CC BY
13РАЗРАБОТКА НОВЫХ МАТЕРИАЛОВ И ТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ РАЗВИТИЯ ИНФРАСТРУКТУРЫ СЕВЕРНЫХ ТЕРРИТОРИЙ
УДК 691.116:620.1
Горынин Г.Л., Григорьев Ю.И.
Gorynin G.L., Grigorjev Yu.I.
ПРОБЛЕМА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ LVL-БРУСА ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА СОЦИАЛЬНО ЗНАЧИМЫХ ОБЪЕКТОВ НА ТЕРРИТОРИИ ХАНТЫ-МАНСИЙСКОГО АВТОНОМНОГО ОКРУГА - ЮГРЫ
THE PROBLEM OF USING LVL-TIMBER FOR THE CONSTRUCTION OF SOCIALLY IMPORTANT OBJECTS IN THE KHANTY-MANSI AUTONOMOUS OKRUG - UGRA
Брус клееный из однонаправленного шпона - композитный материал на основе деревянного шпона, являющийся примером гармоничного сочетания традиционной древесины с применением современных технологических процессов. Сохраняя физические, химические, эстетические и экологические свойства древесины, обладает высокими показателями по прочности и жесткости. Использование это материала при производстве несущих конструкций на территории ХМАО - Югры является перспективным направлением развития строительной отрасли округа.
Laminated Veneer Lumber - a magnificent construction material, which is an example of a harmonious combination of traditi
onal wood and modern technological processes. Preserving the physical, chemical, aesthetic and environmental properties it has high strength and stiffness. Applying this research in structural systems manufacturing is a promising trend in construction industry development on the territory of KhMAO - Ugra.
Ключевые слова: брус клееный из однонаправленного шпона, LVL-брус, коэффициент Пуассона, композитные материалы, изделия из древесины
Key words: Laminated Veneer Lumber, LVL-beams, Poisson's ratio, composite materials, wood products.
На сегодняшний день Ханты-Мансийский автономный округ - Югра обладает достаточно серьезными запасами лесных ресурсов, и правильное их использование позволит в будущем развивать технологии, связанные с производством современных строительных материалов, и использовать их для возведения объектов различного назначения, а также укреплять экономику нашего округа. По данным Лесного хозяйства ХМАО - Югры, общая площадь лесов на территории округа - 50 406,6 тыс. га, а общий запас насаждений - 3 180,93 млн м [3]. На рис. 1 представлена диаграмма распределения в процентном соотношении лесного фонда округа. Как видно на рис. 1, почти половину лесного фонда составляет сосна, которая является достаточно хорошим материалом для производства несущих конструкций.
В округе существует острая потребность в строительстве объектов социального назначения, таких как спортивные залы общеобразовательных школ, детские сады,
медицинские учреждения. Использование для строительства материалов, которые производится на территории Ханты-Мансийского автономного округа - Югры, а в частности - древесины, может значительно понизить стоимость строительства. Однако характеристики древесины не позволяют ей конкурировать с другими материалами, такими как металл и железобетон. Поэтому для того, чтобы использовать древесину для изготовления несущих конструкций, необходимо улучшать ее прочностные и деформативные характеристики.
■ Сосна
■ Кедр
■ Берёза я Ель
■ Осина
■ Прочие
Рис. 1. Лесной фонд ХМАО - Югры
Одним из вариантов решения данной проблемы является применение многослойного клееного из однонаправленного шпона материала - LVL-бруса, который имеет существенные преимущества перед другими изделиями из древесины. В России данный материал выпускают всего два завода: Taleon Terra в г. Торжке и завод, который находится в нашем регионе, - ОАО «ЛВЛ-Югра» (г. Нягань). Объемы выпуска клееного
о
бруса из шпона и фанеры на заводе ОАО «ЛВЛ-Югра» составляют 30 тыс. м в год [8], однако широкого применения в строительстве в качестве несущих конструкций LVL-брус пока не получил. В чем же все-таки особенность данного материала?
LVL (Laminated Veneer Lumber) - это многослойный клееный, преимущественно конструкционный материал, который изготавливается из листового шпона хвойных пород древесины, в основном - ели и сосны. LVL-брус имеет очень высокие прочностные характеристики: по данным инспекционных испытаний, проведенных ЦНИИСК им. Кучеренко [2], прочность LVL в 1,5-3 раза выше, чем у клееного бруса или у обычных пиломатериалов. Такие высокие показатели связаны с рядом специфических особенностей производства LVL-бруса, которые обеспечивают отсутствие дефектов в структуре материала, вызванных естественными пороками древесины.
