Проектирование, Расчет и Инновации Клееных Деревянных Конструкций: Комплексное Академическое Руководство

В последние годы строительная отрасль по всему миру переживает настоящую революцию, обращаясь к устойчивым и высокотехнологичным материалам. Среди них клееные деревянные конструкции (КДК) выделяются как один из наиболее перспективных и динамично развивающихся сегментов. От гигантских большепролетных сооружений до уютных жилых домов — КДК доказывают свою эффективность, эстетическую привлекательность и экологичность. Их способность сочетать традиционную прочность древесины с инновационными инженерными решениями делает этот материал незаменимым для будущего архитектуры и строительства.

Настоящая работа представляет собой всестороннее академическое исследование, призванное обеспечить глубокое понимание принципов проектирования, расчета и применения КДК. Мы рассмотрим технологические особенности производства, физико-механические свойства, нормативную базу, а также важнейшие аспекты защиты и современные инновации. Цель этого руководства — не только систематизировать существующие знания, но и восполнить «белые пятна», предоставив студентам инженерно-строительных специальностей и практикующим инженерам-проектировщикам исчерпывающую информацию, подкрепленную актуальными расчетами и примерами. Особое внимание будет уделено детализации узловых соединений, количественным показателям огнезащиты и анализу перспектив развития КДК в условиях активной государственной поддержки в России, что позволит сформировать целостное и глубокое представление о данном направлении.

Общая характеристика, виды и области применения клееных деревянных конструкций

Что такое КДК: Определение и технология производства

Клееные деревянные конструкции (КДК) — это результат слияния древних традиций деревянного строительства с современными технологиями материаловедения. По своей сути, КДК представляют собой высокотехнологичный строительный материал, получаемый путем склеивания нескольких слоев тщательно отобранной, высушенной древесины (так называемых ламелей) под воздействием высокого давления, процесс этот не просто соединяет отдельные элементы, но и создает композитный материал с улучшенными характеристиками.

Производство КДК начинается с тщательного отбора пиломатериалов, преимущественно из хвойных пород, таких как сосна и ель. Отобранные доски проходят процесс сушки до строго контролируемой влажности 12 ± 3%, что критически важно для стабильности и прочности будущего изделия. После сушки из ламелей вырезаются все дефекты (сучки, трещины, смоляные карманы), а затем здоровые участки сращиваются по длине при помощи зубчатых шипов. Эти шипы, прочно соединенные клеем, позволяют получать заготовки необходимой длины, часто достигающей нескольких десятков метров.

Далее подготовленные длинные ламели покрываются синтетическими клеями (часто это меламино-мочевино-формальдегидные или фенольные составы) и отправляются под пресс, где склеиваются при температуре около 100 °C. Оптимальная толщина клеевого шва составляет всего 0,1–0,2 мм, хотя допускаются короткие участки толщиной до 1 мм, при условии, что их длина не превышает 100 мм, а расстояние между ними — не менее десятикратной длины этих прослоек. Такой строгий контроль обеспечивает монолитность и высокую прочность клеевого соединения, которая зачастую превосходит прочность самой древесины.

Это критически важно, поскольку именно качество клеевого шва определяет, насколько эффективно КДК будет работать как единое целое, а не как набор отдельных досок, что напрямую влияет на долговечность и безопасность конструкции.

Преимущества КДК в современном строительстве

Применение КДК открывает широкий спектр преимуществ, которые делают их одним из наиболее конкурентоспособных материалов в современной строительной индустрии:

• Меньшая масса при высокой прочности. КДК позволяют создавать конструкции, которые значительно легче аналогичных по несущей способности элементов из стали или железобетона. Это преимущество выражается в экономии материала до 60% по сравнению с металлоконструкциями, что приводит к снижению нагрузки на фундаменты, упрощению транспортировки и монтажа. Сами конструкции из клееного дерева обладают прочностью на 50–70% выше, чем цельное дерево, благодаря устранению дефектов и перераспределению напряжений в многослойной структуре. В процессе производства может наблюдаться увеличение плотности пятислойной клееной конструкции на 22,1% по сравнению с образцом из цельной древесины за счет уплотнения при склеивании под давлением, что непосредственно влияет на повышение прочностных характеристик.
• Водостойкость. Достигается благодаря использованию высококачественных водостойких меламино-мочевино-формальдегидных клеев. Эти клеи обеспечивают высокую относительную прочность образцов после длительного вымачивания и кипячения, что позволяет КДК превосходить установленные требования для повышенной группы водостойкости. Например, водостойкая фанера на фенолоформальдегидном клее успешно применяется в несущих конструкциях открытых сооружений или помещениях с влажностью до 70%.
• Биостойкость. Повышенная устойчивость к биологическому разрушению обеспечивается не только тщательным контролем качества древесины на входе (удаление дефектов), но и равномерной влажностью в процессе эксплуатации. Ключевым фактором является поддержание влажности древесины ниже 22%, так как превышение этого порога способствует активному развитию грибков и микроорганизмов. Кроме того, применяются эффективные методы защитных обработок, а специальная модификация древесины, например, полимером на основе фурфурола, может значительно повысить ее биостойкость.
• Огнестойкость. Вопреки распространенным стереотипам, КДК демонстрируют высокие показатели огнестойкости. Это объясняется низкой скоростью обугливания древесины, которая составляет приблизительно 0,7 мм в минуту. Благодаря этому, необходимый предел огнестойкости (например, R45 и выше) может быть расчетно обеспечен путем увеличения сечения конструкции. При этом обуглившийся слой древесины действует как теплоизолятор, защищая внутренние, необожженные слои. Для обеспечения максимальной огнестойкости рекомендуется применять клеи повышенной теплостойкости в таких конструкциях.
• Стабильность размеров и долговечность. КДК значительно менее подвержены усушке и короблению по сравнению с массивной древесиной. Это способствует их долговечности, устойчивости к воздействию влаги, температурным колебаниям и агрессивным средам, что минимизирует деформации и трещинообразование в процессе эксплуатации.
• Экономичность производства и монтажа. Технология производства КДК позволяет эффективно использовать маломерную и разносортную древесину, что снижает себестоимость исходного материала. На строительной площадке экономическая эффективность проявляется в сокращении сроков монтажа благодаря высокой степени заводской готовности и префабрикации элементов. Это особенно актуально для крупнопанельного домостроения, где элементы доставляются на объект практически готовыми к сборке, что позволяет проводить всесезонный монтаж и значительно сокращает общие сроки строительства.
• Архитектурная выразительность. КДК позволяют создавать конструкции сложной геометрической формы, характеризующиеся изяществом, легкостью и долговечностью, что открывает широкие возможности для архитекторов и дизайнеров в реализации уникальных и эстетически привлекательных проектов.

