Клееный брус: история и развитие технологии.

Введение

Строительный материал

Клееный брус, обычно называемый клееной древесиной, представляет собой вид конструкционного изделия из древесины, состоящий из слоев обрезной древесины, склеенных вместе прочными, влагостойкими конструкционными клеями таким образом, что все волокна ориентированы параллельно продольной оси. В Северной Америке материал, используемый для изготовления слоев, называется ламинируемым материалом или ламелью.

История

Считается, что принципы строительства из клееного бруса восходят к 1860-м годам, к актовому залу колледжа короля Эдуарда VI, школы в Саутгемптоне, Англия. Однако первый патент был получен в 1901 году Отто Карлом Фридрихом Гетцером, плотником из Веймара, Германия, который запатентовал этот метод строительства. Патент Гетцера, одобренный в Швейцарии, описывал создание прямой балки из нескольких склеенных ламелей. В 1906 году он получил патент в Германии на изогнутые элементы из клееного бруса. Вскоре другие страны Европы начали одобрять патенты, и к 1922 году клееной древесиной пользовались уже в 14 странах. Технология впервые попала в Соединенные Штаты благодаря Максу Ханишу-старшему, который был связан с фирмой Гетцера в 1906 году, а затем эмигрировал в США в 1923 году. Без финансовой поддержки Ханиш смог впервые использовать клееной брус в США только в 1934 году. Проект – школа и спортивный зал в Пештиго, штат Висконсин – долго не начинался из-за трудностей с поиском производителей, но в итоге его взяла на себя компания Thompson Brothers Boat Manufacturing Company. Однако комиссия по промышленности штата Висконсин отклонила проект арок, поскольку у них не было опыта работы с клееным брусом. Был достигнут компромисс: арки могли быть использованы в сочетании с болтами, шпильками, металлическими полосами и уголками для усиления конструкции. Хотя усиление было излишним, строительство наконец началось в конце 1934 года и включало четыре пролета из трехшарнирных арок с чистыми пролетами 20 метров. Партнерство по этому проекту привело к созданию компании Unit Structures Inc., строительной фирмы, специализирующейся на клееных брусе и принадлежащей семьям Ханиш и Томпсон. В 1936 году Unit Structures запатентовала как оборудование для изготовления арочных конструкций из клееного бруса, так и сами арочные конструкции. Второй проект, выполненный для Лаборатории лесных продуктов (FPL), дал Unit Structures возможность продемонстрировать архитекторам и инженерам прочность и жесткость элементов из клееного бруса. Полномасштабные испытания на нагрузку, проведенные путем размещения мешков с песком на крыше, превысили проектные характеристики на 50%. Отмеченные прогибы также были в пользу системы. Хотя результаты были опубликованы не сразу, испытания позволили Unit Structures продолжать строить из клееного бруса. В то время в Европе стали популярны I-образные сечения с фанерными стенками и фланцами из клееного бруса, а в Америке нормой стали прямоугольные сечения. I-образные сечения позволяли экономить древесину, что было выгодно для европейцев из-за высоких цен на нее, но они были более трудоемкими, что было дорого в США. Система клееного бруса вызвала интерес на западном побережье, и многие компании начали ею заниматься. В 1942 году внедрение полностью водостойкого фенол-резорцинового клея позволило использовать клееной брус в открытых наружных условиях без опасений разрушения клеевого шва, расширив сферу его применения. Во время Второй мировой войны строительство из клееного бруса стало более распространенным, поскольку сталь была необходима для военных нужд. В 1952 году ведущие производители конструкционной и обычной древесины объединили усилия для создания Американского института деревянного строительства (AITC) с целью стандартизации отрасли и продвижения ее использования. Первый американский стандарт на производство клееного бруса был опубликован Министерством торговли в 1963 году. С тех пор производство клееного бруса распространилось по Соединенным Штатам и Канаде и стало использоваться для других конструкций, таких как мосты. В настоящее время он стандартизирован в соответствии со стандартом ANSI A190.1.

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.

