VISOKE DRVENE ZGRADE

PREGLED SPORNIH PITANJA PROJEKTOVANJA VISOKIH DRVENIH ZGRADA

Prof.Dr Ian Smith Univerzitet Novi Brunsvik Kanada

Dr Andrea Frangi Insitut za projektovanje konstrukcija ETH Zirih, Švajcarska

Drvene zgrade, kao bilo koje druge, predstavljaju delo za primer kada su materijali  pravilno upotrebljeni, kada su strukturne forme i detalji izgradnje usmerene na zahteve nosivosti i upotrebljivosti, i kada su geometrija i unutrašnji raspored usmereni na požarnu  bezbednost. Mnoga građevinska pravila ograničavaju drvene zgrade na četiri i šest spratova, odražavajući društvenu svest o efektima požara kao u slučaju Velikog požara u Londonu 1666. Međutim, kontrolni pejzaž se menja prepoznajući savremene mogućnosti da se uoči i suzbije požar i da se zadrži unutar zgrada. Ovo daje slobodu arhitektama i inžinjerima da u potpunosti eksploatišu strukturalne kapacitete drveta kao građevinskog materijala. Na osnovu podatka da moderne drvene građevine imaju od 10 do maksimalnih 20 spratova, ovaj tekst je objašnjenje glavnih građevinskih pitanja i načina na koji ima treba pristupiti.

Ključne reči : zgrade; spregnute konstrukcije; proračun; požar; karakteristike; drvo. Uvod  Nijedna moderna zgrada nije izgrađena u potpunosti koristeći samo jedan građevinski materijal, stoga termin drvene građevine označava one u kojima proizvodi od drveta čine većinu projektovanih delova konstrukcije. Principi koji važe za projekat visoke zgrade su zapravo opšti za sve velike građevinske sisteme, i ovaj tekst je kontekstualno tumačenje aspekata svojstvenih nauci projektovanja. Veličina i oblik, detalji izgradnje, geografska  pozicija i funkcionalna upotreba zatvorenog prostora podjednako utiču na usavršavanje karakteristika ponašanja zgrada i očekivanog kvaliteta tog ponašanja. Dakle, kada govorimo o projektovanju visokih zgrada, pitanja njihove visine se moraju sagledati u svetlu mnogih arhitektonski definisanih varijabli. Sama visina zgrade ne određuje mogućnost dostizanja prihvatljivih rešenja planova konstruisanja. Ono što je važno jeste da inžinjeri moraju biti u mogućnosti da predvide kontorlne faktore u datim  projektant skim situacijama. Cilj ovog teksta je da pruži savete po tom pitanju.

Slika 1:Poređenje nekih najviših prirodnih objekata i konstrukcija napravljenih ljudskom rukom

Savremene drvene zgrade visoke do šest spratova i 20 m grade se rutinski koriteći lakše građevinske sisteme, gde su višestruke rezidencijalne i poslovne zgrade najčešće.  Naravno postoji mnogo konstrukcionih dodataka i sistemi imaju mogućnost da rasporede unutrašnje sile ako podsistem padne. Konstrukcije starih pagoda u Aziji i fabrika u Novoj Engleskoj iz perioda pre Građanskog rata visokih do devet spratova i ispunjenih vibrirajućim teškim mašinama, dokazuju da su drvene zgrade srednje visine za nerezidencijalne svrhe takođe vrlo praktične. Sakyamuni Pagoda u Kini je sagrađena 1056. i vioka je 67,13m. Tesarske veze i gravitacijom izazvana trenja su sačuvali pagode netaknutima kroz mnoge seizmičke događaje. Izum livenog gvožđa je doveo do smanjenja interesa za drvene građevine koje su stremile ka nebu, ali to se nije dogodilo zbog konstrukcijskih razloga. Izvesnije je da su gvozdene pagode od livenog gvožđa bile izdržljivije, podnoseći požare izazvane prirodnim ili veštačkim putem i nisu trulile. Ovde je termin visoke drvene građevine upotrebljen da označi sve što je više od onoga što je građeno u skladu sa “modernim” zahtevima, gde je najviše oko devet spratova. Stoga, ono što iznosimo u ovom tekstu odnosi se na zgrade koje su visoke najmanje 10 spratova, sa praktičnom gornjom granicom od 20 spratova. Sa pravom, s obzirom da to nikada nije učinjeno pod modernim propisima, arhitekte i građevinski inžinjeri bi mogli da se zapitaju zašto bi neko verovao da je moguće graditi moderne visoke zgrade od drveta. Najjednostavnije empiričko objašnjenje je da je priroda namenila drvetu da funkcioniše kao visoka struktura. Mnoga stabla sekvoje (Sequoia sempervirens) u Kaliforniji su procenjena na 3000 godina starosti i još uvek snažno rastu i visoka su kao  prosečna zgrada sa 26 spratova. Prema Ginisovoj knjizi rekorda, pali eukaliptus kod reke Watts, Viktorija, Australija, bio je preko 150m dugačak i najviša je vrsta poznata ljudima.  Nekoliko materijala koje je čovek napravio dozvoljavaju pravljenje nosača dužine do 150m. Diskusije i komentari u dajem tekstu razmatraju tehničke barijere za građenje modernih drvenih zgrada i načina da se one prevaziđu.

Drvo kao građevinski materijal  Ponašanje u požaru i razvoj građevinskih propisa

Kao što svako ko je palio logorsku vatru zna, suve grančice snažno gore. Slično tome, mali delovi izložene suve drvene građe će brzo izgoreti u požarima u zgradama,  pokazujući da su lako zapaljivi i de neće razviti zaštitni sloj ćumura pre nego što njihove

Slika 1:Poređenje nekih najviših prirodnih objekata i konstrukcija napravljenih ljudskom rukom

Savremene drvene zgrade visoke do šest spratova i 20 m grade se rutinski koriteći lakše građevinske sisteme, gde su višestruke rezidencijalne i poslovne zgrade najčešće.  Naravno postoji mnogo konstrukcionih dodataka i sistemi imaju mogućnost da rasporede unutrašnje sile ako podsistem padne. Konstrukcije starih pagoda u Aziji i fabrika u Novoj Engleskoj iz perioda pre Građanskog rata visokih do devet spratova i ispunjenih vibrirajućim teškim mašinama, dokazuju da su drvene zgrade srednje visine za nerezidencijalne svrhe takođe vrlo praktične. Sakyamuni Pagoda u Kini je sagrađena 1056. i vioka je 67,13m. Tesarske veze i gravitacijom izazvana trenja su sačuvali pagode netaknutima kroz mnoge seizmičke događaje. Izum livenog gvožđa je doveo do smanjenja interesa za drvene građevine koje su stremile ka nebu, ali to se nije dogodilo zbog konstrukcijskih razloga. Izvesnije je da su gvozdene pagode od livenog gvožđa bile izdržljivije, podnoseći požare izazvane prirodnim ili veštačkim putem i nisu trulile. Ovde je termin visoke drvene građevine upotrebljen da označi sve što je više od onoga što je građeno u skladu sa “modernim” zahtevima, gde je najviše oko devet spratova. Stoga, ono što iznosimo u ovom tekstu odnosi se na zgrade koje su visoke najmanje 10 spratova, sa praktičnom gornjom granicom od 20 spratova. Sa pravom, s obzirom da to nikada nije učinjeno pod modernim propisima, arhitekte i građevinski inžinjeri bi mogli da se zapitaju zašto bi neko verovao da je moguće graditi moderne visoke zgrade od drveta. Najjednostavnije empiričko objašnjenje je da je priroda namenila drvetu da funkcioniše kao visoka struktura. Mnoga stabla sekvoje (Sequoia sempervirens) u Kaliforniji su procenjena na 3000 godina starosti i još uvek snažno rastu i visoka su kao  prosečna zgrada sa 26 spratova. Prema Ginisovoj knjizi rekorda, pali eukaliptus kod reke Watts, Viktorija, Australija, bio je preko 150m dugačak i najviša je vrsta poznata ljudima.  Nekoliko materijala koje je čovek napravio dozvoljavaju pravljenje nosača dužine do 150m. Diskusije i komentari u dajem tekstu razmatraju tehničke barijere za građenje modernih drvenih zgrada i načina da se one prevaziđu.

Drvo kao građevinski materijal  Ponašanje u požaru i razvoj građevinskih propisa

Kao što svako ko je palio logorsku vatru zna, suve grančice snažno gore. Slično tome, mali delovi izložene suve drvene građe će brzo izgoreti u požarima u zgradama,  pokazujući da su lako zapaljivi i de neće razviti zaštitni sloj ćumura pre nego što njihove

mehaničke mogućnosti ne savlada sila gravitacije. Neporecivo, drvene zgrade sa nezaštićenim konstrukcijskim sistemom lakog okvira su izuzetno podložne vatri koja nije odmah opažena i suzbijena. Sa druge strane, velike dimenzije drveta ne gore lako u  požarima čak i ako su veoma suve, jer je sam materijal slab provodnik toplote i stvaraju se zaštitni slojevi ćumura. Ćumur je efektna kočnica mogućnosti brzog gravitacijom izazvanog kolapsa sistema koji se za nosivost oslanja na velike dimenzije drveta. Metalni delovi i spone se obično koriste da naprave veze između elemenata, i takvi metalni delovi su potencijalno visoko ranjive veze u završenim konstrukcijama. Izloženi metalni delovi omekšaju tokom požara, gube čvrstoću i deformišu se preterano izazivajući sistemske kolapse. Zbog toga je neophodno izolovati metalne delove u drvenim zgradama, ugrađujući ih u elemente ili prekrivajući izložene površine nezapaljivim materijalima. Glavni razlog zašto su drvene zgrade gorele u prošlosti jeste odsustvo efikasnih vatrogasnih odeljenja, uređaja za opažanje i suzbijanje požara i tehnologija borbe protiv vatre. Neočekivane istorijske katastrofe kao što je Veliki požar u Londonu 1666. i Bostonski požar 1872 dogodile su se jer tadašnja tehnologija nije mogla da spreči rast i širenje početno malih požara. Mnogi još uvek primenjivi građevinski propisi koji ograničavaju visinu drvene zgrade na otprilike četiri sprata vode poreklo od velikih gradskih požara starog i novog sveta Evrope. Moderni konstrukcioni sistemi koji su  pravilno zaštićeni od strane same masivnosti drveta, ili nezapaljivim površinskim materijalima, mogu biti zahvaćeni požarom, a da pritom ne izgore pre nego što vatrogasci stignu ili dok se bore sa vatrom. Ovaj podatak u kombinaciji sa modernim tehnologijama za opažanje i suzbijanje požara pokazuje da ne postoje dalji razlozi da se propisima ograničavaju visine drvenih građevina. Tokom nekoliko poslednjih decenija sigurnost od požara privukla je interes inžinjera i naučnika širom sveta. Nauka o zaštiti od požara još uvek uključuje tradicionalno testiranje na vatru, ali je sada uglavnom usmereno na osnovna ispitivanja delovanja  požara. Tehničke mere za zaštitu od požara su se razvijale i izučavano je ljudsko  ponašanje u slučaju požara. Na osnovu takvog važnog znanja, nove kontrolne paradigme zasnovane na karakteristikama počinju da se pojavljuju i da prepoznaju da osiguravanje zadovoljavajućeg ponašanja zgrada u požaru nije moguće kroz diskriminišuće zabrane upotrebe određenih materijala. Propisi projektovanja zgrada zasnovani na karakteristikama, od kojih ćemo sada navesti nekoliko, primenjivi su na sve aspekte proračuna zgrade. Ostvareni principi, ciljevi i apsolutna ograničenja povezana sa karakteristikama nezavisna su od građevinskih materijala koji će se koristiti. Prema tome, projektanti potencijalno imaju mnogo slobodniju mogućnost nego ranije da ponude rešenja prilagođena klijentovim potrebama i određenim situacijama, kao i da iskoriste mogućnosti materijala kao što je drvo.  Mehanička svojstva i mogućnosti 

