Главная страница / ГОСТ №02/2012 / Технологии

Вечные ценности

Клееные деревянные конструкции в современном строительстве

А. В. Калугин, к. э. н., доцент, Пермский НИПУ


Древесина — древний, ценный и благородный строительный материал. В истории развития строительства имеется множество примеров выдающихся зданий, возведенных с применением деревянных конструкций, успешно эксплуатирующихся уже более века. В их числе известные исторические объекты, сохранившиеся до наших времен: Преображенский храм на острове Кижи (1710 года постройки), Московский манеж (1817 год, уникальные деревянные фермы пролетом 48 м были заменены после пожара 2004 года на точные копии, но уже из клееной древесины) и многие другие здания.
Но и сегодня благодаря наличию широкой сырьевой базы, биологической совместимости с человеком, относительно малой плотности, стойкости к солевой агрессии, высоким эстетическим свойствам и другим достоинствам древесина — один из наиболее популярных строительных материалов.

Вечные ценности. Клееные деревянные конструкции  в современном строительстве

И все же древесина, как и другие строительные материалы, имеет свои недостатки. Задача инженеров в том, чтобы, максимально использовав ее положительные качества, уменьшить влияние отрицательных и обеспечить экономически эффективное применение деревянных конструкций в конкретных условиях строительства и эксплуатации.

Перспективы применения древесины в современном строительстве многими специалистами связываются с клееными деревянными конструкциями (КДК), позволяющими снизить влияние таких природных недостатков материала, как ограниченность сортамента, анизотропию строения, а также с помощью конструктивных и химических мер защиты уменьшить опасность загнивания и возгорания.

Под КДК в данной статье понимаются, прежде всего, несущие конструкции, поперечное монолитное многослойное сечение которых состоит из склеенных между собой по пласти слоев досок, сращенных по длине на зубчатый шип и склеенных при необходимости по ширине. Поперечное сечение конструкций в большинстве случаев прямоугольное с отношением высоты сечения к ширине 3 к 12.

Применение несущих конструкций других сечений (двутавровых, коробчатых и пр.), а также клеефанерных, армированных стальной или стеклопластиковой арматурой и других комбинированных конструкций пока не вышло за рамки экспериментальных исследований и опытного строительства.

Из истории

Краткая история применения КДК в нашей стране довольно противоречива и характеризуется подъемами и спадами. Одиночные примеры использования клееных конструкций из пиломатериалов на казеиновом клее относятся к началу 30-х годов прошлого века. В опытном порядке незначительное количество объектов из КДК было построено в начале 50-х. В развитие КДК большой вклад внесли известные ученые Г. Г. Карлсен, А. Б. Губенко, А. С. Белозерова, М. Е. Коган, Н. Д. Поспелов, Ю. И. Никифоров и другие. Однако из-за отсутствия качественных синтетических водостойких клеев, несовершенства технологии и по другим причинам КДК в те годы не получили широкого распространения.

В середине 70-х под влиянием объективных факторов (увеличение объемов рассредоточенного сельского строительства, развитие малоэтажного домостроения, возрастание числа объектов с химически агрессивной средой по отношению к железобетону и стали) применение КДК в строительстве расширилось. Было построено несколько специализированных предприятий по их выпуску, оснащенных комплектным импортным оборудованием (в системе Минсельстроя СССР, в городах Нелидово, Гомеле и других), мощностью 5-10 тыс. м3 конструкций в год.

Всего в 1970-80-х годах работало более 20 деревообрабатывающих комбинатов, на которых было организовано производство КДК (в Архангельске, Волоколамске, Вологде, Вельске, Березниках, Соликамске и др.). Выпуск несущих КДК составлял примерно 60-70 тыс. м3 в год.

