Квадратура круга. Детали деревянных строительных конструкций

У традиций деревянного домостроения в нашей стране многовековые корни. Население России издревле строило избы, срубы которых составлялись из положенных друг на друга венцов из обтесанных бревен круглого сечения, соединенных в углах «в лапу», «в чашу», «в иглу» и т. д.

Так строились не только избы в деревнях и дома сельских помещиков,  но и жилые дома в городах, театры, церкви и даже дворцы. Слава богу, во многих местах России еще сохранились шедевры деревянного зодчества, которые пощадили время, войны и пожары. В качестве примеров можно назвать архитектурный ансамбль Кижского погоста на Онежском озере, недавно восстановленный дворец царя Алексея Михайловича в Коломенском или дом в Ульяновске (бывшем Симбирске), в котором жил будущий вождь мирового пролетариата...

Изба на новом витке прогресса

Рис. 1. Навес из ДКК на открытой площадке выставочного комплекса в Ганновере (ФРГ)

Деревянное домостроение господствовало в массовом строительстве в России вплоть до XVIII века, когда стало в городах вытесняться кирпичным, а в конце XIX века пришла эпоха железобетона. Строились и деревянные дома, но не из круглого леса, а в основном из досок с применением теплоизоляции.

О цельной древесине вспомнили в послевоенные годы в Германии, где было создано оборудование для производства малоэтажных домов из круглого леса, включавшее в себя станки для оцилиндровки бревен, формирования в них продольных и поперечных пазов, а также для выполнения других операций, необходимых для получения деталей, полностью готовых к сборке домов.

Подобные дома нашли широкое распространение в скандинавских странах, население которых традиционно придерживается здорового образа жизни и старается заботиться о сохранении окружающей среды. Но для строительства даже одного такого бревенчатого дома требуется немалое количество круглого леса самого высокого качества, отсортированного по диаметру.

Поэтому задача использования для деревянного строительства древесного сырья низких сортов стала весьма актуальной.

Квадратура круга

Рис. 2. Пешеходный мост на основе ДКК

Эта задача, которая по сложности была подобна поставленной еще математиками древности, - построить с помощью циркуля и линейки квадрат, равновеликий по площади окружности заданного диаметра, - отличалась лишь тем, что нужно было найти наиболее эффективный способ получения максимально полезного выхода изделий прямоугольного сечения из кругляка.

Эта непростая проблема была решена благодаря созданию технологии склеивания по длине и ширине тонких пиломатериалов с получением бруса большого сечения. С ее помощью стало возможным получение деревянных клееных конструкций (ДКК) - деталей с заданными потребительскими, эксплуатационными параметрами: столярных плит, мебельных щитов, щитового паркета и др.

Производство массивных, крупногабаритных деревянных клееных конструкций (так называемых балок) строительного назначения было начато еще в середине прошлого века. К ним относятся различного рода стойки, прямолинейные и непрямолинейные балки, элементы стен с сечением, близким к круглому или прямоугольному, и т. п.

К основным классификационным признакам деревянных клееных конструкций (ДКК) относят функциональное назначение (несущие и ненесущие деревянные клееные конструкции) и условия эксплуатации.

Под деревянными клееными конструкциями понимаются монолитные детали, полученные путем склеивания обработанных заготовок небольшого размера, расположенных относительно друг друга по их сечению в определенном, заранее заданном порядке и имеющих необходимые параметры для выполнения несущих, ограждающих и (или) эстетических (декоративных) функций в строительных конструкциях, а также в изделиях различного назначения (окнах, дверях, полах и др.). Различаются:

В ряде случаев деревянные клееные конструкции одновременно выполняют несколько функций. Например, клееные брусья стен малоэтажных зданий (венцовый брус) выполняют ограждающие, несущие и декоративные функции, что учитывается при их изготовлении и применении.

Нормативная база

Наиболее жесткие требования предъявляются к несущим деревянным клееным конструкциям, от прочности и устойчивости которых зависит безопасность зданий и сооружений, построенных с их использованием.

По критерию безопасности несущие деревянные клееные конструкции подразделяют на несколько групп ответственности. По условиям эксплуатации (температурно-влажностный режим) деревянные клееные конструкции подразделяются на несколько классов, в общем виде характеризующих их использование внутри или снаружи зданий или помещений.