Prividno, mehanička svojstva drveta mogu se smatrati niskim u poređenju sa ostalim uobičajenim materijalima. U opštim uslovima, čvrstoća na zatezanje punog drveta je u redu od 10-20% čvrstoća na zatezanje od uobičajeno dostupnih stepena konstrukcijskog čelika, dok je čvrstoća na pritisak punog drvveta otprilike 5 – 10% iste čvrstoće kao čelik. Međutim, čvrstoća nekih modernih kompozita baziranih na drvetu je obično najmanje

dva puta veća od čvrstoće sečenog drveta. U poređenju sa običnim betonom, puno drvo je mnogo superiornije pri zatezanju i ima oko pola čvrstoće na pritisak betona normalne težine. Što se tiče tvrdoće, čelici su 10 do 20 puta čvršći od punog drveta, dok je običan  beton tri do pet puta čvršći. Ako umesto poređenja na osnovu absolutnih vrednosti, normalizujemo sa masom po jedinici zapremine, veoma različiti zaključci će se pojaviti kada su mehaničke produktivnosti drveta, čelika i betona u pitanju. Drvo ima otprilike  peti deo gustine betona i šesnaesti deo gustine čeilka. Upravo načinjena poređenja  pretpostavljaju da je puno drvo uglavnom opterećeno paralelno sa pravcem vlakana, što  je prvenstveni način naprezanja drveta. Kvalifikacija se takođe odnosi na neke moderne kompozite bazirane na drvetu, ali ne na ostale. Iako se puno drvo najčešće javlja sa  pravougaonim i drugim jednostavnim poprečnim presecima, ono je neefikasno geometrijama poprečnog preseka. Konačno, drvene i na drvetu zasnovani kompoziti mogu da prime pritisak kao beton, ili opšte konstrukcijske zadatke kao čelik. Trajnost 

U neodgovarajućim uslovima, drvo će propadati, jer zapravo priroda je uredila da truli nakon što izumre kako bi vratilo minerale i hranljive sastojke zemlji. Sa naučne strane  posmatrano treba poštovati pravilo da će drvo malo verovatno truliti ako stopa sušenja sredine prelazi stopu vlažnosti. Insekti mogu biti mnogo podmukliji neprijatelji drvenih konstrukcijaod gljiva. Posebno je teško izboriti se sa termitima u toplijim predelima, mada predstavljaju rastuću pretnju i u hladnijim regionima jer su ih ljudi preneli u veštački ugrejane mikroklime u kojima oni opstaju. Postoje efektivne strategije protiv štete koju nanose insekti, od kojih je veštačko trovanje drveta koristeći različite prirodne i sintetičke hemikalije delotvorno rešenje, ali često osuđivano kao neprihvatljivo za sredinu kao široko primenjivana strategija. Konačno, izazovi u uporebi drveta u konstrukcijama su kompleksni, ali ne više od onih koji se vezuju za upotrebu drugih materijala.

Iskustvo sa niskim drvenim zgradama Mnoge konstrukcione forme su usvoje za izgradnju zgrada male i srednje visine kako bi se postigla krutost, čvrstoća, stabilnost i robustnost. Preferirani sistemi i detalji izgradnje variraju od regije do regije, ali oni prikazani na slici.2 su najuobičajeniji. Granična stanja nosivosti 

Proračun prema graničnim stanjima nosivosti kao što su prevrtanje i lom u principu se ne razlikuje od proračuna zgrada građenih primarno od drugih materijala. Potrebno je razmotriti neke bitne osobine i ponašanja svojstvena drvetu, ali su one dobro shvaćene i uključene u savremene propise. Isključujući pitanje loše izrade, što predstavlja problem koji može biti ,,Ahilova peta'' niskih građevina, sposobnost čak i neproračunatih drvenih zgrada da izdrže izuzetno opterećujuće događaje kao što su zemljotresi i cikloni je bila za  primer. Dobro iskustvo na terenu obično se objašnjava prilično visokom apsolutnom

čvrstoćom drveta; sposobnošću elemenata, podsistema i mehaničkih spojeva da se suštinski deformišu pre pada; i svojstvenoj robusnošću oblika. U slučaju seizmičkih  potresa, dobro ponašanje kroz

Tradicionalne zgrade -više vrsta stambenih jedinica

Moderne zgrade sa teškim okvirom

-nerezidencijalnog tipa -kombinovani zidovi -stubovi i grede od punog drveta -zidovi odolevaju svim vrstama -horizontalna spreg dodat kako bi opterećenja se odolelo bočnim silama -drvena gornja ploča -veze projektovane za aksijalne i -drveni okviri krova sile smicanja -najčešća su 2 ili3 sprata -kombinovani ili drvetom spojeni -postoje primeri od 5 i 6 spratova gornji spratovi -gradnja zasnovana na iskustvu -više od 2 sprata je neuobičajeno -  proračun je obavezn

Moderne platformne zgrade -uglavnom rezidencijalne jedinice -zidovi od drveta ili kombinovani -kombinovani podovi, spojeni drvetom ili od drvene ploče -spratovi su upakovani kao kutije za cipele međusobno povezane -više od 4 sprata je neuobičajeno -primeri od 6 spratova postoje u nekim zemljama -proračun nije uvek  obavezn

istoriju se takođe pripisuje visokom odnosu čvrstoće i mase drveta, što znači da su inercijalne sile relativno male. Svojstvena velika raznovrsnost osobina drveta olakšava  podelu opterećenja i stvaranje alternativnih puteva prenosa opterećenja u podsistemma i celim sistemima prateći lokalno rušenje. Samo drvo karakteriše veoma malo prigušenje, ali završene zgrade mogu sasvim da pokažu modalna prigušenja. Uglavnom, posebno  prigušenje, potiče od nepovratnih deformacija i prigušenja usled trenja. Kao i niske zgrade, visoke zgrade treba da koriste visok odnos čvrstoće i mase drveta; da imaju sposobnost da razviju alternativne puteve prenosa opterećenja i oštećenja; i da apsorbuju energiju vezanu za sile inercije kada je lom blizu. Potreba za čvrstom kontrolom kvaliteta komponenata proizvodnje i izgradnje je očigledna nakon posle  prekida posmatranja razloga zbog kojih su zgrade padale, nagoveštavajući prednost  prefabrikovanih sistema. Kako će komponente biti projektovane i napravljene u fabrici, može se očekivati da će mehaničke reakcije komponenata biti manje varijabilne nego za niske zgrade. Zbog toga će obazrive metode povećane raspodele sile u slučaju pada  podsistema biti potrebne kako bi se izbegla nesrazmerna šteta na sistemima. Zaštita od velikih konstrukcijskih oštećenja se može integrisati sa strategijama suzbijanja požara, kojima takođe ne treba dozvoliti da naprave nesrazmernu štetu. Granična stanja upotrebljivosti 

Čak i za niske građevine, projektovanje prema graničnim stanjima upotrebljivosti je  presudni faktor za njihovu svakodnevnu eksploataciju. Može se očekivati da obezbeđivanje svakodnevne funkcionalnosti i komfora bude bar podjednako važno za visoke zgrade. Najpoznatiji konstrukcijski problemi eksploatacije u drvenim zgradama su  preterane vibracije izazvane aktivnostima ljudi i delovanja opreme. Ovo obično utiče da ili lokalno ili globalno odnosi modalne krutosti prema modalnoj masi budu nedovoljno visoki, ili da ograničenja deformacija budu neadekvatna. Uglavnom, delotvorna rešenja uključuju kombinacije visoko frekventnog podešavanja i pravilnog izbora detalja konstrukcije. U niskim drvenim građevinama problemi vibriranja se obično manifestuju kao vertikalna pomeranja, ali u zgradama srednje visine i vertikalna i horizontalna kretanja mogu biti problematična. Što je drvena zgrada viša to je teže izbeći  problematična sistemska pomeranja i prenos vibracija između stanova. Mnoga  pojednostavljena projektantska rešenja su predlagana u cilju da se kontroliše intezitet  preteranih vibracija kroz neposredna sredstva, kao što je ograničenje statičnog ugiba usled koncentrisanog opterećenja, ali su ovakvi pristupi visoko nepouzdani i treba ih izbegavati. Pokušavajući da se stvori strukturalna produktivnost koja smanjuje upotrebu materijala na minimum, veoma je uobičajeno graditi drvene zgrade sa spojenim zidovima manje težine i slojevitom podnom podlogom. Ovi podsistemi su obloženi pločom i često obuhvataju merno područje iza soba i iza stanova za jednu osobu, stvarajući idealne  puteve za prenošenje vibracionih i zvučnih talasa. Najbolja su ona rešenja koja kombinuju izolaciju mesta širenja od mesta receptora uz rasipanje mase na izabranim lokacijama. U niskim građevinama ovo se obično ne radi, ali na građevinama srednje visine prilično je uobičajeno. Visoke drvene zgrade moraju biti projektovane protiv  potencijalnog vibracionog i zvučnog prenošenja, sa akcentom na izolaciji; zaštiti od  prigušenja; i pravilnom rasporedu relativno masivnih elemenata kao ključnih komponenata strategija dobrog rešenja.

Neki osnovni propisi za projektovanje visokih zgrada  Strukturna sigurnost 

Rizici od smrti koji su društveno prihvaćeni su procenjeni na 0,14 x 10-6 i 4 x 10 ‾6 godišnje u rušenju i požarima u zgradama. Iako je nemoguće da se stvarno kroz  projektovanje zagarantuju niski nivoi rizika kako je planirano, savršeno je izvodljivo skicirati podesne ciljeve projektovanja. Jedan od ciljeva za visoke drvene zgrade treba da  bude da one ne trpe nikakvu štetu na primarnom konstrukcijskom sistemu kao rezultat  proračunskih opterećenja scenarija opisanih u primenjivim propisima. Prihvatanje ovoga implicira da visoke zgrade treba projektovati da povrate sve deformacije na primarnom sistemu kada se vremenski promenjive spoljne sile osim opterećenja spratova, uklone. Uticaj različitih mera i različitih tipova izgradnje (zapaljivi/nezapaljivi) na sigurnost od  požara proučavan je u kantonima Berna i Ciriha, Švajcarska. Uočen je jasan uticaj upotrebe zgrade, starosti i tipa izgradnje na rizik. Zgrade sa nezapaljivim konstrukcijama imale su manja oštećenja od požara od zgrada sa zapaljivim konstrukcijama. Ipak, za moderne drvene zgrade nije bilo razlike u šteti od požara u poređenju sa nezapaljivim konstrukcijama. Ljudsko ponašanje u slučaju požara je veoma važno i jako utiče na rizik, i projektovanje za to je mnogo važnije od zaračunavanja zapaljivosti materijala.

