Деревянные слоистые элементы с неоднородно-слоистой структурой

Аннотация

В статье приводится обзор основных деревянных конструкций, имеющих неоднородно-слоистую структуру. Показаны особенности работы разносопротивляющихся слоев композитов с функционально распределенной структурой.

Полный текст

Современный уровень развития промышленного производства строительных материалов позволяет реализовывать самые высокие потребности проектировщиков. Разнообразный спектр силовых и других эксплуатационных воздействий определяет перечень функциональных требований (высокая прочность, жесткость, сопротивляемость химическим, биологическим, физическим, атмосферным воздействиям) к строительным композитам. С целью формирования оптимального современного строительного композита, создаются структуры с заданной по объему неоднородностью свойств.

Почти идеальное изменение структуры по объему с учетом функционального назначения слоев присуще древесине, что обеспечивает ее высокие эксплуатационные характеристики. Высокая удельная прочность, создаваемая внутренним «скелетом» и значительная структурная пористость позволяет использовать древесину как конструкционный материал низкой массы с высокими теплотехническими свойствами, а наличие природных смол создает защиту от многих агрессивных сред.

Наличие в материале чередующихся однородных слоев позволяет рассматривать структуру деревянного элемента в виде известной модели составного стержня, состоящего из изотропных составляющих, соединенных между собой равномерно распределенными по всей длине связями сдвига и поперечными связями [1]. Известны аналитические зависимости для проектирования композитов с дискретной структурой. В таких системах прочность обеспечивается не только свойствами отдельных стержней, но и характеристиками связей.

Более сложная модель составного стержня описана в [2]. Элементарный стержень предложено рассматривать неоднородным, где характер изменения свойств является функцией высоты. Под такое описание в полной мере подходит широко используемые в строительстве клееные древесные элементы.

Большой интерес к слоистым композитам объясняется тем, что при их получении компенсируются естественные недостатки, присущие цельной древесине, в результате чего возрастает прочность материала, увеличивается его долговечность, а также возникают особые свойства, недостижимые для обычного материала, существенно расширяется сортамент изделий. Технология изготовления клееных деревянных конструкций (КДК) позволяет проектировщикам создавать изделия с комплексом необходимых эксплуатационных свойств [3]. Гибкость технологии позволяет получать элементы с заданным распределением свойств материалов, соответствующим эксплуатационным условиям.

Градиентность свойств в объеме отдельно взятого стержня клееного деревянного элемента обеспечивается структурным строением самой древесины, общая неоднородность проектируется, например, за счет чередования слоев древесины или за счет введения арматуры в состав КДК.

Армирование деревянных конструкций возможно для решения ряда технологических задач:

• применение деревянных конструкций для сооружений с большими пролетами и нагрузками;
• изменение эксплуатационного режима и нагрузок на конструкции;
• устранение возникающих эксплуатационных дефектов;
• реконструкция сооружений с изменением конструктивных и расчетных схем элементов;
• использование при изготовлении сращенных элементов с применением более низких сортов древесины;
• дефекты, возникающие при изготовлении клееных конструкций.

Для армирования клееных деревянных конструкций применяется широкий спектр элементов из различных материалов, таких как: стальные стержни, листовые элементы, стеклопластиковая арматура, холсты из волокон стекло- и углепластика и другие. Легкие долговечные несущие клееные армированные большепролетные конструкции применяют в самых различных областях строительства: зрелищно-спортивные, сельскохозяйственные и складские сооружения, конструкции пролетных строений мостов и эстакад, здания с химически опасными производствами. Такая разнообразная область применения диктует весьма высокие требования к их эксплуатационным свойствам. Наиболее перспективными материалами для армирования деревянных клееных конструкций стоит считать арматуру из стекло- и углеволокна [4].

