33. Деревянные клееные конструкции. Комплексное использование древесины и отходов деревообработки в строительстве

В настоящее время в республике в строительстве различных объектов, будь то аквапарки, спортивные, промышленные сооружения и т.д., все чаще используются деревянные клееные конструкции. По сравнению с металлом и железобетоном применение именно древесины для возведения крупнопролетных сооружений имеет целый ряд преимуществ.

Возросший интерес к древесине как к экологически чистому строительному материалу с широкими архитектурными и конструктивными возможностями отмечается во всем мире. Наряду с расширением и развитием проектной базы решаются задачи по повышению долговечности деревянных конструкций и совершенствованию технологии их изготовления.

Существующий подход позволяет на самом современном уровне проектировать деревянные конструкции для зданий и сооружений различного назначения:

общественных (стадионы, ледовые дворцы, бассейны, аквапарки, магазины, культурно-развлекательные и выставочные центры и т.д.), особенно для большепролетных спортивных сооружений и культурно-развлекательных центров;

промышленных (промышленные здания и торговые комплексы, крытые рынки и склады, сельскохозяйственные постройки (фермы, коровники и свинарники));

транспортного назначения (пешеходные и автомобильные мосты и путепроводы, железнодорожные шпалы и переводные брусья).

Кроме того, это могут быть индивидуальные жилые дома, мансарды, элементы интерьера; здания с особыми требованиями к коррозионной стойкости, акустике, сейсмостойкости, радиопрозрачности; унифицированные несущие элементы, элементы опалубки.

Применение древесины в качестве современного конструкционного материала обусловлено целым рядом положительных свойств и преимуществ.

Технологичность изготовления изделий различных габаритов и очертаний

Одно из основных преимуществ деревянных клееных конструкций от железобетонных и металлических – простота изготовления индивидуальных изделий. При этом не требуются специальные формы и опалубки, что особенно важно для нетиповых, оригинальных элементов и конструкций

Высокая экономическая эффективность

Расход инструмента и амортизация оборудования при производстве ДКК в отличие от металлических и железобетонных конструкций существенно ниже. Кроме того, энергозатраты на обработку сырья и изготовление деревянных конструкций по сравнению с металлическими меньше в 8–10 раз, с железобетонными – в 3–4 раза. Вследствие этого ДКК на 30–40% дешевле МК и ЖБК с теми же параметрами. Клееные деревянные конструкции наиболее эффективны при строительстве большепролетных объектов до 80 и более метров.

Высокая заводская готовность конструкций

Высокая заводская готовность в сочетании с высокоразвитой технологией сопряжений позволяет в короткие сроки получить здание, готовое к эксплуатации.

Низкие расходы на транспортировку

Сборка и монтаж ДКК осуществляются на месте строительства из готовых элементов, предназначенных для транспортировки неспециализированным транспортом. Значительно более низкий удельный вес дерева по сравнению со сталью и железобетоном позволяет единовременно перевозить в 4–5 раз большее количество конструкций.

Низкие трудозатраты на монтаж конструкций

Сборка, монтаж и обработка ДКК на строительной площадке не сопряжены с большими затратами по подготовке мощных фундаментов и оснований, не требуют применения специальной строительной техники, а также производства сварочных и отделочных работ.

Малая собственная масса при достаточно высокой прочности

Благодаря этому сокращаются расходы на изготовление фундаментов, отпадает необходимость применения тяжелого грузоподъемного оборудования, снижаются транспортные затраты и расходы по эксплуатации машин и механизмов при строительстве.

Огнестойкость

Огнестойкость массивных (клееных) деревянных конструкций значительно выше огнестойкости металлических конструкций. Расчетные сечения конструкций без дополнительных мероприятий позволяют обеспечивать их огнестойкость более 30 минут, а применение огнезащитных составов задерживает момент начала горения древесины. Металлические конструкции при пожаре теряют свою несущую способность внезапно (при достижении определенной температуры), а древесина в процессе горения обугливается постепенно со скоростью 0,7 мм в минуту и теряет несущую способность постепенно.

Низкая теплопроводность, высокое звукопоглощение

Поверхность деревянных конструкций всегда имеет температуру, очень близкую к температуре воздуха в помещении, что важно для ощущения теплового комфорта. В процессе эксплуатации требуется меньший расход энергии на прогрев помещения без дополнительных затрат на осуществление мероприятий по теплоизоляции. Стоимость эксплуатации деревянных сооружений по сравнению с железобетонными ниже на 20–40%.