К сожалению, существующая отечественная нормативная база, определяющая в основном характеристики несущих деревянных клееных конструкций, не включает термины и определения, позволяющие однозначно отнести изделия к тем или иным видам и точно задать их параметры. Эта база не обновлялась и не уточнялась более 20 лет и должна быть создана заново. Например, один из основных нормативных документов ГОСТ 20850-84 «Конструкции деревянные клееные. Общие технические условия» действует около 20 лет, а СНиП И-25-80 «Деревянные конструкции» - более 20 лет. Поэтому отечественные предприятия, изготавливающие сегодня деревянные клееные конструкции, производят их на основе самостоятельно разработанных технических условий (ТУ).

Вместе с тем в странах Европы, США и Японии, производящих и применяющих деревянные клееные конструкции в значительно больших объемах, чем в России, разработана и активно используется современная система нормативных документов. Так, стандарты Евросоюза (EN) учитывают назначение конструкций, регламентируют условия их изготовления и системного контроля, определяют требования к клеям, содержат классы прочности пиломатериалов, используемых в деревянных клееных конструкциях, и др.

Особенности деревянных клееных конструкций (ДКК)

Для изготовления деревянных клееных конструкциях (ДКК) требуются заготовки из древесины, клеи и материалы для защиты от негативного воздействия влаги и воды, огня, грибков и насекомых­-вредителей.

Качество готовых изделий определяется прочностью древесины, стойкостью и прочностью клеевых соединений, которые обуславливают безопасность и долговечность строительных конструкций с использованием деревянных клееных конструкциях, и строгим соблюдением заданных параметров технологического процесса. Для изготовления деревянных клееных конструкциях можно использовать низкосортную древесину малых диаметров, что дает возможность экономии древесного сырья за счет продольного сращивания короткомерных заготовок и применения сердцевинных и боковых досок. При этом прочность клееных изделий, как правило, оказывается выше, чем изделий, изготовленных из цельной древесины.

Для склеивания заготовок в деревянных клееных конструкциях могут использоваться водостойкие клеи на основе фенолоформальдегидных смол, ПВАД (поливинилацетатной дисперсии) или полиуретановые. В зависимости от размера сечения склеиваемых заготовок, определяющих площадь склеивания, общая цена клея в составе деревянных клееных конструкциях может быть значительной и доходить до половины их себестоимости. Вместе с тем выбор клея определяет качество и прочность готовых деревянных клееных конструкций.

Защитные средства на отдельные заготовки, входящие в состав деревянных клееных конструкций, не наносятся. Считается, что каждая клеевая фуга служит достаточной защитой древесины от поражения грибками и насекомыми. Поэтому защитные покрытия всех видов наносятся только на поверхность готовых деревянных клееных конструкциях - непосредственно в процессе их производства или уже на стройплощадке.

Рынок деревянных клееных конструкций (ДКК)

Мировой объем производства деревянных клееных конструкций сегодня превышает 5 млн м³ в год. На долю России пока приходится лишь около 2% этого объема, но в последние годы производство клееных конструкций у нас в стране растет.

Клееная древесина успешно конкурирует со стальными и железобетонными конструкциями, применяется в зданиях и сооружениях различного назначения, возводимых по типовым и индивидуальным проектам.

ДКК за последние десятилетия получили широкое распространение во многих странах, особенно в США, Германии, Франции, Швейцарии, Скандинавских странах.

Основная область применения пространственных деревянных клееных конструкций - перекрытия общественных зданий, таких как крытые стадионы, катки, бассейны, рынки, выставочные залы, церкви, клубы и т. д. (рис. 1). Например, в Германии более 60% спортивных зданий и четверть всех зданий павильонного типа возводятся с применением деревянных клееных конструкций.

