Авторы:
Серов Евгений Николаевич, профессор кафедры конструкций из дерева и пластмасс С.-Петербургского государственного архитектурно-строительного университета. Имеет более 130 печатных работ в области исследования клееных деревянных конструкций с учетом анизотропных свойств материалов.
Лабудин Борис Васильевич, доктор технических наук, профессор кафедры инженерных конструкций и архитектуры ИСиА САФУ. Имеет более 170 печатных работ в области совершенствования клееных деревянных конструкций с пространственно-регулярной структурой и циклической симметрией, где учитывается деформативность упруго-податливых связей, физическая и геометрическая нелинейность.
Опубликовано: ISSN 0536 – 1036. ИВУЗ. «Лесной журнал». 2013. № 2
КЛЕЕНЫЕ ДЕРЕВЯННЫЕ КОНСТРУКЦИИ: СОСТОЯНИЕ И ПРОБЛЕМЫ РАЗВИТИЯ (Часть 2.)
Состояние, тенденции и проблемы развития деревянных конструкций
О роли ДК в отечественной и мировой практике написано много в учебниках, сборниках научных трудов, научной и др. специальной литературе. Рассуждать о временах, когда древесина была основным строительным материалом, нет необходимости, интереснее оценить сегодняшнее место ДК в ряду конструкций из других, появившихся позднее и ставших уже традиционными материалов.
ДК в нашей стране то получали импульс к развитию, то попадали в опалу, т.е. развивались не по спирали, а волнообразно. И это не по причинам субъективных пожеланий специалистов, мягкости или жесткости чиновников, обвиняющих древесину во всех грехах, утверждающих с видом знатоков, что она гниет и горит, и считающих, что ею выгоднее торговать, чем строить. Неуклонное расширение применения ДК во всем мире обусловлено, прежде всего, объективными причинами. Достоинств у природного полимера и конструкций из него много. Самое основное, что не скинешь с чаши весов, древесина – единственное сырье, самовозобновляемое на поверхности Земли под действием колоссальной энергии Солнца:
Не растет цемент извека,
И железо не растет.
Лес – богатство человека,
Каждый год весной цветет… (Е.Н. Серов)
Энергоемкость получения сопоставимой единицы пилопродукции от 4 до 123 раз меньше, чем других традиционных материалов. Что касается гниения и горения древесины, то ведь и другие материалы горят, соединяясь с кислородом и встречая агрессивные среды, только не всегда открытым пламени. По данным Института строительства США, например, ежегодные потери от пожаров составляют 885 млн долларов, от коррозии металлов – 5,5 млрд долларов, т. е. в 6,2 раза больше. Причем в США из всей совокупности основных строительных материалов на долю древесины приходится около 60 %. Там производство современных КДК было в 10 раз больше, чем у нас до развала СССР, хотя выпуск и применение этих конструкций отечественными предприятиями находился на гребне волны.
Позитивный отечественный опыт производства и применения ДК обычно подразделяют на три периода. (Л.М. Ковальчук [5]). Первый начался с 1943 г., и «перестал существовать» в 1955 г., второй – с 1973 по 1988 гг., третий – с 1992 г. Конкретные даты – дело дискуссионное, четче они увидятся на расстоянии, но в целом всплески развития приходились на эти промежутки времени. На наш взгляд, первый период, конечно, начался значительно раньше. Нельзя не вспомнить 1929 г., когда впервые в мире были опубликованы технические условия и нормы проектирования ДК, свидетельствующие о безусловном приоритете отечественной науки в этой отрасли знаний [3] и переизданные в 1931, 1938 и 1940 гг., (последняя редакция не знает себе равных из всех последующих СНиП ни по объему (191 с.), ни по содержанию). Вспомним уникальный «Справочник проектировщика» (объем 955 с., 1936 г.), а ведь к его написанию надо было привлечь большой коллектив специалистов. Ничего подобного больше нигде и никогда не издавалось.
