Использование деревянных конструкций в современном строительстве

Введение. Древесина является старейшим строительным материалом с многовековой историей. Еще в древности первобытные люди использовали деревянные столбы для создания примитивного жилища, оград и небольших переправ через водоёмы. Использование именно этого строительного материала в древности обосновывалось тем, что древесина была достаточно распространенной и простой в обработке, при этом обладала достаточной прочностью для длительного использования. В нашей стране при изобилии лесных богатств древесина всегда являлась основным, наиболее доступным строительным материалом. Исторические и географические условия Древней Руси способствовали развитию деревянного зодчества, появлению замечательных кадров русских строителей. Накапливая из поколения в поколение опыт и мастерство, русские зодчие создавали непревзойденные по уровню строительного искусства деревянные сооружения: из дерева строили целые города, крепостные сооружения, дворцы, храмы и мосты [1].

Цель исследования – изучение физико-механических свойств древесины и определение возможности расширения использования деревянных конструкций в строительной отрасли.

Материалы и методы исследований: обзор литературных источников, анализ физико-механических свойств древесины как конструкционного материала, установление перспектив применения деревянных конструкций и изделий в современном строительстве.

С течением времени и развитием науки происходило и совершенствование искусства возведения зданий и сооружений из древесины. Примером могут служить деревянные храмы и мосты через крупные реки, построенное древними римлянами. Также в период с XVI - XVIII вв. массовое распространение получили фахверковые и каркасные дома в Европе. Такое внимание к древесине возникло благодаря её физикомеханическим свойствам.

Так, сосна, имеющая достаточно малую плотность (0,052 т/м3) имеет показатель сопротивляемости сжатию приблизительно равный показателю бетона класса В15, хотя плотность бетона составляет 2,5 т/м3. В данном случае преимущество в весе деревянных конструкций над бетонными при равной несущей способности очевидно.

Наибольший рассвет строительства из древесины пришелся на середину XX века, ведь именно в это время разворачивается масштабное производство клееных деревянных конструкций более чем на двадцати деревообрабатывающих комбинатах РСФСР. Такие конструкции изготавливаются из пиломатериалов (чаще всего из хвойных пород) с использованием феноло-резорцино-формальдегидных и мочевино-меламино-формальдегидных клеев. Благодаря этому у деревянных конструкций появляется весомое преимущество, которое заключается в возможности получения монолитных элементов практически любых размеров и форм поперечного сечения.

Деревянные конструкции не остались без внимания и в настоящее время. Сейчас они в основном используются при выполнении строительно-монтажных работ, например, в качестве, опалубки, лесов и подмостей. При возведении малоэтажных жилых зданий стены собирают из четырех - или двухкатных брусьев, обработанных брёвен; в перекрытиях применяют балки из клеёной или цельной древесины.

Приведем диаграмму использования лесоматериалов (рис. 1)

Структура использования лесоматериалов

Рисунок 1 - Структура использования лесоматериалов:

1.    51 % - вспомогательный материал, при производстве СМР;

2.    2 % - несущие деревянные конструкций;

3.    6 % - малоэтажное домостроение;

4.    10 % - кровельные настилы, обрешетки;

5.    31 % - столярные изделия.

В основном деревянные конструкции представляют собой настилы, балки, панели, прогоны, стержневые и дощатые фермы, рамы, арки и своды, а соединения деревянных конструкций могут быть клеевыми, на врубках, на цилиндрических и пластинчатых нагелях. Кроме этого конструкции из дерева могут быть цельными или сборными, а также из сплошных однородных элементов или составных.

Камень, металл и дерево являются основными строительными материалами современности, однако древесина – самый экологичный из всех.

Результаты и обсуждение. Остановимся более подробно на преимуществах деревянных конструкций.

• >    Высокая прочность. Так как древесина является анизотропным материалом, ее механические свойства различны в разных направлениях и зависят от угла между направлением действующего усилия и направлением волокон. При совпадении направлений силы и волокон прочность древесины достигает максимального значения, в то же время она будет в несколько раз меньше, если сила действует под большим углом к волокнам. Для обоснованного расчета элементов деревянных конструкций необходимо знать прочность древесины при различных видах напряженного состояния и при разнообразном их сочетании [2].

• >    Малая масса. В среднем плотность древесины колеблется в пределах 500 – 700 кг/м³, что позволяет выполнять деревянные облегченные конструкции, широко применяемые при реконструкции зданий, в частности для надстройки дополнительных этажей.

• >    Проницаемость. Поскольку древесина имеет волокнистое строение, она способна пропускать через себя газы (в частности воздух) и жидкости. Способность «дышать» это термин, который говорит о том, что через покрытие может проходить водяной пар. Почему это важно? Дерево – это живой материал, оно впитывает и отдаёт влагу на протяжении всего срока своей службы. Покрытие из масла и воска пропускает водяной пар, то есть лишняя влага в древесине не задерживается, а уходит в воздух, а если речь идет о внутренних помещениях, то хорошая паропроницаемость покрытия позволяет сохранять комфортный микроклимат в помещении.

