Производство клееных деревянных конструкций

Исходя из учета ответственности зданий, для строительства которых используется клееная древесина, существует три класса КДК. Наиболее ответственные конструкции относят к первому классу, который, в свою очередь, разделяется на два подкласса: 1а – несущие КДК с пролетами > 100 м; 1б – несущие КДК для зданий музеев, спортивных, зрелищных и торговых помещений с массовым нахождением людей, с пролетами > 60 м, мачт и башен высотой > 40 м. Второй класс также делится на два подкласса: 2а – несущие КДК любых форм с пролетом до 60 м, и 2б – конструкции стен зданий и сооружений различного назначения, конструкции покрытий и перекрытий с пролетами до 7,5 м, к которым предъявляются нормы ПК по качеству деревянной поверхности КДК. К третьему классу относят КДК конструкций теплиц, парников, мобильных зданий (складов временного содержания, бытовок и других сооружений с ограниченным сроком службы и пребывания людей).

Аналогичным образом клееные деревянные конструкции подразделяются на четыре класса по условиям эксплуатации – сухой, нормальный, влажный и мокрый, исходя из расчетной эксплуатационной влажности W древесины, влажности окружающего воздуха при температуре 12–24 °С и исходной влажности склеенных слоев древесины. КДК классифицируют по конфигурации, назначению и т.п. КДК в большинстве случаев выполняются плоскими в виде балки, панели, арки, перекрытия или колонны. Балка – чаще всего несущий конструктивный элемент, обычно в виде бруса, работающий главным образом на изгиб. В зависимости от числа опор и характера закрепления в опорах, балки могут быть однопролетные, многопролетные, консольные, с заделкой по концам и т.д. По виду поперечного сечения – прямоугольные (чаще всего сплошного сечения) и коробчатые (с полостями – полые). По конфигурации балки изготавливают прямыми, арочными или ступенчатыми, склеенными по пласти из нескольких слоев массивной древесины. Наряду с выполнением несущих функций балки могут выполнять и эстетические функции, являясь элементами декора, например внутреннего интерьера помещения. Аналогичны балкам по форме и процессу изготовления колонны и стойки – опоры, предназначенные для восприятия вертикальных нагрузок и работающие главным образом на сжатие. Брус клееный стеновой представляет собой конструкцию, состоящую из набора склеенных по пласти досок определенной толщины. На нем по кромкам склеенных досок сформированы продольные сборочные шипы и пазы.

Склеиваемые доски чаще всего выполнены сращенными по длине на клиновой шип из ламелей – бездефектных отрезков досок. Склеивание между собой досок в брус выполняется так, чтобы места стыковки ламелей на шиповое соединение были достаточно равномерно распределены по длине бруса и не повторялись в любом его поперечном сечении. Клееные панели – это плоские многослойные плиты различной конструкции. Панели потолочных перекрытий чаще всего выполняются в виде широкой плоской балки, положенной на пласть. Выпускаются балки, по боковым кромкам которых сформированы продольные сборочные шипы и пазы, напоминающие высокий стеновой брус, положенный на лицевую поверхность, что позволяет набирать нужную ширину перекрытия без зазоров. Другим вариантом клееных панелей для наружных и внутренних стен, покрытий пола, потолочных перекрытий и т.д. являются панели перекрестного склеивания (CLT), способные выполнять как несущую, так и ограждающую функции при строительстве зданий и сооружений. Эти панели изготавливаются по технологии перекрестного склеивания нечетного числа слоев досок, направление которых в смежных слоях панели чередуется с продольного на поперечное.

