клеевой соединение деревянный конструкция
Клеевые соединения являются наиболее прогрессивными видами соединений элементов деревянных конструкций заводского изготовления. Их основой являются конструкционные синтетические клеи. Эти соединения характеризуются рядом важных достоинств. Склеивание дает возможность из досок ограниченных сечений и длин изготовлять клееные элементы несущих конструкций любых размеров и форм. Они могут быть прямыми и изогнутыми, постоянного, переменного и профильного сечения, длиной, измеряемой десятками метров, и высотой, измеряемой метрами.
Клеевые соединения являются прочными, монолитными и имеют такую малую податливость, что ее можно не учитывать при расчетах и считать клееные элементы как цельные. Клеевые соединения являются водостойкими, стойкими против загнивания и воздействия ряда химически агрессивных сред, что обеспечивает долговечность клееных элементов. Эти соединения технологичны, и их осуществление без затруднений механизируется и автоматизируется, требуя ограниченных трудозатрат. Однако склеивание допускается только в специально оборудованных отапливаемых цехах с приточно-вытяжной вентиляцией для удаления вредностей и под строгим лабораторным контролем. При склеивании имеется возможность использовать древесину маломерную и пониженного качества путем удаления значительных пороков с последующим стыкованием. Это оправдывает экономическую целесообразность применения склеивания и является причиной быстрого роста объемов производства клееных деревянных конструкций.
Факторы влияющие на склеивание древесины
В деревообрабатывающих производствах широко распространено склеивание при изготовлении клееной слоистой древесины, трехслойных панелей и т.д. Качество клеевого слоя и его эксплуатационная надежность зависят:
- от вида древесины и ее подготовке к склеиванию;
- от вида и качества клея;
- от контроля за процессом склеивания;
- от типа клеевых соединений или конструкций;
- от влаги, исключающей эффективность отделки или защитную пропитку, применяемую к клееному продукту.
Кроме этих факторов на прочность соединения влияют условия эксплуатации.
Способность к склеиванию различных древесных пород
По отношению к склеиванию древесные породы можно классифицировать на 4 группы:
1) Очень хорошо склеиваются самыми различными клеями по разнообразной технологии (осина, каштан, тополь, ива, пихта, лиственница, ель);
Изготовление клееных деревянных элементов и конструкций
... Склеивание является единственным способом получение жестких монолитных соединений древесины. Склеивания используется: при изготовлении несущих клееных деревянных конструкций, ... увеличение вязкости клея и уменьшение усадки клеевого шва. Требуемое для смешивания количество ... Из древесины изготовляют: деревянные несущие конструкции (балки, прогоны, стропила, арки, рамы); ограждающие конструкции ...
2) Хорошо склеиваются некоторыми клеями по относительно различающейся технологии (ольха, липа, орех, вяз, сосна);
3) Удовлетворительно склеивается клеями высокого качества в хорошо контролируемых условиях склеивания (ясень, клен, дуб);
4) Для получения хорошего результата требуется тщательный выбор клея и строгий контроль условий склеивания или специальная подготовка к склеиванию.
Считается, что древесина склеена удовлетворительно, если прочность соединений, склеенных на ребро, примерно равна прочности древесины при этом виде напряженного состояния. Это критерий принят для обычных жестких клеев. Кроме того, получение удовлетворительного соединения зависит от плотности древесины, ее строения, влажности во время склеивания, наличия в ней экстрактивных или отложившихся веществ, вида и качества клея.
Плотные древесные породы требуют клеев наивысшего качества и более тщательного контроля процесса склеивания, чем древесные породы малой плотности. Лиственные породы особенно высокой плотности труднее склеивать, чем хвойные породы, а ядровую древесину труднее, чем заболонь. Некоторые породы значительно отличаются по возможности склеивания.
Виды клеев
При производстве деревянных клееных конструкций широкое применение нашли следующие виды клеев — EPI — система; полиуретановые; резорциновые и фенолрезорциновые; меламиновые (см. таблицу 1).
Выбор соответствующего клея зависит главным образом от древесных пород и вида соединения (особенно от величины напряжений и напряженного состояния, характерных для условий эксплуатации), технических свойств клея, степени надежности для данных условий эксплуатации, стоимости.
Существуют еще различные классификации клеев:
- классы водостойкости клеев (D3 — столярный;
- D4 — наружный водостойкий;D4 ++++ — водостойкий с повышенными свойствами;
- классы экологической безопасности: Е3, E2, E1 (Европа);
- F***, F**** (Япония);
- Классы эксплуатации: 1 и 2 (Европа); А, В, С (Япония).
