Какие существуют виды клееных конструкций из дерева

Производство современных клееных деревянных конструкций

Здесь вы узнаете, какие существуют деревянные строительные конструкции, и как их изготавливают.


В строительстве используют клееные деревянные конструкции двух видов: несущие и ограждающие. Несущие конструкции являются многослойными, склеенными из нескольких слоев древесины. Нередко их усиливают путем вклеивания металлической или пластмассовой арматуры.

Изготовление клееных деревянных конструкций производится в заводских условиях и начинается с сушки пиломатериалов. Затем из досок вырезают дефектные места и недопустимые пороки древесины. Следующим этапом является фрезерование шипов. Все операции делаются механизированным путем на распиловочных, фрезерных, шипорезных машинах.

После нарезки зубчатых шипов при производстве клееных деревянных конструкций заготовки стыкуют на клеях для получения длинных досок, представляющих своей конструкцией ленты. Механизированными клеевыми вальцами ровным слоем на поверхность досок наносится клей с расходом 0,2-0,6 кг/м2. Толщина клеевого шва колеблется от 0,1 до 0,8 мм. При толщине клеевой прослойки от 0,1 до 0,2 мм обеспечивается максимальная прочность.

Затем пакет склеенных досок загружается в пресс и запрессовывается. Для склеивания древесины лучшими являются поливинилацетатные, карбамидные, резорциновые и фенольные клеи. Полимер, образующий основу клея, может быть термопластичным или термоактивным и отвержается под влиянием нагревания, удаления растворителя или действия отвердителя.

Кто придумал клееный брус

Родоначальником клееной древесины считается немецкий плотник Карл Фридрих Отто Хетцер.

Карл Фридрих Отто Хетцер

В конце XIX века он начал склеивать казеиновым клеем небольшие доски шириной 3,5 см. В 1906 году Отто Хетцер запатентовал изобретение. В первой четверти XX века клееные деревянные конструкции Хетцера применялись в строительстве жилых домов в Швейцарии. Многие из этих домов сохранились до сих пор. Способ соединения дощечек казеиновым клеем позволил создавать массивные конструкции, но не решил главной проблемы дерева ― неустойчивости к влажности и температурным перепадам. Со временем брусья расклеивались, набухали от влаги, а после ― гнили. После Первой мировой войны дерево уступило место железобетону как дешевому и жесткому материалу.

Европейские технологии

В Европе проблему подверженности дерева атмосферному воздействию решили в 1950-х годах с началом развития химической промышленности. Новые синтетические клеевые составы повысили прочностные и теплоизоляционные качества дерева. Слои досок склеивали таким образом, чтобы направления древесных волокон чередовались. Улучшились звукоизоляционные свойства материала и устойчивость к нагрузкам. В качестве сырья использовали сосну, ель и лиственницу.

В Германии совершенствовали методы шипового сращивания и удаления пороков древесины. Выпускались новые станки для различных работ по обработке древесины.

В 1960-х годах в Финляндии братья Саарелайнен наладили технологию индустриального производства клееного бруса для малоэтажного домостроения. Впервые брус стал производиться не только как строительный материал, но и в заводских комплектах. Появились понятия «комплект дома», «сборка дома». Это нововведение повысило технологичность производства. Государство разработало программу поддержки деревянного строительства, ведь клееный брус соответствует современным требованиям экологичного строительства. Финская продукция вышла на мировой рынок. В Хельсинки создавали первые кварталы, микрорайоны из дерева. В 2000 году в Лахти построили крупнейший деревянный концертный зал и конгресс-холл Sibeliustalo («Сибелиус Холл»). Новый комплекс находится рядом с бывшей деревообрабатывающей фабрикой.

