РАЗДЕЛ V
ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ПО ТЕХНОЛОГИИ, МОНТАЖУ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ДЕРЕВЯННЫХ КОНСТРУКЦИЙ
Глава 13. Технология изготовления индустриальных деревянных конструкций
13.1. Сушка древесины
Сушкой древесины называют процесс удаления из нее влаги посредством испарения (атмосферная сушка) или выпаривания (камерная сушка). Это явление называется влагоотдачей. Обязательным условием перемещения влаги внутри материала является перепад влажности, т.е. разница между слоями материала. Кроме перепада влажности, побудителем движения влаги в древесине может быть перепад температур по сечению материала, при котором влага перемещается от более нагретых мест к более холодным. Обычно перепад температур невелик, и торможение сушки летом и ускорение зимой незначительно, таким образом, движение влаги внутри материала происходит, в основном, под действием перепада влажности.
Таким образом, при сушке древесины поток влаги под влиянием перепада влажности в поперечном сечении будет направлен изнутри к наружным слоям, т.к. наружные слои будут более сухими, чем внутренние.
В процессе сушке появляются дефекты в виде растрескивания (значительные сечения), коробления (малые сечения), выпадения сучков и др. Часто наблюдается изменение формы поперечного сечения досок из-за различной величины усушки в тангенциальном и радиальном направлениях. Трещины могут появляться на различных этапах сушки: наружные -в начале процесса, внутренние - в конце, раньше других появляются торцовые трещины. Для предупреждения наружных и внутренних трещин необходима промежуточная термовлагообработка древесины. Для предупреждения торцовых трещин рекомендуется обмазывать торцы досок влагонепроницаемыми составами. Коробление, как и изменение формы поперечного сечения, вызывается различием тангенциальной и радиальной усушки. Выпадение сучков вызывается большей их усушкой, чем близлежащих участков древесины. Вероятность появления дефектов может быть значительно снижена, если сочетать камерную сушку пиломатериалов с атмосферной.
Атмосферная сушка
При атмосферной сушке для испарения влаги из материала используется тепло относительно сухого атмосферного воздуха. Атмосферная сушка пиломатериалов ведется в штабелях, укладываемых на специальных складах. Состояние атмосферного воздуха не стабильно, так как на него оказывает влияние климат данной местности, сезон и погода. В течение суток параметры воздуха также подвергаются изменениям. Кроме того, в результате взаимодействия воздуха с высыхающей древесиной в пределах склада создается своеобразный микроклимат. Характерная особенность атмосферной сушки состоит в том, что при малой ее интенсивности возможно поражение материала плесневыми грибами. С этой точки зрения процесс целесообразно по возможности интенсифицировать, применяя разреженную укладку досок для лучшей продуваемости штабеля. С другой стороны, в условиях нерегулируемой влажности воздуха излишняя интенсификация процесса может привести к растрескиванию пиломатериалов.
Для атмосферной сушки подбирают место на проветриваемом, выровненном и сухом участке. Пиломатериалы укладываются в пакетные или рядовые штабеля отдельными группами, кварталами. Каждый штабель пиломатериалов должен быть уложен на фундамент высотой 0,5 м, который выполняется из стационарных или переносных элементов и предохраняет от грунтовой сырости.
Штабеля в группе необходимо отделять друг от друга между штабельными разрывами. Разрывы в продольном направлении должны увеличиваться от крайних штабелей к средним. Группа штабелей отделяется между собой продольными проездами шириной не менее 10 м и поперечными разрывами или проездами шириной не менее 5 м. Рекомендуется, чтобы продольные проезды совпадали с направлением господствующего ветра в активный период сушки.
Пиломатериалы укладывают в штабель с прокладками. Межрядовые прокладки изготавливают толщиной 22-25 мм и шириной 40-50 мм. Длина прокладок должна быть равна ширине штабеля. Два или три штабеля, уложенные друг на друга по высоте, называют пакетами. Межпакетные прокладки изготовляют сечением 100x100 мм. Каждый сформированный пакет или штабель должен накрываться, не закрывая боковые и торцевые поверхности.
Атмосферная сушка позволяет выровнять влажность пиломатериала по сечению и довести ее до 20-22%. Данный уровень влажности позволяет эффективно в дальнейшем использовать камерную сушку, снижает сроки и энергозатраты предприятий. Ориентировочная продолжительность сушки сосновых досок до 20%-й влажности составляет 30 суток летом и 40-50 суток осенью и весной.
Камерная сушка
При высушивании в камерах необходимое для испарения тепло подводится к древесине при помощи нагретого воздуха, топочных газов или перегретого пара. Среда, окружающая древесину в процессе сушки, называется сушильным агентом.
В производстве деревянных конструкций используют камеры периодического действия, при работе которых периодически чередуются циклы: полная загрузка камеры штабелями - контролирование сушки - полная разгрузка камеры. Это преимущественно воздушные камеры, сборные или стационарные, с принудительной циркуляцией сушильного агента. На рисунке приведена схема сборной сушильной камеры (рис. 13.1).
Рис. 13.1. Схема цельнометаллической сборной сушильной камеры периодического действия: 1 - впускной клапан для воздуха; 2 - выпускной клапан; 3 - осевые вентиляторы; 4 - четырехпакетный штабель досок; 5 - воздухопровод; 6 - паровой калорифер;
7 - впрыскиватель воды.
Эти камеры представляют собой цельнометаллические сооружения с тепловой изоляцией в блочном исполнении. Они оборудованы вентиляторами, паровыми калориферами, впрыскивателями воды, впускными и выпускными клапанами. Процесс сушки в таких камерах полностью автоматизирован. Значительно реже используются камеры для сушки пиломатериалов электроиндукционным и диэлектрическим способами, а также ванны для высокотемпературной сушки в гидрофобных жидкостях.
В процессе сушки влага в древесине перемещается из внутренних слоев к поверхности и испаряется в окружающую среду. Так как скорость испарения выше скорости перемещения влаги, наружные слои древесины высыхают быстрее и стремятся сократиться в объеме. Этому процессу препятствуют внутренние слои, из которых влага еще не успела удалиться. В результате возникают усилия, растягивающие наружные слои так, что в них могут образоваться трещины. Поэтому при сушке необходимо, чтобы скорость испарения влаги с поверхности не превышала скорость продвижения влаги из внутренних слоев, т.е. выдерживался определенный режим температуры и влажности сушильного агента в зависимости от влажности древесины.
