Главная

Армированные деревянные конструкции

Армированные деревянные конструкции

Высокие темпы и уровень современного строительства предъявляют качественно новые требования к строительным материалам и конструкциям. При этом большое внимание уделяется производству клееных деревянных конструкций, поскольку они по ряду технико-экономических показателей превосходят металлические и железобетонные: имеют малую монтажную массу, относительно высокую прочность и жесткость при достаточной надежности и долговечности. В то же время отрицательные свойства древесины - зависимость свойств от ее строения, пороки, относительно небольшой выход высококачественного пиломатериала из круглого леса, массивность сечений, обусловленная технологиями деревообработки, ползучесть при длительном нагружении и другие - ограничивают область применения и ухудшают показатели клееных деревянных конструкций.
Один из путей устранения указанных недостатков и повышения технико-экономической эффективности -армирование клееных деревянных конструкций стальной или стеклопластиковой арматурой. Это позволяет существенно сократить расход древесины, уменьшить монтажную массу, повысить качество и надежность деревянных конструкций, работающих в основном на изгиб и сжатие с изгибом.
Высокая прочность и жесткость в сочетании с малой монтажной массой позволяют производить укрупненную сборку и делают эти конструкции незаменимыми в строительстве обычно рассредоточенных сельскохозяйственных сооружений, для возведения объектов в местах, отдаленных от магистральных путей сообщения и других труднодоступных районах, для применения в большепролетных зданиях и сооружениях, испытывающих значительные нагрузки в узловых соединениях.
Легкие и жизнестойкие несущие армированные конструкции из клееной древесины находят обоснованное применение в самых различных типах зданий и сооружений: зрелищно-спортивных, сельскохозяйственных и складских, мостах и эстакадах, химических цехах, где к ним зачастую предъявляются весьма высокие требования, поскольку процесс эксплуатации предполагает воздействие перепадов температуры и влажности, агрессивных сред, повторной кратковременной и длительной нагрузок и т.п.
Для производства армированных деревоклееных конструкций применяется преимущественно древесина хвойных пород, обладающая достаточно высокими и стабильными механическими свойствами, стойкая к эксплуатационным воздействиям.
При выборе как металлической, так и стеклопластиковой арматуры для усиления деревянных конструкций необходимо учитывать не только ее прочностные, но и упругие характеристики, поскольку соотношение нормальных напряжений в арматуре и древесине при их нормальной совместной работе зависит от величины отношения их модулей упругости.
Из числа металлов, используемых в строительстве, таким требованиям отвечают стальные и алюминиевые сплавы, причем более эффективно и целесообразно применение стальной арматуры. Наиболее рационально армирование выполнять стальными стержнями периодического профиля. Такая арматура имеет развитую поверхность сцепления с древесиной по сравнению с гладкой, что обеспечивает более высокую прочность и надежность соединения. Прочностные свойства арматуры влияют на несущую способность целостной комплексной конструкции и должны учитываться при проектировании.
Рассматривая армированные деревянные конструкции как комплексные, следует выбирать арматуру с учетом полного использования ее свойств в зависимости от механических свойств древесины. Учитывая, что предельные деформации волокон древесины при механических испытаниях на растяжение и сжатие в среднем составляют 1,15 и 0,84 процента, а у арматуры - 6 -16 процента (деформации, соответствующие пределу текучести равны 0,15 - 0,35 процента), можно сделать вывод, что во всех случаях при совместной работе арматуры с древесиной несущая способность арматуры будет использована, то есть напряжения в арматуре достигнут предела текучести прежде, чем будет исчерпана прочность древесины.
В то же время арматура предотвратит хрупкое разрушение конструкции вследствие того, что даже после полного разрушения древесины в растянутой зоне арматура частично сохраняет несущую способность, хотя и будет работать за пределами текучести, демонстрируя эффект подпружной тяги или шпренгеля. Экспериментальные исследования полностью подтверждают этот вывод и показывают, что после разрушения древесины растянутой зоны балки выдерживают нагрузку, составляющую 60 - 75 процентов величины разрушающей нагрузки, что повышает надежность конструкций.