Технологии производства клееных деревянных конструкций

Первым, достаточно критичным и энергоемким процессом изготовления КДК является сушка древесины, влажность которой для производства клееной продукции должна быть 8–12%. После сортировки пиломатериалов по качеству формируются штабели для установки в сушильные камеры. Не рекомендуется проводить сушку на жестких форсированных режимах, поскольку это приводит к растрескиванию и зачастую к короблению древесины, что, в свою очередь, вызывает ее значительные потери уже на первом этапе при раскрое на заготовки, а также определенные сложности при склеивании. Многие изготовители клееного бруса рекомендуют накрывать штабель с пиломатериалами в процессе сушки бетонной плитой для уменьшения коробления пиломатериалов. Важен и этап кондиционирования пиломатериалов после сушки для снятия внутренних напряжений по всему объему древесины. Наличие внутренних напряжений приводит к образованию после продольного раскроя крыловатости и покоробленности пиленых заготовок.

Следует уделять внимание и контролю равномерности влажности древесины по объему штабеля, которая вызывает неравнопрочность клеевого шва и, как следствие, снижение качества клееной продукции. Влажность между двумя склеиваемыми заготовками должна быть в пределах 1,5–2%. Конкретные значения разности по влажности смежных слоев древесины при склеивании выбираются в зависимости от класса условий эксплуатации и класса функционального назначения КДК по таблице 3 ГОСТ 20850-2014. Поэтому на входе участка машинной обработки за разборщиком штабеля сухих пиломатериалов устанавливается автоматическое устройство непрерывного контроля влажности, выбраковывающее заготовки несоответствующих параметров.

Для снижения влияния полученных в процессе сушки дефектов – покоробленности и крыловатости – на полезный объем выхода заготовок за устройством контроля влажности устанавливают круглопильный станок для поперечного раскроя доски на две части. Это позволяет уменьшить стрелу прогиба, а в дальнейшем снизить припуски на обработку. На всех этапах производства клееного бруса в цехе необходимо поддерживать температурно-влажностные условия: температура должна обеспечиваться в диапазоне 18–20 °С, а влажность – 53–56%, хотя ГОСТ дает более широкий диапазон параметров. Поскольку при недостаточной влажности заготовки будут пересыхать и растрескиваться, необходимо поддерживать нужную влажность, например при помощи микрокапельной системы увлажнения воздуха.

Для оценки качества досок они пропускаются со скоростью 30–800 м/мин (в зависимости от производительности потока) через последовательно установленные четырехсторонний продольно-фрезерный станок, рентгеновский и лазерный сканеры, что помогает вскрыть дефекты и пороки древесины на всех четырех сторонах доски и по внутреннему объему для дальнейшей сортировки досок по качеству. Обработка на четырехстороннем станке позволяет также создать технологические базы для обработки на последующем оборудовании и откалибровать доски по сечению. После четырехстороннего станка доски поступают на поперечный конвейер, где для повышения качества склеивания ориентируются в одну сторону по направлению годовых колец. Далее оператор флуоресцентным мелком помечает вскрытые при продольном фрезеровании недопустимые пороки и дефекты древесины, подлежащие удалению.

Размеченная доска подается на автоматический торцовочный станок-оптимизатор, распускающий ее на заготовки заданной программой длины с одновременной вырезкой дефектов. Если сканеры связаны с системой управления оптимизатором в единую систему, то появляется возможность выкраивать дефекты в автоматическом режиме без участия человека, исключив предварительную разметку. Обычно после сушки на торцах досок образуются трещины, поэтому оптимизатор в автоматическом режиме обрезает торцы поступающих досок, исключая проявление этого дефекта на склеенных ламелях.

Бездефектные заготовки направляются на линию сращивания по длине, где по их обоим торцам нарезается зубчатый шип длиной 15–32 мм с одновременным нанесением на него клея, и заготовки последовательно друг за другом поступают в продольный пресс. После набора заданной длины, которая может достигать 18 м и более, собранная плеть заготовок опрессовывается вдоль оси и торцуется. Свежесклеенные ламели должны пройти технологическую выдержку в течение заданного времени для «схватывания» клея. Для этого они укладываются на прокладках в штабель пакетоформирующим устройством.

