Разработка методики определения эксплуатационных параметров клееного бруса

ДЕРЕВООБРАБОТКА

С увеличением толщины и ширины осиновых и сосновых заготовок прочность на скалывание вдоль волокон уменьшается. Это обусловлено влиянием масштабного фактора, то есть уменьшением прочности с увеличением размеров образцов. При уменьшении толщины сосновых и осиновых заготовок процент расслаивания уменьшается. Так как чем тоньше слои, тем меньше проявляют себя внутренние напряжения, являющиеся следствием естественной разницы в усушке и разбухании отдельных слоев. Причем наибольшее влияние на прочность и расслаивание оказывает толщина осиновых заготовок.

Максимального предела прочности на скалывание вдоль волокон и минимального процента расслаивания можно достигнуть при минимальных значениях толщины заготовок сосны (26 мм) и осины (26 мм) и минимальном значении ширины заготовки (100 мм). Это позволяет рекомендовать применение осиновых заготовок в тонких наружных слоях ограждающих конструкций, т.к. известно, что осина является более устойчивой к атмосферным воздействиям, чем сосна. Окончательный выбор толщины сечений может быть сделан после выполнения экономических расчетов, то есть критерием выбора яв-

ляется не только оптимизация нормируемых показателей качества комбинированных клееных конструкций, но и экономическая эффективность предлагаемого варианта.

Результаты проведенных исследований доказывают возможность эффективного использования осины в производстве деревянных клееных конструкций, что в свою очередь позволяет расширить сырьевую базу предприятий по изготовлению деталей для деревянного домостроения.

Библиографический список

1. Онегин, В.И. Особенности свойств осинового шпона и технологии его склеивания / В.И. Онегин и др. // Деревообрабатывающая промышленность.

- 2002. - № 3. - С. 10-12.

2. Шереметьева, Т.В. Теоретическое обоснование производства клееных конструкций с применением мягколиственных пород / Т.В. Шереметьева // Актуальные проблемы лесного комплекса: сб. науч. тр. по итогам междунар. науч.-тех. конф.

- Брянск: БГИТА, 2007. - Вып. 18. - С. 160-162.

3. Ковальчук, Л.М. Производство клееных деревянных конструкций / Л.М. Ковальчук. - М.: Лесная пром-сть, 1987. - 248 с.

4. Левинский, Ю.Б. Влияние подбора древесины на эксплуатационные показатели комбинированных клееных балок / Ю.Б. Левинский, Р.И. Агафонова, В.В. Савина // Деревообрабатывающая промышленность. - 2007. - № 4. - С. 27-28.

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ

ПАРАМЕТРОВ КЛЕЕНОГО БРУСА

К.В. ЗАЙЦЕВА, ассистент каф. механической технологии древесины Костромской ГТУ, А.А. ТИТУНИН, доц. каф. лесоинженерного дела Костромского ГТУ, канд. техн. наук

Одной из актуальных задач развития отечественного лесопромышленного комплекса является повышение конкурентоспособности. Особое значение при этом имеет стимулирование внутреннего спроса на продукцию отечественной деревообрабатывающей промышленности, особенно в части, касающейся реализации национального проекта «Доступное и комфортное жилье - гражданам России» [1]. В решении поставленной задачи не обойтись без внедрения новых прогрессивных технологий и конструкционных материалов. В свою очередь, в обеспечении

titkstr@kmtn.ru

конкурентоспособности отечественной продукции немаловажную роль играет ее качество, которое зависит от множества факторов. Эти обе задачи должны решаться параллельно с вопросами снижения себестоимости продукции деревянного домостроения, чтобы оно действительно соответствовало критерию комфортности и доступности.

Одним из основных требований, предъявляемых к ограждающим конструкциям, является обеспечение в здании заданного температурного режима, который существенно зависит от применяемых материалов. Для

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 6/2008

67

ДЕРЕВООБРАБОТКА

районов средней полосы России значение сопротивления теплопередаче Ra ограждающих конструкций в соответствии с новыми нормами СНиП II-3-79* [2] должно быть не ниже 3,49 м2-°С/Вт. Для выполнения требований строительных норм проектировщики предлагают в качестве ограждающих конструкций в деревянных домах использовать клеёный брус с утеплителем. В частности, конструкция из клееного бруса толщиной 95 мм с последующей установкой утеплителя толщиной 150 мм и обшивкой «вагонкой» имеет R = 4,97 м2-°С/Вт. Проблема заключается в том, что при проектировании зданий используются справочные данные о теплопроводности.