Структура применения

В целом КДК в России используются в основном в каркасах и покрытиях промышленных и складских зданий пролетами до 60 м и сельских производственных строениях пролетами до 18 м, на долю которых приходится более 80% выпускаемых в стране конструкций. Например, в Пермском крае более 35 лет успешно эксплуатируются склады минеральных удобрений из клееных деревянных арок пролетом 45 м. Построено много аналогичных сооружений и в других регионах страны.

На долю гражданского строительства приходится мене 10% КДК. Наиболее известные примеры — Дворец спорта в Архангельске, Крытый конькобежный центр в Крылатском в Москве, спорткомплексы в Твери и Пензе, столичные аквапарки. Изучение опыта Швеции, Финляндии, Австрии и других стран показывает, что за рубежом КДК нашли применение преимущественно в покрытиях выставочных и спортивных большепролетных сооружений.

Новый этап

С 1991 по 2001 год в связи с нестабильной экономической ситуацией в стране производство КДК было практически свернуто, лишь на отдельных деревообрабатывающих предприятиях изготовлялись небольшие партии конструкций по разовым заказам. Многие посчитали, что клееная древесина не оправдала надежд инженеров, однако в настоящее время интерес к КДК вновь вырос.

Очередному витку развития отрасли способствовало создание профсообщества — Ассоциации производителей и потребителей деревянных клееных конструкций. Успешно работают новые крупные предприятия, оснащенные современным оборудованием: ООО «Стройконструкция» в г. Королеве Московской области, «Haus-kon- zept Содружество» в г. Колпино Ленинградской обл., ЗАО «78 ДОК Н. М.» в Нижнем Новгороде, ООО «Стиллвуд» в Новосибирске, ООО «ЭКОДОМ» в Челябинске и т. д.

Для малоэтажного индивидуального домостроения расширяется выпуск профилированного клееного бруса. Для сооружений небольших пролетов развивается производство многослойного материала из шпона древесины хвойных пород LVL (г. Нягань Ханты-Мансийского АО).

Нормативная база

За прошедшие годы накоплен большой опыт проектирования, производства, монтажа и эксплуатации КДК. Однако более широкое их внедрение в практику строительства сдерживается нерешенностью некоторых проблем. Научные исследования, разработка нормативных документов, рабочих чертежей конструкций и проектов зданий с применением КДК ведутся во многих проектных институтах и вузах: ЦНИИСК им. Кучеренко, ЦНИИ-Промзданий, ЦНИИЭПсельстрой, ЦНИИМОД, ЦНИИЭП им. Б. С. Мезенцева, ОАО «Галургия» (г. Пермь), МГСУ, СПбГАСУ, Иркутском ГТУ, Пермском НИПУ и др.

Но, как и в целом в строительной отрасли, нормативная база по проектированию КДК существенно отстает от требований времени. Основополагающие нормативные документы были разработаны еще в 80-х годах прошлого века (СНиП II-25-80 «Деревянные конструкции», ГОСТ 20850-84 «Конструкции деревянные клееные. Общие технические условия» и др.). За последние годы ОАО «НИЦ «Строительство» подготовило несколько стандартов организаций, которыми пользуются проектировщики. Наиболее значимые документы — СТО 36554501-002-2006 «Деревянные клееные и цельнодеревянные конструкции. Методы проектирования и расчета» и СТО 36554501-021-2010 «Деревянные конструкции. Многослойный клееный из шпона материал Ultralam (Ультралам). Общие технические требования» и др. Обновление нормативных документов ведется с учетом развивающегося международного сотрудничества, которое требует гармонизации отечественных и европейских норм, но этот процесс оказался очень непростым.

Только в 2011 году в действие был введен свод правил СП 64.13330.2011 (актуализированная редакция СНиП «Деревянные конструкции»), однако стоит отметить, что специалисты ждали от этого документа новых подходов к решению инженерных задач. В частности, опыт расчетов реальных конструкций на устойчивость плоской формы деформирования сжато-изгибаемых элементов по формулам СНиП зачастую приводит к противоречивым результатам, так как работа конструкций в реальных условиях усложнена наличием элементов, раскрепляющих сжатые (растянутые) кромки сжато-изгибаемых конструкций (арок, рам) из плоскости деформирования, а также податливостью самих соединений. Эти вопросы требуют дополнительных теоретических и экспериментальных исследований с целью разработки более совершенной методики расчета плоской формы деформирования сжато-изгибаемых элементов, учитывающей возможности современных программных комплексов типа ANSIS, особенно при проектировании сложных пространственных сооружений.

