Механические характеристики клееных клееных балок, содержащих выбранные породы древесины, в зоне растяжения
Лицензиат MDPI, Базель, Швейцария. Эта статья находится в открытом доступе и распространяется на условиях лицензии Creative Commons Attribution (CC BY) (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/).
Связанные данные
Данные, представленные в этом исследовании, доступны по запросу от соответствующего автора.
Абстрактные
Целью данного исследования было определение механических свойств клееных балок, содержащих выбранные породы дерева, в зоне растяжения с использованием испытания на четырехточечный изгиб. По древесине, используемой в растянутой зоне, были изготовлены три типа балок: балки, содержащие древесину дуба или бука I и II классов качества и сосновую древесину без дефектов (поскольку дефекты были устранены). Изготовленные балки оценивались по прочности на изгиб и модулю упругости. Полученные результаты сравнивались с характеристиками промышленных балок BSH (Industrial beams GL made in Germany — Brettschichtholz). Мы пришли к выводу, что балки из соснового бруса являются подходящей альтернативой еловым балкам. Статическая прочность на изгиб балок, изготовленных из лиственных пород, была на 70 % выше, чем у балок, изготовленных из сосны. Все типы балок, изготовленных в лаборатории, соответствовали требованиям не ниже класса GL24c.
1. Введение
Использование дерева в строительных целях кажется естественным как по историческим причинам, так и из-за простоты возведения зданий, особенно домов на одну семью. Древесина, полученная из взрослых деревьев (в возрасте рубки), имеет достаточный диаметр для получения необходимых размеров элементов конструкции. Однако, поскольку древесина является природным материалом, она обладает структурными особенностями, которые можно воспринимать как дефекты. Сучки, наклон волокон и сильные трещины считаются дефектами в основном, но не исключительно строительной древесины [1,2,3,4]. Сучки особенно распространены в строительстве, а древесина без сучков встречается редко. Узлы могут различаться по интенсивности и размеру, от очень мелких до занимающих все поперечное сечение. Сучки существенно влияют на механические свойства древесины, особенно на прочность на растяжение и изгиб [5,6,7,8].
Чтобы хотя бы в какой-то степени уменьшить влияние естественных дефектов древесины, была предложена концепция балок из клееного бруса, т. е. клееного бруса (GL). Данная концепция предполагает гомогенизацию материала за счет соответствующего подбора/расположения пиломатериалов в поперечном сечении балки, что снижает влияние отрицательных свойств древесины [9,10,11,12,13,14].
Процесс изготовления строительных элементов из клееного бруса облегчён внедрением системы соединения деревянных деталей шиповым соединением. Эта система позволяет не только соединять пиломатериалы разной длины для получения элементов большей длины, чем имеющиеся в наличии заготовки круглого леса, но и позволяет соединять заготовки, из которых были удалены значительные дефекты [15,16,17,18]. Исчерпание несущей способности, особенно в зоне растяжения, привело к внедрению в промышленную практику различных решений, направленных на усиление зоны растяжения. К наиболее популярным решениям относятся различные типы лент, стержней или других конструкций, изготовленных из стеклянных, углеродных или балластных волокон [19,20,21]. Использование даже небольшого процента композиционных материалов в конструкции балки существенно повышает ее прочность, несущую способность, жесткость и долговечность.
Удовлетворительные результаты можно получить и при укреплении древесины стальными профилями в виде круглых арматурных стержней или плоских стержней [22] или путем химической модификации [23]. Однако гораздо проще армировать древесину другими древесными материалами, чем недревесными материалами. Использование недревесных материалов требует применения клея, дополнительных операций, связанных с подготовкой мест для секций, и применения нестандартных пил при укорачивании таких элементов. Применение других пород древесины, например пород, обладающих превосходными механическими свойствами, или использование материалов на основе древесины позволяет уменьшить некоторые из этих проблем. Наши предыдущие исследования показывают, что удовлетворительные результаты можно получить при использовании фанеры или ЛВЛ в зоне растяжения [24]. По сравнению с балками, изготовленными исключительно из сосновой древесины, для балок, изготовленных с использованием такого процесса, было получено существенное увеличение прочности на изгиб примерно на 30% в дополнение к улучшенным упругим свойствам. Однако армирующие материалы дороги, как и сама древесина, и трудно получить ламели достаточной длины для такого применения, особенно в случае фанеры, что требует их сращивания. Из-за особенностей фанеры процесс создания шипового соединения намного сложнее, чем изготовление такого соединения в древесине.