Выбор клея зависит от вида и назначения конструкции, условий ее эксплуатации. Также необходимо учитывать возможности производства – наличие и схема расположения оборудования: скорость подачи четырехстороннего станка, площадь для хранения заготовок, тип и конструкция пресса для изготовления прямолинейных или криволинейных заготовок и оборудования для нанесения клея, квалификация персонала и т.д. Большое значение имеют требования к технологии и технологическим свойствам самих клеевых систем: необходимое время сборки и прессования, жизнеспособность клея, возможность интенсификации процесса склеивания и т.д.

Рекомендованные ГОСТ 20850-2014 клеи для КДК делятся на три типа. К первому типу относят двухкомпонентные клеи на основе феноло-формальдегидных (ФФ) или феноло-резорцино-формальдегидных (ФРФ) смол, отверждаемых с помощью кислых отвердителей, а также аминопластиковые клеи (АП) на основе аминопластов (меламино-формальдегидных, мочевино-меламино-формальдегидных), которые наносятся на древесину в виде клеевой смеси с предварительным перемешиванием компонентов. Ко второму типу клеев относят двухкомпонентные клеи ФРФ и АП, компоненты которых наносятся раздельно. К третьему типу клеев причисляют эмульсионные полимер-изоцианатные (ЭПИ) в виде клеевой смеси с предварительным перемешиванием компонентов, а также однокомпонентные полиуретановые (ПУ) клеи в виде однокомпонентного состава. Перед поступлением в производство КДК клей должен проходить входной контроль в соответствии с ГОСТ 33122-2014 «Клеи для несущих деревянных конструкций. Общие технические условия».

Выбор клея обуславливается и климатическими условиями эксплуатации конструкции, породой древесины и способом производства. Клеевые соединения для несущих конструкций должны обладать не только высокой прочностью, но и стойкостью к различным внешним факторам – изменению температуры и влажности воздуха, сопротивлению при усушке древесины, действию значительных статических, а порой и динамических нагрузок. Так, например, в жестких климатических условиях и для помещений с агрессивной средой (склады калийных удобрений) несущие конструкции рекомендуется изготавливать с использованием темных феноло-резорцино-формальдегидных клеев, считающихся по этим параметрам лучшими среди конструкционных.

В зависимости от наличия того или иного оборудования можно рекомендовать выбор клея для данного производства. Например, для изготовления несущих конструкций в условиях малых предприятий достаточным бывает применение клеев на основе феноло-резорциновых или меламино-формальдегидных заранее перемешанных композиций с временем сборки до 1,5 ч и временем прессования при температуре 20 °С от 9 ч и более. Важным фактором здесь будет также жизнеспособность клея.

Однако, чем производительнее основное оборудование или чем больше заказов, целесообразно применять клеи, позволяющие выпускать продукции больше в два-три раза. В этих случаях рекомендуется использовать раздельно нанесение компонентов клеевых систем и соответствующее клеенаносящее оборудование, позволяющее наносить компоненты клея при скорости подачи заготовок 70 м/мин и более. Как правило, такое оборудование представляет собой две смонтированные друг за другом установки, одна из которых наносит клей, а вторая – отвердитель. Основными факторами в этом случае являются: неограниченная жизнеспособность за счет раздельной подачи клея и отвердителя и время прессования начиная от 2 ч.

Современное клеенаносящее оборудование снабжено расходомерами, обеспечивающими заданное соотношение компонентов клея, блоками контроля и сигнализации, что позволяет оператору контролировать ход процесса, оперативно изменять его параметры, экономить достаточно дорогой клей.Преимущества раздельного нанесения клеевых компонентов заключаются в отсутствии проблемы короткой жизнеспособности клея; гарантированном качестве нанесения (равномерность, стабильный расход по количеству) благодаря автоматическому контролю; увеличенном времени сборки в комбинации с коротким временем прессования и последующим временем доотверждения; непрерывном процессе производства для чистки клеенаносящего оборудования после каждой смены; снижении расхода клея до 10% и снижении до минимума его отходов; бесцветном клеевом шве; меньший износ дереворежущего инструмента.