Таблица 1. Виды клеев применяемые в деревянных клееных конструкциях
|
Тип клея |
Форма клеев |
Свойства |
Способы приготовления и нанесения |
|
|
Меламиновые |
Обычно поставляется в форме порошка с катализ. или без него, либо в виде водных растворов, содержащих 60—70% твердого вещества. |
Высокая прочность соединений в сухом и мокром виде. Повышенная влагостойкость в зависимости от вида и количества катализатора. Цвет белый или светло-коричневый |
Смешивание с водой и нанесение при комнатной температуре; для отверждения требуется нагрев от 120 до 150 °С |
|
|
Резорциновые и фенолрезорциновые |
Имеется несколько марок жидких клеев, пост. комплексно с отвердит.; некоторые марки являются комб. фенольных и резорц. смол |
Высокая прочность соединений в сухом и мокром виде. Весьма высокая водо- и влагостойкость. Стойкость к высоким температурам выше, чеем древесины. Цвет темно-красны |
Смешивание с отвердителем и нанесение при комнатной температуре; большинство пород склеиваются при комнатной температуре |
|
|
Полиуретановые |
Бесцветная прозрачная вязкая однородная жидкость. |
Стойки к действию масел, топлив, плесневых грибов, имеют хорошую адгезию к металлам, пластмассам, силикатному и органическому стеклу, древесине, текстильным материалам. Особенно высокими механическими свойствами харак. клеевые соединения «горячего» отверждения. При длит. воздействии воды свойства соединений могут несколько ухудшаться. П. к. сравн. дороги; некоторые исходные вещества для их синтеза (например, толуилендиизоцианаты) токсичны. |
Компоненты смешивают при ~ 20 °C непосредственно перед применением ; жизнеспособность образующихся при этом пастообразных составов от 30 мин до ~ 3 ч. Продолжительность отверждения клеевого слоя, который наносят кистью или шпателем, от нескольких часов до 2 сут при комнатной температуре или 2—6 ч при 60—120 °C. |
|
|
EPI — система |
Поставляется в жидком виде, готовом к употреблению |
Обычно высокая прочность соединений в сухих условиях. Низкие водостойкость и стойкость к повышенным температурам. Ползучесть соединений под постоянной нагрузкой. Белый шов |
Наносится и прессуется при комнатной температуре |
|
Подготовка к склеиванию. Сушка и кондиционирование перед склеиванием
Влажность древесины при склеивании значительно влияет на прочность соединений, на появление в древесине трещин и стабильность размеров склеенных элементов. Большие изменения во влажности древесины после склеивания вызывают напряжения усушки и разбухания, которые могут серьезно ослабить прочность древесины и соединений и вызвать коробление разного рода и другие нежелательные явления. Не принято склеивать свежесрубленную древесину или древесину с высоким содержанием влажности, в частности лиственные породы высокой плотности, которым свойственны высокие коэффициенты усушки при изменении влажности.
Существенно, что влажность древесины должна быть низка на столько, чтобы даже после некоторого увлажнения при склеивании она приблизительно соответствовала уровню эксплуатационной влажности.
Значение влажности древесины при склеивании согласно этому принципу в значительной степени зависит от того, связан ли процесс склеивания с нагреванием, как при горячем прессовании, или оно производится при комнатной температуре.
Повышение влажности древесины при склеивании зависит от ее толщины, числа слоев, плотности древесины, рецептуры клея, количества наносимого клея и технологии склеивания (горячее или холодное прессование).
При горячем прессовании значительная часть воды испаряется и таким образом уменьшается влажность изделия, выходящего из пресса.
Для изделий, предназначаемых для службы на открытом воздухе, влажность перед склеиванием в большинстве случаев должна быть 10 -12 %.
В пиломатериалах, высушенных перед склеиванием до требуемой средней влажности, могут, однако, проявляться различия во влажности между разными досками и между внутренней частью и поверхностью отдельных заготовок. Значительная разница во влажности склеиваемых друг с другом заготовок может впоследствии вызвать большие напряжения в клеевых слоях и привести к расслаиванию и короблению изделий. Предназначенные для склеивания пиломатериалы для получения высококачественных клееных изделий должны быть также свободны от таких дефектов сушки, как остаточные напряжения, коробление, трещины и т.д.
Механическая обработка пиломатериалов перед склеиванием
Склеиваемые поверхности древесины должны быть гладкими, ровными, свободными от следов механической обработки, поврежденных волокон и других поверхностных дефектов. Лучше машинную обработку производить непосредственно перед склеиванием, чтобы поверхность не успели деформироваться при возможном изменении влажности. Для равномерного распределения давления во время склеивания все подлежащие склеиванию слои должны быть одинаковой толщины. Не большое различие в толщине отдельных элементов может впоследствии значительно изменить клеевое изделие.