Классификация и конструктивные схемы КДК

Клееные деревянные конструкции, благодаря своей универсальности и технологичности, могут быть классифицированы по функциональному назначению и конструктивным особенностям.

По функциональному назначению КДК подразделяются на:

• Несущие конструкции: элементы, воспринимающие основные нагрузки и обеспечивающие пространственную жесткость сооружения. К ним относятся балки, фермы, арки, рамы, колонны и несущие стеновые панели.
• Ограждающие конструкции: элементы, формирующие внешний контур здания и обеспечивающие тепло- и звукоизоляцию, но не несущие значительных нагрузок (например, некоторые виды фасадных панелей, перегородки).

По конструктивным схемам и геометрии КДК бывают:

• Прямолинейные элементы: Наиболее простые и распространенные, такие как балки и колонны. Балки могут иметь различные формы поперечного сечения (прямоугольные, двутавровые, коробчатые) и обычно проектируются с высотой сечения не менее ¹⁄₁₅ пролета, чтобы обеспечить необходимую жесткость.
• Криволинейные элементы: Отличаются высокой архитектурной выразительностью и используются для создания большепролетных покрытий. К ним относятся гнутоклееные балки, рамы и арки.
• Конструкции переменного сечения: Элементы, чья высота или ширина меняется по длине в зависимости от эпюры изгибающих моментов, что позволяет оптимизировать расход материала и улучшить эстетику.
• Фермы: Решетчатые конструкции, состоящие из прямолинейных элементов (поясов и раскосов), соединенных в узлах. Эффективны для перекрытия больших пролетов за счет оптимизации работы на растяжение и сжатие.
• Арки: Особенно широко применяются в большепролетном строительстве для пролетов от 12 до 150 метров. Различают треугольные, стрельчатые, кружальные и килевидные арки. Например, треугольные арки с прямолинейными верхними поясами и металлическими затяжками используются для пролетов 12 и 18 м, а стрельчатые арки — для пролетов 18, 24 и 45 м.

Особое место среди КДК занимает LVL-брус (Laminated Veneer Lumber) — многослойный клееный брус из шпона. Его изготавливают путем склеивания тонких слоев древесного шпона (обычно толщиной около 3 мм) с параллельным расположением волокон. Эта технология позволяет получать балки длиной до 18 метров и более, с исключительными прочностными и жесткостными характеристиками, превосходящими традиционную клееную древесину и даже некоторые виды металлоконструкций.

Области применения КДК

Спектр применения клееных деревянных конструкций постоянно расширяется, охватывая самые разнообразные объекты строительства:

• Большепролетные спортивные, общественные и производственные здания: Благодаря своей легкости и прочности, КДК идеально подходят для перекрытия больших пролетов (от 12 до 150 метров) без промежуточных опор. Примеры включают универсальные спортивные манежи, крытые теннисные корты, выставочные павильоны и производственные цеха. Ярким примером является Дворец водных видов спорта в Казани, где были применены КДК с пролетом 63 метра.
• Бассейны и аквапарки: Уникальная устойчивость КДК к влаге и агрессивным средам (содержащим хлор) делает их предпочтительным выбором для таких объектов, где металлические конструкции подвержены коррозии, а железобетон требует значительных затрат на гидроизоляцию и обслуживание.
• Сооружения с химически агрессивной средой: В промышленных зданиях, где требуется устойчивость к кислотам, щелочам и другим химически активным веществам, КДК показывают себя как надежный и долговечный материал.
• Жилищное строительство: От частных домов и коттеджей до многоэтажных зданий (особенно в контексте развития CLT-технологий), КДК обеспечивают комфортный микроклимат, высокую энергоэффективность и эстетическую привлекательность.
• Культурно-развлекательные объекты: Театры, концертные залы, музеи и другие объекты, требующие сложных архитектурных форм и больших открытых пространств, получают новые возможности для реализации с использованием КДК.
• Благоустройство и сельское хозяйство: КДК находят применение в элементах ландшафтного дизайна (беседки, навесы, мосты), а также в сельскохозяйственных постройках (фермы, склады, ангары), где важны экономичность и экологичность.

Широта применения КДК свидетельствует об их универсальности, адаптивности и способности удовлетворять самым высоким требованиям современного строительства, при этом предлагая экологически чистые и энергоэффективные решения.

Физико-механические свойства клееной древесины и требования к материалам

Требования к древесине и клеевым составам

Фундамент качества и долговечности клееных деревянных конструкций закладывается еще на этапе выбора исходных материалов – древесины и клеевых составов.

Древесина:
Для производства КДК преимущественно применяются стволы хвойных пород, таких как сосна и ель. Эти породы обладают оптимальным сочетанием прочности, прямослойности и доступности. Пиломатериалы из сосны или ели, предназначенные для изготовления КДК, должны строго соответствовать требованиям ГОСТ 8486-86 «Пиломатериалы хвойных пород. Технические условия», что гарантирует необходимый уровень качества и отсутствие критических дефектов.

Клеевые составы:
Выбор клея является одним из важнейших факторов, определяющих прочность, долговечность и водостойкость КДК. В производстве применяются различные типы синтетических клеев:

• Резорциновые клеи: Характеризуются высокой водостойкостью и прочностью, используются для конструкций, эксплуатируемых во влажных условиях.
• Фенольные клеи: Также обладают отличной водостойкостью и термостойкостью, часто применяются для наружных конструкций и в условиях повышенной влажности.
• Карбамидные клеи: Более экономичны, но менее водостойки, подходят для внутренних конструкций в сухих условиях.
• Поливинилацетатные (ПВА) клеи: Используются реже для несущих конструкций из-за меньшей прочности и водостойкости, но могут применяться для второстепенных элементов.

