LVL

Общество с ограниченной
ответственностью
«ЭЛСТ-СТРОЙ»
«Центральный научно-исследовательский институт
строительных конструкций имени В.А. Кучеренко»
(ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко)
ДЕРЕВЯННЫЕ
КОНСТРУКЦИИ
1
2
3
4
5
6
Обследование и оценка технического
состояния конструкций в процессе их
изготовления и эксплуатации.
Контроль качества и сертификация
конструкций.
Разработка нормативных документов.
Техническое сопровождение производства
на стадии его организации и серийного
выпуска конструкций.
Защита от эксплуатационных воздействий.
Организация и проведение научнотехнических конференций, семинаров.
тел./факс: 8 (499) 174-79-13
тел: 8 (499) 174-79-23
8 (495) 961-80-69
e-mail: lmk3@rambler.ru
www.elststroy.ru
www.dkinfo.ru
НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ, ЭКОНОМИЧЕСКИЙ И ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ ЖУРНАЛ
Учредители:
Редакция журнала,
Рослеспром,
НТО бумдревпрома,
НПО “Промысел“
Основан в апреле 1952 г.
Выходит 4 раза в год
Редакционная коллегия:
В. Д. Соломонов
(главный редактор),
Л. А. Алексеев,
А. А. Барташевич,
В. И. Бирюков,
А. М. Волобаев,
А. В. Ермошина
(зам. главного редактора),
А. Н. Кириллов,
Л. М. Ковальчук,
Ф. Г. Линер,
А .Г. Митюков,
В. И. Онегин,
Ю. П. Онищенко,
С. Н. Рыкунин,
Г. И. Санаев,
Ю. П. Сидоров,
Б. Н. Уголев
©«Деревообрабатывающая
промышленность», 2010
Свидетельство о регистрации СМИ
в Роскомпечати № 014990
Формат бумаги 60х88/8
Усл. печ. л. 6,0. Уч.-изд. л. 8,2
Заказ№ SW3020
Верстка — ООО “СТОД“
Цена свободная
ScanWeb (Финляндия).
Адрес типографии: Karjalankatu
27, P.O. Box 116, 45130 Kouvola,
Finland.
СОДЕРЖАНИЕ
LVL и его применение.......................................................................4
ПРОИЗВОДСТВО
Технология производства LVL (Токарева Т.В.)...................................6
Контроль прочности материала Ultralam
при его производстве (Залюбовская Ю.В.,
Токарева Т.В., Солоницын Д.С.).........................................................10
НОРМИРОВАНИЕ ТРЕБОВАНИЙ
Нормирование требований к многослойному клеёному
из однонаправленного шпона материалу и конструкциям
на его основе (Ковальчук Л.М.)........................................................14
Нормирование расчётных сопротивлений многослойного
клеёного из шпона материала Ultralam (Солоницын Д.С.,
Пьянов А.Н.)......................................................................................20
КОНСТРУКЦИИ
Деревянные конструкции
из бруса LVL – это выгодно! (Бардашев С.Б.)...................................23
Эффект применения клеёного из однонаправленного
шпона бруса для создания строительных конструкций
(Животов Д.А.) .................................................................................26
Зарубежный опыт применения двутавровых
деревянных балок.............................................................................29
Брус LVL – современный строительный материал
индустриальной эпохи (Понурова Е.А.)...........................................31
Усиление клеёных деревянных конструкций с помощью
многослойного клеёного материала из однонаправленного
шпона (Варфоломеев Ю.А.).............................................................35
Применение многослойного клеёного из шпона
материала для усиления конструкций
театрально-зрительных залов (Ковальчук Л.М.).............................38
ЭКСПЛУАТАЦИЯ
Огнезащита конструкций из материала Ultralam
(Ломакин А.Д.).................................................................................41
ОТ РЕДАКЦИИ
LVL и его применение
Достоинства древесины общеизвестны.
Это, вероятно, единственный строительный материал, возобновляемый естественным путём в течение жизни одного поколения людей. В строительных конструкциях
реализуются высокая удельная прочность
древесины, её стойкость при эксплуатации конструкций в химически агрессивных
средах, хорошая обрабатываемость. Важна
также архитектурная выразительность деревянных конструкций, применяемых в
общественных зданиях и сооружениях.
Вместе с тем этот природный материал
имеет и ряд недостатков. Наиболее существенный из них – это ярко выраженная
анизотропия. Так, прочность древесины
при растяжении вдоль волокон на порядок
выше, чем при растяжении перпендикулярно к ним. Негативное влияние на прочность
древесины оказывают также сучки, большой
наклон волокон и другие пороки. Поэтому на
практике реализуются технологии, уменьшающие отрицательное проявление указанных
недостатков древесины при её использовании. Отметим основные из них.
Одно из направлений – изготовление
клеёных конструкций. После распиловки
брёвен на пиломатериалы из них вырезают
4
недопустимые пороки и дефекты, заготовки
склеивают по длине (обычно на зубчатый
шип), обрабатывают пласти и склеивают
в многослойные элементы – прямолинейные или криволинейные. Это направление
использования древесины хорошо известно. Его особенности постоянно освещаются в нашем журнале.
Другое эффективное направление уменьшения влияния недостатков древесины –
изготовление древесностружечных плит.
Здесь реализуется так называемый «эффект
дробления» пороков и дефектов натуральной древесины. К недостаткам плит можно
отнести относительно малую прочность и
разбухаемость при увлажнении.
Третье направление – изготовление материала из лущёного шпона. Его малая
толщина и рассредоточенность пороков и
дефектов древесины позволяют получать –
путём последующего склеивания листов
шпона - относительно высокопрочный материал – фанеру. Склеиваемые по пласти
слои шпона обычно имеют взаимно перпендикулярное направление волокон, что
не позволяет в полной мере приблизить
прочность фанеры к прочности древесины
при растяжении вдоль волокон. Немало-
важно, что обычно листы фанеры имеют
небольшие размеры.
Сейчас успешно развивается направление, основанное на изготовлении многослойного клеёного материала типа фанеры
с преимущественно продольным расположением волокон древесины в слоях шпона. Это позволяет в большей степени приблизить уровень прочности конструкций
из такого материала к уровню прочности
древесины при растяжении вдоль волокон
и обеспечить максимальное «дробление» её
пороков. Это, а также достаточно большие
размеры обусловливают перспективность
такого материала для строительства.
Имеется достаточно большой опыт использования этого материала в зарубежной
практике. Изготовляется и реализуется
он под общеизвестным обозначением –
LVL (laminated veneer lumber). Это название
используется и в отечественной практике.
Запатентованы также названия материала
разных производителей.
Пока в нашей стране имеются два предприятия по изготовлению многослойного
клеёного из однонаправленного шпона
плитного материала типа LVL. Различаются
они по объёму производства и особеннос-
тям технологического процесса. На заводе в
г. Нягань (Ханты-Мансийский АО) процесс
склеивания пакета листов однонаправленного шпона проводится в прессах периодического действия, т.е. фактически принята технология фанерного производства.
Фирменное название материала – LVL –
Югра. Процесс склеивания пакетов листов шпона на заводе «Талион Терра»
(г. Торжок Тверской обл.) осуществляется
в ленточном прессе непрерывного действия. Важно, что до прессования пакет с
нанесённым на поверхность листов шпона
клеем «подогревается» в электромагнитном
поле сверхвысокой частоты. Это не только
позволяет сократить продолжительность
склеивания пакета, но и на этой стадии
уменьшает вязкость клея, что способствует
более полной пропитке им шпона. Поэтому
изготовляемый материал по своим физикомеханическим показателям отличается от
материала, склеиваемого в прессах периодического действия. Фирменное название
этого материала – Ultralam.
Следует подчеркнуть, что при достижении проектной мощности указанные два
завода смогут ежегодно поставлять строительной промышленности около 200 тыс. м3
названного многослойного материала. Это
примерно равно суммарному годовому
объёму производства имеющихся в стране
заводов по изготовлению клеёных конструкций из пиломатериалов. Однако сейчас
строительство не готово ежегодно потреблять столь большое количество продукции
типа LVL, так как этот относительно новый
материал изучен крайне мало. До последнего времени не было даже нормативнотехнической литературы, описывающей
как положительные, так и отрицательные
стороны этого материала, специфику его
применения. Сейчас ситуация кардинально меняется. Потребителю предлагается
специальный выпуск журнала, в котором
практически впервые обобщены сведения
о физико-механических показателях материала, особенностях его изготовления и
применения.
По инициативе ООО «СТОД», в которое входит завод в г. Торжке, осуществляется обширная программа исследований
по установлению реальных характеристик
материала, обеспечению стабильности качества при его изготовлении, учёту условий
эксплуатации, разработке мер по эффективной защите конструкций из этого ма-
териала при неблагоприятных условиях их
эксплуатации. И, что особенно важно, определяются оптимальные конструктивные
решения и реальные области их использования.
Всем этим вопросам и посвящён этот
специальный выпуск старейшего в отрасли
научно-технического журнала «Деревообрабатывающая промышленность».
Поскольку такой выпуск журнала
осуществляется впервые, то редакция
с благодарностью примет замечания и
пожелания читателей по дальнейшему
изучению и решению вопросов изготовления и применения перспективного многослойного древесного материала типа LVL
(e-mail: lmk3@rambler.ru).
Л. М. Ковальчук
5
ПРОИЗВОДСТВО
Технология
производства LVL
Т.В. Токарева,
главный технолог завода «Талион Терра»
Рис.2. Участок окорки и загрузки лесоматериалов и загрузки в бассейн гидротермической обработки
LVL – многослойный клеёный материал из шпона с преимущественно продольным направлением волокон древесины.
При этом длина бруса может составлять
20–24 м, что значительно больше длины
листов шпона. Отсюда и основной подход
к формированию производственной технологической цепочки. Первый этап, заключающийся в получении сухого шпона, аналогичен технологии изготовления фанеры.
Поэтому нестроительный LVL можно изготовлять и на фанерном оборудовании, но
при этом размеры LVL будут ограничены
длиной фанерного пресса (1,5-2,5 м). Для
изготовления строительного (конструкционного) LVL на втором этапе применяется
специальное оборудование. Второй, основной, этап – это сборка пакетов и их горячее
прессование. В этом как раз и заключается
существенное отличие в технологии производства, позволяющее получить брус
указанной выше длины и даже большей.
Могут быть применены две принципиально разные технологии сборки пакетов и их
горячего склеивания: в прессах периодического действия Raute и в прессах непрерывного действия Dieffenbacher. Обе схемы
6
достаточно широко применяются в мировой практике. В России пока имеются два
предприятия по изготовлению такого материала. В статье будет подробно рассмотрена технологическая схема производства
LVL завода «Талион Терра».
Поступающее на завод сырьё (сосновые
и еловые лесоматериалы – рис.1) сортируется по породам, качеству и размерам на
полуавтоматической линии Hekotek.
Окорка, гидротермическая обработка
(рис. 2) и распиловка сырья выполняются
на линии от фирмы Vitech Engineering, Inc.
(США). Гидротермическая обработка хвойного сырья осуществляется в бассейне проходного типа при температуре воды 50-80˚С. После
термообработки кряжи поступают на загрузочный конвейер обрезных пил. Здесь происходит
распиловка кряжа на чураки (рис. 3), которые
затем поступают на линию лущения.
Лущение чураков и рубка шпона толщиной 3,2 мм осуществляются на высокопроизводительной линии от фирмы COE
Manufacturing (США). Скорость лущения
достигает 18 чураков/мин. При подаче
чурака в станок происходит сканирование чурака при помощи лазерных лучей.
Информация, полученная при сканировании, обрабатывается компьютером и передаётся на шпиндельные зажимы, которые
располагают чурак в оптимальное положение, обеспечивающее наилучший выход
шпона при минимальной оцилиндровке
чурака. Обработка данных обмера чураков
на компьютере позволяет автоматизировать
процесс оцилиндровки чураков и процесс
лущения. Сервогидравлическая настройка
обеспечивает высокую точность задания необходимой величины заднего угла ножа для
чурака того или иного диаметра. Величина
заднего угла регулируется по заданной кривой с помощью гидроцилиндра. На дисплее
лущильного станка отображается величина
угла наклона ножа в градусах.
Лента шпона от лущильного станка по
ускорительному конвейеру подаётся к ножницам. Ускорительный конвейер состоит
из трёх расположенных друг над другом
ленточных конвейеров, которые обеспечивают работу лущильного станка и ножниц
на разных скоростях независимо друг от
друга. Сходящая с лущильного станка лента шпона направляется на свободный этаж
конвейера, а одновременно с этим преды-
дущая лента шпона, находящаяся на другом
конвейере, подаётся на ножницы. Ускорительный конвейер позволяет поддерживать
максимальную степень загрузки ножниц.
С помощью камеры и компьютера на ленте шпона определяются дефекты и момент
начала её раскроя на форматные листы заданных размеров. Система работы сканера
позволяет выявить дефекты ещё на стадии
рубки шпона и обеспечить их отсутствие в
листах шпона, подаваемых на сушку.
личины температуры. На щите управления
устанавливается заданное значение температуры для каждой зоны. Повышение температуры происходит до тех пор, пока не будет
достигнуто заданное значение температуры,
затем управление переходит к программе регулирования нагрева сушилки. Температура
воздуха в горячих секциях достигает 1920С.
На выходе сушилки высушенный шпон подаётся в зону охлаждения, в которой шпон
охлаждается до температуры 30-400С.
Рис.1. Лесоматериалы для производства LVL
Влагомер, измеряющий влажность ленты шпона, имеет несколько измерительных
головок с диапазоном измеряемых величин
влажности от 30 до 250%. Система управления считывает величину содержания влаги
и подсчитывает среднее или максимальное значение влажности для данного листа
шпона. Это же значение используется для
определения среднего содержания влаги
при сортировке шпона по влажности. Сортировка шпона по влажности позволяет
более эффективно использовать сушильную установку и оптимизировать режимы
сушки.
Шпон сушится в 6-этажной сопловой роликовой сушилке с обогревом термомаслом
от фирмы Grenzebach BSH (Германия). Горячий воздух через сопла коробов попадает
на шпон и, забирая из него влагу, теми же
вентиляторами снова нагнетается в сопловые короба. Циркуляция воздуха в сушилке
продолжается до тех пор, пока не будет достигнута определённая величина его влажности. Сушилка, состоящая из 17 секций,
разделена на три температурные зоны. Температурные зоны регулируются независимо
друг от друга от контура регулирования ве-
Над зоной охлаждения установлены вентиляторы приточного и отходящего воздуха.
Охлаждающий воздух втягивается вентиляторами и через сопловые коробки подаётся
на шпон. После этого охлаждающий воздух
удаляется вентиляторами наружу. В процессе сушки регулируется скорость перемещения листов шпона. Скорость сушки
зависит прежде всего от начальной влажности шпона и породы древесины.
После сушки листы шпона направляются на сортировочный конвейер. На этой
стадии появляется первое отличие технологии производства LVL от технологии фанерного производства. Она состоит в том,
что листы шпона сортируются не только
по визуальным характеристикам, но и по
показателям прочности. Тестер шпона
«Metriguard» (рис. 4) определяет величину
плотности сухого шпона, периодически
посылая на шпон ультразвуковую волну и
измеряя продолжительность прохождения
ультразвука в шпоне. Чем плотнее шпон,
тем быстрее звук проходит через него. По
результатам измерения плотности шпон
делится на четыре сорта. Высшие сорта
используются для производства конструк-
ционного LVL. Далее шпон проверяется
на наличие дефектов. Выявление дефектов
происходит при помощи цветного сканера. По выявленным дефектам проводится
распределение листов по сортам с данными
качества.
На узле сортировки также определяется
влажность шпона. Листы шпона, влажность
которых выше заданного значения (8%),
автоматически направляются в предусмотренный для этого отдельный карман, откуда
затем они поступают на досушку. Распределение между позициями стопоукладки
осуществляется в автоматическом режиме
на основе анализа собранных сканером
данных о влажности, размере и количестве
дефектов, а также плотности шпона. Форматные листы шпона подаются на линию
усования, неформатные и листы шпона с
дефектами – на линию вырубки дефектов
и ребросклеивания.
На линии ребросклеивания (рис. 5) от
фирмы Hashimoto Denki CO (Япония) происходит формирование полноформатных
листов шпона из неформатных листов или
из кускового шпона – с предварительной
вырубкой дефектов. Системой определения дефектов измеряются длина и толщина
листов шпона, а также размеры дефектов в
середине и по краям листов. Если размер
дефекта больше максимально допустимой
величины, то ножницы автоматически вырубают дефект. Определение дефектов происходит при движении шпона, а на время
вырубки дефектов шпон останавливается.
Далее ножницы гильотинного типа обрезают все дефектные части листа и прирубленные бездефектные листы шпона подаются в
секцию ребросклеивания, где они соединяются друг с другом. Клеевые нити придают
шпону хорошую прочность на растяжение
по ширине, а клеевые точки препятствуют
их нахлёстке. Ножницы для рубки листов
шпона автоматически раскраивают непрерывную ленту шпона на листы заданной
ширины. Линия универсальна: при необходимости на ней можно получить ребросклеенный поперечный шпон. Для получения
листов шпона с поперечным направлением
волокон на станке (на разгрузочном конвейере) установлена дисковая пила. В этом
случае на стопоукладчике формируются
две стопы шпона. Ребросклеенные листы
продольного шпона подаются на линию
усования шпона и затем на участок сборки
пакетов.
На этом этапе получены рассортированные листы сухого шпона, и оставшаяся
часть технологического процесса (усование
и калибрование шпона, нанесение клея,
сборка пакета, прессование и конечная
7
ПРОИЗВОДСТВО
Рис.3. Линия раскроя кряжа на чураки
обработка) существенно отличается от соответствующей части процесса производства фанеры. При формировании заготовки
выполняется соединение листов шпона на
ус, но часть листов могут быть соединены
внахлёст.