Поверхности после распиловки обычно имеют больше неровностей, чем после фугования, строгания или обработки на других станках с ножевыми головками. Некоторые типы пил дают значительно более гладкий пропил. Если сразу склеивать распиленные пиломатериалы, применение таких пил даст экономию рабочей силы и материалов. Хорошо распиленные поверхности могут давать соединения приблизительно равные по прочности соединениям строганных поверхностей. Качество склеивания пиломатериалов на ребро по ширине непосредственно после прирезных станков считается при надлежащем контроле вполне удовлетворительным. Но если за пилами нет тщательного ухода, соединения распиленных поверхностей обычно менее прочны и однородны по качеству, чем соединения строганных и фуговальных поверхностей.
Шлифование также может обеспечить для склеивания поверхность нужного качества, если используются мелкозернистые шлифовальные материалы.
Условия качественного склеивания
Для получения прочного при использовании жидкого клея он должен полностью смачивать деревянные поверхности и создавать пленку равномерной толщины, свободную от посторонних веществ. Так как различные древесные породы различаются по впитывающей способности, данный клей в одинаковых условиях склеивания может пропитывать одну древесину больше другой. Ограниченная пропитка не является нежелательной и даже может оказаться полезной, если деревянные поверхности склоны к механическим повреждениям. Чрезмерная пропитка ведет к излишнему расходу клея и может привести к тощим клеевым слоям.
С плотными породами, которые трудно качественно склеить, вязкий клей обычно дает лучшие результаты, так как вязкость влияет на пропитку клеем древесины. Так как клеи служат для соединения различных пород, более длительная продолжительность сборки (время между нанесением клея и прессованием) обычно требуется для более плотных, чем для менее плотных древесных пород, чтобы дать клею больше загустеть до приложения давления. Большая продолжительность сборки для плотных пород требуется в связи с тем, что они меньше впитывают клей, чем легкие древесные породы. Для оптимальной степени пропитки отдельных пород может потребоваться специальный подбор полимера и состава клея.
Давление прилагается для того, чтобы клей образовал тонкую непрерывную пленку между склеиваемыми поверхностями для удаления воздуха из соединения, приведения поверхностей древесины в тесный контакт с клеем и поддержания в таком положении, пока клеевой состав высохнет или утвердится. Отверждение ускоряется увеличением температуры клеевого слоя.
Для клея низкой вязкости или такого клея, вязкость клея которого сильно снижается при отверждении, следует применять невысокое давление. Следовательно, при склеивании клеями промежуточной вязкости давление надо варьировать. Наибольшая прочность соединений получается в тех случаях, когда вязкость клея позволяет применять умеренно высокие давления 0,7 — 1,7 Мпа.
Давление следует поддерживать по меньшей мере до тех пор, пока прочность соединения не достигнет таких значений, чтобы противостоять внутренним напряжениям, стремящимся разделить склеиваемые элементы.
Долговечность клеевых соединений
Долговечность клеевых соединений в деревянных элементах зависит от вида клея, технологии склеивания, условий службы, отделки или защиты поверхности, расчета и конструкций соединений. Влажность имеет большое значение не только потому, что она влияет на влажность самого клея, но и потому, что изменение влагосодержания влияет на внутренние напряжения, развивающиеся в клеевом соединении. Эти внутренние напряжения, а следовательно, поведение соединений в условиях службы зависят от конструкции соединения, толщины слоев, плотности и показателей усушки применяемых древесных пород.
Клеевые соединения, правильно изготовленные на резорциновых клеях, прочнее обычной не склеенной древесины при действии воды, тепла и повышенной влажности, попеременного увлажнения и сушки и температур, при которых древесина обугливается. Этот клей обеспечивает неограниченную долговечность при эксплуатации изделий с их применением на открытом воздухе. Утверждаемые при высокой температуре меламиновые клеи без катализаторов показали отличную долговечность в течении 20 лет в соединениях пиломатериалов. Соединения на поливинилацетатных дисперсионных клеях обладают умеренной влагостойкостью, но низкой водостойкостью; тенденция появления соединений к ползучести под влиянием напряжений обычно возрастает с повышением температуры и влажности.
Виды обработки, которые могут применятся для увеличения долговечности клееных изделий: покрытия, снижающие колебания влажности в древесине, пропитка древесины антисептиками. Покрытия, предохраняющие от поглощения влаги, снижают усадку и напряжения, возникающие при набухании, которые происходят при меняющихся условиях внешней среды, однако они не являются надежной защитой при длительной эксплуатации во влажных условиях. Антисептики могут снизить скорость обмена с атмосферой и защищают от биологического повреждения.
Виды клеевых соединений. Склеивание по ширине
Склеивание пиломатериалов кромками (рис. 2.1, а) на гладкую фугу для большинства пород при испытании на скалывание вдоль волокон, растяжение поперек волокон и раскалывание может дать клевой слой такой же прочности, как древесина. Теоретическим преимуществом клеевых соединений в паз и гребень (рис. 2.1, б) и других профилированных соединений по сравнению с соединением на гладкую фугу является повышение площади склеивания, однако практически прочность клеевых слоев большинства древесных пород не увеличивается. К тому же это преимущество часто полностью или частично пропадает вследствие того, что профилированные поверхности трудно хорошо подогнать друг к другу. Из-за плохого контакта эффективная площадь склеивания и прочность соединений при склеивании профилированных элементов могут быть ниже, чем при склеивании плоских поверхностей. Основное преимущество клеевых соединений в паз и гребень и других профилированных соединений — быстрота установки в зажимах и прессе. В этом отношении мелкий паз и гребень также эффективен, как и глубокий паз и гребень, но требует меньшего расхода материала.
