СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПЛИТООБРАЗНЫХ КОНСТРУКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
METHOD TO MANUFACTURE PLATE-LIKE STRUCTURAL ELEMENTS

Изобретение относится к способу изготовления плитообразных конструктивных элементов, содержащих, по меньшей мере, три расположенных параллельно плоскости конструктивного элемента слоя досок, которые соединены друг с другом без использования клея с помощью дюбелей, которые проходят по существу поперек плоскости конструктивного элемента, при этом сначала располагают несколько слоев досок друг над другом с различной ориентацией, выполняют несколько проходящих сквозь слои отверстий в этих досках, а затем запрессовывают в отверстия дюбели.
Известно соединение деревянных конструктивных элементов с помощью дюбелей, при этом в этой связи можно изготавливать состоящие из одного материала стеновые элементы или т.п., то есть соединение отдельных элементов друг с другом происходит посредством соединения с фрикционным замыканием конструктивных элементов с помощью дюбелей. Примеры стеновых элементов, которые изготовлены таким образом, даны в ЕР 1097032 А или ЕР 1381740 А заявителя. Если при соединении дюбелями не применяется клей, как это требуется для экологически безупречных конструктивных элементов, то необходимо создавать соответствующие удерживающие силы за счет соединения с фрикционным замыканием между дюбелями и конструктивными элементами, из которых выполнены конструктивные элементы. Это осуществляется известным образом посредством применения дюбелей, которые имеют диаметр, который больше диаметра отверстия, предназначенного для размещения дюбеля. Однако забивание, соответственно, запрессовка таких дюбелей имеет пределы. Другая возможность улучшения соединения с фрикционным замыканием состоит в том, что в торцевые стороны дюбелей забивают клинья или т.п. Однако это имеет тот недостаток, что соединение с фрикционным замыканием в этом случае улучшается не по всей длине дюбеля, а лишь в зоне клиньев. Другой недостаток состоит в том, что при обработке поверхности, которая приводит к уменьшению толщины конструктивного элемента, удаляются особенно способные нести нагрузку части дюбеля, за счет чего ухудшается качество соединения.
Из публикации “Innovationen in Holz” в “Forum Planen Juni 2003” известно изготовление деревянных элементов посредством соединения с помощью дюбелей, причем дюбели перед введением сжимают в радиальном направлении. При этом дюбели запрессовываются с вращением в конически сужающееся отверстие, так что возможно имеющиеся желобки для клея максимально сглаживаются. Хотя с помощью такого дюбеля можно улучшать удерживание даже при изменениях влажности конструктивного элемента, однако достигаемая защита не является достаточной для всех применений.
В US 4474493 А показан дюбель для выполнения соединений между конструктивными элементами со спирально расположенной прорезью. С помощью такого дюбеля невозможно, как правило, изготавливать состоящие из одного материала конструктивные элементы. Кроме того, передаваемые такими дюбелями силы ограничены.
В JP 2000-064436 показан дюбель, который перед введением сжимают и который после этого увеличивает свой объем за счет приема влаги. Для обеспечения надежного удерживания необходимо выполнять относительно сильное сжатие, которое при неблагоприятных обстоятельствах приводит к повреждению конструктивных элементов.
В DE 29918118 А показан деревянный конструктивный элемент, который соединен с помощью дюбелей, которые расположены параллельно плоскости плиты. При наличии нагрузки на изгиб возникающие в конструктивном элементе напряжения растяжения в наиболее неблагоприятном случае воспринимаются лишь дюбелями. Поэтому такой конструктивный элемент можно нагружать лишь незначительно.
Из SU 1025831 А известно решение, при котором отдельные доски расположены перпендикулярно плоскости штабеля из досок. Дюбели служат для сохранения выполненного натяжения. При этом дюбели нагружаются на срез. Выполненные таким образом конструктивные элементы пригодны, прежде всего, в качестве балок, а не в качестве плоских конструктивных элементов.
Задачей данного изобретения является такое усовершенствование способа указанного выше вида, что создается прочный и сильно нагружаемый конструктивный элемент, который не чувствителен к различным влияниям влажности и имеет высокие теплоизоляционные свойства и высокую непроницаемость.