Все клеи, используемые в КДК, обязаны соответствовать требованиям актуализированного СНиП II-25-80, который в настоящее время представлен как СП 64.13330.2017 «Деревянные конструкции».

Ключевое требование к клеевым соединениям: прочность клеевых швов должна быть не менее прочности самой древесины склеиваемых слоев (ламелей) и облицовочных материалов. Это означает, что при разрушении образца, оно должно происходить по древесине, а не по клеевому слою. Например, при оценке качества склеивания многослойного клееного бруса из шпона (LVL) по ГОСТ 33124—2014, процент видимого когезионного разрушения древесины испытуемого клеевого шва должен составлять не менее 70%. Этот показатель является прямым индикатором того, что клеевой шов обладает прочностью, превышающей прочность самой древесины.

Почему это так важно? Потому что именно когезионное разрушение древесины, а не адгезионное разрушение по клеевому слою, подтверждает максимальную эффективность склеивания и гарантирует, что клей стал неотъемлемой частью материала, а не просто соединяющим элементом.

Влияние влажности и термообработки на свойства КДК

Влажность древесины:
Влажность древесины — это один из наиболее критичных параметров, определяющих стабильность и долговечность КДК. При изготовлении и приемке клееных деревянных конструкций влажность древесины должна строго соответствовать диапазону 12 ± 3%. Отклонения от этого стандарта могут привести к:

• Ухудшению качества склеивания: Слишком высокая влажность препятствует нормальному отверждению клея и снижает адгезию.
• Внутренним напряжениям: Неравномерная или неоптимальная влажность может вызвать усушку или разбухание древесины после изготовления, что приводит к внутренним напряжениям, короблению и растрескиванию.
• Биологическому разрушению: Влажность более 22% создает благоприятные условия для развития грибков и плесени, что существенно снижает биостойкость и срок службы конструкции.

Термообработка:
Современные технологии включают термообработку древесины, которая значительно улучшает ее эксплуатационные свойства. Древесина, подвергнутая высокотемпературной сушке (в диапазоне 150–230 °С), приобретает ряд уникальных характеристик:

• Снижение гигроскопичности: Термообработанная древесина демонстрирует снижение гигроскопичности на 30–90%. Это означает, что она значительно меньше поглощает и выделяет влагу из окружающей среды, что делает ее более стабильной по размерам и устойчивой к деформациям.
• Повышение прочности: При определенных режимах термообработки наблюдается повышение прочности древесины, особенно на сжатие и изгиб, за счет изменения ее клеточной структуры и полимеризации лигнина.
• Биостойкость: Устойчивость к гниению и поражению насекомыми также возрастает, так как высокотемпературное воздействие разрушает питательную среду для микроорганизмов.

Уникальные свойства LVL-бруса

Среди всех видов клееных деревянных конструкций особое место занимает LVL-брус (Laminated Veneer Lumber), или многослойный клееный брус из шпона. Его уникальность заключается в технологии производства: он изготавливается путем склеивания множества тонких слоев древесного шпона (о��ычно толщиной около 3 мм), причем волокна в каждом слое расположены преимущественно параллельно друг другу. Такая структура обеспечивает LVL-брусу выдающиеся физико-механические характеристики, значительно превосходящие как массивную, так и обычную клееную древесину, а в некоторых аспектах даже металлоконструкции.

Ключевые преимущества LVL-бруса:

• Высокие показатели удельной прочности и жесткости: Благодаря однонаправленному расположению волокон и равномерному распределению дефектов по всей длине элемента, LVL-брус обладает значительно более высокими показателями прочности и жесткости. По сравнению с цельными пиломатериалами из ели, LVL-брус превосходит по модулю упругости на 30%, а по пределу прочности на изгиб – на 100%. Это позволяет создавать более изящные и легкие конструкции при сохранении высокой несущей способности.
• Стабильность размеров: LVL-брус практически не подвержен короблению, растрескиванию и деформациям, связанным с изменением влажности, что обеспечивает высокую точность размеров и стабильность на протяжении всего срока службы.

Конкретные расчетные характеристики для LVL-бруса Ultralam:
Для продукции типа Ultralam, разработанной ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко, расчетные сопротивления и модули упругости, используемые в инженерных расчетах, имеют следующие значения:

Характеристика	Ultralam X (МПа)	Ultralam I (МПа)	Ultralam R (МПа)	Ultralam Rs (МПа)
Модуль упругости (E)	12 000	11 000	15 600	14 000
Расчетное сопротивление изгибу вдоль волокон (ребро)	22,1	19,6	27,3	24,0
Расчетное сопротивление растяжению вдоль волокон	19,6	16,9	26,9	22,0

Примечание: Данные представлены для различных типов LVL-бруса Ultralam, где X, I, R, Rs обозначают модификации с различными прочностными характеристиками.

Плотность LVL-бруса при изготовлении должна находиться в пределах от 400 до 700 кг/м³, что также является важным параметром для контроля качества и выполнения расчетов. Высокие и стабильные физико-механические свойства делают LVL-брус идеальным материалом для большепролетных, высоконагруженных и ответственных конструкций.

Принципы проектирования и расчета КДК согласно действующим нормам

Нормативно-техническая база проектирования

Проектирование и расчет конструкций из дерева, как цельного, так и клееного, являются сложными инженерными задачами, требующими строгого соблюдения установленных норм и правил. В Российской Федерации эта деятельность регламентируется комплексом нормативно-технической документации, обеспечивающей безопасность, надежность и долговечность возводимых сооружений.

Основными регулирующими документами являются:

1. СП 64.13330.2017 «Деревянные конструкции. Актуализированная редакция СНиП II-25-80». Этот Свод Правил является ключевым документом, устанавливающим общие положения по проектированию деревянных конструкций, требования к материалам, методы расчета элементов по предельным состояниям, правила конструирования и обеспечения долговечности. Он охватывает широкий спектр вопросов, начиная от определения расчетных характеристик древесины и клеевых соединений, заканчивая требованиями к узловым сопряжениям и защите от негативных воздействий.
2. ГОСТ 20850-84 «Конструкции деревянные клееные. Общие технические условия». Этот государственный стандарт определяет основные технические требования к изготовлению, приемке, маркировке, транспортированию и хранению клееных деревянных конструкций. Он дополняет СП 64.13330.2017 в части контроля качества продукции на заводе-изготовителе.