Рис. 2.1. Склеивание пиломатериалов кромками: а — на гладкую фугу; б — в паз и гребень
Склеивание по длине
Клеи на водной основе и технология склеивания ими практически не позволяют получить клеевые соединения впритык (рис. 2.2, а), которые были бы достаточно прочными или долговечными в обычных условиях эксплуатации. При самом тщательном склеивании нельзя обеспечить при соединении торцов впритык прочность клеевого слоя, превышающую 25% прочности древесины на растяжение вдоль волокон, применяя обычные клеи на водной основе. Для того чтобы получить клеевой слой, приближающийся по прочности к прочности древесины разных пород на растяжение вдоль волокон, необходимо применять зубчатые, на ус или другого вида соединения, увеличивающие площадь склеивания. Площадь склеивания должна, по крайней мере, в 10 раз быть больше площади поперечного сечения детали, так как древесина в 10 раз прочнее при растяжении, чем при скалывании. Зубчатые соединения могут быть горизонтальными (рис. 2.2, г) или вертикальными (рис. 2.2, в).
При вертикальном соединении клеевой слой прочнее, но требуется длинная режущая головка с большим количеством фрез.
Рис. 2.2. Виды торцевых клеевых соединений: а — впритык; б — на ус; в — вертикальное конструкционное зубчатое; г — горизонтальное зубчатое
Правильно выполненное клеевое соединение (зубчатое, на ус или в нахлестку) ведет себя при циклических испытаниях подобно массивной древесине. Кривые, показывающие зависимость напряжений от числа циклов до разрушения, похожи на соответствующие кривые для массивной древесины, если повторные напряжения выражаются в виде процента от кратковременной статической прочности.
Склеивание угловых соединений
Угловые клеевые соединения торцовых и боковых поверхностей на гладкую фугу трудно сконструировать таким образом, чтобы они несли нагрузку. Кроме того, на такие соединения во время эксплуатации действуют значительные внутренние напряжения от изменений размеров при колебании влажности. Такие напряжения могут быть достаточно высокими, чтобы вызвать разрушение. Поэтому приходится применять соединения особой формы, шиповые, на вставной шип, в паз и гребень и т.п. для усиления соединений на гладкую фугу путем непосредственного соприкосновения боковых поверхностей или увеличения площади склеивания. Все угловые соединения надо тщательно защищать от значительных колебаний влажности во время эксплуатации.
Клееные строительные конструкции
Существует два типа деревянных клееных строительных конструкций — массивные и составные из древесины и фанеры. Каждый из этих типов имеет свои достоинства.
Клееные массивные конструкции и их виды
Клееные массивные конструкции состоя из двух или большего числа слоев древесины, склеенных между собой таким образом, что волокна всех слоев приблизительно параллельны. Клееные конструкции могут различаться, числом размерами, формой и толщиной слоев.
Клееные конструкции могут быть прямолинейными и криволинейными. Арки криволинейной формы применяют в сооружениях для создания перекрытий пролетом более 94 м. Прямые конструкции обычно имеют пролеты до 30 м, а иногда до 40 м. Применяются элементы высотой более 2 м. Можно спроектировать и изготовит прямые балки с горизонтальными (параллельными нейтральной оси) ил вертикальными (перпендикулярными нейтральной оси) слоями. Наиболее распространены клееные конструкции с горизонтальными слоями.
Виды клееных массивных конструкций:
Клеёные стеновые брусья (рис. 3.1)изготавливаются из 2 — 3 слоёв повышенной толщины. Высота сечения брусьев должна составлять не менее 180 мм — только такой размер обеспечивает необходимый визуальный эффект (например, у финских производителей брусья для толщины стены 200 мм имеют чистый размер, без гребней, 204 мм).
При необходимости можно изготавливать брусья с повышенной высотой сечения, до 260 — 270мм, за счёт склеивания двух брусьев, как показано на рисунке справа. Это стандартная практика финских изготовителей.
Для изготовления используются доски радиальной распиловки, при этом наружные слои обязательно разворачиваются внутренними слоями наружу. В результате, на видимых поверхностях брусьев все сучки оказываются здоровыми сросшимися. Удаление дефектных участков практически не производится, сращиваются длинные доски, поэтому зубчатые соединения на поверхностях расположены через большие промежутки — это также придаёт более натуральный вид брусьям и позволяет, что немаловажно, экономить материалы.