Экологические преимущества

Нетоксичность, низкий естественный радиационный фон, слабая электризуемость являются бесспорными экологическими преимуществами древесины. Кроме того, дерево – радиопрозрачный материал, что обеспечивает благоприятную электромагнитную обстановку внутри здания, позволяя радиации от приборов и оборудования беспрепятственно излучаться вовне без многократных отражений от поверхностей помещения. Экологичность ДКК проявляется не только в отсутствии выделений вредных веществ, но и в высокой биологической совместимости дерева, его способности создавать комфортный микроклимат и благоприятную для человека психоэмоциональную среду. В отличие от других строительных материалов дерево “дышит” благодаря постоянному внутриклеточному воздухообмену, что позволяет поддерживать в помещении оптимальный для пребывания человека микроклимат, влажность воздуха.

Немаловажный с точки зрения экологии аспект – возобновляемость сырьевой базы производства ДКК.

Оригинальность и органичность архитектурных решений

Применение клееной древесины создает безграничные возможности для осуществления самых смелых и оригинальных архитектурных решений, рассчитанных не только на целостное восприятие внешнего объема, но и на “читаемость” формы изнутри. ДКК несут на себе не только конструктивную, но и визуальную эстетическую и информативную нагрузку, вовлекая наблюдателя в процесс подсознательного осмысления архитектурного объекта. Применение же металлических и железобетонных несущих конструкций в качестве элементов интерьера нехарактерно. Для улучшения эстетики их восприятия требуется отделка или декорирование, что влечет за собой дополнительные затраты.

Длительный срок службы

Деревянные конструкции долговечны по самой своей природе, а использование современных гидрофобных и биозащитных составов значительно увеличивает срок эксплуатации сооружений. Можно не опасаться, что древесина выйдет из моды или устареет: она вообще вряд ли когда-нибудь уступит пальму первенства другим отделочным и конструктивным материалам.

Основные технологические этапы производства большепролетных клееных деревянных конструкций (БКДК)

Сушка древесины в автоматических сушильных камерах

Сушка всей древесины до заданной влажности 11-12%, что обеспечивает высокое качество продукции, осуществляется в современном автоматическом сушильном комплексе фирмы "Mulhbock", Австрия.

Объем единовременной загрузки - 1 500 куб.м.

Сушка пиломатериалов является базовой операцией технологического процесса, которая повышает удельную прочность древесины, предохраняет от загнивания, предупреждает от коробления деревянных элементов при эксплуатации, улучшает склеивание, пропитку и отделку древесины. В результате сушки древесина из природного сырья превращается в промышленный материал.

Калибровка на автоматической линии

Сначала пиломатериалы проходят линию разборки пакетов на автоматической линии фирмы "Fr. Leisse", "Германия. Потом они поступают на 4-хсторонний строгальный станок "REX", Германия, где со скоростью 120 м/мин происходит предварительная калибровка досок, для того, чтобы облегчить дальнейшую оценку качества.

Визуальная оценка пороков

Далее пиломатериалы поступают на места визуальной оценки поверхности. Высококвалифицированные рабочие оценивают качество доски, отмечают дефекты и определяют сорт.

Сортировка пиломатериалов автоматической линии в пакеты заданного сорта

После определения сорта каждой единицы пиломатериалов, они автоматически отправляются в 1 из 3-х карманов, где формируются пакеты пиломатериалов заданного сорта. Автоматизированная линия сортировки позволяет оптимально распределить пиломатериалы, обеспечивая заданную прочность и несущую способность конструкции в целом.

"TURBOLH 3000" - автоматическая линия по производству несущих балок длиной до 30 м производства "Grecon", "Weinig", Германия позволяет изготавливать высокотехнологичные клееные деревянные конструкции практически любых размеров и форм - арки, рамы, фермы - длиной одного изделия до 30 метров максимальным сечением 250х2000 мм, в т.ч. криволинейные гнутоклееные.

Производительность линии - 14,4 тыс. куб. м клееных конструкций год.

Транспортные пакеты пиломатериалов, прошедшие камерную сушку в современных сушильных камерах, калибровку и сортировку на автоматической линии сортировки поступают в начальную точку линии - автоматический разборщик пакетов.

Автоматическая выторцовка дефектов

Затем заготовки поштучно поступают в торцовочный станок "Dimter", Германия, где по сигналу электронного сканера, который определяет места, отмеченные при сортировке и визуальной оценке древесины, происходит автоматическая выторцовка недопустимых пороков и дефектов.

