КЛЕЕНЫЙ ДЕРЕВЯННЫЙ ЭЛЕМЕНТ Российский патент 2001 года по МПК E04C3/14 

Изобретение относится к строительству и может быть использовано при возведении малоэтажных домов в качестве самонесущих стеновых элементов, выполненных в виде клееных панелей, бруса и пр. из древесины.

Известна клееная деревянная балка, решающая задачу ослабления влияния пороков древесины и исключения влажностных напряжений поперек волокон (Авт. свид. СССР N 947349, МКИ: E 04 C 3/12, опубл. 1982 г.). Балка включает пластины, выполненные из разных пород, соединенные между собой клеевыми прослойками.

Верхняя грань балки снабжена пластиной из более прочного материала, чем средняя часть ее сечения. Нижняя грань, т.е. усиливающий элемент, выполнена составной по ширине и представляет собой пластины из пород разной прочности, соединенные на клею боковыми гранями. Пластины размещены с чередованием в шахматном порядке.

Такая балка предназначена для работы в условиях продольных напряжений. Поэтому верхняя грань находится в зоне сжатия, а нижняя в зоне растяжения в соответствии с эпюрой напряженно-деформированного состояния балки при изгибе.

Однако использование таких балок в качестве конструкции стены приведет к смятию их волокон.

Значение совокупного сопротивления смятию поперек волокон в сечении балки, выполненной из разных пород дерева, характеризуется показателем сопротивления смятию поперек волокон, присущему среднему менее прочному слою. Верхний и нижний (крайние) слои не будут оказывать существенного влияния на этот показатель, поскольку наличие любого количества менее прочной древесины в средней части сечения по его высоте значительно снижает сопротивление смятию общей конструкции.

Кроме того, лицевые стороны не защищены от переменных температурно-влажностных воздействий в наружной и внутренней среде, что обуславливает низкую прочность стеновой конструкции, большую теплопроводность и электропроводность и, как следствие, снижение ее долговечности.

Известна клееная деревянная балка, частично решающая задачи повышения совокупного сопротивления сжатию поперек волокон за счет соединения разнонаправленных слоев древесины и увеличения теплозащитных свойств за счет уменьшения теплообмена при ветровых нагрузках, сопровождающихся перепадом температур наружной и внутренней сред, посредством применения многослойной древесины, т. е. фанеры (Авт.свид. СССР, N 1620562, МКИ: E 04 C 3/14, опубл. 1991 г. ). Балка включает клеедощатые пояса, выполняющие частично функцию заполнения, с которыми склеиваются несущие наружные фанерные стенки, набранные из шпона и придающие панели декоративный характер.

Каждая наружная несущая фанерная стенка выполняется из нескольких слоев шпона. При ветровых влажностных воздействиях шпон быстро впитывает влагу, т. к. имеет неплотную структуру в силу технологии его получения, и далее влага проникает к клеевому слою и способствует его разрушению. При отрицательных температурах проникшая влага создает разрывные напряжения тонкого слоя и происходит разрыв клеевых слоев, т.к. клей не обладает эластичностью и не является компенсатором этих процессов. Тонкая древесина неравномерно отслаивается не только за счет замораживания, но и вследствие разбухания (т.е. слои не работают совместно), что обуславливает низкое совокупное сопротивление панели к смятию и нарушение пространственной жесткости стенки.

Фанера многослойная конструкция, состоящая из слоев, поэтому при каждом цикле воздействий ухудшаются ее свойства, обусловленные нарушением структуры.

Кроме того, такая балка при эксплуатации обладает недостаточными теплозащитными свойствами, т.к. снижение их происходит как за счет насыщения внешнего несущего слоя влагой при ветродождевых нагрузках, так и за счет увеличения теплообмена при ветровых нагрузках, сопровождающихся перепадом температур наружной и внутренней сред, возникающим вследствие нарушения структуры фанеры.