 

Niske platformne konstrukcije

-spratovi su upakovani kao kutije za cipele -ključna konstrukcijska pitanja su otpornost na smicanje u horizontalnom pravcu -horizontalma pomeranja obično nisu problematična otpornost na umerene sile prevrtanja među slojevima -otpornost na umerene sile prevrtanja između slojeva -plitko fundiranje je adekvatno -modalni oblici su jednostavni -zahtevi detalja konstrukcije nisu slični za vetar i seizmičko projektovanje

Visoke platformne konstrukcije -spratovi su upakovani kao kutije za cipele -ključna konstrukcijska pitanja su: 1)otpornost na smicanje u horizontanom pravcu 2)otpornst na odizanje i pritisak u zidovima -horizontalna i, moguće, vertikalna pomeranja problematična -sile prevrtanja su velike -plitko fundiranje nije adekvatno -modalni oblici mogu biti kompleksni -detalji konstrukcije se ne razlikuju za seizmičko

Optimizacija

Često se velika pažnja posvećuje pojmu strukturne optimizacije, kako u literaturi, tako i  praksi projektovanja. Praktično to je oblik smanjivanja mase građevinskih materijala koja se koristi. Ipak, optimizacija mase drvenih građevina na osnovu čvrstoće i statičnih deformacijskih reakcija može izazvati brojne nepoželjne karakteristike i svojstva. Zbog toga, optimizacija ne treba samo da bude izbor sistema koji umanjuje masu (ili izračunati trošak) alternativnih strateških rešenja, kada je opšti odgovor u optimiziranom konstrukcijskom proračunu komponenati. Optimizacija u projektovanju visokih drvenih zgrada treba da se zasniva na višestrukim ciljevima povezanih sa:graničnim stanjima upotrebljivosti; i nekonstrukcijskim karakteristikama . Slika 3 poredi unutrašnje tokove sile za koje se očekuje da budu od primarne važnosti u niskim zgradama nasuprot visokim drvenim zgradama zasnovanim na pretpostavci takozvanog platforma tipa izgradnje i seizmičkih potresa zemlje. U modernoj niskoj gradnji, ključne unutrašnje dejstvo su horizontalne sile između slojeva kroz dubinu sistema. U visokim zgradama, važno unutrašnje dejstvo su horizontalne sile smicanja i aksijalne sile izazvane gravitacijom i savijanjem. Čak i bez posebnog definisanja promenljivih ili proračuna,

 jasno je da će u projektovanju visokih zgrada kontrolna horizontalnog nagiba biti  problematičana. Posebno u cilju kotrolisanja veličine horizontalnog nagiba, može se  predvideti da će često biti nemoguće čak i za drvene zgrade od osam ili deset spratova visine uključiti sva drvena rešenja ako je geometrija zgrade uska. Zgrade koje su više od uobičajenih moraju biti spregnute konstrukcije, sa drvenim podsistemima izvedenim oko konstrukcije od čelika ili armiranbetonskog jezgra koje dodaje krutost za globalno kontrolisanje nagiba.  Proračun zasnovan na karakteristikama

Usko povezani razvoj propisa projektovanja zasnovanih na karakteristikama i potrebe za  požarnim inžinjeringom kao razvijenom primenjenom naukom je pomerilo granice onoga što inžinjeri i arhitekte mogu da urade. I pored toga, nerealno je pretpostaviti da će zakonodavne vlasti učiniti drugačije od postepenog pristupanja liberalizacije onoga što je dozvoljeno graditi od drveta. Takođe, može biti očekivano da će vlasnici imati oprezan  pristup. Zbog toga je potrebno projektovati visoke zgrade na takav način da postoji dobro definisana podela zgrada na odeljke sa barijerama između podprostora koje su delotvorne  barijere protiv požara. Izbor i definiciju strukturalnog koncepta treba integrisati sa  projektom funkcija zgrade (npr.grejanje, ventilacija, klima), u cilju da se ispravno garantuje integritet požarnih odeljenja. U visokim zgradama robustni izlazni otvori su mogući samo ako su požarna odeljenja mala, ili ako su sekundarni konstrukcijski sistemi obezbeđeni da podrže druge delove zgrade u slučaju da su određena požarna odeljenja oštećena. Sekundarni konstrukcijski sistemi moraju biti u mogućnosti prime puno stalno opterećenje i određenoj meri povremena opterećenja (npr.sneg, delovanja vetra). U modernom kontekstu, građevinski propisi takođe zahtevaju efektivne kontramere protiv nesrazmernih oštećenja usled prirodnih nepogoda kao što je zemljotres, slučajnim događajima kao što je eksplozija gasa ili namernim uništavanjem kao što su bombe. Ako su dobro projektovane, sredstva snabdevanja sistema strukturnom čvrstoćom poslužiće višestrukoj svrsi i neće zahtevati duplikat.

Važnost geometrije, strukturne forme i sistemskog mišljenja Geometrija i strukturna forma

Kako je napomenuto u uvodu, diskusija o visini zgrada je neprecizni nacrt da li je ili nije teško projektovati i izgraditi ih. Dodavanjem dimenzija geometrijskih proporcija i strukturne forme nacrtima omogućava neke opšte tvrdnje o kompleksnosti projektovanja.  Najjednostavnije za projektovanje i izgradnju su zgrade zdepaste forme(tj.umeren odnos visine i dimenzije osnove) sa puno unutrašnjih pregrada. Ovo je činjenica nezavisno od apsolutne visine.  Nezavisno od apsolutnih dimenzija, geometrijskog oblika i usvojene strukturne forme, ono što prožima projektovanje visokih drvenih konstrukcija je potreba za razmišljanjem kako će se sistem ponašati u eksploataciji. Zašto su sistemski pristupi neophodni je  prikazanao kroz jednostavan primer vezan za čvrstoću a koji se tiče mehaničkih veza. Pretpostavimo da veze imaju elastično – plastičnu reakciju u kojoj popuštanje metalnih delova, kao što su spojna sredstva, rezultira velikom izduženju koja prethodi iznenadnom

gubitku snage. Standardna praksa u takvim trenucima jeste zasnivanje proračuna na tečenju usled opterećenja dobijenim na nivou deformacije dγ. Ipak, usled kompatibilnih veza, sistem će pasti ukoliko veza deformiše iznos dc koja je manja od dγ. U takvim okolnostima značilo bi da su projektovane veze zasnovane na kapacitetu tečenju bile preslabe i previše fleksibilne i da su doprinele nestabilnosti sistema. Ovakve situacije se dešavaju, na primer, oko obima smicanja zidova. Za očekivati je da će u velikim i visokim zgradama biti mnogo lokalizovanih ,,geometrijski prilagođenih ograničenja i ,,elastične do krute veze elemenata'' ograničavajući mogućnost veza da se suštinski deformišu. Prema tome, nije pouzdano misliti o tački posle popuštanja neelastičnih deformacija u vezama kao o izvoru rasipanja energije kada visoke zgrade moraju da izdrže seizmičke potrese. Uopšte, sistemsko mišljenje uključuje pitanja kao što  je identifikacija mogućih mehanizama koji izazivaju opštu nestabilnost; optimizacija  protočnih puteva za prenošenje sila; identifikacija mogućih problema upotrebljivosti; i optimizacija u slučaju požara.  Simbiotička rešenja

Sistematsko mišljenje je jedini način da se postignu simbiotička rešenja za višestruke ciljeve. Kao ilustracija, slika. 4 prikazuje hipotetički sistemski projekat visokih drvenih zgrada. Specifičnosti prikazane šeme nisu važne ali će ispitivanje dijagrama otkriti da je u  pitanju pokušaj implementiranja potpunog rešenja raznovrsnih faktora. Mnogi drugi mogući pristupi postoje i ono što je najprikladnije može puno varirati od projekta do  projekta. Postoje veoma ubedljivi razlozi zasnovani na mehanici loma zašto projektovanje velikih građevinskih sistema treba zasnivati na elastičnim analizama. Nezavisno od veličine objekta, jednom započeto oštećenje će nastaviti da se širi ako povećanje u delovanju

Mikro-ojačan betonski pod Sloj peska Konsrukcijsko drvo (ploča ili spajano) Malter na elastičnim podlogama sistema od poslednjeg porasta oštećenja prevazilazi sumu energetskih gubitaka u sistemu izazvanih poslednjim porastom oštećenja. Uopšte, ne bi trebalo očekivati da će zadržavanje konstrukcijske reakcije visoke zgrade u elastičnoj oblasti(i njihovo  projektovanje na pretpostavci loma) mnogo povećati troškove izgradnje. Razlog je što će dominanti faktori koji utiču na određivanje konstrukcijskih elemenata biti razmatranje upotrebjivosti. Izgradnja zasnovana na iskustvu o ponašanju niskih drvnih konstrukcija, izbegavajući potrebu upotrebe velike količine drveta kako bi se prevazišli problemi eksploatacije u visokim zgradama je stvar pravilnog izbora strukturnih formi i detalja izgradnje. Ne postoji ništa izvesnije od toga da će oni projekti, u kojima su izbor  strukturne forme i detalja izgradnje nepovezani postupci, najverovatnije rezultirati zgradama sa razočaravajućim karakteristikama. Vraćajući se konceptualno – konstruktivnom sistemu prikazanom u slika 4, može se  primetiti da je snažan akcenat stavljen na razdvajanje vibracije i zvuka i zaštitu od strukturnog prigušenja. Stvaranje delotvornih multifunkcionalnih ,,izolacionih slojeva» u zgradama nije lako i mnogo pažnje se mora posvetiti prikladom izboru detalja. Detalji ipak ne moraju biti složeni. Na primer, jednostavan projekat tavanice na prikazu slike 5 je multifunkcionalan. Takve tavanice ne moraju biti skupe za izgradnju i može se očekivati da se dobro ponašaju u požaru, da ublaže preterane vibracije, da obezbede znatnu akustičnu i toplotnu izolaciju, i da doprinesu sveukupnom prigušenju sistema potrebnom da umanji horizontalno pomeranje tokom normalnih ili izuzetno snažnih vetrova i seizmičkih potresa.  Nepobitno je da je većina onoga što je ovde predloženo kao neophodni deo sistemskog  projektovanja visokih drvenih zgrada daleko od uobičajenog kada je projektovanje nižih drvenih građevina u pitanju. Međutim, ako su pitanja koja zahtevaju akcenat u  projektovanju različita, upotreba različitih pristupa projektovanja je osnova dobre inžinjerske prakse.

Zaključak  Opšte je prihvaćeno projektovanje drvenih zgrada umerene visine, zasnovane na  pojednostavljenim konstrukcijskim metodama projektovanja. Međutim, da bi se izgradile zgrade visoke 20 do 30 spratova visokog performansa, nužno je upotrebiti najnaprednije analize i tehnike projektovanja. Težnja ka tome će nesumnjivo zahtevati podizanje tehničkog nivoa discipline izgradnje od drveta uopšte, a prednosti će doprineti i drugim tipovima konstrukcija u kojima je drvo primarni građevinski materijal.

POŽARNO PROJEKTOVANJE ZA VISOKE DRVENE KONSTRUKCIJE

Dr Andrea Frangi Insitut za projektovanje konstrukcija ETH Cirih, Švajcarska

Prof.Dr Mario Fontana Institut za proj. konstrukcija ETH Cirih, Švajcarska

Dr Markus Nobloh Institut za proj. konstrukcija ETH Cirih, Švajcarska

Pregled Zasnovan na postojećim znanjima u oblasti požarnog projektovanja drvnih konstrukcija ovaj tekst predstavlja opšti koncept protivpožarne bezbednosti za visoke drvene zgrade. Prvi deo teksta predstavlja pregled delovanja vatre i požarne bezbednosti i ukazuje na osnovne razlike između visokih i zgrada srednje visine kada je požarna bezbednost u  pitanju. Analiza omogućava formulisanje opštih koncepata bezbednosti od požara za visoke drvene zgrade. U drugom delu predstavljeni su neki eksperimentalni rezultati o  ponašanju drvenih struktura usled prirodno izazvanog požara važni za visoke drvene zgrade.

Ključne reči: visoke drvene zgrade; ponašanje drveta u požaru; potpuni požarni testovi; sistem prskalica; koncept protivpožarne bezbednosti; požarni propisi; projektovanje zasnovano na ponašanju u požaru.

Uvod Zapaljivi građevinski materijali kao što je drvo gore po svojoj površini, oslobađaju energiju i na taj način doprinose širenju i razvijanju dima u slučaju požara. Zapaljivost drveta je jedan od glavnih razloga koji su doveli da većina građevinski propisa uključuje snažna ograničenja za upotrebu drveta kao građevinskog materijala i broja spratova drvenih građevina. Na primer, do 2005. nove drvene konstrukcije u Švajcarskoj su bile uglavnom ograničene na niske zgrade sa ne više od dva sprata. Osnovni preduslov za upotrebu drveta u izgradnji visokih drvenih zgrada je odgovarajuća bezbednost od  požara. Bezbednost od požara je važan doprinos osećaju konfornosti i važan kriterijum  pri izboru materijala za rezidencijalne zgrade.