В работах отечественных [3, 7] и зарубежных авторов [6] представлены основные закономерности процесса теплопереноса, полученные исследователями для малых прямоугольных образцов древесины без пороков, так называемых «чистых» образцов. К таким образцам вполне применима феноменологическая ортотропная модель, что и подтверждено многочисленными экспериментальными исследованиями. При этом, как известно, пренебрегают кривизной слоев, соотношением ранней и поздней древесины и прочими особенностями макростроения. О справедливости данных гипотез применительно к массивным деревянным конструкциям, особенно к полученным в результате склеивания, можно судить по приведенным ниже сведениям.

На сегодняшний день известен ряд методов определения теплопроводности материалов, основанных на измерении стационарного и нестационарного потоков тепла. Первая группа методов позволяет проводить измерения в широком диапазоне температур (от 20 до 700 °С) и получать более точные результаты. Недостатком методов измерения стационарного потока тепла является большая продолжительность опыта, измеряемая часами. Вторая группа методов позволяет проводить эксперимент в течение нескольких минут (до 1 ч), но зато пригодна для определения теплопроводности материалов лишь при сравнительно низких температурах.

Известные методы определения коэффициента теплопроводности X основаны на применении довольно сложного лабораторного

оборудования, и коэффициент X может быть определен только для «малого, чистого» образца однородной структуры. Клееный же брус получают в результате склеивания по пласти ламелей толщиной от 33 до 42 мм, которые в свою очередь получают в результате склеивания по длине (сращивания) на зубчатый шип коротких отрезков хвойных пиломатериалов. Поэтому клееный профилированный брус представляет собой сложную конструкцию из сравнительно толстых отрезков древесины с продольными и поперечными клеевыми швами, с чередующимся расположением годичных слоев в смежных ламелях и большей, по сравнению с обычной древесиной, анизотропностью. В связи с этим представляется не вполне оправданно применение для клееного профилированного бруса классического представления в виде однородного (квазигомогенного) материала без учета локальных дефектов (сучков, косослоя, непроклеев, зубчатых соединений и пр.). Насколько велико различие коэффициентов теплопроводности деревянных клееных конструкций и рекомендуемых строительными нормами можно установить непосредственно по результатам экспериментальных исследований.

В связи с вышеизложенным была обоснована необходимость в разработке нового способа для определения теплопроводности клееных конструкций. С учетом достоинств и недостатков существующих способов были сформулированы требования к новому устройству:

- определение теплопроводности образцов больших сечений;

- максимальная приближенность способа к естественным условиям эксплуатации конструкций;

- малая трудоемкость подготовки образцов;

- возможность автоматизации процесса определения теплопроводности;

- простота эксплуатации установки;

- возможность использования установки для контроля теплопроводности конструкций в процессе их эксплуатации.

На основании этих требований на кафедре механической технологии древесины в 2005-2006 гг. была разработана экспериментальная установка [4] (рис. 1).

68

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 6/2008

ДЕРЕВООБРАБОТКА

А

А-А

Б1

_]в

А

1 2

Б -Б

3 4 5

Рис. 1. Принципиальная схема установки: 1 - регулятор; 2 - ваттметр; 3 - термосопротивление ТСП-100; 4 - нагревательный элемент W<100 Вт; 5 - клееный брус; 6 - теплоизоляционный слой; 7 - измеритель УКТ-38.Щ-4ТС

Разработанное устройство может быть легко изготовлено из набора типовых деталей и эффективно использоваться в производственных условиях. Особо следует отметить, что предлагаемая установка позволяет определять коэффициент теплопроводности клееного бруса стационарным методом, а также получать необходимые исходные данные для определения теплопроводности нестационарным методом. Отмеченная особенность является положительным отличительным признаком от аналогов.

Определение теплопроводности массивных клееных конструкций с помощью этой установки основано на измерении температуры датчиков (термометров-сопротивлений), установленных в различных точках параллельно продольной оси бруса. Тепловой поток создается за счет нагревательного элемента, помещенного как можно ближе к продольной оси симметрии клееного бруса. Распространению теплового потока вдоль волокон препятствуют теплоизоляционные слои 6, между которыми помещается образец. В лабораторных исследованиях для изоляции торцевых поверхностей образца использовались асбест и пенополистирол. Для исключения влияния случайных воздушных потоков образец помещался в термокамеры (на рис. 1 показано пунктиром). Таким образом, можно считать, что тепловой поток на участке, где установлены датчики температуры 3, равно-

мерно направлен во всех направлениях. Поэтому по значению перепада температур нагревательного элемента и датчиков, а также мощности нагревателя в стационарном режиме коэффициент теплопроводности материала вычисляется по формуле

X = 9 ln(l/r)/2nL(t1 - t2),

где X - коэффициент теплопроводности испытуемого материала, Вт/ (м^°С);

L - длина нагревательного элемента, м; r - радиус нагревательного элемента, м; l - расстояние от середины элемента до места установки термосопротивления, м; t1 и t2 - соответственно температура нагревательного элемента и термометра-сопротивления, °С.