Помимо этих основополагающих документов, в расчетах и проектировании могут использоваться другие ГОСТы, регламентирующие конкретные виды материалов (например, ГОСТы на пиломатериалы, крепежные изделия, клеи), а также специализированные СП для отдельных типов конструкций или узловых соединений, такие как СП 382.1325800.2017 «Конструкции деревянные клееные на вклеенных стержнях. Методы расчета».

Методы расчета по предельным состояниям

Расчет элементов деревянных конструкций, как и других строительных материалов, выполняется по предельным состояниям. Этот подход позволяет обеспечить надежность конструкции на протяжении всего срока ее службы.

Различают две основные группы предельных состояний:

1. Первая группа предельных состояний: Характеризуется достижением максимальной несущей способности конструкции или ее элементов, при котором наступает разрушение, потеря устойчивости формы или положения, или исчерпание прочности материала. Расчет по первой группе гарантирует, что конструкция выдержит расчетные нагрузки без разрушения.
2. Вторая группа предельных состояний: Связана с нарушением нормальной эксплуатации конструкции, например, из-за чрезмерных деформаций, перемещений, образования трещин, колебаний, которые не угрожают обрушением, но ухудшают эксплуатационные характеристики. Расчет по второй группе гарантирует, что конструкция будет достаточно жесткой и не будет иметь чрезмерных прогибов или вибраций.

Примеры расчетных методик:

• Расчетные сопротивления LVL-бруса: Расчетные сопротивления бруса многослойного клееного из однонаправленного шпона (LVL) определяются по формуле, приведенной в СП 64.13330.2017. В общем виде она учитывает нормативные сопротивления и коэффициенты надежности по материалу. Например, расчетное сопротивление R_A для LVL принимается по таблице 7 данного свода правил, где для различных классов прочности и направлений действия силы приведены конкретные значения.
• Условие прочности соединений с использованием металлических зубчатых пластин (МЗП): Соединения на МЗП широко применяются в фермах и других решетчатых конструкциях. Условие прочности такого соединения выражается неравенством:
  N < 2RF
  Где:
  • N — нормальное усилие (растягивающее или сжимающее) в стержне, который соединяется МЗП.
  • R — расчетная несущая способность соединения на 1 см² площади поверхности МЗП. Это значение определяется по результатам испытаний и зависит от типа МЗП, породы древесины и направления волокон.
  • F — расчетная площадь поверхности МЗП с одной стороны стыка, входящая в расчет (с учетом зоны действия зубьев).

  Это условие гарантирует, что суммарная несущая способность МЗП с двух сторон соединения превысит действующее усилие.

Особенности учета напряжений:
Важно отметить, что напряжения и деформации в деревянных конструкциях, возникающие от изменения температуры древесины, а также от усушки или разбухания древесины вдоль волокон, при расчетах учитывать не следует. Это связано с тем, что эти воздействия, как правило, не создают значительных внутренних напряжений, способных привести к исчерпанию несущей способности или нарушению нормальной эксплуатации, особенно при соблюдении требований к влажности и качеству склеивания.

Особенности проектирования большепролетных конструкций и опорных узлов

Проектирование большепролетных деревянных конструкций и их опорных узлов требует особого внимания, поскольку они подвергаются значительным нагрузкам и могут испытывать специфические деформации.

Подвижные опоры для большепролетных конструкций:
При пролетах деревянных безраспорных конструкций (например, балок или арок без затяжек) более 30 метров, необходимо предусматривать одну из опор подвижной. Это делается для компенсации температурных деформаций и деформаций, вызванных изменением влажности древесины. Если обе опоры будут жестко закреплены, то при расширении или сжатии конструкции в ней возникнут значительные продольные усилия, которые могут привести к разрушению или потере устойчивости. Подвижность опоры может быть обеспечена, например, с использованием антифрикционных прокладок (из фторопласта, полиэтилена высокой плотности) или катковых опор, которые позволяют конструкции свободно перемещаться в горизонтальном направлении.

Насколько важен этот аспект? Игнорирование температурных и влажностных деформаций в большепролетных конструкциях приводит к возникновению нерасчетных напряжений, способных спровоцировать преждевременное разрушение или значительное снижение несущей способности, что делает устройство подвижных опор обязательным условием надежности.

Усиление опорных узлов при смятии:
Опорные узлы КДК являются одними из наиболее нагруженных элементов, где происходит передача вертикальных сил от вышележащих конструкций на опоры. Древесина, особенно поперек волокон, имеет относительно низкое сопротивление смятию. Если требуемую длину площадки опирания (чтобы распределить нагрузку на большую площадь и снизить удельное давление) невозможно обеспечить конструктивно (например, из-за ограниченных габаритов опоры), необходимо применять специальные меры по усилению опорной площадки.

Согласно СП 64.13330 «Деревянные конструкции», одним из эффективных методов является вклеивание поперечных стальных стержней. Эти стержни, ориентированные перпендикулярно направлению основных сжимающих сил, работают на растяжение и сдвиг, распределяя нагрузку на большую глубину и предотвращая локальное смятие древесины. Альтернативным методом, предписанным СП 299.1325800 «Конструкции деревянные. Расчетные характеристики и методы расчета», является вкручивание винтов или саморезов с крупной резьбой в опорную зону. Эти винты также повышают сопротивление смятию и предотвращают расслоение древесины под нагрузкой, обеспечивая дополнительную жесткость и прочность узла.

Детализация узловых соединений в КДК: Типы, конструирование и расчет

Классификация и общие принципы конструирования узлов

Узловые соединения являются критически важными элементами любых строительных конструкций, и КДК не исключение. От правильного выбора типа соединения, его конструирования и расчета зависит общая несущая способность, жесткость и долговечность всей системы. Примеры расчетов наиболее часто применяемых узлов, элементов и соединений деревянных конструкций подробно изложены в специализированных учебниках и пособиях по деревянным конструкциям.