Несмотря на периодически вносимые изменения в СНиП «Нагрузки и воздействия», касающиеся расчетных значений снеговой нагрузки для регионов страны, а также схем приложения снеговой нагрузки на различные типы покрытий, приводимые в документе схемы не всегда отражают реальную картину. Анализ фактически действующих снеговых нагрузок показал, что характер отложения снега, например, на покрытии складов из стрельчатых арок с углом наклона касательной в коньковом узле менее 15°, значительно отличается от нормативных схем в худшую сторону. Важный фактор при формировании снегового покрова на покрытии — ориентация продольной оси сооружения на местности, что не учитывается нормами. Так, в Пермском крае при расположении продольной оси складов из стрельчатых арок в направлении восток-запад (практически перпендикулярно направлению господствующих зимой юго-западных ветров), снег с южной стороны покрытия сдувается, а на северной стороне образуется снеговой мешок высотой до 2,6 м. В конце февраля — начале марта плотность снега, по данным наших измерений, достигает 400-600 кг/м3. В результате величина изгибающего момента в опасном сечении от расчетного сочетания нагрузок почти вдвое превышает величину момента, подсчитанного по нормам. Для предотвращения аварийных ситуаций необходимо усилить существующие конструкции.

Производство

В производстве КДК первостепенное значение имеет обеспечение требуемого температурно-влажностного режима в помещении цехов, правильное построение технологического процесса, строгое соблюдение режимов сушки пиломатериалов и склеивания конструкций, тщательный контроль качества на всех этапах. Изготовление КДК рентабельно только в специализированных цехах, входящих в состав деревообрабатывающих комбинатов, что позволяет рационально использовать лесоматериалы, оборудование и квалифицированный персонал, снизить накладные расходы. Попытки организовать производство КДК в кустарных условиях на обособленных мелких предприятиях без собственных сушильных камер приводят к дискредитации конструкций, которые через год эксплуатации начинают расслаиваться по клеевым швам.

Пиломатериалы

Для изготовления несущих КДК необходимо использовать пиломатериалы преимущественно второго и в небольших объемах третьего сорта для укладки в среднюю по высоте сечения зону конструкций. Толщина слоев после острожки для прямолинейных элементов и криволинейных с большим радиусом кривизны (более 5 м) должна быть 33-34 мм, для армированных слоев 34-42 мм, для гнутоклееных элементов 16-24 мм. Попытки использовать короткомерные пиломатериалы (менее 2 м) в основном третьего и четвертого сортов приводят к росту себестоимости и резкому снижению качества несущих конструкций.

Синтетические клеи

В состав любого клея входят: смола, отвердитель, наполнитель и технологические добавки. Классифицируются клеи по типу смолы. Из отечественных клеев в основном используется фенолрезорциноформальдегидный клей ФРФ-50 и его модификации. Поставки импортных клеев на российский рынок осуществляют несколько компаний, наиболее известная — шведская «КАСКО Клеевые Системы», входящая в состав международного концерна «Акзо Нобель». Клеи этой компании марки «Каскосинол» (аналог нашего ФРФ-50) успешно применяются для изготовления большепролетных конструкций общественного назначения. Клеи марки «Каскомин» — для конструкций складских и производственных зданий. Суммарный расход клея в зависимости от способа нанесения составляет 400-450 г/м2. На 1 м3 КДК расходуется 16-32 кг клея. Для изготовления армированных КДК используются эпоксидно-песчаные составы на основе смолы «Этал-370» с отвердителем «Этал-45м» (ЗАО «ЭНПЦ ЭПИТАЛ»).