Интегрирование в клеевой слой высокомодульного волокна позволяет значительно повысить надежность работы композита. В традиционных КДК по границе клеевого слоя, соединяющего слои древесины между собой и арматурой, возникают неравномерные объемные деформации, поскольку в процессе эксплуатации возможны воздействия перепадов температуры и влажности, агрессивных сред, повторной кратковременной и длительной нагрузок и др. Применение дисперсного высокомодульного армирующего волокна в клеевом слое позволяет компенсировать влияние пиковых величин сдвигающих напряжений [5].

Еще один вид слоистых деревянных элементов, в которых свойства материала слоев существенно различны, это трехслойные клеедеревянные панели. Функциональным назначением ограждающих внешних слоев является обеспечение конструкционной прочности, а среднего слоя – теплоизоляционных функций. Классификация многослойных панелей по четырем конструктивным типам [6] учитывает наличие в их составе внутреннего утепляющего слоя и ребер жесткости, обеспечивающих малую деформативность. Обратной стороной наличия ребер является снижение теплотехнических характеристик элемента.

Применение достаточно жестких теплоизоляционных материалов позволяет изготавливать теплоизоляционные панели без ребер жесткости – так называемые структурно-изоляционные панели (СИП). Материалы, из которого изготовлены плиты и утеплитель, склеиваются между собой с помощью клея под определенным давлением. Технология СИП постоянно дорабатывается и эволюционирует под те или иные условия строительства. При этом могут изменяться комбинации материалов основной плиты и утеплителя, однако сам принцип формирования плиты остается тем же – конструкционные слои по граням элемента и слой утеплителя между ними.

Развитие промышленности материалов, применяемых для утепления, расширяет спектр элементов, изготовленных по принципу СИП. Большей несущей способностью обладают панели с конструкционными слоями, изготовленными по принципу CLT-панели. Панели состоят из нескольких слоев деревянных ламелей, склеивание которых происходит перекрестно. Производство похоже на производство фанеры и клееного бруса одновременно. Толщина массива зависит от количества слоев и толщины используемых досок. Технология CLT-панели позволяет ввести в состав элемента теплоизоляционный слой без потери несущей способности конструкции.

Без сомнения, одним из перспективных видов слоистых панелей, с конструкционными внешними слоями, можно считать изделия с интегрированной в их структуру слоем вакуумной порошковой теплоизоляции.

Последние годы активно ведутся разработки по созданию эффективных теплоизоляционных материалов нового поколения на основе минеральных порошков, вакуумированных в специальных пакетах [7]. Исследования зарубежных ученых и проектировщиков позволяют на промышленной основе производить и применять в строительной отрасли вакуумированные теплоизоляционные панели, форма и геометрия которых обеспечиваются минеральным порошком, играющим роль наполнителей. Отечественными материаловедами получены вакуумные теплоизоляционные панели с многокомпонентным наполнителем на основе дисперсных порошков из природных диатомитов, позволяющие: обеспечивать заданную форму при изготовлении и в процессе эксплуатации; воспринимать значительное внешнее давление; обеспечивать возможность управления созданием многоуровневой поровой структуры наноразмерного уровня.

Несмотря на существующие примеры возведения высотных деревянных домов с использованием технологий КДК и CLT‒панелей (Mjøstårnet Tower, 18 этажей, Брюмундал, Норвегия), проблема недостаточной жесткости деревянных конструкций, имеющих в своем составе слой утеплителя, остается актуальной. Наибольшая сложность заключается в получении достаточно жесткого элемента с монолитным теплоизоляционным слоем. Панели с ребрами жесткости обладают более высокой несущей способностью по сравнению с безреберными элементами, но имеют и большую теплопроводность, а ребра жесткости служат дополнительными проводниками холода. Проектировщики для различных трехслойных элементов разрабатывают способы жесткого соединения материалов ограждающих слоев и «псевдо монолитного» теплоизолирующего слоя.

Создание новых строительных материалов и решение актуальных проблем, возникающих при изготовлении и эксплуатации конструкций на их основе, неуклонно расширяет область применения деревянных композитов с неоднородно-слоистой структурой.