Особое значение клееные конструкции занимают в строительстве мостов и пешеходных переходов. В основном деревянные мосты являются пешеходными (рис. 2), однако значительное их число предназначено также и для проезда транспортных средств. Конкурентоспособность деревянных конструкций мостов объясняется рядом их серьезных преимуществ перед стальными и железобетонными: сравнительно малой массой, высокой коррозионной стойкостью, долговечностью, низкой эксплуатационной стоимостью. Так, технико­экономические расчеты показывают, что применение деревянных клееных конструкций в перекрытиях с пролетом 12-24 м взамен железобетонных дает снижение расхода стали на 20-24 кг/м², цемента - на 30-35 кг/м² и массы конструкции в 4-5 раз. Один кубометр клееной древесины заменяет 0,5-1 т стали. Характерно, что даже в странах, бедных лесом, считают эффективным производство клееных конструкций с использованием привозной древесины.

Результаты технико­экономического анализа, проведенного в США, показывают, что стоимость деревянных мостов с учетом эксплуатационных расходов в два с лишним раза ниже стоимости железобетонных и стальных.

В последнее время в России большой популярностью пользуются индивидуальные дома из клееного бруса, фактически представляющие собой модернизированные избы, в которых комфорт за счет применения природной цельной древесины сочетается с надежностью конструкций заводского изготовления, что гарантирует высокое качество.

Конструкция и размеры деревянных клееных конструкций

Выбор толщины клееного бруса, определяющей толщину стен и стоимость всего строения, осуществляется с учетом температуры в помещении, средней наружной температуры для конкретного региона и теплопроводности древесины, из которой изготовлен брус. Поэтому клееный брус, предлагаемый изготовителями, имеет весьма широкий диапазон сечений. Форма сечения клееного бруса определяет внешний вид сложенной из него стены как снаружи, так и изнутри дома.

Так, различают брус с сечением, близким к прямоугольному, так называемый D-брус, «овальный» брус и «клееное бревно» (рис. 3). Ширина прямоугольного бруса может быть 66-260 мм; высота - 90-900 мм, а сечения: 135´220; 180´220; 204´220 мм и больше. Сечения овального бруса - 135´220; 180´220; 204´220 мм и больше. Диаметр «клееного бревна» обычно составляет 190, 210, 230, 250 мм и более.

Число продольных гребней и выемок, их сечение и размеры, а также наружные радиусы нормативными документами не регламентированы и определяются изготовителями.

     

 а)
 

   

б)                                                 в)                                          г)                                  
                                                 
Рис. 3. Виды клееного стенового (венцового) бруса: 
а – брус прямоугольного сечения; б – D-брус; в – «овальный» брус; г – «клееное бревно»

В зависимости от размеров сечения готового изделия и размеров сечения исходного сырья для склеиваемых заготовок брус может состоять из двух или трех деталей, поставленных на ребро; из нескольких уложенных друг на друга деталей, склеенных между собой по пластям; из двух или трех «стопок» заготовок, склеенных по пластям и кромкам.

Длина готового бруса, поставляемого потребителю в качестве полуфабриката, в зависимости от оборудования, имеющегося у изготовителя, обычно составляет 6, 12 или 14 м.

Если потребителю поставляются комплекты бруса, полностью готовые для сборки сруба, то они прирезаются (торцуются) на заданный размер в соответствии со спецификацией и в них прорезаются (фрезеруются) профильные поперечные пазы (венцовые чаши) для выполнения угловых и тавровых соединений, а также высверливаются необходимые вертикальные отверстия под соединительные нагели.

Размеры несущих ДКК, в особенности изогнутых, непрямолинейных и имеющих непостоянное сечение, существенно отличаются от размеров венцового клееного бруса. Они изготавливаются только путем склеивания составляющих их досок по пластям. Их ширина в зависимости от архитектурного и конструктивного решения сооружения может достигать 2,5 м, толщина, определяемая наибольшей возможной шириной склеиваемых досок, - 300 мм и более, а длина - 42 м.

Для изготовления клееного бруса и других клееных строительных конструкций используются пиломатериалы из древесины хвойных пород (ель, пихта). Сосна из-за ее высокой стоимости применяется значительно реже.

Технологии производства венцового клееного бруса и клееных строительных конструкций во многом сходны, но имеют существенные отличия. Об этом мы поговорим в следующей публикации.

Константин ПЕТРОВ, компания «МедиаТехнологии», по заказу журнала «ЛесПромИнформ»

Детали деревянных строительных конструкций. Часть 2

Детали деревянных строительных конструкций. Часть 3