Конструкции зданий с интегрированным озеленением

Дорожкина Екатерина Александровна старший преподаватель, Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет 129337, Россия, г. Москва, шоссе Ярославское, 26 Dorozhkina Ekaterina Senior Educator, the department of Structural Engineering, National Research University Moscow State University of Civil Engineering 129337, Russia, g. Moscow, shosse Yaroslavskoe, 26 dor-ea@yandex.ru Другие публикации этого автора

Создание такого типа озеленения, как «зеленое» здание, предполагает размещение растений на крышах ^[1], фасадах (балконы, лоджии, веранды, террасы) и в интерьерах ^[2]. Появляется необходимость проектировать конструкцию, подверженную воздействию не только внешних факторов среды, механическому воздействию человека, но и влиянию произрастающих растений.

Таким образом, конструкция должна отвечать требования по прочности и устойчивости, эксплуатации (1 и 2 группы предельных состояний), гидроизоляции, в ряде случаев теплоизоляции.

В основу работы положен метод аналитического сбора нагрузок на здания при учете различных дополнительных нагрузок в виде озеленения, интегрированного в структуру здания. Сбор нагрузок выполнялся в соответствии с требованиями по назначению сочетаний нагрузок на здания для их расчета по 1 и 2 группам предельных состояний по СП20.13330.2011 «Нагрузки и воздействия».

Современная «зеленая» кровельная система (традиционная и инверсионная) ^{[3, 4]} должна содержать следующие слои, рис.1:

Рис. 1. Конструктивный состав "зеленой" крыши

1. плиту покрытия или перекрытия здания;
2. гидроизоляционную мембрану с включенными противокорневыми добавками;
3. жесткую теплоизоляцию (при необходимости);
4. специальный дренажный слой, иногда со встроенными резервуарами для воды;
5. ландшафтную или фильтрующую ткань;
6. сконструированную растительную среду (субстрат), которая в общем случае может и не содержать грунта;
7. растения.

Таким образом, при расчете конструкций необходимо выделять два типа нагрузок постоянной нагрузки: стационарную P_const и средневзвешанную ΔP:

P= P_const+ ΔP (1)

Стационарная нагрузка включает в себя вес слоев конструкции искусственного основания и зависит от применяемой конструктивной системы и задается в виде равномерно распределенной нагрузки на 1м².

Для горизонтального интегрированного озеленения в состав стационарной составляющей постоянной нагрузки входят (в соответствии с рис. 1):

1. Вес несущих элементов конструкции (система балок, ферм, плиты покрытия или перекрытия и прочие) – P₁;
2. Вес гидроизоляционной мембраны – P₂;
3. Вес теплоизоляционного слоя (при наличии) – P₃;
4. Вес дренажного слоя – P₄;
5. Вес фильтрующей ткани (корнезащита) – P₅.

Таким образом, можем записать стационарную составляющую нормативного значения постоянной нагрузки в следующем виде:

P_const=∑P₁…P₅ (2)

К средневзвешанной составляющей постоянной нагрузки от интегрированного озеленения относится:

1. Вес фитомассы - P₇ (слой 7, рис.1);
2. Вес растительной среды (субстрата) – P₆ (слой 6, рис.1).

Таким образом динамическая составляющая постоянной нагрузки может быть записана:

ΔP=P₆+P₇ (3)

Необходимость рассматривать нагрузки от слоев 6-7 как динамически изменяющиеся связана с особенностями структуры растения. На рис. 2 приведена схема растения:

Рис. 2. Схема растения

На схеме видно, что структурно растение состоит из трех частей: жизнеобеспечивающей, несущей и регенеративной (обновляющейся). Таким образом, имеем:

P₆=p_ж+р_н+р_р (4),

где p_ж– вес жизнеобеспечивающей части растения;

р_н – вес несущей части растения;

р_р – вес регенеративной (обновляющейся) части растения.

Несущая часть р_н представляет собой несущее основание надземной части растения (ствол, ветки, стебли) и представляет собой вес древесины. В виду чего, зависит от породы высаживаемой растительности и принимается исходя из средней объемной массы свежесрубленной древесины. В зависимости от весовых характеристик материала древесину делят на несколько групп:

• очень лёгкая (0,45 г/см3);
• лёгкая (0,45 — 0,60 г/см3);
• среднетяжёлая (0,61 — 0,75 г/см3);
• тяжёлая (0,76 — 0,90 г/см3);
• очень тяжёлая древесина (более 0,90 г/см3).

Такие данные являются общедоступными и приведены в справочных материалах. Так плотность свежесрубленной древесины хвойных и мягких лиственных пород рекомендуется принимать равной 850 кг/м³, твердых лиственных пород - 1000 кг/м³.

Однако при подсчете нагрузки от несущей части необходимо учитывать геометрические параметры взрослого растения.