Рис. 3.1. Клееный стеновой брус.
Профиль брусьев — простой, с двумя невысокими гребнями и соответствующими им пазами. Такой профиль не создаёт проблем при сборке дома и позволяет равномерно уложить уплотнитель.
Клеёные конструкционные элементы (рис. 3.2) — группа изделий, к которой можно отнести двух-, трёх- и многослойные балки и колонны для домостроения, элементы массивных перекрытий и т.п.
Двух- и трёхслойные конструкционные элементы имеют большие перспективы применения в деревянном домостроении, где поперечное сечение деталей обычно невелико, зато ценятся натуральный вид и традиционные пропорции. При числе слоёв не более трёх можно делать эти слои толстыми, не опасаясь расслоения, что позволяет экономить древесину, клеевые материалы, энергию, и достигать высокой производительности. Расположение слоёв балок при эксплуатации, как правило, вертикальное. Принцип двух- и трёхслойных конструкционных элементов используется и при изготовлении стеновых брусьев.
Рис. 3.2. Клееные конструкционные элементы.
При изготовлении многослойных конструкционных элементов размеры исходных пиломатериалов в меньшей степени определяют размеры сечения продукции (рис. 3.3),поэтому такие элементы распространены более широко и диапазон размеров здесь больше. Расположение слоёв многослойных балок — горизонтальное.
Рис. 3.3. Размерная таблица сечений многослойных балок.
Массивные перекрытия являются популярным в Европе видом клеёных конструкций благодаря их высокой несущей способности, повышенной шумоизоляции и эстетическим свойствам. В России элементы массивных перекрытий также имеют большие перспективы применения. Размеры элементов аналогичны размерам многослойных балок и колонн.
Область применения клеёных конструкционных элементов: навесы, зимние сады, стропила, балочные конструкции, мосты, складские, спортивные и производственные сооружения, опоры, стойки, перила, беседки и галереи.
Цельные конструкционные элементы(KVH — Konstruktionvollholz — букв.»цельная конструкционная древесина») — продукция, рынок которой в Европе сегодня превышает рынок клеёных слоистых элементов. Во многих сферах строительства цельная конструкционная древесина успешно заменяет более дорогую клеёную (слоистую).
В России перспективы применения цельной конструкционной древесины пока связаны лишь с распространением центральное европейской технологии каркасно-панельного домостроения, которая основывается на широком применении KVH для изготовления каркаса. Длинномерные пиломатериалы обезличенной длины 12 м могут быть использованы для изготовления обвязок каркаса (во всю длину стены, т.е. до 12 м) или жераскроены на более мелкие детали с минимумом отходов. Основные сечения элементов KVH, используемых для изготовления каркаса: 60 х 120; 60 х 160; 60 х 180; 60 х 200 мм.
За рубежом брусья KVH сечением до 160 х 240 мм широко используются в деревянном домостроении в качестве элементов, к которым не предъявляются требования по декоративным свойствам (трещины снижают их), а также для изготовления конструкций для наружного использования.
Процесс изготовления цельных конструкционных элементов состоит в сращивании заготовок требуемого конструкционного сорта на длину до 12 — 13,5 м и четырёх сторонней строжке.
Преимущества клееных массивных конструкций
Клееные массивные конструкции обладают существенными преимуществами:
- простотой изготовления крупных строительных конструкций из пиломатериалов стандартных размеров;
- возможностью создания индивидуального декоративного стиля в интерьерах за счет придания практически неограниченных различных криволинейных форм;
- сведением до минимума растрескивания и других дефектов сушки, характерных для конструкций из цельной древесины, так как отдельные слои клееных элементов являются довольно тонкими и высушиваются до изготовления конструкций;
- возможностью конструирования, основанной на прочности высушенной древесины для сухих условий эксплуатации, так как можно высушивать отдельные слои и получать полностью сухие строительные конструкции;
- возможностью проектирования строительных конструкций переменного сечения в соответствии с требованиями расчета;
- возможность применения низкосортных материалов для отдельных слабонагруженных слоев без снижения несущей способности всей конструкции;
- возможностью изготовления длинномерных конструкций из коротких отрезков, так как существует тенденция уменьшения выхода пиломатериалов большей длины и высоких сортов.
При изготовлении клееных конструкций возникает, однако, ряд факторов, с которыми не приходится встречаться при изготовлении конструкций из цельной древесины:
- подготовка пиломатериалов к склеиванию и процесс склеивания обычно повышают стоимость готовой продукции по сравнению с продукцией из цельной древесины;
- так как прочность клееных конструкций зависит от качества клеевых соединений, процесс склеивания требует специального оборудования, технических возможностей и квалификации;
- при изготовлении клееных конструкций по сравнению с цельными требуется несколько дополнительных операций, причем необходимо уделять больше внимания каждой операции для получения продукции высокого качества;
- большие криволинейные конструкции неудобны при монтаже и перевозки на обычном транспорте.
