Клееные деревянные конструкции — это монолитная совокупность деревянных деталей определенных параметров и взаиморасположения, соединенных клеевой прослойкой, предназначенная для выполнения несущих, ограждающих и/или эстетических (декоративных) функций в строительных изделиях и конструкциях.
Есть своя история
Начало массовому производству КДК в России было положено в 1973 году но первые исследования и даже применение КДК при строительстве некоторых объектов началось с 1942 года. В 70-х в стране уже работало около 20 предприятий на импортном оборудовании с общей производительностью около 100 тыс. м3 КДК в год. Клееная древесина широко использовалась при строительстве зданий сельскохозяйственного назначения, складов минеральных удобрений, общественных зданий. Более 60 складов с пролетом 45 м до сих эксплуатируется в Березняках Пермской области, некоторые — с 1960 года. Срок службы стальной конструкции здесь не превышает 10 лет. Совмещение высокой химстойкости древесины с высокой прочностью при малом весе обеспечивает КДК эффективность в данной области. В 80-е годы было построено много большепролетных спортивных сооружений. Это такие здания, как каток в Архангельске (пролет — 60 м), каток в Твери (пролет — 55 м), а также несколько спортивных манежей и залов в Белоруссии.
Была создана нормативная база, школа проектировщиков и научная часть. Однако позже, в перестроечное время практически все было утрачено, и к 1996 году отрасль почти прекратила свое существование.
Тем не менее, в последние годы наметились положительные изменения в данной отрасли. Запроектировано и построено около 200 различных сооружений с каркасами из КДК и новыми соединениями, в том числе несколько уникальных. К ним, в частности, относятся: купол диаметром 70 м для склада антигололедных реагентов в Москве (пересечение МКАД и Ленинградского шоссе), склад соли в Новокосино (Москва), склад калийных солей (Санкт-Петербург), спортивный дворец в Щелково (Москва), аквапарк в Абзаково (Челябинская обл.) и др. Эффективным считается и применение КДК в автомобильном мостостроении. Совместно со специалистами из Финляндии удалось получить композиционную конструкцию -деревобетонные балки, которые успешно применяются для строительства мостов и перекрытий пролетом до 18 м.
В современном строительстве используются все основные виды конструкций с применением клееной древесины: арки, балки, рамы, фермы и т. д. Из арочных конструкций следует выделить трехшарнирные арки покрытия катка в Архангельске пролетом 63 м, успешно эксплуатируемые с 1980 года. Большое количество спортивных сооружений с арками пролетом до 60 м построено в Белоруссии. В Москве впервые были применены сборные двухшарнирные арки пролетом 45 м с жестким стыком для покрытия катка «Локомотив» в 1983 году. Сборные неразрезные балки длиной до 100 м с жесткими стыками на наклонно вклеенных связях впервые использованы в Подмосковье при строительстве общественного центра «Липки» (1983).
Преимущества и сфера применения
Отечественный и зарубежный опыт позволяет выделить рациональные области применения клееных деревянных конструкций. Вообще такими областями являются те, в которых с максимальной эффективностью используются те или иные достоинства или свойства древесины.
Из всех строительных материалов древесина отличается наиболее высокими эстетическими и экологическими достоинствами, наиболее выразительной текстурой, «теплотой». Такие свойства необходимы в зданиях и сооружениях общественного назначения, в спортивных сооружениях, где конструкции стремятся оставить открытыми в интерьере. В ряде случаев это позволяет отказаться от обязательного, например, для каркаса из металла, подвесного потолка. Стоимость подвесного потолка иногда превышает стоимость несущих конструкций. Поэтому благодаря эстетическим и акустическим свойствам древесины КДК могут использоваться открытыми, что обеспечит и экономическую эффективность.
