Κατασκευές: Νέο υλικό με βάση το ξύλο είναι συμπαγές όσο το οπλισμένο σκυρόδεμα, αλλά πιο βιώσιμο

Ερευνητές του Πανεπιστημίου της Στουτγάρδης δοκίμασαν σε πραγματικές συνθήκες ένα νέο συμπαγές, ευέλικτο και οικονομικά αποδοτικό σύστημα πλακών δαπέδου για πολυώροφα κτίρια από ξύλο. Και η δοκιμή ήταν επιτυχής. Το αποκαλούμενο «UniversalTimberSlab» αναμένεται να εγκατασταθεί σύντομα στο «Zukunftsforum» στην πόλη Όμπερκοχεν της Γερμανίας.

Οι πλάκες δαπέδου από οπλισμένο σκυρόδεμα αντιπροσωπεύουν περίπου το 40% των ενσωματωμένων εκπομπών άνθρακα των κτιρίων. Ωστόσο, μέχρι τώρα δεν υπήρχε πρακτική εναλλακτική λύση για σύνθετα πολυώροφα κτίρια. Χρησιμοποιώντας ένα πρωτότυπο κατασκευαστικό μοντέλο, ερευνητές του Πανεπιστημίου της Στουτγάρδης έδειξαν για πρώτη φορά πώς μπορούν να κατασκευαστούν πλάκες δαπέδου με βιώσιμο τρόπο, χρησιμοποιώντας ένα καινοτόμο σύνθετο σύστημα ξύλου-σκυροδέματος.

Το πρωτότυπο, το οποίο δοκιμάστηκε τον Ιούνιο στο πλαίσιο του Future Cleantech Festival στο Remscheid, παρουσιάζει το «UniversalTimberSlab» – την πρώτη επίπεδη πλάκα σύνθετου υλικού ξύλου-σκυροδέματος με σημειακή στήριξη για μεγάλα ανοίγματα σε δύο κατευθύνσεις. «Με το UniversalTimberSlab, στοχεύουμε να καταστήσουμε τις πολυώροφες κατασκευές από σύνθετο υλικό ξύλου-σκυροδέματος σημαντικά πιο ευέλικτες, αποδοτικές και προσαρμόσιμες. Το πρωτότυπο είναι το αποτέλεσμα πολυετούς έρευνας στο Πανεπιστήμιο της Στουτγάρδης και βασίζεται σε καινοτόμες ψηφιακές μεθόδους σχεδιασμού και κατασκευής», δηλώνει σε σχετική ανακοίνωση, ο καθηγητής Achim Menges, διευθυντής του Ινστιτούτου Υπολογιστικού Σχεδιασμού και Κατασκευής (ICD) και εκπρόσωπος του Κέντρου Αριστείας «Integrative Computational Design and Construction for Transformative Architecture» (IntCDC).

Το «UniversalTimberSlab» είναι εξίσου λεπτό και αποδοτικό με μια πλάκα οπλισμένου σκυροδέματος, αλλά σημαντικά πιο βιώσιμο. Το σύστημα βασίζεται σε μεγάλο βαθμό στο ξύλο, έναν ανανεώσιμο πόρο, στην οικονομική χρήση υλικών και στον κυκλικό σχεδιασμό.

Σε σύγκριση με τα συμβατικά συστήματα ξύλινων δαπέδων με κολόνες και δοκούς, τα οποία απαιτούν βαθιές δοκούς για μεγαλύτερα αμφίδρομα ανοίγματα, η συμπαγής «UniversalTimberSlab» μειώνει το δομικό ύψος κατά 30 έως 70 εκατοστά. Προσφέρει έτσι ένα σημαντικό πλεονέκτημα από πλευράς κόστους καθώς με το ίδιο ύψος από το δάπεδο έως την οροφή, ένα κτίριο μπορεί να φιλοξενήσει περισσότερους ορόφους, ενώ η επιφάνεια της πρόσοψης μειώνεται έως και κατά 20%.

Το «UniversalTimberSlab» θέτει επίσης εντελώς νέα πρότυπα για τις σχεδιαστικές δυνατότητες στην ξυλοκατασκευή. Το δομικό σύστημα βασίζεται σε σημειακά στηρίγματα, πράγμα που σημαίνει ότι τα φορτία του κτιρίου μεταφέρονται μέσω κολόνων που μπορούν να απέχουν σχετικά πολύ μεταξύ τους. Δεν απαιτούνται φέροντες διαχωριστικοί τοίχοι, οι οποίοι μπορούν να διαμορφωθούν ελεύθερα ανάλογα με τις ανάγκες. Σε κτίρια μικτής χρήσης, αυτό επιτρέπει ευέλικτες διαρρυθμίσεις προσαρμοσμένες σε χώρους λιανικής πώλησης, εστίασης, γραφείων και κατοικιών. Επιπλέον, οι κατόψεις μπορούν εύκολα να αναδιαμορφωθούν σε μεταγενέστερο στάδιο, εάν το κτίριο πρόκειται να αλλάξει χρήση. Η καινοτόμος πλάκα δαπέδου θα μπορούσε έτσι να συμβάλει στην περαιτέρω διάδοση των ξύλινων κατασκευών σε αστικές περιοχές.