Для обеспечения возможности укладки
листов шпона вышеуказанным способом
их необходимо подготовить на операции
усования и калибрования шпона. Для этого используется линия усования и калибрования шпона от фирмы СТС (США).
На линии происходит повторная проверка
влажности шпона. Шпон, отбракованный
по влажности, может быть использован
повторно после выдержки или досушки.
Также отбраковываются листы шпона с
недопустимыми отклонениями размеров.
Если лист шпона соответствует предъявляемым требованиям, то он подаётся на
конвейер выравнивания положения листа.
Выравнивающий конвейер работает непрерывно и перемещает листы шпона к узлу
калибрования и усования. Калибровочные
головки усовочного станка выравнивают
концы листа шпона, обрезая его до требуемой длины. Затем усовочные головки
скашивают оба конца листа шпона на «ус»
с противоположных сторон листа. Длина
скоса или угол нарезания «уса» регулируется. Длина «уса» составляет 20-25 мм.
На линии усования также производится
подготовка листов шпона для соединения
внахлёст. Перед обработкой калиброван8
ного шпона усорезные головки усовочного
станка перемещаются в сторону.
Собираются пакеты на автоматизированной линии СТС для бруса I и II типов по
разным схемам. Толщина бруса находится
в диапазоне от 19 до 106 мм. При сборке пакетов (брус I типа) все слои шпона имеют
параллельное направление волокон. Пакеты собираются из усованного шпона, за
исключением центрального, который набирается из ребросклеенного (калиброванного) шпона; при большой толщине плиты в пакете может находиться несколько
слоёв ребросклеенного (калиброванного)
шпона. При сборке пакетов (брус II типа)
слои шпона с параллельным направлением
волокон чередуются в заданной последовательности со слоями шпона с поперечным
расположением волокон. Такая продукция
больше напоминает фанерную плиту. Поперечные слои набираются из ребросклеенного поперечного шпона. Для снижения
покоробленности бруса слои, симметрично
расположенные относительно центральной
оси пакета, должны иметь одну плотность,
одно направление волокон, одинаковое
расположение лицевой и оборотной сторон
листов шпона. Шпон для лицевого слоя устанавливается в отдельный карман.
При производстве LVL используется фенолформальдегидный клей, имеющий повышенную водостойкость и низкий класс
эмиссии. Клей наносится методом налива,
устройство для его нанесения представляет
Рис.5. Линия ребросклеивания шпона
собой щелевую завесу, расположенную поперёк линии, в оба конца которой насосами
закачивается клей. Количество наносимого
клея регулируется или изменением скорости конвейера и числа оборотов на насосе,
или вручную (размером щели). Покрытые
клеем листы шпона передаются конвейером к узлу формирования пакетов.
Линия формирования пакетов имеет два
уровня. На каждом уровне есть внешние
и внутренние группы вилок. Когда внутренние вилки загружают шпон, внешние
укладывают лист на конвейер. После набора пакета конвейер сдвигается и направляет пакет на транспортирующую тележку
(«шатл»), после чего процесс повторяется.
«Шатл» перемещает пакет на конвейер подачи его в пресс. Следующий пакет шпона
«шатл» укладывает на предыдущий так,
чтобы скошенные передние концы поступающих листов шпона совмещались со
скошенными концами предыдущих листов шпона, образуя прочное соединение.
Сборка осуществляется таким образом,
чтобы соединения на ус в соседних слоях
не располагались друг над другом. На наружные слои шпона, подаваемые из отдельного кармана, клей наносится только на
ус специальным устройством. Набираемый
непрерывный пакет подаётся на участок
предварительного подогрева, входящий в
участок горячего прессования.
Предварительный нагрев и горячее
склеивание осуществляются в прессе
Рис.4. Линия сортировки сухого шпона (влагомер, сканер дефектов)
Dieffenbacher (Германия). Участок предварительного нагрева представляет собой
микроволновую установку. Непрерывный
пакет шпона транспортируется по ленточному конвейеру через металлодетектор,
обеспечивающий предотвращение случайного попадания металла в микроволновую
установку. Плита движется между двумя
транспортировочными лентами, скорость
которых синхронизирована со скоростью
пресса. Во время и после предварительного нагрева пакет шпона выдерживается
под небольшим давлением, чтобы избежать
высыхания клея. В прессе непрерывного
действия пакет шпона уплотняется с постоянной скоростью в зонах, различающихся
по давлению и температуре, до момента достижения заданной толщины. Склеивание
в горячем прессе проводится по диаграмме
прессования.
Проведение предварительного микроволнового подогрева позволяет осуществлять
прессование при высокой температуре. В
первой секции пресса температура может
достигать 155-1650С – с постепенным снижением к концу процесса прессования до
120-1300С. Начальное давление при прессовании в зависимости от толщины прессуемой заготовки находится в диапазоне от
1,8 до 2,8 МПа. При выходе из пресса готовая плита проходит через детектор пузырей
и датчик толщины, поступает на участок
обрезки кромок, а затем распиливается
диагональной пилой на отрезки заданной
длины. Стопы плит размещаются на складе
для выдержки как минимум в течение 24 ч.
Распиловка, обработка и упаковка балок осуществляются на линии СТС. После
выдержки плиты распиливаются вдоль на
многопильном станке. Заготовки можно
раскраивать на стандартные или специальные размеры. Ширина балки определяется размером втулки собранного постава.
После распиливания оператор продольно-пильного станка визуально оценивает
уровень качества бруса. Кондиционный
брус направляется на участок упаковки.
При движении по конвейеру на пласть
бруса наносится маркировка, содержащая
фирменный знак предприятия и другую
специальную информацию. По желанию
заказчика на брусе могут быть выполнены
фаски и нанесён воск. Формирование пакета происходит автоматически – по мере
поступления брусьев от линии распиловки. Пакеты бруса распиливаются по длине,
торцуются, обёртываются в полимерную
плетёную плёнку и обвязываются металлической лентой. Упакованный пакет направляется на склад (рис. 6).
Используемая технология обеспечивает
возможность производства балок LVL, основные достоинства которых заключаются
в следующем: однородная структура, стабильные размеры, оптимальная прочность.
Конструкция балки позволяет получить однородный по сечению материал. Присутствие сучков не влияет на прочность LVL:
Рис.6. Склад готовой продукции
в отличие от пиломатериалов сучки расположены беспорядочно в толще заготовки,
состоящей из большого количества слоёв.
Естественные дефекты древесины: свилеватость, коробление, растрескивание –
обычны для пиломатериалов, но их нет в
LVL. Усушка и разбухание, связанные с изменением влажности окружающей среды,
в брусе LVL сведены к минимуму. Сортировка шпона по прочности позволяет оптимально использовать древесное сырьё
и получать высокопрочный конструкционный брус. Размерный ряд бруса широк.
При максимальных размерах балок, выпускаемых на заводе 1,25х20,5 м, можно получить любые меньшие по размерам изделия.
Заготовки можно раскраивать на стандартные или специальные размеры. Указанные
преимущества позволяют брусу составить
конкуренцию пиломатериалам, многослойному брусу, клеёному из пиломатериалов, и другим строительным материалам.
Технология производства, используемая на
заводе «Талион Терра», может обеспечить
годовой объём выпуска высококачественных балок LVL до 150 тыс. м3. Это позволит
удовлетворить значительную часть спроса
и на российском рынке.
9
ПРОИЗВОДСТВО
Контроль
прочности материала
Ultralam
при его производстве
Ю.В.Залюбовская, Т.В.Токарева – завод «Талион Терра»,
Д.С.Солоницын – ЦНИИСК имени В.А.Кучеренко
На заводе «Талион Терра» в г. Торжке
при изготовлении материала Ultralam проводится контроль качества готовой продукции, по результатам которого принимается
решение о её пригодности к дальнейшему
использованию. Основной показатель, характеризующий качество материала, – его
предел прочности, значение которого определяют путём проведения соответствующих испытаний образцов до момента их
разрушения. В ходе контроля определяются значения всех основных показателей
прочности материала: пределов прочности
при изгибе вдоль волокон древесины слоёв
по пласти и по кромке, предела прочности
при растяжении вдоль волокон, пределов
прочности при сжатии вдоль волокон и поперёк волокон слоёв древесины. Определяются также значения плотности, влажности
и показателя выделения формальдегида.
Достаточно полная информация о качестве выпускаемой продукции может быть
получена при анализе результатов проводившихся в течение длительного времени
на заводе «Талион Терра» большого количества испытаний по определению величин
пределов прочности при основных видах
напряжённого состояния. В данной статье
анализируются результаты проведения в
2009 г. контрольных заводских испытаний
материала Ultralam двух типов: R и X.
Следует отметить: основная цель проведения как заводских контрольных испытаний, так и дополнительных исследований –
выявление недостаточно качественной
продукции (продукции, значения показате10
лей прочности которой меньше норм этих
показателей). При неудовлетворительных
результатах испытаний незамедлительно
принимались меры по исправлению положения, т.е. выявлялись и устранялись причины отмеченного, приостанавливалась
отгрузка продукции. Словом, обеспечивалась «обратная» связь.
Образцы для проведения физикомеханических испытаний отбираются по
EN 326-1:1993. Для проведения испытаний
готовой продукции из партии отбирают 1%
бруса, но не менее 1 шт. суточной выработки, а также при изменении толщины плиты
или величин технологических параметров
режима прессования. Значения основных
показателей прочности материала определяются по EN 408:2003. Испытуемые образцы представлены в статье Д.С.Солоницына
и А.Н.Пьянова. Влажность образцов находилась в диапазоне 8-10%.
При определении значений предела прочности образцов при изгибе вдоль волокон
древесины слоёв по пласти и по кромке
контрольный образец устанавливают симметрично в изгибающем устройстве на двух
опорах – с пролётом, равным 18-кратной
высоте (испытания по кромке) или 30кратной толщине (испытания по пласти)
образца (рис. 1). Нагрузка на образец прикладывается поступательным движением
так, чтобы её максимальная величина достигалась за 300±120 с. Нагрузка увеличивается с постоянной скоростью движения
нагружающего устройства, не превышающей 0,003h мм/с (h – высота образца).
Результаты испытаний обрабатываются в
соответствии со специализированной программой.
При проведении испытаний по определению значения предела прочности при
растяжении вдоль волокон древесины
слоёв контрольный образец устанавливают
между зажимами разрывной машины, что с
максимальной эффективностью обеспечивает растяжение без изгиба (рис. 2). Длина
участка образца между захватами испытательной машины должна быть не менее
1000 мм. Нагружение происходит равномерно до разрушения образца.
Для определения значений предела прочности при сжатии вдоль и поперёк волокон древесины слоёв, а также перпендикулярно плоскости слоёв шпона к образцу
прилагается осевая нагрузка – с помощью
сферически зафиксированных головок,
которые обеспечивают сжатие образца
без изгиба. После приложения начальной
нагрузки проверяют нагрузочные головки, для того чтобы предотвратить угловое
смещение (рис. 3). Нагрузка прилагается с
постоянной скоростью так, чтобы максимальная величина нагрузки достигалась за
300±120 с.
В нормативном документе – Стандарте организации (СТО), который совместно разработан ЦНИИСКом имени
В.А.Кучеренко и ООО «СТОД», – установлены нормы показателей прочности, которыми надо руководствоваться при проведении контрольных заводских испытаний
материала на производстве.
Рис.1. Испытание бруса Ultralam на изгиб
Рис.2. Испытание бруса Ultralam на растяжение
Рис.3. Испытание бруса Ultralam на сжатие
11
ПРОИЗВОДСТВО
Рис. 4. Величины частоты значений предела прочности
материала Ultralam при изгибе по пласти
Рис. 5. Величины частоты значений предела прочности
материала Ultralam при изгибе по кромке
Рис. 6. Величины частоты значений предела прочности материала Ultralam
при растяжении вдоль волокон древесины слоёв
12
Остановимся вначале на результатах
проведения наиболее массовых испытаний – испытаний на изгиб с нагружением
по пласти и кромке. Они представлены на
рис. 4, 5.
Анализ результатов испытаний на изгиб
по пласти показал: при объёме совокупности, равном 1242 результатам, значения
показателей прочности материала Ultralam
R преимущественно находятся в диапазоне
от 48 до 80 МПа; при объёме совокупности, равном 199 результатам, значения показателей прочности материала Ultralam X
преимущественно находятся в диапазоне
от 38 до 66 МПа. Все указанные значения
соответствуют нормативным показателям
прочности.
Примерно аналогичную картину показывает анализ результатов испытаний по определению значения предела прочности при
изгибе по кромке: при объёме совокупности, равном 1202 результатам, значения показателей прочности материала Ultralam R
находятся преимущественно в диапазоне
от 48 до 60 МПа; в 198 результатах чаще всего (20%) встречается значение показателя
прочности материала Ultralam X, составляющее 44 МПа, а остальные значения показателя прочности находятся в диапазоне от
34 до 60 МПа.
Анализ результатов испытаний при растяжении вдоль волокон древесины слоёв
показывает: при объёме совокупности,
равном 942 результатам, больше половины
общего числа результатов составляют показатели прочности материала Ultralam R,
имеющие значения 38, 40, 42 и 44 МПа;
при объёме совокупности, равном 198 результатам, значения показателя прочности
материала Ultralam X (на 80%) находятся в
диапазоне от 28 до 42 МПа (рис. 6).
Анализ результатов испытаний по определению значения предела прочности при
сжатии вдоль волокон древесины слоёв показывает: при объёме совокупности, равном 430 результатам, значения показателя
прочности материала Ultralam R находятся
в диапазоне от 36 до 64 МПа, причём половина результатов имеет значения показателей прочности, равные 48, 50 и 54 МПа;
при объёме совокупности, равном 81 результату, значения показателя прочности
материала Ultralam X (на 75%) находятся в
диапазоне от 38 до 46 МПа (рис. 7).
Примерно аналогичная картина наблюдается при анализе результатов испытаний
по определению значения предела прочности при сжатии перпендикулярно плоскости
слоёв шпона: при объёме совокупности,
равном 434 результатам, значения показателя прочности материала Ultralam R,
равные 3,0; 3,5 и 4,0 МПа, составляют более
3/4 всех результатов испытаний. Из 84 результатов контрольных испытаний материала Ultralam X 75% показателей прочности
имеют значения 4,0; 4,5 и 5,0 МПа (рис. 8).
ВЫВОД
Рис. 7. Величины частоты значений предела прочности материала Ultralam
при сжатии вдоль волокон древесины слоёв
Рис. 8. Величины частоты значений предела прочности материала Ultralam
при сжатии перпендикулярно плоскости слоёв шпона
Значения показателей прочности материала Ultralam R и материала Ultralam X при
различных видах напряжённого состояния
на протяжении длительного (1 год) периода проведения контрольных заводских
испытаний не меньше норм соответствующих показателей прочности материала,
установленных в нормативном документе
(СТО), и даже в целом (по совокупности)
значительно превышают эти нормы.
Список
литературы
1. EN 14374:2004.
Timber structures – Structural laminated
veneer lumber – Requirements. Деревянные
конструкции. Строительный брус клеёный
из шпона. Требования.
2. EN 326-1:1994.
Wood-base panels – Sampling, cutting and
inspection – Part 1: Sampling and cutting
of test pieces and expression of test results.
Плиты древесные. Отбор образцов для
испытаний, раскрой и контроль. Ч. 1.
Отбор и раскрой образцов для испытаний
и оценка результатов.
3. EN 408:2003.
Timber structures – Structural timber and
glued laminated timber – Determination of
some physical and mechanical properties.
Конструкции деревянные. Лесоматериалы
строительные и слоистые клеёные. Определение некоторых физических и механических свойств.
13
НОРМИРОВАНИЕ ТРЕБОВАНИЙ
Нормирование
требований
к многослойному клеёному
из однонаправленного
шпона материалу
и конструкциям
на его основе
Л.М. Ковальчук,
засл. деятель науки РФ, д-р техн. наук – ЦНИИСК имени В.А. Кучеренко
До последнего времени в нашей стране отсутствовали специальные нормативные документы, в которых были бы сформулированы
специфичные требования к клеёному материалу типа LVL. Поэтому обычно пользовались основными положениями зарубежных норм [1, 2].
Первым документом, в котором содержались
требования к качеству материала при его изготовлении, были технические условия (ТУ) [3],
разработанные ЦНИИСКом совместно с заводом в г. Нягань.
После начала серийного выпуска многослойного материала на заводе «Талион Терра» применительно к осуществляемой там технологии
изготовления были разработаны соответствующие ТУ [4, 5].
В указанных технических условиях приведены
сортамент продукции, требования к материалам,
физико-механические характеристики, методы
испытаний, правила приёмки, хранения и транспортирования и т.п.
Для определения степени соответствия
уровня качества выпускаемой продукции
требованиям указанных ТУ ЦНИИСК имени В.А. Кучеренко провёл сертификационные испытания на предприятиях в Нягани и
Торжке.
Так как LVL относится к классу древесных материалов, общие положения по его
применению в строительных конструкциях
частично содержатся в нормативных документах по проектированию деревянных
конструкций [6]. Поскольку специальные
14
нормативные документы, в которых учитывалась бы специфика применения рассматриваемого материала, отсутствовали, то
ЦНИИСК им. Кучеренкои ООО «СТОД»
разработали новый нормативный документ –
Стандарт организации (СТО).
Цели и задачи разработки, а также порядок
выполнения требований стандартов организаций установлены Федеральным законом от 27.
12. 2002 г. № 184-ФЗ «О техническом регулировании»,аправилаихразработки–ГОСТР1.4–2004
«Стандартизация в Российской Федерации.
Стандарты организаций. Общие положения».