Различают мягкие, нормальные, форсированные и высокотемпературные режимы сушки. Мягкие режимы обеспечивают полное сохранение фи-зико-механических свойств древесины, нормальные допускают незначительное их изменение после сушки, а форсированные приводят к заметному (до 20%) снижению прочности пиломатериалов. В зависимости от начальной влажности древесины и толщины досок камерную сушку по мягким режимам ведут при температуре не выше 60°С, по нормальным — не выше 100°С, по форсированным — не выше 130°С. Высокотемпературная сушка проводится в среде перегретого пара или в гидрофобных жидкостях, нагретых до 140 — 150°С.
Для пиломатериалов, идущих на несущие конструкции, обычно применяют мягкие режимы сушки, характеризуемые перепадом влажности, составляющим 1,65-2,5% на 1 мм толщины материала. Для сушки пиломатериалов, идущих на ограждающие конструкции, применяют нормальные режимы, при которых перепад влажности в досках составляет 2-3,5% на 1 мм толщины. Перепад влажности определяют по секциям послойной влажности, отпиливаемых от образцов, помещенных в камеру вместе с высушиваемым материалом.
Кроме температуры, режим сушки характеризуется степенью насыщенности сушильного агента и психрометрической разностью. Степень насыщенности - это отношение абсолютной влажности воздуха к его влагоемко-сти при данной температуре, а психрометрическая разность - перепад в показаниях сухого и мокрого термометра. Эти параметры изменяются в процессе сушки по ступеням в зависимости от влажности древесины, размеров и назначения высушиваемых материалов. С увеличением психрометрической разности повышается жесткость режима, возрастает интенсивность испарения влаги из древесины.
13.2. Технология изготовления клееных деревянных конструкций
Производство клееных деревянных конструкций должно осуществляться только на специализированных предприятиях. Особые требования по температурно-влажностному режиму предъявляются к цеху клееных конструкций, где необходимо поддерживать температуру 18-20®С и влажность воздуха 50-60%. Допускается производство и при температуре 16-25 градусов и влажности до 70%, но при этом должны корректироваться режимы склеивания.
Для изготовления клееных конструкций рекомендуется использовать пиломатериалы хвойных пород (сосна, ель). Допускается использование других пород, таких как лиственница, береза, осина, но при этом должен корректироваться ряд технологических параметров. При использовании сосны и ели в качестве сырья исходный пиломатериал для получения прямолинейных клееных элементов и гнутоклееных элементов значительного радиуса кривизны должен иметь толщину 40 мм, при фрезеровании которого получают заготовки толщиной 33 мм. Возможно использовать пиломатериал толщиной до 50 мм, но в этом случае предусматриваются продольные компенсационные прорези, уменьшающие внутренние напряжения, расположенные на расстоянии 40 мм между собой, но не менее чем на 10-15 мм от кромки доски. Глубина прорезей должна быть равной половине толщины слоя, ширина 2-3 мм.
Для получения гнутоклееных элементов с участками кривизны небольших радиусов используется пиломатериал толщиной 25 мм, при фрезеровании которого получают заготовки толщиной 19 мм.
Компоненты клея (смола, отвердитель) должны поступать по мере потребности в герметически закрытых емкостях. Запас не должен превышать 6 месяцев.
В состав предприятия должен входить цех металлических изделий, для производства комплектующих деталей. В составе цеха должен быть участок по антикоррозийной защите металлических деталей.
Технологический процесс изготовления предусматривает выполнение следующих операций: атмосферная сушка, формирование штабеля и камерная сушка, сортировка и калибрование пиломатериала по толщине, вырезка дефектных мест и сращивание доски по длине, приготовление и нанесение клеев, сборка и запрессовка клееных пакетов, механическая обработка клееных пакетов, защитная обработка, контроль качества.
Атмосферная сушка
Пиломатериал, поступающий на производство, зачастую имеет влажность, превышающую предел гигроскопичности (больше 30%), а также рекомендуемый запас древесины на предприятии должен быть в объеме трех-шестимесячной потребности, поэтому складирование сырья совмещают с атмосферной сушкой.
Формирование штабелей для камерной сушки
В сушильные камеры пиломатериал подается в штабелях определенных габаритов, кратных емкости камер, формирование штабеля осуществляется на рельсовых тележках из одинаковых по породе, толщине и длине пиломатериалов. Ряды досок разделяются прокладками. Прокладки сечением 40x25 мм укладывают строго вертикально друг над другом. Чтобы не увеличивать габариты штабеля, длина прокладок соответствует ширине штабеля. Количество прокладок регламентируется в зависимости от толщины пиломатериала и пород древесины. Для пиломатериалов хвойных пород толщиной до 25 мм шаг прокладок примерно равен 50 см, для досок толщиной до 50 мм шаг - примерно 1 м. При этом крайние прокладки должны укладываться по торцам штабеля. Предъявляемые требования к формированию штабеля позволяют снизить коробление досок и обеспечить равномерную циркуляцию сушильного агента.
Камерная сушка
В зависимости от породы древесины, ее сечений, исходной и требуемой на выходе влажности задаются определенные режимы сушки. Преимущество камерной сушки по сравнению с атмосферной, помимо скорости и получения продукции с заданными параметрами влажности, заключается также в уничтожении деревоокрашивающих и дереворазрушающих грибов и насекомых в древесине, отверждении смолы в древесине хвойных пород.
После выгрузки из сушильных камер, пиломатериалы кондиционируют в условиях цеха при температуре 18-20 градусов и влажности воздуха 50-60% не менее трех суток. Эта операция необходима для выравнивания влажности по длине и сечению пиломатериала, так как указанные температурно-влажностные условия в цехе соответствуют равновесной влажности древесины 8-12%.
Сортировка и калибровка пиломатериала по толщине
После кондиционирования штабеля доски, имеющие такие пороки, как гниль, трещины, покоробленность, отсортировываются и используются для других целей. Пиломатериалы после лесопиления имеют отклонения от номинальных размеров по толщине. В соответствии со стандартом доски имеют допуски 2 мм. Шероховатость поверхности после лесопиления также не позволяет качественно склеивать материал. Поэтому доски фрезеруются по пласти на двухсторонних строгальных станках, которые калибруют их по толщине. Далее осуществляется машинная сортировка. Эта современная высокопроизводительная операция с компьютерным оснащением оценивает пиломатериал по всем трем сортам, расчетные характеристики которых приведены в нормативных документах. Принцип машинной сортировки основан на зависимости между прогибом и изгибными напряжениями. Доска проходит через силовую раму, где ей на определенном пролете задается определенная величина прогиба. По компьютеру мгновенно определяют приложенную силу и напряжения изгиба, по которым определяется сорт. Участки доски, не обеспечивающие требуемый уровень напряжений, закрашиваются для дальнейшей вырезки.