КДК обладают достаточно высокой относительной прочностью (коэффициент качества), т. е. высокой прочностью при небольшом весе. Конструкции из КДК в пять раз легче железобетонных, что позволяет существенно снизить расход бетона на фундаменты. Для сравнения, вес 1 ms древесины — примерно 500 кг, бетона — около 2500 кг. Этот показатель делает КДК более эффективными в сравнении с железобетонными и стальными конструкциями при увеличении пролета. Небольшой вес КДК позволяет производить монтаж небольших конструкций без применения тяжелых грузоподъемных механизмов. Это особенно важно при реконструкции зданий путем надстройки мансард. Здесь пролеты не превышают 15 м и вес арочных или рамных конструкций обычно составляет не более 100 кг.
«Гвоздимость» древесины (способность удерживать гвозди) и хорошая адгезия к клеям позволяет обходиться без сварки в соединениях, что важно также при реконструкции старых зданий, когда сварка недопустима.
Высокая химическая стойкость КДК делает их незаменимыми в сооружениях с химически агрессивной средой. Долговечность деревянных конструкций на порядок выше металлоконструкций, например, в терминалах для хранения калийных солей или минеральных удобрений. Срок службы стальных конструкций в подобных сооружениях не превышает 5-7 лет, деревянных же — более 60 лет. Бессезонность в строительстве из КДК создает дополнительные преимущества при возведении объектов в зимнее время в сравнении с монолитными ЖБК, требующими электропрогрева.
Экологическая чистота, диэлектрические свойства деревянных конструкций, их высокие теплозащитные свойства исключают возможность промерзания строительных -конструкций, снимают многие проблемы при проектировании опорных и других узлов конструкции. КДК совмещают в себе несущие и теплозащитные функции. Это, естественно, важно при использовании данного материала в конструкциях стен, перекрытий и полов, т. к. обеспечивается высокая степень комфортности обитаемой среды.
Преодолимые недостатки
Обычно считается недостатком древесины ее поведение при пожаре. На самом деле деревянные конструкции могут иметь большую стойкость к огню, чем металлические или железобетонные. Так, скорость обугливания древесины составляет примерно 0,7 мм в минуту. Поэтому несложно подсчитать, что, увеличив сечение конструкции на требуемую величину, можно добиться ее необходимой огнестойкости. В металлических конструкциях (несущих) неизбежна специальная дорогостоящая огнезащитная обработка, зачастую превышающая стоимость самой конструкции.
Известный недостаток древесины — загниваемость — можно легко свести к минимуму или вообще исключить путем правильного проектирования КДК с использованием конструктивных мер в комплексе с химзащитой. Основным правилом при этом является доступность конструкций для визуального осмотра. Кроме того, они не должны иметь глухих непроветриваемых зон, прямого контакта с бетонными или металлическими поверхностями и т.д. КДК не следует также оставлять открытыми для воздействия атмосферных осадков и солнца. Температурные деформации древесины вдоль волокон практически отсутствуют, что снимает проблему деформационных швов в зданиях.
В мансардном строительстве КДК оказываются наиболее эффективными благодаря целому ряду особенностей, которые должны быть использованы при проектировании. Одной из них, как упоминалось, является возможность сборки каркаса мансарды вручную или с помощью простейших механизмов: лебедок, талей и т. п. При этом вес элементов не превышает 100-130 кг. Такие элементы позволяют перекрывать пролеты до 12-15 м. Кроме того, обеспечивается высокое качество поверхностей КДК, чтобы они были обязательно открытыми в интерьере помещений мансарды.
Вне помещения (на открытом воздухе) несущие КДК должны быть закрыты от прямых солнечных лучей и от воздействия осадков.
В случае, когда необходимо повышенная огнестойкость, например в лестничных пролетах, КДК могут быть обшиты цементостружечными или гипсокартонными плитами.
В последнее время для соединения КДК в узлах используются соединения на наклонно вклеенных стержнях, имеющие наибольшую прочность и жесткость из всех известных видов. Они позволяют получить равнопрочные по сечению стыки и узлы для несущих конструкций пролетом до 100 м и более без всяких видимых снаружи элементов и увеличения сечения.