По результатам испытаний наилучшие показатели прочности клеевых соединений по пласти достигаются при нанесении клея на обе склеиваемые поверхности, однако практически повсеместно используется одностороннее нанесение. Широкое использование импортных двухкомпонентных клеев с раздельным нанесением сначала отвердителя, а затем смолы позволяет существенно упростить технологический процесс. Смешивание компонентов клея происходит в основном при запрессовке многослойного пакета в прессе. Оборудование для автоматизированного выполнения этой операции также выпускается фирмой «КАСКО».

Технология изготовления

Как уже отмечалось, от качественного выполнения всех операций процесса изготовления КДК зависят надежность и долговечность конструкций. Например, прочность зубчатых шипов для сращивания первичных заготовок досок по длине зависит от качества фрезерования шипа, давления запрессовки, способа нанесения клея, вязкости клея и прочее. Расследование ряда аварий показало, что низкое качество стыков заготовок на зубчатых шипах, наряду с совмещением этих стыков в одном сечении конструкций — одна из причин обрушения. Действующими инструкциями не регламентируется месторасположение стыков по длине отдельных слоев в конструкции, так как при массовом производстве длина первичных заготовок — величина случайная, и вероятность совпадения в одном поперечном сечении элемента большинства стыков низка. Однако при небольших объемах производства необходимо контролировать количество стыков слоев в поперечном сечении конструкции (не более 25%).

Защитные составы

Для защиты от увлажнения на период транспортировки и монтажа в основном применяется быстровысыхающий грунт на акриловой основе, например «АКВИ ВУУД ПРАЙМЕР» (фирма «Tikkurila Coatings OY», Финляндия, расход 200 г/м2), а также упаковка конструкций в полиэтиленовую пленку.

Выбор экономически целесообразного способа защиты КДК — сложная инженерная задача, которую решают в каждом конкретном случае индивидуально в зависимости от нормативного срока службы, функционального назначения объекта, степени агрессивности внутренней среды эксплуатации, климатического района строительства и т. п.

В складских зданиях КДК применяются обычно без острожки боковых поверхностей и без специальной дополнительной защитной обработки, например, в складах минеральных удобрений КДК без какой-либо защиты успешно эксплуатируются уже более 30 лет. Для общественных зданий с повышенными эстетическими требованиями необходима острожка боковых поверхностей, что для крупногабаритных элементов выполнить непросто. Конструкции высотой до 800 мм острагиваются в специальных стационарных станках, в других случаях используются мобильные станки.

После острожки применяется поверхностная защита комплексными препаратами, обладающими огне- и биозащитными свойствами, не скрывающими текстуру древесины и не меняющими ее цвета. Выбор составов для защиты КДК в конкретных условиях эксплуатации невелик. Из отечественных наиболее доступны материалы фирм «СЕНЕЖ-ПРЕПАРАТЫ», «ЛОВИН-огнезащита», «Протерм ВУД» и другие. Импортные защитные составы представлены на нашем рынке концерном «Акзо Нобель», финскими и немецкими компаниями.

Торцы и опорные части КДК, соприкасающиеся с металлическими конструкциями, дополнительно обрабатываются тиоколовыми или эпоксидными мастиками. Соприкосновения же древесины с бетоном или камнем необходимо избегать, используя подушки или прокладки из пропитанной древесины, бакелизированной фанеры марки ФБС или стеклотекстолита типа КАСТ-В. Для защиты металлических соединительных элементов (болтов, тяжей) в узлах конструкций, эксплуатирующихся в агрессивной среде, используются накладки из бакелизированной фанеры или стеклопластика. Для конструкций, эксплуатирующихся на открытом воздухе, применяются также конструктивные меры защиты в виде козырьков из различных водостойких материалов.

