Нордификация деревянных строительных блоков и обоснования их применения в условиях Крайнего севера и Арктики

 

 

В.Ш. ШАМСУТДИНОВ, автор разработки и патентообладатель.
Тел.: +7-913-170-6802, +7-967-618-0077 (WhatsApp), e-mail: valeri9131706802@yandex.ru

Ключевые слова: строительный блок, нордификация, малоэтажное строительство, деревянное изделие, теплопроводность, тепловые потери, кусковые отходы, толщина стены
Keywords: building block, standardization, low-rise construction, wood product, thermal conductivity, heat loss, lump waste, wall thickness

The article compares the construction of houses from timber, round wood and wooden blocks. It is noted that a wooden building block made of dried edged pieces of equal length, width and thickness, along the width of which relief notches are made, has high vertical bearing characteristics, allowing it to quickly and accurately install it in place in the longitudinal and transverse planes without using additional special tools and devices. The use of such a block gives an advantage in the northern and arctic regions. This is relevant with the modern approach to standardization. When blocks are assembled across the fibers, their thermal conductivity decreases. And while erecting buildings from these building materials, the quality of the corner and tension between log joints improves, which significantly increases the thermal resistance of the enclosing structures.

В статье сравнивается строительство домов из бруса, круглого леса и деревянных блоков. Отмечается, что деревянный строительный блок, изготовленный из обрезных высушенных, равнокалиберных по длине, ширине и толщине заготовок, по ширине которых выполнены рельефные насечки, обладает высокими вертикальными несущими характеристиками, позволяющими быстро и точно устанавливать его на место в продольной и поперечной плоскостях без использования дополнительных специальных инструментов и приспособлений. Применение такого блока дает преимущество в северных и арктических районах. Это актуально при современном подходе к нордификации. При сборке блоков поперек волокон уменьшается их теплопроводность. при возведении зданий из данных строительных материалов улучшается качество угловых и межвенцовых сопряжений, что в значительной мере повышает тепловое сопротивление ограждающих конструкций.

 

В настоящее время развитие строительной промышленности характеризуется прирастающим числом нововведений в различных аспектах. Появляются новые материалы, улучшаются качественные характеристики существующих аналогов, развиваются технологии строительства и качество выполняемых работ [1]. Параллельно с этим появляются возможности сокращения сроков и стоимости определенных технологических этапов [2]. К тому же, актуальные на сегодняшний день требования к качеству используемых материалов, их экологичности, прочности, эстетичности, влекут за собой увеличение цены выполнения работ. В результате чего взвешенная ценовая характеристика строительных материалов и работ находится в определенных рамках. В особенности это видно при возведении домов на территориях Крайнего Севера, где теплопроводность – один из важнейших показателей при выборе строительных материалов. При повышенном внимании к освоению районов Крайнего Севера и Арктики, в последнее время актуальным вопросом является нордификация строительных материалов [3].

 

001.tif

Рис. 1. График распределения температуры вдоль стены в направлении от угла [7]


На сегодняшний день степень использования древесины в качестве основного конструкционного материала в промышленном и общественном строительстве невелика. Прежде всего, это обусловлено отсутствием современных технологических решений использования древесины в массовом строительстве, в том числе позволяющих преодолеть анизотропию, связанную с теплопроводностью и несущей способностью древесины.

Дерево, несмотря на данные недостатки, используется в строительстве частного домостроения, которое с каждым годом набирает все большую популярность, так как отличается экологичностью и эстетичностью.

002-1.tif 002-2.tif

Рис. 2. Тепловые потери в стенах из бруса


Наиболее рациональным с экономической точки зрения сырьем для изготовления строительных материалов являются отходы лесопильного производства. В лесной промышленности отходы образуются практически на всех этапах производства [4, 5]. Кусковые короткомерные отходы лесопиления – это наиболее перспективное вторичное сырье для изготовления строительных материалов. Кроме того, данное сырье является более дешевым и доступным в лесопромышленных регионах страны [6].

Основные достоинства возведения домов из древесины: малый вес, высокая прочность, эластичность, легкость и простота обработки, эстетичность, шумоизоляция, экологичность и низкая теплопроводность материала. На сегодняшний день деревянные дома строятся из пиленного, профилированного, клееного бруса, круглого леса и деревянных строительных блоков. Именно поэтому теплопроводность у каждого способа возведения домов будет отличаться.

Целью данных исследований является сравнение теплопроводности различных строительных материалов и пород древесины с возможностью нордификации строительных блоков.