Вырезка отдельных мест и сращивание досок по длине
Выявленные при машинной сортировке недопустимые пороки и дефекты вырезаются на торцовочных станках, которые входят в состав технологической линии по сращиванию пиломатериала по длине. Для сращивания по длине используется клеевое торцевое соединение на зубчатый шип. Нарезку зубчатых шипов на торцах производят специальными фрезами с выходом профиля шипа на кромку (горизонтальный шип) или на пласть заготовки (вертикальный шип). Для несущих конструкций предпочтительны вертикальные шипы. Поверхность нарезанных шипов на торцах доски должна соответствовать второму классу точности плотной посадки по стандарту на допуски и посадки. Запрессовка зубчатого соединения осуществля-
Показатель
ФР-12
ФР-100
ДФК-1АМ
ФРФ-50
Жизнеспособность клея при
2-4
1
0,5
3-5
темп.18-22°С., час
Срок хранения смолы, мес.
9
6
6
6
Свободный фенол, не более %
-
-
1,2
5,3
Горючие растворители, %
10
10
10
-
Вязкость смолы при темп. 18-
22°С„ сек
15-30
8-30
15-30
8-30
ется за счет торцевого давления с фиксацией стыка вертикальным прижимом. Полученные плети обрезаются торцовочными пилами по требуемому размеру и укладываются в пакет, на специальные тележки. Длина плети определяется длиной конструкции. После набора плетей определенной высоты тележки перемещают от технологической линии и выдерживают в условиях цеха до окончательного отверждения клея. Данная операция предполагает, что ширина изготавливаемой клееной конструкции соответствует ширине пиломатериала с учетом дальнейшего фрезерования кромок. Для изготовления клееных конструкций шириной больше, чем ширина исходного пиломатериала, разработана специальная технология по склеиванию доски по кромке. Заготовка, полученная в результате склеивания досок по кромке, пропиливается по требуемой ширине, а затем полученные заготовки сращиваются по длине на зубчатый шип.
Качество склеивания зависит от чистоты склеиваемых поверхностей. При изготовлении несущих деревянных конструкций показатель шероховатости пластей доски не должен быть более 120 мкм. Кроме того, склеиваемые поверхности должны быть свежеотфрезерованными, т.е. время с момента фрезерования до нанесения клея не должно превышать восемь часов. На поверхности не должно быть пыли и грязи. Поэтому перед сборкой и запрессовкой клееного пакета плети дополнительно фрезеруются, при этом выравнивается поверхность в зоне зубчатого соединения. На предприятиях, где отсутствует оборудование по машинной сортировке, фрезерование осуществляется один раз после сращивания по длине, и готовые плети поступают в зону цеха к запрессовочному оборудованию.
Приготовление и нанесение клея
В соответствии с областью применения клееных деревянных конструкций при изготовлении применяются различные типы клеев, такие как: резорциновый ФР-12, фенольно-резорциновый ФРФ-50, алкил-резорциновый ФР-100, ДФК-1АМ и другие виды. Основными показателями при выборе типа клея, наряду со стоимостью, являются такие как: рабочая жизнеспособность, отсутствие свободного фенола, срок хранения смолы и др. Марка клея обычно назначается по марке смолы.
Как правило, клей состоит из двух компонентов смолы и отвердителя, которые перемешиваются в клеемешалках, размещённых в помещении, оборудованном вытяжной вентиляцией. Отвердителем для вышеназванных смол является параформальдегид. В необходимых случаях в клей добавляются инертные наполнители (древесная мука и др.) для увеличения вязкости клея, что требуется, например, для склеивания соединений на зубчатый шип. Учитывая, что рабочая жизнеспособность типов клеев различна, объем приготовления определяется, исходя из расхода клея за данный промежуток времени. В зависимости от способа нанесения и состава клея суммарный расход при склеивании досок по пласти находится в пределах 0,35-0,6 кг/м2.
Клей необходимо наносить на обе склеиваемые поверхности. Одностороннее нанесение клея допускается лишь на участках с небольшим периодом запрессовочных операций или при большой жизнеспособности клея. Нанесение клея на поверхность следует производить механизированным способом при помощи клеенаносящего оборудования с дозирующими валками, обеспечивающими равномерное распределение требуемого количества клея. Для одностороннего нанесения применяется клееналивное оборудование. Допускается ручное нанесение клея при помощи кистей, валиков.
Нанесение клея на зубчатые шипы производят с помощью щёток и других приспособлений, встроенных в линию по сращиванию по длине. Допускается и ручное нанесение клея.
Рис. 13.2. Запресовка глухоклееных деревянных конструкций.
Сборка и запрессовка
При изготовлении клееных пакетов, необходимых размеров, их сборку, т.е. нанесение клея на плети и их формирование по высоте, производят, как правило, в запрессовочном оборудовании. Оборудование представляет собой установки для прессования периодического действия. Прямолинейные конструкции запрессовываются в вертикальных или горизонтальных прессах (клеевые прослойки расположены, соответственно, вертикально или горизонтально). Криволинейные конструкции рекомендуется запрессовывать в горизонтальных прессах (рис. 13.2)
При запрессовке должно быть обеспечено приложение и поддержание равномерного по всей площади склеивания и высоте пакета давление величиной 0,5-1,0 МПа. Верхний предел относится к склеиванию криволинейных конструкций, нижний предел - к склеиванию прямолинейных конструкций.
При склеивании криволинейных конструкций зачастую применяются винтовые прессы с компенсационными пружинами, позволяющими поддерживать требуемое давление. Для завинчивания винтов применяются электрические или пневматические гайковёрты, снабжённые динамометрическими устройствами для определения заданной величины давления.