В КДК можно выделить несколько основных типов узловых соединений, каждый из которых имеет свои особенности:

1. Клеевые соединения: Это наиболее «монолитный» тип соединений, где элементы соединяются непосредственно клеем, часто с использованием зубчатого шипа. Такие соединения, при правильном исполнении, являются жесткими, что означает, что они способны передавать не только продольные и поперечные силы, но и изгибающие моменты с минимальными деформациями. Они обеспечивают высокую прочность и исключают появление зазоров, характерных для механических соединений.
2. Соединения на врубках: Исторически традиционные для деревянного зодчества, врубки (например, ласточкин хвост, прямой врубка) заключаются в непосредственном контакте древесины. Однако в современных КДК они часто являются податливым местом и требуют дополнительного крепления. Это связано с тем, что врубки работают преимущественно на смятие и сдвиг по древесине, которая обладает относительно низкой прочностью поперек волокон. Для обеспечения надежности такие соединения практически всегда усиливаются металлическими крепежными элементами – болтами, гвоздями, скобами или нагелями.
3. Соединения на цилиндрических нагелях: Включают в себя использование болтов, шпилек, шурупов, гвоздей или стальных нагелей. Эти элементы работают преимущественно на сдвиг, передавая усилия от одного деревянного элемента к другому через срезающие усилия в нагеле и смятие древесины под ним. Такие соединения, как правило, являются податливыми, поскольку неизбежны небольшие деформации (продавливание) древесины под крепежом, что влияет на общую жесткость конструкции.
4. Соединения на пластинчатых нагелях: Применяются для соединения элементов в композитных конструкциях, работающих на изгиб или сжатие с изгибом. Это могут быть стальные пластины, вбиваемые в торец или пласть древесины, или специальные зубчатые пластины (МЗП).
5. Соединения на вклеенных стержнях: Это один из наиболее современных и эффективных типов соединений для КДК, который будет подробно рассмотрен далее.

Принципы конструирования узлов включают обеспечение достаточного зазора для монтажа, защиту от влаги, учет направления волокон древесины и возможность визуального контроля.

Соединения на вклеенных стержнях: Конструкция и особенности расчета

Соединения на вклеенных стержнях представляют собой одну из наиболее универсальных и высокоэффективных технологий для КДК, особенно в ответственных и большепролетных конструкциях. Они позволяют создавать прочные и жесткие узлы, минимизируя концентрацию напряжений и максимально используя несущую способность как древесины, так и стали.

Конструкция и применение:
Данный тип соединений является универсальным и наиболее часто используется в клееных конструкциях для конструктивного усиления изгибаемых и сжато-изгибаемых элементов, а также для создания высокопрочных узлов сопряжения. В качестве вклеиваемых стержней используется стальная арматура периодического профиля (для лучшего сцепления с клеем) классов А300–А400 (по современным стандартам это классы А400, А500) диаметром от 14 до 25 мм, хотя в некоторых случаях могут применяться стержни диаметром до 32 мм.

Стержни вклеиваются в предварительно просверленные отверстия в деревянном элементе под углом 30–45° к волокнам древесины. Такой угол обеспечивает оптимальное распределение напряжений и предотвращает локальное расслоение древесины. В качестве клея, как правило, применяются эпоксидные составы, которые обеспечивают высокую адгезию к стали и древесине, а также высокую прочность и долговечность клеевого шва. Глубина вклеивания стержня является критическим параметром и должна составлять не менее 10 и не более 30 диаметров стержня, чтобы обеспечить эффективное распределение усилий и предотвратить как выдергивание, так и излишнее ослабление сечения.

Особенности расчета:
Методы расчета клееных деревянных конструкций на вклеенных стержнях подробно регламентируются СП 382.1325800.2017 «Конструкции деревянные клееные на вклеенных стержнях. Методы расчета».

Пример расчета несущей способности:
Расчетная несущая способность вклеенного стержня определяется из условия его прочности и прочности клеевого соединения. Для стальной арматуры класса А400 расчетное сопротивление растяжению (R_a) составляет 375 МПа.

Расчетная несущая способность одного стержня по условию прочности на растяжение (T_a) определяется по формуле:

Ta = Fa ⋅ Ra

Где:

• T_a — расчетная несущая способность одного стержня по условию прочности на растяжение, в МН.
• F_a — площадь сечения стержня, в м².
• R_a — расчетное сопротивление растяжению арматурной стали, в МПа (для А400, R_a = 375 МПа).

Пример: Для стержня диаметром 20 мм (0,02 м) площадь сечения F_a = π ⋅ (0,02/2)² ≈ 0,000314 м².
Тогда T_a = 0,000314 м² ⋅ 375 МПа = 0,000314 м² ⋅ 375 ⋅ 10⁶ Па ≈ 117 750 Н ≈ 0,117 МН.

Важно отметить: Общая несущая способность вклеенного стержня определяется как меньшее значение из:

1. Прочности клеевого шва: на выдергивание (для растянутых стержней) или на продавливание/смятие (для сжатых стержней).
2. Прочности материала самого стержня: на растяжение или сжатие.

Применение соединений на вклеенных стержнях, работающих как на выдергивание (растяжение), так и на продавливание (сжатие), допускается в условиях эксплуатации, когда температура окружающего воздуха не превышает 35 °С. Это ограничение связано с теплостойкостью клеевых составов, которые могут терять свои прочностные характеристики при более высоких температурах.

Металлические зубчатые пластины (МЗП), упомянутые ранее, также имеют свои расчетные характеристики при растяжении (R_р) и срезе (R_ср), которые зависят от угла α между направлением усилия и осью пластин и определяются по результатам испытаний.

Эффективные методы защиты КДК от негативных воздействий: Био-, влаго- и огнезащита

Деревянные конструкции, несмотря на все свои преимущества, подвержены ряду негативных воздействий, таких как влага, биологическое разрушение и огонь. Комплексный подход к защите клееных деревянных конструкций (КДК) является обязательным условием их долговечности и безопасности.

Комплексная защита от влаги и биологического разрушения

Влага является одним из главных врагов древесины, создавая условия для развития грибков, плесени и насекомых-древоточцев. Поэтому меры по обеспечению долговечности КДК начинаются с предотвращения их непосредственного увлажнения.

