Решения проблем деревянного домостроения. Часть 6

Оптимизация параметров пилопродукции

Решения проблем деревянного домостроения. Часть 1. Организация домостроительного производства
Решения проблем деревянного домостроения. Часть 2. Технологический процесс домостроения
Решения проблем деревянного домостроения. Часть 3. Гибкие технологии домостроения
Решения проблем деревянного домостроения. Часть 4. Новые возможности деревянного домостроения
Решения проблем деревянного домостроения. Часть 5. Лиственная древесина в малоэтажном домостроении
Решения проблем деревянного домостроения. Часть 7. Конструкторско-технологическая документация в домостроительном производстве
Решения проблем деревянного домостроения. Часть 8. Обеспечение качества продукции домостроения

В малоэтажном домостроении используется большое количество деревянных конструкций, изделий и деталей. Их общий перечень и удельная стоимость в комплекте всех строительных материалов для малоэтажного здания из любых стеновых конструкций столь значительны, что дают основание все малоэтажное (особенно - жилищное) строительство называть деревянным домостроением.

Таблица 1. Общая классификация и примерный перечень
деревянных конструкций, изделий и деталей для малоэтажных
зданий

Номенклатура продукции строительной деревообработки, используемой в малоэтажном домостроении, может быть классифицирована по ее основным признакам: конструкции, изделия, детали (табл. 1). Основанием для такой классификации являются принятые в строительной терминологии понятия:

• конструкция - часть здания или другого строительного сооружения, выполняющая определенные несущие, ограждающие и/или декоративные (эстетические) функции;
• изделие - элемент строительной конструкции;
• материал - элемент, в т. ч. штучный, предназначенный для создания строительных конструкций зданий или сооружений и для изготовления строительных изделий.

Из этих определений следует, что деревянная деталь - это штучный строительный материал, предназначенный для изготовления деревянных изделий и/или для создания строительных конструкций.

Параметры пилопродукции

Функциональное назначение конструкций и изделий определяет требования к параметрам деталей (размерам, прежде всего к поперечному сечению, прочностным свойствам древесины, ее влажности и др.). Эти требования, в свою очередь, обуславливают необходимые параметры пиломатериалов и заготовок и, в конечном счете, параметры исходного древесного сырья - пиловочных бревен, т. е. их породу, диаметр и длину, наличие и размеры пороков.

Несовпадение этих параметров в технологических процессах дерево­обработки - от раскроя пиловочных бревен до получения требуемых деталей - является основной причиной образования больших объемов отходов древесины (не менее половины объема пиловочных бревен), усложнения всего производственного процесса и увеличения его издержек.

Для решения этой проблемы необходима оптимизация параметров пилопродукции и пиловочника, используемых для изготовления деревянных деталей. Оптимизация должна базироваться, во-первых, на четкой классификации деталей по их функциональному назначению, во-вторых, на определении предпочтительных размеров сечения требуемых пиломатериалов и заготовок и, в-третьих, на унификации норм ограничения пороков древесины в системе «бревно - доска - заготовка - деталь».

Классификация деталей

 Большинство деталей предназначены для изготовления деревянных конструкций и изделий, используемых в малоэтажном строительстве. Условия эксплуатации конструкций и изделий формируют конкретные требования к применяемым деталям. Эти требования определяют необходимые параметры деталей, что позволяет подразделить все многообразие деревянных деталей на несколько групп, каждая из которых характеризуется конкретным функциональным назначением.

Первую группу образуют детали, выполняющие преимущественно декоративные и ограждающие функции, например карнизы, подзоры, наличники и т. п. Эти функции определяют требования не только к сечениям этих деталей, но и к существенному ограничению пороков древесины, допуская при этом широкое применение мягколиственной древесины (см. ЛПИ № 8, 2013 год).

Вторую и третью группы составляют детали, подвергающиеся основным эксплуатационным нагрузкам в несущих конструкциях зданий (например, балки перекрытий, пояса ферм и др.), и детали, испытывающие значительные нагрузки как в несущих, так и в ограждающих конструкциях зданий, в частности, прогоны, лаги, доски пола. К параметрам таких деталей предъявляются наиболее высокие требования по прочности и по перечню используемых пород древесины.