Ниже изложены основные положения упомянутого СТО, а также соображения автора статьи о дальнейшем совершенствовании последнего. Не исключено, что некоторые изменения
будут внесены даже в первый период действия
этого документа.
ПРИМЕНЕНИЕ МАТЕРИАЛА
Положения стандарта распространяются на
применяемый в несущих и ограждающих строительных конструкциях многослойный клеёный
материал из лущёного, преимущественно однонаправленного вдоль волокон древесины, шпона хвойных пород (далее Ultralam). Стандарт
является основополагающим нормативным
документом, подлежащим соблюдению при
проектировании, изготовлении, применении
конструкций на основе Ultralam, оформлении
заказов и договоров на их поставку и продажу.
Решение о применении стандарта и его обязательном соблюдении принимается самостоятельно организацией путём оформления соответствующего приказа её руководства.
Конструкции с использованием материала
Ultralam могут применяться в жилищном, общественном, промышленном и других отраслях строительства в качестве самостоятельных
несущих конструкций (балок, прогонов и т.п.),
элементов более сложных конструкций (поясов
и решёток ферм, каркасов панелей и т.п.) или
частей ограждающих конструкций.
Стандарт может быть применён для целей сертификации. Положения стандарта распространяются на использование Ultralam в Российской
Федерации. Вместе с тем изложенные в стандарте требования также гармонизированы с требованиями европейского стандарта EN 14374:2004
и американского стандарта ASTM 5456-06, что
облегчает поставку продукции в другие страны.
Однако это не исключает необходимости полного выполнения требований соответствующих
зарубежных стандартов при экспорте материала.
КЛАССИФИКАЦИЯ
Ultralam изготовляют нескольких типов в
зависимости от направления волокон и сорта
слоёв шпона (табл. 1), оговорённых в соответствующих технических условиях.
Наиболее перспективно применение
материала Ultralam R. По физико-механическим показателям он значительно лучше
цельной и клеёной древесины.
ТАБЛИЦА 1
Тип
материала
Ultralam Rs
Характеристика
Область применения
Все слои шпона
имеют параллельное
Преимущественно в
направление волокон,
наиболее ответственных
для изготовления
несущих конструкциях
используется шпон
высших сортов
Все слои шпона
Ultralam R имеют параллельное
Преимущественно в
несущих конструкциях
Отдельные слои
имеют
Ultralam X шпона
перпендикулярное
направление волокон
В несущих и
ограждающих
конструкциях
направление волокон
менение аналогичных фенолоформальдегидных смол зарубежного или российского
производства, обеспечивающих выделение
из Ultralam вредных веществ, допускаемых
для класса эмиссии Е1. Влажность Ultralam
находится в пределах 8-12%.
Величина
показателя
шероховатости поверхности брусьев и плит Ultralam R
по ГОСТ 7016-82 должна быть не более
320 мкм или соответствовать уровню
качества обработки поверхности эталонного
образца.
Брусья и плиты Ultralam должны быть обрезаны под прямым углом. Рез должен быть
ровным и чистым. Величина косины не
должна превышать 2 мм на 1 м длины (высоты) кромки. В плитах Ultralam не допускается
продольная и поперечная покоробленность.
Отклонение от прямолинейности кромок
брусьев и плит не должно превышать 1,5 мм
на 1 м длины (высоты) кромки.
Физико-механические свойства материала должны соответствовать требованиям,
указанным в табл. 3.
ТАБЛИЦА 2
Толщина,
мм
27
30
33
39
45
51
63
75
100
200
+
+
+
+
+
+
+
+
+
Ширина (высота), мм
225 260 300 360 450 500 600 700 800 900 1000 1200 1250
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
Примечание. Длина серийно изготовляемых стандартных элементов – от 2500 до 20500 мм с градацией 500 мм.
Допускается изготовление элементов с другой градацией по заказам потребителей.
СОРТАМЕНТ
Ultralam изготовляют в виде плит
и брусьев длиной от 2500 до 20500 мм
с градацией 500 мм, шириной от 40 до 1250 мм,
высотой (толщиной) от 19 до 106 мм. Предельные отклонения по длине составляют
±5 мм, по ширине ± 2 мм. Отклонения по
толщине: от + (0,8+0,03δ) до – (0,4+0,03
δ), где δ – толщина плиты или бруса. В
пределах указанных размеров продукция
отпускается по индивидуальным заказам.
Сейчас наиболее часто заказывают
следующие размеры (мм): толщина – 30,
39, 63; ширина – 40, 60, 120, 200; длина –
1100, 2020, 3000, 4100, 4200, 5100, 6000,
12000.
Не отрицая в принципе целесообразности производства продукции по отдельным
заказам, что характерно при индивидуальном проектировании и строительстве, всё
же перспективно изготовление конструкций на основе серийно изготовляемых элементов – брусьев и плит. Поэтому в проекте СТО приведён сортамент стандартных
элементов из материала Ultralam (табл. 2).
ТРЕБОВАНИЯ К КАЧЕСТВУ
Для изготовления шпона используют круглые лесоматериалы хвойных пород (сосны,
ели, лиственницы) I - III сортов по ГОСТ
9463-88. Для склеивания шпона используется жидкий фенолоформальдегидный клей
Hexion PF179 или PF180. Возможно при-
УЧЁТ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛА ПРИ
ПРОЕКТИРОВАНИИ КОНСТРУКЦИЙ
Как отмечалось, при проектировании
и применении конструкций с использованием Ultralam следует максимально выполнять общие для деревянных
конструкций требования [6]. Особенно
это относится к расчёту конструкций.
В рассматриваемом проекте СТО содержатся дополнительные или изменённые требования. Учитывая особенность Ultralam,
в СТО приведены классы эксплуатации
конструкций в зависимости от допускаемой
температуры и влажности окружающего
воздуха. Они определяют важный показатель – влажность материала, которая, как
отмечалось, должна быть 8-12%.
15
НОРМИРОВАНИЕ ТРЕБОВАНИЙ
ТАБЛИЦА 3
Предел прочности, МПа,
не менее
Значение показателя для
материала типа
s
R
R
X
При сжатии вдоль волокон
древесины слоёв
39
36
30
При сжатии поперёк волокон
древесины слоёв
7
5
10
При сжатии перпендикулярно
плоскости слоёв шпона
3
3
4
При изгибе вдоль волокон
древесины слоёв по кромке
41
41
30
При изгибе вдоль волокон
древесины слоёв по пласти
54
42
37
При растяжении вдоль
волокон древесины слоёв
41
34
27
Примечание. Все испытания проводятся по методике EN 14374:2004.
Класс эксплуатации 1 характеризуется тем,
что средняя влажность материала при температуре окружающего воздуха 20°С и относительной влажности последнего, превышающей 65% в течение только нескольких недель
в году, должна быть в пределах 8–12%.
Класс эксплуатации 2 характеризуется
тем, что средняя влажность материала при
температуре окружающего воздуха 20°С
и относительной влажности последнего,
превышающей 85% в течение только нескольких недель в году, не должна превышать 20%.
Класс эксплуатации 3 характеризуется
климатическими условиями, в которых
влажность материала выше влажности во
2-м классе эксплуатации.
Указываются возможность применения
конструкций без каких-либо защитных мер
при 1-м классе эксплуатации и необходимость защиты при 2-м и 3-м классах.
В проекте СТО приведены рекомендуемые расчётные характеристики материала
Ultralam, что особенно важно при проектировании конструкций. Из табл. 4 видно,
что этот материал обладает более высокой
прочностью, чем древесина.
Вполне понятно, что указанные в документе величины показателей в дальнейшем будут уточняться по мере совершенствования
процесса изготовления и методики форми-
ТАБЛИЦА 4
Древесина (цельная,
клеёная)
Вид напряжённого
состояния
Изгиб вдоль волокон:
при нагружении кромки
при нагружении пласти
Изгиб поперёк волокон
Фанера
Ultralam R
ФСФ из
ФСФ из
ФСБ
березы
лиственницы толщиной
толщиной
толщиной
7 мм и
8 мм и
8 мм и более
более
более
1-й
сорт
2-й
сорт
3-й
сорт
15
14
10
16
18
33
Rs
R
Х
I
27
35,5
26,5
27,5
19,5
24
23,5
22,5
-
-
-
6,5
11
25
-
-
-
-
Сжатие вдоль волокон
15
14
10
12
17
28
25,5
23,5
19,5
22
Сжатие поперёк волокон
1,8
1,8
1,8
8,5
13
23
4,3
3,5
6,8
3,8
Сжатие перпендикулярно
плоскости слоёв
-
-
-
4
-
8
1,9
1,7
1,9
1,7
12
9
-
14
9
32
26,5
22,5
17,5
16,5
0,35
0,3
0,25
9
7,5
24
-
0,7
-
-
2,1
2,1
2,1
0,8
0,6
1,8
-
2,6
2,6
-
1
0,7
0,6
0,8
0,5
1,8
-
1,1
1,1
-
9 000
7 000
12 000
~15 600
~14 000
Растяжение вдоль
волокон
Растяжение поперёк
волокон
Скалывание вдоль
волокон по клеевому шву
Скалывание поперёк
волокон по клеевому шву
Модуль упругости вдоль
волокон
10 000
~10 800 ~12 700
Примечания: 1. Все значения показателей древесины и фанеры взяты из СТО 36554501-002-2006.
2. Значения расчётных сопротивлений и модулей упругости даны в МПа.
16
ОСОБЕННОСТИ ПОВЕДЕНИЯ
ULTRALAM ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ
КОНСТРУКЦИЙ НА ЕГО ОСНОВЕ
рования самих характеристик. В равной степени это относится и к указанным в проекте
величинам модуля упругости, которые находятся в диапазоне 10800 МПа (для Ultralam
типа Х) до 15600 (для Ultralam типа RS),
расчётные характеристики приведены в
статье Солоницына Д.С., Пьянова А.Н.
ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ ПОВРЕЖДЕНИЯ
ULTRALAM И КОНСТРУКЦИЙ С ЕГО
ПРИМЕНЕНИЕМ ПРИ ХРАНЕНИИ И
МОНТАЖЕ
При изготовлении уровень качества материала обеспечивается и контролируется
на предприятии-изготовителе согласно требованиям Технологического регламента и
Технических условий. Поэтому важно обеспечить его сохранность на последующих стадиях применения. Эти сведения содержатся
в соответствующих разделах СТО.
Поставляемые предприятием брусья или
плиты Ultralam должны иметь чёткую маркировку, содержащую:
- наименование страны и предприятияизготовителя;
- условное обозначение продукции;
- количество брусьев / плит в пакете;
- размеры брусьев / плит;
- обозначение национального знака
соответствия для сертифицированной
продукции по ГОСТ Р 50460-92;
- знак СЭ маркировки для продукции,
сертифицированной по европейскому
стандарту.
Примечание. По согласованию с потребителем допускается:
- наносить маркировку через брус / плиту;
- ставить штамп на любой стороне бруса /
плиты.
Пакет брусьев / плит упаковывают пятислойной полиэтиленовой плёнкой со слоем
крафт-бумаги. По согласованию с потребителем брусья / плиты могут быть упакова-
ны другими упаковочными материалами,
обеспечивающими их защиту от попадания
влаги. При герметичной упаковке нижняя
поверхность защитного покрытия должна
иметь перфорацию для отвода конденсата
и попавшей воды при нарушении целости
покрытия.
Во время хранения и монтажа конструкций должна быть исключена возможность
действия на них атмосферных осадков и
прямого воздействия на них солнечных
лучей. Складирование и хранение конструкций и их элементов на строительной
площадке должно осуществляться на специально отведённом участке с обеспечением
отвода грунтовых, талых и ливневых вод.
При складировании на строительной
площадке конструкции должны быть освобождены снизу от упаковочной плёнки для
обеспечения их проветривания.
Монтаж конструкций необходимо осуществлять только при наличии проекта производства работ и выполнении его требований, в том числе:
- продолжительность монтажа, в течение
которого конструкции могут подвергаться
увлажнению, не должна превышать 3-5
дней;
- при наличии защитного плёночного покрытия продолжительность монтажа может
быть увеличена до 15-20 дней.
Продолжительность между установкой
конструкций в проектное положение и устройством кровли должна быть минимальной.
На заводе-изготовителе на видимой поверхности каждого элемента или упаковки
должно быть прикреплено предупреждение: «Предохранять от атмосферных осадков, солнечных лучей, механических повреждений и загрязнения».
ЦНИИСК и «Элст-Строй» совместно с
производителями материала проводят обширные исследования по изучению поведения материала при различных эксплуатационных воздействиях.
Как и все материалы на основе древесины, Ultralam восприимчив к увлажнению.
Поэтому рассматривались различные виды
воздействия влаги на материал. При равномерном по сечению увлажнении конструкций из Ultralam наблюдается значительное
уменьшение прочности, но при последующем высушивании до исходного состояния
она практически восстанавливается. Более
опасно неравномерное увлажнение, которое чаще всего происходит со стороны торцов элементов конструкции. При цикличном действии увлажнение-высушивание
наблюдается расслоение материала.
Исследования, подробные результаты
которых будут в дальнейшем опубликованы, позволили уже сейчас сделать выводы,
нашедшие отражение в СТО:
- конструкции из Ultralam в нормальных
температурно-влажностных условиях,
характерных для первого класса эксплуатации, могут применяться без каких-либо
ограничений;
- в условиях эксплуатации, характерных для
второго и третьего классов, необходимо
защищать материал от увлажнения. Способы защиты указываются в СТО.
В СТО рассматриваются как конструкционные, так и химические меры защиты.
Отмечается, что конструкционные меры,
обеспечивающие просыхание элементов из
Ultralam и их защиту от увлажнения, обязательны – независимо от срока службы здания или сооружения, а также от того, проводится химическая защита древесины или
нет. В тех случаях, когда Ultralam имеет повышенную начальную влажность и быстрое
просыхание элементов из него затруднено,
а также в случаях, когда конструкционными мерами нельзя устранить постоянное
или периодическое увлажнение, в СТО
рекомендуются соответствующие химические меры защиты.
Конструкции, эксплуатируемые на открытом воздухе, должны иметь сплошное
массивное сечение. Их следует проектировать с зазорами между элементами вне зон
соединений, которые способствуют более
быстрому просыханию конструкций в процессе их эксплуатации.
В СТО указано, что в открытых сооружениях необходимо использовать средства,
17
НОРМИРОВАНИЕ ТРЕБОВАНИЙ
предохраняющие элементы конструкций
из Ultralam от прямого попадания на них
атмосферной влаги. Последние должны
быть открытыми, хорошо проветриваемыми, по возможности доступными во всех
частях для осмотра, а также для проведения
профилактического ремонта, включающего работы по химической защите элементов
конструкций и её возобновляемости.
В ограждающих конструкциях отапливаемых зданий и сооружений должна быть
исключена возможность накопления влаги
в процессе их эксплуатации. В панелях стен
и плитах покрытий следует предусматривать
вентиляционные продухи, сообщающиеся
с наружным воздухом, а в случаях, предусмотренных теплотехническим расчётом,
использовать пароизоляционный слой.
В СТО указано, что выбор химических
средств и методов защиты конструкций
из Ultralam в первую очередь зависит от
предполагаемых условий эксплуатации,
назначения и степени ответственности.
В документе в качестве справочных сведений приведены схемы защитной обработки
конструкций из Ultralam в зависимости от
их назначения.
ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПОЖАРНОЙ
БЕЗОПАСНОСТИ
Область применения строительных конструкций, а следовательно, объём применения
в значительной степени определяются их пожарно-техническими свойствами. Чем более
пожароопасны материал или конструкция,
тем уже область их применения.
Это ограничение вытекает из противопожарных требований Технического регламента о требованиях пожарной безопасности
(Федеральный закон от 22 июля 2008 г.
N 123-ФЗ) (далее по тексту – ТР), действующих противопожарных норм строительного
проектирования.
Анализ результатов соответствующих
испытаний показал: Ultralam относится к горючим, умеренно воспламеняемым
материалам. Поэтому согласно СНиП
21-01-97* конструкции из Ultralam могут
применяться без каких-либо ограничений
только в зданиях V степени огнестойкости и класса пожарной опасности С3, т.е.
в одно- и двухэтажных зданиях с площадью
этажа не более 1200 м2.
Следует подчеркнуть, что вышеуказанное
относится к подавляющей части конструкций
деревянного малоэтажного домостроения.
Пределы огнестойкости и классы пожарной опасности строительных конструкций
на основе Ultralam устанавливаются по результатам стандартных огневых испытаний.
Без их проведения может быть проведена
18
оценка пределов огнестойкости конструкций расчётно-аналитическим методом –
по итогам анализа результатов испытаний
конструкций, подобных той, предел огнестойкости которой требуется установить.
Указанное выше относится к случаям применения конструкций на основе Ultralam
в зданиях и сооружениях спортивнозрелищного и т.п. назначения с пребыванием в них большого количества людей.
В таких случаях требуется осуществлять не
только конструкционные меры огнезащиты, но и нанесение на поверхность конструкций огнезащитных покрытий (соответствующие рекомендации содержатся в
стандарте).
В заключение следует ещё раз подчеркнуть, что изложенные выше положения
относятся к создаваемому впервые в нашей
стране нормативному документу на многослойный древесный материал Ultralam.
Поэтому по мере реализации его положений не исключена возможность внесения
в текст при переиздании документа необходимых уточнений и дополнений. Авторы
документа будут благодарны за замечания и
предложения по совершенствованию упомянутого СТО, которые просьба направлять
по адресу: lmk3@rambler.ru.
Список
литературы
1. BS EN 14374:2004.
Timber structures. Structural laminated
veneer lumber. Requirements. Деревянные
конструкции. Строительный брус
клеёный из шпона. Требования.
2. ASTM D 5456-06.
Стандартная спецификация для оценки
композиционного материала
конструкционного назначения.
3. ТУ 5366-022-55437273-2003.
Брус клеёный из шпона.