Istraživački projekat Požarna otpornost spregnutih  ploča drvo-beton Požarna otpornost drvenih ploča napravljenih od elem.šupljeg  jezgra Požarna otpornost laganih drvenih sklopova zidnih ramova Požarna otpornost zidova od drvenih blokova Požarna otpornost višestrukih veza smicanja čelik-drvo Ponašanje pri požaru drvenih modula hotela

Tip testiranja Testovi ponašanja pri požarnom izlganju po ISO Testovi ponašanja pri požarnom izlganju po ISO Testovi ponašanja pri požarnom izlganju po ISO Testovi ponašanja pri požarnom izlganju po ISO Testovi ponašanja pri požarnom izlganju po ISO Sveobuhvatni testovi u uslovima  prirodnog požara

Trajanje požarnog testa 60 do 90 min 60 do 105 min 60 min 30 do 90 min 30 do 70 min 4 min do gašenja

Tabela 1: Pregled nekih nedavnih istraživanja o ponašanju drvenih konstrukcija u  požaru koje je sproveo Institut za konstrukcijsko projektovanje ETH Cirih

Od sredine 90 –ih godina, mnogi istraživački projekti su bili usredsređeni na ponašanje drvnih konstrukcija pri požaru širom sveta. Neki projekti su bili vođeni u Institutu za građevinsko projektovanje u Cirihu (Institute of Structural Engineering of ETH Zurich) sponzorisani od strane Švajcarske agencije za životnu sredinu, šume i pejzaž (BAFU) i u saradnji sa Švajcarskom federalnom laboratorijom za testiranje i istraživanje materijala (EMPA) i drugim industrijskim partnerima (vidi Tabelu 1). Istraživački projekti su ciljali na prilupljanje osnovnih informacija i podataka o bezbednoj upotrebi drveta, posebno za višespratne zgrade. Novi neispitani koncepti i modeli požarnog projektovanja su razvijeni na osnovu sveobuhvatnih testiranja elemenata kao i velika statistička baza podataka o  požarima u drvenim i betonskim ili zgradama od cigle. Aktuelno bolje znanje u oblasti požarnog projektovanja drvenih konstrukcija kombinovano sa tehničkim merama, posebno sistemima prskanja i detektora dima, i obližnjim dobro opremljenim vatrogasnim brigadama, dozvoljava bezbednu upotrebu drveta u širem polju primena. Kao rezultat istraživačkih projekata, Švajcarski požarni  propisi sada dozvoljavaju upotrebu drvenih konstrukcija na višespratnim rezidencijalnim zgradama srednje visine do šest spratova. Mnoge druge zemlje su takođe odobrile upotrebu drveta za zgrade ili su uvele požarne propise koje dozvoljavaju upotrebu drveta na osnovu karakteristika. Čak i uz napredak tehnike protivpožarne bezbednosti kao nove discipline koja uključuje sve aspekte požarne bezbednosti (strukturni, tehnički, organizacioni) i njeno spajanje sa  projektovanjem zgrada, nerealno je pretpostaviti da će vlasti dozvoliti neograničenu upotrebu drveta u izgradnji visokih zgrada širom sveta u bliskoj budućnosti. Zasnovano na trenutnim znanjima u oblasti požarnog projektovanja drvenih konstrukcija, ovaj tekst  predstavlja opšti koncept bezbednosti od požara za ,,buduće'' visoke drvene zgrade. Kako nijedna moderna zgrada nije izgrađena koristeći samo jedan građevinski materijal, termin drvena građevina se odnosi kombinovane konstrukcije u kojima se koriste različiti materijali, s tim što je većina obima i mase konstrukcije (podovi i zidovi) izgrađena od drveta ili kompozitnih proizvoda.

Dejstvo požara Slika 1 predstavlja razvoj vatre u tipičnoj prostoriji. Posle paljenja, vatra se može širiti

veoma brzo, veoma sporo (npr. vatra koja tinja) ili se može ugušiti, u zavisnosti od rasporeda zapaljivih materija u blizini izvora vatre, od tipa zapaljivog materijala kao i od

Slika 1

geometrije, dimenzija i ventilacije sobe. Vatra koje se širi bez kontrole protivpožarnog delovanja može dovesti do brzog porasta temperature i do požarnog preskoka, kada sav nezaštićeni zapaljivi materijal izgori. Proces sagorevanja oslobađa energiju toplote, gasova i dima. Dok su gasovi i dim najčešći usmrtioci u požaru (otprilike 80% stradanja u  požaru je usled dima), vrelina je glavni razlog štete koja se nanosi konstrukciji zgrade. Kako se mehaničke i termičke osobine građevinskih materijala menjaju sa porastom temperature, poznavanje razvoja vreme – temperatura tokom požara je veoma važno za analizu strukturnog požara. Kako bi se opisalo delovanje vatre kroz pojednostavljene modele, nekoliko nominalnih krivih požara je predloženo u propisima kako bi se upotrebile u procesu projektovanja. Najčešće primenjivane krive požara su ISO 834 i ASTM E119, koje su skoro identične. Za specijalne požarne situacije razvijene su druge krive poput krive ugljovodonika i krive spoljne vatre. Nominalne požarne krive  predviđaju jednostavnu vezu temperature gasova u odeljenju kao funkcije vremena. One  predstavljaju fazu potpuno raširene vatre. Značajan period vremena koji ponekad prođe od pojave vatre do njenog potpunog širenja je zapostavljen. Dalje, faza hlađenja vatre nije uzeta u obzir i nominalne krive požara monotono se povećavaju sa vremenom. Realniji modeli požara dati su krivama parametarskog požara, koje uzimaju u obzir  najvažnije parametre razvijanja temperature, naime: - požarno opterećenje (količina,vrsta i raspored zapaljivog materijala); - uslovi ventilacije u prostoriji - termičke karakteristike zaštite i; - protivpožarno delovanje Krive parametarskog požara su izračunate uz pojednostavljene formule razvijene za limitirane uslove okruženja, kao što je dato za primer u Ref. (12). Za obuhvatniju i detaljniju analizu, potrebno je koristiti kompjuterske simulacije, npr. modeli zona sa više

 prostorija ili računski modeli tečne dinamike. Uz takve simulacije potrebno je razmotriti komplikovanija okruženja i detaljnije parametre od pojednostavljenih krivih  parametarskog požara. Međutim, upotrebom kompjuterskih simulacija sa modelima dinamike požara može oduzeti mnogo vremena i novca. Uz to, koristeći pristup verovatnoće u simulaciji požara, moguće je uključiti ulazne parametre kao varijable kako  bi se došlo do varijanti relevantnih za analizu. Međutim, za praktične projekte takav  pristup je još uvek ograničen zbog svoje složenosti i izdatka.

Protivpožarni ciljevi i strategije Znanje o osnovnom ponašanju požara, stanara i zgrada tokom požara je važan preduslov za razvoj uspešne protivpožarne strategije. Na bezbednost od požara se mora gledati kao na osnovni zahtev u izgradnji zgrada jednak po važnosti ponašanju konstrukcije pri  podnošenju opterećenja u normalnim uslovima. Najefikasniji način da se kontrolišu efekti  požara jeste da se utvrdi sveobuhvatna protivpožarna strategija uz adekvatnu kombinaciju mera koje bi ispunile ciljeve protivpožarne bezbednosti. U zavisnosti od tipa konstrukcije različite kombinacije tehničkih i organizacionih mera su potrebne pored tradicionalni mera zaštite od požara. Početna tačka svakog efikasnog protivpožarnog koncepta data je u sledećim opštim ciljevima protivpožarne bezbednosti: -

bezbednost stanara i vatrogasne jedinice bezbednost komšija i njihovih poseda ograničenje finansijskog gubitka (zgrada i sadržaj) zaštita okoline u slučaju požara.

Kako je postizanje potpune bezbednosti nemoguće, nivo prihvatanja mora biti kvantifikovan od strane vlasti ili u slučaju novčanog gubitka sa vlasnikom ili osiguravajućim društvom. Ovi ciljevi mogu biti dostignuti uz različite koncepte  protivpožarne sigurnosti uzimajući u obzir tip konstrukcije i stambenih jedinica. Propisane požarne uredbe daju detaljna pravila vodeći do standardnih koncepata. Smatra se da standardni koncepti pružaju prihvatljiv nivo bezbednosti. Upotreba standardnih koncepata protivpožarne bezbednosti ne zahteva dalje proveravanje rizika od požara i garantuje odobrenje od strane vlasti. Međutim, principi projektovanja zasnovani na  ponašanju koji se služe detaljnom analizom na bazi verovatnoće i konstruisanja mogu se koristiti za optimizaciju mera protivpožarne bezbednosti, posebno za neuobičajene zgrade gde ne postoji dugo iskustvo.

Koncept požarnog projektovanja rezidencijalnih drvenih zgrada

Kao primer za standardne protivpožarne principe (strukturni princip) požarni zahtevi  prema švajcarskim požarnim uredbama za elemente sa nosećim i razdvajajućim funkcijama u rezidencijalnim zgradama dati su u Tabeli 2. Ako su aparati za gašenje  požara prisutni, zahtevi za otpornost u požaru dati u Tabeli 2 su redukovani. Upotreba drvenih konstrukcija je dozvoljena u rezidencijalnim zgradama do šest spratova. Zahtev R60/EI130(nbb) ili EI60/EI30(nbb) znači da će noseći elementi zgrade i elementi za odvajanje imati zaštitnu nezapaljivu oblogu sa otporom same obloge na požar od 30 minuta.

Slika 2:Primeri poprečnih preseka sa požarnom otpornošću REI60/EI30(nbb) Slika 2  pokazuje primere poprečnih preseka sa otpornošću na požar REI60/EI30(nbb). U  Fig 2(a) oblaganje sa obe strane drvene konstrukcije su EI60. To znači da unutrašnjost

drvene konstrukcije ne mora biti projektovana za posebnu otpornost na požar, pošto je otpornost garantovana samim oblaganjem (rešenje predloženo na Slici 2(a) može s toga osigurati otpronost duže od 60 minuta).  Na Slici 2(b) i (c) obloge na obe strane drvene konstrukcije su EI30 (u slučaju da otpornost drvene konstrukcije na požar bude bar R30). Važno je primetiti da prisustvo izolacije sa tačkom topljenja ≥ 1000 ºC unutar zidova (vidi Sliku 2(b)) može poboljšati vreme otpornosti zida na požar, samo ako izolacija ostane na mestu posle pada obloge zahvaćene požarom.

Pored zahteva o upotrebi zapaljivih materijala i otpornosti elmenata zgrade na vatru  požarne uredbe daju obavezna pravila za projektovanje požarnih izlaza u vidu hodnika i

stepenica, izlaza u slučaju opasnosti, i obavezne organizacione i tehničke mere kao što su detektori dima i alarm sistemi, sistemi prskanja, sistemi ispuštanja dima, itd. Sve ove mere su zahtevane nezavisno od vrste građevinskog materijala koji se koristi. Osnovni bezbednosni cilj za standardne zahteve dat u Tabeli 2 za rezidencijalne zgrade srednje visine jeste da stanari mogu da napuste zgradu ili da mogu biti evakuisani od strane vatrogasnih jedinica u slučaju požara. Ograničena visina zgrada igra važnu ulogu za akciju vatrogasne jedinice. Uredbe priznaju da se protivpožarni ciljevi usvojeni za rezidencijalne zgrade srednje visine mogu postići uz date zahteve uprkos zapaljivosti upotrebljenog strukturnog materijala. Spratovi Noseći elementi

1

-

Razdvajajući EI30 elementi

2 Proračun za normalnu temperaturu

EI30

3 R30

4 R60

5-6 7-8 R60/EI30 R60(nbb) (nbb)

Visoke zgrade

EI30

EI30

R60/EI30 EI60(nbb) (nbb)

EI 90(nbb)

R90(nbb)

Tabela 2:Požarni elemenri za razdvajajuće i noseće elemente u rezidencijalnim  zgradama zasnovanim na konstrukcijskom konceptu koji zavisi od broja spratova (Visoke zgrade su definisane kao zgrade sa ukupnom visinom većom od 25 m ili u kojima  je poslednji sprat smešten na visini višoj od 22m od nivoa terena koji koriste vatrogasci) nbb-nezapaljivi materijal 

Vrsta zgrade Srednje visine Visoke zgrade

Evakuacija ljudi tokom požara Izvodljiva Pogoršana, ostati na sigurnom mestu do gašenja

Širenje vatre na druge Kolaps zgrade delove zgrade Prihvaćeno posle  Neprihvaćeno def.vremenskog perioda Neprihvaćeno Neprihvaćeno

Tabela 3

Princip požarnog projektovanja visokih drvenih zgrada Koje su glavne razlike između visokih i zgrada srednje visine kada je u pitanju  protivpožarna bezbednost? Zbog visine visokih zgrada, stanarima smeštenim u gornjem delu zgrade je potrebno više vremena da napuste zgradu u slučaju požara. Vatrogasnoj jedinici je takođe potrebno više vremena da pređe rastojanje i bori se protiv vatre. Može se desiti da neki požarni izlazi  budu blokirani i da evakuacija stanara alternativnim putevima ili uz pomoć spasilačke ekipe ne bude moguća. Iz ovih razloga, princip protivpožarne bezbednosti prihvaćen za visoke zgrade zasnovan je na situaciji da izvestan broj stanara smeštenih u gornjem delu zgrade ne može da je napusti. Dalje je pretpostavljeno da požar ne može biti ugušen i da se nastavlja dok sav zapaljivi materijal u požarnoj jedinici ne izgori. Zasnovano na ovom scenariju visoke zgrade moraju da ispune požarne zahteve koji su rigorozniji nego za

zgrade srednje visine. Zahtevi za građevinske elemente mogu se formulisati na sledeći način: -

Razdavajajući građevinski elementi biće projektovani na način da mogu poptuno da se ugase, tako sprečavajući nekotrolisanu vatru da se proširi na ostale delove zgrade tokom celokupnog trajanja požara. Noseće elementi u zgradi će biti projektovani na način da spreče kolaps konstrukcije potpunim gašenjem požara bez intervencije vatrogasne jedinice.