Специальное исследование по сравнению свойств клееной и цельной древесины провели в Костромском государственном технологическом университете. Анализ полученных данных позволяет сделать вывод о том, что прочность клееных изделий выше, чем у образцов из цельной древесины. Причем, чем больше слоев, тем выше прочность. Это объясняется тем, что в результате склеивания отдельных деталей под давлением произошло, во-первых, уплотнение древесины (плотность образца пятислойной конструкции на 22,1% больше плотности образца из цельной древесины), во-вторых, прочность увеличивается за счет свойств клея. Кроме прочностных показателей, клееная древесина имеет более высокий предел огнестойкости.
Дерево лучше
Клееная древесина благодаря многим достоинствам, позволяющим ей успешно конкурировать со стальными и железобетонными конструкциями, применяется в зданиях и сооружениях различного назначения, возводимых по типовым и индивидуальным проектам. Так, технико-экономические расчеты показывают, что применение КДК взамен железобетонных в покрытиях пролетом 12-24 м дает снижение расхода стали на 20-24 кг/м', цемента на 30-35 кг/м2 и массы конструкции в 4-5 раз. Применение 1 м5 клееной древесины заменяет 0,5-1,0 т стали. При увеличении пролета покрытий эти показатели еще увеличиваются в пользу КДК. Характерно то, что даже в странах, бедных лесом, считают эффективным производство клееных конструкций с использованием привозной древесины.
Ряд таких свойств клееной древесины, как относительно высокая прочность и огнестойкость, возможность придания конструкциям любой формы, позволяют создавать разнообразные архитектурные решения зданий высокой эстетической выразительности. В наибольшей степени это проявляется в большепролетных пространственных покрытиях зданий, по строительству которых накоплен значительный опыт за рубежом.
Признаны во всем мире
Клееные деревянные конструкции за последние три десятилетия получили широкое распространение во многих странах, особенно в США, Германии, Франции, Швейцарии, Скандинавских странах.
Основная область применения пространственных КДК — покрытия общественных зданий, таких как: крытые стадионы, катки, бассейны, рынки, выставочные залы, церкви, клубы и т. д. О широком применении клееных деревянных конструкций в общественных зданиях говорит тот факт, что в Германии 66% спортивных зданий и 25% зданий павильонного типа возводится с применением таких конструкций. Такое же соотношение спортивных зданий и павильонов отмечается в Швейцарии.
Использованию древесины при строительстве церквей, клубов, ресторанов и др. способствуют богатейшие возможности клееных конструкций в стилеобразовании и в создании прекрасных интерьеров, не требующих дополнительной отделки дорогостоящими материалами.
Особое место при производстве клееных конструкций занимают мосты и пешеходные переходы. В основном деревянные мосты являются пешеходными, однако значительное их число предназначено также для проезда транспортных средств. Конкурентоспособность деревянных конструкций мостов объясняется рядом их серьезных преимуществ перед стальными и железобетонными: сравнительно малая масса конструкций, высокая коррозионная стойкость, долговечность, низкая эксплуатационная стоимость. Результаты технико-экономического анализа, проведенного в США, показывают, что стоимость деревянных мостов с учетом эксплуатационных расходов более чем в два раза ниже стоимости железобетонных и стальных мостов.
В последнее время во многих странах (в том числе и в России) большой популярностью пользуются дома из клееного бруса. В этих домах сочетаются достоинства цельного природного дерева и повышенная заводская готовность конструкций, гарантирующая высокое качество. Особое место в строительстве этих домов занимают Канада и Финляндия, экспортирующие свою продукцию в большинство стран Европы.
Таким образом, можно сделать вывод о том, что в настоящее время внедрение деревянных конструкций в мире идет бурными темпами и постоянно совершенствуется.