Телефон: 8 800 300-88-31
Эл.почта: info@lestech.ru
Регистрация Контакты

Нужна ли классификация несущих деревянных элементов строительных конструкций по классам прочности?

Ю. Ю. Славик, Н.Ч. Андрыщак
(ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко)
Назад к Статьям
Подписка на Журнал Экспертного Совета Лесопильных Предприятий.
Получайте новости и аналитику первыми.
Предоставляя свои данные Вы соглашаетесь с Политикой Конфиденциальности.
Аннотация
Рассмотрена проблема сортировки пиломатериалов по классам прочности для изготовления деревянных элементов строительных конструкций. Дана характеристика основных этапов совершенствования способов сортировки в отечественной и зарубежной практике.
Приведены особенности основных положений отечественных и европейских нормативных документов, производственное состояние проблемы сортировки, причины отсутствия на практике эффективных отечественных технологий сортировки. Для совершенствования отечественной технологии предложено выделить особую роль зубчатых клеевых соединений для сращивания заготовок по длине в качестве регулятора качества конструкционных пиломатериалов и определителя технически возможных высоких классов.
В отличие от существующей технологии для каждого класса предложено нормировать: прочность и жесткость зубчатых соединений, плотность древесины, а путем сканирования видов и размеров основных пороков древесины, определять недопустимые подлежащие замене зубчатыми соединениями. Это позволит повысить достоверность сортировки, упростить ее технологию и на практике реализовать сортировку на более высокие классы по сравнению с широко практикуемым сегодня в стране классом С24.
Ожидается что за счет использования соединений I категории прочности по ГОСТ 19414-2023 могут быть обеспечены классы до С30, а за счет реализации патентов РФ № 2818040, 224448 и 229258 на способ изготовления зубчатых соединений и полезные для этого модели фрез – до С35 (патенты получены институтом АО «НИЦ «Строительство» ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко).
Введение
Одной из закономерностей научно-технического прогресса является постоянный поиск путей улучшения потребительских свойств выпускаемой продукции. Это, прежде всего, связано с максимальным использованием ее ресурса по наиболее важным показателям свойств. Для элементов несущих конструкций это прочность, от уровня которой напрямую связана их материалоемкость.
В практике применения в строительстве элементов конструкций из традиционных материалов (металла, бетона) предложен широкий выбор их марок и сортамента в зависимости от области применения конструкций. Наряду с этим в области деревянных конструкций в мировой практике за последние десятилетия прогресс связан с освоением сортировки пиломатериалов и готовых элементов конструкций по классам прочности, что обеспечивает экономию древесины и повышение надежности деревянных конструкций при их эксплуатации.
Основной раздел
В зарубежной практике, начиная с 70-х годов прошлого столетия, была предложена классификация пиломатериалов по классам прочности, которая в основном связана с внедрением в практику машинных способов сортировки пиломатериалов, значительно повышающих достоверность оценки их прочности. В рамках международной организации по стандартизации (ISO) в ТК 165 при участии СССР были разработаны рекомендации по нормированию механических свойств хвойных пиломатериалов, где за основной показатель классификации взято нормативное сопротивление пиломатериалов изгибу по кромке.
С декабря 1995 года введен в действие европейский стандарт EN 338 /1/, разработанный Европейским Комитетом по стандартизации (CEN). Членами этого комитета являются национальные органы по стандартизации европейских государств. Все принятые европейские стандарты этими государствами применяются в качестве национальных без каких-либо изменений. В течении последующих лет технический уровень прочностной сортировки существенно шагнул вперед как в технологии сортировки, так и создании необходимого оборудования.
Осуществлен переход от методов механической силовой сортировки пиломатериалов по величине прогиба к бесконтактным методам сканирования физико-механических свойств древесины и размеров ее пороков. В итоге было предложено классы прочности оценивать по нормированным величинам прочности, модуля упругости и плотности древесины, технические требования к классам регламентированы в основных европейских нормах /1/, EN 1995-1-1:2004 /2/, EN 14080:2013 /3/, EN 15497:2014 /4/.
Согласно принятой классификации для хвойных пиломатериалов предусмотрено 12 классов от С14 до С50 с цифрой в обозначении равной нормативному значению прочности в МПа определяемой испытаниями на изгиб по кромке образцов пиломатериалов с размерами сечения 50 х 150 мм. Классы прочности являются основным декларируемым требованием к качеству конструкционных пиломатериалов, что гарантируется изготовителем продукции.
В отечественной практике за этот период также было привлечено внимание к этой проблеме. Главным образом проводились исследования достоверности различных методов сортировки содержащихся в публикациях /5, 6, 7, 8, 9/ и были разработаны отечественные нормативные документы ГОСТ 33080-2014 /10/, ГОСТ 33081-2014 /11/, ГОСТ 20850 ̶ 2014 /12/, ГОСТ Р 57786-2024 /13/, ГОСТ 19414-2023 /14/, ТУ 13-722-83 /15/, ТУ 13-858-85 /16/, СП 64.13330.2017 /17/. Более детально результаты этих работ изложены в публикациях /18, 19, 20, 21/. В итоге была создана нормативная база для реализации проблемы. Однако ориентация на закупку импортного оборудования и инструмента не способствовало развитию отечественных технологий сортировки, отечественная нормативная база оказалась бесполезной.
