10.60797/mca.2025.59.1.1

Дом выполнен из CLT-панелей толщиной 90 мм. В качестве утеплителя применяется материал STEICO Flex толщиной 50 мм на основе древесного волокна. Снаружи применена гидро-ветрозащитная мембрана. В качестве облицовки фасада используется деревянный планкен. В результате выполнения теплотехнического расчета на соответствие требованиям северных территорий Российской Федерации

[18]

,

[19]

, что данная конструкция не эффективна для применения в Арктических условиях. Низкое значение сопротивления теплопередаче не удовлетворяет санитарно-гигиеническим требованиям.

Шарнирные механизмы не являются типовыми (стандартизированными) элементами и изготавливаются по специальному заказу. Конструкция шарнира реализована по принципу дверной петли и не имеет сложных элементов крепления и подвижных частей. Шарнир складывания основания находится в теплом контуре и не создает дополнительных мостиков холода. Кровельный шарнир частично располагается за пределами теплого контура здания. При эксплуатации, частичное расположение конструкций шарнира за пределами теплого контура, будет влиять на теплотехнические характеристики дома в местах установки кровельных шарниров и рядом находящихся конструкций, создавая точечное понижение температуры. В данном случае место установки шарнира в структуре деревянной конструкции будет испытывать негативные воздействия влаги. Из-за постоянного выпадения влаги на металлической конструкции шарнира вне теплого контура будет происходить снижения прочности деревянных конструкций в месте установки шарнира.

Решения по изоляции вертикальных стыков образованных в месте сочленения элементов здания применено простое и эффективное. Ранее изготовленные вставки с элементами фасада и внутренней отделки монтируются вместе с теплоизоляционной клейкой лентой встык и враспор, а также фиксируется конструкционными самонарезающими винтами. При необходимости складывания дома, самонарезающие винты выкручиваются и вставка демонтируется.

В заключение анализа продукции компании «Brette House» можно отметить, что конструкция дома «Rustic 20 XL достаточно простая и надежная. По заявлениям производителя, здание трансформируется из транспортного положения в эксплуатационное положение всего за 4 часа. Для применения в условиях Арктики конструкция здания не может рассматриваться в качестве здания постоянного проживания из-за низкого сопротивления теплопередаче ограждающих конструкций и конструкции шарнирных элементов складывания, частично выходящих за пределы теплого контура.

Итальянские компании M.A.Di и A-FOLD производят систему сборных быстровозводимых модульных зданий. Название компании M.A.Di в переводе с итальянского языка обозначает «разворачиваемый жилой модуль». Продукция компании A-FOLD аналогична продукции компании M.A.Di. Изделия M.A.Di и A-FOLD защищены международными патентами Система предлагает множество типологических решений, которые различаются в зависимости от компоновки нескольких модулей и/или использования различных материалов. Линейка продукции представлена зданиями площадью 27, 46, 56, 70 и 84 квадратных метра.

Модульный дом Model-A собирается на месте установки за несколько часов. Здание основано на оригинальном складном дизайне, базирующееся на оцинкованной стальной раме и шарнирах, которые обеспечивают возможность складывания (трансформации) (рисунок 2). Все дома серии M.A.Di — двухэтажные: на первом этаже расположены кухня, ванная, столовая, на втором — спальни и комнаты. Строительный модуль поставляется в транспортном контейнере высотой 1,5 метра, а на месте установки раскладывается в здание высотой 6,5 метра.

Рисунок 2 - Схема раскладывания (трансформации) здания Model-A

DOI:10.60797/mca.2025.59.1.2

Готовое здание блокируется из нескольких однотипных модулей, что позволяет выбирать более гибкие решения по площади и схеме блокировки. Панели модуля компаний M.A.Di выполнены из CLT древесины по металлическому каркасу, а в качестве несущих конструктивных элементов в варианте компании A-FOLD применяются деревянные панели из спрессованных досок, перекрестно соединенных друг с другом алюминиевыми крепежными элементами (Massiv-Holz-Mauer, далее — MHM). Толщина CLT или MHM панелей варьируется от 60 до 160 мм. Основное утепление реализовано из плит на основе жесткой минеральной ваты или теплоизолирующего материала на основе древесного волокна толщиной от 50 до 250 мм. В результате выполнения теплотехнического расчета (см. рисунок 4) получены приемлемые показатели сопротивления теплопередачи. Санитарно-гигиенические требования удовлетворяются, но поэлементные требования сопротивление теплопередаче для арктических зон недостаточное, что может говорить о недостаточной энергоэффективности ограждающих конструкций.