Предупреждение появления внутренних напряжений в массивной клееной конструкции
Для наилучших результатов при производстве клееных конструкций нельзя допускать появления значительных внутренних напряжений, возникающих при изменении влажности. Основные причины возникновения внутренних напряжений — это различия в величине усушки и разбухания отдельных элементов. Следует так подбирать отдельные слои древесины, чтобы они по возможности усыхали и разбухали примерно в одинаковой степени. Если слои изготовлены одной породы или из пород с одинаковыми показателями усушки, причем все они либо тангенциальной, либо радиальной распиловки и имеют одинаковую влажность, можно рассчитывать, что в конструкции не возникнут внутренние напряжения и она не изменит свою форму и не растрескается.
Не следует включать слои, сильно подверженные усушки в продольном направлении из-за чрезмерного наклона волокон.
Хотя соблюдение этих принципов целесообразно, однако на практике могут встретиться обстоятельства, затрудняющее точное их выполнение. Например, в строительных конструкциях из хвойной древесины, предназначенных для внутреннего применения, разделение пиломатериалов по характеру распиловки обычно не обязательно.
Могут быть допущены колебания во влажности слоев в пределах 5% в одной и той же конструкции, не оказывающие значительного влияния на прочность конструкции. Но средняя влажность должна быть такой же или немного ниже по сравнению с влажностью, которой древесина достигает в условиях эксплуатации.
Качество склеивания
Качество склеивания в клееных конструкциях для эксплуатации в сухих условиях проверяют, испытывая накалывания двухслойные образцы. Критериями качества считают прочность при скалывании и процент разрушения по древесине. Для клееных конструкций, которые должны эксплуатироваться в тяжелых условиях, испытания на скалывание не дают соответствующей гарантии. Такие клеевые соединения должны выдержать без значительного расслаивания высокие внутренние напряжения, возникающие в результате быстрого попеременного увлажнения и высыхания. Имеются промышленные стандарты на конструирование и изготовление клееных строительных конструкций и технические условия.
Прочность и жесткость
Прочность при изгибе клееных деревянных конструкций с горизонтальным расположением слоев из пиломатериалов разных сортов зависит от их расположения. Высокосортные пиломатериалы можно использовать в наружных частях конструкций, где эффективно используется их высокая прочность, а низкосортные — во внутренние части, где низкая прочность не окажет заметного влияния на прочность конструкции в целом. Рационально размещая древесину разных сортов, можно рассредоточить сучки и повысить прочность конструкции. Как показали исследования, даже при случайном размещении слоев сучки редко оказываются расположенными один над другим в соседних слоях конструкции. Несмотря на положительное влияние случайного размещения в конструкции отдельных снижающих прочность пороков, данные испытаний показывают, что клееные конструкции не имеют повышенной прочности по сравнению с конструкцией из цельной древесины. Другими словами, склеивание древесины само по себе не повышает прочность конструкции, за исключением случая склеивания очень тонких слоев.
В основном на прочность влияют сучки, наклон волокон и прочность клеевых соединений. Влияние этих факторов не совокупно, т.е. прочность конструкции определяется влиянием одного из трех факторов, снижающего ее в наибольшей степени. В необходимых случаях следует учитывать также влияние криволинейности балки и масштабный фактор.
Комбинированные клееные конструкции из цельной древесины и фанеры
Склеиванием цельных и фанерных элементов получают высокоэффективные составные конструкции. Можно полностью использовать несущую способность фанеры и в то же время заполнить ею большие открытые пространства. Недостаток таких конструкций — малые огне- и биостойкость, если не обеспечена пропитка или защита. Листы фанеры, довольно тонкие по сравнению с массивной древесиной, не огнестойки.
Вот некоторые виды такого вида конструкций:
- балки коробчатого и двутаврового сечения (рис. 3.4, а;
- б) с цельными или клееными полками из пиломатериалов и фанерными стенками имеют хорошие показатели жесткости и прочности при изгибе и скалывании. Полки воспринимают основную часть изгибающего момента, а стенки обеспечивают сопротивление скалыванию Должна быть обеспечена также поперечная устойчивость балок при действии эксплуатационных нагрузок. Если трудно обеспечить поперечную устойчивость, следует остановится на балках коробчатого сечения, так как их жесткость при продольном изгибе и при кручении выше, чем у двутавровых балок. С другой стороны, следует отдать предпочтение двутавровой балке, если трудно обеспечить местную устойчивость стенки, так как по расчету на поперечный изгиб толщина стенки двутавровой балки в 2 раза больше, чем одной стенки коробчатого сечения.
— панели с фанерной обшивкой(рис. 3.4, в) представляют собой эффективные строительные конструкции для перекрытий, стен и перекрытий зданий и сооружений, состоящие из сплошных фанерных листов, приклеенных к деревянным ребрам. В изгибаемых панелях основную долю момента воспринимает фанерная обшивка, а ребра обеспечивают сопротивление скалыванию.