Для производства стенового бруса еще пару десятков лет назад на многих малых предприятиях использовались ПВА-клеи, хотя и тогда существовали ограничения в их применении для подобных целей, поскольку они не удовлетворяют требованиям как по степени водостойкости, так и термопластичности. Это ограничивает область их применения, в том числе и из-за низкой стойкости к действию постоянных статических (и тем более динамических) нагрузок. Для этих целей рекомендуются клеи эмульсионные с полимер-изоцианатным отвердителем (ЭПИ-клеи), имеющие почти двукратный запас прочности, тепло-, водостойкости (Д4++) и долговечности. Они позволяют работать в более жестких условиях производства, когда температура в цехе не поднимается выше 10–15 °С, а пиломатериал имеет значительный разброс по влажности. При применении ЭПИ-клеев отклонения от стандартных условий по температуре и влажности не оказывают решающего воздействия на процессы склеивания, лишь требуют порой корректировки в параметрах склеивания – продолжительность склеивания, соотношение компонентов клеевой смеси. Это позволяет работать при низких температурах, причем отвердитель тем быстрее реагирует и с клеем, и древесиной, чем больше влаги в них содержится. Кроме того, химическая реакция проходит не только между компонентами клея, но и с древесиной, что еще больше упрочняет клеевой шов. К другим преимуществам ЭПИ-клеев относят короткое время прессования, низкий расход клея и пониженный износ режущего инструмента.

Для придания склеенной ламели правильной геометрической формы и оптимальной шероховатости (в процессе склейки образуются свесы как по ширине, так и толщине ламели, потеки клея) ее пропускают через второй четырехсторонний станок. Обработанные этим станком ламели поступают на склейку по толщине. Все дефекты обработки – выхваты, сколы, мшистость, большая кинематическая волна – самым негативным образом сказываются на качестве склеивания и расходе клея. Для калибровки ламелей под склеивание целесообразно использовать станки с торцевым принципом фрезерования поверхности, которые позволяют вскрывать поры древесины под впитывание клея, например, Rotoles 400 P-D фирмы Ledinek (Словения).

Далее обработанные по сечению ламели поступают на линию склеивания по толщине. Сначала они проходят через станцию ленточного нанесения клея, где на пласть ламели с помощью специального станка раздельно за один проход наносятся последовательно клей и отвердитель. Собранный по высоте блок поступает в пресс на склеивание. После нанесения клея ламели направляются на поперечный накопитель устройства формирования пакета. В зависимости от назначения клееной конструкции (широкая или узкая балка, стеновой брус и т.д.) склеивание может осуществляться как в единый блок по всей ширине пакета, так и отдельными, не склеенными между собой блоками с рубашками по кромкам, соответствующими, например, по ширине заготовкам под стеновой брус. Суммарная ширина блоков соответствует ширине укладываемого в пресс пакета ламелей.

Склеивание конструкции происходит при помощи прессов различных конструкций и осуществляется как в вертикальном, так и горизонтальном положении. На предприятиях малой производительности чаще всего используют вертикальные гидравлические прессы с боковыми прижимами для выравнивания досок в блоке. Большей производительностью обладают ротационные (веерные) прессы, представляющие собой вращающуюся конструкцию в виде горизонтального многогранного барабана, по образующим которого расположены прессы, аналогичные вертикальным. Пока идет загрузка для склейки последнего блока, первый загрузочный блок уже может поступать на разгрузку. Веерные прессы могут иметь рабочую длину до 18 м и 6–8 рабочих поверхностей-граней. Существуют подобные пресса и в виде гусеницы.