Сращивание по длине на зубчатый шип

Далее пиломатериалы вновь собираются в пакеты. По торцам заготовок нарезается минишип и наносится клей производства концерна "AKZONOBEL", который имеет все необходимые сертификаты для применения в производстве несущих деревянных конструкций. На бесконечном прессе для склеивания заготовки сращиваются по длине на зубчатый минишип.

Промежуточная технологическая выдержка ламелей на механизированном складе до полной полимеризации клея

Срощенные ламели выдерживаются на механизированном складе длиной 30 м до полной полимеризации клея.

Калибровка ламели на 4-х стороннем строгальном станке, склейка ламели на гладкую фугу

Калибровка ламелей осуществляется на скоростном (скорость до 150 м/мин) 4-х стороннем строгальном станке с последующим нанесением клеевых систем концерна "AKZONOBEL", которые обеспечивают прочность и долговечность клеевых соединений, высокое качество продукции и безопасны для окружающей среды. На заводе впервые использована программа эффективного склеивания, которая позволяет увеличить производительность и снизить расход клея.

Выдерживание под давлением собранной БКДК в прессе

После нанесения клея и сборки сформированный пакет выдерживается под давлением в автоматическом прессе для изготовления деревянных гнутоклееных несущих балок любой формы с хордой до 30 м производства "Minda", Германия.

Данный вид оборудования на сегодняшний день - единственный в России, 4-й в мире.

Здесь происходит запрессовка и выдержка под давлением, равномерным по всей склеиваемой поверхности, для создания прочного монолитного соединения.Данные из конструкторского отдела по сети передаются на ПК линии прессовки, где в автоматическом режиме определяется положение прессовых стоек, что позволяет сократить время выставления радиуса до 20 мин, обеспечивает высокую точность геометрических размеров и гарантирует высокий уровень стандартизации конструкций.

Механическое силовое поле позволяет клеить:

• изогнутые фермы

• фермы с уступами

• стандартные фермы

Обработка изделия на большеформатном строгальном станке,

максимальная ширина строгания 2000 мм

После прохождения автоматической линии и выдерживания в прессе клееные элементы поступают в поворотный четырехсторонний строгальный станок для строгания сложных балок шириной 2000 мм длиной до 30 м, в т.ч. арочных, "REX", Германия, для фрезерования всех 4-х поверхностей.

Обработка изделия нестандартной конфигурации на автоматическом портальном обрабатывающем центре

Балки большего размера до 40 м нестандартной конфигурации, требующие высокой геометрической точности, торцовки, выборок, сверления отверстий и пр., обрабатываются на автоматическом портальном обрабатывающем центре производства "CMS".

Это уникальный, единственный в России обрабатывающий центр, который предназначен для обработки конструкций длиной до 40 м, ширина рабочей зоны - 8 м.

Высокотехнологичный центр работает с использованием программного обеспечения, что гарантирует точность обработки с погрешностью до 0,5 мм, высокий уровень стандартизации конструкций и обеспечивает высокую точность сопряжений, быстрый и легкий монтаж на стройплощадке. Таким образом, исключается негативное влияние человеческого фактора на всех этапах производства от проектирования до монтажа. Центр оснащен видеокамерами, процесс обработки транслируется на монитор оператора и дает возможность постоянно следить за процессом и управлять им дистанционно.

Заводская система контроля качества в лаборатории завода

Предприятие имеет собственную лабораторию, оснащенную современным испытательным оборудованием, что позволяет регулярно (1 раз в смену) проводить испытания клееной древесины на прочность, осуществлять контроль влажности весовыми и контактными методами. Для проверки прочности клеевых соединений используется вакуумный автоклав и камера для климатических испытаний с программным управлением. Заводская система контроля качества - неотъемлемая часть технологического процесса

Система климатического контроля

Цеха оснащены системой климатического контроля - установкой увлажнения воздуха и комплексом автоматических котельных на древесных отходах производства "Uniconfort" для поддержания необходимого климата в производственных помещениях. Общая мощность двух котлов 6,8 МВт. - 1,8 и 5 МВт

Безотходное производство

Производство на заводе "HAUS-KONZEPT" Содружество" - полностью безотходное. Опилки и другие отходы производства используются для отопления производственных помещений и для работы сушильных камер. Для этого работает установка для производства брикетов из древесных опилок и склад для хранения брикетов

Грузоподъемная техника

Для обеспечения работы основных технологических процессов необходима работа грузоподъемной техники. В арсенале компании имеются 2 универсальных погрузчика компании Combilift (Комбилифт) по 6 тонн, фронтальные погрузчики грузоподъемностью 4,5 и 5 тонн, тралы и другой внутризаводской транспорт. Высота потолков в цехах - 11 метров, для перемещения тяжелых (весом до 20 тонн) и объемных конструкций используются 10 автоматических мостовых кранов с дистанционным управлением.