Для склеивания криволинейных пакетов используются горизонтальные секционные прессы, позволяющие осуществлять быструю переналадку оборудования при изменении размеров и радиусов кривизны склеиваемых конструкций. Эти прессы состоят из отдельных секций, прикрепляемых к силовому полу таким образом, чтобы их рабочие опорные части соответствовали профилю изделия. На вертикальных стойках секций в определённых по высоте местах расположены горизонтальные гидродомкраты либо винты с захватами или упорами для тяг, посредством которых с помощью прижимных башмаков охватывают и запрессовывают пакеты плетей.
Учитывая, что при расспрессовке гнутоклееных конструкций происходит их некоторое распрямление, радиус установки базовых поверхностей секционных прессов должен быть меньше проектного радиуса внутренней поверхности конструкции.
Для обеспечения равномерного давления по длине расстояние между осями гидродомкратов или винтов не должно превышать 50 см, а свободное расстояние между краями прижимных башмаков не более 25 см. Между базовыми поверхностями секций, прессуемым пакетом плетей и башмаком должны быть компенсационные прокладки.
После формирования пакета запрессовка осуществляется в таком порядке, чтобы прижим осуществлялся от середины к краям равномерно в обе стороны.
Время выдержки склеиваемых пакетов в запрессованном состоянии обусловлено температурно-влажностным режимом цеха, технологическими свойствами клеев. При температуре цеха 18-20 °С выдержка прямолинейных конструкций составляет 14-12 часов, а криволинейных - 24-20 часов. Для ускорения отверждения клея возможен конвекционный нагрев до 80 градусов с помощью устройства "тепляков" вокруг пресса. Время полимеризации клея при этом снижается от 5 до 1,5 часов в зависимости от температуры. Но при этом требуется производить охлаждение конструкции в запрессованном состоянии в условиях цеха в течении трех часов.
Механическая обработка клееных пакетов
После распрессовки клееные пакеты подвергают механической обработке для доведения их до проектных размеров и придания поверхности необходимых качеств. Механическая обработка включает фрезерование боковых поверхностей клееного пакета, опиловку торцов под проектными углами, сверление отверстий под болты, под вклеенные штыри и т.д.
Фрезерование боковых поверхностей производится на стационарных односторонних рейсмусовых или двухсторонних станках. В случае значительных размеров конструкций допускается фрезерование боковых поверхностей ручным электрическим инструментом.
Торцовка осуществляется дисковыми или ленточнопильными станками под необходимым углом. Основное требование заключается в перпендикулярности торцовки. Допускается торцовка и ручными дисковыми электрическими пилами с глубиной пропила не менее толщины клееного пакета.
Защитная обработка
Все поверхности изделий и конструкций окрашиваются пентафталевы-ми, перхлорвиниловыми или другими эмалями, такими как: ПФ-115, ПФ-170, ХВ-110, ХВ-124 и др. Для защиты конструкций складов минеральных удобрений следует применять перхлорвиниловую эмаль ХВ-785 или сополимерные эмали ХС-759 и др.
Для клееных конструкций зрелищных, спортивных и других зданий со-циально-культурного назначения, где конструкции являются также элементом интерьера, используются прозрачные лаки, такие как уретановые УР-293 и другие. При данном виде отделки рекомендуется защита покрытия от внешних воздействий и механических повреждений при погрузо-разгру-зочных работах, транспортировке, монтаже. Эта защита осуществляется упаковкой конструкций в полиэтиленовую пленку, которая снимается на последнем этапе строительства перед сдачей объекта в эксплуатацию.
Нанесение лакокрасочных составов на поверхность конструкций осуществляют пневматическим распылителем или с помощью ручных инструментов (кисти, валики). Толщина покрытия должна соответствовать показателям, приведённым в технических условиях на изготовление конструкций. В среднем толщина покрытия, обеспечивающая влагозащитный эффект, должна быть для прозрачных покрытий 90 мкм, а для непрозрачных - 120 мкм. Такая толщина создаётся при нанесении лакокрасочных материалов пневматическим распылителем за 4 раза, а при нанесении кистью и валиком за 3 раза. Вязкость уретановых лаков при этом по вискозиметру ВЗ-4 при температуре 18-20 °С должна быть 20 сек., пентафталевых эмалей - 40-50 сек., а перхлорвиниловых и сополимерных эмалей - 35-40 сек.
Защита торцов клееных конструкций осуществляется мастичными составами на основе смол К-153, К-115, эпоксидной шпатлёвки ЭП-0010, либо тиоколовыми герметиками У-ЗОм, УТ-32 и др. Предварительно торцы обрабатываются антисептиками, а затем грунтуются рабочими составами. Рабочие составы для получения грунтовочного покрытия на основе смол и шпатлёвки приготавливаются путём последовательного введения в смолу растворителя и отвердителя. Для покровного слоя используют те же составы с добавлением наполнителя в количестве 50 весовых частей .
Нанесение грунтовки осуществляется кистью или валиком. Через 4-5 часов наносится покровный слой. Расход материала на грунтовку составляет 300 грамм, а на покровный слой примерно 1,2 кг/м2.
При устройстве армированных покрытий по грунтовке наносится приклеивающий слой, и сразу же валиком прикатывается стеклоткань или стек-лосетка, которая должна пропитаться составом. Через 2-3 часа наносят покровный слой и конструкцию выдерживают в условиях цеха в течение суток.
Грунтовочные составы на основе тиоколовых герметиков приготовляют путем введения растворителя. Нанесение грунтовочных составов осуществляется кистью, а покровного состава - шпателем. Покровный состав наносится через 18-20 часов после грунтовки.
Контроль качества изготовления конструкций
Учитывая специфику производства клееных конструкций и возможность появления скрытых дефектов, которые могут резко снизить прочность конструкций следует тщательно контролировать следующие параметры:
-температуру и влажность воздуха в зонах механической обработки и склеивания;
-влажность пиломатериалов после сушки; -качество фрезерования склеиваемых поверхностей; -вязкость, рабочую жизнеспособность и время отверждения клея; -расход и равномерность нанесения клея;
-время с момента приготовления клея до окончания запрессовки; -величину и равномерность приложения давления; -время выдержки запрессовки; -прочность клеевых соединений.