Несмотря на это в ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко работы в этом направлении продолжаются и выдвинуто ряд перспективных предложений, имеющих преимущества перед зарубежной практикой. Считаем, что важным вкладом по реализации плана мероприятий «Стратегии развития лесопромышленного комплекса РФ до 2030 года», утвержденного Распоряжением Правительства РФ от 20.09.2018 № 1989-р, может быть организация производства конструкционных пиломатериалов по классам прочности силами отечественных научно-технических и производственных организаций, связанных с комплексом.
На отечественный рынок этот вид продукции не поставляется, а имеющиеся его производства в стране на предприятиях с импортными технологиями и оборудованием поставляли продукцию за границу только как долю зарубежных владельцев, которая с учетом сложившейся в настоящее время обстановки прекратилась. При этом сложившаяся практика была им очень выгодна так как используя дешевое отечественное сырье и превращая его в конструкционные пиломатериалы получали существенную прибыль за пределами нашей страны.
По имеющемуся опыту работы Сокольского ДОК /19/ было установлено, что при помощи технологического оборудование сортировки пиломатериалов австрийской фирмы MICROTEC обеспечивалась сортировка конструкционных пиломатериалов на классы прочности С24, С27 и С30. При этом также было подтверждено, что использование для сращивания пиломатериалов по длине зубчатых клеевых соединений с длиной шипа до 20 мм последние обеспечивали класс прочности не выше С24, а более высокие классы обеспечивали соединения с длиной шипа 28 мм.
Создание и расширение в стране наших собственных таких производств позволит существенно повысить ресурс использования пиломатериалов по прочности, повысить надежность несущих деревянных строительных конструкций, исключить затоваривание низкосортными пиломатериалами отечественные рынки, ликвидировать отставание отечественных технологий от зарубежных путем импортозамещения, обеспечить реальную экономию пиломатериалов лесопромышленного комплекса.
Для конкурентоспособности создаваемых отечественных технологий сортировки нами предлагается внести ряд новых положений по сравнению с зарубежными: выделить особую роль зубчатых клеевых соединений /14/ для сращивания пиломатериалов по длине в качестве регулятора и определителя технически возможно высоких классов прочности сортировки; нормировать основные показатели классификации соединений (прочность и жесткость при заданной плотности древесины). Это даст возможность повысить достоверность сортировки и упростить ее технологию.
Для решения поставленной задачи в стране имеются: необходимая нормативно-техническая база, гармонизированная с европейскими стандартами на требования к такой продукции; предприятия лесопромышленного комплекса по выпуску пиломатериалов и технологического оборудования, входящие в ассоциации комплекса (например, «ЛЕСТЕХ» по производству машин, оборудования и IT решений для предприятий лесопромышленного комплекса) , «ДЕРЕВЯННОГО ДОМОСТРОЕНИЯ» по консолидации усилий компаний участников по развитию рынка деревянного домостроения,и др.); современная научно-техническая испытательная база (ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко – институт АО «НИЦ «Строительство») для подтверждения качества продукции и ее сертификации для рынка России и стран СНГ.
Образованная в последнее время в северо-западном регионе страны ассоциация «ПРОИЗВОДИТЕЛЕЙ СОРТИРОВАННЫХ И МАРКИРОВАННЫХ ПИЛОМАТЕРИАЛОВ - “R”mills» (сайт www.RMILLS.RU) для гарантий качества продукции с подтверждением от независимого аудитора сертификацией путем инспекции и надзора соответствия производственных процессов по сортности и размерам продукции.. На сайте даже имеется прайс-лист на конструкционные пиломатериалы, но не представлены реальные пути подтверждения критериев создания отечественных технологий производства конструкционных пиломатериалов.
Что касается предложенных нами отечественных нововведений в технологию сортировки конструкционных пиломатериалов по сравнению с зарубежной целесообразно ввести нормированные показатели прочности и деформативности зубчатых клеевых соединений при заданной плотности древесины в зависимости от их геометрических размеров и подтверждение их соответствия заданным классам прочности (в рекомендательном порядке такие требования уже включены в ГОСТ 19414-2023 /14/), установить предельно допустимые виды и размеры пороков древесины по ГОСТ 2140-81 /22/ для их сканирования и замены зубчатыми клеевыми соединениями в зависимости от классов прочности пиломатериалов.
Это позволит упростить сортировку пиломатериалов на предприятиях деревообработки при производстве клееных конструкций и готовых конструкционных пиломатериалов, где влажность древесины не превышает 15%, и использовать при сортировке только сканирование пороков и определение плотности древесины. Для сортировки пиломатериалов по плотности имеется возможность создать простые отечественные сканеры линейных размеров и массы сортируемого пиломатериала (см. рис. 1), а нормированные величины прочности и модуля упругости будут гарантированы зубчатыми клеевыми соединениями при производственном контроле по требованиям к правилам приемки и методам испытаний по ГОСТ 19414-2023 /14/).