• >    Отличные теплозащитные характеристики. Благодаря трубчатому строению клеток древесина является плохим проводником тепла. Малая теплопроводность древесины (у хвойных пород вдоль волокон λ ≈ 0,38 Вт/м·°С, поперек волокон λ ≈ 0,15 Вт/м·°С) является основой широкого применения ее в ограждающих частях отапливаемых зданий, в результате чего толщина деревянных стен по сравнению с кирпичными значительно меньше. Так, деревянная стена толщиной 11 см эквивалентна по теплопроводности кирпичной стене в два кирпича (толщиной 51 см).

• >    Экологичность. Древесина - это природный материал, не содержит вредных ингредиентов и испарений, она не накапливает в себе и не образует отравляющих веществ. Следовательно, применение деревянных конструкций не оказывает негативного воздействия на окружающую среду, и поэтому особенно подходит для компонентов, находящихся в непосредственном контакте с людьми, животными и пищевой продукцией. [3]

• >    Долговечность. При грамотной эксплуатации срок службы деревянных конструкций практически неограничен. Трудно поверить, но в одном из монастырей под Новгородом деревянные части зданий прослужили с 1198 по 1941 г. без видимых дефектов.

• >    Высокая химическая стойкость. Древесина является более химически стойким материалом по сравнению с металлами и железобетоном, что позволяет применять деревянные конструкции в помещениях с химически агрессивной средой. Для зданий с химически агрессивной средой следует применять сплошные, монолитно склеенные безметальные конструкции, не имеющие зазоров и щелей. Для покрытий используют клеефанерные панели, имеющие гладкую поверхность без выступающих частей.

• >    Хорошая сейсмостойкость. Коэффициент поглощения колебаний

древесины ψ = 0,35, что позволяет сделать выводы о способности деревянных конструкций гасить колебания. Как следует из истории при правильном подходе к проектированию, деревянные здания и сооружения выдерживали землетрясения в 7-8 баллов по шкале Рихтера, в то время как большая часть кирпичных построек была разрушена. Одной из особенностей проектирования деревянных домов в сейсмических районах является применение анкерных соединений, которые соединяют конструкцию дома с фундаментом. Соединения выполняются на болтах или нагелях, так как сварные соединения не терпят динамических нагрузок [4, 5].

• >    Древесина прекрасно работает в сочетании с другими материалами. Совмещение материалов помогает производить по-настоящему гармоничные вещи как с точки зрения дизайна, так и в целях экономии. Фактура дерева, его цвет, уникальный рисунок волокон дают теплоту; камень и металл добавляют прочности и делают изделие современным. Такое сочетание практично, функционально, комфортно [6, 7]

Благодаря вышеперечисленным свойствам, основными областями применения деревянных конструкций являются:

• •      строительство в сейсмических районах страны;

• •      строительство на Крайнем Севере;

• •    строительство в необжитых и лесоизбыточных районах;

• •      возведение общественных, производственных, сельскохозяйственных,

учебных и спортивных зданий;

• •    строительство автодорожных мостов, градирен, морских сооружений, шахтных сооружений;

• •    возведение промышленных зданий и сооружений с химически агрессивными средами.

Для более долгосрочной и надёжной эксплуатации конструкции из дерева принимают необходимые меры защиты, а именно обработку:

• >     антисептическими средствами для предотвращения появления

биопоражений;

• >     антипиренами для повышения огнестойкости;

• >    и инсектицидами для защиты от насекомых.

При эксплуатации деревянных элементов не стоит забывать и о необходимости контроля таких показателей как влажность древесины и воздухообмен в помещении, иначе срок службы конструкций и изделий может сократиться в разы.

Выводы. Все вышеперечисленные качества древесины позволяют её использовать не только в практических целях, но и в эстетических. Дерево предоставляет широкие архитектурные возможности за счёт своей естественной красоты, теплого внешнего вида и чарующей и неповторимой структуры. Оно может использоваться для создания современных и инновационных дизайнов с необычными архитектурными решениями, как в интерьере, так и экстерьере.

Примерами современных деревянных конструкций являются деревянные мосты, жилые дома, офисные здания, а также легкие деревянные конструкции в больших многофункциональных комплексах. Кроме этого древесину можно использовать для создания винтовых лестниц в различных стилях, от модерна до минимализма (рис. 2).

Рисунок 2. – Современные деревянные конструкции и изделия

Таким образом, современные технологии и различные инженерные решения позволяют максимально использовать преимущества древесины в современном строительстве, делая его более экологичным и эффективным.