Регенеративная (обновляющаяся) р_р часть включает в себя зеленую массу растения (листву для лиственных пород и хвою для вечнозеленых).

За счет сезонности нагрузка от регенеративной части для лиственных пород может считаться временной.

p_р=V ρ k_a (5),

k_a - коэффициент ажурности кроны, зависит от сорта выбранного растения.

В виду учета воздействия ветровой нагрузки коэффициент ажурности кроны рекомендуется принимать 30 – 40% ^[7].

Жизнеобеспечивающая часть p_ж включает в себя корневую систему растения. Корневая часть зависит от породы растительности и изменяется с ростом растения пропорционально надземной части.

В виду упрощения расчета веса фитомассы (P₇) объективно и достаточно вести расчет по характеристикам взрослого растения.

Таким образом, представляется возможным классифицировать применяемые для интегрированного озеленения растения на несколько типов:

1. дерево;
2. кустарник;
3. кустарничек;
4. трава;
5. лиана.

Ограничение геометрических характеристик, принимаемых в расчет, может быть получено следующим образом:

• на основании данных каталога растений, которые могут быть рекомендованы для высадки в качестве интегрированного озеленения;
• На основании разрабатываемого проекта и рекомендаций по уходу за растениями, в том числе ежегодных мероприятий по обрезке зеленых насаждений.

Расчет фитомассы зеленых насаждений на сегодняшний день может быть осуществлен несколькими методами, имеющими различную степень достоверности полученных результатов ^[8].

Рекомендуется при расчете нагрузок принимать вес растений согласно данным табл.1 ^[9].

Таблица 1

Вес отдельных элементов озеленения

Вес растительной среды (субстрата) P₆ прямо пропорционален объему почвенного субстрата. Для обеспечения нормальных условий для вегетации растений необходимо поддерживать влажностный баланс. Тем самым, при расчете нагрузки Р₆, в виду упрощения расчета, становится необходимым учитывать вес влажной почвы.

Объем субстрата принимается в зависимости от типа корневой системы и может быть классифицирован в зависимости от применяемого ассортимента на несколько групп. Рекомендуемые значения в таблице 2 приведены на основании данных, разработанных Департаментом природопользования и охраны окружающей среды города Москвы ^[9].

Таблица 2

Толщина почвенного субстрата при использовании различных групп растений

Вес растительной среды может быть задан как в виде распределенной нагрузки, так и в виде сосредоточенной нагрузки (при контейнерном озеленении).

Учет кратковременных нагрузок

При расчете несущих конструкций под озеленение различного типа необходимо дополнительно учитывать воздействие кратковременных нагрузок (согласно п. 5.5 СП 20.13330.2011 «Нагрузки и воздействия»). Расчет необходимо вести в этом случае с учетом неблагоприятного сочетания нагрузок, полученных их анализа вариантов одновременного действия нескольких нагрузок, в том числе климатической.

Таким образом, при подсчете динамической составляющей постоянной нагрузки от интегрированного озеленения становится необходимым введение в расчет переменных, описывающих изменение объема растения с течением времени.

Для упрощения расчетов возможно рассчитывать нагрузку для взрослого растения, тем самым искусственно увеличивая коэффициент запаса работы рассматриваемых конструкций.

В существующей практике «зеленого» строительства, в зависимости от потребности высаживаемых растений в уходе, а также допустимых нагрузках на конструкцию, различают два основных типа озеленения ^[10]:

• интенсивное озеленение (предусматривает использование широкого ассортимента растений, в том числе травянистых растений, кустарничков, кустарников и деревьев, требующего необходимых условий произрастания и ухода);
• экстенсивное озеленение (предусматривается использование ограниченного ассортимента растений, малотребовательных к условиям произрастания и уходу; доступ людей в этом случае ограничен, в виду пониженных нагрузок на несущие конструкции сооружения, допускается устройство не озелененных участков).

Также стоит выделить простые интенсивные «зеленые» крыши, которые с точки зрения требований к условиям среды занимают промежуточное положение в приведенной классификации.

В таблице 3 приведена сравнительная характеристика различных типов озеленения по основным техническим и эксплуатационным параметрам ^[10].

Таблица 3

Сравнительная характеристика типов озеленения плоских крыш

Исходя из выбранного типа озеленения и требований высаживаемых растений необходимо предусматривать дополнительные строительные конструкции, как то мощные железобетонные основания, контейнеры и резервуары для горизонтального и интерьерного озеленения, конструкции консольного типа, для озеленения фасадов. Также рассмотренный принцип расчета строительных конструкций, пригодных для использования в качестве основания для интегрированного озеленения, применим при реконструкции существующих зданий. В том числе при усилении существующих конструкций для возможности устройства озеленения.