Рис.1. Схема линии сортировки пиломатериалов по плотности

1 – блок приема и подачи пиломатериалов (6) в технологический поток линии; 2 – блок измерения геометрических размеров (s, b и L) пиломатериала и передачи данных замеров для вычисления его объема в блок управления сортировки (5); 3 – блок определения массы пиломатериала; 4 – блок сортировки пиломатериалов по заданному диапазону плотности древесины на классы плотности со складированием их в отдельные накопители; 7 – устройство для определения геометрических размеров пиломатериала с датчиками (9, 10, 11); 8 – устройство для определения массы пиломатериала с датчиками (14) и электронными весами (15) для определения массы пиломатериала; 16 – подъемник укладчика пиломатериалов; 17 – накопители пиломатериалов по классам плотности.
Указанные выше предложения могут вызвать ряд вопросов, в частности по ограничению выпуска конструкционных пиломатериалов только из «сухих» заготовок группы влажности I с рекомендуемой технологической влажностью древесины до 15% согласно п. 6.2.2 по ГОСТ Р 70876-2024 /24/, в то время как этим же документом в строительстве рекомендуется использовать и пиломатериалы групп влажности II («воздушно-сухие» с влажностью 16-22%) и III («мокрые» с влажностью 23% и более) в зависимости от классов условий эксплуатации по СП 64.13330.2017 /17/.
Кроме того, возникает вопрос обязательного выпуска конструкционных пиломатериалов только с применением зубчатых клеевых соединений, что исключается для пиломатериалов групп влажности II и Ш, вместо того чтобы аттестовать пиломатериалы заданных размеров по ГОСТ 8486-86 /23/. При этом также немаловажны дополнительные финансовые затраты на сушку пиломатериалов (в среднем 15% от их стоимости).
С учетом необходимости повышения технологичности и индустриальности производственных процессов изготовления несущих элементов деревянных строительных конструкций, особенно в будущем, совершенно очевидны преимущества новых предложений. Это в первую очередь связано с широким использованием зубчатых клеевых соединений как регулятора качества конструкционных пиломатериалов и экономией лесных ресурсов страны. Без использования этого вида соединений невозможно изготовление эффективного, экономичного и надежного сортамента этого вида продукции с заданными свойствами.
Что касается групп влажности древесины, то будущее за расширением использования «сухих» пиломатериалов с применением клеевых соединений, позволяющих повысить достоверность оценки зависимости прочности от пороков и физико-механических свойств пиломатериалов, обеспечить повышенную классификацию по прочность конструкционных пиломатериалов, снизить вероятность поражения биологическими агентами элементов конструкций в процессе эксплуатации. «Мокрые» пиломатериалы следует рассматривать только как сырье для получения продукции с повышенными потребительскими свойствами.
Заключение
Проводимые ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко в этом направлении исследования и патентование (см. рис. 2) новых способов повышения прочности зубчатых клеевых соединений позволят подтвердить технически целесообразные классы прочности конструкционных пиломатериалов. Предлагаемая конструкция полезной модели сборной фрезы по патенту № 229258 приведена на рис. 3. Предприятием ООО «ЭЛСИ» г. Муром разработаны чертежи фрезы и готовится выпуск ее экспериментальных образцов. Ожидается, что целесообразно сортировать пиломатериалы с классами прочности до С30 по ГОСТ 33080-2014 /10/ при их сращивании по длине зубатыми соединениями I категории прочности по ГОСТ 19414-2023 /14/ и до С35 при реализации патентованного способа изготовления зубчатых клеевых соединений и полезных моделей фрез.