К таким особенностям относятся:
1) параллельное направление волокон в слоях шпона, образующих брус;
2) исключение влияния сучков и других пороков древесины на прочность бруса (они равномерно распределены в толще слоев и не оказывают существенного воздействия на прочностные характеристики);
3) градация исходного шпона по плотности позволяет добиться стабильных физико-механических свойств бруса;
4) при склейке слоев шпона используется мощный пресс, применение которого позволяет получить уплотненную структуру древесных волокон;
5) клейкая фенолформальдегидная смола, применяемая при производстве ЛВЛ-бруса, обеспечивает на молекулярном уровне сверхпрочный клеевой шов между слоями шпона.
Все перечисленное выше придает LVL-брусу уникальные по своим свойствам прочностные характеристики, например, модуль упругости (жесткости) у него на 25 % выше, чем у массивной ели, прочность при изгибе и на излом выше более чем в два раза. Эти физические показатели обеспечивают высокую несущую способность ЛВЛ-бруса при меньших размерах в поперечном сечении, что, в свою очередь, существенно снижает общий объем необходимых пиломатериалов.
Тем не менее результатов испытаний ЦУЬ-бруса очень мало, что не позволяет делать систематические выводы о физико-механических показателях данного материала. Но даже наличие тех результатов, которые уже получены ЦНИИСК им. Кучеренко, дают возможность представить перспективы использования этого современного материала.
Стоимость 1 м3 ЦУЬ-бруса примерно в 2,5-3 раза дороже стоимости 1 м3. пиломатериалов (сосна, 1 сорт), а расчетные сопротивления примерно в 2-2,5 раза выше. Если проанализировать формулы для расчета сжатых (1) и изгибаемых (2) элементов [6], то можно проследить следующее: N
— * К , (1)
л сж' V '
Ант
М * К , (2)
изг5 V /
Ж
расч
где N - расчетная продольная сила;
^нт - площадь поперечного сечения элемента нетто;
Ксж - расчетное сопротивление древесины сжатию вдоль волокон;
М - расчетный изгибающий момент;
Жрасч - расчетный момент сопротивления поперечного сечения элемента;
Яизг - расчетное сопротивление древесины изгибу.
В сжатых элементах зависимость площади поперечного сечения, а соответственно, и расхода материала от расчетного сопротивления прямая, а в изгибаемых элементах -кубическая (так как при квадратном сечении элемента
Ж = ¿"/6). Можно сделать вывод, что себестоимость строительства из LVL-бруса получается примерно такой же, как и при строительстве из пиломатериалов (сосна, 1 сорт).
Преимущества ЦУЪ-бруса перед древесиной:
1. LVL-брус - однородный материал с неизменными физико-механическими характеристиками по всему своему объему.
2. LVL-брус сохраняет точные линейные размеры, не разбухает и не подвержен короблению и усушке.
3. Сортамент ЦУЪ-бруса имеет более широкий диапазон изготовляемой продукции
4. Повышенная стойкость гниению.
Еще одним перспективным, но недостаточно изученным направлением является исследование совместной работы LVL-бруса и других материалов, особенно таких, как металл, стеклопластик и базальтопластик. Преимущество данных композитных конструкций состоит в том, что появляется возможность компенсировать недостатки каждого из материалов. Например, сравним сжатые элементы, выполненные из LVL-бруса и из стального уголка. У элемента из LVL-бруса как недостаток относительно уголка можно выделить недостаточную прочность, а у металлического уголка относительно LVL-бруса - высокую гибкость. Однако при совместной работе данные элементы компенсируют недостатки друг друга, что позволяет сэкономить материалы и оптимизировать работу конструктивного элемента. Но при расчете таких композитных
материалов возникают трудности, связанные с особенностями свойств древесины, металла и пластмасс. И если металл как конструкционный материал изучен достаточно хорошо, то свойства LVL-бруса требуют исследований.