Хотя хвойные породы преобладают в северном полушарии, особенно в умеренной зоне, и являются основой для изготовления клееного бруса, литература по этому вопросу указывает, что положительные результаты можно получить и при использовании лиственных пород. Фрезе и Бласс [25] доказали, что клееные клееные балки из древесины бука характеризуются прочностью на изгиб более 44 МПа. Кроме того, Айхер и Штапф [26] продемонстрировали, что балки из дуба обладают прочностью на изгиб, превышающей 80 МПа. Другие авторы также указывают на полезность древесины лиственных пород в производстве клееного бруса [27,28,29,30].
Соединение различных пород древесины для изготовления клееного бруса с улучшенными механическими свойствами — тема не новая. Избранные работы показывают, что уже были предприняты попытки улучшить несущие характеристики древесины тополя с точными результатами. Например, для наружных слоев использовали клон эвкалипта, ели и лиственницы [31,32]. Другие виды из тропиков [33] и Европы [34,35] также были объединены.
Пиломатериалы с превосходными механическими свойствами обычно размещают во внешних зонах в соответствии с методологией, описанной в EN-14080 [36]. Этот стандарт вводит марки Т и предусматривает изготовление балок, обозначенных буквой «с», где наружные слои выполнены из более высоких марок Т. Что касается сортов Т, стандарт не указывает различий по видам, а только различия по качеству. Процедура описана только в общих чертах, без ясности в отношении возможности смешивания пород древесины, о чем свидетельствуют цитированные выше публикации.
Поэтому целью настоящего исследования было определение возможности использования древесины дуба и бука в качестве внешнего натяжного слоя в конструкциях из клееного бруса вместо высококачественной древесины или древесины сосны без дефектов.
2. Методология
В настоящем исследовании участвовала сосна (обыкновенная Л.) брус (Со), как так называемый основной брус толщиной 40 мм и боковой брус толщиной 25 мм, а также бук (Fagus Sylvatica Л.) брус (Бк) и дуб (Quercus Robur Л.) пиломатериал (Дб) толщиной 28 мм (обрезной и I и II классов качества) (ПН-Д-96002:1972 [37]). Древесина лиственных пород, классифицированная в соответствии с настоящим стандартом, подлежит визуальной оценке. Как правило, при оценке учитывают первичные дефекты древесины. Все пороки, указанные в стандарте, могут иметься в каждом пиломатериале, но площадь поверхности, свободная от пороков, должна быть: в I классе – не менее 80 %; во II классе не менее 65%. Пиломатериалы, использованные в испытаниях в настоящем исследовании, имели ширину 120 мм. Подготовленную для исследований древесину лиственных пород оценивали по модулю упругости (МОЭ) в испытании на четырехточечный изгиб при горизонтальной укладке древесины, как описано в [35], и плече рычага, равном 1 м. Расстояние между опорами также составляло 1 м (рис. 1).
Схема испытательного стенда для МЧС пиломатериалов.
Сосновая древесина оценивалась с помощью акустического теста. По установленным значениям МДЭ древесины балка формировалась таким образом, что пиломатериалы с более высоким модулем упругости располагались ближе к наружному слою. Были сформированы балки из 6 или 8 слоев. Для балок с лицевым слоем из твердой древесины под лицевой слой укладывали 6 слоев соснового бруса толщиной 40 мм, нижний слой состоял из соснового бруса толщиной 25 мм. Сосновая древесина имела длину 350 см, тогда как длина твердой древесины была всего 315 см; поэтому мы решили удлинить твердую древесину, соединив недостающую часть шиповым соединением. Для формирования соединения использовали фрезу FABA PZK 12NS250-002 с шагом k 10/10×3.8. Балки, изготовленные исключительно из соснового бруса, были изготовлены в качестве эталонного комплекта и сформированы из 6 слоев. Сучки снимались только в зоне натяжения наружных ламелей, а разъемные элементы соединялись шиповыми соединениями, выполненными однотипной фрезой. Непосредственно перед прессованием подготовленных комплектов брусьев каждый брусок строгали, в результате чего итоговая толщина была на 1–1.5 мм меньше исходной.