В основе конструкции пола и нижней неподвижной части стен лежит металлический каркас, который не учитывался при теплотехническом расчете. Металлические элементы в конструкции понижают сопротивление теплопередаче локально и негативно влияют на энергоэффективность здания в целом. Также конструкция шарнира складывания ската, состоящая из нескольких металлических пластин, пронизывают теплоизоляционные и конструктивные слои на всю толщину. Такой значительный мостик холода и благоприятные условия для возникновения конденсата на металлических элементах существенно ограничивают возможность использования здания в северных условиях.

Стыки между модулями перекрываются сэндвич панелями, поэтому они надежно защищены от атмосферных воздействий и не подвержены продуванию. Крепление модулей между собой происходит с помощью конструкционных самонарезающих винтов. Фронтонная часть дома поставляется как панель высокой степени заводской готовности. Шарнир складывания ската подвергается в процессе эксплуатации значительным нагрузкам и является достаточно сложным в исполнении. Также нагруженным и подвижным является шарнир подъема перекрытия.

Можно сделать вывод, что, несмотря на возможное увеличения изоляционного слоя первоначальная конструкция имеет множество мостиков холода в виде сложных шарниров и металлических элементов в основании конструкции. Идея быстровозводимого здания из нескольких типовых блокируемых модулей является приемлемой для северных регионов с коротким благоприятным периодом для строительства.

По результатам выполненного анализа продукции рассмотренных европейских компаний была разработана концепция складного дома пригодного для эксплуатации в северных и арктических условиях. Предлагаемый модуль состоит из двух трансформируемых (складываемых) конструкций (см. рисунок 3): складываемая конструкция первого этажа и складываемая конструкции скатной крыши (мансардного этажа).

Рисунок 3 - Предлагаемая конструкция модуля и схема складывания элементов

DOI:10.60797/mca.2025.59.1.3

В качестве основы для конструкций модуля приняты MHM панели. Материал изготавливается из заранее высушенных, спрессованных послойно накрест и дополнительно скрепленных алюминиевыми метизами досок. Готовые стены из MHM панелей не дают усадку, не гниют, не содержат клея, не полые внутри, более экологичны, по сравнению с CLT 

[20]

, и более экономически выгодные. Предлагаемая конструкция представлена на рисунке 4.

Рисунок 4 - Предлагаемая ограждающая конструкция

DOI:10.60797/mca.2025.59.1.4

В результате анализа изоляционных и отделочных материалов в качестве теплоизоляции принята минеральная вата толщиной 150 мм на стенах и 190 мм на кровле. В качестве изоляционно-отделочных покрытий кровли и фасада принята гибкая черепица в силу своей долговечности и прочности на сжатие (что важно при транспортировке и трансформировании модуля). Поскольку минеральная вата применена повышенной жесткости, используемая для устройства плоских кровель, ее фиксация к МХМ панели происходит при помощи клея с последующим закреплением конструкционными самонарезающими винтами через слой фанеры. Для утепления нижнего перекрытия был выбран экстрадированный пенополистирол за счет своей жесткости и возможности быстрого устройства по нему основания для конструкции пола. Недостаточная огнестойкость пенополистирола компенсируется за счет применения в качестве основания для конструкции пола гипсоволокнистых листов.

При выполнении теплотехнического расчета было получено, что сопротивление теплопередаче конструкции стен составляет 4,75 (м²•оС)/Вт, а сопротивление теплопередаче конструкции крыши — 5,57 (м²•оС)/Вт. Данные показатели превосходят минимальные требования, отмеченные выше, а разработанная конструкция позволяет смонтировать элементы фасада и утепления до транспортировки, что повышает заводскую готовность системы складывания.