Οι παράγοντες που αλλάζουν τα δεδομένα

Στις ξύλινες κατασκευές, οι μεγαλύτερες πλάκες χωρίζονται σε μεμονωμένα προκατασκευασμένα στοιχεία. Ενώ στο παρελθόν αυτά τα στοιχεία και τα στηρίγματά τους έπρεπε να τοποθετούνται κατά μήκος άκαμπτων πλεγμάτων για τεχνικούς λόγους, το σύστημα «UniversalTimberSlab» καθιστά πλέον δυνατή την κατασκευή τόσο κανονικών όσο και ακανόνιστων γεωμετριών πλακών δαπέδου. Η αρχή βασίζεται σε μια νέα μέθοδο τεμαχισμού, για την οποία έχει κατατεθεί αίτηση ευρεσιτεχνίας. Τα τμήματα από συγκολλημένη ξυλεία με ευθείες στρώσεις, τα οποία είναι εύκολο να προκατασκευαστούν, εξασφαλίζουν οικονομική αποδοτικότητα. Οι ίνες στην πλάκα δαπέδου είναι διατεταγμένες έτσι ώστε να ακολουθούν τη ροή των δυνάμεων, με σκοπό τη βελτιστοποίηση της φέρουσας ικανότητας του συστήματος.

Στο πλαίσιο του έργου αναπτύχθηκαν επίσης νέες ψηφιακές μέθοδοι σχεδιασμού για κτίρια από ξύλο: Κατά τη φάση του σχεδιασμού, εργαλεία που βασίζονται στην τεχνητή νοημοσύνη δημιουργούν λεπτομερή μοντέλα για πολυάριθμες παραλλαγές κατόψεων και κτιρίων και συμβάλλουν στη βελτιστοποίηση του σχεδιασμού. Για παράδειγμα, εάν ένας σχεδιαστής μετακινήσει έναν πυλώνα, η επίδραση αυτής της ενέργειας στο κόστος, στο ύψος της πλάκας και στη βιωσιμότητα μπορεί να απεικονιστεί αμέσως.

Για τη δομική δοκιμή, η ομάδα κατασκεύασε σε μόλις τρεις μήνες ένα πρωτότυπο πλήρους κλίμακας της πλάκας δαπέδου, διαστάσεων 9 x 5 μέτρων, με αμφίδρομο άνοιγμα 8 x 4 μέτρων. Με πάχος μόλις 36 εκατοστά, ήταν τόσο λεπτή όσο μια πλάκα οπλισμένου σκυροδέματος ισοδύναμου φορτίου και ανοίγματος, αλλά απαιτούσε περίπου τα δύο τρίτα λιγότερο οπλισμένο σκυρόδεμα.

Ως προκαταρκτικό βήμα, οι ερευνητές πραγματοποίησαν υπολογισμούς με τη βοήθεια υπολογιστή – τις λεγόμενες προσομοιώσεις FEM – για να διερευνήσουν πώς παραμορφώνεται και δονείται η δομή της πλάκας δαπέδου υπό φορτίο. Στη δομική δοκιμή, το πρωτότυπο φορτώθηκε με συνολικό βάρος 20 μετρικών τόνων επιπλέον του ιδίου βάρους του. Αυτό επέτρεψε τη δοκιμή της φέρουσας ικανότητας για ένα κτίριο γραφείων με έντονη χρήση, με φορτία τελικής επένδυσης 1,4 kN/m² και κινητό φορτίο 3,0 kN/m². Οι μετρήσεις επιβεβαίωσαν τις προσομοιώσεις, με μέγιστη παραμόρφωση μόλις 12 mm. Με φυσική συχνότητα άνω των 8 Hz – δηλαδή οκτώ ταλαντώσεις ανά δευτερόλεπτο – η πλάκα δαπέδου πληρούσε τις απαιτήσεις για πολυώροφα κτίρια όσον αφορά την παραμόρφωση και τους κραδασμούς.

Προοπτικές

Οι ερευνητές έχουν φτάσει σε ένα κρίσιμο ορόσημο στην πορεία προς την ευρεία χρήση του «UniversalTimberSlab» στις πολυώροφες ξύλινες κατασκευές. «Το σύστημα βασίζεται στην υπάρχουσα τεχνογνωσία της βιομηχανίας ξύλινων κατασκευών. Αυτό σημαίνει ότι έχει τη δυνατότητα να εφαρμοστεί γρήγορα σε μεγαλύτερα κατασκευαστικά έργα, μόλις ολοκληρωθούν με επιτυχία οι περαιτέρω εργασίες ανάπτυξης», δηλώνει ο Hans Jakob Wagner, επικεφαλής ομάδας στο ICD και διευθυντής του έργου EIC Pathfinder «UniversalTimberSlab».

Το πρώτο πιλοτικό κτίριο βρίσκεται ήδη σε φάση κατασκευής: η πόλη Oberkochen στο γερμανικό ομόσπονδο κρατίδιο της Βάδης-Βυρτεμβέργης σχεδιάζει το «Zukunftsforum», ένα τριώροφο κτίριο 1.400 m² που θα κατασκευαστεί με τη χρήση της καινοτόμου μεθόδου «UniversalTimberSlab». Το κτίριο προορίζεται να στεγάσει εκθέσεις, χώρους εργασίας, χώρους δημιουργίας, εργαστήρια και εργαστηριακούς χώρους.