Tabela 3 daje pregled glavnih razlika između visokih i zgrada srednje visine kada je

evakuacija ljudi, širenje vatre i ponašanje konstrukcije u pitanju. Može se zaključiti da visoke zgrade moraju biti projektovane tako da stanari mogu preživeti potpuno gašenje  požarnog odeljenja ostajući u drugom delu zgrade. Zasnovano na ovom scenariju i  pretpostavljajući da se drvo neće obavezno samo ugasiti, većina građevinskih propisa ne dozvoljava upotrebu zapaljivih materijala u visokim zgradama ni za konstrukciju ni za oblaganje prostorija. Da li je ipak moguće projektovati visoku zgradu koristeći drvo kao građevinski materijal? Mogućnost da se ispune zahtevi o prethodno pomenutim građevinskim elementima jeste štiteći elemente drvene konstrukcije od vatre nazapaljivim materijalima tokom celokupnog trajanja požara. Ovo znači da u prostoriji u kojoj se vatra pojavila može da se dogodi potpuno gašenje požara (tj.sav zapaljivi sadržaj je u poptunosti izgoreo), međutim strukturni i razdvajajući drveni elementi neće početi da se ugljenišu. Ovo se može postići zaštitom drvene konstrukcije dovoljnim brojem nezapaljivih obloga na primer  napravljenih od gipsanih ploča. Kako je drvena konstrukcija zaštićena nezapaljivim obmotačima termin ‚‚enkapsulacija zgrade'' može se koristiti da bi se opisao ovaj zahtev. Građevinski elementi koji se odlikuju otpornošću na požar R60/EI30(nbb) ili EI60/EI30(nbb) kao što je zahtevano u Švajcarskoj za rezidencijalne drvene zgrade od pet i šest spratova mogu se smatrati kao delimične enkapsulacije zgrade pošto drvene konstrukcije imaju zaštitne nezapaljive obloge sa otpornošću na požar od 30 minuta (vidi Sliku 2) koji nisu dovoljni da spreče početak ugljenisanja drvene konstrukcije tokom  poptunog gorenja. Druga mogućnost da se garantuje podela može biti upotreba kombinovanih elemenata. Na primer drveno – betonske spregnute ploče mogu biti  projektovane tako da redukovano opterećenje za požarne situacije (sopstvena težina, trajni tereti i redukovani živi tereti) mogu biti nošeni samo armiranobetonskom pločom.

Primer projekta visoke zgrade Za projekat ,,Pristaniška kula'' (Dock Tower) proučavana je tehnička izvodljivost drvene zgrade visoke 120 metara. Rezultat studije je bila visoka drvena zgrada sa kombinovanom konstrukcijom kao što je pokazano na Slici 3. Protivpožarni koncept zasnovan je na primarnom požarnom odeljenju sa centralnim jezgrom i sa četiri spoljna stepeništa u ojačanim betonskim i na projektovanju betonskih ploča na svaka tri sprata. Projektovanje betonskih ploča će efikasno sprečiti širenje vatre na fasadi zgrade (vidi Sliku 3). Dalje, rezidencijalni apartmani su podeljeni na sekundarna požarna odeljenja

napravljena od betonsko drvenih spregnutih ploča i drveni zidovi su projektovani u skladu sa zahtevima gašenja. Zgrada ima pet stepeništa smeštenih najdalje moguće jedna od drugih. Četiri stepeništa su projektovana kao požarni izlazi i svaki stan ima direktan  pristup na dva požarna izlaza. Dvoja su otvorena spolja; dvoja su hermetizovana kako bi se izbeglo prodiranje dima. U cilju kontrolisanja i gašenja vatre u ranoj fazi, sobe u zgradi su opremljene sa maglenim sistemom visokog pritiska. Aktivacija vodenog maglenog sistema je povezana sa promenom temperature ili je kontroliše alarm sistem. Visok pritisak i specijalne prskalice ispuštaju vodu u malim mlazovima dovodeći do rashlađujuće vodene magle tako da vatra ne može da istraje. Dalje, zgrada ima dva maglena požarna hidranta smeštena na svakom spratu centralnog jezgra. Požarni hidranti mogu se upotrebiti za gašenje vatre na fasadi. Konstrukcijske mere u kombinaciji sa tehničkim ( vodeni magleni sistem visokog pritiska, alarm,itd.) i organizacijskim merama će osposobiti visoke drvene zgrade da dostignu nivo protivpožarne bezbednosti viši nego u visokim zgradama zasnovanim na standardnim merama.

Eksperimentalne studije  Ponašanje drvenih konstrukcija usled prirodno izazvanog požara

Ponašanje drvenih konstrukcija usled prirodno izazvanog požara je eksperimentalno  proučavano kroz seriju sveobuhvatnih testova na drvenim modularnim hotelskim  jedinicama. Ciljevi eksperimentalnog testiranja bili su proveranje efikasnosti različitih  protivpožarnih principa za višespratne drvene zgrade i traženje mogućih slabih tačaka u  protivpožarnoj bezbednosti modularnih jedinica prostorija. U prvoj seriji (seriji BE sa aktiviranim sistemom prskanja), proučavana je efikasnost tehničkih mera, posebno automatskog detektovanja vatre i brzog odgovora sistema prskanja. Druga serija (serija BÜ sa deaktiviranim sistemom prskanja) sveobuhvatnih testova obavljena je kako bi se sagledala sposobnost konstrukcijskih protivpožarnih mera da ograniče širenje požara do gašenja. U ovoj drugoj seriji, sistem prskanja je bio isključen i prozor je bio otvoren kako  bi vatra mogla brzo da se širi podržana velikim snabdevanjem vazduhom. Posebna pažnja  je posvećena širenju vatre preko fasade i uticaju zapaljivih površina na žestinu požara. Četiri modula soba (H1, H2, i G1 i G2) izrađeni su u radionici kao lagane drvene okvirne konstrukcije i preneti kamionima na mesto testiranja. Svaki modul je bio 6.6m dugačak, 3.1m širok i 2.8m visok i imao je prozorski otvor (1.5 x 1.7m) napravljen od standardnog dvoslojnog izolacionog stakla. Moduli su bili identični u svojoj osnovnoj konstrukciji, razlikujući se međutim u izboru zida i obloga plafona.

Slika 3: Studija o tehničkoj izvodljivosti zgrade visine 120 metara

Za module H1 i H2, korišćeni su zapaljivi paneli zasnovani na drvetu (panel ploče) /OSB/. Sa druge strane, obloge modula G1 i G2 sačinjeni od jednog do tri sloja nezapaljivih gipsanih ploča. Zapaljiva međuspratna konstrukcija je bila napravljena od lagane drvene okvirne konstrukcije ili od elemenata centralnog drvenog dela i pokriven tankim slojem linoleuma. Svi moduli su bili opremljeni automatskim detektorom vatre sa četiri različita senzora i dva sistema prskanja. U požarima u zgradama, sadržaj(mobilni teret požara) kao i zapaljivi građevinski materijali doprinose potpunom opterećenju od požara. Svaki modul je bio opremljen tipičnim dušekom napravljenim od PU- penastog materijala. Kao dodatni pokretni požarni teret, 11 drvenih ležaja je smešteno u modul. Kompletna gustina  požarnog tereta (izračunata preko prostora poda) za module sa nezapaljivim oblogama zida i plafona varirala je između 363 i 366 MJ/m², a za module sa zapaljivim zidnim i  plafonskim oblogama bila je otprilike 855 MJ/ m².

Rezultati požarnih testova sa uključenim prskalicama Prva BE serija sveobuhvatnih testova izvedena je sa uključenim sistemom detektovanja i  prskanja. Testovi su pokazali da je sistem prskanja mogao da kontroliše vatru u najkraćem periodu, iako je dušek zapaljen od ispod. U svim eksperimentima, mereno vreme aktivacije sistema prskanja variralo je između 2 i 3 minuta posle paljenja. Dalje su testovi pokazali da uslovi ventilacije (otvoren ili zatvoren prozor) nisu suštinski uticali na

aktivaciju prskalica. Svi algoritmi detekcije automatskog sistema detekcije vatre otkrili su vatru u roku od dva minuta, tj. jedan minut ranije od sistema prskalica.

Slika 4: a) Oštećenje na dušeku

b) Oštećenje na zidovima i podu

U svim eksperimentima, u vreme aktivacije prskalica temperatura sobe merena na različitim lokacijama varirala je od 50 do 200 Cº. Kako bi se požarni preskok dogodio samo na višim temperaturama, zapaljive obloge u prostoriji u ranim fazama razvoja vatre ne bi imali uticaja na žestinu vatre. U svim eksperimentima, sistem prskanja mogao je da uguši vatru pre nego što bi se raširila po odeljenju i zapaljivim oblogama. Sa druge strane, za drugu seriju testova sa deaktiviranim sistemima prskanja, požarni preskok se dogodio 4 do 7 minuta nakon paljenja nakon teoretske aktivacije sistema prskanja. Slika 4 prikazuje oštećenje na dušeku kao i na zidu i podu. Može se videti, da su zbog brze aktivacije sistema prskanja, oštećenja bila veoma mala. Čak ni dušek nije potpuno izgoreo. Testovi su potvrdili da je brzom reakcijom sistema prskanja uticaj zapaljive konstrukcije na protivpožarnu bezbednost kompenzovan i da ciljevi protipožarne sigurnosti mogu biti ispunjeni sa zapaljivim drvenim konstrukcijama. Uprkos brzog razvijanja vatre, konstrukcija je bila neoštećena jer je sistem prskanja ugasio vatru ranoj fazi.