Известен также клееный деревянный элемент (М.А. Григорьев. Материаловедение для столяров и плотников.- М.: Высшая школа, 1985, с. 59, рис. 39 г) - прототип, включающий пластины, волокна которых ориентированы вдоль продольной оси элемента, соединены по пластям клеевыми прослойками и выполнены из одинаковых хвойных пород древесного массива, например из сосны, ели или лиственницы.

При использовании таких элементов в условиях стены по мере приближения к фундаменту силовые нагрузки на них от веса стены возрастают, что приводит к смятию их поперек волокон.

Сосна (ель) обладает невысокой плотностью и при ветровых влажностных проникающих воздействиях происходит глубокое проникновение влаги в наружную пластину, что снижает прочность элемента, повышает ее теплопроводность и электропроводность. Кроме того, насыщенная влагой древесина предрасположена к различным видам заболеваний.

При перепаде температур в наружной и внутренней средах, а также одновременном воздействии на наружную пластину ветровой нагрузки вследствие малой плотности сосны и одновременно большого коэффициента воздухопроницаемости происходит интенсивный воздухообмен внешней и внутренней сред, что также ведет к большим потерям тепла.

В случае выполнения элемента из лиственницы, которая обладает высокой плотностью и соответственно большим удельным весом, увеличивается вес конструкции. Теплозащитные свойства такой панели низки вследствие большей теплопроводности, чем у менее плотной древесины, даже при отсутствии ветровых нагрузок, сопровождающихся перепадом температур наружной и внутренней сред.

Изобретение позволяет повысить прочность клееного деревянного элемента на смятие поперек волокон и улучшить его теплозащитные свойства при ветровых влажностных проникающих воздействиях и таянии снега на конструкции, при ветровых нагрузках, сопровождающихся перепадом температур наружной и внутренней сред, а также снизить интенсивность процессов гниения.

Это достигается клееным деревянным элементом, включающим пластины, волокна которых ориентированы вдоль продольной оси элемента, соединенные между собой по пластям клеевыми прослойками. Новым является то, что наружные пластины выполнены из древесины более плотных пород, чем внутренняя (внутренние), и выбраны из пород средней и высокой плотности, например лиственница, дуб, клен, орех грецкий, ясень, а внутренняя (внутренние) пластина (пластины) из пород низкой плотности, например сосна, ель, пихта, кедр, при этом суммарная толщина наружных пластин составляет (0,04-0,7) толщины элемента, а толщина каждой в отдельности не менее 5 мм.

Наилучшими для применения в северо-западной зоне с широтой г. Санкт-Петербурга, характеризующейся температурой наиболее холодной пятидневки -26^oC и средней скоростью ветра за три зимних месяца - более 5 м в сек, служат элементы, наружные слои которых выполнены из лиственницы или дуба, а внутренний (внутренние) из ели или сосны.

Возможно применение элемента, одна из наружных пластин которого выполнена из ясеня, другая из дуба, а внутренняя (внутренние) из сосны или ели.

Кроме того, наружные пластины могут быть выполнены из разных древесин, например, наружный слой ограждения из дуба, а внутренний из ясеня.

В условиях стены каждый элемент работает в основном на вертикальные нагрузки. Стена стоит на границе перепада температур и влажностных режимов, существующих внутри и снаружи помещений. Она также подвергается напорным ветровым влажностным нагрузкам, которые способствуют проникновению влаги в массив конструкции, что повышает ее теплопроводность и ведет к потере тепла. На стену воздействуют и влажностные нагрузки от таяния снега. Постоянное смачивание глубинного слоя ускоряет процессы разрушения древесины вследствие ее заболевания, поскольку затрудняется процесс естественного просушивания. Кроме того, при ветровых нагрузках, сопровождающихся перепадом температур наружной и внутренней сред, увеличивается интенсивность воздухообмена между средами, что приводит к дополнительным потерям тепла.

