Инженерная древесина в деревянном домостроении

Инженерной древесиной называют конструкционные строительные материалы, изготовленные с использованием древесины и связующих. В этой публикации будет рассмотрено место клееных деревянных конструкций (КДК), бруса из клееного шпона (LVL) и перекрестно склеенных плит (CLT) в строительстве, а также основные требования к их применению.

Начнем рассказ об инженерной древесине, ее характеристиках и требованиях, предъявляемых к ней в строительстве, с клееных деревянных конструкций.

Требования к элементам КДК

Роль склеивания в деревообработке невозможно переоценить. Эта технологическая операция используется:

Клееная продукция может быть получена с использованием всех трех видов склеивания: по толщине, по длине и по ширине.

Строительные конструкции подразделяются на несущие и ограждающие. Использование древесины в несущих конструкциях дает большой эффект, так как в них удается сочетать высокие прочностные свойства древесины, ее низкую плотность, декоративность. Клееные деревянные конструкции позволяют получать легкие безопорные сооружения большого пролета (до 120 м).

С целью экономии древесины в угловых соединениях можно использовать вставку на прямых или зубчатых шипах. В качестве связующего применяют мочевиноформальдегидные и меламиноформальдегидные клеи для балок, эксплуатируемых в защищенных условиях, и резорциновые клеи - для балок, находящихся в условиях повышенной влажности или под действием атмосферных условий. В России также активно используются полиуретановые клеи. Расход клея составляет 250-400 г/м² готовой продукции.

В деревянном домостроении выделяют три типа клееных деревянных конструкций:

1. Многослойный стеновой брус.

2. Многослойные несущие балки.

3. Двух­-, трех­-, четырехслойные несущие балки.

Многослойные несущие балки формируются из нескольких горизонтальных слоев. Стеновой брус, а также двух­-, трех­- и четырехслойные балки склеиваются из соответствующего количества ламелей, которые располагаются, как правило, вертикально. Двух­- и трехслойные балки склеиваются из слоев таким образом, чтобы в сооружении клеевой шов располагался вертикально. Доски располагают внутренней стороной (обращенной к сердцевине) наружу, так как в этом случае меньше риск образования трещин. Двух­- и трехслойные балки используют в рамных конструкциях, решетчатых сооружениях, стропилах, опорах. В Европе такие балки в основном используются как видовые в стропилах мансарды и перекрытий.

Нормы производства КДК

Нормы проектирования деревянных конструкций изложены в СНиП II­-25­-80. Нормы производства КДК описаны в ГОСТе 20850.

По условиям эксплуатации различают категории КДК по классам конструкций, исходя из трех уровней ответственности сооружений:

В зависимости от условий эксплуатации устанавливаются расчетные сопротивления на разные виды нагрузок.

Как показывает практика, несмотря на обилие строительных материалов, большинство из которых значительно прочнее и долговечнее древесины, клееные деревянные конструкции (КДК) нашли применение в строительной индустрии и пользуются неизменным спросом благодаря целому ряду преимуществ перед конструкциями из других материалов (в том числе перед металлическими и железобетонными). Среди этих преимуществ:

а) высокая прочность при малом весе;

б) новые архитектурные возможности;

в) возможность возведения больших пролетов;

г) возможность строительства на участках с малой механизацией;

д) высокая огнестойкость конструкций (для КДК со сплошным сечением, подвергшихся воздействию огня, характерно его самозатухание по мере обгорания периферийных зон деталей и сохранение несущей способности конструкций);

е) отсутствие температурных деформаций.

В зависимости от назначения различают три класса продукции из КДК:

1. Строительные элементы, в которых главными являются их архитектурные качества. Отделка должна подчеркивать природную структуру древесины, поверхности должны быть загрунтованы под прозрачное покрытие.

2. Элементы общестроительного назначения. Отделка может быть укрывистой.

3. Элементы, для которых внешний вид не имеет значения. Строгания боковых поверхностей не требуется, внешнее покрытие необходимо только для защиты от воздействия внешних факторов.