Последний параметр в интегральной форме отражает качество технологического процесса и оценивается разрушающим методом контроля. Оценка качества клеевых соединений осуществляется по результатам контрольных испытаний на прочность и на расслаивание. Образцами для проведения испытаний являются отходы при торцовке клееного пакета. Испытания проводят с помощью специального приспособления на послойное скалывание в испытательном прессе с пределом нагружения не менее 5 т и точностью изменения нагрузки до 1%. Показатели прочности при испытаниях на послойное скалывание должны быть не менее 6 МПа, при среднем показателе предела прочности 8 МПа.
Испытания на расслаивание проводят для конструкций, эксплуатируемых в условиях нестабильного температурно-влажностного режима, или для особо ответственных большепролётных конструкций. Испытания проводят по специальной методике путём вымачивания образцов в автоклаве под давлением и высушивания до начальной влажности в сушильной камере при температуре После высушивания на обеих торцевых поверхностях образцов замеряют раскрытие клеевых прослоек. Показателем качества склеивания является процентное отношение суммарной длины расслоений по клеевым прослойкам к общей их длине, выходящих на торцы. После трех циклов испытаний расслоение не должно превышать 10%.
13.3. Технология изготовления дощатых конструкций
с соединениями в узлах на МЗП
Производство дощатых конструкций с соединением в узлах на металлических зубчатых пластинах может быть организовано на любом деревообрабатывающем предприятии, имеющем свободные производственные площади. В отличие от клееных конструкций никаких требований по обеспечению температурно-влажностных условий данное производство не требует и может быть организовано также в неотапливаемых помещениях.
Наиболее распространённая область применения дощатых конструкций - это стропильные системы для малоэтажного домостроения, фермы пролётом до 15 м для производственных и складских зданий. Для изготовления конструкций используется пиломатериал сосны и ели первого и второго сортов по ГОСТ 24454-80 длиной от 2 до 6,5 м, шириной от 100 до 200 мм, толщиной 40-60 мм. Качество и максимальная влажность древесины должны удовлетворять требованиям СНиП, 11-25-80.
Металлические зубчатые пластины изготавливаются на специализированных предприятиях. Технология изготовления МЗП достаточно простая. После размотки рулонов листов оцинкованной стали и продольной разрезки на ленты требуемой ширины, лента подаётся в стандартный пресс со съемным штампом (матрица и пуансон). В зависимости от толщины материала единовременно выштамповывается один или два ряда зубьев по всей ширине. Подача ленты осуществляется с шагом, равным расстоянию между рядами зубьев. При выходе из пресса лента обрубается по требуемой длине, затем пластины пакетируются в коробки.
Технологический процесс изготовления конструкций с соединениями на МЗП предусматривает выполнение следующих операций: сушка пиломатериалов, фрезерование, защитная обработка древесины, торцовка заготовок, сборка заготовок и запрессовка МЗП, контроль качества.
Сушка пиломатериалов
Поступающий пиломатериал на предприятие должен быть подвергнут атмосферной или камерной сушке, чтобы влажность древесины при изготовлении не превышала 18-20%.
Фрезерование пиломатериала
Фрезерование по толщине и по ширине осуществляют на четырехсторонних станках. Калибровка по толщине должна обеспечить требование к равнотолщинности досок, соединяемых в одном узле, которая не должна превышать 1 мм. Большая разнотолщинность не обеспечит расчетный режим работы МЗП в соединении. Требования по качеству поверхности не регламентируются, допускаются нефрезерованные участки поверхностей. Калибровка пиломатериала по ширине обеспечивает необходимую соосность в узлах при сборке конструкций.
Защитная обработка древесины
Дощатые конструкции для зданий с влажностными условиями эксплуатации А-1, А-2, Б-1 и Б-2 по таблице 1 СНиП 11-25-80 могут изготавливаться без защитной обработки древесины от гниения. Для зданий с другими эксплутационными условиями требуется защитная обработка.
Для антисептирования рекомендуются составы ББ-32, МБ-1. Препарат безопасен для людей и может применяться для защиты древесины, соприкасающейся с пищевыми продуктами (например, в овоще- и фруктохранили-щах). Препарат малотоксичен для людей и животных и рекомендуется для защиты конструкций, где возможно конденсационное увлажнение, например, в теплицах животноводческих помещениях.
Производить антисептирование рекомендуется методом погружения в ванны с раствором. Фрезерованные заготовки укладываются в контейнер таким образом, чтобы между ними оставались горизонтальные и вертикальные зазоры. Контейнер должен полностью быть погружён в раствор. При необходимости его дополнительно пригружают. Выдержка в ваннах осуществляется до удержания раствора антисептика в заготовках в объёме 120 г/м2 строганых поверхностей.
Торцовка заготовок
После подсушки антисептированных заготовок осуществляется торцовка под требуемыми углами в соответствии с проектными размерами. Точность торцовки определяется техническими условиями и зависит от пролёта конструкции и количества узлов. Торцовка осуществляется на специальных торцовочных станках либо ручными электрическими дисковыми пилами по шаблонам.
Сборка конструкций и запрессовка МЗП
Сборка конструкций и запрессовка в узлах МЗП производится на специальном оборудовании различной модификации. Наиболее распространённым оборудованием для изготовления небольших партий различной конфигурации является подвесная гидравлическая пресс-скоба с опорными столиками, которые устанавливаются в узлах конструкции (рис. 13.3). Фиксация
Рис. 13.3. Оборудование для изготовления дощатых ферм с соединениями в узлах на МЗП. Рама с опорными столиками (слева) подвесная прес-скоба (справа).
столиков осуществляется как к опорным рамам на болтах, так и к металлическим площадкам пола на электромагнитах. На металлических плитах столиков укладываются МЗП зубьями вверх. Затем заготовленные деревянные элементы собираются на этих пластинах в конструкцию и сверху укладываются на тот же типоразмер МЗП зубьями к древесине. Последовательно к каждому столику подводится пресс-скоба, и осуществляется двухсторонняя запрессовка пласти каждого узла. Преимущество данной технологии заключается в простоте оборудования и возможности оперативно изготавливать различные типы конструкций любой высоты. Недостатком является необходимость в подвесном оборудовании для перемещения пресс-скобы, а также небольшая производительность.
Для изготовления больших партий однотипных конструкций небольшой высоты, например, стропильных и подстропильных ферм, рекомендуется использовать более производительное технологическое оборудование - передвижной или стационарный пресс со сборочным столом.