Чтобы получить достаточно полное представление об использовании древесины в строительстве, ниже рассмотрены еще строительные материалы, получаемые из древесных отходов. Строго говоря, эта группа материалов в большей мере относится к искусственным материалам (ИСК), так как при их получении происходит частичное или полное изменение химического состава древесины под влиянием химической технологии. Вместе с тем эти материалы можно рассматривать как пример отсутствия четкой границы между природными и искусственными материалами, применяемыми в строительстве. Такие примеры с не вполне четкой границей раздела между этими типами материалов встречаются и при рассмотрении каменных и других материалов.

В нашей стране ежегодно заготовляется огромный объем древесины, которая направляется главным образом на нужды строительства. Однако чем больше вырабатывается деловой древесины, тем больший отход получается при лесозаготовках и переработке стволовой древесины. Технический прогресс коснулся главным образом механизированного производства столярных и древесно-волокнистых плит, деревобетона (арболита), древесностружечных плит, щитов и др., из отходов практически любых размеров. Такие плиты и многие другие изделия анизотропны по свойствам, не коробятся, не усыхают и как полуфабрикат используются при производстве красивых фанерованных дверей, встроенной мебели, облицовочных панелей, перегородок, теплоизоляционных изделий и деталей, стеновых блоков и панелей (из арболита), паркета и кровли и т. п. И тем не менее на многих лесосеках и заводах продолжает скапливаться огромное количество отходов.

Из кусковых отходов лесопиления и деревообработки могут быть изготовлены клееные панели, щиты и плиты, щитовый паркет, дверные коробки, кровельная и штукатурная дрань, кровельная плитка и гонт, заготовки для столярного производства, арболит и стеновые блоки и панели из него, древесноволокнистые и древесно-стружечные плиты и др. Они с успехом заменяют деловую древесину. Среди них особой известностью в строительстве пользуются древесно-волокнистые плиты, которые являются современным строительным и отделочным материалом. Для их получения разработаны специальные технологические линии на заводах и комбинатах строительных материалов. Особо ценные сорта плит используют для отделки стен, перегородок, дверных проемов, встроенной мебели, для облицовки кухонной мебели и других элементов в жилых, общественных и промышленных зданиях. Плиты для декоративных целей обрабатывают с получением необходимой окраски их поверхности, тиснения и пр. Большим спросом у строителей пользуются также плиты древесно-стружечные плоского прессования, применяемые в качестве конструкционного и отделочного материала. Широкое применение имеет арболит как стеновой материал. Особенно часто изделия из древесных отходов используют как теплоизоляционный материал. Значительное количество древесных кусковых отходов щепы и стружки, в частности хвойных пород, может быть использовано при производстве кровельного картона. В нем содержание древесного волокна возможно увеличить до 40% и более взамен тряпья, качество которого снизилось в связи с избытком в нем синтетических волокон, непригодных для кровельного картона.

Из опилок и стружек материалы и изделия изготовляют либо на основе вяжущих веществ (опилкобетон, ксилолит, термиз, термопорит, гипсопилочные блоки и др.), либо без применения специальных вяжущих (лигноуглеводные пластики, вибролит и др.).

При изготовлении опилочных конгломератов с введением в них вяжущих веществ кроме опилок вносятся в смесь песок, гравий, минерализаторы (жидкое стекло, известковое молоко, раствор фтористого натрия и др.). Опилки используются не только свежие, но и лежалые. В качестве вяжущих — цемент, известь, гипс, каустический магнезит и др. Так, например, для приготовления ксилолитовой смеси при производстве плит (для устройства полов) используют каустический магнезит, затворяемый на водном растворе хлористого магния. В полуторном или двойном количестве (по общему) по отношению к магнезиту добавляются в смесь опилки влажностью не более 8%, а при необходимости получения жесткого покрытия (а не пластичного) вносится еще небольшая часть кварцевого песка. В так называемые твердые опилочные плиты в качестве связующего вносятся аммиак, смолы или смесь смолы с аммиаком, а при производстве листового тырсолита толщиной от 1,5 до 8 мм используют карбамидную смолу с примесью отвердителя (контакта Петрова).