4. ТУ 5366-052-691009120-2008.
Брус клеёный из шпона производства
ООО «МЛТ».
5. ТУ 5512-053-691009120-2008.
Плита клеёная из шпона производства
ООО «МЛТ».
6. СТО 36554501-002-2006.
Деревянные клеёные и цельнодеревянные
конструкции. Методы проектирования
и расчёта.
7. Ковальчук Л.М.
Строительные деревянные конструкции
на основе серийно изготовляемых стандартных элементов // Деревообрабатывающая пром-сть. – 2009. – № 4.
НОРМИРОВАНИЕ ТРЕБОВАНИЙ
Нормирование
расчётных сопротивлений
многослойного клеёного
из шпона материала
Ultralam
Д.С. Солоницын, А.Н. Пьянов –
ЦНИИСК имени В.А. Кучеренко
Пути дальнейшего совершенствования
деревянных конструкций прямо связаны
с разработкой и внедрением новых технологий производства изделий на основе
древесины, а также с рациональным использованием современных материалов в
строительстве. Многослойный клеёный из
шпона материал торговой марки Ultralam –
один из таких материалов. С каждым годом
потребление такого материала по всему
миру растёт не только в области строительства, но и в производстве мебели, лестниц,
оконных и дверных блоков, сборных панелей для каркасных домов и др.
В России его применение ограничивается
наиболее простыми конструкциями, причём часто проектирование ведётся с 4-кратным запасом, что увеличивает стоимость
строительства. Широкий ряд достоинств
позволяет говорить о применении такого
материала в более важных, ответственных
конструкциях (рамах, балках, фермах) с использованием унифицированных элементов. Одна из существенных причин малого
использования многослойного клеёного
из шпона материала в несущих конструкциях зданий и сооружений – недостаточная изученность его физико-механических свойств. Данная работа выполнялась
с целью введения основных прочностных
характеристик материала Ultralam в нормативные документы.
Основные нормируемые показатели прочности конструкционных строительных материалов на основе древесины – нормативное и расчётное сопротивления (Rн; R) [2],
которые определяются по результатам про20
ведения стандартных испытаний при основных видах напряжённого состояния с учётом
статистической изменчивости показателей
прочности и разной степени обеспеченности
(доверительной вероятности).
Для определения расчётных показателей прочности древесных материалов [1]
известны два подхода. Первый был впервые
изложен в 1955 г. в нормах расчёта деревянных конструкций и основан на использовании в качестве исходных характеристик
прочности показателей временного сопротивления Rвр малых чистых образцов. Второй способ определения был использован
при подготовке главы СНиП II-25-80 [2].
Он состоит в том, что за исходные характеристики прочности принимаются показатели временного сопротивления Rвр,
полученные по результатам проведения испытаний образцов, вырезанных из заготовок с натуральными размерами сечения и с
присущими данному материалу пороками,
оказывающими влияние на механические
показатели конструкционной древесины.
При нормировании расчётных показателей многослойного материала Ultralam
с учётом особенностей, присущих этому
специфичному материалу (в частности,
особенностей, исключающих понятие «чистого» материала), наиболее приемлемым
считается второй подход. В качестве исходных данных для формирования показателей прочности материала использовали результаты проведённых испытаний образцов
из Ultralam различных типов (RS, R, X, I)
на заводе «Талион Терра» (г. Торжок) (табл. 1).
Временные сопротивления образцов опре-
деляли для основных видов напряжённого
состояния: растяжения, сжатия, изгиба, скалывания. Размеры образцов для соответствующих испытаний показаны на рисунке.
Испытания проводили на машинах системы «Zwick Roell» со скоростью нагружения 0,6±0,3 мм/мин. Центрирование
образцов при действии растягивающей
нагрузки обеспечивалось конструкцией захватов разрывной машины, при действии
сжимающей нагрузки – приспособлением
с опорой. Испытания на изгиб при определении предела прочности проводили с приложением нагрузки в третях пролёта.
Результаты кратковременных испытаний
обрабатывали методом математической
статистики [3], включающим получение
основных статистических показателей:
среднего арифметического M, квадратичного отклонения σ, вариационного
коэффициента V, средней ошибки m, показателя точности P. За кратковременные
пределы прочности для каждой группы образцов принимали среднее арифметическое результатов испытаний. Поскольку испытания проводили на образцах различной
влажности (5-10%), то полученные результаты согласно требованиям [2, 4, 5, 6] были
приведены к влажности 12%. Величину
предела прочности вычисляли по формуле
где sw – предел прочности при влажности W,
МПа; a – коэффициент, равный: 0,04 – при сжатии и изгибе; 0,01 – при растяжении;
0,03 – при срезе и скалывании;
W – влажность образца, %.
ТАБЛИЦА 1
Огнезащитные составы
Биозащитные и защитнодекоративные составы
Адгезия, МПа
—
1,1
Сколтекс-ПР
1,4
Belinka toplasur
1,1
Belinka exteriеr
1,9
Pinotex Doors & Windows
1,3
—
1,1
Сколтекс-ПР
1,4
Belinka toplasur
0,9
Belinka exteriеr
0,8
Pinotex Doors & Windows
0,9
—
1,2
Belinka toplasur
0,8
Belinka exteriеr
1,5
Феникс ДП
Феникс ДБ
Латик
Экспериментально определённые величины временного сопротивления, нормативного сопротивления и коэффициента
изменчивости приведены в табл. 2.
Отправной
показатель
прочности
конструкционных
материалов,
регламентирующий контролируемые уровни
минимальноговременногосопротивления,–
нормативное сопротивление Rн.
Величины нормативного сопротивления
исследуемого материала определяли по величинам временного сопротивления Rвр по
формуле
где Rвр – временное сопротивление при
влажности 12%; h– множитель, зависящий от
принятого уровня обеспеченности (доверительной вероятности) – для нормального распределения и обеспеченности по минимуму Р = 0,95
h= 1,65; CV – коэффициент изменчивости, принятый по результатам испытаний.
С учётом полученных результатов (табл. 2)
и введением коэффициента K, учитывающего изменение прочности древесного материала при переходе от кратковременных
стандартных испытаний к режиму нагружения в условиях эксплуатации, расчётное
сопротивление R определяли по формуле
ТАБЛИЦА 2
Скалывание
Изгиб
Растяжение
Сжатие
Временные и нормативные
сопротивления, МПа,
коэффициенты
изменчивости
Величина показателя материала Ultrаlam типа
R
Rs
X
I
Rвр
R
Сv
Rвр
R
Сv
Rвр
R
Сv
Rвр
R
Сv
вдоль волокон
древесины слоёв
56,6
38,9
0,09
50,5
35,8
0,12
41,5
30,1
0,09
48,4
33,4
0,12
поперек волокон
древесины слоёв
9,2
6,5
0,08
9,0
5,3
0,2
18,5
10,3
0,21
8,8
5,8
0,14
перпендикулярно
плоскости слоёв
шпона
4,1
2,8
0,08
4,0
2,6
0,15
4,3
2,9
0,13
4,2
2,6
0,17
вдоль волокон
древесины слоёв
49,3
40,8
0,08
44,4
34,1
0,13
39,9
26,5
0,19
40,4
25,5
0,21
поперек волокон
древесины слоёв
—
—
—
1,38
1,0
0,14
—
—
—
—
—
—
вдоль волокон
древесины слоёв по
кромке
64,3
41,4
0,11
54,4
40,7
0,09
45,7
29,6
0,15
49,8
36,0
0,09
вдоль волокон
древесины слоёв по
пласти
81,2
53,9
0,10
65,7
42,1
0,16
55,0
36,5
0,14
59,4
34,7
0,19
вдоль волокон слоёв
шпона
—
—
—
6,2
3,9
0,22
6,2
3,9
0,22
—
—
—
поперек волокон слоёв
шпона
—
—
—
2,5
1,7
0,19
2,5
1,7
0,19
—
—
—
н
H
H
H
21
КОНСТРУКЦИИ
ТАБЛИЦА 3
Скалывание
Изгиб
Растяжение
Сжатие
Расчётное сопротивление, МПа
Величина показателя материала Ultralam типа
Rs
R
X
I
вдоль волокон древесины
слоёв
25,5
23,5
19,5
22,0
поперёк волокон
древесины слоёв
4,3
3,5
6,8
3,8
перпендикулярно
плоскости слоёв шпона
1,9
1,7
1,9
1,7
вдоль волокон древесины
слоёв
26,5
22,5
17,5
16,5
-
0,7
-
-
вдоль волокон древесины
слоёв по кромке
27,0
26,5
19,5
23,5
вдоль волокон древесины
слоёв по пласти
35,5
27,5
24,0
22,5
вдоль волокон слоёв
шпона
-
2,6
2,6
-
поперёк волокон слоёв
шпона
-
1,1
1,1
-
поперёк волокон
древесины слоёв
где Rн – нормативное сопротивление при
влажности 12% (табл. 2); К – коэффициент
длительной прочности.
Известные трудности при назначении
расчётного сопротивления исследуемого
материала связаны с определением величины коэффициента длительной прочности
K. Следует учесть, что полученные расчётные сопротивления многослойного материала Ultralam соответствуют нормальному
режиму эксплуатации. Принимается, что
в этом случае величина коэффициента К
равна 0,66; для других режимов эксплуатации вводятся переходные коэффициенты
условий работы [5]. Полученные результаты свидетельствуют о том, что многослойный материал Ultralam прочнее сортовой
древесины и берёзовой фанеры. Это обеспечивает возможность применения данного материала в строительных конструкциях
с учётом его повышенной прочности.
Результаты проведённой работы представлены в табл. 3.
Список
литературы
1. Знаменский Е.М.
К нормированию расчётных сопротивлений конструкционной древесины: Сб.
науч. трудов «Исследование зависимости
прочности деревянных конструкций от
технологии изготовления». – М., 1982.
2. СНиП II-25-80
Деревянные конструкции.
3. Леонтьев Н.Л.
Техника статистических вычислений. –
М., 1966.
4. Пособие по проектированию деревянных конструкций к СНиП II-25-80. –
М., 1986.
5. СТО 36554501-002-2006.
Деревянные клеёные и цельнодеревянные
конструкции. Методы проектирования
и расчёта. – М., 2006.
Размеры образцов, принятые при проведении испытаний материала Ultralam на:
а – растяжение; б, в – сжатие; г – скалывание; д, е – изгиб;
d – толщина плит, используемых для изготовления образцов
22
6. Рекомендации по расчётным характеристикам древесных плит. – М.: ЦНИИСК
им. В.А. Кучеренко, 1982.
Деревянные
конструкции
из бруса LVL это выгодно!
С.Б.Бардашев,
генеральный директор ПКФ «Деревянные конструкции»
Рис. 1. Использование LVL в стропильных системах
Деревянные конструкции из бруса LVL
(laminated veneer lumber) выгодно отличаются от других строительных материалов:
они более экологичны, долговечны, имеют малую массу, быстромонтируемы, при
сборке используется меньше подъёмной
техники и не требуются сварочные работы
(рис. 1). LVL экономичен во всех отношениях. Кроме того, деревянные конструкции эстетичны и хорошо сочетаются с
большими витринами, окнами, витражами.
LVL отлично сохраняет форму, не деформируется от сырости, устойчив к агрессивным средам, обладает большим запасом
прочности и высокой несущей способностью при меньших размерах сечения. Имеющиеся технологии позволяют создавать
безопорные деревянные конструкции с
длиной пролёта до 120 м. Такие конструкции с успехом используются при строи-
Рис. 2. Реконструкция кровли сгоревшего корпуса Военно-медицинской академии
тельстве зимних садов, бассейнов, арочных
конструкций, логистических центров, сельскохозяйственных комплексов, складов,
при возведении купольных сооружений.
LVL также широко применяется в каркасном домостроении, он практически незаменим при реконструкции старых зданий
в условиях плотной застройки городского
центра, когда затруднено использование
тяжёлой строительной техники.
РЕКОНСТРУКЦИЯ СТАРЫХ ЗДАНИЙ
Использование LVL при реконструкции
старых зданий позволяет сохранять истинный облик и традиции строительства предыдущих столетий.
Покажем целесообразность использования LVL на двух примерах реконструкции
строительных объектов в Санкт-Петербурге
(рис. 2, 3).
Реконструкция кровли сгоревшего
корпуса Военно-медицинской академии
(ул. Лебедева, 4).
Почему использование LVL позволило
провести реконструкцию объекта без нарушения его архитектуры?
Конструкции из LVL при достаточном
запасе прочности не требуют усиленного
устройства фундамента и несущих конструкций, т. е. старый фундамент и несущие
стены здания полностью сохраняются.
Простота и малая масса конструкций из
LVL позволяют провести монтаж без применения тяжёлых машин и механизмов.
Материал великолепно поддаётся обработке любыми режущими инструментами.
В конструкциях из LVL отсутствуют «мостики холода» по пустотам и крепёжным элементам, а также исключены явления, связанные с появлением конденсата и гниением.
23
КОНСТРУКЦИИ
Рис. 3. Реконструкция мансарды жилого дома (ул. Социалистическая, 14)
Эксплуатационные затраты при использовании LVL отсутствуют (при использовании же металла необходимо раз в 3-4 года
обновлять покраску конструкций для предотвращения коррозии, что не всегда возможно из-за конструкции кровли).
Реконструкция мансарды жилого дома
(ул. Социалистическая, 14).
Основная сложность задачи реконструкции данного объекта заключалась в том, что
необходимо было устанавливать конструкции на 7-м этаже в центре города в условиях плотной застройки, которые не позволяют использовать тяжёлую строительную
технику (краны). Провести реконструкцию
мансарды в короткие сроки стало возможным только благодаря преимуществам LVL
бруса.
ПРОСТРАНСТВЕННЫЕ
КОНСТРУКЦИИ
Наряду с получившими широкое распространение плоскостными несущими
конструкциями, например: стропильными
фермами, рамными и арочными несущими конструкциями - интерес представляют
и объёмные пространственные системы:
сетчатые своды, купола, тонкостенные и
ребристые своды-оболочки и др. Важными
достоинствами этих конструкций являются
стандартность и транспортабельность их
24
элементов, а также возможность их предварительного изготовления на заводах.
Пространственные конструкции (ПрК)
в отличие от плоскостных (арок) способны воспринимать нагрузки, действующие
в разных направлениях. Они не требуют раскрепления специальными связями
жёсткости и в покрытиях одновременно
выполняют функции несущих и ограждающих конструкций. Элементы ПрК могут
работать в двух или трёх плоскостях, т.е.
находиться в плоском или объёмном напряжённом состоянии. Вследствие этого
в пространственных конструкциях усилия
перераспределяются между смежными элементами, что приводит к снижению максимальной величины расчётных усилий в них.
Это позволяет существенно снизить материалоёмкость ПрК и повысить надёжность
всей конструкции в целом. Применение
ПрК позволяет либо значительно разгрузить фундаменты здания путём равномерного распределения нагрузки от покрытия
по контуру здания, либо, сосредоточив
нагрузку на отдельные стойки, разгрузить
фундаменты под другими частями здания.
Характерный пример ПрК - проект крытого манежа с искусственным футбольным
полем, выполненный для г. Томска (рис. 4).
Данный строительный объект, предназначенный для размещения в нём учебноспортивного комплекса многоцелевого на-
Рис. 4. Проект учебно-спортивного комплекса (г. Томск)
значения, состоит из двух функционально
самостоятельных, но конструктивно связанных между собой объёмов, подчинённых единому архитектурному замыслу.
Представляет интерес конструктивное решение крытого тренировочного манежа,
прямоугольного в плане, с искусственным
футбольным полем размерами 55х90 м
(рис. 5).
Архитектурную форму свода определяет направляющая кривая, в данном случае
свод - круговой (циркульный) с расчётным пролётом 66 м и высотой подъёма 22
м. Выбор кругового профиля свода (такой
профиль характеризуется постоянной кривизной) был обусловлен необходимостью
обеспечить однотипность элементов и
единообразие узлов. Сетчатый свод сформирован в виде ромбической решётки.
Будучи геометрически изменяемой, она
нуждается в дополнительных связях, роль
которых выполняет наружная оболочка из
двух слоёв шпунтованных тонких досок основание для ограждающей конструкции
кровли крытого футбольного манежа.
В данной конструкции применён двойной кружально-сетчатый свод, в котором
оба свода связаны между собой. Так как
связи имеют регулярный (как у структурных
покрытий) характер, то такая конструкция
может относиться к «структурным» покрытиям цилиндрической формы.
Рис. 5. Конструктивное решение крытого тренировочного манежа (г. Томск)
«Структурным» свод назван по аналогии
со структурными плитами, но он отличается тем, что стержни кольцевого направления в нижней сетке короче, чем в верхней.
Тем самым плоской структурной системе
придаётся цилиндрическая форма.
Достоинства структурных покрытий таковы:
- пространственная работа при многократной статической неопределимости (многосвязности системы), обеспечивающая
перераспределение усилий в стержнях при
внезапном разрушении некоторых из них;
- однотипность узлов и элементов;
- облегчение конструкций кровельного
покрытия и подвесных потолков благодаря частому расположению необходимых
опорных точек.
Таким образом, двойной кружально-сетчатый свод представляет собой пространственную структурную систему, состоящую
из двух концентрически расположенных
кружально-сетчатых сводов, соединённых между собой при помощи раскосной
решётки, - своды собираются из отдельных
однотипных элементов (выполненных из
LVL), так называемых косяков, поставленных на ребро и расположенных по двум
взаимно пересекающимся направлениям,
причём сетка каждого свода косоугольная
(ромбическая).