При изготовлении стандартной продукции – прямоугольных клееных балок, элементов потолочных перекрытий, строительного бруса – используют вертикальные прессы, позволяющие клеить деревянные блоки шириной до 2 м. Формирование блока происходит либо вручную, либо с помощью горизонтального накопителя. В случае использования специальных устройств формирования пакета, укладка досок, прошедших клеенамазывающий станок, в блок шириной 2 м занимает не более 10 мин. Затем траверсная тележка поднимает пакет поперечными балками, обжимает его по боковым плоскостям и кантует из горизонтального положения в вертикальное. Далее тележка перемещается на участок прессования, состоящий из ряда параллельно установленных вертикальных двухпролетных гидравлических прессов, и своим продольным приводным рольгангом подает этот пакет в один из свободных пролетов пресса. Прессы могут быть установлены в специальных камерах с подогревом, аналогичным сушильным камерам, что позволяет при увеличении температуры с 20 до 30 °С уменьшить время полимеризации клея в два-три раза.

Во втором случае пресс представляет собой горизонтальный стапель с мощными боковыми вертикальными стойками из стандартных стальных профилей (двутавров), позволяющий производить одновременное прессование нескольких клееных балок, разделенных зазором и уложенных «бутербродом». После полного заполнения рабочей зоны пресса склеиваемыми блоками их фиксируют на стойках специальными креплениями. Усилие прессования создается между вертикальными стойками и креплениями с помощью тяговых штанг, расположенных между двумя слоями склеиваемых блоков и перемещаемых штоками гидроцилиндров. Выравнивание пластей происходит с помощью перемещаемого по поверхности балки груза либо вибратора для усадки ламелей по кромкам. Это обеспечивает плоскостность бруса и уменьшает припуски на дальнейшую обработку. Блоки в плане могут иметь либо постоянное поперечное сечение в виде прямой балки, либо с уступом на каком-то участке, либо с симметричным обнижением высоты профиля по обоим концам балки.

Для получения гнутых клееных балок вертикальные стойки пресса устанавливаются на горизонтальных балках стапеля в соответствии с требуемой формой будущей балки. В этом случае прессование осуществляется затяжкой штанг последовательно, начиная со средины блока ламелей и далее равномерно в обе стороны от центра к концам балки. После придания балке требуемой формы тяговые штанги дополнительно фиксируются механически, например с помощью клиньев, а гидравлическое усилие снимается. При затягивании пакета одновременно вручную или механизировано производят осадку пакета досок по кромкам для выравнивания пласти будущей балки.

По окончании склеивания и выдержки пакет освобождается из пресса. Если пакет монолитный, то он может поступать на управляемый компьютером ленточнопильный станок, раскраивающий по заданной спецификации широкий пакет на более узкие или более тонкие блоки. Выкраивание ряда заготовок из широкого пакета является более экономичным с точки зрения расходования древесины, позволяя работать с меньшими припусками на обработку на последующих операциях.

Для формирования окончательного профиля поперечного сечения изделия пакет, состоящий из набора склеенных блоков заданной ширины, например для стенового бруса, поступает на продольную обработку с двух или четырех сторон. Для этого рекомендуются тяжелые двухсторонние рейсмусовые или четырехсторонние станки, у которых максимальные размеры обрабатываемых деталей по ширине могут достигать 2600 мм.

В Европе клееные изделия имеют фаски по продольным ребрам, улучшающие эстетическое его восприятие, уменьшающие смятие ребер при погрузочно-разгрузочных работах, а также снижающие вероятность травмирования рук при прямом контакте при монтаже дома. Это следовало бы перенять и российским производителям.

Если конечной продукцией являются балки или щиты межэтажных перекрытий, не требующие дальнейшей механической обработки, то для них последней стадией машинной обработки является торцовка в размер или раскрой на мерные длины. Для этого детали поступают на штабелер и далее пачкой – на цепную пилу длиной до 2 м для пакетного раскроя пиломатериалов, позволяющую обеспечить точность торцовки до 1 мм. Оторцованная пачка изделий из клееной древесины поступает на упаковочную машину, где плотно обвязывается стрейч-пленкой и маркируется по торцам этикеткой со штрих-кодом. Плотные пачки с помощью кран-балки или бокового погрузчика подаются на склад готовой продукции.