Rezultati požarnih testova sa deaktiviranom prskalicom Druga serija BÜ sveobuhvatnih testova izvedena je sa isključenim sistemom prskanja. Svaki test je izveden koristeći dva modula, tj. jedan modul je bio postavljen iznad drugog

(u Tabeli 4 korišćeni moduli su naznačeni kao gornji i donji). Tabela 4 daje pregled najrelevantnijih rezultata ovih požarnih testova. Posle paljenja, u svim eksperimentima vatra se širi veoma brzo i temperature rastu do stanja požarnog preskoka. Za modul sa zapaljivim zidnim i plafonskom oblogom  požarni preskok se dogodio posle otprilike četiri minuta. Za module sa nezapaljivim obmotačima požarni preskok se dogodio posle otprilike šest do sedam minuta. U sveobuhvatnim testovima koje je VTT (Centar tehničkih istraživanja Finske) nedavno izveo koristeći različite drvene odeljke sa i bez zaštite drvene strukture gipsanom oblogom, požarni preskok se dogodio između 4 i 6 minuta, potvrđujući rezultat našeg  požarnog testa. Uticaj zapalijivih obloga je bio jasno uočen posle požarnog preskoka. Za modul sa zapaljivim oblogama zida i plafona spoljno sagorevanje prozora bilo mnogo ozbiljnije od onoga u modulima sa nezapaljivim obmotačima (vidi Sliku 5). Temperature koje je infracrvena kamera izmerila na fasadi potvrdile su vizuelna zapažanja. U testovima BÜ nbb i BÜ nbb demo, unutrašnji sloj stakla prozora gornjeg modula pao je tek posle 40 i 42 minuta. U slučaju testa BÜ bb sa zapaljivim oblogama, kretanje toplote iz plamena koji je izvirao sa prozorskog otvora na fasadu bilo je mnogo jače i zbog toga širenje vatre nije moglo biti značajno odloženo ivicom. U ovom testu, unutrašnji sloj stakla prozora gornjeg modula je pao već sedam minuta nakon paljenja vatre. Zbog  preteranog plamtanja, požarni test BÜ bb sa zapaljivim oblogama bio je zaustavljen nakon 20 – ak minuta. Požarni test BÜ nbb sa nezapaljivim obmotačima napravljenim od sloja gipsanih ploča bio je zaustavljen posle nekih 45 minuta nakon Požarni test

BU nbb

Moduli

Donji G1

Prozor Vreme paljenja dušeka Požarni preskok Vreme padanja spoljašnjeg sloja stakla prozora na gornjem modulu Vreme padanja unutrašnjeg sloja stakla prozora na gornjem modulu Vreme aktivacije prskalice na  plafonu

otvoren 01'30'' 06'00'' -

Vreme aktivacije prskalice na zidu Kraj požarnog testa (aktivacija prskalice)

BU bb

BU nbb demo

Gornji H2 DonjiH1 GornjiH 2 zatvoren otvoren zatvoren 01'40'' 04'27'' 13'57'' 06'09''

DonjiG2 Gornji H2 otvoren 01'40'' 06'58'' -

zatvoren 14'25''

-

42'35''

-

07'28''

-

40'16''

02'15'' (vazduh)

42'40''

-

42'41''

44'15''

42'40''

02'35'' (vazduh ) 02'44'' (vazduh ) 59'01''

42'30'' (vazduh)

02'20'' (vazduh)

03'20'' (vazduh ) 03'27'' (vazduh ) 18'53''

07'30'' 07'30''

41'21'' (vazduh) 59'37''

Tabela 4: Glavni rezultati požarnog testa BU sa isključenim sistemom prskanja (jedinice minuti i sekunde)

Slika 5: Razvoj vatre sedam minuta posle paljenja a)donji modul sa zapaljivim oblogama b)donji modul sa nezapaljivim oblogama

što je unutrašnji sloj stakla prozora gornjeg modula pao. U tom trenutku sav zapaljivi materijal je bio ugašen, međutim požar se nastavio usled ugljenisanja fiber ploča zasnovanih na drvetu iza gipsanih ploča koji je počeo da otpada posle 30 – ak minuta. Požarni test BÜ nbb demo sa nezapaljivim oblogama napravljenim od dva ili tri sloja gipsanog maltera bio je zaustavljen nakon otprilike 60 minuta kada se više nije zapažalo  plamtanje sa prozorskog otvora a kada je vatra u donjem modulu bila u veoma kasnoj fazi slabljenja. Zbog požarne zaštite u vidu gipsanih ploča, lagana drvena okvirna konstrukcija zidova i plafona nije bila oštećena, tj. potpuno gašenje je postignuto. Drvena konstrukcija nije počela da sagoreva. Slika 6 prikazuje sobne temperature izmerene na plafonu na prednjoj kao i na zadnjoj strani modula. Može se videti da je zbog ograničene količine kiseonika temperatura na zadnjoj strani modula bila niža nego na prednjoj u blizini otvorenog prozora. Dalje, nisu

opažene važne razlike u krivama temperature za module sa i bez zapaljivih obloga. Ovo  potvrđuje da samo deo pirolize gasova koje oslobađaju zapaljivi zidni i plafonske obloge izgoreli unutar sobe. Nesagorivi gasovi izašli su kroz prozorski otvor, izazivajući snažno sagorevanje izvan modula gde je kiseonik bio dostupan u velikim količinama. Slični rezultati su dobijeni u Ref. (19) . Testovi su potvrdili da je sa potpuno pasivnim merama moguće ograničiti širenje vatre na jedu sobu čak i u drvenim konstrukcijama. U testu BÜ nbb demo sa drvenom konstrukcijom zaštićenom sa tri sloja gipsanih ploča na tavanici i dva sloja gipsanih ploča na zidovima postignuto je potpuno gašenje donjeg modula bez većeg oštećenja drvene konstrukcije i bez širenja vatre na gornji modul. U sobi iznad požarnog odeljenja nisu izmerene povećane temperature i čak je i koncentracija dima bila na normalnom nivou do lomljenja prozora.

Slika 6 

Zaključak  Požarna bezbednost je važan aspekt projektovanja visokih zgrada. Upotreba zapaljivih materijala je ograničena ili nedozvoljena u većini požarnih popisa. Postoji velika razlika između visokih i zgrada srednje visine u pogledu evakuacije i kriterijuma otpornosti na  požar s obzirom vatrogasna ekipa često ne može da evakuiše ljude u visokim zgradama koristeći spoljnu opremu. Potpuno gašenje bez gubitka stabilnosti nekih glavnih elemenata konstrukcije može se garantovati konstrzkcijom zgrade. Za upotrebu drveta ovo često vodi zaštiti drveta nezapaljivim materijalima (enkapsulacija) ili do spregnute konstrukcije. Studija izvodljivosti pokazala je da spregnute drveno - betonske visoke zgrade u kombinaciji sa tehničkim i organizacionim merama može biti izgrađena da bude sigurna koliko i tipična tradicionalna nezapaljiva visoka zgrada.

Performanse i pomeranja visokih drvenih ramovskih zgrada pod seizmičkim, i opterećenjima od vetra

Pregled Ovaj tekst se bavi potencijalom upotrebe višespratnih drvenih ramova izloženih seizmičkim i opterećenjima od vetra. Sa napretkom novih tehnologija i materijala, kao što su lepljeno lamelirano drvo i kompozitno vlaknasta ojačanja, svojstva visokih drvenih  prostornih ramova mogu biti značajno poboljšana. Dva pitanja su uzeta u obzir pri dizajniranju visokih drvenih ramova: fleksibilnost koja se prevodi u relativno velike nagibe i nelinearnost koja predstavlja neodređenost u procenjivanju fundamentalnih  perioda. Tekst je fokusiran na prednosti i ograničenja u izgradnji visokih drvenih ramova sa stanovišta upotrebljivosti i sigurnosti.

Ključne reči: lepljeno lamelirano drvo; moment otpora ramova; polukrute veze; dinamičko ponašanje; seizmičko projektovanje; opterećenja od vetra.

Uvod Ovaj tekst se bavi karakteristikma višespratnih drvenih ramova podvrgnutih dinamičkim opterećenjima i propisima koji se primenjuju u njihovom projektovanju. Drvene konstrukcije ponašaju se dobro pri seizmičkim pomeranjima zbog niskog odnosa mase i nosivosti i disipacionih kapaciteta veza. Visoka otpornost velikih poprečnih preseka na  požar čini presvučeno drvo dobrim kandidatom za komercijalne i javne zgrade. Dok se konstrukcije laganih ramova ponašaju loše u uslovima požara, izuzetna otpornost teškog lepljeno-lameliranog drveta, daleko prevazilazeći čelik, opšte je prihvaćena i dostupne su standardne procedure za izračinavanje otpornosti na požar.

Primeri srednjih i visoki drvenih konstrukcija su retki uglavnom zbog protivpožarnih  propisa i pogrešnog mišljenja da je drvo materijal slabe izdržljivosti. Nedavno je pitanje  projektovanja veoma visokih drvenih konstrukcija postalo aktuelno. U Švajcarskoj je  planirana izgradnja zgrade visoke 120 metara (40 spratova). Građevine ove veličine zahtevaće raznovrsnost materijala: hibridne/dualne sisteme. Iako je izgradnja visokih zgrada u potpunsti od drveta, moguća u teoriji, većina sistema će verovatno koristiti raznovrsne materijale. Mnogo eksperimentalnog rada na hibridnim sistemima je izvedeno u Japanu cilj ovog  projekta bio je da se razviju hibridne strukture visokih performansi zasnovane na drvetu, koje će činiti drvo i drugi materijali. Na primer istraživane su dinamičke karakterisitike sistema koji se sastoje od armiranobetonskog jezgra okruženog drvenim ramovima. Obavljena je serija sveobuhvatnih testova potresa dualnih sistema da bi se istražilo  ponašanje usled jakih pokreta zemljišta. U centru pažnje bilo je raspodela seizmičkih sila na konstrukcije dualnih sistema. Cilj ovog projekta bila je priprema uputstva za konstrukcijske i protivpožarne projekte i razvoj metoda projektovanja za tipične hibridne strukture zasnovane na drvetu. Hibridni ili dualni sistemi sa različitim karakteristikama horizontalnih deformacija zahtevaju međuspratne konstrukcije velike krutosti u ravni da bi se osigurala kombinovana akcija potrebna za otpor horizontalnim silama. Odgovarajuće rešenje bilo  bi, na primer, spregnuta međuspratna konstrukcija male težine od drveta i betona koji ispunjava uslove krutosti i zahteve otpornosti na požar. U ovom tekstu usredsredićemo se na presvučene drvene strukture sa elastičnim zglobovima. Uopšteno, lepljeno-lamelirani drveni ramovi su relativno fleksibilni i skloni velikim horizontalnim pomeranjima. Razlog ovome je njihova topologija i rotaciona krutost spojeva greda i stubova. Da bi se sprečila preterana pomeranja, moment otpora ramova zahteva krute spojeve i/ili dodatna ukrućenja. Stvaranje krutih zglobova između greda i stubova drvenih konstrukcija je gotovo nemoguće usled anizotropije drveta i potrebe za mehaničkim spojnim sredstvima. Neki sistemi kao što je lepljeno-lamelirano drvo omogućavaju visoku rotacionu krutost, ali anizotropija drveta sa niskom čvrstoćom upravno na vlakna ograničava kapacitet ovakvih veza. Palermo i grupa autora. istraživali su ponašanje veza u primeni na višespratne ramove od lepljenog lameliranog drveta. Zalepljene letve mekog čelika projektovane za nagib pod tenzijom i kompresijom bile su zaslužne za rigidnost i rasipanje energije. Ciklični eksperimenti pokazali su značajno rasipanje energije, dobar  kapacitet samousmerenosti, i nepostojanje štete na spojevima između greda i stubova. Tradicionalno, konstrukcijski elementi drvenih zgrada povezani su štapastim spojnim sredstvima rezultirajući zglobnim ili polu-krutim vezama. Kasal i grupa autora izveli su testove potresanja dvospratnih MR drvenih ramova sa kombinovanim ojačanim spojevima po sistemu klina i čaše. (vidi Sliku 1)

Seizmički testovi su pokazali da se drveni ramovi ponašaju dobro pod dinamičkim opterećenjem zbog svoje fleksibilnosti i visokih prigušenja mehaničkih spojeva. Konstrukcije su pokazale relativno velika pomeranja ali ne i pojave krtog loma čak i u slučaju snažnih pomeranja tla. Zglobovi zahtevaju relativno veliki broj spojnih sredstava uključujući odgovarajući razmak spojnih sredstava kako bi ostvario prikladnu nosivost i krutost. Ovo čini teškim stvaranje prihvatljive ravnoteže između kapaciteta veza i kapaciteta konstrukcijskih elemenata. Ključno pitanje u projektovanju i određivanju pojedinosti zglobova jeste razmak spojnih sredstava i težišta . Dakle, potrebni su masivni poprečni preseci sa velikim visinama elemenata. Slično momentu inercije, rotaciona krutost se povećava  proporcionalno sa visinom elemenata. Kao posledica poteškoća u projektovanju efikasnih zglobova, mogu se razmotriti alternativne strategije kako bi umanjile velika pomeranja. Povoljnije je izabrati hibridne/dualne sisteme ojačavanjem MR ramova dodatnim ukrućenjima za prihvatanje  bočnih opterećenja. Postoje brojna rešenja, na primer: zidna platna, ukrštena ukrućenja,  pasivni amortizeri i/ili krute veze i kombinacije svega pomenutog.

