Детали деревянных строительных конструкций. Часть 2

Детали деревянных строительных конструкций

Часть 2

Разговор о состоянии деревянного домостроения в России мы начали в предыдущем номере журнала («ЛесПромИнформ» № 6 (80), 2011 год). Тогда мы рассказали об истории создания технологии склеивания по длине и ширине тонких пиломатериалов с получением бруса большого сечения. С помощью этой технологии стало возможно получение деревянных клееных конструкций (ДКК) – деталей с заданными потребительскими, эксплуатационными параметрами: столярных плит, мебельных щитов, щитового паркета и пр.

Производство и применение деревянных клееных конструкций наиболее развито сегодня в Европе, Северной Америке, Японии. Мировой объем изготовления несущих ДКК уже приближается к 6 млн м в год. На долю российских предприятий пока приходится лишь несколько процентов от всего объема этой продукции, но производство ДКК в нашей стране постоянно растет.

Технология производства

Рис. 1. Хранение пиломатериалов для изготовления ДКК


Рис. 1. Хранение пиломатериалов для изготовления ДКК


Рис. 3. Клееналивное устройство


Рис. 4. Вертикальный пресс для склеивания


Рис. 1. Хранение пиломатериалов для изготовления ДКК


Рис. 6. Обрабатывающий центр для клееных
строительных конструкций


Рис. 7. Инструмент для заделки сучков на поверхности
ДКК


Рис. 8. Пластина для соединения ДКК, используемая в
цехе в качестве шаблона


Рис. 9. Клееные несущие ДКК для Дворца
бракосочетания в Иерусалиме

Технологический процесс изготовления клееного бруса включает операции сушки и кондиционирования обрезных досок; вырезку дефектов и пороков древесины; сращивание полученных отрезков на зубчатый шип по длине; раскрой на заготовки по длине; фрезерование заготовок с четырех сторон; одностороннее нанесение клея на их пласти; набор прессуемого пакета; прессование и выдержку под давлением; фрезерование с четырех сторон; чистовое торцевание в размер и упаковывание. Обработка бруса для формирования пазов, отверстий и выемок под со­единения выполняется на отдельном оборудовании – по чертежам заказчика или на другом предприятии.

Особенность техпроцесса производства несущих деревянных балок состоит в конструкции оборудования, позволяющего получать и обрабатывать изделия непрямолинейной формы.

Для экономики предприятия, выпускающего клееные деревянные конструкции, первостепенное значение имеет его мощность. Так, расчеты показывают, что производство оказывается рентабельным при годовом объеме продукции не менее 10 тыс. м.

Исходное сырье и материалы

Предприятие, производящее клееные деревянные конструкции, находится в постоянной зависимости от ритмичности поставок и качества сырья (рис. 1). Основным сырьем для производства клееного бруса и клееных деревянных конструкций являются обрезные специфицированные пиломатериалы хвойных пород, соответствующие требованиям ГОСТ 8486­86. Пиломатериалы могут изготавливаться на самом предприятии из пиловочника или поступать в готовом виде. Но смешение в одном изделии древесины различных пород недопустимо. Поэтому на лесопильном предприятии должна быть организована сортировка круглого леса. Само лесопильное оборудование должно строго обеспечивать точность размеров выпиливаемых досок по толщине. В противном случае резко снижается полезный выход материалов.

Для производства клееных конструкций допустимо использование материалов более низкого качества, чем, например, для производства оконного клееного бруска или клееного щита, но количество пороков в этом материале должно быть минимальным, длина заготовок перед их сращиванием на зубчатый шип должна быть в среднем 1 м, не допускается и наличие гнилей в заготовках.

Приблизительные подсчеты показывают, что общий объем потерь древесины при изготовлении клееных конструкций из обрезной доски составляет не менее 50%, а выход толстых досок из круглого леса не превышает 30%. Поэтому для производства ДКК в объеме, например,
10 тыс. м в год потребуется не менее 66 тыс. м круглого леса высокого качества, а также соответствующие мощности по лесопилению. Об этом должен подумать каждый, кто предполагает открыть производство ДКК.

Сушка пиломатериалов

Сушка пиломатериалов выполняется в камерах периодического действия (рис. 2), причем влажность поступающей на сушку древесины хвойных пород (сосны, ели, пихты, лиственницы и др.) может колебаться в широком диапазоне и достигать 60–90%. При формировании штабелей для сушильных камер используется древесина с близкими значениями влажности, ширины и толщины пиломатериалов. Продолжительность сушки, зависящая от сорта древесины, исходной влажности и толщины пиломатериалов, как правило, колеблется от 4 до 6 суток.

Качество сушки оценивается исходя из среднего значения влажности пиломатериалов, по высоте штабелей и их расположению на различных участках сушильной камеры. Конечная влажность пиломатериалов должна быть 8–15%. Кроме того, в качестве критерия оценки сушки используется равномерность распределения влажности по сечению пиломатериала, колебания не должны превышать 1,5%.

