Contents:

Timber, steel and concrete are three of the most common structural materials in the world, and each material has pros and cons. We asked industry bodies representing each to argue their case.

Timber

“Timber has no disadvantages, only design challenges,” said Andrew Dunn, chief executive of the Timber Development Association. “A forgotten knowledge of fire and durability has limited timber use but that is changing. The key aspect for timber is that its properties are well known and very predictable.”

Structural type, location and intended service life are all factors when determining the appropriate use of timber. But in general terms it is lightweight, easily worked, very adaptable to offsite manufacturing and generally cheaper than other materials.

Its main market is in low-rise residential structures but there is a growing interest in the mid-rise sector for apartments, office buildings and school buildings.

The Pitch

• Timber has higher structural efficiency as carried load per unit weight compared to reinforced concrete and steel structures

• A common stud used in house construction has similar compressive strength to general purpose concrete

• Many timbers are either naturally durable or can be easily treated to make very durable.

Wood, the raw material of structural timber products, is made from energy from the sun and carbon absorbed from the air (from the carbon dioxide in the air). Half the dry mass of timber is carbon absorbed from the air.

• Timber used internally provides a healthier environment for occupants as it helps maintain a better relative humidity

• The vast majority of structural timber is sourced from sustainably managed forests and plantations.

Dunn argues timber offers more architectural design flexibility, which creates more design options without sacrificing structural requirements.

“The natural warmth and beauty of wood is aesthetically pleasing,” he said.

The Metropol Parasol in Seville, Spain, a 5,000 square metre, four-storey plaza cover, is an example of how timber has been used creatively recently.

The Treet or ‘the tree' shows how far timber has come. A 14-storey (49-metre) apartment building in Bergen designed to comply with the Passivhaus sustainability standard. When completed it will be the tallest modern timber apartment structure in the world.

So what's next?

“The sky is the limit literally,” said Dunn. “There is a growth of timber building pushing the height limits. Canada has three tall timber buildings in the pipeline, a 13-storey Quebec City project, using cross-laminated timber and glulam, a 12-storey building in Ottawa and a project in Vancouver targeting 18 storeys. Not to be outdone, the highest timber building planned so far is a 23-storey office building in Sweden.”

Concrete

"Concrete has been used for structures since Ancient Greece and Rome,” said Marianne Fourie of the International Federation for Structural Concrete. “Technological improvements and innovations over the centuries have refined its use. Structural concrete today allows engineers and architects to design and achieve striking edifices that are as robust as they can be aesthetic. Advances have also led to the more widespread use of precast concrete, which offers great benefits of cost and speed of construction.”

When it comes to larger edifices, such as tall buildings and bridges, Fourie argues that nothing comes close to structural concrete for shear strength and durability.

Part of its attraction, she says, is also its versatility.

“There is no reason to limit design to one material only,” said Fourie.  “Assimilating other materials into concrete structure design is simple. However, structural concrete is not only used in conjunction with other materials but also incorporates them, for example, with fibre-reinforced concrete.”

Fourie says although other materials have become ‘trendier’ for their perceived environmental friendliness, structural concrete has made great strides in sustainability. It also has inherent ecological benefits since it is made from the most commonly available minerals (sand and limestone), and has excellent durability, thermal mass and minimal waste.

She cites two projects, which both won an ‘Award for Outstanding Concrete Structures,’ as shining examples. The Centro Ovale concrete shell (Chiasso, Switzerland), illustrates the versatility of the material, while the Bella Sky Hotel (Copenhagen, Denmark) is an example of the innovative use of precast concrete.

“The aesthetic possibilities of structural concrete are limitless,” said Fourie. “One innovation is the use of pigmented admixtures that allow designers to create facades in a great variety of colours. A recent trend is the use of white concrete, which lends a pristine quality to edifices. The reinforcement of concrete also continuously advances, with all matter of material being incorporated to enhance strength and increase the architectural possibilities.”

Steel

“Steelwork in major construction is on the rise as builders become more attuned to the advantages of using the material in easing onsite risks, speeding development for earlier returns and environmental benefits,” said Alan Marshall, communications manager at the Australian Steel Institute.

The US-based Council on Tall Buildings and Urban Habitat recently reported the number of composite multi-level projects over 200 metres that typically comprise a steel frame with metal decking, rose 54 per cent worldwide in 2014.

“Australia has experienced a similar resurgence,” said Marshall. “This is particularly the case along the eastern seaboard where, during the same period, about 20 composite multi-level projects are underway, such as at 480 Queen Street, which is the first steel framed building of its size in Brisbane. It utilises a parallel beam flooring system to achieve five-day floor cycle times, along with many other benefits gained from composite design and build programs.”

Marshall argues the case for steel under three key criteria: speed and efficiency; the reduction of on-site risks; and sustainability and waste reduction.