«Сибелиус Холл», арх. Ханну Тикко и Киммо Линтула. Лахти, 2000 год
«Сибелиус Холл», арх. Ханну Тикко и Киммо Линтула. Лахти, 2000 год

Со временем помимо Германии и Финляндии клееный брус стали выпускать Австрия, Италия, Швеция, Дания. Одновременно с развитием малоэтажного строительства клееные деревянные конструкции применялись при возведении большепролетных общественных зданий, производственных сооружений, павильонов

Павильон Японии, арх. Фрай Отто. Expo 2000. Ганновер, 2000 год
Павильон Японии, арх. Фрай Отто. Expo 2000. Ганновер, 2000 год

В Северной Америке широкое применение клееного бруса началось в 1960-х годах. В качестве сырья применялась дешевая древесина березы, клена, амбрового дерева. Появился брус из шпона (LVL ― Laminated Veneer Lumber), разработанный еще в 1935 году.

LVL-брус
LVL-брус

В 1990-х годах малоэтажное каркасное строительство из клееного дерева заняло 85 % рынка.

Клееный брус в России

В России исследования клееных деревянных конструкций начались в 1930-х годах для сооружения большепролетных производственных зданий. Первые соединения на дубовых пластинчатых нагелях для сплачивания брусьев создал инженер В. Деревягин. Их использовали для металлодеревянных ферм. Однако с открытием железобетона деревянное производство остановилось. Бетон как строительный материал был дешевле и долговечнее дерева. Во время Великой Отечественной войны разработки клееных деревянных конструкций продолжались в ЦНИПС (Центральный научно-исследовательский институт промышленных строительных материалов). Возводились опытные промышленные конструкции: склады, амбары, производственные помещения. В 1950-х годах А. Фоломин создал способ сушки и пропитки древесины специальными химическими жидкостями. А. Борщевский описал систему мероприятий по защите дерева от гниения. В это же время при строительстве цехов, спортзалов, мостовых пролетов применяли клеефанерные несущие конструкции (балки, фермы, арки). Клеефанерные балки длиной 12 м использовались в перекрытии цеха в городе Электросталь.

Синтетический клей появился в Советском Союзе на десять лет позже, чем в странах Европы, поэтому промышленный масштаб производства клееных деревянных конструкций был организован в 1970-х годах. В стране работало двадцать заводов. Помимо ели, сосны, лиственницы использовали древесину кедра. Появилась советская школа проектировщиков деревянных клееных конструкций. К концу 1980-х годов в стране выпускалось 100 тыс. м³ продукции в год. После перестройки 1990-х годов из двадцати заводов остался только один.

Брус в XXI веке

Сегодня клееный брус ― высокотехнологичный материал. Из него строят даже многоэтажные здания. В Норвегии уже в этом году можно увидеть самое высокое деревянное здание Mjøstårnet (Mjos Tower). Высота будущего небоскреба 51 ― м. По проекту Voll Arkitekter на восемнадцати этажах разместятся апартаменты, отель, офисы, ресторан, плавательный бассейн и другие общественные пространства.

Mjøstårnet (Mjos Tower), арх. Voll Arkitekter. Брумунддаль, Норвегия, 2018 год
Mjøstårnet (Mjos Tower), арх. Voll Arkitekter. Брумунддаль, Норвегия, 2018 год

Компания GOOD WOOD стала инициатором строительства самого высокого офисного здания из дерева в России ― GOOD WOOD Plaza. Его высота ― 19,754 м. Все конструкции деревянные и выполнены на собственном производстве компании. GOOD WOOD Plaza занесена в «Книгу рекордов России».

GOOD WOOD Plaza, арх. С. Тишкин, Е. Дубовенко, Н.Ширяева, К. Лоткова. Зеленоград, Россия, нач. 2015 года
GOOD WOOD Plaza, арх. С. Тишкин, Е. Дубовенко, Н.Ширяева, К. Лоткова. Зеленоград, Россия, нач. 2015 года

Дома из клееного бруса появились в России в начале 2000-х годов. Сам клееный брус привозился из Финляндии, поэтому стоил очень дорого. Дом из клееного бруса считались роскошью. Наши производители переняли западный опыт изготовления бруса, разработали собственные методы обработки древесины около пятнадцати лет назад, хотя чаще всего используют европейское оборудование. Необходимость привозить материал из-за границы отпала, что существенно снизило стоимость дома. Клееный брус стал популярным в частном домостроении. Сегодня один из крупнейших производителей клееного бруса в России ― GOOD WOOD. Производство в Зеленограде занимает 10 тыс. м2 и оснащено современным европейским оборудованием. Идея склеивать древесину существует уже 9 тыс. лет. История клееного бруса связана с развитием клеевой промышленности XX века. Новые клеевые составы, технологии обработки создали материал, по несущей способности равный бетону. В деревянном строительстве клееный брус ― самый высокотехнологичный и перспективный материал.