Ключевые меры по влаго- и биозащите:

1. Предотвращение прямого увлажнения:
   • Атмосферные осадки: Тщательное проектирование крыш, водосточных систем, свесов, а та��же применение гидроизоляционных материалов для внешних поверхностей.
   • Грунтовые и талые воды: Эффективная гидроизоляция фундаментов, дренажные системы, высокий цоколь.
   • Эксплуатационные и производственные воды: Защита конструкций в зонах возможного контакта с водой внутри здания (ванные комнаты, производственные цеха с мокрыми процессами).
2. Обеспечение вентиляции: Покрытия с деревянными конструкциями должны быть обязательно вентилируемыми. Это предотвращает накопление влаги и конденсата, способствует быстрому высыханию древесины. Доступность конструкций для периодического осмотра и ремонтно-профилактических работ также крайне важна.
3. Исключение «мостиков холода»: Тщательная теплоизоляция и герметизация стыков предотвращают образование конденсата внутри конструкций, который может привести к увлажнению древесины и последующему гниению.
4. Контроль влажности древесины: В условиях эксплуатации 2, 3 и 4 (характеризующихся умеренной и повышенной влажностью, где усушка древесины не вызывает расстройства или увеличения податливости соединений) допускается применять древесину с влажностью до 40%, но при этом обязательным условием является ее защита от гниения с помощью антисептических пропиток.
5. Применение защитных составов: Лаки и пропитки, помимо огнезащиты, часто содержат биоцидные компоненты, обеспечивая комплексную защиту от гниения, насекомых и атмосферных осадков.

Огнезащита КДК: Методы, материалы и количественные показатели

Огнезащита деревянных строительных конструкций является критически важным аспектом, обеспечивающим безопасность зданий и сооружений. Она осуществляется двумя основными способами:

1. Конструктивные способы: Это физическое разделение древесины от огня с помощью облицовки теплоизоляционными материалами (например, гипсокартоном, минеральной ватой), устройства огнестойких экранов и противопожарных перегородок.
2. Применение специальных огнезащитных составов: Для обработки поверхности древесины используются различные типы составов:
   • Пасты и мастики: Толстослойные покрытия, образующие при нагревании защитный слой.
   • Краски и лаки: Образуют пленку на поверхности, которая при пожаре вспучивается, создавая теплоизолирующий слой. Для КДК рекомендуется применять именно вспучивающиеся огнезащитные составы и антипирены.
   • Пропитки: Глубоко проникают в структуру древесины, изменяя ее химический состав и снижая горючесть.

Количественные показатели огнестойкости:

Клееная древесина, обработанная антипиринами, демонстрирует повышенную устойчивость к огню. Это характеризуется не только ее способностью выдерживать высокие температуры, но и специфическим поведением при горении:

• Низкая скорость обугливания: Древесина обугливается с относительно низкой и предсказуемой скоростью, что позволяет рассчитать необходимое сечение элемента для обеспечения требуемого предела огнестойкости. Для клееной древесины скорость обугливания составляет приблизительно 0,7 мм/мин (согласно итальянскому стандарту UNI 9504), тогда как для цельной древесины этот показатель может достигать 0,9 мм/мин. В зависимости от наименьшего размера сечения, скорость обугливания КДК может варьироваться от 1,1 до 1,3 мм/мин. Это означает, что обуглившийся слой действует как естественный теплоизолятор, защищая внутренние, необожженные слои от быстрого разрушения.
• Низкая теплопроводность огнезащищенной древесины: Специальные огнезащитные составы, особенно вспучивающиеся, при воздействии высоких температур образуют на поверхности древесины вспененный слой пористого угля и/или слой кокса. Эти слои действуют как мощные теплоизолирующие барьеры, значительно замедляя передачу тепла вглубь конструкции и тем самым повышая ее огнестойкость.

Выбор конкретных способов огнезащиты зависит от таких параметров, как горючесть, воспламеняемость, скорость распространения огня по поверхности, дымообразующие свойства и токсичность строительных материалов, что регламентируется соответствующими нормативными документами.

Нормативные требования и периодичность огнезащитной обработки

Огнезащитная обработка деревянных конструкций в России строго регламентируется рядом нормативных документов:

• Федеральный Закон №123-ФЗ «Технический регламент о требованиях пожарной безопасности» (статья 52), который устанавливает общие требования к пожарной безопасности зданий, сооружений и материалов.
• НПБ 251 «Огнезащитные составы для древесины. Общие технические требования. Методы испытаний. Правила приемки и маркировки».
• ГОСТ Р 53292.2009 «Огнезащитные составы и вещества для древесины и материалов на ее основе. Общие требования. Методы испытаний».

Периодичность возобновления огнезащитной обработки:

Согласно этим документам, необходимо периодически возобновлять защиту деревянных конструкций или их элементов огнезащитными составами по истечении установленного срока их действия.

• Срок действия: Зависит от конкретного типа используемого состава и рекомендаций производителя. Производитель обязан указать этот срок в сопроводительной документации.
• Стандартная периодичность: Если производитель не указывает срок службы, то, согласно нормативам (например, ПП №390 и ГОСТ Р 53292.2009, с изменениями 2014 года), стандартная периодичность проверки и, при необходимости, возобновления огнезащитной обработки составляет 1 год. Ранее этот срок мог быть 2 года, но актуальные требования ужесточены.
• Типичные сроки службы для различных составов:
  • Огнезащитные краски и лаки: от 3 до 10 лет.
  • Пропитки для древесины: до 15 лет.
  • Вспучивающиеся покрытия: до 20 лет.
  • Огнезащитные мастики: до 30 лет.
• Особые случаи: Для деревянных конструкций кровли и чердачных помещений периодичность может составлять 3 года, для мансард — 5 лет.

Вне зависимости от указанного срока, необходимо проводить регулярные проверки состояния огнезащитного слоя (не реже одного раза в год). При обнаружении повреждений, отслоений или других нарушений целостности огнезащитного покрытия, его восстановление требуется немедленно.