Брусовой способ возведения домов. Такая технология наиболее часто используется как в России, так и в других странах. Именно поэтому современные практики строительства сделали такие постройки не только достаточно дешевыми, но и комфортными для проживания.

003.tif

Рис. 3. Визуализация тепловых потерь углового элемента из бруса с помощью тепловизора


Несмотря на достаточную популярность и все достоинства такого способа строительства домов, у него есть и существенные минусы, которые обнаруживаются как на этапе строительства, так и в процессе эксплуатации. Основным недостатком такой технологии является высокая потеря тепла в угловых элементах и в межвенцовых продольных сопряжениях.

По графику распределения температуры вдоль стены в направлении от угла (рис. 1) видно, что температура поверхности стены понижается при приближении к углу [7]. Это связано с тем, что через торцы брусьев вдоль волокон древесины, а также между соединениями двух брусьев происходят значительные потери тепла (рис. 2). На рис. 3 представлена визуализация тепловых потерь углового элемента, выполненного с использованием тепловизора.

004-1.tif 004-2.tif

Рис. 4. Тепловые потери в стенах из круглой древесины


Преимуществами такого способа строительства домов являются: экологичность, эстетичность, теплоизоляционные свойства материала и легкий, относительно быстрый способ возведения.

К недостаткам можно отнести:

− усадку, растрескивание, коробление материала;

− необходимость привлечения только квалифицированных специалистов при монтаже;

− большое количество продольных (межвенцовых) сопряжений, которые являются дополнительными теплопроводными источниками;

− существенные теплопотери в угловых элементах;

− максимальный размер пиленого бруса составляет 250 мм (наибольший размер бруса, используемого на практике, равен 200 мм, брус 250 мм поставляется только на заказ, это связано с технологическими особенностями процесса распиловки и максимальными диаметрами пиловочного сырья [7], что в значительной мере приводит к удорожанию);

− потребность при строительстве в северных территориях дополнительного наружного утепления и отделки;

− требуется внутренняя отделка, что приводит к удорожанию возводимого сооружения.

005.tif

Рис. 5. Визуализация потерь тепла с помощью тепловизора [https://uteplenie-doma.kharkov.ua]


Возведение домов из круглой древесины. Самыми популярными благодаря внешнему виду и экологичности считаются дома, построенные из круглой древесины. Технология производства такого строительного материала достаточно проста. Бревна проходят механическую обработку на специальном оборудовании, после чего получаются одинаковые по диаметру деревянные балки.

Такая технология, равно как и брусовой способ, имеет ряд недостатков. Один из них – теплопотери в угловых и в межвенцовых сопряжениях (рис. 4).

Это также связано с горизонтальным расположением волокон материала, которое в разы увеличивает теплопроводность угловых элементов строения.

К достоинствам такого способа обычно относят следующие качества: экологичность, эстетичность, прочность и долговечность конструкции, относительную простоту строительства.

006.tif

Рис. 6. Блок строительный для технологии сборного домостроения


К недостаткам строений из оцилиндрованного и тесанного бревна можно отнести:

− только около 50% диаметра бревна приходится на дугу соединения (сопряжения). Соответственно максимальная толщина (диаметр) не задействована с точки зрения теплоизоляции и носит только декоративный характер, что увеличивает бесполезный строительный объем, приводящий к удорожанию конструкции;

− большое количество продольных, межвенцовых соединений, которые нуждаются в дополнительной теплоизоляции (канопатка, герметизация);

− угловые соединения вдоль волокон, что в разы увеличивает теплопроводность (на рис. 5 наглядно видны потери тепла в соединениях бревен);

− высокая стоимость пиловочника первого реза с большими диаметрами;

− высокая стоимость и большие трудозатраты на монтаж, длительные сроки строительства;

− усадка, растрескивание, коробление, сложность при внутренней отделке.

007-1.tif 007-2.tif

Рис. 7. Техническое решение для минимизации тепловых потерь в стенах из строительных деревянных блоков


Возведение домов из строительных деревянных блоков. Блок строительный деревянный [8] (рис. 6) конструируется из набора пакетов, составленных из вертикально установленных унифицированных заготовок, принимающих вертикальные нагрузки, в количестве от двух и более, любой длины, но одинаковой длины в одном блоке. Заготовки соединены между собой в продольном направлении боковыми плоскостями. А пакеты (пласти) в свою очередь соединены друг с другом с формированием пазов и шипов по длине и на торцах блока за счет продольного и поперечного смещения пластей относительно друг друга. Соединение пакетов между собой осуществляется при помощи клея и/или других крепежных элементов [8].