Небольшие размеры ячеек сетки наружного свода позволяют укладывать наруж-
Рис. 6. Конструктивные решения промышленных полов (предварительно
напряжённая железобетонная плита, армированная канатной арматурой
без сцепления арматуры с бетоном)
ную деревянную оболочку непосредственно на несущие конструкции свода, обходясь
без прогонов. Данная пространственная
структурная система является распорной
конструкцией. Распор воспринимается
непосредственно плитным фундаментом,
представляющим собой предварительно
напряжённую плиту, армированную канатной арматурой без сцепления арматуры с
бетоном (рис. 6).
Данный проект осуществляет ООО «ПКФ
«Деревянные конструкции». По проекту на
создание конструкции манежа предполагается израсходовать 800 м3 LVL и 380 м3
пилёной древесины. Для обеспечения требований, предъявляемых противопожарными нормами, и сохранения естественной
текстуры древесины проектом предусмотрено подвергнуть все конструкции из LVL
поверхностной обработке огнезащитными
и биостойкими составами, разработанными лабораторией долговечности деревянных конструкций ЦНИИСКа имени
В.А.Кучеренко и Центром сертификации
и испытаний «Огнестойкость - ЦНИИСК».
Препараты совместимы с резорциновыми
и фенольно-резорциновыми клеями. Все
остальные пиломатериалы предусмотрено
подвергнуть пропитке раствором фенолоспирта в соответствии с технологией, предложенной Белорусским технологическим
институтом имени С.М.Кирова.
Всё вышесказанное даёт основание утверждать, что конструирование несущих
большепролётных пространственных систем, аналогичных двойному кружальносетчатому своду, представляет интерес для
субъектов проведения соответствующих
исследований и проектирования, а также
в архитектурно-эстетическом и в экономическом отношении. Объекты, выполненные из клеёной древесины, отличаются повышенной эстетичностью своего внешнего
вида, гармоничностью форм и теплом интерьера.
Отметим также устойчивость LVL к агрессивным средам, что особенно важно
при строительстве бассейнов, складов для
хранения минеральных удобрений, сельскохозяйственных объектов.
Функциональные возможности конструкций из LVL, используемых в архитектуре, настолько велики, что его можно считать материалом, который имеет большое будущее.
25
КОНСТРУКЦИИ
Эффект применения
клеёного
из однонаправленного
шпона бруса для создания
строительных конструкций
Д.А.Животов –
Санкт-Петербургский государственный
архитектурно-строительный университет
Инновационные технологии в области
деревообрабатывающей промышленности позволяют получать конструкционные
композиционные материалы на основе
древесины, превосходящие цельную древесину по физико-механическим показателям. В современной практике широкое распространение получила клеёная древесина,
не ограниченная по размерам поперечного
сечения и длине. Новый конструкционный
материал LVL – это одна из разновидностей клеёной древесины, получаемая путём
склеивания листов однонаправленного лущёного шпона хвойных пород. Технология
производства LVL позволяет снизить отрицательное влияние естественных пороков
древесины, что существенно повышает
уровни его показателей прочности.
Недостаточная информация в научной
и технической литературе, малая изученность материала LVL не позволяют на се-
годняшний день говорить о его широком
применении в строительной отрасли. Основные направления использования LVL –
в каркасном малоэтажном домостроении
(балки перекрытий, стропила, ригели, несущие стойки), монолитном строительстве
(элементы бетонной опалубки).
Весомый вклад в изучение LVL и соединений из него внесли учёные ЦНИИСКа
имени В.А.Кучеренко. По результатам проведённых ими исследований в механической лаборатории СПбГАСУ собраны и испытаны конструкции малого (4,6 м) пролёта
плоских балочных ферм из LVL (рис. 1).
Сборка конструкции проводилась по
месту. После установки заготовленных элементов поясов к ним с помощью клея прикреплялись фасонки. Для удобства монтажа
и обеспечения нужной величины давления
применялись ручные тиски и струбцины.
Устройство решётки велось последова-
тельно: сначала монтировался растянутый
стержень (вниз сходящий раскос), затем
- сжатый средний раскос и сжатая стойка.
Конструкция фермы состояла из двух частей
со стыковкой в середине пролёта. От идеи
использования в качестве накладок ДСП-В
было решено отказаться ввиду большей стоимости этого варианта, а также по причине
гармоничного сочетания накладок с двух
сторон из LVL той же ширины, что и нижний пояс. Стык верхнего пояса выполнен
лобовым упором. Отверстия просверливали
по шаблону, что позволило ускорить и упростить процесс сборки. В качестве связей
применялись металлические болты d.6 мм
класса 8.8 с шайбами и гайками. Расстояние между осями цилиндрических нагелей
вдоль волокон древесины S1 = 5d, поперёк
волокон - S2 = 3,5d и от кромки элемента
- S3 = 3d. Величина строительного подъёма
составила 1/200 пролёта фермы (рис. 2).
Рис. 1. Схема конструкции малого пролёта (L=4,6 м):
1 – LVL 30х100 (ОАО “ЛВЛ-Югра”); 2 – две доски 25х100; 3 – фасонки из ДСП-В (t = 7 мм);
4 – накладки из LVL; 5 – прокладки из древесины
26
Испытание фермы (рис. 3) при кратковременном приложении нагрузки в узлах
осуществлялось на 7-штемпельной гидравлической машине фирмы «Amsler». Узловые шарниры центрировались с помощью
металлических шариков и пластин. Нагрузка прикладывалась в узлах, её величина
составляла 0,1 расчётной величины нагрузки. На каждой ступени ферма выдерживалась под нагрузкой в течение 15 мин. Для
получения достоверных результатов эксперимента по деформированию стержней
использовались тензодатчики, в узлах и на
опорах устанавливались прогибомеры. При
каждом шаге увеличения нагрузки проводилось регистрирование результатов с
последующей математико-статистической
обработкой. Все полученные данные заносились в протокол проведения испытаний.
Рис. 2. Готовая конструкция в сборе
Рис. 4. Фотофиксация разрушения опорного подкоса
Рис. 3. Натурная конструкция фермы малого пролета
Эксперимент состоял из двух разделов:
1. Изучение влияния потери устойчивости основных элементов из плоскости на
работу всей конструкции фермы (без раскрепления верхнего пояса).
2. Определение несущей способности
узлов и элементов фермы с исследованием
характера работы конструкции.
1. Нагружение конструкции без раскрепления верхнего сжатого пояса фермы. Результаты выполненных расчётов показали, что потеря устойчивости произойдёт при расчётной
нагрузке Ррасч=1820 Н/м2 (рис. 4, 5).
Эксперимент показал значительное влияние раскрепления ответственных сжатых
элементов из плоскости на работу всей
конструкции. Фактическая разрушающая
Рис. 5. Фотофиксация разрушения верхнего пояса
нагрузка, приложенная в узлах, составила
6,9-8,3 кН - без учёта коэффициента длительности Кзап=2,059-2,5.
2. Приложение нагрузки до появления
необратимых деформаций. Статический
расчёт проводился на действие расчётной
нагрузки, равной 3630 Н/м2 (рис. 6, 7).
Несущая способность элементов не была
исчерпана полностью из-за разрушения
нагельного соединения нижнего пояса,
где расстояние между связями составляло S1=5d. Разрушающая нагрузка, приложенная в узлах, составила 13,7-15,7 кН
- без учёта коэффициента длительности
Кзап=1,65-1,88. Изучение характера разрушения (скалывание) позволило предположить, что для увеличения несущей способности стыка из LVL необходимо принимать
27
КОНСТРУКЦИИ
1. При больших пролётах целесообразны
многоветвевые (2-, 3-, 4-ветвевые) стержни
с короткими прокладками из древесины.
2. Малонапряжённые элементы решётки
надо выполнять из пиломатериалов.
3. Расстояние между осями цилиндрических нагелей d.6 и 8 мм вдоль волокон LVL
принимать S1=6,5d; для d > 8 мм поперёк
волокон S2 и от кромки элемента S3 - как
для древесины (п. 5.18 СНиП II-25-80).
4. Применять следующие типы связей: нагели, дюбеля, винты, глухари, гладкие, с
резьбой, различными шляпками, головками диаметром 6-20 мм. В конструкциях,
эксплуатируемых в агрессивных к металлу
средах, допускается применять нагели или
болты из нержавеющей стали или стеклопластиковые стержни.
5. Для удобства монтажа и увеличения
надёжности дополнительно применять
клеевые составы, рекомендуемые для древесины и фанеры (например, РФ-12).
расстояние между нагелями d.6 и 8 мм вдоль
волокон не менее S1=6,5d. Кроме того, при
осмотре соединения выявлены неточности
в процессе сборки (угол наклона отверстий
изменялся по толщине пакета, что объясняется ручным сверлением, и это приводило в ряде случаев к расстоянию S1=4d).
Испытания указанной фермы показали её
достаточную жёсткость. В частности, при
расчётной нагрузке величины относительных прогибов для узлов нижнего пояса равнялись 1/250 пролёта фермы. Улучшенные
данные позволили построить графики зависимости деформаций от нагрузки и графики зависимости напряжений от нагрузки (рис. 8).
Анализ результатов проведения представленных испытаний показывает, что
при достаточном раскреплении из плоскости верхнего сжатого пояса несущая способность ферм определяется несущей способностью узлов. Полученные результаты
подтверждают обоснованность применения LVL как конструкционного материала
в конструкциях.
Проведён сравнительный анализ стоимости стропильной фермы как готового
продукта с учётом стоимости материала, заготовки элементов, сборки и обработки поверхности с нанесением противопожарных
составов. Исследования были направлены
на определение экономического эффек28
6. Применение принципа дробности (т.е. осуществление расстановки большего количества связей меньшей несущей способности)
позволит избежать (значительно уменьшить)
скалывания и раскалывания древесины.
7. В плоских балочных фермах из LVL,как
показал эксперимент, следует предусматривать строительный подъём fстр не менее
8. Величина H/L для ферм из LVL может
находиться в диапазоне
,что
связано в первую очередь с эксплуатационными затратами.
9. Для облегчения работы по транспортировке предварительно заготовленных элементов
LVL, увеличения скорости сборки ферм из них
на строительной плошадке и уменьшения трудоёмкости сооружений предлагается стыковать
названные элементы в середине нижнего пояса. При проектировании несущих конструкций
необходимо ориентироваться на их полную
заводскую готовность, учитывать условия их
транспортировки, транспортные габариты.
Рис. 6. Разрушение конструкции в накладках нижнего
пояса от скалывания
Рис. 7. Разрушение узла нижнего пояса от скалывания
Прогибы, мм
Рекомендации по
проектированию
та применения клеёного бруса из шпона в
конструкциях плоских балочных ферм, для
чего был проведён сравнительный анализ
затрат на производство ферм пролётом 18 м
(для отдельно стоящего здания в Санкт-Петербурге), выполненных в металле (трубы
квадратного сечения), брусе и LVL. Себестоимость ферм из перечисленных материалов примерно одинакова, зато ферма из
LVL значительно легче двух других.
Анализ результатов проведённого исследования подтверждает целесообразность
применения LVL в конструкциях плоских
балочных ферм.
По результатам проведённых исследований предложена конструкция плоской
балочной фермы пролётом 18 м из LVL и
древесины для отдельно стоящего здания в
Санкт-Петербурге.
Рис. 8. Графики прогибов (а) и напряжений в стержнях (б) испытуемой фермы
Зарубежный
опыт применения
двутавровых
деревянных балок
В настоящее время строительные зарубежные компании для сооружения перекрытий,
в стропильных системах, в вертикальных
несущих конструкциях широко используют
двутавровые балки вместо балок из цельной
древесины. Широкие и длинные пиломатериалы дороги и дефицитны. Поэтому они
заменяются недорогими конструкциями, в
которых LVL или пиломатериалы используются в качестве поясов, а OSB (древесностружечные плиты с ориентированной
стружкой) или фанера – в качестве стенок. В
результате получается продукт с более высокими показателями качества, чем из мерных
пиломатериалов. Более того, при окончательной установке на место цена двутавровых деревянных балок соизмерима с ценой
пиломатериалов: двутавровых деревянных
балок требуется меньше, чем мерных пиломатериалов, из-за их большей перекрывающей способности. С помощью двутавровых
балок также решаются такие проблемы, как
скрипящие полы или отошедшие гвозди в
перекрытиях.
Концепция двутавровой деревянной балки
была разработана в начале 1960-х годов независимыми предпринимателями в Северной
Америке. Однако их коммерческое применение не развивалось по ряду причин. Стенки
первых балок были выполнены из хвойной
фанеры, поэтому их применение было ограничено тем, что максимально возможная
длина фанеры составляла преимущественно 2,5 м. Данная проблема была разрешена
практически полным принятием OSB для
использования в качестве стенок балок.
Первоначально пояса балок выполнялись из обработанных пиломатериалов.
Но пиломатериалы с величинами длины,
необходимыми для изготовления соответствующей экономичной двутавровой балки
(пригодной к использованию в жилищном
строительстве), было довольно трудно приобрести. Даже пиломатериалы с клеевым
шиповым соединением (не очень распространённым на момент начала использования двутавровых балок) имели такие
дефекты, как деформации, продольное и
поперечное коробление, обзол и иные дефекты, часто встречающиеся в пиломатериалах большой длины. Более того, оказалась
трудноразрешимой проблема создания шипового соединения (в месте вставки стенки
в пояс). Мелкие кустарные производители
не обладали ни финансовыми возможностями, ни техническими ресурсами для
разрешения данных проблем, а также для
измерения величин показателей прочности
и несущей способности, необходимых для
подтверждения соответствия нормативным
требованиям. Проблема была решена при
переходе на использование LVL в качестве
поясов в двутавровых деревянных балках.
Первая коммерчески успешная двутавровая деревянная балка была анонсирована
компанией TrusJoist Industries. Компания
TJ широко разрекламировала использование двутавровых деревянных балок потребителем для сооружения “беззвучных
полов”, обещая исключение возможности
возникновения скрипа и прогибания полов, характерных при использовании балок из пиломатериалов. Данная концепция
оказалась очень привлекательной для потребителей и поэтому быстро стала популярной.
Экономия расходов при использовании
двутавровых деревянных балок с полками
из LVL вместо полок из пиломатериалов
была проиллюстрирована в специальном
техническом отчёте. В то время как пиломатериалы с размерами 5х25 см обычно
располагаются с шагом 40 см, двутавровые
деревянные балки с поясами из LVL разме-
Рис. 1. Использование двутавровых
деревянных балок в конструкции кровли
Рис. 2. Использование двутавровых
деревянных балок в качестве стоек
Рис. 3. Установка поддерживающего блока
29
КОНСТРУКЦИИ
рами 4х4 см, стенками из OSB толщиной
1 см и высотой 24 см в конструкциях ряда
экспериментальных домов располагались с
шагом 50 см. При большей толщине чёрного пола или покрытия элементы конструкции можно располагать ещё дальше друг от
друга. В данном примере для сооружения
обычного и сопоставимого с другими перекрытия размерами 10x15 м потребовалось
бы 98 деревянных балок длиной 5 м и 200
соединительных элементов. Конструкцию
такого же перекрытия можно было бы выполнить из 32 двутавровых деревянных
балок без соединительных элементов, что
в данном случае сэкономило бы 200-300
долл. США на монтажных работах. Таким
образом, использование двутавровых деревянных балок экономит средства потребителей и улучшает конструкцию дома.
Двутавровые деревянные балки – вторая по величине область применения LVL.
По расчётам аналитиков, в Северной Америке в 2006 г. 11 млн. м3 LVL (около 40%
общего годового объёма производства данного материала) было использовано для
изготовления 400 млн. м двутавровых деревянных балок. Двутавровые балки применяются для конструкций перекрытий,
стропильных балок (рис. 1), в качестве вертикальных несущих элементов (рис. 2).
Двутавровые деревянные балки будут
наиболее широко использоваться в строительстве жилых домов, в том числе многосемейных домов, а также зданий нежилого
и коммерческого назначения.
В отдельных случаях строители на объекте крепят к стенкам двутавровых балок
рёбра жёсткости - деревянные элементы
(стандартный пиломатериал или планки),
вставляемые вертикально между полками с
Рис. 4. Выбивные отверстия представляют собой предварительно насеченные отверстия,
выполненные производителем двутавровой балки для облегчения работы строителей при
монтаже линий электрики и трубопроводов. Отверстия обычно имеют диаметр 1 - 3/8 - 1
3/4 дюйма, и расположены с шагом 12 – 24 дюйма по всей длине двутавровой балки. По
возможности, предпочтительнее использовать выбивные отверстия, а не пропиливать их на
строительном объекте.
шагом в несколько футов. Рёбра жёсткости
используются для предотвращения изгиба
тонкой стенки балки из OSB и повреждения самой балки.
Двутавровые балки применяются также
в качестве поддерживающих блоков, устанавливаемых рядом с такой балкой для
снятия части оказываемой на неё нагрузки,
а также для предотвращения изгиба стенки
и повреждения балки (рис. 3).
В двутавровых балках необходимо прорезать отверстия (рис. 4) для прокладки электрических и инженерных сетей. В качестве
альтернативного варианта электропроводку и трубопроводы можно прокладывать
под двутавровыми балками, что приведёт
к увеличению размеров опорных балок.
В двутавровых деревянные балках часто
выполнены отверстия. Неправильно расположенные отверстия могут ослабить балку. То же самое может произойти в случае,
если отверстия будут слишком большого
размера или будут расположены слишком
близко друг к другу. На рис. 4 показан детализированный чертёж допустимых отверстий в двутавровых балках.
В случае особо тяжёлой нагрузки в определённом месте конструкции двутавровые
балки или пиломатериалы сдваиваются.
В случае угрозы деформации при сдвиге
Рис. 5. Спаренные двутавровые
деревянные балки
Рис. 6. Производство и применение
двутавровых деревянных балок
сдвоенные балки соединяются (рис. 5). При
необходимости сдваивания для заполнения
зазоров между полотнами двутавровых балок используются заполнители из пиломатериалов или OSB.