В 1930-е гг. в стране возводилось множество зданий и сооружений с использованием ДК (дощато-гвоздевых, на гладких кольцевых шпонках и др. соединениях в виде балок, рам, арок, ферм и даже пространственных конструкций). Все это отражало успехи нашей страны в теории и практике применения ДК, достигнутые в годы довоенных пятилеток. Недаром вспоминается крылатая фраза Серго Орджоникидзе о том, что «под легкими деревянными крышами рождалась наша тяжелая промышленность». В эти же годы были созданы кафедры ДК сначала в Москве, потом в Ленинграде. Уникальным является и двухтомный учебник по ДК (1942 и 1943 гг.) суммарным объемом около 100 печ. л. Все последующие учебники (1952, 1962, 1975, 1986 и 2004 гг. – последний переиздан в 2007 и 2010 гг.) с каждым выпуском становились все «худощавее», куда не вмещались не только новые научные достижения в этой отрасли знаний, но и старые усекались. За годы первого довоенно-послевоенного периода правительство высоко оценило труд специалистов отрасли. В 1952 г. целая группа «деревянщиков» была награждена Сталинской премией. Основатель кафедры в ЛИСИ В.Ф. Иванов дважды был награжден орденом Ленина, в частности, за спасение ДК зданий и сооружений во время и после войны.
С изменением строительной политики, начиная с постановления правительства 1955 г. о всемерном поощрении внедрения сборных железобетонных конструкций и «волюнтаристского» снижения цен на них, древесина в стране стала опальным материалом, а вместе с ней и конструкции, и специалисты. Второй период начался на фоне большого отставания страны с огромными лесными богатствами от производства и применения новых большепролетных КДК за рубежом. Начало биографии КДК можно отнести к получению первых патентов: на КДК – О. Гетцером, на синтетическую смолу – Л. Бакеландом в 1907 г. Кстати, фанеру изобрел наш отечественный авиаконструктор О. Костович еще в 1882 г. – за 15 лет до патента О. Гетцера. Склеивание в развитии ДК даже значимее сварки в развитии металлоконструкций, так как не связано с «вредными» технологическими напряжениями. Технологические потери прочности встречаются и в КДК при склеивании, например, участков большой кривизны, но они связаны не с клеем, а с гнутьем досок, и легко могут быть локализованы до пренебрежимо малых величин при использовании тонких досок и, особенно, шпона. Причем лущение шпона – практически безотходный процесс. Для второго периода характерно тесное сотрудничество производства с наукой. Практически все заводы и цеха КДК, особенно вновь открывающиеся, курировали специалисты из НИИ, вузов и др. организаций отрасли. Был и большой спрос на КДК развивающегося сельского строительства в рамках решения Продовольственной программы страны. Благодаря творческим связям, например, в нашем регионе выпуск КДК сначала был налажен в системе Главзапстроя в Колпино (Трест № 41), затем в Лодейном Поле, а после 1980 г. – в цехе КДК на базе ДОЗ №1 (Ленинград). Причем, кроме заложенного изначально выпуска прямолинейных элементов на оборудовании, купленном за 1,3 млн золотых рублей, совместно с кафедрой была разработана технология тонкостенных клеефанерных (павильон лечебной физкультуры в пос. Репино) и гнутоклееных рам (каркасы теплиц для фирмы «Лето» в Янино, 44 здания птицефабрики «Гранит» в пос. Коробицино). Во второй период проектирование различных конструкций и систем из клееной древесины и водостойкой фанеры вели подразделения многих ведущих проектных институтов. В Ленинграде, например, действовал сектор ДК в одном из головных институтов (ПИ 1) под руководством Ю.П. Юдина, а затем – С.Ю. Табунова. Обсуждаемый второй период может быть и продлился бы успешно, но грянула перестройка. На спад после второго периода [5] отводится всего 4 года – с 1988 г. по 1992 г. Но и в 1992 г. никто не ощутил подъема производства и применения ДК. Он, если и наступил, то намного позднее. В это время гибли заводы и цеха КДК сначала вследствие «голодного пайка» – кругляк бурным потоком пошел за рубеж, позднее – по причине сдачи на металлолом оборудования, приобретенного за золотые рубли. О начале третьего периода можно, видимо, говорить, опираясь на фактический выпуск продукции: а в 1992 г. из 20 заводов и цехов КДК практически ни один не выпускал эти конструкции. Только позднее вступил в строй цех в г. Королеве, выпускавший элементы лишь до 18 м длиной, хотя его продукция получила широкое распространение. Производятся КДК в Смоленске, Нижнем Новгороде и еще кое-где. Взамен двух сгинувших цехов в 2007 г. открылся мощный цех КДК на базе Ижорских заводов в Колпино. Выпуск различных конструкций и элементов из клееной древесины налажено и на некоторых других деревообрабатывающих предприятиях.