Современные дома из клееного бруса и камня: собственное производство клееного бруса, проектирование и строительство. Компания GOOD WOOD — это собственное проектно-архитектурное бюро, деревообрабатывающий комбинат и строительная компания. Мы создаем современные дома из клееного бруса и камня, контролируя качество на всех этапах.

Сращивание по длине

Оборудование для сращивания деревянных заготовок по длине наиболее распространено в деревообработке, поскольку позволяет наиболее эффективно использовать древесину. В настоящее время снижается качество пиловочника, уменьшается его диаметр, растет стоимость, дорожает доставка. Не всегда экономически целесообразно перерабатывать отходы лесопиления и деревообработки на технологическую щепу для производства ДСтП, топливные брикеты или пеллеты. Один из возможных способов рациональной экономии древесины – сращивание по длине деревянных короткомерных пиломатериалов, являющихся отходами производства, что значительно повышает рентабельность предприятия. Из таких клееных заготовок изготавливаются брусковые элементы каркасных домов – вертикальные стойки, поперечные бруски, стропила и т.д. Стоимость продукции возрастает в сравнении с приобретаемым сырьем в 2–3 раза. В основе такой технологии лежит использование эффекта самозаклинивания зубчатых клиновых шипов с заостренными или притупленными концами. Первые используются для конструкций, работающих со значительными механическими нагрузками, в том числе и динамическими, вторые используются для малонагруженных соединений. В настоящее время оборудование для сращивания деревянных заготовок по длине различается разнообразием функциональных схем и конструкций.

Однако любой комплект такого оборудования включает в себя расположенные по ходу технологического процесса следующие станки или агрегаты: круглопильный многопильный – для продольного раскроя досок на заготовки одной ширины; круглопильный – для удаления дефектов и торцевания заготовок под прямым углом; фрезерно-шипорезный – для формирования зубчатых клиновых шипов; клеенаносящий – для нанесения клея на поверхность шипов с одного или обоих торцов заготовки; пресс – для продольного обжима клеевых соединений при сращивании; круглопильный торцовочный агрегат – для поперечного раскроя склеенной ламели на мерные заготовки. Как правило, в качестве круглопильного станка для удаления дефектов все чаще применяют автоматический торцовочный станок с ЧПУ – так называемый оптимизатор, где доска распускается на заготовки заданной длины с одновременным вырезанием дефектов. Обычно после сушки на торцах досок образуются торцевые трещины, поэтому оптимизатор в автоматическом режиме обрезает и торцы поступающих досок, исключая проявление этого дефекта на склеенных деталях. Наиболее «продвинутые» оптимизаторы позволяют определять дефекты древесины на всех пластях и кромках доски с помощью электронно-оптических систем и вырезать эти дефекты без участия человека в автоматическом режиме.

Простейшая линия сращивания с ручным управлением, позволяющая сращивать заготовки с максимальной шириной 150 мм, толщиной не более 50 мм и длиной не менее 150 мм, состоит из двух конструктивно независимых участков. На первом осуществляется загрузка пакета выпиленных оптимизатором заготовок на каретку режущего агрегата, который торцует заготовки, нарезает зубчатые шипы последовательно сначала с одного торца заготовки, затем – с другого, и далее наносится на второй торец с шипами клей. Второй участок представляет собой продольный пресс для склеивания заготовок торец в торец на шипы и раскрой сформированной плети на мерные детали.