Рис.2 Патенты на способ и полезные модели фрез для повышения прочности зубчатых клеевых соединений

Формула полезной модели

Фреза для формирования клиновидных шипов на древесине с заданными геометрическими размерами на концах заготовок из пиломатериалов для сращивания их по длине, включающая втулку с фланцами, выполненными со сквозными пазами, а также размещенные между фланцами шипообразующие ножи, имеющие противоположный наклон боковых граней, а между ними - торцующие ножи, имеющие с одной стороны наклонные боковые грани, отличающаяся тем, что выполнена с комбинированными парами режущих зубьев: основной, формирующей большую часть длины шипа L при величине b1 = 2,0 мм, и дополнительной, формирующей длину шипа величиной 15 мм при величине b = 0,2 мм, профиль обеих пар режущих зубьев фрезы выполнен так, чтобы обеспечить при фрезеровании величину i = (0,5t - b)/L, равную 1/ 10, где:
t = L / 5 + 2b;
L = 5 (t - 2b);
i - величина наклона склеиваемых поверхностей шипов к волокнам древесины;
L - длина шипа, мм; t - шаг шипов, мм;
b1 - размер затупления вершины шипа, мм;
b - ширина впадины между шипами, мм,
а фреза выполнена в виде цельной фрезы.

Формула полезной модели

Сборная фреза с механическим креплением режущих элементов для формирования зубчатых шипов на древесине, выполненная с комбинированными парами режущих зубьев, формирующими часть длины шипа при ширине впадины между шипами b2=2,0 мм и дополнительную часть длины шипа при ширине впадины между шипами b1=0,2 мм, отличающаяся тем, что сборная фреза содержит корпус с пазами и три пары сменных блоков режущих элементов для фрезерования: парой основной части впадин между шипами с геометрическими параметрами L2 и b2=2 мм, парой дополнительной части фрезеруемой с параметрами b1=0,2 мм и L1=12 мм, парой вершин шипов до величины b, при этом вершины режущих зубьев пар фрезы расположены соответственно на диаметрах D1 и D2 , за счет разницы которых обеспечивается длина впадины L1=12 мм и перекрытие зон фрезерования основной и верхней частей шипов величиной 2 мм, необходимое для компенсации возможных изменений размеров зубьев при заточке фрезы, а для исключения из процесса фрезерования части впадин между шипами длиной L2 режущие элементы блока имеют углубленные участки размерами не менее 1,0 мм на передней грани и не менее 0,5 мм на боковых гранях режущего элемента, а фрезерующие блоки режущих элементов сборно-разборными при помощи стяжных элементов.