Накопленный опыт применения двутавровых деревянных балок за рубежом позволяет с уверенностью утверждать, что такие
балки будут пользоваться большим спросом и на российском рынке строительных
конструкционных элементов. Уже в настоящее время ряд отечественных строительных компаний с успехом применяют этот
конструкционный элемент. Так, на рис. 6
показан фрагмент двутавровой деревянной
балки производства «РНР Домостроение».
30
Брус LVL современный строительный
материал индустриальной
эпохи
Е.А.Понурова –
Югорский государственный университет
В наше время не все согласны с тем, что
дерево может быть строительным материалом индустриальной эпохи наряду с такими
традиционными строительными материалами, как кирпич, железобетон и металл.
Тем не менее деревянные дома строят не
только из-за их эстетической привлекательности или из соображений экологии,
но ещё и потому, что дерево - очень технологичный материал. Строить из него легко,
и возведение дома не занимает много времени. Главные же недостатки древесины:
подверженность гниению, горючесть - эффективно преодолеваются современными
технологиями.
Деревянные конструкции надёжнее традиционных металлических и железобетонных конструкций. Это объясняется особенностями физико-механических свойств
древесины, её демпфирующими, упругими
и другими характеристиками. Нормативное
значение сопротивления древесины более
чем в 1,5 раза выше расчётного, что повышает надёжность конструкций. Отметим
также в этой связи высокую (в сравнении
с металлическими или железобетонными
конструкциями) огнестойкость деревянных
конструкций, которая обусловлена сравнительно низкой теплопроводностью древесины (λ0 = 0,09 Вт/м·К против 0,482 для металла), постоянную скорость обугливания
(около 0,6 мм/мин) и двукратное возрастание расчётного сопротивления деревянных
конструкций при расчётах на огнестойкость. Защита деревянных конструкций
от распространения огня, т.е. осуществление мер по его значительному замедлению
обеспечивает необходимые надёжность и
эффективность, да и стоимость такой огнезащиты существенно ниже стоимости
огнезащиты металлоконструкций.
Путём проведения обработки древесины
прогрессивными методами можно создавать на её основе перспективные материалы с новыми монтажными и эксплуатационными характеристиками. Именно к
таким высокотехнологичным разработкам
относится многослойный клеёный из шпона брус LVL. Этот продукт деревообрабатывающей промышленности представляет собой древесный композиционный материал
(композит), изготовленный путём склеивания слоёв шпона с однонаправленным расположением волокон. Основным сырьём
для производства шпонового бруса являются сосновые пиловочные брёвна и клей.
Принятие в 2002 г. Правительством Ханты-Мансийского автономного округа программы по развитию и реструктуризации
его лесопромышленного комплекса (ЛПК)
определило развитие ЛПК округа как приоритетное направление развития его экономики. Активная инвестиционная политика
Правительства округа позволила создать
базовые производства отрасли, одним из
которых является первый в России комбинат по производству шпонового бруса LVL,
введённый в действие в сентябре 2003 г. в
г. Нягани. Развитие комбината обеспечит
возможность расширения производства деревянных домов заводского изготовления
по каркасно-панельной технологии.
Успех в применении бруса LVL в строительстве обусловлен его свойствами. Этот
конструкционный композит может быть
изготовлен с различными заранее задан-
ными физико-механическими характеристиками, что достигается путём комбинирования направлений волокон в слоях
конечного продукта. При параллельном
расположении волокон полученный брус
обладает большей гибкостью, а добавление
слоёв, расположенных перпендикулярно
или под углом к направлению волокон,
увеличивает жёсткость материала. Малая
зависимость от периодических колебаний
влажности и температуры, минимальные
величины показателей естественной усушки обеспечивают высокий уровень стабильности линейных размеров конструкций в
течение всего периода их эксплуатации.
Этот композит является полностью однородным материалом с неизменными величинами показателей качества и постоянными физико-механическими свойствами по
всей длине.
По сравнению с такими традиционными
строительными материалами, как металл и
железобетон, брус LVL обладает оптимальным соотношением прочностных и весовых
показателей. Этот фактор особенно важен
для малоэтажного строительства: конструкции из LVL позволяют обойтись без устройства усиленного фундамента и удобны
при монтаже (их можно перемещать по земле и поднимать на верхние этажи без применения тяжёлой грузоподъёмной техники).
Поэтому возведение зданий с использованием шпонового бруса требует значительно
меньших затрат энергии, финансов и времени, чем строительство таких же зданий из
металла, кирпича и железобетона.
В настоящее время в Ханты-Мансийском автономном округе-Югре брус LVL
31
КОНСТРУКЦИИ
используется в качестве конструкционного материала для несущих элементов каркасов малоэтажных жилых домов - такие
дома построены и продолжают строиться
в г. Ханты-Мансийске. В соответствии с
разработанной технологией на основе бруса LVL возводится каркас здания, который
в дальнейшем обшивается деревянными
панелями с использованием современных
шумо- и теплоизоляционных материалов.
При возведении подобных зданий требуется значительно меньше затрат и времени,
что особенно важно при сооружении объектов в суровых климатических условиях,
когда необходимо завершить строительство
за короткий сезон.
В г. Ханты-Мансийске построен конноспортивный комплекс, в котором несущие
каркасы зданий крытого манежа и конюшен
(рамы, обшивки ограждающих конструкций, элементы кровли, прогоны, распорки,
стойки фахверка) собраны из бруса LVL.
Здание конюшни - одноэтажное с размерами в плане 12,0х78,0 м. Конструкция
каркаса - рамно-связевая. В каркасе использованы рамы пролётом 12 м высотой
5,05 и 6,55 м, установленные с шагом 3,6 м
(рис.1). Стойки рам составного сквозного
сечения выполнены из трёх элементов LVL
толщиной 75 мм, соединённых между собой вкладышами из LVL толщиной 75 мм.
Ригели – составного сплошного сечения из
трёх элементов LVL толщиной 75 мм. При
сборке рамы ригель входит в пазы между
элементами стойки и образует карнизный
узел. Соединение ригеля со стойкой выполнено на болтах, расположенных радиально
вокруг центра карнизного узла (рис. 2).
Здание крытого манежа - одноэтажное с
размерами в плане 26,0х64,8 м, конструкция
каркаса – рамно-связевая. Пространственная неизменяемость каркаса обеспечивается сопряжением стоек, ригелей, постановкой вертикальных и горизонтальных связей,
распорок, прогонов покрытия. Каркас выполнен из бруса LVL. Рамы - пролётом 26 м с
затяжкой, высотой в коньке – 9,6 м (рис. 3).
Шаг рам – 3,6 м. Выполнение сечений ригелей и стоек рам аналогично выполнению
сечений рам конюшни.
Рис. 1. Схемы рам конюшни
32
Рис. 2. Схема карнизного узла рам конюшни
33
КОНСТРУКЦИИ
Рис. 3. Схема рамы манежа
Затяжка из бруса LVL сечением 75х400 мм
соединяется с ригелем через пазы между его
элементами. Карнизный узел выполнен на
радиально расположенных болтах (рис. 4).
Шпоновый брус LVL – новый для
стройиндустрии России конструкционный
композит - ещё не используется в полном
объёме обеспечиваемых его свойствами
возможностей. Прочностные и деформационные характеристики этого материала
ещё недостаточно исследованы.
В Югорском государственном университете (г. Ханты-Мансийск) проводятся исследования нового древесного композита –
многослойного клеёного бруса из шпона
с однонаправленным расположением волокон. Определяются основные механические и физические характеристики при
различных
температурно-влажностных
воздействиях, а также выполняются теоретические расчёты и экспериментальные
исследования узловых соединений конс-
трукций из бруса LVL на нагелях.
Анализ предварительных результатов
теоретических расчётов и экспериментальных исследований показывает: конструкции из этого многослойного клеёного
композита из шпона могут быть хорошим
дополнением к клеёным конструкциям из
пиломатериалов, т.е. могут наравне с ними
использоваться для возведения большепролётных зданий и сооружений.
Рис. 4. Схема карнизного узла рам манежа
Литература
Назаров Ю.П., Турковский С.Б., Погорельцев А.А. Эффективность несущих клеёных
деревянных конструкций в сейсмических
районах строительства // Промышленное
и гражданское строительство. - 2009. № 10. - С. 10-13.
34
Усиление клеёных
деревянных конструкций
с помощью многослойного
клеёного материала
из однонаправленного
шпона
Ю.А.Варфоломеев, засл. деятель науки РФ,
д-р техн. наук - Научно-исследовательская лаборатория
строительной экспертизы Баренц-региона
Прочность изгибаемых клеёных элементов [1] в значительной степени зависит от
качества материала в растянутой зоне конструкций. Один из путей уменьшения ослабляющего влияния пороков древесины и
зубчатых соединений состоит в использовании стальной либо стеклопластиковой арматуры, позволяющей усилить растянутую
зону конструкций. Однако при реализации
этого технического приёма приходится
решать проблемы обеспечения надёжной
анкеровки арматуры на торцевых участках
изгибаемых элементов, склеивания указанных разнородных материалов с получением
соединений, стойких к переменным температурно-влажностным условиям эксплуатации, и т.п.
Для усиления наиболее напряжённых зон
изгибаемых клеёных деревянных элементов
более рационально использовать LVL. При
этом перекрываются участки концентрации
напряжений в крайнем слое, состоящем из
пиломатериалов с естественными пороками древесины и зубчатыми соединениями,
в результате чего несущая способность ответственных конструкций повышается. По
своей природе LVL является древесным материалом, поэтому здесь отсутствуют трудности, присущие склеиванию разнородных
материалов, например склеиванию древесины со стальной либо стеклопластиковой
арматурой. Стойкость клеевых соединений
древесины при переменных температурно-влажностных условиях эксплуатации
значительно выше стойкости разнородных
соединений «древесина–металл», «древесина-стеклопластик» [2].
В настоящей работе описаны результаты
выполнения в ЦНИИСКе имени В.А. Кучеренко экспериментальных исследований
деревянных балок композитного сечения.
В период проведения этих исследований в
нашей стране отсутствовало промышленное производство LVL. Поэтому опытные
балки композитного сечения, склеенные из
древесины сосны и даурской лиственницы,
были усилены в наиболее напряжённых
зонах многослойным клеёным материалом
из однонаправленного шпона [3], экспериментальная партия которого была изготовлена по специально разработанной технологии. Конструкция созданной клеёной
балки композитного сечения с усилением
наиболее напряжённых зон многослойным
материалом (являющимся прототипом
LVL) была защищена авторским свидетельством на изобретение [4].
Для усиления балок использовали слои,
изготовленные из тонкого шпона толщиной 7, 12 и 15 мм. Величины их показателей прочности и упругости определяли
при растяжении вдоль волокон. Расчётные
средние значения (определённые экспериментально) предела прочности σр многослойного материала разной толщины, модуля упругости Ер, а также коэффициента
вариации V и показателя точности р приведены в таблице.
Толщина,
мм
σр, МПа
V, %
р, %
Ер,
МПа
7
154,0
11,2
2,5
17148
12
127,4
7,36
2,0
16653
15
125,2
9,0
2,0
14928
По результатам проведённых испытаний
видно (см. таблицу), что многослойный
клеёный материал из однонаправленного
шпона значительно более упруг, чем пиломатериалы без видимых пороков. Учитывая
большую прочность такого материала, его
подклеивали к наружным, наиболее напряжённым зонам клеёных балок, изготовленных из низкосортной древесины, для
усиления этих балок.
Эффект упрочнения, достигаемый при
подклеивании многослойного материала, определяли при испытаниях двух серий модельных клеёных балок сечением
b x h = 134 х 192 мм. Для их изготовления
использовали слои древесины сосны тол35
КОНСТРУКЦИИ
щиной 32 мм. Величина влажности древесины составляла 8-10%, а упомянутого
материала – 9%. В первую серию входили три пары балок: пробные (усиленные)
балки и контрольные (без усиления).
Усиление выполняли с двух сторон (в
растянутой и сжатой зонах) многослойным материалом толщиной 7, 12 и 15 мм.
Для этой серии проводили тщательный отбор слоёв древесины сорта не ниже второго
и размещение отобранных слоёв по всему
сечению.
Все парные модельные балки клеили в
вертикальном прессе в течение 16 ч при
величине давления запрессовки 0,5 МПа.
Для склеивания использовали резорциновый клей ФР-12. Испытания образцов балок на изгиб выполняли через 2 мес. после
их изготовления. Длина модельных балок
составляла 2300 мм, пролёт - 2000 мм.
Нагрузку прикладывали ступенчато в
двух точках – на расстоянии 750 мм от осей
опор. После приложения очередной ступени нагрузки проводили выдержку в течение
3 мин для снятия отсчётов по приборам и
визуального обнаружения возможных повреждений. Величина ступени нагружения
составляла около 10% ожидаемой величины разрушающей нагрузки.
Анализ результатов испытаний показал:
величина несущей способности балок первой серии, усиленных с двух сторон многослойным материалом толщиной 7, 12 и 15 мм,
больше величины того же показателя неусиленных аналогов соответственно на 16,33
и 41 %. Среднее значение разрушающей
нагрузки контрольных балок – аналогов
без усиления составило 88,6 кН, а краевых напряжений – 64,4 МПа. Поскольку
наиболее эффективным оказался многослойный материал толщиной 15 мм, то его
применяли для усиления растянутой зоны
балок второй серии.
Вторая серия состояла из восьми пар
модельных балок с сечением аналогичных
размеров. Восемь балок были усилены в
растянутой зоне многослойным материалом толщиной 15 мм, а восемь контрольных аналогов не имели усиления. Указанные модельные балки изготовляли из
древесины третьего сорта с одинаковым
для отдельных пар балок расположением
слоёв. Для сохранения одинаковой высоты
в усиленных балках толщина среднего слоя
древесины уменьшалась на толщину слоя
упомянутого материала.
Увеличение несущей способности отдельных образцов балок второй серии по сравнению с аналогичными балками без многослойного материала составило до 75% при
36
средней величине показателя 35,4%. При
величине статистической вероятности 95%
средняя величина временного сопротивления древесины при разрушении усиленных
балок второй серии составила 56,2 МПа
при V = 5%, а при разрушении аналогичных балок без усиления – 37,7 МПа при
V = 10%. Вероятно-минимальная величина временного сопротивления древесины
в первом случае составила 52,5 МПа, а во
втором – 31,7 МПа – при коэффициенте
надёжности суждения 0,75.
Следует отметить специфичный характер
разрушения усиленных модельных балок: в
большинстве случаев разрыв происходил по
сучкам крайнего растянутого слоя древесины, а затем разрушение распространялось
на прилегающий к нему слой усиливающего материала. Все контрольные балки –
аналоги без усиления разрушились от разрыва нижних слоёв древесины, который
происходил главным образом по естественным порокам.
Анализ результатов проведённых испытаний показал: в усиленных со стороны
растянутой зоны клеёных балках второй
серии лучше использовался прочностной
потенциал древесины, расположенной в
сжатой зоне. По данным тензометрических
измерений величина напряжений сжатия
при разрушении таких балок составляла
до 57,4 МПа, что на 51% больше величины того же показателя обычных балок. Это
подтвердило предположение о том, что
усиление многослойным материалом сжатой зоны балок нерационально.
Анализ изменения прогибов всех модельных балок показал, что до момента разрушения они работали без появления пластических деформаций. На всех ступенях
нагружения жёсткость балок, усиленных
упомянутым материалом, была в среднем
на 10% выше, чем контрольных балок без
усиления.
Испытывали на изгиб также две серии
балок композитного сечения натурных размеров из сосны и даурской лиственницы.
Ширина поперечного сечения балок составляла 140, высота – 480 мм, длина - 6,
пролёт - 5,75 м. Сжатая зона балок первой
серии (около 15% высоты сечения) состояла из слоёв даурской лиственницы третьего
сорта толщиной 18 мм, средняя зона (50%
высоты) – из слоёв сосны толщиной 24 мм,
а растянутая зона (35% высоты) - из слоёв
лиственницы толщиной 18 мм первого и
второго сорта. Балки второй серии имели
аналогичные габариты, но их растянутая
зона была склеена из слоёв древесины лиственницы третьего сорта и усилена слоем
многослойного материала толщиной 15 мм
(крайний слой).
Анализ результатов проведённых испытаний использовавшихся слоёв древесины
на поперечный изгиб показал: средняя величина модуля упругости древесины сосны составила 11100 МПа, а лиственницы
- 13600 МПа. Склеивание балок проводили в производственных условиях на клеях
ФРФ-50 и КБ-3 без нагрева. Температура
воздуха в помещении цеха составляла 1820оС, относительная влажность воздуха –
70-75%, давление запрессовки – 0,5 МПа,
продолжительность выдержки под давлением – 16 ч.
Нагрузку прикладывали симметрично в
четырёх точках, расположенных друг от друга
на расстоянии 1440 мм; при этом расстояния
от крайних точек приложения нагрузки до
осей опор составляли по 715 мм. Нагружение проводили ступенями по 20% расчётной
величины нагрузки. Продолжительность нагружения (она зависит от технических возможностей испытательной машины) составляла 1-2 мин. Продолжительность выдержки
балок под нагрузкой на каждой ступени составляла 7-10 мин. На каждом этапе фиксировали величину прогиба балок. Величину
деформации древесины под нагрузкой регистрировали с помощью тензорезисторов сопротивления с базой 20 мм, установленных по
высоте сечения балок в середине пролёта, где
величина изгибающего момента максимальна, а поперечной силы равна нулю, и в сечении, расположенном на расстоянии 1435 мм
от оси опоры, где действуют как изгибающий
момент, так и поперечная сила.
Величина разрушающей нагрузки балок
первой серии варьировала, или изменялась
в пределах 2,26-2,49 расчётной нагрузки (Рр)
и составила в среднем 2,26 Рр при V = 8%.