В настоящее время проектированием КДК в полную силу, к сожалению, занимается лишь отдел ДК ЦНИИСК (ОДК ЦНИИСК). Вместе с тем, этим должны заниматься проектные институты, а не единственный в стране головной НИИ по строительным конструкциям, который в первую очередь должен заботиться координации деятельности всей отрасли, выпуске указаний, инструкций, рекомендаций и руководств для проектировщиков, а главное – основного нормативного документа – строительных норм и правил по проектированию ДК! Действующие до 2011 г. СНиП 11-25–80 не обновлялись 30 лет! Они безнадежно устарели, в то время как учеными отрасли защищены десятки кандидатских и 15 докторских диссертаций, достигнуты существенные результаты, не менее значимые, чем за рубежом. Например, в петербургской научной школе дополнительно к принципу дробности, открытому Г.Г. Карлсеном еще в 30-е гг. ХХ в., сформулированы принципы рационального конструирования КДК: «следящей ориентации» («коаксиальности полевого и материального тензоров напряжений») в наиболее ответственных узлах конструкций, «равнопрочности элементов с узлами их сопряжения», а также принцип «струны». Первый заключается в согласовании полей действующих напряжений с полями сопротивлений сильно анизотропного материала, второй – в устранении дисбаланса прочности элементов КДК и их узлов. Третий реализуется при усилении и сплачивании элементов конструкций с помощью вклеенных или ввинченных стержней, значительно лучше работающих на растяжение, чем на изгиб. Например, в уникальных арках пролетом 63 м во Дворце спорта (г. Архангельск) по результатам испытаний одной конструкции в 1977 г., в которой растягивающие главные напряжения раньше других оказались запредельными, они были оценены и локализованы по предложенному нами способу. Обоснованы и предложены методы оценки прочности криволинейных участков КДК по формулам расчета кривых брусьев, а не по формуле Навье. Выявлена и обоснована особая опасность напряжений, растягивающих клееную древесину поперек волокон в окрестностях сосредоточенных сил, в том числе опорных реакций. Раскрыта необходимость и разработана методика дополнительной критериальной оценки прочности КДК с учетом всех компонент НДС, а не только максимальных напряжений. Обоснована необходимость и предложен метод расчета зубчато-шипового клеевого соединения в местах возможного и обычно наблюдаемого разрушения. Предложено, защищено авторским свидетельством и апробировано на заводах формирование различных видов КДК из элементов, полученных путем раскроя простых заготовочных блоков. Эти и другие предложения по совершенствованию новой редакции норм были направлены в ОДК ЦНИИСК и опубликованы [8]. Однако выпущенный в свет СП [7] не содержит этих и многих других достижений отечественной науки, а наоборот, в нем допущены грубые промахи. Приведем два примера. В качестве первого промаха отметим совершенно правильно невключенный в СП пресловутый рис. 6, в из старых СНиП 11-25–80 с рекомендациями по склеиванию крупных клееных блоков под большими углами.