Передвижной пресс в комплекте со столом имеет высокую производительность за счёт скорости передвижения и возможности одновременной запрессовки МЗП в нескольких узлах. Управление пресса может быть ручным или автоматическим. В процессе работы пресс перемещается вдоль сборочного стола по рельсовому пути. Сборочный стол имеет длину равную длине двух конструкций. В процессе запрессовки МЗП в собранную конструкцию на одной половине стола, на другой половине осуществляется сборка следующей конструкции.
Стационарный пресс, в отличие от передвижного, закреплён на основании, а сборочный стол с собранной конструкцией передвигается по подающим рольгангам через пресс на приёмные рольганги. В отличие от передвижного, стационарный пресс требует больших площадей. Производительность такого оборудования достигает 8 тыс. куб. м конструкций в год.
Изготовленные однотипные конструкции плотно соединяют между собой в пакеты с помощью металлических лент, для обеспечения возможности складирования и транспортировки в проектном положении.
Контроль качества
Специфика данных конструкций требует пооперационного контроля качества следующих параметров:
влажность и пороки древесины, особенно для растянутых элементов ферм и рам;
плотность примыкания элементов в узлах и глубину запрессовки;
размещение МЗП в узлах с обеих сторон в соответствии с проектом, без смещения их отсительно друг друга.
При освоении производства дощатых ферм пролетом 9 и более метров должны быть проведены контрольные испытания ферм до разрушения по специальной методике с участием разработчиков технической документации.
Глава 14. Хранение, транспортировка и монтаж деревянных конструкций
14.1. Хранение и транспортировка конструкций
Деревянные конструкции и изделия при хранении на стройплощадке должны быть защищены от влажностных воздействий, поэтому период их хранения на объекте должен быть сведён к минимуму. Особенно это касается клееных несущих конструкций, срок от доставки с завода до окончания кровельных работ которых не должен превышать трех месяцев.
При хранении конструкции рекомендуется устанавливать в проектном положении: например, панели стен устанавливают вертикально, панели покрытий - горизонтально. Исключения составляют столбы, колонны, элементы опалубки. Детали деревянного домостроения должны храниться в штабелях, накрытых большеформатными пленочными материалами. Срок их хранения на объекте не должен превышать 10-15 дней. Между штабелями необходимо оставлять проезды, определяемые габаритами подъемно-транс-портных средств. Изделия в штабеле должны опираться на деревянные сквозные подкладки и прокладки.
При хранении конструкций в горизонтальном положении нижний ряд укладывают на подкладки сечением не менее 15x15 см либо на бревна, опиленные с двух сторон. Основание должно быть предварительно выровнено и уплотнено, иметь уклон для отвода дождевых и талых вод.
До начала монтажа на площадку должны быть доставлены деревянные конструкции в количестве, определенном проектом производства работ или технологическими картами. Конструкции укладывают в местах, предусмотренных строительным генеральным планом в непосредственной близости к месту установки и в зоне действия стрелы монтажного механизма.
Порядок укладки различных конструкций:
-клееные конструкции и другие конструкции массивных сечений укладываются в один ряд в проектном положении на деревянные прокладки, укладываемые на грунт;
-балки, прогоны, стропильные ноги, мауэрлаты и другие изделия из бруса или доски длиной до 6 м укладываются горизонтально в штабеля по 10-15 рядов с прокладками между ними. Прокладки должны находиться одна над другой по одной вертикальной линии. В каждом ряду должно быть не менее трех прокладок;
-клееные, брусчатые, металлодеревянные фермы устанавливаются в вертикальном положении с использованием специальной оснастки;
-панели перекрытий, покрытий и кровельные панели хранятся по 10-15 шт. по высоте штабеля. Также складируются дощатые щиты стен.
Панели деревянных домов заводского изготовления, обшитые листами гипсокартона или другим облицовочным материалом, хранятся в проектном положении:
стены и перегородки — вертикально в специальных кассетах, предохраняющих поверхность изделий от повреждений, а панели перекрытий — в штабелях на прокладках.
При транспортировке большепролетных и стержневых клееных деревянных конструкций основными операциями являются погрузочно-разгру-зочные работы и фиксация их к стойкам платформ. Эти работы должны производиться в строгом соответствии со схемой строповки с помощью траверс. Эти схемы должны предусмотреть при максимальной простоте строповки и конструкции траверсы, чтобы напряжения в элементах конструкции не превышали расчетных. При перевозке несущих клееных деревянных конструкций в зависимости от их габаритов используют специальный автотранспорт. Конструкции укладывают на транспортные средства, обеспечивая их устойчивое положение и опирание, по возможности близкое к проектному. Конструкции должны закрепляться эластичными неметаллическими материалами. Гнутоклееные деревянные полурамы и полуарки перевозят по 4-5 комплектов одновременно.
При перевозке в железнодорожных вагонах гнутоклееные полурамы устанавливают вертикально стойками вверх в два ряда по высоте, отступив от продольной стены вагона на 650 мм. Ригели полурам опираются на деревянные подкладки, расставленные примерно через 3 м. Второй по высоте ряд рам отделяется прокладками 5x15 см, которые расположены строго над подкладками. Центр тяжести пакета гнутоклееных рам должен находиться в вертикальной плоскости симметрии платформы.
Пакеты полурам закрепляют к прокладкам и крюкам платформы мягкой проволокой для крепления грузов, изготовляемой из круглой горячекатаной стали диаметром 6 мм. Толщину проволочных скруток определяют с учетом продольных, поперечных и вертикальных инерционных сил, ветровой нагрузки, сил трения и собственного веса рам (общая масса 10 т, масса одной рамы — 500 кг).
Комплектующие металлические детали клееных конструкций транспортируются отдельно. При погрузке и разгрузке конструкций следует применять кран с захватом для монтажных петель и использованием специальных траверс.
Фермы и балки больших пролетов перевозятся пакетом по 4-5 штук с прокладками между ними. Дощатые фермы перевозят пакетами без прокладок между ними. При этом фермы пакетируются полосовой сталью. Конструкции должны быть зафиксированы к платформе автотранспорта. Аналогично перевозятся стеновые панели и перегородки.
Панели перекрытий транспортируют в горизонтальном положении без прокладок.
14.2. Методы монтажа деревянных конструкций
Вопросы монтажа исключительно важны при проектировании, особенно большепролётных конструкций, и должны рассматриваться ещё на стадии разработки технического задания на проектирование.