Согласно изобретению предусмотрено, что слои досок во время забивания дюбелей стягивают друг с другом за счет приложения сил сжатия и что дюбели предпочтительно перед забиванием сжимают в радиальном направлении. Досками в смысле данного изобретения называются деревянные элементы, которые пригодны для соединения в плитообразные конструктивные элементы, т.е. также деревянные элементы, которые обычно называются стойками. Существенным в данном изобретении является то, что отдельные доски, по меньшей мере, во время соединения с помощью дюбелей не только удерживаются в своем положении, но также стягиваются друг с другом в осевом направлении, т.е. перпендикулярно плоскости плиты. Это стягивание вызывает определенную деформацию досок в направлении толщины, что приводит к сохранению состояния напряжения после забивания дюбелей. Когда в этом случае между отдельными слоями конструктивного элемента возникают силы среза, как это имеет место, например, при нагрузке на изгиб или при возникновении срезывающих усилий в плоскости плиты, которые приводят к параллелограммному сдвигу элемента, то эти срезывающие усилия первично воспринимаются не дюбелями через геометрическое замыкание, а в значительной мере силами трения между отдельными слоями, которые вызываются вследствие состояний внутреннего напряжения. Таким образом, срезывающие усилия распределяются по большой поверхности, и значительно улучшается нагружаемость и жесткость конструктивного элемента.
Сжатие деревянного дюбеля можно осуществлять, например, с помощью трех сдвинутых относительно друг другу на 120° прижимных роликов. При этом предусмотрено, что, по меньшей мере, три профилированных приводных ролика расположены, по меньшей мере, приблизительно одинаково вокруг окружности цилиндрической пространственной зоны для размещения дюбеля, при этом приводные ролики установлены каждый с возможностью вращения вокруг оси, и эти оси расположены со скрещиванием с осью цилиндрической пространственной зоны и в перпендикулярной ей плоскости.
Механическое уплотнение достигается в этом случае за счет того, что фрезерованный дюбель проходит через пресс, в котором расположены три или более прижимных роликов с вогнутым профилем, при этом прижимные ролики сжимают дюбель в направлении диаметра. Профиль может быть в поперечном сечении полукруглым или же параболическим. Радиус кривизны, измеренный в верхней точке профиля, должен соответствовать радиусу сжимаемого дюбеля.
Стягивание досок в указанном выше смысле необходимо во всяком случае во время соединения с помощью дюбелей локально в зоне соответствующего забиваемого дюбеля. Предпочтительно уже во время сверления выполнить определенное стягивание, чтобы больше не оказывать существенного влияния на геометрию просверленных отверстий перед соединением с помощью дюбелей. Однако вполне возможно прикладывать во время сверления по плоскости небольшое давление и усиливать стягивание в ходе забивания дюбелей. Это дополнительное стягивание можно осуществлять локально в зоне соответствующих подлежащих забиванию дюбелей, т.е. в зонах, в которых ожидается взаимное влияние.
Также нет необходимости в стягивании всего конструктивного элемента перед соединением с помощью дюбелей. Совершенно достаточно и предпочтительно, когда стягиваются лишь те зоны конструктивного элемента, в которых запрессовываются дюбели. Это уменьшает необходимые в целом силы и обеспечивает возможность быстрого выполнения работ.
Особенно предпочтительно, если прикладываемые к доскам силы сжатия вызывают плоскостное сжатие, которое, по меньшей мере, настолько велико, что отдельные доски смежных слоев прилегают друг к другу приблизительно плоско. Доски, которые применяются при изготовления конструктивных элементов, согласно изобретению, как правило, имеют не идеальную призматическую форму, а различным образом перекошены или изогнуты. В этой связи наблюдаются изгибы поперек направления волокон, винтообразное скручивание и нерегулярные коробления. Когда напряжение осуществляется настолько, что достигается плоское прилегание друг к другу отдельных досок, то вызывается необходимое состояние внутреннего напряжения конструктивного элемента за счет сил противодействия отдельных досок, которые стремятся к восстановлению первоначальной формы отдельных досок. Поэтому после забивания дюбелей они нагружаются в продольном направлении на растяжение и создают указанные выше силы сжатия. В этой связи также предпочтительно, что тем самым уже непосредственно после соединения с помощью дюбелей, т.е. в полуфабрикатном состоянии конструктивного элемента обеспечиваются относительно плоские наружные поверхности. Затем при окончательном изготовлении конструктивных элементов, при котором они стругаются для получения высокого качества поверхности и полностью плоской поверхности, требуется снятие материала в несколько миллиметров. Это не только ускоряет производственный процесс на основе сокращенной длительности процесса строгания, но также приводит к минимальному ослаблению верхних слоев. В противном случае при больших короблениях наружной поверхности были бы необходимы большие локальные степени снятия, которые могли приводить к значительному ослаблению верхних слоев.