Таким образом, все балки с высококачественной древесиной в растянутой зоне выдержали контрольную нагрузку, равную двум
расчётным. При величине статистической
вероятности 95% средняя величина нормальных напряжений при разрушении составила
31 МПа при V = 12%. Вероятно-минимальная величина разрушающих напряжений
составила 24,3 МПа – при коэффициенте
надёжности суждения 0,75.
Величина разрушающей нагрузки балок
второй серии, склеенных в растянутой зоне
из низкосортной древесины с усилением
слоем многослойного материала, составила
в среднем 347,64 кН при V = 15,8%, что на
14,2% больше величины того же показателя
балок первой серии.
Величина отношения прогиба балок
первой серии при нормативной нагрузке к
расчётному пролёту изменялась в пределах
от 1/460 L до 1/319 L и в среднем составила
1/365 L при V = 14,8%, а величина того же
показателя балок второй серии – в пределах
от 1/500 L до 1/388 L и в среднем составила 1/422 L при V = 18,3%. Результаты проведённых экспериментальных исследований
свидетельствуют о высокой эффективности
предлагаемого метода [4] усиления изгибаемых клеёных деревянных элементов.
ВЫВОДЫ
1. Усиление с помощью LVL наиболее напряжённых зон несущих клеёных деревянных конструкций повышает их прочность
и потому позволяет снизить их материалоёмкость. Предлагаемый метод усиления
[4] наиболее перспективен при склеивании
низкосортной древесины.
2. При нагрузке, направленной перпендикулярно плоскости склеенных слоёв шпона (например, так направлено давление в
прессе при склеивании листов шпона), LVL
обладает достаточно высокой эластичностью. Поэтому предлагаемый способ усиления с помощью LVL можно использовать
в действующем технологическом потоке –
без введения дополнительных операций –
при изготовлении несущих клеёных деревянных конструкций любой формы и размеров.
Список
литературы
1. Прочность деревянных клеёных
конструкций серийного изготовления /
Л.М. Ковальчук, Ю.Ю. Славик,
Е.М. Знаменский и др. // Изв. вузов.
Строительство и архитектура. - 1978. № 12. - С. 16-21.
2. Ковальчук Л.М. Склеивание древесных
материалов с пластмассами и металлами.
– М.: Лесная пром-сть, 1968.
3. Усиление деревянных клеёных балок
однонаправленной фанерой /
Л.М. Ковальчук, А.С. Жукова,
Е.М. Знаменский и др. // Изв. вузов.
Строительство и архитектура. - 1978. № 12. - С. 22-26.
4. А.с. 897996 (СССР). Деревянная балка/
Ковальчук Л.М., Варфоломеев Ю.А.,
Жукова А.С., Верещагина Р.Н. – Опубл.
1982, Бюл. № 2.
37
КОНСТРУКЦИИ
Применение
многослойного клеёного
из шпона материала
для усиления конструкций
театрально-зрительных
залов
Л.М.Ковальчук, засл. деятель науки РФ,
д-р техн. наук – ЦНИИСК имени В.А. Кучеренко
Автор статьи твёрдо придерживается
мнения, что наиболее перспективное направление применения многослойного
клеёного из однонаправленного шпона
материала – это создание конструкций
различных размеров и форм из серийно
изготовляемых на специализированных
предприятиях элементов стандартного
сортамента [1]. Вместе с тем отмеченное
не исключает применения этого материала
в индивидуальных проектах, в том числе
при усилении деревянных конструкций.
Так, многослойный клеёный материал был
применён для усиления деревянных конструкций зрительного зала Большого театра
в Москве [2]. Необходимость усиления возникла при обследовании конструкций здания в период реконструкции театра.
Работа состояла из двух частей: вначале
были обследованы несущие конструкции
ярусов зрительного зала, затем – перекрытия над залом с подвесным акустическим
потолком (декой).
Несущий каркас ярусов зрительного
зала представляет собой шестиэтажную
конструктивную систему. В поперечном
направлении конструкция представлена
шестиэтажной рамой из стоек и опирающихся на них однопролётных балок с
консолями (рис. 1). Стойки опираются
на нижние продольные прогоны ригелей,
расположенных параллельно кирпичным
стенам зрительного зала. Продольный прогон уложен поверх двухпролётных балок,
38
крайними опорами которых являются две
стены: с одной стороны – кирпичная стена
зрительного зала, с другой – стена, идущая
по линии борта лож бенуара. На продольные ригели опираются поперечные однопролётные консольные балки. Второй опорой поперечных балок является заделка в
кирпичную стену зрительного зала. Балки
имеют консоли вылетом 1,80-2,15 м. Концы консольных балок связаны с бортовым
обвязочным брусом.
При проведении испытаний образцов
древесины, отобранных из эксплуатировавшихся конструкций, и анализе результатов этих испытаний было установлено:
при длительной эксплуатации величины
пределов прочности древесины при сжатии
и изгибе изменялись незначительно, а величина предела прочности при скалывании
снизилась на 30%. Модуль упругости древесины при изгибе снизился на 4-24%.
Уровень несущей способности реальных
конструкций определяли с учётом имеющихся в них дефектов и нарушений первоначальной рабочей схемы, выявленных
при обследовании этих конструкций. Выполненный в ходе работы расчёт послужил
основанием для усиления конструкций, в
том числе стоек в нижних ярусах балочностоечной системы.
Каждую конструкцию обследовали визуально и инструментально, особенно тщательно изучая дефекты в потенциально
опасных местах, характеризующихся боль-
шей вероятностью развития повреждений.
Наиболее значительные повреждения
выявлены в консольных балках ярусов,
которые испытывают большие нагрузки
при заполнении зала зрителями: почти в
каждой пятой балке имелись горизонтальные трещины, в том числе в зонах больших
касательных напряжений. Плохим было
состояние опорных узлов соединений балок со стенами. В период длительной эксплуатации балок у некоторых из них были
сделаны новые опорные узлы, уровень состояния которых был крайне неудовлетворителен. У части балок, заделанных в стены, имелись значительные биопоражения.
Анализ потенциальной опасности выявленных дефектов древесины: биопоражений
в местах контакта древесины с металлом,
недостаточно качественно выполненных
протезов и др. – показал, что необходимо
разработать эффективный способ усиления
балок (и балок с протезами, и балок с заделкой в кирпичные стены). В связи с этим
был предложен универсальный метод усиления балок, в которых были дефекты (горизонтальные трещины, подрезки в местах
протезов и др.) и недостаточно надёжные
протезы, а также крепления элементов балочно-стоечной системы к стенам. Суть
метода состоит в прикреплении накладок
к боковым поверхностям балок и их соединении с кирпичными стенами. В качестве
накладок использовали многослойный
клеёный материал со слоями из лущёного
однонаправленного шпона, аналогичный
материалу Ultralam (рис. 2). Таким образом
были усилены все стойки, имевшие трещины и другие дефекты. Накладки крепили к
балкам и стойкам шурупами и болтами. Характерный узел усиления дефектных конструкций показан на рис. 3.
По завершении работ были даны рекомендации по замене и усилению несущих
конструкций, а также по защитной обработке древесины конструкций.
По результатам исследований, проведённых ЦНИИСКом имени В.А. Кучеренко,
проектной организацией «Реставратор-М»
был разработан проект ремонтно-реставрационных работ по восстановлению деревянных конструкций зрительного зала
Большого театра, который уже осуществлён.
Известно, что из материала типа Ultralam
создают как самостоятельные несущие
конструкции, так и части сложных конструктивных схем. Реже этот материал применяют в качестве обшивок панелей или
других частей зданий и сооружений. Поэтому представляют интерес результаты
выполненных в Санкт-Петербургской государственной лесотехнической академии
соответствующих исследований упомянутого материала [3]. Они состоят в следующем: этот материал обладает не только
большей прочностью, но и достаточно хо-
рошими акустическими свойствами, что
делает его перспективным для производства музыкальных инструментов, а также
для сферы строительства и реконструкции
концертных залов, театров и т.п. сооружений. Сейчас это особенно актуально в
связи с дефицитом и большой стоимостью
резонансной ели.
Исследования величин акустических
показателей такого древесного композита
показали, что порода древесины, тип клея
и его количество, число и толщина слоёв
шпона, из которых изготовлен композит,
тесно связаны между собой. Наиболее
важный результат этих исследований таков: композит, изготовленный из слоёв
древесины сравнительно небольшой плотности (например, ели или сосны), имеет
лучшие уровни акустических показателей
при меньшем влиянии других показателей.
Усреднённые величины акустических показателей клеёной слоистой древесины и
образцов еловой древесины составили соответственно: плотности – 470 и 420 кг/м3,
Ка – 10,70 и 12,00 м4/кг·с. На разработанный слоистый композит для дек музыкальных инструментов получен патент РФ [4].
По акустическим показателям клеёный
слоистый материал не уступает натуральной резонансной древесине. При этом разброс величин показателей клеёного материала существенно меньше.
Многослойный клеёный материал из однонаправленного шпона уже используют
при строительстве концертных залов. Так,
в 2000 г. В Финляндии в г. Лахти был построен концертный зал Сибелиуса, акустические элементы стен которого выполнены
из клеёного многослойного материала из
однонаправленного шпона. Несущие конструкции зала представляют собой клеёные
деревянные конструкции. Общий объём
помещения – 90 000 м3. На рис. 4 показан
общий вид зала.
Рис. 2. Усиление консольных балок
Рис. 1. Схема деревянных
конструкций зрительного зала
39
ЭКСПЛУАТАЦИЯ
Рис. 4. Общий вид концертного зала (г. Лахти)
Рис. 3. Узел усиления дефектных конструкций
Список
литературы
1. Ковальчук Л.М., Пьянов А.Н. Клеёные
деревянные конструкции из унифицированных элементов // Деревообрабатывающая пром-сть. – 2008.– № 6.
2. Ковальчук Л.М., Успенская Н.А., Пьянов
А.Н. Восстановление деревянных конструкций зрительного зала Большого театра
России // Деревообрабатывающая промсть. – 2007. – № 3.
40
3. Лукин В.Г. Исследование возможности использования древесного слоистого
материала для производства музыкальных
инструментов // Деревообрабатывающая
пром-сть. – 2009. – № 6.
4. Пат. РФ №2357300. Акустический материал для резонансных дек музыкальных
инструментов / В.Г. Лукин, В.И. Онегин,
Е.Г. Кузнецова. –2009.
Огнезащита
конструкций
из материала
Ultralam
Ломакин А.Д.,
к.т.н., ЦНИИСК имени В.А.Кучеренко
Испытаниями, проведёнными ИЦ «Огнестойкость» ЗАО «ЦСИ «ОгнестойкостьЦНИИСК», установлено: Ultralam (многослойный клеёный материал из лущёного
шпона хвойных пород) в соответствии с
пожарно-технической
классификацией,
приведённой в СНиП 21-01-97* [1], относится к сильногорючим, умеренновоспламеняемым и умереннораспространяющим
пламя материалам (соответственно группы
Г4, В2 и РП3).
Возгораемость древесных материалов
зависит во многом от размеров их поверхности: чем больше удельная поверхность
материала, тем выше скорость горения.
Для изготовления конструкций можно использовать плиты Ultralam различной толщины - в зависимости от типа конструкций
(несущие, ограждающие). Так, если для
ненесущих стеновых панелей толщина рёбер каркаса выбирается часто конструктивно, то для несущих конструкций каркаса
здания (колонн, ферм, арок, рам, балок и
др.) толщина элементов имеет решающее
значение как с точки зрения несущей способности и деформативности, так и с точки
зрения пожарной безопасности. В первом
случае рёбра каркаса панелей находятся в
слое несгораемого утеплителя и защищены
им от огневого воздействия при пожаре. Во
втором случае конструкции полностью открыты и при возникновении пожара ничем
не защищены от огня, поэтому чем больше
сечение элементов конструкций, тем они
более огнестойки.
Поскольку плиты Ultralam имеют максимальную толщину 106 мм, в ответственных зданиях, где к несущим конструкциям
предъявляются повышенные требования
по пожарной безопасности, такой толщины названных плит может оказаться недостаточно. Поэтому элементы конструкций
должны иметь составное по толщине сечение.
В случаях, предусмотренных действующими требованиями в отношении пожарной безопасности [2], деревянные
конструкции, к которым можно отнести
и конструкции из Ultralam, должны быть
спроектированы с обеспечением величин
предела огнестойкости и показателей пожарной опасности, установленных в [2].
Огнестойкость – это способность элементов конструкций сохранять в условиях
пожара, т.е. при температуре 700-1000˚С,
свои главнейшие свойства: нести расчётную нагрузку и ограждать помещения. Показателем огнестойкости является предел
огнестойкости, определяемый как продолжительность промежутка времени от
начала огневого испытания при стандартном температурном режиме до момента
наступления одного из нормируемых для
данной конструкции предельных состоя-
ний по огнестойкости. Допускается устанавливать величину предела огнестойкости
конструкций из Ultralam расчётным путём
- на основе закономерностей обугливания
и прогрева их сечений в условиях стандартного теплового воздействия [3] и с учётом
стандартных предельных состояний по огнестойкости [4].
На скорость обугливания древесины,
которая находится в пределах от 0,6 до 1,0
мм/мин, влияют следующие основные
факторы: изменение и продолжительность
температурного режима пожара; плотность
и влажность древесины; количество сторон
обогрева конструктивного элемента, а также размеры его сечения и шероховатость
поверхности. Скорость обугливания древесины сохраняется примерно постоянной в
течение всего периода теплового воздействия. Зависимость глубины обугливания от
продолжительности теплового воздействия
практически линейна. Это обстоятельство
служит основой для прогнозирования огнестойкости конструкций из древесины и
древесных материалов. Поскольку на данный момент отечественные данные о скорости обугливания Ultralam отсутствуют, в
расчётах скорость обугливания можно принимать, равной 0,7 мм/мин.
Анализ характера пожаров зданий и сооружений, в которых в качестве несущих
конструкций были использованы клеёные
41
ЭКСПЛУАТАЦИЯ
деревянные, показывает, что эти конструкции сохраняют свою несущую способность
в условиях теплового воздействия длительное время. При одинаковых условиях пожара и уровне нагруженности деревянные
конструкции массивного сечения имеют
предел огнестойкости выше, чем металлические конструкции, а в некоторых случаях
и железобетонные. Повышенная огнестойкость деревянных сооружений обусловлена
также пониженным коэффициентом теплового расширения древесины.
Принимая во внимание, что элементы
конструкций из Ultralam имеют сплошное
сечение, размеры которого не ограничены
толщиной самой плиты, а могут быть такими же, как и сечения элементов из клеёной
древесины, за счёт сплачивания, то можно
предположить, что их огнестойкость будет
не ниже, чем деревянных элементов массивного сечения, склеенных из досок.
При этом необходимо иметь в виду: наличие параллельно расположенных на
близком расстоянии элементов, вызывающих взаимный разогрев при горении, а также усиленную тягу воздуха вдоль горящих
элементов, способствует развитию пожара.
В конструкциях составного сечения открытые зазоры между цельными элементами
сечения не должны превышать 7 мм, а зазоры более 7 мм должны быть замкнуты
диафрагмами толщиной, обеспечивающей
требуемый уровень предела огнестойкости:
температура древесины в зазоре к моменту
времени, соответствующему требуемому
уровню предела огнестойкости, должна
быть не более 270˚С. Идеальным можно
считать вариант, когда зазоры между сплачиваемыми элементами отсутствуют.
Для обеспечения пожарной безопасности различных объектов, где применяются
конструкции из Ultralam, важна огнезащита последних. Она предназначена для
снижения пожарной опасности объектов
и обеспечения требуемого уровня их огнестойкости. Проблема выбора оптимальной
огнезащиты имеет особенно большое значение для конструкций с нормируемыми
значениями предела огнестойкости. Это
прежде всего несущие конструкции, которые в условиях пожара подвергаются совместному действию силовых нагрузок и
высокотемпературного нагрева.
Для снижения пожарной опасности необходимо в первую очередь принимать
конструктивные меры, а в тех случаях, когда этого недостаточно, использовать химические средства.
При использовании конструкций из
Ultralam в большинстве случаев должны приниматься меры по снижению горючести и
42
пределов распространения огня. Это достигается применением огнезащитных пропиток
или нанесением специальных покрытий.
Огнезащитные составы (ОС) должны
обладать высокой степенью огнезащитной эффективности и обеспечивать высокий уровень огнезащиты по показателям
пожарной опасности древесины. Выбор
химических средств защиты конструкций
зависит от предполагаемых условий их эксплуатации, а также от назначения и степени
ответственности конструкций. Химические
средства, предотвращающие возгорание
и распространение пламени, выбираются
в соответствии с требованиями пожарной
безопасности и с учётом их эффективности
и совместимости с защитными средствами,
которыми конструкции были обработаны
на заводе-изготовителе.
В отличие от конструктивной огнезащиты, долговечность которой сопоставима с
долговечностью конструкций, ОС обычно
сохраняют свои свойства в течение не более
15-30 лет. Поэтому при их выборе следует
учитывать данные об их долговечности и
необходимости периодической замены или
восстановления этих ОС, а также данные о
недопустимости их применения в местах,
где исключена возможность выполнения
этих операций. При выборе ОС необходимо также учитывать требования п.7.12 главы СНиП 21-01-91* о соответствии огнезащитных покрытий нормам применения
отделочных материалов.
Согласно действующему стандарту [5]
по огнезащитной эффективности ОС для
древесины делятся на I и II группы. Группу
устанавливают по результатам огневых испытаний стандартных образцов в установке
«керамическая труба». При потере массы
образцов не более 9% для ОС устанавливают I группу огнезащитной эффективности.
При потере массы более 9%, но не более
25% - II группу. При потере массы более
25% считают, что опробованный состав не
является огнезащитным.