Однако взамен ничего не дано, хотя экспериментально и теоретически доказана возможность подобного стыкования вдоль волокон. Конечно, любое конкретное решение должно иметь обоснование, в том числе и расчетное. Второй промах связан с использованием понижающего коэффициента на характеристики длительно работавшей древесины. Вместо умножения расчетное сопротивление делится на этот коэффициент, что приводит к нонсенсу: материал по каким-то сверхъестественным причинам через 50…100 лет становится на 10 % прочнее. По исследованиям ЛИСИ, опубликованным еще в 1988 г., коэффициентов несколько: их величины зависят от вида НДС и сроков службы. В белорусских нормах проектирования ДК этих коэффициентов, отличных от единицы, шесть: от 0,9 до 0,5. И все они умножаются на соответствующие расчетные сопротивления и понижают их. В волнообразном развитии конструкций из древесины опасна не только жесткая опала чиновников всех рангов на спаде и нижней отметке, но и негативные явления на подъеме. Здесь в нашу когорту обычно вливались специалисты, иногда не состоявшиеся в других отраслях знаний. Опасными являются также рождающиеся убеждения, что в КДК полностью устранены недостатки конструкций из цельной древесины. Отнюдь! Многие, но не все. Наоборот, возникли новые специфические «парадоксы» и недостатки. Еще в гнутоклееных рамах фирмы Гетцера на растянутых скошенных кромках «вдруг» появлялись защепистые трещины и отрывы. Оказалось, что даже при плавной подрезке клееных блоков для формирования сбежистости элементов в КДК могут возникать дополнительные касательные и нормальные напряжения, растягивающие древесину поперек волокон. По зарубежным публикациям, также «вдруг» уже 1976 г. появлялись трещины в гнутоклееных балках. Растягивающие древесину поперек волокон напряжения, хотя и малы по величине, но сопоставимы с соответствующими сопротивлениями клееной древесины, степень анизотропии которой существенно увеличилась по сравнению с цельной. Вдоль волокон сопротивления возросли за счет удаления крупных пороков и сращивания досок по длине, рассредоточения оставшихся мелких в клееном пакете, повышения однородности материала и др. Поперек волокон, наоборот, характеристики уменьшились вследствие склеивания слоев с неизбежными перерезанными волокнами на пласти. Это происходит всегда при распиловке сбежистых бревен и присучкового косослоя, а также при перерезании сучков, которые потом приклеиваются к смежным слоям преимущественно поперек волокон. В современных КДК с подрезками и уступами еще при проектировании закладывается неизбежность возникновения трещин отрыва, требуется их усиление еще до приложения нагрузок. Ярким примером могут служить гнутоклееные рамы с уступом в ригеле. Возникающие чаще у основания уступа в ригеле трещины иногда доходят до опорного узла в стойке. Такая ситуация наблюдалась нами в зернохранилище пос. Выра, Ленинградской области, в одной из кошар под Абаканом и в деревообрабатывающем цехе Приозерского комбината. Иными словами, «улучшение» конструкции с технологической точки зрения перевело их из разряда самых надежных и большепролетных рам в ненадежные. Можно привести и другие подобные примеры (рамы РД, РДП, арки типа МДА, АМД). Не менее тревожны тенденции современных подходов к направлениям развития производства и применения КДК. Здесь просматриваются три аспекта, связанные с проектированием, ассортиментом выпускаемой продукции и сотрудничеством науки с производством.