Таблица 2. Функциональные группы деталей и параметры
пиломатериалов для их изготовления

К четвертой группе относятся малоответственные детали, выполняющие вспомогательные функции в разных конструкциях здания (накладки, вкладыши, бобышки, ветровые связи и т. п.). Характеристики деталей всех четырех групп представлены в первых трех колонках табл. 2.

Такая классификация деталей позволяет, во-первых, обоснованно подойти к нормированию качества деталей каждой группы и сформировать требования к параметрам используемых пиломатериалов (порода древесины, поперечное сечения, сортность - т. е. наличие и размеры пороков) и, во-вторых, оптимизировать технологический процесс изготовления деталей на основе целевого раскроя пиломатериалов, соответствующих каждой группе деталей. Это обеспечит существенное сокращение отходов древесины из-за несоответствия качества пиломатериалов качеству вырабатываемых деталей.

Сечения пилопродукции

Размеры ширины и толщины деталей, характеризующие их поперечное сечение, определяются функциональным назначением деталей и обосновываются проектно-конструкторскими расчетами и решениями. Решения принимаются с учетом стандартных величин сечения пилопродукции, прежде всего - пиломатериалов, регламентированных ГОСТ 24454­80 «Пиломатериалы хвойных пород. Размеры» и ГОСТ 2695­83 «Пиломатериалы лиственных пород. Технические условия». В соответствии с этими стандартами общее число значений сечения, т. е. сочетаний ширины и толщины, может составлять несколько десятков.

Руководствуясь стандартными размерами пиломатериалов и преследуя благую цель экономии древесины (за счет максимального соответствия расчетных и стандартных значений сечения деталей), разработчики проектов (особенно - типовых) малоэтажных зданий предусматривали 40-50 значений сечения пиломатериалов для одного типа зданий. При этом технологические возможности их изготовления не учитывались, что на практике приводило не к экономии, а к перерасходу пилопродукции.

В качестве примера можно рассмотреть типовой проект малоэтажного брусчатого здания, массово изготовлявшегося в конце прошлого века. Этим проектом предусматривалось применение пиломатериалов толщиной 19 мм (стандартный размер) для изготовления монтажных досок в беспороговых внутренних дверях. На комплект деревянных деталей брусчатого здания требовалось 5-6 таких деталей, т. е. одна доска длиной 5-6 м. Другие детали толщиной 19 мм в проекте этого здания не предусматривались. Ни на одном домостроительном предприятии не производили спецнапил пиломатериаов толщиной 19 мм, и для изготовления монтажных досок использовались пиломатериалы толщиной 25 мм, которые были необходимы для изготовления других деталей.

Имеются и другие примеры. Североамериканские домостроительные фирмы для строительства малоэтажных каркасных домов используют всего два основных сечения пиломатериалов: 50х50 мм и 50х100 мм (2х2 дюйма и 2х4 дюйма). В строительных конструкциях таких зданий применяют специальную водостойкую фанеру толщиной не менее полудюйма (12,5 мм), которая выполняет не только ограждающие, но и несущие функции. Типологическое многообразие отечественного малоэтажного домостроения не позволяет столь радикально минимизировать количество типоразмеров сечения пилопродукции, но и не должно за счет широты диапазона размеров стандартного сечения усложнять технологии их получения и повышать издержки деревообрабатывающих производств.

Оптимизация перечня необходимых сечений пилопродукции должна, с одной стороны, удовлетворять основные функциональные требования к деталям каждой группы и, с другой, минимизировать производственные затраты на изготовление деталей. Критериально таким условиям должны соответствовать обоснованные предпочтительные сечения пиломатериалов.