Speed and efficiency

• Computer modelling before fabrication on computer numerically controlled (CNC) equipment means the components are produced right first time and there is minimal rework

• Earlier construction provides faster completion and payback commencement

• Faster construction means the builder’s staff can be released earlier to start the next project

• Steel is a structurally efficient building material and so buildings are lighter and often foundations can be smaller as a result

• Steel is fabricated in controlled conditions driven by 3D modelling and CNC equipment increasing safety

• A test certificate is available for all steel used and this can be made traceable through to the finished product

• Design for standardised bolted connections and repetitive floor plates can increase speed of construction

Reducing onsite risks

• Steel use reduces the number of workers onsite (approximately 10 to 20 per cent of the labour needed for concrete construction), reducing accident liability for builders

• Preassembled steel packages can be lifted straight from the truck in sequence

• Offsite fabrication relieves congested and hard to access sites

• Reduced noise and dust and construction times ease disruption to current occupants and neighbourhoods

• For domestic housing, steel framing, roofing and cladding offer more termite-free and fire resistant abodes than with other commonly used building materials

Sustainability and waste reduction

• Waste removal is significantly less than for a concrete building

• More than 95 per cent of all structural steel is recovered and reused or recycled

• Steel buildings inherently lend themselves to structural addition and modification easily

• Savings in freight and materials through not having to use and remove temporary formwork

A compelling cases can be made for any of timber, concrete or steel. So which is your structural material of choice?

Лесоматериалы, сталь и бетон три из наиболее распространенных конструкционных материалов в мире, и каждый материал имеет плюсы и минусы. Мы поинтересовались у производителей каждого материала об их выборе.

Лесоматериал

"Лесоматериал не имеет недостатков, только проблемы с дизайном," сказал Эндрю Данн, главный исполнительный директор ассоциации развития пиломатериалов. "Слабые представления о горении и долговечности ограничивали применение пиломатериалов, но ситуация меняется. Ключевым аспектом для лесоматериала является то, что его свойства хорошо известны и очень предсказуемы ".

Тип структуры, расположение и срок службы являются факторами при определении надлежащего использования пиломатериала. Но в общих чертах это легкий материал, который хорошо обрабатывается и подходит для сборного строительства. Как правило, лесоматериал дешевле, чем другие материалы.

Его основной рынок находится в строительстве малоэтажных жилых зданий. Также спрос на дерево растет и в секторе жилых зданий средней этажности, офисных и школьных зданий.

Шаг

• Лесоматериалы имеют более высокую конструктивную эффективность, то есть воспринимают большую нагрузку на единицу массы, по сравнению с железобетонными и стальных конструкциями

• Обычный деревянный брусок, используемый в жилищном строительстве, имеет такие же показатели прочности на сжатие, как и бетон общего назначения

• Многие древесные породы сами по себе прочные или такие, которым можно придать высокие прочностные характеристики легкой обработкой.

Дерево, сырье для деревянных конструкций, представляет собой результат взаимодействия солнечной энергии и углекислого газа. Половина сухой массы древесины представлена углеродом, впитанным из воздуха.

• Древесина, используемая во внутренней отделке, обеспечивает более здоровую окружающую среду для находящихся внутри помещения людей, поскольку дерево помогает поддерживать более комфортную относительную влажность

• Подавляющее большинство лесоматериалов получают из регулярно поддерживаемых лесов и лесопосадок.

Данн утверждает, что дерево предлагает больший выбор дизайнерских решений без ущерба конструктивным требованиям.

"Естественное тепло и красота дерева превлекает," сказал он.

Метрополь Парасоль в Севилье, Испания, 5000 квадратных метров, четырехуровневое покрытие торговой площади, является примером того, как недавно творчески было использовано дерево.

Трит или "дерево" показывает, насколько развились деревянные конструкции. 14-этажный (49-метровый) жилой дом в Бергене разработан в соответствии с экологическими нормами “Пассивхауз” (Passivhaus). После завершения это будет самое высокое современное жилое здание из древесины в мире.

Так что же дальше?

"Небо это предел в буквальном смысле слова, " сказал Данн. "Все чаще устанавливаются рекорды по высоте здания в деревянном строительстве. В Канаде строятся три высотных здания из древесины: 13-этажный проект в Квебеке, который планируют построить из фанеры и клееного бруса, 12-этажное здание в Оттаве и объект с 18 этажами в Ванкувере. Чтобы не отстать, самое высокое здание из древесины на данный момент планируют построить шведы высотой в 23 этажа.

Бетон

"Бетон используют в строительстве, начиная со времен Древних Греции и Рима, " сказала Марианна Фурье, представитель Международной федерации по железобетону. "Технологические усовершенствования и нововведения на протяжении веков улучшали его свойства. Железобетон сегодня позволяет инженерам и архитекторам создавать поразительные сооружения, которые при своей надежности являются еще и внешне привлекательными. Совершенствования привели также к более широкому использованию сборного железобетона, который предлагает большие преимущества в стоимости и скорости строительства ".