После сушки пиломатериалы кондиционируют в течение 3–4 суток в условиях цеха при нормальных температурно­влажностных параметрах (относительная влажность воздуха – 45–65%, температура 16–25 °С). При относительной влажности воздуха в цехе ниже 35% должны использоваться увлажняющие установки. После разборки штабелей осуществляют контроль влажности каждой поступившей заготовки. Для изготовления клееных конструкций может использоваться пиломатериал влажностью 8–13%.

Разброс влажности должен находиться в пределах 1,5–2,0% и не превышать 4%. Использование пиломатериалов с меньшим разбросом влажности дает возможность снизить риск возникновения и развития внутренних влажностных напряжений в изделиях и, следовательно, уменьшить вероятность расслаивания клеевых соединений и растрескивания древесины в процессе хранения и использования.

Механическая обработка пиломатериалов

Важно, чтобы операция разборки штабелей и поштучной выдачи досок была автоматизирована с помощью устройства с наклонным лифтом.

Для вскрытия пороков древесины пиломатериалы могут быть обработаны на четырехстороннем станке. Однако это приводит к увеличению их припусков по сечению, что снижает полезный выход материала.

Еще одна операция, которая пока проводится только на наиболее «продвинутых» предприятиях, – механизированная сортировка заготовок по прочности древесины, ее порокам, дефектам формы заготовок и др. В результате такой сортировки в отдельных карманах установки накапливаются заготовки с заданной ориентацией годичных слоев древесины, предназначенные для использования в наружных и внутренних слоях конструкций.

В этой же установке может проводиться контроль предельно допустимой влажности пиломатериалов, в ходе которого влагомер измеряет влажность каждой заготовки и в зависимости от характера отклонения в показателе влажности подает сигнал сбрасывающему блоку сортировочного конвейера. Блок сбрасывает в отдельный «карман» заготовки влажностью, превышающей допуск. Отбракованные заготовки возвращаются на досушку или кондиционирование, а заготовки соответствующей влажности передаются на вырезку дефектов и сращивание.

Широко распространен способ нанесения меток флуоресцентным мелом в местах совершения резов поперечной пилой для вырезки дефектов вручную. Однако для предприятий высокой производительности такой метод – фактор, сдерживающий производительность. Так, при ручной торцовке нормой на разметке дефектов является погрешность 3–8 мм. При выполнении 5 тыс. пропилов в смену из­за такой погрешности происходят потери примерно 25 м древесины. При раскрое материала и вырезке пороков на пропил в среднем затрачивается 5 с при погрешности до 8 мм. Качественно выполнять такую работу, одновременно обеспечивая высокую производительность в течение всей смены, человек просто не в состоянии.

Поэтому в последние годы на линиях сращивания стали использоваться устройства для оптимизации поперечного раскроя пиломатериалов, автоматически определяющие места нахождения пороков и, соответственно, места резов. Эксплуатация этих устройств позволяет существенно увеличить выход готовой продукции при раскрое древесины и повысить рентабельность предприятия.

Обычные полуавтоматические и автоматические линии сращивания заготовок на зубчатый шип, оснащенные поворотным столом, для производства ДКК не подходят из­за невысокой производительности. На таких производствах преимущественно используются линии проходного типа, обеспечивающие фрезерование зубчатых шипов поочередно на переднем и заднем торце заготовки.

Причем существующие линии проходного типа для формирования шипов позволяют фрезеровать их как параллельно, так и перпендикулярно пласти соединяемых заготовок. Сегодня в Европе осталось не более пяти компаний, изготавливающих линии сращивания, в том числе пригодные для использования в составе предприятий по производству ДКК. При выборе оборудования следует учесть, что многое зависит от индивидуальных характеристик производства (мощности предприятия, конструкции, параметров и назначения ДКК), ведь не каждая фирма возьмется, например, за поставку линии с длиной пресса более 40 м. Расход клея, равномерность его нанесения, давление запрессовки и ее продолжительность при сращивании должны соответствовать требованиям поставщиков клея и фиксироваться в журнале операционного контроля. Технологическая выдержка склеенных на зубчатый шип заготовок в условиях цеха выполняется в течение шести часов.

Одним из показателей качества склеенных по длине слоев ДКК являются результаты механических испытаний прочности клеевых соединений при статическом изгибе. Испытания на статический изгиб образцов с зубчатым соединением проводятся в лаборатории предприятия. Их результаты автоматически считываются с памяти испытательной машины и заносятся в электронный журнал и базу, содержащую сведения о всех проведенных за несколько последних лет испытаниях. Также большое внимание должно уделяться оценке характера разрушения образцов (по древесине, по клею, по клеевому соединению), эта информация вместе с полученными показателями прочности также записывается в журнал.

Результаты, получаемые, например, при сертификационных испытаниях зубчатых клеевых соединений на прочность при статическом изгибе, должны соответствовать средним и минимальным нормируемым показателям – 37,5 и 27 МПа.