Такое обоснование включает в себя комплекс аналитических работ: анализ условий эксплуатации деталей в конкретных конструкциях; изучение спецификаций деталей в различных проектах малоэтажных зданий; исследование технологических схем раскроя пиловочных бревен и выхода пиломатериалов с учетом рационального использования сырья; определение минимально необходимых производственных площадей для размещения, накопления и хранения операционных запасов пиломатериалов и распределения их по основным древесным породам (хвойные / мягколиственные) и др.

Результат этих работ - три значения толщины и пять ширины пиломатериалов, сочетание которых позволяет использовать не более 10 сечений (без учета сечения стеновых брусьев). Эти сечения обеспечивают выполнение всех основных функциональных требований к деталям всех групп и позволяют оптимизировать схемы раскроя (постава) пиловочных бревен. Предпочительные сечения пиловочника включены в проект межгосударственного ГОСТа «Детали деревянные для малоэтажных зданий. Общие технические условия», разработанного фирмой «МП "ДОМ"» взамен ГОСТ 11047-90 «Детали и изделия деревянные для малоэтажных жилых и общественных зданий. Технические условия». Эти сечения приведены в четвертой колонке табл. 2.

На выход деталей при раскрое влияют два основных фактора: неидентичность сечений и несоответствие качества (по наличию и размерам пороков) пиломатериалов и требуемых деталей. Первый фактор локализуется вышеизложенными предложениями по минимизации вариантов сечений пилопродукции. Второй фактор в общем виде характеризуется сортами (группами качества) пиломатериалов, которые формируются исходя из наличия и размеров пороков на поверхности пиломатериалов, вскрываемых при раскрое пиловочных бревен. Однако нормирование пороков в пиломатериалах существенно отличается от нормирования пороков в пиловочных бревнах, что блокирует возможность оптимизации второго фактора и тем самым препятствует минимизации отходов древесины, образующихся при изготовлении деталей. Для реализации этой возможности необходима унификация нормирования пороков древесины во всей технологической системе «бревно - доска - заготовка - деталь».

Нормирование качества пиловочника

Существующая система оценки и нормирования качества пиловочных бревен и пилопродукции базируется на разных способах измерения и ограничения десятков видов пороков древесины. Например, сучки на поверхности бревен нормируют в абсолютных размерах, а в пиломатериалах - в долях ширины их сторон; гнили и грибные поражения нормируют в долях диаметра бревен, а в пиломатериалах - по площади этих пороков на сторонах досок и т. д.

Различие способов измерения и методов нормирования пороков не только усложняет оценку качества пиловочника и пилопродукции в реальных производственных условиях, но и затрудняет достоверное планирование объемного и посортного выхода пилопродукции, не способствует рациональному использованию древесного сырья, а также блокирует решение проблемы автоматизации оценки и контроля качества пиловочника.

Исследованиями и практикой установлено, что качество хвойного пиловочника в 95 случаях из 100 (т. е. с достоверностью не ниже 0,95) оценивается по наличию и размерам всего трех основных пороков - сучков, гнилей и кривизны. Гнили и кривизна - причина сокращения объемного выхода обрезных досок, а сучки - основной сортообразующий порок пиломатериалов. Но если нормирование гнилей в долях диаметра пиловочника удовлетворительно коррелирует со снижением выхода пиломатериалов, то принятая в действующих стандартах оценка кривизны в процентах длины бревен прямо не связана с уменьшением выхода обрезных досок. Авторскими расчетами доказана прямая пропорциональность величины кривизны (стрелы прогиба), которая измеряется в долях вершинного диаметра бревна, снижению выхода обрезных пиломатериалов. Например, выход уменьшается на 20%, если у бревна с вершинным диаметром 20 см стрела прогиба 4 см, т. е. 0,2 вершинного диаметра.