Когда дело доходит до больших сооружений, таких как высотные здания и мосты, Фурье утверждает, что ничего даже близко не сравнится с конструкционным бетоном по прочности на сдвиг и долговечности.

Часть его привлекательности, она говорит, является также его универсальность.

"Нет причин ограничивать дизайн только одним материалом," сказал Фурье. "Совмещать другие материалы с бетоном в конструкциях просто. Кстати, конструкционный бетон не только используется в сочетании с другими материалами, но также объединяет их в одно целое, например, фибробетон ".

Фурье говорит, что, несмотря на то, что другие материалы стали "модными" благодаря своим экологическим свойствам, бетон тоже добился больших успехов в экологичности. Он имеет природные экологические преимущества, так как сделан из самых широкодоступных полезных ископаемых (песка и известняка), а также имеет высокую прочность, низкую теплоемкость и минимальное количество отходов.

Фурье приводит в качестве примера два ярких проекта, которые и выиграли призы в категории “выдающиеся железобетонные сооружения ". Отель “Центро Овале”, представляющий собой бетонную оболочку (Кьяссо, Швейцария), иллюстрирует универсальность материала, в то время как “Белла Скай Хотел” (Копенгаген, Дания) является примером инновационного использования сборного железобетона.

"Эстетические возможности конструкционного бетона безграничны", сказала Фурье. "Одним из новшеств является использование пигментных добавок, которые позволяют дизайнерам создавать фасады в самых разнообразных цветах. Последней тенденцией является использование белого бетона, который придает зданиям первозданные качества. Армирование бетона также постоянно совершенствуется в вопросах увеличения прочности и повышения архитектурных возможностей.

Сталь

"Стальные конструкции в крупном строительстве пользуются все большей популярностью, так как строители больше стали уделять внимания проблемам безопасности, скорости строительства и экологическим преимуществам материала, " сказал Алан Маршалл, начальник по коммуникациям Австралийского института стали. Базирующийся в США Совет по высотным зданиям и городской среде недавно сообщил, что количество сложных многоэтажных проектов более 200 метров, содержащих стальную раму с металлическими перекрытиями, выросло на 54 процента во всем мире в 2014 году.

"Австралия переживает подобный всплеск, " сказал Маршалл. "Это особенно касается восточного побережья, где в тот же период возводилось около 20 сложных многоэтажных объектов, как например, здание на Куин Стрит 480, которое является первым зданием из стальных конструкций подобных размеров в Брисбене. В таких конструкциях применяются балочные перекрытия, которые позволяют перекрыть пролет за 5 дней, а также имеют другие преимущества из-за своей составной структуры и технологии возведения". Маршалл советует сделать выбор в пользу стали, указывая на три критерия, в которых она лучше: скорость и производительность; риски на стройплощадке; экологичность и количество отходов.

Скорость и производительность

• Компьютерное моделирование перед автоматизированным производством позволяет тому, чтобы детали производились за раз с минимальными доработками

• Строительство начинается раньше, что приводит к быстрым окончаниям строительства и окупаемости от эксплуатации здания.

• Быстрая постройка означает, что рабочие могут быть переведены на другой объект раньше.

• Сталь - относительно легкий строительный материал, что позволяет зданиям из нее быть легкими, а фундаментам под такие здания меньше.

• Сталь производится при помощи 3D-моделирования и автоматики, что повышает безопасность

• Сертификат испытаний доступен для любой используемой стали и может быть отслежен на всех этапах

• Стандартные болтовые соединения и плиты перекрытия увеличивают скорость строительства

Снижение рисков на стройплощадке

• Использование стали предполагает меньшее количество рабочих на стройплощадке (примерно на 10-20 процентов от числа рабочих, необходимых при использовании бетона). Таким образом, уменьшается ответственность от несчастных случаев, которые могут произойти со строителями.

• Предварительно смонтированные стальные блоки могут быть подняты прямо из грузовика в последовательности

• Изготовление стальных конструкций вне стройплощадки позволяет ей не перегружаться

• Снижение шума, пыли и сокращение сроков строительства приносят меньше неудобств для прохожих и жильцов окрестностей

• Для жилого строительства также стальные каркас, кровля и облицовка предлагают большую защищенность от насекомых и малую вероятность возгорания, в отличие от других широко используемых строительных материалов.

Экологичность и снижение отходов

• количество отходов значительно меньше, чем при бетонном строительстве

• Более 95 процентов всей конструкционной стали можно извлечь и повторно переработать

• Здания из стали по своей структуре легко поддаются модификациям и пристройкам

• Экономия грузов и материалов из-за отсутствия опалубки

Убедительные аргументы есть в пользу любого материала, будь то дерево, бетон или сталь. Так какой строительный материал выберите вы?

Key words

formwork

structural concrete

compressive strength

fiber reinforced concrete (FRC)

sustainability

Ключевые слова

опалубка

конструкционный бетон

прочность на сжатие

фибробетон

экологичность