Бруски подвергали холодному прессованию с использованием клея МУФ 220 240–2 г/м 1247 , смешанного с отвердителем 2526 в количестве, равном 10 % от массы сухой смолы. И клей, и отвердитель были произведены компанией Akzo Nobel (Амстердам, Нидерланды). При приготовлении смеси учитывались лабораторные условия. Клей наносился с помощью роликового шпателя. После загрузки пресса создавалось давление 0.5–0.55 МПа. Ежедневно изготовлялось по четыре балки, всего было изготовлено 48 балок, т. е. по 16 балок каждого типа. Прессование производилось на промышленном прессе, оснащенном гидроцилиндрами, предназначенном для производства клееных конструктивных элементов (FOST, Черск, Польша).
Балки прессовали не менее 4 часов, в зависимости от количества отвердителя, добавленного в смолу. После двухнедельной выдержки балки были оценены на прочность на изгиб и модуль упругости в четырехточечном испытании на изгиб (рис. 2). Лучи кондиционировались в контролируемой лабораторной среде; температура 21 ± 2 °С, влажность воздуха от 55 до 65 %. Для определения прочности на изгиб и модуля упругости использовали машину для испытаний на прочность (SAM 500 кН, Познань, Польша) с максимальным усилием 500 кН. Устройство было оснащено гидравлическим приводом. Балки нагружались со скоростью 0.20–0.25 мм/с. Перед оценкой механических свойств каждой балки измеряли влагосодержание. Для этого использовали влагомер сопротивления ХИТ-3. Модуль упругости определяли восьмикратным нагружением балки силой (F) около 25 кН, хотя деформация (s) был зарегистрирован только для последних пяти тестов. ΔF и Δs определяли по характеристической кривой (f(F) = s) и МЧС определяли по уравнению (1):
где ΔF сила, соответствующая прогибу (Н), l длина участка измерения прогиба (мм), a – расстояние от приложенной силы до опоры (мм), b ширина луча (мм), h – высота луча (мм), а Δs прогиб (мм).
Клееный брус (клееный брус)
Изготовление, использование, производительность и устойчивость клееного бруса.
Башня интенсивной терапии Мемориальной больницы Суррея
Фото: Ed White Photographics, предоставлено CEI Architecture и Parkin Architects.
Изделия из дерева
Что такое глулам?
Клееный брус состоит из деревянных пластин (или «ламелей»), скрепленных прочным влагостойким клеем. Волокно всех пластин проходит параллельно длине деревянного элемента.
Как изготавливается клееный брус?
Glulam изготавливается из самых разных пород, таких как пихта Дугласа, ель-сосна-пихта (SPF) и тсуга западная. Балки и колонны практически любого размера и формы изготавливаются путем ламинирования трех или более высушенных в печи, испытанных на нагрузку и сращенных на шип пиломатериалов вместе, образуя непрерывные слои. Эти ламинаты прессуются вместе с помощью механизированного гидравлического пресса и скрепляются атмосферостойкими клеями. Обработка давлением используется для наружных работ. Glulam можно настроить как прямые, изогнутые, арочные и конические элементы.
Для чего используется клееный брус?
Являясь одним из старейших и широко используемых изделий из массивной древесины, клееный брус широко применяется практически во всех типах зданий. Помимо зданий, он служит основным материалом для основных несущих конструкций, таких как мосты, навесы и павильоны. Его можно использовать в качестве колонн, прямых или изогнутых балок и прикреплять бок о бок для формирования панелей. Он особенно хорошо подходит для длиннопролетных конструкций, нестандартных криволинейных форм и хорошо сочетается с гибридными сборками и строительными системами.
Пешеходный мост Кингсуэй, Бернаби
Фото предоставлено Гордом Уайли.
Строительство мостов
Клееный брус хорошо подходит для конструкций с большими пролетами
Клееный брус является основной конструкцией для растущего числа мостов и надземных пешеходных дорожек в Британской Колумбии, от пешеходной дорожки, протянувшейся на 44 метра через одну из главных улиц города Бернаби, до волнистого пешеходного моста в Принстоне, небольшом городке в районе Симилкамин, Великобритания. юг до нашей эры.