Формула полезной модели

Способ изготовления зубчатых клеевых соединений деревянных элементов конструкций, включающий сушку пиломатериалов; фрезерование на их концах зубчатых шипов, выполненных в средней части с участком постоянной толщины в их рабочем сечении; нанесение клея на поверхности шипов; запрессовку шипового соединения продольным усилием, отличающийся тем, что с целью осуществления фрезерования шипов с оптимальными геометрическими размерами, применяют комбинированный метод фрезерования шипов путем раздельного их фрезерования по длине; при этом для обеспечения фрезерования только верхней части шипа длиной 10 мм в оставшихся наклонных поверхностях зубьев фрезы на расстоянии 12 мм от вершины шипа делают углубления на величину 1 мм с целью исключения фрезерования части зубьями в зоне основной части шипа, и для реализации комбинированного метода фрезерования применяют два комплекта фрез: один для фрезерования основной части шипа, а другой – верхней части, фрезеруют последовательно каждую из них, или применяют один комплект фрез с комбинированными парами зубьев в единой фрезе, поочередно фрезерующими части шипов зубьями с величинами затупления b1 и b2 , с расположением вершин пар зубьев на диаметрах D1 и D2=D1+24 мм в конструкции фрезы, а оси симметрии обеих пар зубьев фрезы находятся в одной вертикальной ее плоскости при условии одинакового наклона боковых сторон шипа i.

Рис.3 Конструкция полезной модели сборной фрезы по патенту № 229258

4 - блоки фрезерующие впадины с затуплением b1 = 0,2 мм; 5 - болт и гайка стяжные; 6 - крепежный винт; 7 - прижимная планка;
8 - блоки фрезерующие впадины с затуплением b2 = 2 мм; 9 – блоки с фуговальным ножом подрезающие вершины шипов;
10 – корпус фрезерной головки
Это позволит осуществить переход на использование повышенных классов прочности, принятых по СП 64.13330-2017 /17/ для проектирования массивных и клееных элементов конструкций, наряду с практически единственно используемым в отечественной практике класса С24, обеспечивая экономию ресурсов лесопромышленного комплекса до 15-20%.
Производство отечественных фрез для формирования зубчатых шипов как по требованиям ГОСТ 19414-2023 /14/, так и по конструкциям новых патентованных осваивает предприятие ООО «ЭЛСИ» г. Муром. На конструкцию фрезы для зубчатых шипов по указанному ГОСТ предприятием разработаны чертежи (см. рис. 4) и изготовлены опытные образцы.

Рис. 4 Конструкция фрезы производства ООО «ЭЛСИ» (г. Муром)