Рис. 3.4. Конструкции из цельной древесины и фанеры: а — балка двутаврового сечения; б — балка коробчатого сечения; в — панель с фанерной обшивкой
Технологический процесс производства клеёной деревянной конструкции. Подготовка пиломатериалов
Механическая обработка начинается с предварительного строгания досок. Строгание слоев облегчает последующий контроль качества древесины при торцовке и сращивании пиломатериалов. В линии сращивания потери древесины значительно снижаются, так как устраняется разноширинность досок, и создаются хорошие базовые поверхности для последующих технологических операций.
Сортировка досок в отличие от другой продукции, где на первое место выдвигаются требования к внешнему виду поверхностей, должна проводится по прочности досок. Сортировка по несущей способности позволяет существенно улучшить использование пиломатериалов, так как более жесткие слои можно расположить в нагруженных зонах изгибаемой балки и при равной прочности клееного элемента использовать меньшие поперечные сечения балок.
Наряду с сортировкой по модулю упругости существуют машины, оценивающие плотность чистой древесины в пиломатериалах. Они не способны реагировать на сучки и другие пороки древесины, но вместе с визуальной оценкой внешнего вида или машинной сортировкой по модулю упругости могут дать наиболее точную оценку несущей способности строительных пиломатериалов.
Затем доски поступают на торцовочные станки или на линию с автоматической торцовкой для вырезки дефектов, отмеченных оператором или машиной. Припуск по длине заготовок в условиях данной конкретной задачи не учитывается, так как отрезки в дальнейшем сращивается по длине.
Сращивание пиломатериалов
Доски различной длины далее сращиваются на зубчатый шип в непрерывную ленту, которая раскраивается на слои нужной длины. При вырезке дефектов типа сучков нужно иметь в виду, что зубчатое соединение не обеспечивает 100%-ную прочность доски в месте стыка. Снижение прочности зависит от степени ослабления поперечного сечения в местах кончиков шипов. Степень ослабления равна отношению затупления шипа к шагу соединения.
Зарезку вертикальных шипов и склеивание следует выполнять в течение одного дня с тем, чтобы изменения влажности не вызвали дефектов склеивания. Нанесение клея должно быть двухсторонним. Сращивание осуществляется при продольном давлении, но в некоторых случаях требуется и поперечное давление для предотвращения отгибания крайних шипов. Полное давление следует прикладывать в течение не менее 2 с. Оно должно составлять для хвойной древесины при длине шипов до 10 мм не менее 12 МПа , при длине 60 мм — 2 МПа. Для лиственной древесины давление увеличивают на 30%. Поперечное давление для хвойной и лиственной древесины может не превышать 2-3 МПа. Для полного отверждения клея слои должны выдерживаться не менее 24 часов при температуре помещения не ниже 18 °С (если не используется дополнительный подогрев во время прессования).
При ТВЧ-нагреве мощность генератора должна быть не менее 3 кВт. В противном случае есть опасность повреждения соединений при перемещении слоев и их укладке в штабель. После сращивания слои попадают на поперечный конвейер, длина которого определяется максимальной длиной слоя.
Следующей операцией технологического процесса является строгание двух пластей сращенных слоев (ламелей).
Соответствующий станок может располагаться непосредственно за установкой сращивания, после площадки буферного запаса сращенных слоев или непосредственно перед клеенаносящим станком. Строжка непосредственно перед нанесением клея дает наиболее ровные и чистые поверхности. В строгальном станке главное внимание следует уделять качественной подготовке поверхностей под склеивание.
Нанесение клея на пласти
Нанесение клея чаще всего производится методом налива и клеенаноситель находится сразу за строгальным станком. При этом необходимы большие скорости подачи (до 150 м/мин), что обеспечивает нужный расход клея (250 — 400г/м ) и малое открытое время выдержки. Клеенаносящее устройство готовит клей смешиванием двух компонентов, после чего он подается в трубу сотверстиями. Клей наносится на верхнюю пласть доски, которая сразу передается на участок сборки пакетов и прессования.
Прессы для получения крупногабаритных деталей
В зависимости от конструкции различают следующие прессы для склеивания крупногабаритных деталей:
- Горизонтальный гидравлический и/или механический пресс с переставляемыми блоками для криволинейных балок, в том числе с дополнительным боковым давлением (силовой пол)
- Вертикальный гидравлико-механический пресс (с боковыми цилиндрами для выравнивания слоев)
- Вертикальный гидравлический проходной пресс с ТВЧ-нагревом.
Требуемое давление составляет 0,6 — 1,2 МПа, расстояние между зажимными элементами для прямых балок должно быть не менее 400 мм, для криволинейных балок — не менее 300 мм.