В нормальном случае сжатие конструктивного элемента в направлении толщины составляет между 5 и 8% толщины элемента. При исходном материале очень высокого качества, который имеет лишь небольшие коробления, может быть достаточным также меньшие сжатия между 3 и 5%. И наоборот, при экстремально перекошенной древесине может быть необходимо уменьшение толщины 15% или больше.
Изготовление слоев, которые плоско прилегают друг к другу, имеет наряду со статичными преимуществами, которые указаны выше, также дополнительно то преимущество, что можно надежно исключать имеющие большой объем пустоты внутри конструктивных элементов, так что надежно исключается ухудшение теплоизоляционных свойств вследствие внутренних конвективных потоков.
Значительное увеличение передаваемых усилий можно обеспечивать за счет дополнительной упругой деформации в направлении толщины тем, что прикладываемые к доскам силы сжатия вызывают плоскостное сжатие, которое, по меньшей мере, вдвое превышает напряжение, необходимое для плоского прилегания друг к другу отдельных досок смежных слоев.
Другой существенный критерий необходимой силы стягивания задается тем, что общее усилие стягивания больше половины суммы всех сил, которые прикладываются для забивания дюбелей.
Обычно запрессовка дюбелей с диаметром 20 мм осуществляется с усилиями, которые составляют вплоть до 20 кН. При небольших требованиях к производственной скорости или при небольшом избыточном размере дюбелей могут быть достаточными также меньшие усилия. Было установлено, что напряжения растяжения дюбелей в готовом конструктивном элементе надежно обеспечиваются тогда, когда сумма приложенных по большой поверхности давлений и приложенных локально вокруг места забивания давлений составляет, по меньшей мере, половину этого усилия. Особенно предпочтительно, если стягивание больше усилий забивания дюбелей.
Было установлено, что является предпочтительным, если дюбели перед забиванием сжимают до размера, который немного больше поперечного сечения отверстий. При этом сила между дюбелями и окружающими досками состоит из двух составляющих, а именно, с одной стороны, силы, которая задается уже при забивании из разницы размеров и, с другой стороны, из силы растяжения, которая возникает, когда дюбель пытается расшириться из первоначально сжатого состояния.
Особенно предпочтительно, если дюбели перед забиванием опрыскивают смазочным материалом и/или активатором адгезии. В качестве такого смазывающего и активирующего адгезию средства применяют, например, казеин. В идеальном случае за счет опрыскивания дюбелей достигается, что облегчается забивание на основе уменьшенных сил трения, что увеличивается сцепление между дюбелем и досками в конечном состоянии и, прежде всего, что вызывается непосредственно после забивания дюбелей за счет повышенной влажности мгновенное набухание. Это приводит к тому, что конструктивный элемент можно больше нагружать непосредственно после соединения с помощью дюбелей и поэтому с ним легче обращаться в процессе производства. Однако в качестве альтернативного решения дюбели можно также вводить в отверстия сухими, что обеспечивает возможность упрощения процесса изготовления.
В особенно предпочтительно варианте выполнения изобретения предусмотрено, что при сверлении отверстий для размещения дюбелей применяют сверла с проходящим в продольном направлении промывочным каналом, через который во время сверления вводится промывочная среда, такая как, например, сжатый воздух. Для экономичного выполнения способа существенно выполнять большое число отверстий за небольшое время. Поскольку толщина конструктивных элементов может составлять до 400 мм и больше, то выполнение отверстий, в частности, когда это должно осуществляться за один проход, является проблематичным. При этом происходит забивание транспортировочных канавок спиральных сверл и сильное нагревание сверл, что оказывает отрицательное влияние на древесный материал в зоне отверстий. Это приводит к плохой посадке дюбелей. За счет ввода продувочной среды вдоль продольной оси сверла можно, с одной стороны, предотвращать забивание спиральных каналов, так что стружка надежно транспортируется наружу. Кроме того, за счет охлаждающего действия предотвращается отрицательное влияние на стенки отверстия.