При изготовлении опилочных конгломератов без введения в их состав каких-либо специальных вяжущих веществ учитывается способность древесины к выделению собственных клеящих веществ в процессе гидролитического расщепления лигноуглеводных комплексов клеточных оболочек и полисахаридов. Технологический период характеризуется сушкой и дозированием древесных частиц, формованием и подпрессовкой на поддоне ковра необходимой толщины, горячим прессованием и охлаждением под давлением пресса. Именно по такой схеме изготовляют лигноуглеводные древесные пластики. На прочность такого пластика оказывает влияние размер древесных частиц: с их измельчением возрастает прочность пластика. Наиболее ответственный режим на стадии горячего прессования ведется при давлении 1 ... 5 МПа и температуре 160 ... 170С с последующим охлаждением плит пресса до 20°С. Имеет значение порода исходной древесной смеси. Для этих пластиков пригодны ель, лиственница, сосна, береза и осина. Готовые изделия (пластики) используют в качестве конструкционно-отделочного материала; они покрываются в технологический период облицовочным шпоном. Сходными в производстве являются пьезотермопластики — плитный или плиточный материал, изготовляемый при высоких давлениях и температуре из древесных отходов, особенно опилок, без добавления связующих веществ. Существуют две технологические схемы их производства: без предварительной обработки древесных отходов и с обработкой отходов (гидролизом) древесных опилок — горячей водой (или паром), иногда с химикатами. Пьезотермопластики используют для полов взамен паркета и дверей, в качестве отделочного материала и т. д. Из опилок и мелкой стружки после обработки в молотковой дробилке и вибромельнице, формования и горячего прессования получают плиты вибролита. После сушки плиты показывают достаточно высокие показатели качества. Вибролит используют для настила черного пола, устройства перегородок, щитовых дверей, изготовления встроенной мебели и пр.

Из коры и сучьев получают материалы и изделия на основе вводимых вяжущих или без их применения. Так, например, с применением гипсового вяжущего предложено получать королит. С этой целью подсушенная, измельченная и просеянная кора загружается в смеситель, заливается растворами антисептика (например, оксидифенил натрия) и ингибитора (например, казеина, буры, мездрового клея). Смесь объединяется с гипсовым вяжущим веществом, перемешивается до однородного состояния и в формах уплотняется при давлени. Королит применяют как утеплитель полов и стен. Вместо гипса используют портландцемент и цементно-песчаный раствор. Среди других изделий с применением коры и сучков с добавлением или без добавления связующих следует отметить изоляционные плиты, плиты из цельной коры, сучкоблоки и др. В изоляционных плитах пресс-масса из измельченной коры ели, гидрофобизатора и антипирена обрабатывается связующим в виде сульфитной барды (отхода производства целлюлозы по сульфитному способу) с последующим формованием и горячим прессованием плит. В плитах из цельной коры ели, пихты или лиственницы отсутствует какое-либо дополнительно введенное вяжущее или клеящее вещество. Для их получения снимают кору специальным образом со ствола и ее обрабатывают и склеивают в листы путем прессования. Эти плиты размером по длине до 3 м, ширине 0,4... 1,2 м и толщине до 25 мм используют для обшивки стен, перегородок, устройства кровли (иногда с покрытием известковым раствором). При изготовлении сучкоблоков используют отходы от лесозаготовок — свежесрубленные ветви сосны, ели, ивы, пихты, кедра и др. Спрессованный готовый блок из ветвей стягивается в двух местах проволокой диаметром 3 мм, а неровности в виде боковых сучков удаляются циркулярной пилой. Блоки, прошедшие антисептирование, подвергают атмосферной сушке до влажности 20... 30%, используют в бескаркасном одноэтажном строительстве, а также для изоляции. При увеличении высоты зданий применяют в сочетании с металлической арматурой диаметром 4 ... 8 мм, укладываемой на уровне перемычек, подоконников и др.

Кроме рассмотренных выше материалов и изделий из древесных отходов имеется большое количество освоенных промышленностью и широко применяемых традиционных органических теплоизоляционных и конструкционно-теплоизоляционных материалов. Они получаются с применением растительного сырья и отходов лесного и сельского хозяйства. Среди них древесно-стружечные плиты, древесно-волокнистые плиты, фибролит, арболит, камышитовые плиты, торфяные плиты и др.

Материалы и изделия с применением отходов древесины, часть которых была указана выше, являются, как правило, типичными представителями строительных конгломератов, получаемых на искусственных или естественных (лигнин, полисахариды) связующих веществах. Несомненно, что при оптимальных структурах они обладают комплексом наилучших показателей свойств, поэтому их состав следует определять с учетом ранее изложенных общих закономерностей. Вместе с тем на их примере очевидна некоторая условность границы при разделении строительных материалов на искусственные и естественные, тем более с конгломератным типом структуры.