Пешеходный мост Кингсуэй, Бернаби
Фото: Мартин Тесслер, любезно предоставлено Perkins + Will
Будет ли клееный брус гнить или плесневеть?
Клееный брус широко используется как для внутренних, так и для наружных работ на протяжении десятилетий, выдержав испытание временем. Он не будет гнить или приобретать плесень при правильной установке и обслуживании. Защита от атмосферных воздействий во время установки важна, и следует избегать воздействия воды. Для обеспечения долговечности необходимо принять меры, чтобы клееный брус оставался сухим во время транспортировки, строительства и сборки. Проектирование и техническое обслуживание зданий могут иметь большое значение для защиты массивной древесины, такой как клееный брус, от влаги и гниения. Для дополнительной защиты клееный брус можно обрабатывать консервантами и обработкой под давлением, каждая из которых зависит от климатических условий проекта и требований к дизайну. Устойчивость клееного бруса хорошо продемонстрирована его продолжительным и долгим сроком службы в исторических постройках, сохранившихся и по сей день.
Станция Brentwood Skytrain, Бернаби
Фото: Тэ Ик Хван
Массовая древесина на подъеме
Коллекция массовых видеороликов о древесине, информационных бюллетеней, инфографики и ресурсов
Расширение использования массивной древесины способствует созданию новых рабочих мест и долгосрочным инвестициям в производство с добавленной стоимостью, зеленое строительство и диверсификацию лесного сектора. Этот набор основных ресурсов помогает показать и рассказать, как компания BC использует массовое перемещение древесины, чтобы повысить ценность лесов BC.
Сгорит ли клееный брус в огне?
Широко используемый в Канаде уже более полувека, пожаробезопасность клееного бруса хорошо зарекомендовала себя благодаря его широкому использованию и испытаниям. Клееный брус разрешен и безопасен для открытого доступа, поскольку его большая масса обеспечивает присущую ему устойчивость к огню. Как и другие изделия из массивной древесины, клееный брус естественно сопротивляется огню, потому что обугливается. В случае пожара этот кокс снаружи образует защитный слой, сохраняя при этом прочность. Это значительно замедляет возгорание, давая время для безопасной эвакуации здания. Исследования огнестойкости клееного бруса продолжаются с упором на высокие деревянные конструкции с использованием изделий из клееного бруса.
Башня интенсивной терапии Мемориальной больницы Суррея
Фото: Ed White Photographics, предоставлено CEI Architecture и Parkin Architects.
Величие клееного бруса
Долгая история доказанной эффективности
От бассейнов и супермаркетов до школ и высотных зданий клееный брус использовался в самых разных зданиях Британской Колумбии на протяжении десятилетий, продолжая выдерживать испытания, работать и великолепно выглядеть. Имея менее 10% веса стали и 1/5 веса бетона, клееный брус отличается прочностью и маневренностью. От длиннопролетных до высоких и возвышающихся конструкций — исследуйте растущее число проектов в Британской Колумбии с использованием этого прочного и легкого деревянного изделия, выдержавшего испытание временем.
Бассейн Перси Нормана в водном центре Hillcrest, Ванкувер
Фото предоставлено: KK Law
Чем клееный брус отличается от других строительных материалов?
При весе менее 10 процентов стали и одной пятой веса бетона использование клееного бруса обеспечивает повышенную эффективность транспортировки, меньший углеродный след и более легкую конструкцию с сопоставимой прочностью. По сравнению с бетоном, конструкции из клееного бруса можно монтировать в течение более короткого времени круглый год, используя сборные конструкции. Клееный брус можно использовать вместо конструкционной стали, что обеспечивает вдвое большее соотношение прочности и веса.
Дом Брока Коммонса Таллвуд, UBC
Фото предоставлено Тимом Херроном.
Каталог поставщиков древесины BC
Хотите использовать клееный брус в своем следующем проекте?
Поскольку провинция Британская Колумбия признана мировым лидером в области устойчивого лесопользования, вы можете с уверенностью выбирать лесоматериалы BC. Свяжитесь с поставщиками клееного бруса сегодня.