Оборудование для изготовления соединительных элементов КДК

В случае изготовления на балке или стеновом брусе соединительных элементов – шипов, пазов, чашек, отверстий и т.д. – они поступают для дальнейшей обработки на соответствующее оборудование. Если предприятие выпускает широкую номенклатуру изделий для домов заводской готовности, то целесообразно приобретение специализированного обрабатывающего центра с программным управлением для изготовления столярно-строительных деталей. Существующие конструкции таких обрабатывающих центров позволяют наладить производство, например, стропильных балок и стенового бруса с различными видами соединений – на прямой, овальный или наклонный шип или паз, на ус, на «ласточкин хвост», различного вида замки с разных форм шипами, пазами и отверстиями и т.д. Примерами таких станков являются обрабатывающие центры с ЧПУ немецкой фирмы Hundegger марки K2i, итальянской – UniTeam модели UniTeam Extra и ряд других.

Как правило, спецификация узлов и деталей для дома из клееного бруса достаточно велика, особенно если поперечные сечения брусьев имеют форму, отличную от прямоугольной (например, «блокхаус»). Технологически такие поверхности выполнить довольно сложно, возникают серьезные проблемы при изготовлении и сборке. Для решения этой задачи можно использовать профессиональные компьютерные программы типа Cadwork. Они позволяют работать на единой базе, начиная от разработки архитектурного проекта, конструктивной проработки до технологии изготовления и сборки дома, дают возможность получить наряду с планировками чертежи отдельных деталей и элементов дома, а также их спецификации для производства на оборудовании с программным управлением.

После окончательной машинной обработки КДК подвергаются контролю и, если необходимо, ремонту, когда на лицевых поверхностях обнаружены видимые дефекты – недопустимые сучки, сколы, вмятины и т.д. Для этого на отдельном поперечном конвейере с кантователем бруса шпаклюют мелкие трещины или вмятины либо с помощью специализированного ручного электроинструмента убирают более сложные дефекты, например, заделывают сучки и смоляные кармашки с применением деревянных цилиндрических и овальных пробок или пробок-лодочек. При небольших припусках на обработку целесообразно производить операции по заделке дефектов до окончательной машинной обработки, поскольку в этом случае на поверхности древесины практически не остается следов ремонта.

В зависимости от вида крепления деревянного элемента в общей конструкции изделия (дома, моста и т.д.) в нем может быть предусмотрена установка металлических или иных закладных элементов для окончательной сборки и крепления. Место под их установку также выполняется на данном участке. По требованию заказчика поверхности клееных деревянных изделий могут покрываться составами, защищающими конструкцию от огня, грибков и насекомых, различными лакокрасочными материалами и т.д.

Далее детали поступают на промежуточный склад, где комплектуются в соответствии со спецификацией и поступают на упаковочную машину для защиты от механических воздействий и влаги при транспортировке, погрузочно-разгрузочных работах, а также исключения загрязнений обработанных поверхностей. После упаковки на пачки деталей наносится маркировка, и они отправляются на склад готовой продукции, где хранятся при заданной температуре и влажности до отгрузки потребителю.

Производитель клееных деревянных конструкций обязан располагать испытательной лабораторией с соответствующим комплектом оборудования, в условиях которой могли бы производиться испытания клееной продукции в соответствии с утвержденными техническими требованиями, например, по прочности шипового соединения и клеевого шва, влагостойкости и другим показателям. Для подтверждения заявляемых характеристик все клеевые системы подвергаются серии жестких ускоренных испытаний, предшествующих получению сертификата на их промышленное применение. Такие испытания регламентированы вступившими в действие в 2015 г. ГОСТ 33120-2014 «КДК. Методы определения прочности клеевых соединений» и ГОСТ 33121-2014 «КДК. Методы определения стойкости клеевых соединений к температурно-влажностным воздействиям». Для получения сертификата соответствия европейским стандартам необходимо обеспечить характеристики выпускаемых КДК требованиям этих стандартов. Некоторые российские предприятия, работающие на экспорт, получают сертификаты ведущих европейских институтов, в основном в Австрии и Германии, где ведутся наиболее интенсивные работы по новым технологиям производства КДК.