Жабысқан қабатты ағаш конструкциясының тарихы мен дамуы

Кіріспе

Құрылыс материалы

Жапсырылған қабатты ағаш, көбінесе "глюлам" деп аталатын, бұл – ұзындығы бойымен барлық талшықтары параллель бағытта орналасқан, берік, ылғалға төзімді құрылымдық жабысқыштармен біріктірілген өлшемді ағаш қабаттарынан тұратын құрылымдық инженерлік ағаш өнімінің бір түрі. Солтүстік Америкада қабаттарды құрайтын материал "ламинаттық шикізат" немесе "ламинат" деп аталады.

Тарих

Глюлам конструкциясының принциптері 1860 жылдарға, Англияның Саутгемптон қаласындағы Король Эдуард VI колледжінің жиналыс залына дейін барып жетеді деп саналады. Дегенмен, алғашқы патент 1901 жылы Германияның Веймар қаласынан шыққан ағаш шебері Отто Карл Фридрих Гетцер бұл құрылыс әдісіне патент алғанда пайда болды. Швейцарияда бекітілген Гетцердің патенты бірнеше ламинаттардан біріктірілген тік сызықты қабырға жасауды қарастырды. 1906 жылы ол Германияда глюламның қисық бөлімдеріне патент алды. Ұзақ өтпей Еуропаның басқа елдерінде де патенттер мақұлданды және 1922 жылға қарай глюлам 14 елде қолданылды. Бұл технологияны алғаш рет АҚШ-қа 1906 жылы Гетцер фирмасымен байланысы бар Макс Ханиш аға әкелді. Қаржылық қолдау болмағандықтан, Ханиш 1934 жылға дейін АҚШ-та глюламды қолдана алмады. Висконсин штатының Пештиго қаласындағы мектеп және қоғамдық спорт залы жобасын бастау үшін уақыт кетті, өйткені өндірушілерді табу қиын болды, бірақ ақырында Томпсон бауырлары қайық жасау компаниясы жобаны қолға алды. Алайда Висконсин индустриялық комиссиясы аркаларды қабылдамады, себебі олардың глюламмен жұмыс істеу тәжірибесі болмады. Келісімге келді, онда аркалар егер олар бұрандалар, лагтар, металл жақтаулар және құрылымды нығайту үшін бұрыштармен бірге қолданылса, пайдаланылуы мүмкін. Нығайту қажет болмаса да, 1934 жылдың соңында үш тіректі арканың төрт аралығы 20 метрге дейін созылды. Бұл жобадағы серіктестік Hanisch және Thompson отбасыларына тиесілі глюламға арналған Unit Structures Inc. құрылыс фирмасын құруға әкелді. 1936 жылы Unit Structures глюлам аркаларын және глюлам аркаларын өндіруге арналған қалыптау жабдықтарына патент алды. Екінші жоба, осы жолы Орман өнімдері зертханасы (FPL) үшін, Unit Structures компаниясына архитекторлар мен инженерлерге глюлам элементтерінің беріктігі мен қатаңдығын дәлелдеуге мүмкіндік берді. Шатырға құм қаптарын орнату арқылы жүргізілген толық көлемді жүктеме сынақтары жобалық ерекшеліктерден 50% асып кетті. Белгіленген ауытқулар да жүйеге сәйкес келді. Нәтижелерді жариялауға біраз уақыт кеткенімен, сынақ Unit Structures компаниясына глюламмен құрылыс жұмыстарын жалғастыруға мүмкіндік берді. Осы кезде I-түрлі қималы, фанералық торлы және глюлам фланецтері Еуропада танымал болды, ал тікбұрышты қималар Америкада қалыпты жағдайға айналды. I-түрлі қималы ағаштан үнемдеді, бұл еуропалықтарға пайдалы болды, өйткені олардың ағаш бағасы жоғары болды, бірақ АҚШ-та қымбат болатын еңбекке көп мөлшерде қажеттілік тудырды. Глюлам жүйесі батыс жағалаудағылардың қызығушылығын оятып, көптеген фирмалар онымен айналыса бастады. 1942 жылы толығымен суға төзімді фенол-резорцинол жабысқақтың енгізілуі глюламды ашық сыртқы ортада қолдануға мүмкіндік берді, жабысқақ тігістерінің бұзылуы туралы алаңдаушылықты жойды, осылайша оның қолданылатын нарығын кеңейтті. Екінші дүниежүзілік соғыс кезінде соғысқа қажетті болаттың қажеттілігіне байланысты глюлам құрылысы кеңінен таралды. 1952 жылы инженерлік және қатты ағаш өндірушілердің жетекшілері Америка ағаш құрылыс институтын (AITC) құру үшін күш біріктірді, бұл өнеркәсіпті стандарттауға және оны қолдануды ілгерілетуге көмектесті. АҚШ-та глюламға арналған алғашқы өндіріс стандартын 1963 жылы Сауда департаменті жариялады. Содан бері глюлам өндірісі АҚШ және Канадаға тарады және көпірлер сияқты басқа құрылымдар үшін де қолданылды. Қазіргі уақытта ол ANSI A190.1 стандарты бойынша стандартталған.