Большая проблема — повышение огнестойкости КДК общественных зданий, однако необходимо отметить, что конструкции массивных сечений обладают достаточным пределом огнестойкости, что подтверждается специальными испытаниями и конкретными случаями в условиях реального пожара. КДК массивных сечений допускаются к применению в одноэтажных производственных и общественных зданиях III-IV степени огнестойкости без специальной огнезащиты.

Транспортировка

КДК, как правило, представляют собой крупногабаритные конструкции, значительно превышающие допустимые транспортные габариты (до 18 м), и их доставка до строительной площадки зачастую превращается в сложную задачу.

Транспортировка конструкций отдельными отправочными марками с последующей укрупнительной сборкой на стройплощадке требует разработки специальных жестких стыков, способных воспринимать изгибающий момент. Из множества таковых практическое применение получили стыки на наклонно вклеенных арматурных стержнях типа ЦНИИСК (авторы С. Б. Турковский и А. А. Погорельцев).

Опыт эксплуатации

Все объекты с применением КДК представляют собой сложную конструктивную систему элементов, изготовленных из различных материалов: основные несущие — из клееной древесины, коньковые, опорные и другие узлы — с использованием стальных или стеклопластиковых деталей. Снижение несущей способности конструкций в процессе эксплуатации происходит из-за механических повреждений, уменьшающих площадь поперечного сечения конструкций, коррозии стальных соединительных элементов и снижения прочности клеевых швов.

В начальный период освоения в производстве КДК широко использовался фенолформальдегидный клей марки КБ-3 как наиболее дешевый и достаточно надежный при соблюдении всех требований технологического процесса. Однако опыт показал, что даже незначительные отступления от требуемых техусловиями режимов его приготовления и использования в процессе эксплуатации конструкций приводят к появлению расслоений по клеевым швам, снижению их надежности и долговечности. Проведенные кафедрой строительных конструкций ПНИПУ (совместно с ОАО «Галургия») исследования прочности древесины и клеевых швов на образцах, выпиленных из натурных конструкций складов минеральных удобрений, после 30 лет эксплуатации в условиях солевой агрессии показали, что прочность самой древесины снижается незначительно (на 5-10%), а вот прочность клеевых швов на клее КБ-3 (при клеегвоздевой запрессовке) — на 30-40%; до 70% испытанных образцов разрушаются по клеевым швам. Значительно лучше аналогичные показатели для конструкций, изготовленных с применением клеев ФР-100 и ФРФ-50.

Вообще, расслоения по клеевым швам — наиболее характерные дефекты и повреждения КДК. Обычно они встречаются вблизи опорных узлов в средней части сечения конструкций, а также в арках в местах появления радиальных растягивающих напряжений поперек волокон.

Случаев загнивания КДК очень мало. В частности, отмечены единичные случаи в верхней зоне поперечного сечения арок, укрытых сверху слоем рубероида. Для повышения огнестойкости по требованию пожарных инспекторов поперечное сечение конструкций в этих зонах обшивали оцинкованными стальными листами с прокладкой из асбеста. Сечение деревянного элемента оказывалось в замкнутом пространстве без вентиляции, что приводило к конденсации влаги на поверхности и загниванию древесины. После случаев обрушения арок было принято решение обшивку снять.

Помимо отмеченных существует еще и другая проблема — обеспечения местной и общей устойчивости стрельчатых арок. Во многих складах фактическая схема расположения связей значительно отличается от проектного решения: часть связевых ферм за годы эксплуатации по различным причинам демонтирована, часть не поставлена вообще. Выявлено много случаев нарушения устойчивости плоской формы деформирования арок, отмечено проявление крутильно-изгибной формы деформирования.

Ограждающие конструкции

Ограждающие конструкции служат не только для защиты несущих конструкций и самого объекта от внешних воздействий, но и участвуют в обеспечении пространственной жесткости и устойчивости покрытия и каркаса всего сооружения.