Filozofija projektovanja: projektovanje zasnovano na sili i karakteristikama  Nedavni zemljotresi pokazali su da su u većini slučajeva moderna seizmička pravila relativno pouzdana u izbegavanju strukturalnog kolapsa. Seizmička delovanja su izazvala malu stopu smrtnosti ali su rezultirala neprihvatljivo velikim ekonomskim gubicima. Kao rezultat, zahtevi pomeranja pretpostavljaju veću važnost u cilju ograničavanja štete i troškova popravke u budućim zemljotresima.  Seizmičko projektovanje zasnovano na sili 

Trenutno, moderni propisi sezmičkog projektovanja prate ekvivalentan postupak statične sile gde su inercijalne sile određene kao ekvivalentne statičke sile izračunate prema empirijskim formulama. U siezmičkom pravilniku zasnovanom na sili, elastični spektar reakcija je modifikovan faktorom ponašanja kako bi ostvario neelastični proračunski spektar koji se koristi da odredi ekvivalentne statične sile. U slučaju Eurokoda 8 (EC8) faktor ponašanja zove se q  – faktor. Ovaj faktor odražava sposobnost strukture da izdrži zemljotres bez kolapsa  prelaženjem granice elastičnosti. To objašnjava uticaj prigušenja različitog od standardnog od 5%. Stoga, izbor prave vrednosti prigušenja je važan kako bi se ostvario  prihvatljiv proračun.

Slika 1: Sveobuhvatni okvir na potresnoj tabli i dimenzije kompozitno ojačane veze  greda-stub

Brojne metode za izračunavanje q – faktora predlagane su, i ovaj proces je još uvek u razvoju. Opšta definicija q – faktora data je odnosom između maksimalnog ubrzanja zemlje (PGAu), stvarajući graničnu rotaciju (opšti plastični mehanizam) i PGAy, koji  proizvodi prvo tečenje u spojnim sredstvima ili elementma (prvi plastični zglob). Primarni problem sa kojim se suočavamo je definicija kolapsa i/ili dopuštenog oštećenja konstrukcije. Zbog toga se pitanja kao što su spratna pomeranja i rani krti lom konstrukcijskih elemenata moraju uzeti u obzir. Ceccotti i Karacabeyli su izveli nelinearnu analizu vremenskih promena kako bi odredili q – faktor za teške ramove od lepljenog lameliranog drveta sa polukrutim vezama. Oni su zaključili da q- faktor od 2 odgovara jednospratnom ramu. Oni su saopštili da bi q – faktor za višespratne ramove trebalo da bude veći od onoga za jednospratne zgrade. Faktor od 3 do 4 može biti moguć za višespratne ramove zgrada, pod uslovom da je krutost elemenata značajno veća od krutosti spojnih sredstava. U poređenju sa jednospratnim ramovima, rasipanje energije je  podeljeno na veći broj manje opterećenih spojeva. U EC8, q – faktor od 4 preporučuje se za hiperstatične (statički neodređene) portalne ramove sa visokim kapacitetom za rasipanje energije. Seizmički kod koristi statičku duktilnost kao kriterijum za rasipanje enerije konstrukcije. Zbog toga, predloženi q – faktori moraju biti strogo kontrolisani jer  visoka duktilnost ne označava obavezno veliki kapacitet rasipanja energije. Histerezisna kriva ciklično opterećenih polukrutih veza može suštinski varirati u zavisnosti od tipova loma (npr. plastični zglobovi u spojnim sredstvima ili rušenje drveta nošeno skeletima). Adaptacija polukrutih veza u MR čeličnim ramovima predstavlja pomalo sporno pitanje. Prema evropskom seizmičkom propisu, kruti čelični spojevi su pouzdaniji i bolji za seizmičku primenu u poređenju sa polukrutim vezama. MR čelične konstrukcije zahtevaju ojačane spojeve koji dopuštaju tečenje. Primena polukrutih spojeva nije eksplicitno zabranjena ali je u praksi ograničena na ekperimentalno procenjene veze.

Zbog razlika u svojstvima materijala čelika i drveta, jasno je da drvene konstrukcije zahtevaju drgačije projektovanje i pristupe pojedinostima. Elementi okvira panel ploče (grede i stubovi) su linearno elastični i krti (osim pritiska upravno na vlakna), što zahteva  pažljivo projektovanje nosivosti i premeštanje mesta loma na veze. Empirijske formule pristupa proračuna zasnovanom na sili ne posmatraju se eksplicitno kao dinamičke karakteristike analizirane strukture. Pretpostavlja se da su ispunjeni minimalni zahtevi krutosti definisani pravilima (za opterećenja kako vetra tako i zemljotresa). Ovo je takođe i značenje pojednostavljenih formula predloženih kroz EC87 za procenjivanje osnovnog perioda, T1, konstrukcije: T1 = 0,05 · H0,75

(1)

T1 = 2 · √∆ H

(2)

gde je H = visina zgrade (m) √∆H = relativno pomeranje zgrade (m) usled gravitacionog opterećenja projektovano na horizontalni pravac. Periodi procenjeni kroz jednačinu (1) mogu se suštinski razlikovati od realnog perioda izgradnje. Fleksibilni MR ramovi uopšteno su karakterisani relativno dugačkim osnovnim  periodom. Eksperimentalni rezultati dvospratnih ramova predstavljenih u Ref. (5)  pokazali su da se jdnačina (1) jedva približava osnovnom periodu MR ramova sa  polukrutim vezama pošto ne uzima u obzir ponašanje spojeva. Bolja procena je  postignuta koristeći jednačinu (2) koji se objašnjava polukrutim ponašanjem spojeva. Upoterba dugačkih perioda predstavlja problem, jer može rezultirati u nerealno male sile smicanja što dovodi do nedovoljno dimenzionisanih konstrukcije. Jedino ograničenje izneto u pravilniku jeste da se standardna procedura projektovanja primenjuje za zgrade sa prirodnim periodom manjim od 2 sec. Za proces projektovanja , preporučuje se upotreba jednačine (1) koji koristi kraće periode i shodno tome najveću vrednost sile smicanja. Da bi se izračunala fleksibilnost ramova uobičajena je praksa smanjivanja osnovne smicanja. Maksimalno smanjenje osnove smicanja do 20% je preporučeno. Od oblika reakcije spektra jedan može se očekivati da će fleksibilne strukture sa dugačkim prirodnim periodima privući manje seizmičke sile u poređenju sa krutim strukturama. Ovo ponašanje nije pokazano u analizi vremenskih promena višespratnih MR čeličnih ramova koje je izvela Dubina i grupa autora. Oba tipa ramova, fleksibilni i kruti, privukli su iste seizmičke sile. Ipak, rezultati numeričke analize otkrili su da se  polukruti čelični ramovi mogu koristiti delotvorno u umerenim seizmičkim zonama.

Slika 2: Veza moment-rotacija ojačane veze greda-stub (simulacija nasuprot  eksperimentu i vremenska promena ojačanog rama podvrgnutom Vranca testu)

Proračunska procedura gore razmatrana je provera pri graničnom stanju nosivosti kako bi se sprečio kolaps konstrukcije usled najokrutnijih zemljotresa. U cilju izbegavanja oštećenja konstrukcijskih i nekonstrukcijskih elemenata usled manjih čestih zemljotresa, EC8 predviđa zahteve za ograničavanje oštećenja. Međuspratno pomeranje ∆/h kod graničnog stanja upotrebljivosti ograničen je na 1/200 ili 1/133 visine sprata za zgrade koje imaju krte ili duktilne nekonstrukcijske elemente. Za zgrade koje imaju nekonstrukcijske elemente fiksirane tako da nemaju kontakta sa strukturnim deformacijama, relativno spratno pomeranje od 1/100 je prihvatljiv. Drugi internacionalne propisi o gradnji kao što je japanski kod (A.I.J.) takođe potvrđuju slična ograničenja pomeranja. Relativno spratno pomeranje je ograničeno na 1/200, dok je u izuzetnim slučajevima, gde seizmičko opterećenje ne vodi do znatne štete, prihvatljiv limit pomeranja od 1/120. Da bi se predstavile poteškoće koje izaziva preterana fleksibilnost i velika pomeranja duktilnih ramova sa zglobnim vezama, autori su izveli studiju slučaja višespratih konstrukcija podvrgnutih različitim seizmičkim potresima. Nelinearna reakcija lepljenih lameliranih ramova bila je simulirana analizom vremenskih promena. Numerički model,  prikazan u Ref. (14) mogao je da simulira histeretičko ponašanje ciklično opterećenih veza i promena u toku vremena dvospratnih ramova izloženih seizmičkim potresima. Ova analiza bila je proširena na četvorospratne ramove ukupne visine od 12m. Dimenzije elemenata rama i proračuna veze bili su identični onima sa dvospratnim ramovima. Ovo  je urađeno kako bi se upotrebila poznato ponašanje moment - rotacija dobijeno iz eksperimenata. Slika 2 (a) pokazuje duktilnost momenat – rotacija ojačane veze grede i stuba određene kvazi statični cikličnim testovima i odgovarajućim rezultatima numeričke simulacije. Iz rezultata analize vremenskih promena autori su zaključili da je q – faktor od 2,5  prihvatljiv za duktilne ramove sa zglobnim vezama. Slika 2 (b) pokazuje odgovor  konstrukcije izražen preko pomeranja ojačanog rama izloženom Vrancea zemljotresu(Vrancea Rumunija, 1977; PGA 0,199g).

Vrancea zemljotres karakterističan je za područja sa mekim zemljištem. Kako je  pokazano u Slika 2(b), uticaj ovog zemljotresa na reakciju rama bio je važan zbog visoke spektralne amplitude u svom spektru reakcija za periode između 1 i 2 sekunde. Relativno niska rotaciona krutost spojeva rezultirala je projektom rama sa karakterističnim  periodom od oko 2 sekunde. Maksimalno pomeranje na vrhu rama bilo je 538mm. Maksimalno relativno spratno pomeranje od 1/23 bilo je procenjeno za prvi sprat. Zbog neprihvatljivo velikih pomeranja, zaključeno je da je upotreba krućih veza neophodna kako bi se bezbedila željena bočna krutost i da bi se pomeranje zadržalo u datim granicama. Zahtevi graničnog stanja upotrebljivosti obično ograničavaju primenjivost i efikasnost MR ramova sa polukrutim sponama. Tip sistema obično određuje zahteve za ponašanje veza. Izvestan broj istraživača istakao je da čak i projektovanje MR čeličnih ramova  prema EC8 vodi do konstrukcija sa prekoračenjem nosivosti elemenata, usled nedovoljne  bočne krutosti ovih ramova. Slično drvenim ramovima, ograničenja pomeranja nametnutih seizmičkim propisima rezultiraće u značajno predimenzionisanim elementima. Ovo negativno utiče na efikasnost konstrukcije ali predimenzionisani elementi će osigurati da ne dođe do loma. Ovo je posebno bitno za dimenzionisanje stubova , s obzirom da je jedan od glavnih kriterijuma u projektovanju višespratnih zgrada izbegavanje rušenje stubova. Komatsu je testirao dvospratne portalne ramove sa tek blago predimenzionisanim drvenim elementima. Različiti vezni sistemi su bili istraživani kao što su klinovi, zavrtnji i uklještene veze. Ramovi sa rasponom od 8m i visinom 6,8m pali su usled razdvajanja stubova prvog sprata blizu spojeva greda i stubova. Miyazawa je izveo ciklične testove dvospratnih ramova koristeći čelične ploče i zavrtnje za povezivanje greda i stubova. On je izvestio da se usled predimensionisanih spojeva rama, rušenje krtim lomom dogodilo na stubu prvog sprata pre željenog duktilnog loma spojeva. Gubitak stubova će izazvati katastrofalno rušenje čitave zgrade. Ograničavanje relativnog spratnog pomeranja važno je za armiranobetonske zgrade kako  bi smanjilo oštećenje, ali kako su testovi potresanja ramova od LLD sa ojačanim vezama  pokazali, struktura nije pokazala oštećenje čak ni po velikim pomeranjima. Velike deformacije ojačanih drvenih ramova rezultiraju većim rasipanjem energije, tako smanjujući seizmičke sile i omogućujući raspodelu opterećenja. Dok god su nekonstrukcijski elementi projektovani tako da ne trpe bilo kakvo značajno oštećenje, relativno spratno pomeranje od 1/100 će biti prihvatljivo. Međutim, zbog neodređenosti u  pogledu oštećenja na nekonstrukcijskim elementima preporučena je upotreba striktnijih ograničenja pomeranja.  Sezmičko projektovanje zasnovano na karakteristikama

Kao posledica neprihvatljivo velikih ekonomskih gubitaka u nedavnim zemljotresima, novi kriterijumi karakteristika uvedeni su kako bi se izbegla oštećenja na zgradama koja ugrožavaju ljudske živote i kako bi se smanjili troškovi rekonstrukcije. Relativno dobro dokumentovani pristup projektovanja na osnovu seizmičkih karakteristika jeste direktni metod zasnovan na pomeranju koji je predložio Prestley.