Возможность нормирования сучков на поверхности бревен также в долях вершинного диаметра бревен, как основного технологического параметра лесопиления, может быть реализована при учете и на основе следующих условий:

а) качество пилопродукции (сорт пиломатериалов или группа деталей), имеющей сучки, оценивается по отношению размеров сучков к ширине (пласти) или толщине (кромке) доски, на которых имеются сучки. Такой метод сортообразования учитывает, прежде всего, различное влияние пластевых и кромочных сучков на прочностные свойства пилопродукции. Поэтому на ее пластях допускаются сучки более крупных размеров, чем на кромках;

б) пиломатериалы следует вырабатывать по схемам раскроя бревен, обеспечивающих местоположение сортообразующих сучков на кромках необрезных брусьев, а при их раскрое на обрезные доски - на их пластях;

в) для применения таких схем раскроя следует учитывать и использовать в лесопилении типы концентрации сортоопределяющих сучков на поверхности бревен.

Объясняется это тем, что под влиянием различных условий произрастания деревьев сучки размещаются по окружности стволов не равномерно, а концентрируются в определенных местах в частях поперечного сечения бревен. Разделение поперечного сечения на четыре равные части образует четвертины. Около половины хвойного пиловочника имеет сучки сортоопределяющих размеров только на одной четвертине, почти треть бревен - на двух противоположных четвертинах, а у каждого седьмого-восьмого бревна такие сучки есть на двух смежных четвертинах. Таким образом, почти 90% хвойного пиловочника имеют явно выраженные типы концентрации сортоопределяющих сучков, что позволяет ориентировать бревна перед их раскроем (перед брусовкой) с учетом расположения таких сучков на кромках необрезных брусьев, а при их раскрое - на пластях получаемых обрезных пиломатериалов.

С учетом того, что по теории оптимального раскроя бревен толщина необрезного бруса должна быть равна 0,7 вершинного диаметра бревна, а толщина необрезного бруса - ширине обрезной доски, отношение размера (диаметра) сучка на пласти доски равно отношению размера сучка к 0,7 вершинного диаметра.

На основе этой зависимости и с учетом норм ограничения сучков на пластях пилопродукции (по ГОСТ 8486­88 «Пиломатериалы хвойных пород. Технические условия» и проекта ГОСТ 11047 «Детали деревянные для малоэтажных зданий. Общие технические условия») можно сделать следующие выводы:

• бревна, имеющие сучки диаметром не более 0,175 вершинного диаметра, обеспечивают получение обрезных пиломатериалов преимущественно отборного и первого сортов, оптимально соответствующих требованиям для деталей первой и второй групп;
• бревна с сучками диаметром до 0,35 вершинного диаметра позволяют получить обрезные пиломатериалы в основном второго и третьего сортов, из которых могут быть выработаны детали третьей группы;
• бревна, на поверхности которых имеются сучки диаметром до 0,7 вершинного диаметра, являются сырьем для получения пиломатериалов четвертого сорта и, соответственно, деталей четвертой группы.

Тем самым локализуется и второй фактор образования отходов древесины при распиловке бревен и раскрое пиломатериалов на детали требуемых групп качества, т. е. обеспечивается оптимальный расход пиловочника, имеющего сучки сортообразующих размеров.

Нормирование сучков, кривизны и гнилей в долях вершинного диаметра хвойного пиловочника регламентировано стандартом «НТО древпром» - СТО НТО ДП-2-12 «Бревна пиловочные хвойных пород. Технические условия», который может быть использован домостроительными предприятиями, ведущими собственное лесопиление.

Изложенные выше предложения по классификации деревянных деталей для малоэтажного домостроения по предпочтительным типоразмерам сечения пиломатериалов, а также по единой системе нормирования качества пиловочника и получаемой из него пилопродукции для домостроения способствуют решению важной проблемы рационального использования древесного сырья. Эти предложения имеют современную нормативную базу и не требуют значительных затрат времени специалистов предприятий для их использования в производстве. При этом следует учитывать, что предложения по нормированию качества пиловочника и пилопродукции базируются на существующих способах оценки и нормирования качества деталей по критериям ограничения пороков древесины, что весьма приблизительно характеризует, в частности, прочностные свойства древесины деталей второй и третьей групп, испытывающих основные и значительные нагрузки в строительных конструкциях малоэтажных зданий. Для более точной оценки прочности этих деталей должны применяться другие способы и средства оценки их качества.