По температурно­-влажностным условиям эксплуатации различают три категории элементов из КДК:

Для изготовления элементов КДК допускаются пиломатериалы только хвойных пород (сосна, ель, пихта) с прочностью чистой древесины: при растяжении - не менее 85 МПа, при изгибе - не менее 65 МПа, при сжатии - не менее 35 МПа, при скалывании - не менее 6 МПа.

Требование для всех классов несущих балок: влажность пиломатериалов перед склеиванием должна быть 8-15 %, разница влажности отдельных пиломатериалов не должна превышать 4 %.

В связи с опасностью возникновения больших внутренних напряжений при склеивании толстых досок приняты ограничения по этому параметру: для элементов категории С толщина досок не должна превышать 50 мм, для других категорий допускается толщина не более 40 мм. Для криволинейных деталей толщина досок должна быть не менее 20 мм и в то же время не превышать 1/200 радиуса изгиба. Толщина ламелей в несущих балках 1-2­-го классов должна быть не более 32 мм, в балках 3­-го класса - 45-50 мм.

Клееные слоистые материалы (LVL)

Сегодня предприятиями реализуется ряд технологий, снижающих влияние отрицательных проявлений недостатков древесины (например, явно выраженной анизотропии) на качество деревянных конструкций. Одна из них - технология изготовления многослойного клееного материала типа фанеры с преимущественно продольным расположением волокон древесины в слоях шпона. Этот материал получил международное название LVL (Laminated Veneer Lumber). Разные производители запатентовали свои названия материала.

LVL-­брус (брус из клееного шпона) - это конструкционный материал, изготовленный по технологии склейки слоев лущеного шпона древесины хвойных пород (сосны, ели) толщиной 3,2 мм каждый.

LVL-­брус был разработан в 1935 году в Северной Америке и введен в производство в 1960­-е годы компанией Wayerhauser (США). Этот прочный древесный материал использовался для производства самолетных пропеллеров и других авиационных компонентов.

Перечислим достоинства LVL как строительного материала.

Физико­-механические. Конструкции из LVL долговечны и не теряют характеристик и привлекательности на протяжении всего срока эксплуатации. Исключен риск влияния естественных пороков древесины на качество материала. Структура материала гомогенна и симметрична, физические свойства неизменны по всей длине конструкции. Материал сохраняет геометрические размеры и физические свойства вне зависимости от сезонных факторов, изменений окружающей среды и климатических условий, не деформируется и не коробится от сырости, имеет минимальные показатели естественной усушки.

Использование конструкций из этого материала обеспечивает высокую точность сопрягаемых изделий (за счет стабильности линейных размеров) по сравнению с обычной древесиной, которая подвержена разбуханию и короблению. У LVL-­бруса более высокая прочность, чем у обычной древесины или традиционного клееного бруса из ламелей, а также высокая несущая способность при меньшем поперечном сечении. Материал не впитывает влагу (поэтому собственный вес балки во влажной среде остается неизменным), обладает повышенной устойчивостью к агрессивным средам (водяным парам, аммиаку, парам солей и т. д.), оптимальным соотношением прочностных и весовых показателей. Он более био-­ и огнестойкий по сравнению с обычной древесиной, характеристики био-­ и огнестойкости легко повышаются после обработки антисептиками и антипиренами. Причем обработка защитными средствами не представляет особых трудностей.

Обладая высокими теплоизоляционными и акустическими характеристиками, этот материал хорошо сочетается со многими другими звуко-­ и теплоизоляционными материалами. 
В конструкциях из LVL нет «мостиков холода» (по пустотам и крепежным элементам), а также исключен риск образования конденсата и гниения. Материал отлично поддается обработке любыми режущими инструментами как в условиях производства, так и на строительной площадке.

Использование изделий из бруса обеспечивает удобство, легкость и высокую скорость монтажа конструкций. Для соединения элементов балок между собой и с другими материалами можно применять широко известные конструктивные решения и распространенные крепежные изделия. Различные элементы на основе балок, повышающих их конструктивные характеристики, несущие качества (двутавровые балки, коробчатого сечения и т. д.), можно изготавливать как на предприятии, так и прямо на строительной площадке.