Послепрессовая обработка деталей
После распрессовки и выдержки для полного отверждения клея балки должны быть простроганы по пласти для удаления подтеков клея и получения ровной поверхности под отделку. Для этой цели созданы специальные рейсмусовые станки с шириной строгания от 400 до 2600 мм. Особенно широкие станки имеют вверху и внизу по два ножевых вала, расположенных под углом и перекрывающих друг друга в середине ширины строгания. Каждый вал имеет свой привод, поэтому при строгании узких балок можно включать только половину привода резания.
Послепрессовая обработка не сводится только к строганию балок. Необходимо еще выполнить ряд операций для превращения балки в изделие, готовое для монтажа на строительной площадке. Нужно опилить торцы балок с помощью торцовочного станка и придать балке необходимую форму. Работы могут выполняться в том же потоке, что и строгание балок. Для этих целей имеется много специальных приспособлений для выполнения пропилов, запилов, сверлений и т.п. Иногда возникает необходимость раскроить длинную балку на более короткие. Для этого также существуют большие торцовочные станки. При больших размерах продукции целесообразно использовать ручные пилы, дрели и т.п.
Заключительной операцией является упаковка продукции для защиты от высокой влаги воздуха и атмосферных осадков. Операция выполняется на упаковочных машинах, которые обволакивают балку термоусадочной пленкой.
Заключение
В строительной практике деревянные клееные конструкции применяются в зданиях и сооружениях самого различного назначения. По сравнении с аналогичными железобетонными конструкциями, использование клееных конструкций позволяет снизить массу конструкции в 4-5 раз, трудоёмкость изготовления и монтажа более чем 2 раза.
Наибольший экономический эффект от применения клееных конструкций достигается при перекрытии ими больших пролетов (18-36 м) — такие пролеты имеют кинотеатры, крытые рынки, бассейны, выставочные залы, легкоатлетические манежи, конноспортивные сооружения, а также их используют в зданиях и сооружениях, подверженных химически агрессивному воздействию среды. Практикуется также комплексное применение несущих деревянных клееных конструкций совместно с облегченными ограждающими конструкциями.
В Европе большой популярностью пользуются аквапарки и крытые бассейны, своды которых обычно выполняются из клееных деревянных конструкций. Проекты по строительству аквапарков сегодня активно разрабатывают в России.
Высокая химическая стойкость древесины успешно используется при выборе материала несущих конструкций сооружений для хранения агрессивных к металлу и бетону солей и минеральных удобрений. Эксплуатационная надежность и долговечность древесины в агрессивной среде действующих калийных комбинатов уже превышает 40 лет, что существенно выше, конструкций из железобетона и стали.
Клееныеконструкции широко используются в мостостроении. Отличительными особенностями подобных конструкций являются долговечность и простота в монтаже.
Широкое применение клееные деревянные конструкции получили и в индивидуальном жилищном строительстве.
Получить качественные строительные конструкции без камерной сушки пиломатериалов невозможно, а высушить без деформаций древесину толщиной 10-15 см (брус, бревно) практически невозможно. При высыхании древесины происходит изменение ее структуры, внутренние напряжения деформируют материал, образуются трещины, происходит усадка, что приводит к значительным дефектам готовых изделий. При строительстве зданий из массивной древесины естественной влажности требуется значительное время, чтобы материал в конструкциях высох, дал окончательную усадку, после чего можно приступать к дальнейшему строительству и отделке, используя различные уплотнительные материалы и обшивки. Однако, даже если подождать год, пока дом «сядет», все равно останутся щели между брусьями.
Исходя из этого можно сделать вывод что клееная древесина имеет преимущество перед массивной и даже перед другими строительными конструкциями. Поэтому нельзя недооценивать ее эффективность производства строительных материалов и конструкций.
Список используемой литературы
[Электронный ресурс]//URL: https://drprom.ru/kontrolnaya/vidyi-soedineniy-derevyannyih-konstruktsiy/
1.Справочное руководство по древесине. Лаборатория лесных продуктов США; Пер. с англ. Я. П. Горелика и Т. В. Михайловой; Под ред. С. Н. Горшина, А. Н. Кириллова, В. Е. Кузнецова, И. С. Мелехова, Л. Г. Плоткина, Б. Н. Уголева, А. С. Фрейдина, И. К. Шмурнова. — М.: Лесная промышленость, 1979. — 544 с.;
2.Левинский Ю. Б., Левинская Г. Н., Поротникова С. А. Технология строительных материалов и конструкций на основе древесины: учебное пособие — Екатеринбург: Уральский государственный лесотехнический университет, 2011. — 132 с.;
3.Волынский В.Н. Технология клееных материалов: Учебное пособие для вузов. (2-е изд., исправленное и дополненное).
Архангельск: Изд-во Архангельского государственного технического университета, 2003. — 280с.;
4.Ресурсы интернета.