Пресс для продолльного склеивания щитов компании Dimter

Линия обслуживается двумя операторами. Первый оператор из штабеля вручную укладывает на стол подающей каретки, являющейся механизмом подачи режущего агрегата, пакет заготовок различной длины либо на пласть, либо на кромку. Стол каретки представляет собой реверсивный ленточный конвейер шириной порядка 500 мм. При включении конвейера заготовки перемещаются по нему за счет трения в зону базирования, прижимаясь к базовой планке, и выравниваются по ней торцами. Следом включается пневматический прижим пакета сначала к боковой направляющей линейке и далее – вертикальный пневматический прижим пакета к столу, что позволяет обеспечить надежное базирование заготовок в процессе обработки. Далее каретка с заготовками начинает движение подачи по направляющим режущего агрегата. Обработка заготовки в режущем агрегате осуществляется последовательно двумя блоками – пильным и фрезерно-шипорезным. Чтобы не образовывались сколы при фрезеровании шипов, на последней детали пакета применяется подпорная планка, профиль которой полностью соответствует профилю нарезаемых зубчатых шипов. Обычно эта планка выполняется из древесины твердых пород, чтобы в аварийных случаях предотвратить поломку режущего инструмента.

Затем каретка с заготовками возвращается в исходное положение, заготовки расфиксируются. Стол вручную либо механизировано разворачивается на 180°, при этом одновременно поднимаясь на половину высоты зубчатого шипа, чтобы в дальнейшем обеспечить стыковку заготовок в одной плоскости по кромкам или пласти. Далее цикл обработки повторяется, но после операции фрезерования шипов заготовки проходят дополнительно через жесткую щетку, очищающую сформированный профиль шипов от остатков стружки и пыли, а затем шипы проходят через клеенамазывающее устройство, и каретка останавливается. Второй оператор снимает со стола заготовки с нарезанными с обоих торцов шипами и нанесенным на них клеем и передает их вручную на устройство поштучной выдачи для загрузки на продольный пресс. Приводные вальцы пресса разгоняют заготовки друг за другом вдоль направляющей линейки и направляют их торец в торец, обеспечивая предварительное опрессовывание плети заготовок на рольганге пресса. Одновременно боковые ролики пресса поджимают каждую заготовку к направляющей линейке, выравнивая плеть заготовок по боковым кромкам. Как только длина плети достигнет заданной величины, что контролируется автоматически, круглая пила отрезает часть плети с припуском по длине на дальнейшую усадку при прессовании.

К торцу плети подводится упор и включается пневмоцилиндр продольного опрессовывания плети, развивающий усилие прессования, которое может достигать 105–120 кН (10,5–12 т) в зависимости от размеров поперечного сечения склеиваемых заготовок. Одновременно на плеть сверху опускается верхняя прижимная траверса пресса, исключающая выгиб плети вверх. После предварительной выдержки в прессе давление с плети снимается, и она боковыми сбрасывателями сталкивается на вилочный стол-накопитель. Длина готовой сращенной плети обычно составляет 3000–6100 мм. Следующим шагом по повышению производительности линий сращивания явилось появление линии, представляющей собой установку с двумя фрезерными шипорезными агрегатами, расположенными зеркально друг против друга и составляющими двухсторонний шипорезный станок. По направляющим между режущими агрегатами перемещается каретка, являющаяся механизмом подачи двухстороннего станка. Стол каретки представляет собой два последовательно установленных ленточных конвейера. В положении «загрузка» каретка останавливается напротив подающего транспортера, и пакет заготовок, заранее выровненных задними торцами по базирующим планкам загрузочных лотков, подается промежуточным ленточным конвейером на передний стол каретки, который в момент загрузки остается неподвижным.