Армирование деревянных конструкций может выполняться как отдельными стержнями - прямолинейными и с отгибами, так и полукаркасами, представляющими собой продольные стержни рабочей арматуры с приваренными к ним под углом 45 и 90 градусов стержнями поперечной арматуры, диаметр которых не превышает 0,4 - 0,6 диаметра рабочей арматуры. Поперечные стержни (не менее 2 - 3 с каждой стороны) в полукаркасах располагаются на концевых участках рабочей арматуры с шагом, равным 20-25 диаметрам. Поперечные стержни повышают надежность сцепления арматуры с древесиной, исключают возможность хрупкого разрушения конструкций от скалывания клеевого шва или древесины в зоне расположения арматуры. Длина поперечных стержней (глубина заделки) должна быть не менее 0,55 h или 20 - 25 d.
В ряде случаев ("высокие" балки с h/L = 1/12 - 1/15 или при больших значениях поперечных усилий и т.п.) поперечное армирование может выполняться в виде вертикально вклеенных стальных пластин толщиной 2-5 мм, которые соединяются сваркой с рабочей арматурой после вклеивания стержней. Длина пластин принимается равной 15-20 диаметрам рабочей арматуры, но не более 0,5 - 1,0 h. С целью облегчения конструкции, снижения расхода металла и повышения качества склеивания пластины могут иметь сквозную перфорацию.
В современных условиях наиболее технологичны и широко освоены клееные деревянные конструкции прямоугольного сечения, поэтому их целесообразно применять и для армированных конструкций. Кроме того, прямоугольное сечение более массивно по сравнению с коробчатым или двутавровым, поэтому полнее отвечает требованиям долговечности и огнестойкости, предъявляемым сегодня к несущим деревянным конструкциям.
Технология изготовления клееной заготовки армированной конструкции отличается от обычной незначительно, предусматривая в качестве дополнительной операции только вклеивание арматурных стержней или полукаркасов. Наличие армирования позволяет делать габариты сечений клееных заготовок значительно меньшими, чем в случае неармированных конструкций. Так, высота сечений заготовок армированных конструкций как правило ниже на 20-30 процентов, ширина обычно составляет 120 - 170 мм, а монтажная масса на 30-40 процентов меньше. Это способствует снижению трудозатрат на изготовление заготовок, увеличению оборачиваемости и производительности прессового оборудования.
При изготовлении армированных конструкций наиболее трудоемким является процесс вклеивания арматуры, который включает в себя целый ряд операций. В число основных входит приготовление клеевой композиции; фрезерование пазов для закладывания арматуры по пластям досок; сверление отверстий для поперечных стержней; подготовка арматуры (резка и сращивание по длине, очистка от загрязнений, обезжиривание, сварка полу каркасов); нанесение клеевой композиции, укладка и запрессовка стержней арматуры или арматурных полукаркасов.
Операции по фрезерованию пазов, укладке и запрессовке арматуры можно выполнять двумя методами. Первый весьма трудоемок, так как использует заготовки полного габарита и связан с необходимостью кантовать их в случае двухстороннего армирования и дважды использовать прессовое оборудование.
Второй метод более удобен, так как позволяет выделять операции по вклеиванию арматуры и осуществлять их параллельно другим технологическим процессам, однако затрудняет армирование полукаркасами с поперечной арматурой. Рациональным, с конструктивной и технологической точки зрения, является армирование конструкций по боковым пластям при ширине сечения до 100 - 150 мм. В этом случае пазы под арматуру фрезеруются по боковым поверхностям заготовки, которая лежит плашмя, причем имеется возможность расположить арматуру по линии главных растягивающих деформаций, как это показано на соответствующей схеме.
Данный вариант армирования позволяет изготавливать конструкции, имеющие составное по ширине сечение.
Такая конструктивная система обеспечивает производство изделий сечением более 200 миллиметров и значительно сокращает производственные издержки, поскольку ликвидирует необходимость кантовать конструкцию при вклеивании стержней с выдержкой в каждой позиции 10-12 часов. Размещение арматуры внутри составного сечения существенно повышает огнестойкость конструкций. При этом элементы соединяют стяжными болтами диаметром 14-16 мм через 2-3 метра по длине, утапливая их в древесину и закрывая деревянными пробками. Арматурные стержни обычно вклеивают в пазы, расположенные в один ряд по ширине сечения. Их обычно получают либо фрезерованием по пласти, либо вставкой бруска толщиной, равной наружному диаметру арматуры.
Форму и размеры паза выбирают, исходя из условий обеспечения надежного склеивания арматуры с древесиной и минимального расхода клеевого состава. Обычно этим требованиям отвечают пазы прямоугольного и полукруглого профилей. При этом ширина и глубина паза принимаются равными da + 5 мм, где da - диаметр арматуры. Расстояние между осями стержней должно быть не менее двух диаметров.
В случае ограниченной ширины сечения возможно применение группового армирования, при котором стержни числом не более трех размещают в общем пазу. В этом случае арматуру соединяют сваркой в общий пакет, а пазы заполняют с помощью специального шприца с диаметром сопла не менее 12 мм или шпателем.