Производство

Производство клеёного бруса обычно подразделяется на четыре этапа: сушка и сортировка пиломатериалов, соединение пиломатериалов для формирования более длинных ламелей, склеивание слоёв и отделка с последующей обработкой. Пиломатериалы, используемые для производства клеёного бруса, могут поступать на производство предварительно высушенными. Для проверки уровня влажности используется ручной или линейный влагомер. Каждый кусок пиломатериала, поступающий в производственный процесс, должен иметь влажность от 8% до 14% в соответствии с типом используемого клея. Пиломатериалы с влажностью выше этого порога подвергаются повторной сушке. Концы высушенных пиломатериалов обрезаются для удаления сучков. Затем пиломатериалы группируются по сорту. Для создания длинных элементов клеёного бруса, превышающих стандартные размеры пиломатериалов, необходимо соединять пиломатериалы торцами. Наиболее распространенным типом соединения является шиповое соединение (finger joint), которое вырезается на обоих концах специальными фрезерными головками. Конструкционный клей, как правило, меламиноформальдегидный (MF) или фенолформальдегидный (PF) клей, наносится на соединение между последовательными досками и отверждается под давлением с использованием непрерывной системы радиочастотного отверждения. После отверждения клея пиломатериалы обрезаются до нужной длины и строгаются с каждой стороны для обеспечения гладкой поверхности для склеивания. После строгания экструдер наносит клей на пиломатериалы. Чаще всего используется фенолрезорцинолформальдегидный клей, но также могут применяться фенолформальдегидный (PF) клей или меламино-мочевиноформальдегидный (MUF) клей. Для изготовления прямых балок проклеенные пиломатериалы укладываются в определенной последовательности в зажимном станине, где механическая или гидравлическая система сжимает слои вместе. Для изготовления изогнутых балок пиломатериалы укладываются на изогнутой форме. Эти балки отверждаются при комнатной температуре в течение 5–16 часов, после чего давление снимается. Сочетание давления с радиочастотным отверждением позволяет сократить время отверждения. Широкие боковые поверхности балок шлифуются или строгаются для удаления клея, выдавленного между досками. Узкие верхние и нижние поверхности также могут быть отшлифованы при необходимости для достижения желаемого внешнего вида. Углы часто скругляются. Технические условия на внешний вид могут предусматривать дополнительную отделку, такую как заполнение сучков шпатлевкой, более тонкая шлифовка и нанесение герметиков, лаков или грунтов.

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.

Клей из смолы

Когда в начале двадцатого века клеёная ламинированная древесина была впервые использована в качестве строительного материала, широко применялись казеиновые клеи (водонепроницаемые, но с более низкой прочностью на сдвиг). Соединения, выполненные на казеиновом клее, разрушались из-за внутренних напряжений в древесине. В 1928 году были изобретены холодноотверждаемые синтетические смоловые клеи. "Kaurit" и другие клеи на основе мочевиноформальдегидных смол недороги, просты в использовании, водонепроницаемы и обеспечивают высокую адгезию. Разработка смоловых клеев способствовала широкому распространению строительства из клееной ламинированной древесины.

Суставы пальцев

Использование пальцевых соединений для клеёного бруса позволило наладить крупносерийное производство клееного бруса и колонн. Пальцевые соединения для клеёного бруса обеспечивают большую площадь склеивания. Автоматические станки для изготовления пальцевых соединений вырезают конические пазы, соединяют и склеивают элементы под давлением, формируя прочное и долговечное соединение, способное выдерживать высокие нагрузки, сопоставимые с нагрузками на натуральную древесину аналогичного сечения.

Компьютерное числовое управление

Компьютерное числовое управление (CNC) позволяет вырезать клееной древесины сложные формы с высокой точностью. Станки с ЧПУ могут использовать до пяти осей, что обеспечивает возможность подрезки и фрезеровки внутренних полостей. Экономичные станки с ЧПУ обрабатывают материал механическими инструментами, такими как фрезер.

Недостатки

Стоимость материала. Клееная древесина может быть дороже бетона при высоких осевых нагрузках, хотя это зависит от местоположения и доступности/изобилия того или иного материала. Размеры. По сравнению со сталью и железобетоном, клееная древесина обычно требует более крупных сечений для выдерживания той же нагрузки. Площадь поперечного сечения и высота элементов из клееной древесины значительно больше, чем у стальных.