The principles of glulam construction are believed to date back to the 1860s, in the assembly room of King Edward VI College, a school in Southampton, England. The first patent however emerged in 1901 when Otto Karl Freidrich Hetzer, a carpenter from Weimar, Germany, patented this method of construction. Approved in Switzerland, Hetzer's patent explored creating a straight beam out of several laminations glued together. In 1906 he received a patent in Germany for curved sections of glulam. Other countries in Europe soon began approving patents and by 1922, glulam had been used in 14 countries. The technology was first brought to the United States by Max Hanisch Sr., who had been associated with the Hetzer firm in 1906 before emigrating to the United States in 1923. With no financial backing, it was not until 1934 that Hanisch was able to first use glulam in the United States. The project, a school and community gym in Peshtigo, Wisconsin, took time to get started, as manufacturers were hard to find, but eventually the Thompson Brothers Boat Manufacturing Company took on the project. The Wisconsin Industrial Commission, however, rejected the arches as they had no previous experience working with glulam. A compromise was reached in which the arches could be used if they were used in conjunction with bolts, lags, metal strapping, and angles to reinforce the structure. Though the reinforcements were unnecessary, ground finally broke in late 1934 featuring four spans of three hinged arches with clear spans of 64 feet (20 m). The partnership for this project lead to the creation of Unit Structures Inc., a construction firm for glulam owned by both the Hanisch and Thompson families. In 1936, Unit Structures patented both the forming equipment used to produce glulam arches and the glulam arches themselves. A second project, this time for the Forest Products Laboratory (FPL), gave Unit Structures the opportunity to prove the strength and stiffness of glulam members to architects and engineers. Full scale load tests conducted by placing of sandbags on the roof exceeded the design specs by 50%. The noted deflections were also in favor of the system. While the results took some time to get published, the test enabled Unit Structures to continue building with glulam. At this time, I sections featuring plywood webs and glulam flanges became popular in Europe while rectangular sections became the norm in America. The I sections saved on lumber, which was beneficial to Europeans as they had high lumber costs but were more labor intensive, which was expensive in the States. The glulam system piqued the interest of those on the west coast and many firms began to engage with it. In 1942, the introduction of a fully water resistant phenol resorcinol adhesive enabled glulam to be used in exposed exterior environments without concern of glue line degradation, expanding its applicable market. During the midst of World War II, glulam construction became more widespread as steel was needed for the war effort. In 1952, leading fabricators of engineered and solid wood joined forces to create the American Institute of Timber Construction (AITC) to help standardize the industry and promote its use. The first U. S. manufacturing standard for glulam was published by the Department of Commerce in 1963. Since then, glulam manufacturing has spread within the United States and into Canada and has been used for other structures, such as bridges, as well. It is currently standardized under ANSI Standard A190.1.