В системе складывания используются шарнирные элементы складывания. Все шарнирные элементы находятся внутри теплого контура, не создавая дополнительных мостиков холода. В качестве шарнирных элементов применены усиленные петли заводского изготовления, дополненные монтажными пластинами для крепления к панели. Такое решения является достаточно простым и надежным. Сам шарнир испытывает нагрузку только в момент складывания (трансформации) в момент монтаж. При раскрытии и фиксации модуля в эксплуатируемом положении шарнир не задействуется в работе конструкции и не несет на себе нагрузку. Такое решение позволяет упростить шарнирный элемент и использовать классическую схему стыковки MHM панелей — в половину сечения.

Классическое вертикальное расположения стен первого этажа позволяет рационально использовать площадь помещения и сделать более удобную систему складывания и раскладывания модуля. Также может быть использован дополнительный элемент в виде балки, для обеспечения необходимой жесткости конструкций перекрытия и пола. Нагрузка равномерно распределяется с крыши на перекрытие, далее на стены и далее на фундамент.

Герметизация стыков происходит за счет соединения в половину сечения и укрытия стыка теплоизоляционным материалом (см. рисунок 5). Такое решение не создает мостиков холода и является классическим при постройке домов из CLT и МХМ панелей. Все шарнирные элементы находятся внутри теплого контура, не создавая дополнительных мостиков холода. В качестве шарнирных элементов применены усиленные петли заводского изготовления, дополненные монтажными пластинами для крепления к панели. Такое решение является достаточно простым и надежным. Фронтонные элементы поставляются в виде панельных конструкций высокой степени заводской готовности.

Рисунок 5 - Предлагаемое устройство стыков элементов конструкции

DOI:10.60797/mca.2025.59.1.5

В основе предлагаемой концепции представлена идея об использовании преимуществ решений зарубежных компаний и о компенсации их недостатков для использования в условиях Севера. В предлагаемом решении применена модульная конструкция со стыковкой однотипных модулей для формирования различных по площади зданий, а также использованы простые и надежные решения шарниров складывания, конструкции которых размещены в теплом контуре здания.

Новизна разработок заключается в применении трансформации (складывания) конструкции деревянного модульного здания на основе продукции высокой степени заводской готовности изготовленных в производственных условиях и с возможностью раскладывания при монтаже в условиях строительной площадки с учетом их применения в условиях Арктики. Возможность применения системы складывания в северных условиях обеспечивается за счет нахождение шарнирных элементов в теплом контуре модуля, что выгодно отличает данный проект от европейских аналогов. Возможность раскладывания несущих конструкций быстровозводимого модуля высокой степени заводского готовности позволит значительно сократить время монтажа в условиях строительной площадки. В сложенном состоянии модуль имеет компактные размеры, что дает возможность его транспортировки по дорогам общего пользования и железнодорожным транспортом.

Получены следующие технические параметры разрабатываемого быстровозводимого складного модуля на основе деревянных конструкций:

- Несущий каркас складного модуля выполнен из MHM древесины.

- Габаритные размеры складного модуля в транспортном состоянии (длина х ширина х высота) — 6,0 х 2,4 х 1,6м. Количество транспортируемых модулей с помощью грузового автомобиля (евро фуры) составляет 2шт.

- Общая площадь складного модуля в эксплуатируемом состоянии составляет 21,6 квадратных метра, в том числе первого этажа — 14,6 квадратных метра и мансардного этажа — 7 квадратных метров.

- Чистовая отделка стен не требуется за счет применения MHM панелей. Ограждающие конструкции фасада и утеплитель смонтированы в заводских условиях. Отделка пола и его утепление монтируется в построечных условиях, после установки модуля.

- Мопротивление теплопередаче конструкций нижнего перекрытия составляет 4,95 (м²•оС)/Вт, конструкций стен — 4,64 (м²•оС)/Вт, конструкций кровли — 5,57 (м²•оС)/Вт т. В качестве утеплителя для конструкций нижнего перекрытия использован экструзивный пенополистирол. Утепление стен и кровли реализовано за счет применения минеральной ваты повышенной жесткости.

- Время раскладывания (приведение в эксплуатируемое положение) модуля составляет 3 часа.

- В основе конструкции элементов системы складывания применен листовой металл соединенный при помощи сварных соединений. Подвижность конструкций обеспечивается за счет поворотных шарниров реализованных на основе усиленных петель заводского изготовления.