Расположение по наружным сторонам элемента пластин пород древесины более плотных, чем внутренняя (внутренние) пластины, приводит к тому, что в такой панели вертикальная распределенная нагрузка воспринимается в большей степени наружными пластинами, чем внутренней (внутренними), т.е. сердцевиной. Однако теплотехнические требования обеспечиваются сердцевиной, которая ограждена от атмосферных воздействий.

Наружные (лицевые)пластины могут быть выполнены цельными или составными из нескольких пластин по длине панели. Сердцевина может быть выполнена цельной или составной по длине, а также по толщине из нескольких древесных пластин с клеевыми прослойками.

По плотности при влажности 12% древесина делится на три группы: породы с малой плотностью (540 кг/м³ и менее); со средней плотностью (550-740 кг/м³) и с высокой плотностью (750 кг/м³ и выше), например см. (А.М. Боровиков, Б. Уголев. Справочник по древесине.- М.: Лесная промышленность, 1989, с. 140).

По другому источнику (М.А. Григорьев. Материаловедение для столяров и плотников. - М.: Высшая школа, 1985, с. 18) древесина также делится на указанные группы, но породами с малой плотностью считаются породы с плотностью при влажности 12% (510 кг/м³ и менее).

Наружные пластины изготавливаются из древесины, выбранной из пород средней и высокой плотности: лиственница (все виды), тис, береза (повислая, пушистая, желтая и черная), бук восточный и европейский, вяз, груша, дуб (летний, восточный, болотный, монгольский), ильм, карагач, клен (все виды), лещина, орех грецкий, платан, рябина, хурма, яблоня, ясень (обыкновенный, манчжурский), акация (белая, песчаная), береза железная, гледичия каспийская, глаговина, гикори белый, граб, дзельква, дуб (каштанолистный, араксинский), железное дерево, земляничное дерево, кизил, маклюра, саксаул белый, самшит, фисташка, хмелеграб и экзотических пород: черное дерево, красное дерево и др. Такие пластины придают элементу декоративный вид.

Внутренняя (внутренние) пластины (пластины) выполнены из древесины выбранной из пород низкой плотности: сосна, ель (все виды), пихта (все виды), кедр (все виды), можжевельник обыкновенный, тополь (все виды), липа (вce виды), ива (все виды), осина, ольха (черная, белая), каштан посевной, орех (белый, серый и маньчжурский), бархат амурский и др.

При выполнении наружных пластин с плотностью более 550 кг/м³ (средней и высокой плотности) обеспечивается прочность элемента на смятие поперек волокон и высокие теплозащитные свойства при ветровых влажностных проникающих воздействиях, а также при ветровых нагрузках, сопровождающихся перепадом температур наружной и внутренней сред. Сердцевина выполняется с низкой плотностью менее 510-540 кг/м³ (по разным источникам), что обеспечивает требуемые теплотехнические показатели стены.

При выполнении условия соотношения суммарной толщины наружных пластин в интервале (0,04-0,7) толщины элемента обеспечивается ограждение сердцевины, т.е. внутренней (внутренних) пластины (пластин) от атмосферных воздействий и от таяния снега, а также высокая прочность элемента на смятие поперек волокон. Вертикальная распределенная нагрузка воспринимается в большей степени наружными пластинами, т.е. они являются несущими.

При минимальной толщине наружных пластин 5 мм атмосферная влага не проникнет до клеевого слоя, что позволяет конструкции даже при высокой ветровой влажностной нагрузке иметь высокую несущую способность и оставаться со стабильными теплотехническими показателями. В случае выполнения наружной пластины менее 5 мм теряется ее влияние на несущую способность панели.

При соотношении суммарной толщины наружных пластин по отношению к толщине элемента более чем 0,7 снижаются теплозащитные свойства и увеличивается ее собственный вес, а также стоимость, что становится экономически нецелесообразным.