Өңдеу

Глюламды өндіру әдетте төрт кезеңге бөлінеді: ағаштарды кептіру және сұрыптау, ағаштарды ұзын ламинаттар жасау үшін біріктіру, қабаттарды желімдеу және аяқтау мен дайындау. Глюламды өндіру үшін қолданылатын ағаш өндірушілерге алдын ала кептірілген күйінде келуі мүмкін. Ылғалдылық деңгейін тексеру үшін қолда ұсталатын немесе конвейердегі ылғалдылық өлкіш пайдаланылады. Өндіріс процесіне түсетін әрбір ағаш бөлігінің ылғалдылығы қолданылатын желімге сәйкес 8% пен 14% аралығында болуы керек. Бұл көрсеткіштен жоғары ылғалдылықтағы ағаш қайта кептіріледі. Кептірілген ағаштардың ұштарындағы түйіндер кесіледі. Содан кейін ағаш сұрыптарына қарай топтастырылады. Глюламның пісірілген ағашқа қарағанда ұзын болуын қамтамасыз ету үшін ағаштардың ұштары біріктірілуі тиіс. Бұл үшін ең көп қолданылатын біріктіру түрі – екі жағынан арнайы кескіштермен кесілген саусақ тісті біріктіру. Құрылымдық шайыр, әдетте RF-қатаюға арналған меламин формальдегиді (MF) немесе PF шайыры, кезекті тақтайлар арасындағы біріктіруге жағылады және үздіксіз RF-қатаю жүйесі арқылы ұшқы қысыммен қатайтылады. Шайыр қатайғаннан кейін ағаш қажетті ұзындықта кесіліп, екі жағынан тегістеледі, бұл желімдеу үшін тегіс беттерді қамтамасыз етеді. Тегістелгеннен кейін желім экструдері шайырды ағашқа жағады. Бұл шайыр көбінесе фенол-резорцинол формальдегиді, бірақ PF шайыры немесе меламин-мочевина формальдегиді (MUF) шайыры да қолданылуы мүмкін. Түзу арқалықтар үшін шайырланған ағаш белгілі бір ретпен жинақталып, механикалық немесе гидравликалық жүйе қабаттарды біріктіретін жинақтау төсегіне орналастырылады. Иілген арқалықтар үшін ағаш иілген формада жинақталады. Бұл арқалықтар қысымды босату алдында бөлме температурасында 5-16 сағат бойы қатайтылады. Қысымды RF-қатаюмен үйлестіру қатаю уақытын қысқартуға мүмкіндік береді. Арқалықтардың кең жақтары шайырдың тақтайлар арасынан сығылып шыққан бөліктерін жою үшін тегістеледі немесе шліфтеледі. Қажет болған жағдайда, жоғарғы және төменгі тар жақтар да қалаған көрініске жету үшін шліфтеледі. Бұрыштар да көбінесе дөңгеленеді. Сыртқы түріне қатысты талаптар түйін тесіктерін шпательмен толтыру, ұсақ шліфтеу және герметиктер, бояулар немесе грунттарды қолдану сияқты қосымша аяқтау жұмыстарын талап етуі мүмкін.

The manufacturing of glulam is typically broken down into four steps: drying and grading the lumber, joining the lumber to form longer laminations, gluing the layers, and finishing and fabrication. The lumber used to produce glulam may come to the manufacturers pre dried. A hand held or on the line moisture meter is used to check the moisture level. Each piece of lumber going into the manufacturing process should have a moisture content between 8% and 14% in accordance with the adhesive used. Lumber above this threshold is redried. Knots on the ends of the dried lumber are trimmed. Lumber is then grouped based on the grade. To create lengths of glulam longer than those typically available for sawn lumber, the lumber must be end jointed. The most common joint for this is a finger joint, in length that is cut on either end with special cutter heads. A structural resin, typically RF curing melamine formaldehyde (MF) or PF resin, is applied to the joint between successive boards and cured under end pressure using a continuous RF curing system. After the resins have cured, the lumber is cut to length and planed on each side to ensure smooth surfaces for gluing. Once planed, a glue extruder spreads the resin onto the lumber. This resin is most often phenol resorcinol formaldehyde, but PF resin or melamine urea formaldehyde (MUF) resin can also be used. For straight beams, the resinated lumber is stacked in a specific lay up pattern in a clamping bed where a mechanical or hydraulic system presses the layers together. For curved beams, the lumber is instead stacked in a curved form. These beams are cured at room temperature for 5 to 16 hours before the pressure is released. Combining pressure with RF curing can reduce the time needed for curing. The wide side faces faces of the beams are sanded or planed to remove resin that was squeezed out between the boards. The narrow top and bottom faces may also be sanded if necessary to achieve the desired appearance. Corners are often rounded as well. Specifications for appearance may require additional finishing such as filling knot holes with putty, finer sanding, and applying sealers, finishes, or primers.