До нанесения клея на пласти полученных слоев ДКК выполняется их механическая обработка – плоское фрезерование на двухстороннем рейсмусовом станке. Каждый слой маркируется, что позволяет отслеживать слои с отрицательными результатами по прочности клеевых зубчатых соединений. Толщина брусков и досок, используемых для склеивания, допускается в пределах 50 мм, а в конструкциях, подверженных увлажнению, – не более 32–
40 мм. Разнотолщинность слоев должна быть не более 0,1 мм. Шероховатость поверхности слоев обычно не определяется, и образцы – эталоны качества обработки не используются.

Склеивание

После сращивания полученная непрерывная плеть торцуется на заданную длину. Затем только на одну из пластей этой заготовки с помощью клее­наливных устройств наносится клей в виде тонких параллельных струй (рис. 3). Такая технология нанесения клея, в отличие от нанесения вальцами, обеспечивает уменьшение риска выдавливания клея на кромку и образования потеков при запрессовке пакета.

Склеивание по пласти выполняется при использовании карбамидно­
мела­ми­нового и фенольно­резорци­­нового клея. После автоматизированного перемешивания компонентов контролируется температура и вязкость клеевой композиции. Рабочая и полная жизнеспособность композиции определяются регулярно, по мере использования новых партий компонентов клея, что обязательно фиксируется в журналах.

Пакеты для прессования набираются вручную и прессуются в горизонтальном прямолинейном или криволинейном прессах рабочей длиной до 50 м.

Особенностью криволинейного пресса является автоматическая (компьютерная) настройка на необходимый радиус кривизны изделия. Продолжительность и величина давления запрессовки должны строго соответствовать требованиям производителей клея.

После распрессовки и технологической выдержки склеенного пакета от его обоих торцов отпиливают образцы для испытаний на послойное скалывание и расслаивание, которые проводятся в лаборатории предприятия, оборудованной автоклавом и вентилируемыми сушильными шкафами. Прочность клеевого шва не должна быть ниже прочности древесины на скалывание вдоль волокон.

Окончательная механическая обработка склеенных пакетов в проектный размер конструкций осуществляется на четырехстороннем станке, позволяющем получать клееный брус с сечением, соответствующим проектному заданию.

Несущие криволинейные ДКК обрабатываются только по пластям на двухстороннем рейсмусовом станке, рабочая ширина которого может достигать 2,5 м. Загрузка таких станков выполняется при помощи крана, а заготовки перемещаются по роликовым опорам.

При эксплуатации таких двух­ и четырехсторонних станков уровень шума в помещении цеха значительно превышает действующие нормы. Поэтому такое оборудование обязательно следует помещать в звукоизолирующие кабины (рис. 5).

Обработка кромок криволинейных ДКК выполняется на тех же двухсторонних рейсмусовых станках, оснащенных на выходе двумя вертикальными суппортами, или вручную – посредством ленточной пилы, перемещаемой на тележке, с последующим фрезерованием этих ДКК электрорубанками.

Для выполнения операций обработки кромок ДКК и сверления в них соединительных отверстий некоторые предприятия используют обрабатывающие центры, в которых изделие с помощью крана укладывается на стол, а портал с обрабатывающими суппортами (пила, сверлильные головки, фрезы) совершает рабочее перемещение вдоль изделия по рельсам, уложенным на полу цеха (рис. 6).

К внешнему виду ДКК, которые используются при возведении общественных, зрелищно­спортивных и других зданий и сооружений подобного типа, предъявляются достаточно жесткие требования по наличию в них сучков и качеству обработки поверхности. Поэтому для дополнительной обработки таких ДКК используется ручной и механизированный столярный инструмент, позволяющий устанавливать, например, пробки и пробки­лодочки (рис. 7). Перед отгрузкой потребителю на несущие ДКК также вручную – накаткой валиком или кистями – наносится лакокрасочное покрытие. Соединение элементов несущих ДКК в основном осуществляется с использованием накладных металлических пластин и болтов (рис. 8), реже используются соединения на клею. Вклеивание металлических стержней не практикуется. Ниже показаны подготовленные к отгрузке на строительную площадку части клееных деревянных ферм (рис. 9).

Клееные деревянные конструкции в Европе востребованы, но их производство там вряд ли будет развиваться, в первую очередь из­за ограниченных объемов собственного сырья. Это обстоятельство может способствовать экспорту такой продукции из России. Кроме того, неминуемое развитие объемов строительства индивидуальных жилых домов в самой России и странах СНГ приведет к росту спроса на деревянные дома из клееного бруса и здания на основе клееных деревянных несущих конструкций. А это говорит о существовании потенциальных возможностей для расширения таких производств в нашей стране.

Но, к сожалению, и у нас существует проблема недостатка сырья необходимого качества в необходимых объемах, которая связана прежде всего с технической отсталостью лесозаготовительных предприятий и отсутствием лесовозных дорог.

Полную версию данной статьи (с иллюстрациями) смотрите в PDF-версии журнала.

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