Процесс склеивания при температуре 18-20 градусов происходит в течение 10-12 часов: за это время клеевое соединение достигает разборной прочности (60-70 процентов от конечной), при нагреве до 50-60 градусов разборная прочность достигается через 2-3 часа с последующей 30-минутной выдержкой в прессе. Неармированные стыкованные по длине ламели склеивают с армированными элементами обычными способами, так как они не отличаются по габаритам.
При армировании конструкций полукаркасами, представляющими собой основную продольную арматуру с приваренными перпендикулярно или под углом к ней поперечными стержнями длиной не менее 0,55 h или 20-25 d (h - высота сечения), в клееной заготовке под поперечную арматуру каркаса сверлятся отверстия диаметром, на 5 мм превышающим наружный диаметр стержня, и боковые отверстия диаметром 3-5 мм для выдавливания воздушных пробок и избытка клея.
При запрессовке клееного пакета с армированными элементами качество склеивания повышается за счет более равномерного распределения давления по длине заготовки, которое происходит из-за меньшей деформативности армированного элемента под сосредоточенными грузами запрессовочных устройств.
Для повышения огнестойкости и долговечности конструкций арматуру необходимо защищать доской толщиной не менее 25 мм, наклеиваемой поверх стержней или вкладышем в глубокий паз поверх арматуры.
Из довольно широкого ассортимента клеев, выпускаемых промышленностью, таким требованиям удовлетворяют только эпоксидные, фенолформальдегидные и полиуретановые композиции. Фенолформальдегидные клеи, содержащие кислотные отвердители, обладая низкой стоимостью и доступностью, вызывают коррозию стальной арматуры, что требует специальных мероприятий по защите, усложняет технологический процесс и повышает стоимость изделия. Полиуретановые клеи пока недостаточно изучены и дефицитны.
В полной мере отвечают предъявляемым требованиям клеи на основе эпоксидных смол, которые в большинстве случаев используются в виде многокомпонентных клеевых композиций. Применяя для наполнения и отверждения эпоксидных клеев различные наполнители и отвердители, удается получить клеевые соединения, удовлетворяющие не только перечисленным требованиям, но и обладающие высокой теплостойкостью и относительной дешевизной. Снижение стоимости достигается за счет введения в композицию на 100 массовых частей смолы 200-400 массовых частей наполнителей, что приводит к снижению содержания смолы (наиболее дорогого компонента) в клее до 15-25 процентов. Например, при стоимости 1 кг смолы ЭД-20 равной 4,0 условным единицам, стоимость 1кг клеевой композиции составит 0,68-1,0 условных единиц.
Для клеевых соединений арматуры с древесиной наиболее технологичными являются композиции, приготовленные на основе эпоксидных смол марок ЭД-20, ЭИС-1 и др. Их жизнеспособность, колеблющаяся от 45 до 120 минут, зависит от вида и количества отвердителя. Основные составы клеевых композиций, рекомендуемых для применения в армированных деревянных конструкциях, приведены в соответствующей таблице.
При выборе клеевой композиции для соединений в армированных конструкциях следует учитывать, что некоторые традиционные компоненты в названных составах далеко не оптимальны. Им на смену приходят новые, свойства которых повышают технологичность и качество клеевых соединений. Например, полиэтилен-полиамин - наиболее распространенный аминный отвердитель - весьма гигроскопичен, чувствителен к температурному режиму отверждения, к рецептурному составу, токсичен. Поэтому разработаны оксиэтилированные аминные отвердители, которые отличаются меньшей токсичностью и летучестью, более низкой стоимостью и доступностью.
Взамен дибутилфталата, который испаряется из эпоксидных композиций, растворяется в воде, тем самым снижая качество и стойкость клеевых соединений, целесообразно применять сланцевый модификатор (сламор). Сламор - поверхностно активное вещество - повышает смачивающие свойства эпоксидных композиций, снижает расход отвердителя на 15-20 процентов, упрощает составление композиций с высоким содержанием наполнителя и служит катализатором при отверждении. Являясь продуктом недорогим и доступным, сламор снижает не только начальную вязкость клеевой композиции, но и ее стоимость, причем весьма существенно.
В качестве наполнителя наиболее эффективен песок, так как легко доступен и имеет низкую стоимость. Цемент отрицательно взаимодействует с аминными отвердителями, а его частицы будучи гигроскопичными могут, присоединяя воду, увеличиваться в объеме (набухать), из-за чего в клеевом шве в процессе эксплуатации возникают внутренние раскалывающие напряжения, которые снижают долговечность и надежность соединения.

Партнеры СК "Коллекс"

  • сварог накс