Кроме того, данное изобретение относится к плитообразному конструктивному элементу, который состоит из нескольких слоев досок различной ориентации, которые соединены без использования клея с помощью дюбелей, которые проходят по существу поперек плоскости плиты.
Конструктивный элемент согласно изобретению не ограничивается тем, что все дюбели проходят точно перпендикулярно плоскости плиты. В различных случаях применения, таких как, например, при нагружаемых первично на изгиб элементах, которые могут применяться в зоне межэтажных перекрытий, может быть предпочтительным введение дюбелей в наклонном положении. В конструктивных элементах такого вида также обеспечиваются указанные выше преимущества.
Согласно изобретению предусмотрено, что дюбели в ненагруженном состоянии имеют напряжение растяжения в продольном направлении. Состояние внутреннего напряжения конструктивного элемента вызывает, как указывалось выше, значительное увеличение прочности, а также непроницаемости конструктивного элемента. Предпочтительно конструктивный элемент согласно изобретению характеризуется тем, что доски смежных слоев прижимаются друг к другу с помощью дюбелей приблизительно в плоском состоянии. При этом существенным является то, что это состояние приблизительно плоского прилегания друг к другу достигается даже тогда, когда доски перед обработкой ограничены не точно плоскими и параллельными поверхностями.
Кроме того, данное изобретение относится к устройству для изготовления конструктивного элемента указанного выше вида, содержащему сверла для выполнения отверстий, которые проходят по существу поперек плоскости плиты, и штампы для запрессовки дюбелей в отверстия.
2
2
2
2
2
Это устройство согласно изобретению характеризуется тем, что предусмотрены средства для сжатия конструктивных элементов в направлении оси отверстий. Сжатие может осуществляться, с одной стороны, в целом, т.е. по большой поверхности, посредством стягивания отдельных слоев массивных деревянных элементов конструктивного элемента, которые подлежат соединению с помощью дюбелей, с помощью соответствующих упругих зажимных элементов, с помощью прессовых балок поперек плоскости плиты. При этом типичные силы на единицу поверхности составляют между 5 Н/см и 30 Н/см. При этом было установлено, что особенно предпочтительно выполнять сжатие локально, т.е. в зоне вокруг дюбелей с повышенными давлениями сжатия. При этом типичные силы на единицу поверхности составляют между 30 Н/см и 200 Н/см и предпочтительно около 100 Н/см. Предпочтительно, если средства для сжатия конструктивных элементов выполнены в виде штампов, которые окружают соответствующие отверстия. Сжатие осуществляется, например, с помощью штампов с кольцеобразной поверхностью сжатия, которая прижимается центрально вокруг каждого отверстия к детали.
Оптимальное решение достигается с помощью комбинации этих обоих видов сжатия. За счет этого не только точно удерживаются отдельные подлежащие соединению части в желаемом положении, так что предотвращаются, например, коробления готового конструктивного элемента, но также существенно изменяется вид передачи усилий дюбелями. А именно, срезывающие усилия в плоскости поперек оси дюбелей передаются первично больше не через срезание дюбелей, а по существу за счет сил трения между отдельными слоями подлежащих соединению элементов, которые основаны на нормальных силах, вызываемых напряжениями растяжения в дюбелях.
Устройство согласно изобретению можно выполнять в различных видах. Наиболее предпочтительно оно характеризуется тем, что предусмотрен портал, на который опираются устройства для сверления и для запрессовки дюбелей. Отдельные конструктивные элементы шаг за шагом проводятся через портал и обрабатываются. В качестве альтернативного решения возможно также перемещать подвижный портал над конструктивными элементами. В качестве альтернативного решения или дополнительно к таким порталам возможно предусмотрение роботов, которые выполняют сверление и вдавливают дюбели. Так, например, особенно предпочтительно предусматривать в соединении с порталом роботы и вводить дюбели наклонно к нормальному направлению плоскости плиты.
Ниже приводится подробное пояснение изобретения на основе примеров выполнения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено:
фиг.1 - принципиальная конструкция плитообразного конструктивного элемента;
фиг.2 - схематичная конструкция устройства;
фиг.3 - деталь примера выполнения согласно фиг.2 и
фиг.4 - сверло в увеличенном масштабе.