Далее заготовки фиксируются в двух плоскостях и подаются в зону резания первого (левого) агрегата. После нарезания шипов по заднему торцу каретка останавливается, усилие зажима пакета снимается. Затем включается привод обоих ленточных конвейеров стола, и пакет заготовок перемещается на конвейер правого шипорезного агрегата, выравниваясь по передним торцам заготовок по правой базирующей планке стола. Заготовки на столе снова фиксируются прижимами. Каретка реверсируется, и цикл формирования шипов по передним торцам заготовок теперь уже правым шипорезным агрегатом повторяется. На передний торец деталей наносится клей. Каретка останавливается в исходном положении, и детали освобождаются от прижимов. Снова включаются оба конвейера каретки: новые заготовки подаются на ее левый конвейер, а готовые детали поступают на промежуточный стол, выполненный также в виде ленточного конвейера, откуда поступают на автоподатчик для загрузки в пресс. Продольный пресс такой линии, включающий участки предварительного и окончательного прессования, является типовой конструкцией и работает в двухтактном режиме, что также позволяет повысить производительность пресса. На участке предварительного прессования в основном формируется размер плети, затем она по поперечным направляющим смещается в сторону на участок окончательного прессования, где одним торцом упирается в неподвижный упор, а с другого торца обжимается гидроцилиндром до заданного усилия прессования. Верхняя плита пресса исключает выгиб плети. Далее плеть освобождается от зажимных усилий и сталкивается на приемный стол или конвейер. После технологической выдержки плеть пропускают через четырехсторонний продольно-фрезерный станок для формирования заданного поперечного сечения и снятия остатков клея.

Несущие клееные деревянные конструкции: плоские и пространственные

К несущим клееным деревянным конструкциям относят плоские конструкции — балки, рамы, фермы, панели, арки и пространственные конструкции — оболочки, купола и другие.

  • Балки — наиболее простой тип конструкций. Клееные балки имеют различные формы и очертания поперечного сечения.
  • Рамные конструкции могут иметь различные очертания. Их используют, как правило, в однопролетных зданиях. Рамы состоят из стойки и ригеля, чаще сплошного прямоугольного, реже — двутаврового или коробчатого сечения. Высоту сечения измеряют в соответствии с эпюрой изображающих моментов, они достигают максимального значения в месте перехода от стойки к ригелю. Этот переход осуществляется плавно или по ломаной линии. В первом случае стойку и ригель изготовляют совместно путем изгиба многослойного пакета в процессе запрессовки, получаются гнутоклееные рамы, во втором — отдельно и затем соединяют при помощи зубчатых или иных соединений.
  • Арки изготавливают нескольких видов. Треугольные арки состоят из прямолинейных клееных верхних поясов и металлических затяжек, выпускают пролетом 12 и 18 м. Стрельчатые арки выпускают пролетом 18, 24 и 45 м.
  • Фермы требуют для изготовления большой трудоемкости. Наиболее распространены такие клееные конструкции из дерева, как треугольные односкатные и двускатные фермы, а так же фермы с параллельными поясами и раскосно-реечной или раскосной решетками.
  • Металлодеревянные треугольные фермы состоят из двух гипренгельных элементов, шарнирно соединенных в коньковом узле. Конструктивное решение опорных узлов позволяет принимать фермы под любые нагрузки, что значительно расширяет их область применения, причем значительно снижается трудоемкость узлов ферм.

Плоские несущие конструкции способны перекрывать пролеты, значительные по своим размерам.

  • Такие современные клееные деревянные конструкции, как своды и купола, представляют собой отдельную группу пространственных конструкций. Геометрическая форма большинства этих конструкций образована поверхностью вращения вокруг горизонтальной оси — цилиндрические своды и оболочки вокруг горизонтальной и вертикальной осей — сферические купола. Своды цилиндрической формы бывают распорные, опирающиеся на продольные стены или по контору, и безраспорные, опирающиеся на торцевые стены, диафрагмы и столбы. Крестовые своды образуются пересечением цилиндрических сводов, и представляют безраспорные конструкции, опирающиеся преимущественно на колонны. Сомкнутые своды, образованные также пересечением цилиндрических сводов в плане квадратные или шестиугольные, опирающиеся преимущественно по периметру. Своды и купола по конструктивному исполнению подразделяются на сплошные тонкостенные, образованные слоями досок или фанеры, ребристые, опирающиеся на арки, и кружально-сетчатые, собираемые из стандартных косяков.
  • Такие пространственные деревянные конструкции, как купола, образуемые опиранием в замке трех шарнирных арок и рам, опирающихся непосредственно на фундаменты и стены, выделяются в особую группу. Пространственные по форме конструкции рассчитываются как плоские. В последнее время используют конструкции пространственных покрытий двоякой кривизны с поверхностью гиперболоида, параболоида, гиперболического параболоида, эллипсенда. Создание этих конструкций стало возможным благодаря усовершенствованным способам склеивания древесины.