Резин желімдері

ХХ ғасырдың басында жабысқақ ламинатталған ағаш құрылыс материалы ретінде пайда болғанда, казеин желімдері (су өткізбейтін, бірақ серпімділік күші төмен) кеңінен қолданылды. Казеин желімдерін қолданған тігістер ағаштағы ішкі кернеулерге байланысты бөлініп кетуге бейім болды. 1928 жылы суық қатайтын синтетикалық шайыр желімдері ойлап табылды. "Kaurit" және басқа да карбамид-формальдегид шайыр желімдері арзан, қолдануға ыңғайлы, су өткізбейтін және жоғары жабысқақтыққа мүмкіндік береді. Шайыр желімдерінің дамуы жабысқақ ламинатталған ағаш құрылысының кеңінен таралуына әсер етті.

Тұз буындары

Глюламмен жасалған саусақ буындарының қолданылуы, үлкен көлемде глюлам арқалықтары мен бағаналарын өндіруге мүмкіндік берді. Глюлам саусақ буындары желімдеу үшін кең бет алаңын қамтамасыз етеді. Автоматты саусақ буыны жасау машиналары, тік бұрышты тілімдерді кесіп, оларды қысым астында біріктіріп, жабыстырады, нәтижесінде берік және ұзақ қызмет ететін буын пайда болады, ол бірдей көлденең қимасы бар табиғи ағашқа ұқсас жоғары жүктемелерді көтере алады.

Компьютерлік сандық басқару

Компьютерлік сандық басқару (CNC) арқасында желімделген ламинатталған ағаштарды жоғары дәлдікпен ерекше пішіндерге кесуге болады. CNC станоктарына дейін бес ось қолданылуы мүмкін, бұл астыңғы бөлігін кесу және ойыс жасау процестерін жүзеге асыруға мүмкіндік береді. Тиімді CNC станоктары материалды роутер сияқты механикалық құралдармен кеседі.

Кемшіліктер

Материалдық шығын Глюлам жоғары осьтік жүктемелерде бетоннан қымбат болуы мүмкін, бірақ бұл материалдың орналасқан жеріне және оның жеткілікті болуына/молдығына байланысты. Өлшемдері Болат пен темір бетонмен салыстырғанда, клейлам әдетте бірдей жүктемені көтеру үшін үлкен конструкциялық элементтерді қажет етеді. Клейлам конструкциялық элементтерінің қимасы мен биіктігі болаттықтарынан айтарлықтай үлкен.

Спорттық құрылымдар

Үлкен стадион шатырлары кең ауқымды клейлам арқалықтарының кең таралған қолданылуы болып табылады. Артықшылықтары – материалдың жеңіл салмағы және ұзын ұзындықта, үлкен көлденең қимада дайындау мүмкіндігі. Алдын ала дайындық міндетті түрде қолданылады және құрылыс инженері жобалаудың басында ірі элементтерді жеткізу және орнату әдістерін анықтауы керек. PostFinance Arena – 85 метрге дейін жететін клейлам аркаларымен жасалған кең ауқымды спорт стадионының мысалы. Бұл құрылыс 1967 жылы Бернде салынды, кейіннен жаңартылып, кеңейтілді. Шығыс Кентукки университетінің түлектер сарайы 1963 жылы салынды, онда әлемдегі ең үлкен желімделген ламинатталған аркалар бар, олардың ұзындығы 94 метрді құрайды. 2010 жылғы Ванкуверде өткен қысқы Олимпиада ойындары үшін жылдам сырғанау аренасы ретінде салынған Ричмонд Олимпиадалық овалдың шатыры әлемдегі ең үлкен бес тірегі жоқ ағаш құрылымдардың бірін ұсынады. Шатырда 2400 текше метр Дуглас шыршасы ағашынан жасалған клейлам арқалықтары бар. Шатырдың қабырғалардан тысқары шығып тұрған бөліктерін 34 сары кедрден жасалған тіреу бағаналары қолдайды. Калифорния штатының Анахайм қаласындағы Анахайм мұз аренасы 1995 жылы Disney Development Company және архитектор Фрэнк Геридің қатысуымен екі қисық сары қарағай клейлам арқалықтарын пайдаланып салынды.