Вместо солидных институтов появились проектные конторы с «ограниченной ответственностью», не обремененные указаниями и другой нормативной документацией, написанной «по последнему слову науки и техники». В результате в конструкции из мощных клееных блоков иногда закладываются узлы, разработанные более полувека тому назад для ДК, но не получившие применения и не пригодные для КДК. Вновь вступившие в строй заводы нацелены на выпуск не конструкций как систем, требующих только укрупнительной сборки на строительной площадке, а неких унифицированных элементов [5]. Проблемы узлов сопряжения элементов при формировании КДК оказываются за пределами и обсуждений, и заводского изготовления. Разработка сложных инженерных узлов и сегодня остается первостепенной проблемой, и отправлять ее решение на строительную площадку – значит открывать путь дискредитации КДК. Эта проблема, на наш взгляд, должна стать главенствующей в научных поисках молодых коллег – аспирантов и соискателей. Сопряжения прямолинейных унифицированных элементов в системы КДК, особенно под углами, на наш взгляд, легко реализуемы, если кроме «погонажа» из ЛВЛ наладить изготовление гнутоклееных заготовок. Исходный материал – шпон толщиной 3,2 мм – позволяет легко это осуществить.
Связь науки с производством сегодня во многом уступает тому творческому сотрудничеству, которое действовало во второй период становления отрасли. И если объединение усилий технологов, конструкторов, производственников и ученых не наступит, гребень волны (всплеск) окажется коротким и совсем не потому, что на КДК спрос невысок. Конструкции, а за ними и материал, могут получить очередную дискредитацию. Например, на третьем съезде Ассоциации деревянного домостроения 27. 11. 2009 г. один из президентов ассоциации высказал сомнение по поводу стыкования «на ус» всех 22 слоев досок в середине пролета 12-метровой балки. После уточнения уклона заусовки был получен следующий ответ: «1 к 1», т. е. стык досок «на ус» в балке выполнен под 45 градусов! Пришлось разъяснить, что даже принятый нормами уклон уса 1 к 10 – только грубое приближение к природному. Длина клетки древесины примерно в 70 раз больше ее поперечных размеров. Следовательно, в природе уклон уса равен 1/35 в ту и другую стороны. Поэтому было предложено немедленно демонтировать балку и заказать новую, пусть и дороже, но грамотно изготовленную. Кроме отмеченных выше проблем, есть и другие. Все они могут быть решены только общими усилиями.
ISSN 0536 – 1036. ИВУЗ. «Лесной журнал». 2013. № 2
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ашкенази Е.К. Опыт применения первой классической гипотезы к оценке прочности древесины при сложных напряженных состояниях // Техн. информ. По результатам НИР. 1954. № 15. С. 27–32.
2. Белянкин Ф.П. Прочность древесины при скалывании вдоль волокон. К.: АН УССР, 1955. 140 с.
3. Большаков В.В. Развитие деревянных конструкций в СССР : автореф. … д-ра техн. наук. М., 1960. 56 с.
4. Иванов Ю.М. К вопросу исследования складки разрушения древесины при сжатии вдоль волокон // Тр. Ин-та леса. М.: АН СССР, 1953. Т. 1Х. С. 115–120.
5. Ковальчук Л.М., Пьянов А.И. Необходимость перехода на создание клееных деревянных конструкций из унифицированных элементов // Деревообраб. пром-сть. 2008. №
6. С. 12–20. 6. Лабудин Б.В. Совершенствование клееных деревянных конструкций с пространственно-регулярной структурой: моногр. Архангельск: Изд-во АГТУ, 2007. 267 с. 7. Серов Е.Н. Особенности разрушения стандартных образцов и их связь с работой конструкций // Лесн. журн. 1994. № 1. С. 75–79. (Изв. высш. учеб. заведений).
8. Серов Е.Н. Рекомендации к совершенствованию норм проектирования деревянных конструкций // Строительство. 2003. С. 9–16. (Изв. высш. учеб. заведений).
9. Серов Е.Н., Хапин А.В. Выбор критерия прочности для клееной древесины изгибаемых и сжатоизгибаемых элементов // Лесн. журн. 1984. № 1. C. 72–76. (Изв. высш. учеб. заведений).