Показанный на фиг.1 плитообразный конструктивный элемент состоит в целом из шести слоев досок 2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f, которые расположены с различной ориентацией друг к другу. Доски 2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f соединены друг с другом без использования клея с помощью дюбелей 3.
На фиг.2 показана принципиальная конструкция устройства согласно изобретению. На станине 6 расположена перемещаемая в продольном направлении тележка 7, на которую укладываются плитообразные конструктивные элементы 1. Над тележкой 7 закреплена в виде портала балка 8, которая опирается на колонны 9. На балке 8 установлены с одной стороны приспособления 10 для сверления и с другой стороны устройства для забивания дюбелей. Таким образом, обеспечивается возможность выполнения за небольшое количество рабочих ходов множества отверстий в конструктивном элементе 1. Обеспечивается также возможность одновременной запрессовки множества дюбелей в выполненные перед этим отверстия. Запрессовка осуществляется, например, пневматически с давлением 120 бар при диаметре дюбеля 20 мм.
Для обеспечения и улучшения без дополнительного клея соответствующей статичным требованиям прочности конструктивного элемента 1, который выполнен из массивных деревянных элементов, дюбели 3 перед механической запрессовкой в конструктивный элемент 1 механически сжимаются, так что они уменьшаются в своем диаметре на 2-20%. Такие дюбели 3 набухают после запрессовки в отверстия 5 конструктивного элемента 1 сильнее, чем обычные фрезерованные деревянные дюбели, даже когда они вводятся более сухими, чем древесина конструктивного элемента 1. Дополнительно к этому диаметр d отверстий 5 может быть выполнен меньше диаметра D дюбеля 3. Разница между диаметром D дюбеля 3 и диаметром d отверстий 5 может составлять до 20% диаметра d отверстий 5. Дюбели 3 запрессовываются с помощью машины в выполненные с меньшим диаметром отверстия 5.
Известно увеличение силового замыкания дюбелей 3 с окружающими деревянными слоями с помощью разницы влажности (технической предварительной сушки дюбелей 3). Этот эффект можно также применять в способе согласно изобретению. За счет этого обеспечивается экологическое, техническое и экономическое преимущество, состоящее в том, что можно отказаться от обычного покрывания дюбелей 3 синтетическим клеем или от механических вспомогательных мер, таких как расклинивание на торцевой стороне и т.д.
В любом случае можно для улучшения скользящей способности в процессе запрессовки напылять воду или для дополнительной статичной надежности также склеивающую жидкость. Состав этой жидкости может для обеспечения биологически безупречного продукта состоять из пищевых добавок. Однако предварительно сжатые дюбели можно также вводить сухими в конструктивный элемент 1.
Во время сверления и соединения с помощью дюбелей доски 2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f конструктивного элемента 1 прижимаются вниз с помощью натяжных элементов 16а, 16b и напрягаются. При этом устраняются возможные выпуклости и коробления или другие изгибы отдельных досок 2a, 2b, 2c, 2d, 2e, 2f и создается приблизительно плоский слой. Напряжение снимается лишь после забивания дюбелей 3.
На фиг.3 показано, что средства для напряжения выполнены, с одной стороны, в виде прессовых балок 16а для сжатия по большой поверхности и, с другой стороны, в виде кольцеобразных штампов 17а. Кольцеобразные штампы 17а расположены концентрично вокруг подлежащих выполнению отверстий 5 и обеспечивают в этой критичной зоне особенно хорошее напряжение в направлении стрелок 18. Позициями 16b и 17b обозначены соответствующие контрупоры, которые могут быть также интегрированы в стол 7.
На фиг.4 показано сверло 26, которое особенно пригодно для применения в устройстве согласно изобретению. Сверло 26 выполнено само по себе в виде обычного спирального сверла, однако имеет проходящий в продольном направлении промывочный канал 27, который на вершине сверла открыт спереди в виде отверстия 28. Таким образом, можно вдувать спереди жидкое или газообразное промывочное средство, которое охлаждает сверло и транспортирует наружу стружку.
С помощью способа согласно изобретению и устройства согласно изобретению можно просто и экономично изготавливать конструктивные элементы большой прочности.