Современные тенденции, инновации и перспективы развития КДК в России

Инновационные разработки и технологии производства

Рынок клееных деревянных конструкций в России находится на этапе активного развития, движимого как внутренними потребностями, так и мировыми тенденциями в области устойчивого строительства. Инновации затрагивают как сами материалы, так и технологии их производства и применения.

Среди наиболее значимых отечественных разработок выделяется система крупноблочного домостроения из клееной древесины (ДКБД). Эта система, разрабатываемая ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко (АО «НИЦ «Строительство»), представляет собой принципиально новый подход к строительству жилых и других зданий. ДКБД ориентирована на эффективное использование российских производственных мощностей, минимизацию импортозависимости и создание дополнительного резерва для малоэтажного и многоэтажного каркасного домостроения. Ее суть заключается в производстве на заводе крупных, полностью готовых элементов (стен, перекрытий), которые затем быстро монтируются на строительной площадке.

Параллельно проводятся активные исследования, направленные на расширение области применения и улучшение характеристик КДК:

• Исследования LVL-бруса: Ведутся работы по изучению прочностных и упругих характеристик клееного многослойного бруса из шпона (LVL) при длительном действии нагрузок. Эти исследования позволяют более точно прогнозировать поведение материала в сложных условиях эксплуатации и оптимизировать его применение.
• Новые материалы: Определяются нормативные значения прочностных и упругих характеристик древесных плит с ориентированной стружкой (ОСП/OSB) и других материалов на основе древесины, что способствует их интеграции в состав КДК и развитию композитных решений.
• Стандартизация: Разрабатываются новые государственные стандарты (ГОСТы), касающиеся общих технических условий для деревянных конструкций из массивной древесины и, что особенно важно, для плит перекрытий из перекрестно клееной древесины (CLT) для жилых и общественных зданий. Это крайне важный шаг для легализации и широкого внедрения CLT-технологий в российском строительстве.

Инновационные методы обработки и производства:
Помимо разработок на уровне материалов и систем, активно внедряются новые методы обработки древесины и совершенствуются производственные процессы. Например, химико-термическая обработка позволяет модифицировать древесину таким образом, что ее можно использовать даже для 3D-печати, открывая путь к созданию уникальных архитектурных форм и сложных элементов. Российские производители КДК активно инвестируют в модернизацию, внедряя современное высокоточное европейское оборудование ведущих фирм, таких как MINDA, RAUTE, KRUSI, REX, WEINIG, Akzo Nobel, STRAIF. Это обеспечивает высокую точность обработки, эффективность производства и позволяет выпускать продукцию, соответствующую мировым стандартам качества.

Рыночные тенденции и прогнозы роста КДК в России

Мировые прогнозы указывают на значительный рост рынка клееной древесины. Например, в Северной Америке ожидается ежегодный рост рынка CLT, балок и бруса примерно на 15,5% в ближайшие семь лет. Россия не остается в стороне от этого тренда.

Ключевые рыночные тенденции и прогнозы для России:

• Стабильный рост рынка клееного бруса: В последние несколько лет на российском рынке клееного бруса наблюдается стабильный рост на уровне 7–10% в год. Это свидетельствует о растущем спросе и доверии к этому материалу.
• Прогноз роста деревянного домостроения: Эксперты прогнозируют, что к 2030 году рынок деревянного домостроения в России вырастет в полтора раза. Это амбициозная, но вполне реалистичная цель, учитывая государственную поддержку и растущую популярность экологичного строительства.
• Увеличение доли деревянных домов в ИЖС:
  • В 2023 году доля деревянных домов в индивидуальном жилищном строительстве (ИЖС) составила 40%, что эквивалентно примерно 20 млн м².
  • Прогнозируется, что к 2028 году эта доля может вырасти до 47%, достигнув объема в 27 млн м².
  • Особенно заметен рост в сегменте панельных домов (включая CLT): их доля увеличилась на 7% за последнее десятилетие, достигнув 46% от всех деревянных конструкций в ИЖС. Ожидается, что к 2025 году этот показатель может достичь 50%.
• Замещение традиционных материалов: Массивная и клееная древесина постепенно рассматривается как полноценная альтернатива традиционным строительным материалам, таким как бетон и сталь, особенно в контексте требований к энергоэффективности и экологичности.
• 2025 год — переломный момент: В настоящее время (конец 2025 года) наблюдается подтверждение прогнозов, что текущий год станет переломным моментом для отрасли, благодаря внедрению новых методов обработки древесины и инженерных решений, которые повышают эффективность производства и снижают затраты.
• Прогноз Минстроя: Министерство строительства РФ прогнозирует, что к 2030 году каждая пятая единица нового жилья в стране будет строиться из древесины, что подчеркивает стратегическое значение развития отрасли.

Государственная поддержка и проекты многоэтажного деревянного строительства

Государство играет ключевую роль в стимулировании развития деревянного домостроения в России, осознавая его потенциал для экономики, экологии и социальной сферы.

Ключевые государственные инициативы и программы поддержки:

1. «План мероприятий по поддержке и развитию спроса на продукцию деревянного домостроения» Минстроя России: Этот план предусматривает:
   • Введение квот (до 10% на начальном этапе) на использование деревянных конструкций в государственных проектах строительства объектов социальной инфраструктуры. Это касается фельдшерско-акушерских пунктов (ФАПы), небольших школ, детских садов, участковых пунктов полиции и сельскохозяйственных объектов. Такая мера призвана гарантировать стабильный спрос на продукцию КДК.
2. Программа поддержки деревянного домостроения Правительства России (через Минпромторг): В рамках этой программы:
   • Организован конкурс для производителей готовых деревянных домов на получение государственного финансирования для дисконтных программ.
   • Предусмотрены государственные субсидии до 350 000 рублей для граждан, приобретающих домокомплекты заводского изготовления. Эта субсидия компенсирует 10% первоначального взноса по кредиту на покупку домокомплекта стоимостью до 3,5 млн рублей. Например, компания ТАМАК уже сертифицировала свою продукцию по программе, позволяя покупателям получить такую компенсацию.
3. «Дорожная карта» развития деревянного домостроения до 2024 года: Утвержденная Минстроем и МЧС России, эта дорожная карта направлена на широкое внедрение многоэтажного деревянного строительства (от 3 до 12 этажей) с использованием CLT, LVL и клееного бруса. Карта включает проведение научных исследований для обеспечения пожарной, механической и сейсмической безопасности таких зданий, а также подготовку пилотных проектов.