Көпірлер

Глюлам жаяу жүргіншілер, орман, автомагистраль және теміржол көпірлерінде пайдаланылған. Қысыммен өңделген желімделген ағаш немесе табиғи түрде берік ағаш түрлерінен жасалған ағаштар көпірлер мен жағалау құрылыстарын салуға өте ыңғайлы. Ағаш жолдарды мұздан тазарту үшін қолданылатын тұздың коррозиясына табиғи түрде төзімді келеді. Солтүстік Америкадағы глюлам көпірлерінің бірі – 1967 жылы Оңтүстік Дакота штатының Блэк Хиллз аймағында салынған Кистоун Уай көпірі. Норвегиядағы да Винчи көпірі, 2001 жылы аяқталған, негізінен глюламнан тұрғызылған. Канаданың Британдық Колумбия провинциясының Бернаби қаласындағы Кингсвей жаяу жүргіншілер көпірі тірек бағаналары үшін құйылған бетоннан, аркасы үшін конструкциялық болаттан және глюламнан, ал серпімді бетоннан жасалған жаяу жүргіншілер платформасынан және арканы жаяу жүргіншілер платформасына қосатын тот баспайтын болат тіректерінен құралған.

Діни ғимараттар

Глюлам шіркеулер, мектеп ғимараттары және кітапханалар сияқты көп мақсатты нысандарды салу үшін қолданылады. Калифорния штатының Окленд қаласындағы Христос Нұры соборы – осындай мысалдың бірі және экологиялық және эстетикалық әсерін күшейту үшін глюламды пайдаланады. Ол 1989 жылғы Лома-Приета жер сілкінісінен кейін қолдануға жарамсыз болған Сент-Франциск-де-Сейлс соборының орнына салынды. 34 метрлік (110 фут) "vesica piscis" пішіндес ғимараттың қаңқасы, шыны қабықпен жабылған, жабысқақ ламинатталған ағаш арқалықтан және болаттан жасалған таяқша қаңқасынан тұрады. Болатты немесе темірбетонды моменттік қаңқамен салыстырғанда, бұл глюлам мен болаттың үйлесімі құрылыстағы экономика мен эстетиканы іске асырудың жетілген тәсілі деп есептеледі. 2019 жылы өрттен қираған i=unset соборының жаңа мұнарасын салу үшін, жаңа кесілген емен ағаштарына балама ретінде, жабысқақ ламинатталған ағаш материал ұсынылды.

Басқа

2019 жылы әлемдегі ең биік құрылыс, құрамында клейленген қабатты ағаш (glulam) пайдаланылған, Норвегияның Брумунддал қаласындағы 18 қабатты аралас мақсаттағы Мьёстонет ғимараты болды. 2022 жылы Висконсин штатының Милуоки қаласындағы Ascent MKE ғимараты оны 26 қабатымен, 86 метрден астам биіктігімен басып өтті. Франциядағы Центр Помпиду Метц мұражайының шатыры алтыбұрышты бөліктер құрайтын 16 километрлік клейленген қабатты ағаштан тұрады. 8000 м² ауданы бар шатырдың әртүрлі қисықтар мен кері қисықтарды қамтитын, қытай бас киіміне ұқсайтын ерекше геометриясы бар.

Жарамсыздықтар

2005 жылы Швецияның Лунд университетінің зерттеушілері Скандинавия елдерінде клейленген ағаш құрылымдардың бірнеше сәтсіздіктерін анықтады. Олар бұл құрылыс немесе жобалау қателіктерінен болды деген қорытындыға келді. 2016 жылы Норвегияның Шьоа қаласында Перколо көпірінің құлауына буындардағы кернеулерді дұрыс есептемеу себеп болды. Осы оқиғадан кейін 13 клейленген ағаштан жасалған көпір тексерілді, тек ұсақ ақаулар табылды. 2022 жылдың 15 тамызында Норвегияның Гудбрандсдален аймағында екі көлік өтіп бара жатқанда Треттен көпірі құлады. Ол клейленген ағаш пен болаттан салынған, 2012 жылы тұрғызылған және жобалық қызмет мерзімі "кем дегенде 100 жыл" болған. Апаттың себебі бірден анықталмады, бірақ 2016 жылғы тексеру кезінде бір буындағы тізелердің тым қысқа екені анықталған.