Исходя из вышеизложенного, можно сделать следующие выводы, связанные с проблемой использования LVL-бруса в качестве несущих конструктивных элементов:
1. На данный момент существует недостаточно литературы и документации, связанной с клееной древесиной из однонаправленного шпона, а именно:
а) СП 64.13330.2011 «Деревянные конструкции» [7];
б) стандарты организаций (завод в г. Торжке Taleon Terra (испытания проводились ЦНИИСК им. Кучеренко), завод в г. Нягани «ЛВЛ-Югра», компания «ЛВЛ Строй Конструкции» (представитель финского концерна FINNFOREST). Все данные относительно данного материала имеют существенный разброс (например, значения коэффициента Пуассона), при определении расчетных значений используются формулы, которые были получены для древесины, что делает эти расчетные значения недостаточно достоверными.
2. Не изучено длительное сопротивление LVL-бруса, в связи с чем при определении расчетного сопротивления [5] приходится принимать коэффициент, характеризующий длительное действие нагрузки такой же, как и для древесины, что не отражает действительной картины. Расчетное сопротивление определяется по следующей формуле:
Ян ■ тдл
Яр =■
У „
где тдл - коэффициент характеризующий длительное действие нагрузки = 0,66 (для древесины);
ут - коэффициент надежности по материалу, учитывающий отклонение.
3. Все расчетные принципы при проектировании ЬУЬ-бруса принимаются такие же, как и для клееной древесины.
4. Недостаточно данных по исследованиям коэффициента Пуассона (поперечных деформаций). Например, в работе Д.А. Животова [4] дается два значения коэффициента:
- коэффициент Пуассона поперек волокон при напряжениях, направленных вдоль волокон;
- коэффициент Пуассона вдоль волокон при напряжениях, направленных поперек волокон.
Для оценки возможностей совместного использования ЬУЬ-бруса с другими материалами необходимо знать три значения данного коэффициента [1]. На рис. 2 показаны направления сил, действующих на условный образец, направления поперечных деформаций и обозначены коэффициенты Пуассона. Из рисунка следует, что при каждом нагружении будут возникать два вида поперечных деформаций, а соответственно, и появляться два коэффициента Пуассона. Таким образом, будет шесть коэффициентов (у12, у13, у21, у23, у31, у32) от трех нагружений, однако, зная модуль упругости в каждом направлении (Е1, Е2, Е3) и соотношение типа:
v
12
v
21
Е2 Ei
Рис. 2. Схема приложения нагрузки и направления поперечных деформаций
неизвестными остаются три коэффициента Пуассона, которые необходимо определить для дальнейшей оценки совместной работы LVL-бруса с другими материалами.
Подводя итоги, следует сказать, что LVL-брус является уникальным материалом, который, сохранив преимущества древесины, такие как малый удельный вес, малый коэффициент температурного расширения, хорошая гвоздимость, низкий коэффициент теплопроводности, хорошие акустические и эстетические свойства и т.д., лишен ее недостатков. У данного материала несомненно есть будущее, поэтому для его внедрения и максимизации полезности и эффективности необходимо систематическое изучение его физико-механических свойств и поведения. За рубежом клееный брус из однонаправленного шпона давно стал одним из основных строительных материалов, и весьма вероятно, что в скором будущем этот материал укрепится и на строительном рынке нашей страны.
Литература
1. Горынин Г. Л., Немировский Ю. В. Пространственные задачи изгиба и кручения слоистых конструкций. Метод асимптотического расщепления. Новосибирск : Наука, 2004. 408 с.
2. ГОСТ 16483.0 - 89. Древесина. Общие требования к физико-механическим испытаниям. М. : Изд-во стандартов, 1989. 6 с.
3. Департамент природных ресурсов и несырьевого сектора экономики. URL: http://ugrales.ru/ files/prezent/po_upravleniyam/lh_i_lpk.pptx (дата обращения: 04.04.2015).
4. Животов Д. А. Применение бруса, клееного из однонаправленного шпона, в плоских балочных фермах : дис. ... канд. тех. наук : 05.23.01. СПб., 2009. 299 с.
5. Пособие по проектированию деревянных конструкций (к СНиП П-25-80) М. : Стройиздат, 1986. 143 с.
6. СНиП П-25-80. Нормы проектирования. Деревянные конструкции. М. : Стройиздат, 1982. 65 с.
7. СП 64.13330.2011 Деревянные конструкции. Актуализированная редакция СНиП П-25-80. М. : Минрегион России, 2011. 92 с.
8. Югорский Лесопромышленный холдинг: Предприятия ЮЛХ: ЛВЛ-Югра. URL: http://www.ugratimber.com/lvl/lvl_ugra.ru.html (дата обращения: 04.04.2015 г.).