Примеры пилотных проектов многоэтажного деревянного строительства в России:

1. Четырехэтажные дома из CLT в Соколе, Вологодская область: В октябре 2022 года (Segezha Group) были введены в эксплуатацию два четырехэтажных дома, построенных с использованием CLT-конструкций. Этот проект стал первым российским опытом возведения многоэтажных деревянных зданий из CLT.
2. 16-квартирный многоэтажный дом из LVL в поселке Ложок, Новосибирская область: Компания «Талион Трейдинг» (использующая материал Ultralam) завершила строительство этого здания с деревянным каркасом из LVL-бруса примерно в июне 2022 года, демонстрируя возможности материала в многоквартирном строительстве.
3. Планы по строительству девятиэтажного дома из КЛБ (кросс-ламинированного бруса) в Санкт-Петербурге: Этот проект находится в стадии разработки и демонстрирует растущие амбиции в освоении высотного деревянного строительства.

Помимо жилищного строительства, КДК имеют значительный потенциал для использования в благоустройстве (объем до 100 тыс. м³) и в сельском хозяйстве (объем до 300 тыс. м³). Существует также перспектива широкого применения дерева в строительстве общественных объектов, таких как ФАПы, почтовые отделения, участковые пункты полиции, магазины, административные здания и детские сады, что подтверждает статус КДК как универсального и перспективного материала для устойчивого развития строительной отрасли.

Заключение

Клееные деревянные конструкции, органично сочетающие в себе природные преимущества древесины с передовыми инженерными и технологическими решениями, по праву занимают центральное место в современной строительной индустрии. Проведенное исследование позволило глубоко проанализировать весь спектр аспектов, связанных с КДК: от тонкостей их производства и фундаментальных физико-механических свойств до сложнейших вопросов проектирования, расчета узловых соединений и эффективных методов защиты.

Мы убедились, что КДК обладают рядом неоспоримых преимуществ: они легче, прочнее и стабильнее традиционной древесины, демонстрируют повышенную водо-, био- и огнестойкость благодаря инновационным клеевым составам и методам обработки. Особое внимание уделено LVL-брусу, чьи выдающиеся характеристики открывают новые горизонты для большепролетных и ответственных конструкций. Детализированный обзор узловых соединений, в частности, на вклеенных стержнях, с конкретными формулами и параметрами расчета, позволил восполнить пробелы в стандартных академических материалах. Количественные показатели огнезащиты, включающие скорость обугливания и сроки службы огнезащитных составов, дают четкое представление об их эффективности и требованиях к эксплуатации.

Рынок КДК в России демонстрирует устойчивый рост, подкрепленный активной государственной поддержкой и амбициозными проектами многоэтажного деревянного строительства. Инновационные разработки, такие как система крупноблочного домостроения ДКБД, и внедрение передовых технологий производства, подтверждают стратегическую важность развития этой отрасли для нашей страны.

Что же это означает для будущего? Это прямо указывает на то, что КДК не только сохранят, но и значительно усилят свои позиции на строительном рынке, став ключевым элементом для создания экологичных и долговечных зданий.

Таким образом, клееные деревянные конструкции представляют собой не просто строительный материал, а целую философию устойчивого, энергоэффективного и эстетически привлекательного строительства. Дальнейшие научные исследования, технологические инновации и последовательная государственная поддержка будут способствовать еще более широкому внедрению КДК, укрепляя их роль как одного из ключевых элементов будущего строительной индустрии.

Список использованной литературы

1. СНиП II-25-80 (1988). Деревянные конструкции. М.: Стройиздат, 1980.
2. СНиП 2.01.07-85 (2003). Нагрузки и воздействия. М.: Стройиздат, 1985.
3. Шмидт, А. Б., Халтурин, Ю. В., Пантюшина, Л. Н. 15 примеров расчета деревянных конструкций: учебное пособие для курсовых и дипломных проектов. Барнаул, 1997.
4. Серов, Е. Н. Проектирование деревянных конструкций. 2011.
5. Конструкции из дерева и пластмасс. Примеры расчета и конструирования: издание третье, переработанное и дополненное / под редакцией профессора В. А. Иванова. Киев: Головное издательство издательского объединения «Вища школа», 1981.
6. Шмидт, А. Б., Дмитриев, П. А. Атлас строительных конструкций из клееной древесины и водостойкой фанеры. М.: Изд-во Ассоциации строительных вузов, 2002.
7. ГОСТ 3916.1-96. Фанера общего назначения с наружными слоями из шпона лиственных пород.
8. ГОСТ 22950-95. Плиты минераловатные повышенной жесткости на синтетическом связующем.
9. Конструкции из дерева и пластмасс / под ред. Г. Г. Кралсена и Ю. В. Слицкоухова. М.: Стройиздат, 1986. 544 с.
10. Зубарев, Г. Н., Бойтемиров, Ф. А., Головина, В. М. и др. Конструкции из дерева и пластмасс: учеб. пособие для студ. вузов / под ред. Ю. Н. Хромца. 3-е изд., перераб. и доп. М.: Издательский центр «Академия», 2004. 304 с.
11. СП 63.13330.2012. Железобетонные конструкции. Актуализированная версия СНиП 52-01-2003. М., 2011.
12. Пособие по проектированию деревянных конструкций (к СНиП II-25-80) / ЦНИИСК им. Кучеренко. М.: Стройиздат, 1986. 216 с.
13. ГОСТ 30972-2002. Заготовки и детали деревянные клееные для оконных и дверных блоков. Технические условия.
14. ГОСТ 20850-84. Конструкции деревянные клееные. Общие технические условия.
15. СП 64.13330.2017. Деревянные конструкции. Актуализированная редакция СНиП II-25-80 (с Изменениями N 1-4 ред. от 28.12.2023).
16. Калугин, А. В. Деревянные конструкции. 2003.
17. Серов, Е. Н. Проектирование деревянных конструкций. Литрес.
18. Руководство по проектированию клееных деревянных конструкций. ЦНИИСК, 1977.