с параметрами шипов по ГОСТ 19414-2023

Отечественные фрезы требуют всесторонних производственных испытаний как на износостойкость, так и на обоснованную классификацию получаемых клеевых соединений по классам прочности. В этих вопросах инициативу должны проявить действующие ассоциации лесопромышленного комплекса страны, в первую очередь ассоциация «ЛЕСТЕХ». Инструментальное предприятие фирмы ООО «ЭЛСИ» принимает заказы на поставку отечественных фрез.
Освоение отечественными предприятиями производства конструкционных пиломатериалов по ГОСТ 33080-2014 /10/ позволит более эффективно решать вопросы рационального использования пиломатериалов при производстве различных видов деревянных строительных конструкций. Это позволит широко использовать при изготовлении многослойных клееных конструкций преимущественно низкосортных пиломатериалов по ГОСТ 8486-86 /23/ рассортированных по низким классам прочности С16, С20, подтверждая тем самым преимущество этого вида конструкций обеспечить высокую прочность по требованиям ГОСТ 33081-2014 /11/, а при изготовлении массивных деревянных конструкций по ГОСТ Р 70876-2024 /24/ обеспечить существенное снижение их материалоемкости за счет использования высоких классов прочности С27, С30 и С35.
Для реализации предлагаемого проекта освоения производства конструкционных пиломатериалов в нашей стране научным подразделением ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко АО «НИЦ «Строительство»» может быть составлена рабочая программа проекта с привлечением заинтересованных заказчиков.
Список литературы:
  1. EN 338: 2003 – Structural timber – Strength classes
  2. EN 1995-1-1:2004 – Eurocode 5: Design of timber structures - Part 1-1: General - Common rules and rules for buildings
  3. EN 14080:2013 – Timber structures – Glued laminated timber and glued solid timber – Requirements
  4. EN 15497:2014 Structural finger jointed solid timber - Performance requirements and minimum production requirements
  5. Волынский В.Н.Взаимосвязь и изменчивость показателей физико-механических свойств древесины. Архангельск, 2006, 197 с.
  6. Боровиков А.М. Качество пиломатериалов. М., Лесная промышленность, 1990, 255с.
  7. Рюмина Е.Б. Прочность дощатых конструкций и ее зависимость от размеров и расположения пороков древесины. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук, М., 1984, 23 с.
  8. Успенская Г.Б. Надежность цельнодеревянных и клееных элементов деревянных конструкций и ее обеспечение на стадии производства. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук, М., 1989, 25 с.
  9. Славик Ю.Ю. Исследование и разработка способов обеспечения заданной прочности зубчатых клеевых соединений в изгибаемых элементах деревянных конструкций. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук, М., 1978, 26 с.
  10. ГОСТ 33080-2014 Конструкции деревянные. Классы прочности конструкционных пиломатериалов и методы их определения
  11. ГОСТ 33081-2014 Конструкции деревянные клееные несущие. Классы прочности элементов конструкций и методы их определения
  12. ГОСТ 20850 ̶ 2014 Конструкции деревянные клееные несущие. Общие технические условия
  13. ГОСТ Р 57786-2024 Конструкции деревянные клееные несущие. Визуальная сортировка слоев по классам прочности
  14. ГОСТ 19414 ̶ 2023 Конструкции деревянные клееный. Общие требования к зубчатым клеевым соединениям
  15. ТУ 13-722-83 Доски конструкционные. Технические условия / Архангельск: ЦНИИМОД, 1983. - 22 с.
  16. ТУ 13-858-85 Доски конструкционные для клееных деревянных конструкций. Технические условия / Архангельск: ЦНИИМОД, 1985. - 24 с.
  17. СП 64.13330.2017 Деревянные конструкции. Актуализированная редакция СНиП II-25-80
  18. Исследование состояния проблемы нормируемых параметров (прочностных и упругих характеристик) древесины и бруса клееного из шпона на основе анализа российской и зарубежной научно-технической, нормативной и методической базы, затрагивающей научно-техническую проблему; отчёт о НИОКР № 574. (Лот 6.5) по дог. № 574/2015 от 02.10.2015 г. / ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко ОАО «НИЦ Строительство»; рук. Ломакин А.Д.; отв. исп. Ю.Ю. Славик. – Москва, 2016. - 128 с. УДК 691.11; ОКП 53 6660
  19. Ковальчук Л.М., Славик Ю.Ю., Кислый В.В. Совершенствование методов прочностной сортировки хвойных пиломатериалов. ЛесПромИнформ, №5(119)2016, с.94 -100
  20. Варфоломеев Ю.А., Славик Ю.Ю. Техническое нормирование прочности строительных изделий из древесины с зубчатыми клеевыми соединениями: [текст] / Фундаментальные, поисковые и прикладные исследования РААСН по научному обеспечению развития архитектуры, градостроительства и строительной отрасли РФ в 2022 г.: Сб. науч. тр. РААСН. Т. 2. - М.: Изд-во АСВ, 2022. С. 76 - 83. ISBN 978-5-4323-0448-3
  21. Варфоломеев Ю.А., Славик Ю.Ю.  Актуализация нормативных требований к пиломатериалам для строительства. WORLD OF SCIENCE, III международная научно-практическая конференция, с. 194-198, МЦНС «НАУКА И ПРОСВЕЩЕНИЕ», г. Пенза, 2023 г.
  22. ГОСТ 2140-81 Видимые пороки древесины. Классификация, термины и определения, способы измерения
  23. ГОСТ 8486-86 Пиломатериалы хвойных пород. Технические условия
  24. ГОСТ Р 70876-2024 Конструкции деревянные из массивной (цельной) древесины. Технические условия.
Подписка на Журнал Экспертного Совета Лесопильных Предприятий.
Получайте новости и аналитику первыми.
Предоставляя свои данные Вы соглашаетесь с Политикой Конфиденциальности.