Деревянные конструкции хорошо противостоят агрессивным воздействиям, под действием которых другие материалы интенсивно разрушаются. Их применение обеспечивает экономию стали и бетона, так как исключается необходимость в частых ремонтах для борьбы с последствиями коррозии. Применение клееных деревянных конструкций в таких случаях особенно эффективно. В определенных условиях клееные деревянные конструкции экономичнее железобетонных по стоимости на 19-34%.

Производство клееных изделий

Операция склеивания включает две стадии. Сначала на склеиваемую поверхность механизированно (наливом, форсунками, вальцами) или кистью (щеткой) вручную наносится клей. Толщина слоя клея и равномерность его нанесения определяет прочность клеевого соединения и расход клея. Прочность склеивания может ухудшаться как при слишком тонком слое клея («голодное склеивание»), так и в случае превышения его толщины, когда в клеевой прослойке от усадки клея возникают заметные внутренние напряжения, снижающие прочность соединения. При этом существенно увеличивается и расход клея. В зависимости от конкретных условий производства (порода склеиваемой древесины, вид клея, способ нанесения и т.д.) расход клея колеблется от 120 до 350 г/м2. Оптимально когда время открытой выдержки клея (с момента его нанесения до контакта склеиваемых поверхностей) и время закрытой выдержки (с момента контакта поверхностей до приложения усилия опрессовки) было меньшим, чем время жизнеспособности клея.

Чтобы исключить возможность повышения влажности древесины, а также выделения на ее поверхность экстрактивных веществ, в первую очередь смолы у древесины хвойных пород, от момента механической обработки до момента склеивания должно пройти не более двух часов. Усилие прессования при склеивании древесины, как правило, составляет от 0,1 до 1,2 МПа. При этом необходимо обеспечить равномерность распределения усилия по всей поверхности склеивания. Усилие прессования создается различными устройствами силового замыкания – механическими, пневматическими, реже – гидравлическими. Избыток усилия приводит к образованию тонкого слоя клея, деформации и созданию внутренних напряжений в склеиваемых заготовках, которые впоследствии снижают прочность клеевого шва. Недостаток усилия приводит к нарушению сплошности шва и снижает прочность соединения. В запрессованном состоянии склеиваемые заготовки должны находиться в течение заданного периода времени, пока отверждение клея не достигнет значения, после которого снятие усилия не вызовет разрыв клеевого шва вследствие образовавшихся внутренних напряжений. Прочность, соответствующую такому состоянию клеевого шва, называют разборной. Нужно отметить, что разборная прочность в значительной степени зависит от площади поверхности склеивания и толщины заготовок.

По данным ЦНИИСК им. Кучеренко, при изготовлении клееных деревянных конструкций прямолинейной формы разборная прочность должна достигать половины ее нормируемой конечной величины (примерно 3 МПа), а для криволинейных (гнутоклееных) – до 70% (4–4,5 МПа). После снятия усилия прессования склеенные детали должны пройти технологическую выдержку до полной полимеризации клея и достижения требуемых норм прочности склеивания. При производстве клееных изделий для оценки качества поступающих на обработку досок их пропускают (в зависимости от производительности потока) через двухсторонний рейсмусовый или четырехсторонний продольно-фрезерный станок. Это позволяет вскрыть дефекты и пороки древесины на всех четырех сторонах доски, а также создать технологические базы для дальнейшей обработки на последующем оборудовании. После четырехстороннего станка доски в зависимости от вида получаемой продукции поступают либо на поперечный конвейер, где оператор флуоресцентным мелком помечает вскрытые недопустимые пороки древесины, подлежащие удалению, либо на многопильный станок для продольного раскроя доски на заготовки заданной ширины.

[spoiler title=”Источники”]

  • https://www.stroy-dom.net/?p=7342
  • https://www.gwd.ru/technology/stati/kak_razvivalas_tehnologija/
  • https://www.lesindustry.ru/issues/li_n72/Tehnologii_proizvodstva_kleenoy_drevesini_854/
[/spoiler]
Поделиться:
Нет комментариев