Испытания, проведенные специалистами ЦНИИСК им. Кучеренко, показали, что прочность LVL-­бруса в 1,5-3 раза выше прочности клееного бруса. Конструкции из LVL-­бруса, обладая большим запасом прочности и повышенной сейсмостойкостью, не требуют устройства усиленного фундамента и несущих конструкций здания и рекомендованы для использования в сейсмоопасных районах.

Экономические. Материал изготавливается толщиной от 21 до 106 мм и шириной от 100 до 1800 мм, а в длину может достигать 18 м и более, что позволяет легко решать проблемы, связанные с устройством большеразмерных перекрытий в зданиях и сооружениях. Причем стоимость LVL-­бруса не зависит от его длины и сечения. Эксплуатационные затраты при использовании LVL­-бруса отсутствуют (для сравнения: при использовании конструкций из металла необходимо один раз в 3-4 года обновлять покраску конструкций для предотвращения коррозии, что весьма проблематично при некоторых видах конструктива).

Применение LVL-­бруса позволяет отказаться от сварочных работ и использовать на строительной площадке технику небольшой грузоподъемности, так как вес балок и конструкций из LVL-­бруса меньше веса аналогичных изделий из металла и бетона. Обладая высокими физико­-механическими свойствами, LVL­-брус полностью сохраняет внешнюю структуру дерева, что позволяет использовать изделия и конструкции из него в интерьере, не прибегая к дополнительной отделке.

Экологические. LVL-­брус - экологически чистый композитный материал на основе натуральной древесины.

Сегодня в России LVL-­брус выпускают два предприятия: на заводе «Талион Терра» (г. Торжок, Тверской обл.) изготавливают брус с фирменным названием Ultralam; на заводе в г. Нягань (Ханты­-Мансийский АО) этот материал производят под фирменным названием «LVL-­Югра». При достижении проектной мощности оба завода смогут ежегодно поставлять строительной промышленности страны около 200 тыс. м³ LVL-­бруса. Этот объем примерно равен суммарному годовому объему производства КДК из пиломатериалов на всех имеющихся в стране заводах.

Перекрестно склеенные панели (CLT)

Панель CLT (международное название X-­Lam, в немецкоговорящих странах - BSP) - массивная несущая древесная плита, которая идеально подходит для реализации архитектурных решений любой сложности и отвечает самым высоким конструкционным требованиям. Заводов по производству панелей CLT в России пока нет, однако у наших строителей есть возможность приобретать этот материал в Европе - несколько австрийских заводов десять лет назад наладили его производство на самом высоком уровне: и продукция, и технология отвечают самым высоким западным стандартам. Крупнейшим производителем КДК и CLT в Европе является австрийская компания «Майер­-Мелнхоф Кауфманн», ее продукция в России реализуется через лесопильный завод Майер-­Мелнхоф Хольц Ефимовский в Ленинградской области.

Технология производства. Сращенные и строганые ламели укладываются поочередно крест­-накрест на рабочий стол клеенаносящей машины. Чтобы избежать неконтролируемого образования трещин, кромки досок не проклеиваются. Слои проходят предварительное прессование с краев перед использованием основного пресса (1,2 H/мм²) для получения бесшовной поверхности. Сформированная плита поступает на станок механической обработки с ЧПУ, на котором выполняется цикл формирования оконных и дверных проемов, технологических отверстий, кабель-­каналов и прочих элементов. На выходе получаются готовые стеновые, кровельные или межэтажные элементы длиной до 16 м, высотой до 3 м, толщиной от 60 до 300 мм, которые собираются на строительной площадке, как конструктор.

Достоинства материала:

Применение. Благодаря превосходным прочностным и экологическим свойствам, а также возможности быстрого изготовления строительных конструкций панели CLT широко применяются в Европе. Этот материал используют при возведении стен и устройстве перекрытий и крыш в отдельных жилых домах, многоэтажных зданиях, общественных зданиях, детских садах и школах, коммерческих и офисных зданиях, промышленных корпусах и на складах товаров, в модульных сооружениях, беседках, навесах, гаражах и пр.

Екатерина ФУРМАН,
Юрий Костин, ООО «Майер-Мелнхоф Хольц Ефимовский»

Фото предоставлены Mayr-Melnhof Holz Holding AG