Ovaj metod zahteva detaljno znanje o ponašanju nelinearnih sistema. Cela konstrukcija je svedena na oscilator jednog stepena slobode sa jednako efikasnom krutošću i jednakim viskoznim prigušenjem definisanim na pomeranju modela. Ovi podaci mogu se izvesti iz opšteg odnosa zgrade opterećenje – pomeranje. Nelinearne statične ili ciklične “pushover” analize pružaju procenu krutosti viskoznog prigušenja. Zbog poteškoća u  predviđanju reakcije visoko nelinearnih sistema, preporučuje se procena histeretičnog  ponašanja spojeva u cikličnom testu. Kao suprotnost metodu zasnovanom na sili, projektovanje na osnovu karakteristika vođeno je pomeranjima. Ova procedura ne zahteva procenu osnovnog perioda ili faktora  ponašanja. Teškoće sa velikim povratnim periodima i neizvesnosti u procenjivanju faktora ponašanja ukazuje da pristup projektovanja na bazi karakteristika može biti  pogodan za fleksibilne strukturalne sisteme koji su skloni velikim deformacijama tokom seizmičkog dešavanja. Ovaj proračunski pristup nudi mogućnost projektovanja konstrukcija koje izlaze iz ograničenja standarda (npr. kada su i pitanju dugački povratni  periodi) i ispunjavanja zahteva karakteristika koje odgovaraju današnjim propisima. Seizmičko projektovanje zasnovano na karakteristikama pruža kriterijume za izbor  odgovarajućeg konstrukcijskog sistema i za projektovanje konstrukcijskih elemenata kako bi za specifične nivoe intenziteta zemljotesa oštećenja na konstrukciji bila u datim granicama. Građevinska asocijacija Kalifornije (The Structural Engineering Association of California, SEAOC) predložila je sledeće nivoe oštećenja: (a) poptuno operativni, (b) kontrola oštećenja, (c) životna bezbednost i (d) prevencija kolapsa. Ovi nivoi karakteristika povezani su sa četiri seizmička opasna nivoa i važnošću datom strukturalnom opremom. Seizmički rizici opisani su kroz povratni period definisane magnitude seizmički izazvanog pomeranja tla u određenim geografskim oblastima. U uputstvima NEHRP, definicana su tri nivoa karakteristika. Za umereni zemljotres sa  povratnim periodom od 72 godine, relativno spratno pomeranje je ograničeno na 1% elastičnih i 0,25% trajnih deformacija za stambene jedinice. Primetite da je dodatna definicija trajnih/zaostalih pomeranja važna uzimajući u obzir nivo oštećenja i troškova rekonstrukcije. Za životnu bezbednost ograničenja su 2% elastični i 1% trajni za osnovnu  bezbednost za zemljotres sa povratnim periodom od 474 godina. Za prevenciju od kolapsa i elastični i trajni nagib je ograničen na 3%. Ovaj limit se primenjuje za rizik od 2% mogućnosti da će biti prevaziđen u narednih 50 godina, jednako prosečnom  povratnom intervalu od 2475 godina. Limiti nagiba gore navedeni dati su za zidna platna sa lakim ramovima. U budućem istraživačkm radu mora se razmatrati da li ove vrednosti mogu biti usvojene za projektovanje ramova od lepljenog lameliranog drveta. Međutim, može se očekivati da će limiti nagiba ostati u okviru prikazanih vrednosti. Autori bi želeli da istaknu da su čak i kriterijumi zasnovani na karakteristikama izvedeni donekle slobodnim izborom limita pomeranja i definisanja oštećenja. Standard o karakteristikama pruža projektantu više slobode u propisivanju nivoa karakteristika građevine u odnosu na nivo opasnosti događaja kao što je zemljotres i/ili tornado. Standard o karakteristikama (ICC) predlaže upotrebu kombinacije SEAOC i  NEHRP podataka za klasifikaciju seizmičkog dešavanja. (Tabela 1)

. Ovo pravilo obuhvata sve očekivane sile kojima će konstrukcija biti podvrgnuta tokom svog životnog veka, takođe ista klasifikacija je dostupna i za požar, sneg, vetar i drugih rizika. Ovo drugo je opisano u okvirima povratnog perioda definisane veličine  brzine vetra(3 sec nalet) u definisanim geografskim područjima na visini od 10 metara na  pretpostavljenom otvorenom terenu. Opterećenja izazvana vetrom

Za izrazito visoke zgrade, opterećenja vetra uopšteno pretpostavljaju veću važnost od, recimo, zemljotresnih opterećenja. Ovo je zbog niže osnovne frekvencije visokih konstrukcija koje su podložne vibracijama izazvanim vetrom. Brzina vetra ima nestabilnu  prirodu sa nejednakom distribucijom naleta duž širokog spektra amplituda i frekvencije.Određeni periodi naleta mogu da uspostave rezonancu sa osnovnom frekvencijom zgrade i time dovedu do opasnog oscilovanja. Reakcija sistema zavisi od dinamičkih karakteristikama konstrukcije, od pritiska opterećenja od vetra, i strukture naleta, koja ima ne - Gaussian raspodelu unutar vremena i prostora. Uopšteno, energija naleta na frekvenciji ispod 1Hz je mala, i time rezonantni odgovor je malo verovatan kod krutih konstrukcija. Generalno opšte je prihvaćeno da se zgrade ispod 40m smatraju se krutim. Zbog bezbednostih protivpožarnih regulativa zgrade pravljene od drveta često su ograničene na četri sprata. Time može se očekivati da efekti dinamike vetra mogu biti zapostavljeni za zgrade niskog i srednjeg rasta visine ispod 22m. Ipak, postojanje  polukrutih veza mogu da rezultiraju veoma osetljivim konstrukcijama na dinamičko opterećenje sa prirodnom frekvencijom ispod 1Hz-a. Time, mogući dinamičan odgovor  treba da se uzme u razmatranje, na primer kao uvećanje proračunskog opterećenja. Pojednostavljena procedura može da se primeni za određivanje proračunskog opterećenja vetra za krute konstrukcije. Konstrukcija može da se svrsta kao kruta ako je ispod 25m. U tom slučaju koristi se prosečna brzina vetra od 3s po naletu sa intervalom  ponavljanja od 50 godina. Pored računa prirodne frekvencije, nemački pravilnik za opterećenje od vetra obezbeđuje sledeću jednačinu koja može da se koristi za razlikovanje krutih i fleksibilnih konstrukcija. Slično formuli jednačina (2) i ova uzima u obzir krutost sistema (deformacije), zbog polukrutog ponašanja spojeva. Ipak moraju biti poznati prirodne frekvencije i prigušenje.

opterećenja u horizontalnom pravcu.

Gde je: Href = 25 m H = visina zgrade B = širina zgrade ۸ = logaritamskii dekrement, smanjenje ∆H = relativno pomeranje zgrade zbog težine

Ako konstrukcija zadovoljava gornji kriterijum, pretpostavlja se da je zgrada kruta. Ako jednačina (3) nije zadovoljena faktor efekta naleta mora da se odredi da bi se uočio mogući efekat rezonancije. Većina međunarodnih pravilnika za vetar koriste faktor  efekta naleta da bi odredili odgovarajući statično opterećenje vetra za konstrukciju i konstrukcijske elemente podložnim vetrom izazvanim vibracijama. Ponovo, jednačina (3)  je po prirodi zasnovana na iskustvu i učvršćuje tačnu procenu logaritamskog dekrementa L.

Događaj mali srednji veliki veoma veliki

Osnovni period povratka u godinama Seizmički Eolski/vetar   25 50 72 75 474 100 2475 125

Tabela 1: Osnovni povratni period određenog događaja predložen od ICC 

Kako propisi za drvene konstrukcije ne obezbeđuju kriterijume pomeranja za višespratne drvene zgrade, granice pomeranja za čelične strukture (EC3) mogu da se koriste. Za proveru graničnog sranja upotrebljivosti maximalno pomeranje čeličnih okvira pod dejstvom vetra mora da bude između H/400 i H/500 dok relativno spratno  pomeranje mora biti ograničen na H/200. Ovde je granica spratnog pomeranja ista kao ona data u seizmičkom propisu za granično stanje upotrebljivosti. U proračunu polukruto  ponašanje inkluzivne plastične deformacije spojeva veza , mora biti uzeto u obzir.

ZAKLJUČAK  Moderne tehnologije LL drveta i kompozitnog ojačavanja smanjuju mogućnost krtog loma elemenata drvenih okvira u visoko opterećenim zonama veza. Prirodna slaba krutost materijala uzrokuje relativnu slabu krutost drvenih okvira (krutost, masa kapaciteta, raspodele mase, su, ipak, visoke). U slučaju viskoih okvira ovo može da odvede do dinamičke reakcije izazvane opterećenjem vetra zbog relativno niske bazične funkcije okvira. Dodatno, fleksibilnost okvira dovodi do velikih pomeranja koji ne dovode uvek do rušenja okvira jer konstrukcijski elementi mogu da spreče velike deformacije, u poređenju sa drugim materijalima, npr. armiranibeton ili čelik. Ipak  kriterijum pomeranja predložen u standardima završava u predimenzionisanim okvirima,  jer masivni poprečni preseci moraju da se koriste da bi obezbedili mesto za zamenu veza. Predimenzionisani elementi utiču negativno na efikasnost konstukcije sa ekonomskog  pogleda, ali ovo ne podrazumeva uvek da su MR okviri praktična građevinska rešenja. Aplikacija prostornih okvira je realistična jer presvučeni drveni okviri mogu da funkcionišu kao samopopopravljivi sistemi, da obezbede visoku otpornost na vatru, da obezbede razvoj plastičnih veza u vezama, spojevima i mogu biti svrstani kao bezbedne i

 pouzdane strukture koje prolaze kroz velike nagibe  bez rušenja. Veze grede i stuba su uvek nelinearne i ne mogu da se projektuju kao krute veze. Ipak, mogu da prenesu značajne momente i time mogu biti kao uklještenja. U slučaju nedovoljnog bočnog otpora dodatna uktućenja mogu da se instaliraju za dalje smanjenje deformacija.

Prevod slika I deo Slika 1: 10 spratova, 30 -35 m

20 spratova Sakyamuni Pagoda (blizu 1000 godina stara) 67m Opšte Šerman drvo (>3000 godina starosti) 83,4m Velika Kufu Piramida u Gizi 144m Najviše drvo ikad otkriveno 150m

Slika 3: Inertial forces-inercijalne sile Reactin forces-sile reakcije

Slika 4: Sekundarni konstrukcijiski sistemi:

- sprečavanje nesrazmernog kolapsa - požarna zaštita tekst u slici: Termalna obloga → Podprostor: - pojedinačne jedinice Oblaganje →

- izolovano od komšija - moguća unutrašnja izolacija - modularno prerađeno drvo - interno podeljenji

Kombinovani izolacioni slojevi za: - požarno odvajanje - odvajanje vibracija&zvuk  - strukturno vlaženje

IIdeo Slika 1:  preignition-stanje pre paljenja Growth- porast Burning- gorenje Decay- slabljenje Ignition-paljenje

Krov RC jezgro koje sadrži servisnu osovinu između dve slike: izolovani drveni odeljci

Temelj