Спортивные структуры

Крупные крыши стадионов – распространенное применение для широкопролетных клеедеревянных балок. Преимуществами являются малый вес материала и возможность изготовления больших длин и крупных поперечных сечений. Предварительное изготовление используется повсеместно, и конструктору необходимо на ранней стадии проектирования определить методы доставки и монтажа крупных элементов. PostFinance Arena – пример крыши спортивного стадиона, использующей клеедеревянные арки пролетом до 85 метров. Конструкция была возведена в Берне в 1967 году, впоследствии была реконструирована и расширена. Коллезей выпускников Восточного университета Кентукки был построен в 1963 году с использованием самых больших в мире клеедеревянных арок, пролет которых составляет 308 футов (94 метра). Крыша Ричмондского олимпийского овала, построенного для соревнований по конькобежному спорту на зимних Олимпийских играх 2010 года в Ванкувере, Британская Колумбия, представляет собой одну из крупнейших в мире деревянных конструкций с несущими элементами без промежуточных опор. Крыша включает 2400 кубических метров клееных ламелей из древесины Дугласа. Всего 34 клеедеревянных столба из желтого кедра поддерживают свесы, где крыша выходит за пределы стен. Ледовая арена Anaheim Ice в Анахайме, Калифорния, была построена в 1995 году компанией Disney Development Company и архитектором Фрэнком Гери с использованием больших двукриволинейных клеедеревянных балок из желтой сосны.

Мосты

Глюлам использовался для строительства пешеходных, лесных, автомобильных и железнодорожных мостов. Клееные деревянные конструкции, обработанные под давлением или изготовленные из естественно долговечных пород дерева, идеально подходят для возведения мостов и прибрежных сооружений. Дерево обладает естественной устойчивостью к коррозии, вызванной солью, используемой для предотвращения обледенения дорог. Одним из североамериканских мостов, построенных из глюлама, является Кистоун-Уай в Черных холмах штата Южная Дакота, возведенный в 1967 году. Мост да Винчи в Норвегии, завершенный в 2001 году, почти полностью построен из глюлама. Пешеходный мост Кингсвей в Бернаби, провинция Британская Колумбия, Канада, имеет опоры из монолитного железобетона, арку из конструкционной стали и глюлама, предварительно напряженную железобетонную пешеходную плиту и стержни из нержавеющей стали, соединяющие арку с пешеходной плитой.

Религиозные здания

Глюлам используется для строительства многофункциональных сооружений, таких как церкви, школьные здания и библиотеки. Кафедральный собор Христа Света в Окленде, штат Калифорния, является одним из таких примеров, где глюлам используется для усиления экологического и эстетического эффекта. Он был построен на замену собора Святого Франциска де Сейса, который стал непригодным для использования после землетрясения в Лома-Приета в 1989 году. Здание высотой 34 метра, имеющее форму "весики-писки", имеет каркас из клееного ламинированного деревянного бруса и стального стержневого скелета, покрытый стеклянной оболочкой. По сравнению с традиционными методами строительства с использованием стальных или железобетонных рам, данное сочетание глюлама и стали рассматривается как передовой способ достижения экономичности и эстетики в строительстве. В качестве альтернативы использованию свежесрубленных дубов, клееной ламинированной древесины было предложено использовать в качестве конструкционного материала для восстановления шпиля i=unset, уничтоженного пожаром в 2019 году.

Другое

В 2019 году самым высоким сооружением в мире, построенным с использованием клееного бруса, был Mjøstårnet – 18-этажное здание смешанного назначения в Брумундале, Норвегия. В 2022 году его превзошло здание Ascent MKE в Милуоки, штат Висконсин, с 26 этажами и высотой более 86 метров. Крыша музея Центр Помпиду-Метц во Франции состоит из шестнадцати километров клееного слоистого дерева, пересекающихся и образующих шестиугольные элементы. Имея площадь 8000 м², нерегулярная геометрия крыши, с разнообразными кривыми и вогнутостями, напоминает китайскую шляпу.

Неудачи

В 2005 году исследователи из Лундского университета в Швеции выявили ряд дефектов в конструкциях из клееного бруса в скандинавских странах. Они пришли к выводу, что причиной стали ошибки при строительстве или проектировании. Обрушение моста Перколо в Шёа, Норвегия, в 2016 году было вызвано просчетом напряжений в узлах соединения. После этого инцидента было проверено тринадцать дорожных мостов из клееного бруса, при этом были обнаружены лишь незначительные недостатки. 15 августа 2022 года мост Треттен в Гудбрандсдалене, Норвегия, рухнул, когда по нему проезжали два автомобиля. Он был построен из клееного бруса и стали в 2012 году, с расчетным сроком службы "не менее 100 лет". Причина обрушения сразу не была установлена, однако во время инспекции 2016 года в одном из узлов соединения были обнаружены слишком короткие нагели.