Ранее для холодных покрытий в качестве ограждающих конструкций кровли обычно использовались дощатые щиты заводского изготовления. Срок службы такой кровли — 20-25 лет. В последнее время они постепенно заменяются на кровлю из пластиковых листов ПВХ, поликарбоната и других современных материалов, обеспечивающих повышение водостойкости кровли, а также способствующих улучшению внешнего вида и внутренней освещенности.

При устройстве кровель из легких синтетических материалов (особенно при замене старых кровель) необходимо учитывать, что в силу своих конструктивных свойств и особенностей крепления стеклопластиковых листов к прогонам или несущим конструкциям не включаются в обеспечение общей устойчивости сооружений, и зачастую требуется устройство дополнительных связей по покрытию и каркасу.

Устройство утепленных покрытий общественных и спортивных зданий, особенно с криволинейной поверхностью кровли, создает много проблем с водоотводом и с удалением снега. В качестве утепленных кровельных вентилируемых панелей обычно применяются панели размером 1,5x6 м на деревянном каркасе с обшивками из водостойкой фанеры или перфорированного цементного фибролита и алюминиевой профилированной или рулонной синтетической кровли.

Экономические показатели

Экономическая эффективность применения КДК зависит от многих факторов, решающим из которых, безусловно, является стоимость изготовления, определяющаяся стоимостью сырья, затратами на зарплату, уровнем накладных расходов и другими показателями. На цену КДК может повлиять даже неудачное назначение проектировщиками ширины сечения элементов без учета действующего сортамента пиломатериалов. Например, при проектной ширине сечения элемента 150 мм необходимо комплектовать заготовочный блок конструкции из досок шириной 160 мм (с учетом припусков на механическую обработку боковых поверхностей), а это приводит к увеличению стоимости изготовления на 30% за счет надбавки за «спецнапил», так как досок шириной 160 мм в ГОСТ 24454-80*Е нет.

С учетом среднего диаметра поставляемых в настоящее время на распиловку круглых лесоматериалов ширину поперечного сечения элементов следует назначать не более 140 мм. Для большепролетных конструкций рекомендуется применять спаренные сечения, составленные из двух-трех ветвей, устанавливаемых на один фундамент, или уменьшать шаг несущих конструкций. Склеивание заготовок по ширине для получения ширины сечения арок 300 мм освоено только на заводе КДК в г. Березники, однако включение этой операции в технологический процесс ведет к увеличению стоимости изготовления конструкций на 30%.

Необходимо отметить, что КДК в силу специфики требуют к себе более бережного отношения, чем традиционные конструкции из железобетона и стали, и не являются типовыми конструкциями массового изготовления. Их применение наиболее эффективно в индивидуальных проектах спортивных, выставочных и других большепролетных общественных зданий, что позволяет улучшить архитектурную выразительность объектов и получить определенный социальный эффект.

Основная номенклатура несущих КДК

стрельчатые и А-образные арки пролетом 45 м;

металлодеревянные арки (марка АМД, серия 1.860-6, вып. 1);

металлодеревянные фермы (марка МДФ, серия 1.863-2, вып. 1, 2);

стрельчатые арки пролетом (марка ДСА, серия 1.863-3, вып. 1);

гнутоклееные рамы (марка ДГР, серия 1.822-1, вып. 2, 3);

сегментные металлодеревянные фермы (серия 1.263-1, вып. 1, 2);

клееные деревянные балки (серии 1.462-2, 1.463-2, 1.463-6, 1.262-1);

конструкции индивидуального изготовления разнообразной формы

teh_1_1.gif


ГОСТ №02/2012

Х Закрыть

Выберите год и месяц

Х Закрыть

Не найдено ни одного номера журнала.

ГОСТ


События

18.09. Санкт-Петербург потратит на "Зенит-Арену" ещё 18,8 млрд руб.

18.09. Санкт-Петербург выделит в 2014 г. на развитие метро 21 млрд руб.

17.09. Мост стоимостью 1,5 млрд руб. в Астраханской области построен за 7 месяцев


Вакансии