Силовая сортировка пилопродукции

Прочность древесины обусловлена влиянием многих факторов. К ним относятся порода древесины (поэтому прочность хвойной древесины оценивается выше, чем прочность древесины мягколиственных пород), ее строение (количество годовых слоев на 1 см, соотношение ранней и поздней древесины и др.), положение доски по сечению и длине ствола, пороки (сучки, трещины и др.) и т. д. Многообразие этих факторов объясняет большой диапазон значений прочности древесины даже в пределах одного сорта пиломатериалов или группы качества деталей. Поэтому регламентируемые стандартами нормы ограничения пороков определяют не столько реальную прочность древесины, а лишь минимально допустимые ее значения.

Реальную прочность древесины пилопродукции можно определить только по результатам ее силовой сортировки, т. е. по величине нагрузки, выдерживаемой каждой единицей пилопродукции (балкой, прогоном и др.). Действующим ГОСТ 11047 и его новым проектом предусмотрено, что детали второй группы должны выдерживать нагрузку при статическом изгибе не менее 24 МПа, а детали третьей группы - не менее 16 МПа при нагружении на кромку. Эти нормативы соответствуют классам прочности деревянных деталей, установленных Еврокодом 5 «Деревянные конструкции». Для оценки фактической прочности разработаны и применяются специальные технические устройства, встраиваемые в линии сортировки пиломатериалов.

Практика силовой сортировки подтверждает ее эффективность, потому что, во-первых, объективно оценивается реальная прочность древесины и, во-вторых, почти исключаются времяемкие операции по выявлению и измерению имеющихся в пилопродукции пороков древесины, нормы ограничения которых теперь могут иметь лишь справочное значение. Применять силовую сортировку выгодно как при поставке пилопродукции потребителям, заказывающим определенные классы прочности, так и при больших объемах собственного малоэтажного домостроения, а также - как показывает опыт ряда европейских фирм - при изготовлении деревянных клееных конструкций с гарантированной прочностью. В России разрабатывается нормативная и техническая документация для обеспечения силовой сортировки пиломатериалов, используемой при изготовлении несущих деревянных конструкций.

Бревна и брусья стеновые

В малоэтажном домостроении, и особенно - в индивидуальном строительстве, существенное место занимают бревенчатые и брусчатые стеновые конструкции. Наряду с традиционными окоренными бревнами и пилеными брусьями довольно широко стали использоваться оцилиндрованные бревна, клееные и фрезерованные брусья. По условиям эксплуатации бревна и брусья выполняют не только несущие и ограждающие, но зачастую и декоративные функции - имеет значение их внешний вид. Они являются отдельными деталями третьей группы качества. Но технические требования к этим деталям недостаточно конкретизированы в существующих нормативных документах, что не лучшим образом влияет на рациональное использование древесного сырья для изготовления этих древесиноемких деталей.

Такое положение учтено стандартом «НТО древпром» - СТО НТО ДП-1.3-12 «Здания жилые малоэтажные. Бревна и брусья для стеновых конструкций. Технические условия». Стандарт регламентирует классификацию бревен и брусьев, в т. ч. по типам их угловых соединений, устанавливает нормы ограничения пороков для всех видов этих деталей и другие требования, обеспечивающие качество бревен и брусьев при оптимальном использовании исходного древесного сырья. Ряд основных требований этого СТО включен в проект ГОСТ 11047 «Детали деревянные для малоэтажных зданий. Общие технические условия».

Предложения по оптимизации параметров пилопродукции, используемой в домостроительных производствах, могут осваиваться предприятиями на основе разработки и применения новых или корректировки имеющихся внутренних технических (положения, инструкции и т. п.) и технологических (режимы, чертежи, карты) документов, среди которых важнейшее значение имеет комплектная конструкторско-технологическая документация. Ее структуру и основное содержание мы рассмотрим в следующей статье.

Виктор КИСЛЫЙ, директор фирмы «МП "ДОМ"», канд. техн. Наук