В предварительной серии опытов [4] была установлена связь мощности нагревательного элемента со временем проведения опытов, определена необходимость обеспечения стабильности температуры окружающей среды. Следующим этапом экспериментальных исследований являлось определение степени влияния сучков на коэффициент теплопроводности клееного бруса.

Как известно, при производстве клееного бруса производится вырезка дефектных мест, при этом допускаются 2-3 сучка диаметром 12 мм на 1 п. м во внешних ламелях и диаметром до 35 мм - во внутренних. Сучки у хвойных пород в основном направлены под

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 6/2008

69

ДЕРЕВООБРАБОТКА

углом, близким или равным 90° к продольному направлению волокон. Зная плотность сучковой древесины, можно определить значение коэффициента теплопроводности X = K Хк K,

где X - теплопроводность сучковой древесины, Вт/ (м^°С);

К - коэффициент, учитывающий направление волокон (коэффициент К для дуба и бука в тангенциальном направлении равен 0,87, вдоль волокон 1,6, а для остальных пород вдоль волокон - 2,2);

Хбер - коэффициент теплопроводности древесины березы при рб = 500 кг/м3 в радиальном направлении, Вт/ (м^°С);

Кр- коэффициент, учитывающий плотность древесины.

Кр = 4,7652р2 - 2,7287р + 1,188, где р - плотность древесины, кг/м3;

Коэффициент теплопроводности древесины березы Хбер определяется в зависимости от влажности и температуры древесины по диаграмме [3], либо по выведенной нами формуле Х= 0,00497 W + 0,000217 T + 0,1426, где W, Т - соответственно влажность и температура древесины.

Был сосчитан коэффициент теплопроводности сучковой древесины сосны при температуре 20 °С, влажности 10 % и коэффициенте, учитывающем направление волокон, 2,2. Он составил 1,09 Вт/ (м-°С) [3].

Количество сучков, которые являются температурными мостиками, определяется сортом пиломатериалов, из которых изготавливают клееный брус, и техническими условиями, которые регламентируют размеры и количество данных сучков. Были проведены исследования по определению количества и размеров сучков при производстве пятислойного клееного бруса. Во внутренних ламелях встречается 2,41 сучка диаметром 21,53 мм на каждый метр длины, а во внешних - 0,14 сучка диаметром 9,89 мм.

Поэтому коэффициент теплопроводности клееного бруса можно определить

X = (£ m п d 2h/4XYZ)(X - X ) + X ,

г ср /v с др' др’

г=1

где X - коэффициент теплопроводности деревянных клееных конструкций, Вт/ (м-°С);

Xc - теплопроводность сучковой древесины, Вт/ (м-°С);

X - теплопроводность древесины, ^ Вт/ (м-°С);

m - количество сучков в одной ламели, шт.;

n - количество ламелей в брусе, шт.;

X, Y, Z - размеры бруса, м;

h - толщина одной ламели, м;

dc - средний диаметр сучков, м.

ср X = X6 K,

др бер р

где X - коэффициент теплопроводности древесины березы при рб = 500 кг/м3 в радиальном направлении, Вт/ (м^°С);

Кр - коэффициент, учитывающий плотность древесины.

Был рассчитан коэффициент теплопроводности для образца (рис. 1). При этом изменение температуры определялось на расстоянии 80 мм (от нагревательного элемента до места установки датчика). Значения коэффициента теплопроводности при одном, двух и трех сучках соответственно составили 0,219; 0,225 и 0,23 Вт/ (м-°С).

Для проверки этих теоретических положений были проведены экспериментальные исследования. Датчики температуры устанавливались в крайних ламелях пятислойного бруса (рис. 1). Значения коэффициента теплопроводности для левой и правой ламели составили 0,233 и 0,228 Вт/ (м^°С).

Различия в значениях X, полученных экспериментальным путем, объясняются тем, что во-первых, правые ламели в брусе были с более широкими годичными слоями, чем левые. Из работ Е.К. Ашкенази [9] и других авторов известно, что в хвойной древесине с увеличением ширины годичных слоев возрастает содержание ранней, менее плотной древесины. Следовательно, широкослойная древесина с повышенным содержанием пор, заполненных при эксплуатационной влажности W = 10 % преимущественно воздухом, должна иметь меньшую по сравнению с узкослойной древесиной теплопроводность, что и подтвердили экспериментальные данные.

Во-вторых, на значение коэффициента теплопроводности оказали влияние сучки, о чем можно судить по результатам, представленным на рис. 2.

70

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 6/2008