При значении соотношении суммарной толщины наружных пластин по отношению к толщине элемента менее чем 0,04 наружные пластины теряют свою несущую функцию и становятся отделкой, т. е. придают панели только декоративные свойства. При этом, в случае ветровых влажностных проникающих воздействиях, они пропитываются влагой и панели снижают свои теплотехнические показатели, а также показатель прочности на смятие поперек волокон панели. При ветровых нагрузках, сопровождающихся перепадом температур наружной и внутренней сред, происходит незначительное уменьшение теплопроводности.

Увеличение значения теплопроводности в зависимости от плотности породы для значений плотностей низкой и средней групп плотности при 12% влажности древесины составляет около 20%.

Значения соотношений суммарной толщины наружных пластин и толщины элемента колеблются в указанном интервале в зависимости от климатических условий и требований прочности панели по мере этажности зданий, т.к. плотность древесины обуславливает и ее прочность.

Наружные пластины могут быть разными по толщине и выполнены из одной породы и из разных пород. Это обусловлено технологией производства и функциональным применением панели. Например, для внутренней стенки конструкции достаточная толщина наружной пластины составляет 6 мм, в то же время для ограждения от сложных климатических условий вторую внешнюю пластину необходимо выполнить толщиной 10 мм. Однако толщина каждой наружной пластины не должна быть менее 5 мм.

Для увеличения долговечности элемента, а также улучшения его качеств может быть произведена обработка наружных пластин антисептическими и декоративными средствами.

На чертеже изометрическое изображение элемента.

Клееный деревянный элемент может быть выполнен в виде панели, бруса и пр. Он включает наружные пластины 1 с толщиной а и в соответственно, внутреннюю (внутренние) пластины 2 и клеевые прослойки 3. Пластины 1 и 2 изготовлены из пиломатериалов, например досок разных пород дерева, волокна которых ориентированы вдоль клеевых прослоек 3 и продольной оси элемента, склеенными между собой пластями по толщине поперечного сечения элемента. Внутренняя пластина 2 может быть изготовлена из одной цельной доски, как показано на чертеже, и из нескольких досок, склеенных между собой по толщине. Кроме того, наружные 1 и внутренняя (внутренние) 2 пластины смогут быть выполнены составными по длине элемента.

Наружные пластины 1 выполнены из древесины более плотных пород, чем внутренняя 2 (внутренние), и выбраны из пород средней (550-740 кг/м³) и высокой плотности (750 кг/м³ и выше) при влажности 12%, например: лиственница, дуб, клен, орех грецкий, ясень. Внутренняя 2 (внутренние) пластина (пластины) из пород низкой плотности при влажности 12%, менее (510-540 кг/м), например: сосна, ель пихта, кедр, при этом суммарная толщина наружных пластин составляет (0,04-0,7) толщины элемента.

Суммарная толщина (a+b) наружных пластин 1 составляет (0,04-0,7) толщины элемента C, а толщина каждой в отдельности не менее 5 мм.

Наилучшими для применения в северо-западной зоне служат элемент, наружные пластины которого выполненные из лиственницы, дуба и ясеня, а внутренние (внутренние) из ели или сосны.

Толщина стеновой панели обусловлена климатическими условиями и конструктивной целесообразностью и колеблется от 100 мм до 250 мм.

Примеры выполнения панели для 1-2 климатической зоны, например на широте С.-Петербурга.

Климатическая зона на широте С.-Петербурга характеризуется критическими показателями: среднемесячной относительной влажностью в июле более 75%, средней скоростью ветра за три зимних месяца - более 5 м в сек, температурой наиболее холодной пятидневки - 25^oC (см. Строительная теплотехника, СНиП 11-3-79, Госстрой России, 1998). Нормальная комнатная температура составляет 20^oC.

Пример 1
При выполнении панели толщиной 150 мм с наружными пластинами из лиственницы и внутренней из сосны. Соотношение суммарной толщины наружных пластин к толщине панели составляет 0,2, абсолютный размер толщины каждого наружного слоя наружной пластины составляет - 15 мм, а внутренней -120 мм.

Исследования проводились на двух клееных деревянных элементах толщиной 150 мм, длиной 1 м. Один элемент выполнялся из сосны, а второй согласно вышеописанной конструкции.