Это обусловлено усилиями в элементах конструкции, которые возникают в процессе монтажа, и могут значительно отличаться от расчетных усилий вплоть до изменения знака усилий в отдельных элементах конструкций. Кроме того, соответствующим образом должны решаться узлы, поскольку, помимо прочности, конструкция узлов должна отвечать требованиям удобства производства работ, от чего в значительной мере зависит надежность конструкции. Нельзя также не учитывать технические возможности подрядной организации, а в случае необходимости совместно с проектировщиком надо разработать проект организации работ.
Методы монтажа деревянных конструкций отличаются друг от друга по степени укрупненное™ монтируемых элементов и по способу подъема и установки их в проектное положение.
По степени укрупненности элементов деревянных конструкций методы монтажа можно разделить на:
- монтаж отдельными деталями, частями конструкций;
- монтаж конструктивными элементами;
- монтаж блоками;
- монтаж собранного деревянного сооружения.
Монтаж деревянных конструкций отдельными деталями представляет сборку сооружения из отдельных, ранее заготовленных элементов, поданных краном или вручную к месту монтажа. Примером может служить сборка деревянного дома из брусьев или бревен, устройство деревянной перегородки из готовых щитов, установка стропил из бревен, брусьев и досок. Этот метод монтажа требует больших затрат ручного труда, значительного расхода материала на устройство лесов, подмостей и других вспомогательных приспособлений. Крановое оборудование используется при этом неэффективно, так как приходится производить большое количество подъемов элементов небольшого веса. При монтаже отдельными элементами необходимо окончательное закрепление каждого элемента.
Малопроизводительный и трудоемкий способ монтажа деревянных конструкций отдельными элементами в настоящее время применяется только в зданиях построечного изготовления и в деревянном домостроении.
Более индустриальным является монтаж конструктивными элементами, при котором к месту работ доставляются конструкции заводского изготовления (фермы, рамы, арки и т. п.), которые с помощью различного монтажного оборудования за один прием поднимаются и устанавливаются в проектное положение.
В том случае, если конструкции, подлежащие монтажу, имеют очень большие размеры, затрудняющие их перевозку от места изготовления к месту установки, применяют укрупнительную сборку. На заводе конструкцию изготовляют в виде отдельных блоков, проверяют их контрольной сборкой, маркируют и отдельными частями доставляют к месту монтажа на специально оборудованную площадку укрупнительной сборки, на которой собирается конструкция. После этого приступают к монтажу собранной конструкции.
Таким способом монтируются большепролетные рамные и арочные конструкции. В качестве примера можно привести процесс монтажа рамы перегрузочного склада минеральных удобрений в порту «Санкт-Петербург» пролетом 62 м. На объекте каждая полурама собиралась из трех элементов полной заводской готовности с закладными вклеенными стальными деталями. Соединение стальных деталей на электросварке между собой обеспечило равнопрочное соединение основного сечения полуарок (рис. 14.1).
Монтаж целыми конструктивными элементами является высокопроизводительным. Все основные операции выполняются с помощью машин. В настоящее время монтаж конструктивными элементами наиболее распространенный способ.
Наиболее удобным способом установки легких дощатых ферм является монтаж нескольких конструкций, соединенных в блок постоянными связями. Так, например, если три или четыре стропильных фермы соединить на земле в зоне монтажа постоянными, предусмотренными проектом прогона-
Рис 14.1. Укрупненная сборка отдельных элементов полурам. ми и связями, то полученный укрупненный блок, обладающий достаточной пространственной жесткостью, быстро монтируется мобильными автокранами. Монтаж блоками наиболее прогрессивный и способствует более полному использованию грузоподъемности кранового оборудования, сокращает число необходимых подъемов и сроки монтажа.
Монтаж деревянных сооружений, целиком собранных на строительной площадке широко применяется в настоящее время при монтаже радиобашен, радиомачт, мачт линий электропередачи и других высотных сооружений, а также пролетных строений мостов.
В зависимости от размеров, формы и местных условий для подъема и установки собранного сооружения применяется один из следующих способов: вертикальный подъем; надвижка конструкций; подъем поворотом; подъем сложным перемещением.
Для монтажа верхней части сооружений, например, купола церквей, применяется вертикальный подъем.
Надвижка конструкций применяется при монтаже сооружений, сложных по форме и значительных размеров. Например, при монтаже пролетных строений мостов. Пролетное строение собирается на берегу в проектном положении на одинаковом уровне с опорами и после этого, по специально устроенным путям, надвигается на опоры.
Подъем поворотом наибольшее распространение имеет при монтаже стоек, мачт и других высоких сооружений с небольшим поперечным сечением в сравнении с длиной. При этом способе монтируемая конструкция собирается в горизонтальном положении, и опорная часть ее закреплена шарнирным соединением с опорой. Особое внимание при этом уделяется определению места строповки, чтобы обеспечить прочность узлов и элементов конструкции от переменных усилий, возникающих в процессе подъема. Необходимо отметить, что эти усилия могут быть значительно выше, чем расчетные усилия от эксплуатационной нагрузки. В 80-х годах часто этот метод применялся при монтаже стрельчатых арок пролетом 18-24 м складских зданий для хранения минеральных удобрений.
В настоящее время, когда строительная промышленность располагает стреловыми мобильными кранами, можно применять более совершенный способ подъема конструкции — подъем сложным перемещением. При подъеме и подаче конструкции к месту установки кран совершает ряд движений, в результате чего монтируемое изделие принимает проектное положение на весу и перемещается в вертикальном и горизонтальном направлениях. Этот способ подъема получил наибольшее распространение при всех видах монтажа большепролетных конструкций. Таким способом осуществлялся монтаж арок-ребер и арок-диафрагм цилиндрической оболочки покрытия катка «Локомотив» в г. Москве. При этом использовались два башенных крана с подкрановыми путями вдоль продольной оси здания. Строповка конструкции при этом стропилась в торце здания.
Способ монтажа зависит от вида, размеров и веса монтируемых конструкций. Прорабатывается на стадии проекта производства работ. При этом из всех возможных способов принимается тот, который обеспечивает наименьшие затраты времени и средств.
Глава 15. Основы эксплуатации зданий и принципы усиления деревянных конструкций
С целью увеличения срока службы и безаварийной эксплуатации зданий и сооружений, в том числе с применением деревянных конструкций, создана система технического обслуживания, ремонта и реконструкции зданий и объектов, утвержденная Государственным комитетом по архитектуре и градостроительству при Госстрое СССР в 1988 г. (ВСН 58-88 (р)). Эта система представляет собой комплекс организационных и технических мероприятий.