Для того чтобы правильно выбрать те или
иные меры огнезащиты конструкций из
Ultralam, необходимо иметь чёткое представление об условиях, в которых они будут
эксплуатироваться, а также об их влажностном состоянии в условиях службы, так как
именно влажность и её изменение наиболее
сильно влияют на сохранность конструкций. При выборе ОС для конструкции надо
учитывать область её применения. Несущие конструкции, используемые в настоящее время в зданиях и сооружениях, можно
условно разделить на две группы.
К первой группе относятся конструкции, к
которым предъявляются повышенные требо-
вания по пожарной безопасности. Основная
область их применения – большепролётные
здания и сооружения: стадионы, спортивные
залы, бассейны, легкоатлетические и конноспортивные манежи, крытые конькобежные
центры, теннисные корты, выставочные
залы, крытые рынки и др.
Ко второй группе относятся конструкции,
к которым требования по огнезащитной
обработке не предъявляются: конструкции,
находящиеся вне помещений, под навесом;
открытые сооружения; перголы; пешеходные мостики и др.
Если для конструкций второй группы
выбор средств защиты от увлажнения и
биоразрушения затруднений не вызывает,
поскольку номенклатура таких средств достаточно обширна, то с выбором средств за-
щиты конструкций первой группы вопрос
несколько сложнее. Это связано с обязательным требованием исключить возможность отрицательного влияния биозащитных и защитно-декоративных составов,
нанесённых в заводских условиях, на прочность адгезии огнезащитного покрытия
(Пк), наносимого на объекте, а также на
огнезащитную эффективность этого Пк.
Наиболее перспективный и эффективный метод огнезащиты деревянных
конструкций состоит в нанесении огнезащитных Пк. Передача теплоты через Пк
к защищаемой конструкции происходит
благодаря теплопроводности самого Пк и
его твёрдых продуктов разложения. Поэтому эффективность огнезащитного Пк в
условиях пожара зависит прежде всего от
теплоизолирующей способности, т.е. от
толщины Пк.
Конструкции из Ultralam для общественных зданий, спортивных сооружений,
бассейнов, аквапарков, развлекательных
и торговых центров и др. должны удовлетворять повышенным требованиям к их внешнему виду. Поэтому должна быть исключена возможность отрицательного влияния
ОС на текстуру древесины. Для этих целей
наиболее пригодны высокоэффективные и
долговечные вспучивающиеся ОС, которые
образуют прозрачные Пк.
Высокая огнезащитная эффективность
вспучивающихся Пк в сочетании с широкими возможностями использования механизированных методов нанесения составов
на поверхность конструкций обусловлива-
ют в последнее время повышенный интерес
к ним. Такие Пк были использованы для
огнезащиты несущих клеёных деревянных
конструкций в здании Манежа, крытого
конькобежного центра в Крылатском, спортивного комплекса «Строгино», в бассейнах
и аквапарках Москвы и С.-Петербурга, в
целом ряде других зданий и сооружений.
Для огнезащитной обработки конструкций, к внешнему виду которых повышенных требований не предъявляется, могут
быть применены и непрозрачные (укрывистые) ОС, в том числе вспучивающиеся,
а также различные огне- и огнебиозащитные пропиточные составы.
В ЦНИИСКе имени В.А.Кучеренко была
проведена работа по оценке эффективности некоторых ОС, наносимых на Ultralam.
43
ЭКСПЛУАТАЦИЯ
Проводя отбор ОС для исследований, основывались в первую очередь на имеющемся положительном опыте использования их
для защиты несущих клеёных деревянных
конструкций в зданиях и сооружениях различного назначения.
В задачи проведения испытаний входила также оценка влияния предварительной
обработки материала Ultralam биозащит-
ными и защитно-декоративными составами на прочность адгезии огнезащитных Пк
к материалу и их эффективность.
Для огнезащиты использовали три вспучивающихся ОС на водной основе: лак Феникс ДП, краску Феникс ДБ (ООО «А+В»)
и лак Латик (НПО ООО «Ассоциация КрилаК»); водно-дисперсионный лак НЛО-007
и органорастворимый лак Нортекс-Лак-ОгТАБЛИЦА 1
Огнезащитные составы
Биозащитные и защитнодекоративные составы
Адгезия, МПа
—
1,1
Сколтекс-ПР
1,4
Belinka toplasur
1,1
Belinka exteriеr
1,9
Pinotex Doors & Windows
1,3
—
1,1
Сколтекс-ПР
1,4
Belinka toplasur
0,9
Belinka exteriеr
0,8
Pinotex Doors & Windows
0,9
—
1,2
Belinka toplasur
0,8
Belinka exteriеr
1,5
Феникс ДП
Феникс ДБ
Латик
незащита (НПО «Норт»); пропиточные ОС:
биоогнезащитные препараты (биопирены)
Пирилакс-Люкс и ОЗОН-007 (НПО «Норт»).
Перед нанесением ОС Ultralam обрабатывали пропиточным антисептирующим
составом на акриловой основе СколтексПР (ООО «Сколт»), лазурью на алкидной
основе Belinka toplasur и лазурью на акриловой основе Belinka exterier (фирма Belinka
Belles), а также защитно-декоративным составом на основе алкида и акрилата Pinotex
Doors & Windows (фирма Sadolin).
Величины показателя прочности адгезии
огнезащитных покрытий Феникс ДП, Феникс ДБ и Латик к Ultralam определяли по
соответствующему стандарту [6]. Сущность
метода заключается в осуществлении отрыва участка Пк от подложки в перпендикулярном к ней направлении и определении
необходимого усилия отрыва. Результаты
испытаний приведены в табл. 1.
Величину показателя огнезащитной эффективности ОС определяли по соответствующему стандарту [5]. Для изготовления
стандартных образцов сечением 30х60х150
(l) мм использовали заготовки в виде реек
из Ultralam того же сечения.
ТАБЛИЦА 2
№ варианта
защиты
Составы для биозащитной и защитно-декоративной
обработки
состав
слои / расход, г/м²
состав
слои /
расход, г/м²
Потеря
массы.%
1
—
—
2/370
3,3/3.1-3.7**
2
Belinka exterier
2/140
3/378
2,8/2.5-3.0
3
Belinka toplasur
2/107
2/365
3,6/3.0-4.6
4
Pinotex Doors & Windows
2/163
3/359
3,2/3.0-3.3
5
Сколтекс-ПР
1/120
2/394
3,2/2.7-4.0
6
-
-
1/283
3,7/3.4-4.1
7
Сколтекс-ПР
1/120
1/295
3,6/3.4-3.9
8
-
-
2/370
3,3/3.0-3.4
2/370
3,5/3.2-4.3
2/365
3,0/2.8-3.3
2/285
8,2/7.6-8.7
2/255
10,2/8.8-11.6
3/374
8,7/8.3-9.1
9
Belinka exterier
2/125
10
Belinka toplasur
2/132
11
—
—
12
—
—
13
—
—
14
—
—
15
16
17
18
19
Феникс ДП
(320)*
Феникс ДБ
(250)
Латик
(400)
Нортекс-ЛакОгнезащита
(292)
НЛО 007
(350)
3/433
8,0/7.8-8.1
Пирилакс-Люкс
(280)
3/270
11,9/10.7-12.8
5/325
7,5/7.0-8.2
030H-007
(300)
2/240
14,1/12.9-15.2
3/356
10,3/9.6-10.7
Контрольные (без обработки)
* В скобках приведена норма расхода для обеспечения I группы огнезащитной эффективности, не менее, г/м²
** В числителе приведены средние значения показателя, в знаменателе - наименьшие и наибольшие значения.
44
Огнезащитные составы
86/83-89
Рис. 1. Общий вид установки «керамическая труба» для оценки
эффективности огнезащитных составов
Биозащитные и защитно-декоративные
составы наносили на заготовки кистью в
несколько слоёв. После их высыхания заготовки разделывали на образцы, торцы которых дополнительно обрабатывали теми
же составами по той же технологии, что и
боковые поверхности.
Через 10 сут. на все поверхности образцов, включая торцевые, наносили Феникс
ДП, Феникс ДБ и Латик. Часть испытуемых образцов имели только огнезащитные
Пк, а в качестве контрольных использовали незащищённые образцы. Величины расхода защитных материалов на стандартные
образцы приведены в табл. 2.
Образцы испытывали по ГОСТ Р 5321922009 на установке «керамическая труба» (рис.
1). На образец, предварительно взвешенный
с точностью до 0,01 г, воздействовали пламенем газовой горелки в течение 2 мин. После
остывания его извлекали из керамического
короба, взвешивали и определяли потерю
массы в процентах. При испытаниях фиксировали величину температуры отходящих газов в процессе огневого воздействия и после
Рис. 2. Образцы Ultralam после испытаний в «керамической трубе» (справа – вид образцов сбоку):
А – Феникс ДП; Б – Феникс ДБ; В – Латик; 1 – образцы с вспученным слоем; 2 – образцы, очищенные от
вспученного слоя и зольных остатков; 3 – вид образцов до испытаний
45
ЭКСПЛУАТАЦИЯ
А)
Б)
B)
Г)
Рис. 3. Графики изменения температуры отходящих
газов в верхнем патрубке зонта при испытании
образцов Ultralam с вспучивающимися Пк:
а) 1 - Феникс ДП (370 г/м2); 2 – Сколтекс-ПР +
Феникс ДП (394 г/м2); 3 - Belinka exteriеr + Феникс
ДП (378 г/м2);
б) 1 - Pinotex Doors & Windows + Феникс ДП
(359 г/м2); 2 - Belinka toplasur + Феникс ДП
(365 г/м2);
в) 1 – Феникс ДБ (283 г/м2); 2 - Сколтекс-ПР +
Феникс ДБ (295 г/м2);
г) 1 - Belinka toplasur + Латик (365 г/м2); 2 – Латик
(370 г/м2); 3 - Belinka exteriеr + Латик (370 г/м2)
А)
В)
Б)
Г)
Рис. 4. Графики изменения температуры
отходящих газов в верхнем патрубке
зонта при испытании образцов Ultralam,
защищённых следующими составами:
а) НЛО-007 с расходом (г/м2): 1 – 433;
2 – 374; 3 – 255;
б) ОЗОН-007 с расходом (г/м2): 1 – 356;
2 – 240;
в) Нортекс-Лак-Огнезащита (285 г/м2);
г) Пирилакс-Люкс с расходом (г/м2):
1 – 270; 2 – 325
46
прекращения подачи газа, а также величину
вспученного слоя. Результаты испытаний
приведены в табл. 2.
Все испытанные ОС (за исключением
ОЗОН-007) при величинах удельного расхода, указанных в табл. 2, обеспечивают
возможность отнесения Ultralam к I группе
огнезащитной эффективности. Наиболее
эффективны вспучивающиеся Пк, у которых потеря массы не превышает 3,7% (при
максимально допустимой для I группы
9%), что полностью соответствует нормам,
содержащимся в технической документации на эти составы. При этом, как видно из
табл. 2, предварительная обработка образцов биозащитными и защитно-декоративными составами не снижает уровня огнезащитной эффективности вспучивающихся
Пк. Внешний вид некоторых образцов после испытаний показан на рис. 2.
Лаки Нортекс-Лак-Огнезащита и НЛО007 также обеспечивают I группу, но при
нормативном расходе лака потеря массы
у образцов значительно больше: соответственно 8,2 и 8,7%.
Анализ результатов испытаний показал,
что биопирен Пирилакс-Люкс при нанесении на Ultralam обеспечивает получение
Рис. 5. Графики изменения температуры отходящих газов в верхнем патрубке зонта
при испытании контрольных образцов Ultralam (1, 2 – номера образцов)
47
ЭКСПЛУАТАЦИЯ
I группы при расходе биопирена 325 г/мІ.
Оказалось, что по огнезащитной эффективности биопирен ОЗОН-007 хуже, чем
Пирилакс-Люкс – при примерно одинаковых величинах удельного расхода.
На рис. 3 и 4 показаны графики изменения
температуры отходящих газов в верхнем патрубке зонта при сжигании образцов Ultralam
с различной защитной обработкой.
У образцов со вспучивающимися Пк характер кривых изменения температуры в
ходе испытаний одинаков как у образцов,
на которые были нанесены только огнезащитные Пк, так и у образцов с комплексной обработкой (рис. 3). После помещения
образца в короб в течение первых 15 с наблюдается резкое падение температуры и
до конца испытаний температура держится
примерно на одном уровне – 145-155˚С,
при этом пламенное горение отсутствует.
После выключения газовой горелки температура быстро падает.
Иной характер кривых изменения температуры отмечен у образцов, защищённых
лаками НЛО-007 и Нортекс-Лак-Огнезащита, а также пропиточными составами Пирилакс-Люкс и ОЗОН-007. Через 10-15 с после
начала испытаний температура поднимается,
к концу испытаний достигает максимума,
а после выключения горелки начинается её
снижение (рис. 4). У одних образцов пламенное горение прекращалось сразу, а другие
продолжали гореть ещё некоторое время.
Отмеченное различие в характере кривых
изменения температуры в процессе испытаний объясняется следующим. При испытании образцов с Феникс ДП, Феникс ДБ и
Латик с самого начала огневого воздействия
в нижней части образцов начинается образование вспученного пенистого слоя (толщина его колебалась от 8 до 20 мм), который
препятствует распространению пламени по
поверхности, из-за чего температура до конца испытаний держится постоянной.
Совершенно иной характер изменения
температуры в ходе испытаний отмечен у
контрольных образцов Ultralam без огнезащиты (рис. 5). Резкий рост температуры
начинается сразу после начала огневого
воздействия, и максимум температуры отмечен через 90 с. Затем после выключения
горелки температура падает, пламенное
горение постепенно прекращается, и образцы начинают тлеть. Температура некоторых образцов какое-то время держится
на уровне 100-200˚С, а затем (через 9-12
мин) она резко возрастает, и снова возникает пламенное горение, которое длится до
практически полного сгорания образца.
48
ВЫВОДЫ
1. Анализ результатов проведённых испытаний показал: наибольшим огнезащитным эффектом обладают вспучивающиеся
покрытия, причём Феникс ДП имеет хорошую адгезию ко всем био- , влагозащитным
составам, использованным в эксперименте. Феникс ДБ также можно использовать
для защиты конструкций из Ultralam, предварительно обработанных испытанными
био- , влагозащитными составами. Огнезащитный лак Латик обладает хорошей
адгезией к незащищённому Ultralam, но он
плохо смачивает материал, обработанный
Сколтекс-ПР и защитно-декоративным
составом Pinotex Doors & Windows.
2. Для конструкций, которые в процессе
строительства предположительно будут находиться незащищёнными от атмосферных
воздействий не более 3 мес., рекомендуется
использовать защитную антисептическую
пропитку Сколтекс-ПР. При длительных
сроках строительства, когда конструкции
придётся держать открытыми более 3 мес.,
можно использовать атмосферостойкие
составы, которые обеспечивают сохранность конструкций в течение достаточно
длительного срока: Belinka toplasur, Belinka
exterier и Pinotex Doors & Windows.
Вспучивающиеся ОС рекомендуются для
защиты несущих конструкций из Ultralam
в зданиях с повышенными требованиями
пожарной безопасности.
3. Лаки НЛО-007 и Нортекс-Лак-Огнезащита, биопирен Пирилакс-Люкс также обладают хорошими огнезащитными свойствами и могут с успехом использоваться
для защиты таких конструкций, текстуру
древесины которых необходимо сохранить
видимой. Биопирен ОЗОН-007, обеспечивающий II группу огнезащитной эффективности, рекомендуется использовать для
защиты элементов ограждающих конструкций, стропильных систем и других конструкций, к которым высокие требования
по пожарной безопасности и эстетичности
внешнего вида не предъявляются.
В настоящее время проводятся испытания по определению пожарно-технических
характеристик материала Ultralam с комплексной обработкой, которая включает
поверхностную пропитку составом Сколтекс-ПР и последующее нанесение лака
Феникс-ДП. При этом не исключается необходимость проведения стандартных огневых испытаний конструкций из Ultralam,
по результатам которого в дальнейшем
можно будет определять величины предела огнестойкости конструкций расчётным
путём.
Список
литературы
1. СНиП 21-01-97*. Пожарная безопасность зданий и сооружений.
2. Технического регламента о требованиях
пожарной безопасности (Федеральный
закон от 22 июля 2008 г. № 123-ФЗ)
3. ГОСТ 30247.0-94. Конструкции строительные. Методы испытаний на огнестойкость. Общие требования.
4. ГОСТ 30247.1-94. Конструкции
строительные. Методы испытаний на
огнестойкость. Несущие и ограждающие
конструкции.
5. ГОСТ 53292-2009. Огнезащитные
составы и вещества для древесины и материалов на её основе. Общие требования.
Методы испытаний.
6. ГОСТ 27325-87. Детали и изделия из
древесины и древесных материалов. Метод определения адгезии лакокрасочных
покрытий.
Ultralam™ — высокопрочный многослойный брус,
клееный из шпона. Laminated veneer lumber (LVL)
ПРЕИМУЩЕСТВА Ultralam™
ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ Ultralam™
Высокая прочность
Стабильность геометрических размеров
Гарантированные технические
характеристики
Малый вес, облегченный монтаж
Устойчивость в агрессивных средах
Материал применяется для изготовления:
кровли, перекрытий, стеновых каркасов
и каркасов полов, перемычек окон, дверей,
в качестве поясов в двутавровых балках,
в качестве опалубки, в строительных лесах.
Сельскохозяйственные объекты
(конюшни, зернохранилища и т.д.)
Домостроение (системы
каркасно-панельного строения домов)
Спортивные объекты, объекты
культурного назначения
Реконструкция старого фонда,
сооружение мансард
Полная информация для
проектирования и применения
конструкций с ЛВЛ Ultralam.
Разработан и утвержден
СТО 36554501-021-2010.