При проведении исследований, имитирующих давление ветра со скоростью 10 м в сек с дождем в течение 20 часов, установлено, что влага проникает не более чем на 2 мм, а при таянии снега, облегающего образец толщиной 1...5 м на 1 м², при температуре +3^oC, не более чем на 4 мм, т.е. практически наружная пластина не намокает и теплотехнические свойства элемента не снижаются. При ветровых нагрузках 10 м в сек, сопровождающихся перепадом температур наружно -26^oC и внутренней сред +20^oC, потери тепла по сравнению с элементом, выполненным полностью из сосны, снизились на 10%.

Пример 2.

При выполнении панели толщины 120 мм с одной наружной пластиной из дуба, другой из ясеня, а наполнителя из сосны с соотношением суммарной толщины наружных пластин к толщине панели 0,13 абсолютный размер толщины наружной пластины из дуба составлял 10 мм, а из ясеня 6 мм, при этом толщина внутренней пластины из сосны составила 104 мм.

Исследования проводились на двух клееных деревянных элементах толщиной 150 мм, длиной 1 м. Один элемент выполнялся из сосны, а второй согласно вышеописанной конструкции. При проведении исследований, имитирующих давление ветра со скоростью 10 м в сек с дождем в течение 20 часов, установлено, что влага проникает не более чем на 2 мм, а при таянии снега, облегающего образец толщиной 1,5 м на 1 м² при температуре +3^oC, не более чем на 4 мм, т.е. практически наружная пластина не намокает и теплотехнические свойства элемента не снижаются. При ветровых нагрузках 10 м в сек, сопровождающихся перепадом температур наружной - 26^oC и внутренней сред +20^oC, потери тепла по сравнению с элементом, выполненным полностью из сосны, снизились на 50%.

Изобретение относится к строительству и может быть использовано при возведении малоэтажных домов в качестве самонесущих стеновых элементов, выполненных в виде клееных панелей, бруса и прочее из древесины. Технический результат изобретения заключается в повышении прочности клееного деревянного элемента и улучшении его теплозащитных свойств при ветровых, влажностных, проникающих воздействиях и при ветровых нагрузках, сопровождающихся перепадом температур наружной и внутренней сред. Элемент включает пластины, волокна которых ориентированы вдоль продольной оси элемента, соединенные между собой по пластям клеевыми прослойками. Наружные пластины выполнены из древесины, например лиственница, дуб, ясень, а внутренняя (внутренние) пластина (пластины) из пород низкой плотности, например сосна, ель, пихта, при этом суммарная толщина наружных пластин составляет 0,04-0,7 толщины элемента, а толщина каждой в отдельности не менее 5 мм. 4 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Клееный деревянный элемент, включающий пластины, волокна которых ориентированы вдоль продольной оси элемента, соединенные между собой по пластям клеевыми прослойками, отличающийся тем, что наружные пластины выполнены из древесины более плотных пород, чем внутренняя (внутренние) и выбраны из пород средней и высокой плотности, например: лиственница, дуб, клен, орех грецкий, ясень, а внутренняя (внутренние) пластина (пластины) из пород низкой плотности, например сосна, ель, пихта, кедр, при этом суммарная толщина наружных пластин составляет 0,04-0,7 толщины элемента, а толщина каждой в отдельности не менее 5 мм. 2. Элемент по п.1, отличающийся тем, что наружные его пластины выполнены из лиственницы, а внутренняя (внутренние) из сосны или ели. 3. Элемент по п.1, отличающийся тем, что наружные его пластины выполнены из дуба, а внутренняя (внутренние) из сосны или ели. 4. Элемент по п.1, отличающийся тем, что наружные его пластины выполнены из ясеня, а внутренняя (внутренние) из сосны или ели. 5. Элемент по п.1, отличающийся тем, что одна из наружных пластин выполнена из ясеня, другая из дуба, а внутренняя (внутренние) из сосны или ели.