1. Техническое обслуживание, которое заключается в контроле над техническим состоянием частей зданий путем проведения плановых и внеплановых осмотров. Плановые осмотры должны проводиться ежегодно. Применительно к зданиям и конструкциям из древесины, в первую очередь, необходимо оценивать температурно-влажностный режим отапливаемых помещений и теплоизоляцию стен чердачных и цокольных перекрытий и покрытий. В неотапливаемых помещениях, например, на чердаках, необходимо контролировать теплоизоляцию трубопроводов и других источников тепла. Нарушение этого режима приводит к увлажнению деревянных элементов конденсационной влагой и загниванию. В середине лета ежегодно необходимо проконтролировать состояние кровли и при необходимости выполнить ремонт. Одновременно необходимо осмотреть несущие конструкции, открытые для доступа.
Выполнение этих условий обеспечит срок эксплуатации правильно запроектированных, качественно изготовленных и точно смонтированных деревянных конструкций значительно, более 50 лет, т.е. срока действия неизменной постоянной нагрузки, на котором базируется нормирование расчетных сопротивлений с учетом длительности действия нагрузки и оценка результатов испытаний конструкций кратковременной нагрузкой до разрушения.
Внеплановые осмотры производятся после землетрясений, ураганных ветров и ливней, сильных снегопадов и других явлений стихийного характера. В этом случае необходимо, в первую очередь, оценить состояние ограждающих конструкций и кровли. Кроме этого, требуется осмотр несущих конструкций в части возможных вертикальных и горизонтальных деформаций, а также узловых соединений.
2. Текущий ремонт должен проводиться с периодичностью, обеспечивающей эффективную эксплуатацию зданий с момента завершения строительства (капитального ремонта) до момента очередного ремонта (реконструкции).
3. Капитальный ремонт, или реконструкция, должен включать устранение неисправностей всех изношенных элементов и конструкций. На капитальный ремонт или реконструкцию должны ставиться, как правило, здание в целом или его часть. При этом необходимо по возможности эксплуатационный режим и назначение здания оставить без изменения. Переориентация назначения здания с изменением технологии может негативно сказаться на надежности деревянных конструкций, особенно тогда, когда изменяется температурно-влажностный режим, к несущим конструкциям подвешивается дополнительное оборудование. За счет возможных пристроек или надстроек изменяется профиль здания, что вызывает увеличение снеговой нагрузки, не обеспечивается непосредственный отвод с кровли атмосферных осадков, нарушается режим вентиляции ограждающих конструкций.
Принятие решения по целесообразности проведения капитального ремонта или реконструкции принимает комиссия из заинтересованных лиц, основываясь на данных, представленных специалистами по соответствующему профилю, обследующих несущие конструкции и фундаменты.
Обследование деревянных конструкций. При необходимости реконструкции здания; при наличии заметных прогибов конструкций перекрытия, появлении уклонов в полах по перекрытиям, появлении протечек, а также для зданий, эксплуатируемых свыше пятидесяти лет, - необходимо проводить обследование состояния несущих деревянных конструкций. С этой целью должна быть создана комиссия в составе не менее двух человек, один из которых должен быть инженером-конструктором с большим опытом проектирования деревянных конструкций, а второй - специалистом по защите древесины.
На первом этапе необходимо изучить сохранившуюся техническую документацию и сравнить проектные и фактические параметры основных несущих конструкций. При отсутствии документации путем обмера определяется расчетная схема конструкций и их узлов, сечения элементов, фактическая постоянная нагрузка. По действующим нормативным документам производится расчет по прочности и деформативности на нормативные временные и фактические постоянные нагрузки. В случае если расчеты показывают, что по несущей способности основные конструкции не проходят, то работы по обследованию приостанавливаются для кардинального решения вопроса.
В случае, если расчеты подтверждают требуемую несущую способность основных конструкций, то обследование далее выполняется по следующей программе:
- осмотр всех несущих конструкций и элементов с необходимыми вскрытиями полов, потолков и других элементов ограждения в местах, определяемых специалистами;
- составляется исполнительная схема с записью обнаруженных дефектов, с их размерами, наиболее существенные дефекты зарисовываются или фотографируются;
- определяются фактические размеры сечений, пролет, шаг конструкций;
- анализируется пространственное раскрепление конструкций, вертикальность высоких либо тонкостенных конструкций;
- замеряются фактические прогибы изгибаемых элементов, смещение узлов;
- электровлагомером определяется влажность древесины;
- производится (в случае необходимости и возможности) выборка образцов древесины для лабораторного исследования прочности, определения возможного вида гриба или древоточцев.
Результаты обследования анализируются, и выдается заключение о возможности или невозможности эксплуатации конструкции. Во втором случае специалистами разрабатываются технические решения на усиление несущих конструкций и, в случае согласования их с заказчиком, техническая документация.
Усиление деревянных конструкций. В основу разработки технической документации по усилению деревянных конструкций должны быть положены следующие принципы:
- обеспечить существующие габариты помещений, исключить дополнительную установку стоек или подкосов (кроме временных на период производства работ);
- усиленные конструкции должны либо полностью выполнять свои прежние функции, либо частично. В последнем случае решается вопрос об уменьшении шага конструкций путем подведения аналогичных по очертанию новых конструкций;
- работы по усилению желательно выполнять без нарушения технологического режима здания, используя минимальную площадь «захватки» для производства работ;
- решения усиления для однотипных конструкций с одинаковыми дефектами должны быть унифицированы и отличаться лишь объемами работы;
- не могут разрабатываться варианты временного усиления на два, три года. Может быть только временное раскрепление;
- усиленные конструкции должны удовлетворять требованиям действующих нормативных документов на момент реконструкции.
Методы усиления деревянных конструкций квалифицируются по двум признакам:
- без изменения прежней схемы их работы;
- с изменением схемы их работы.
Метод усиления без изменений прежней схемы работы применяется, как правило, при локальных повреждениях конструкций путем:
- установки дополнительного числа крепежных механических связей;
- установки дополнительных смежных элементов по боковым плоскостям усиляемой конструкции;
- установки протезов для сгнивших опорных узлов балок, заделанных в кирпичные стены. При этом наиболее рациональным решением проте