За счет такой технологии строительства (рис. 7) потери тепла в стенах сократятся до минимального возможного значения. Для увеличения теплоизоляционных качеств домов на территории Крайнего Севера блоки могут изготавливаться до семи рядов (рис. 8) и более (толщина стены 400-500мм). Такая конструкция значительно уменьшит теплопроводность стен возводимых строений, что очень актуально в условиях Крайнего Севера и Арктики.

008.tif

Рис. 8. Сборка угловых элементов рис. (а, б) и семи рядный строительный деревянный блок (в)


Элементы представленной конструкции блока обладают повышенным тепловым сопротивлением за счет следующих элементов:

− вертикальное расположение материала исключает теплопотери через торцевые элементы в отличие от традиционных строительных технологий;

− в угловом элементе отсутствуют соединения (перерубы), т.к. он является цельноклееным, что исключает теплопотери в местах сопряжения (соединения);

− глубокие шип-пазовые соединения блоков дают двукратное увеличение условного мостика холода за счет ломаного соединения;

− воздушные прослойки в блоках (рис. 9), в которых находится обездвиженный воздух, создающий неоднородность материала, дополнительно увеличивают тепловое сопротивление по всему периметру сопряжения блоков между собой. (Например, при толщине стеновых элементов в 200 мм мостик холода (условный) достигает 400 мм, т.е. соотношение толщины стены к мостику холода один к двум).

009.tif

Рис. 9. Воздушная прослойка в соединении стенового блока


Достоинствами такого изделия являются:

– высокое качество строительства и эксплуатационные свойства малоэтажных сооружений;

– низкая себестоимость и кардинальное снижение трудозатрат при монтаже;

– использование короткомерных пиломатериалов, что позволит в разы уменьшить количество отходов деревообрабатывающего производства [9];

– возможность увеличения толщины стен за счет количества используемых пластей;

– низкая теплопроводность в местах сопряжения блоков за счет наличия полостей с прослойкой обездвиженного воздуха по всему периметру соединения;

– скорость монтажа блоков – 3 м3 в час одним монтажником, что в разы превышает скорость монтажа альтернативных строительных материалов;

– отсутствие усадки после возведения сооружения, т.к. материал расположен вертикально;

– отсутствие внутренней отделки, т.к. используется строганный или шлифованный материал.

 

Таблица 1. Толщина стены при различных минимальных температурах окружающей среды, см.

Строительный материал

Минимальная температура окружающей среды

-15

-20

-25

-30

-35

-40

Бревна

18

18

20

22

24

26

Брус

14

14

14

16

18

20

Строительный блок

12,5

12,5

12,5

14

14

16

 

К стенам сооружений предъявляют основные требования такие как: прочность, долговечность, влагостойкость и теплоизоляционность. Обычно на стены затрачивается большое количество материалов. В связи с этим выбирать материалы и конструкции стен необходимо с учетом климатических условий, этажности дома, наличия средств и т.п. Толщину стен определяют в зависимости от свойств применяемых материалов, учитывая наиболее низкие температуры, которые наблюдаются в зимнее время в данной местности [10].

В СП 50.13330.2012 указаны подробности расчета тепловой защиты зданий. Согласно рекомендациям [11] были определены толщины стен рассматриваемых строительных материалов при различных минимальных температурах. Сводим полученные значения в таблицу 1.

010.eps

Рис. 10. Зависимость толщины стены от температуры


Для более наглядного анализа строим график (рис. 10) по данным из табл. 1. Из данного графика видно, что стены из строительных деревянных блоков способны удерживать тепло при меньшей толщине, относительно стен из бревен и брусьев. Для изготовления блоков можно использовать неликвидную древесину. Кроме того, на изготовление такого блока уходит меньше сырья. Как результат, данная технология строительства экономически выгодна, следовательно, и перспективна.

В справочнике под редакцией
А.М. Боровикова и Б.Н. Уголева [12] описаны макро- и микроскопические сравнения древесных пород. Также описаны различные свойства древесины, в частности ее теплопроводность. Изучив данный справочник, были выбраны породы древесины, которые наиболее часто встречаются в Красноярском крае (табл. 2).

Таблица 2. Теплопроводность различных пород древесины чаще всего встречающихся в красноярском крае

Порода дерева

теплопроводность, 10-3мВт/(м*К)

Береза

250

Ель

110

Кедр

95

Лиственница

130

Сосна (вдоль волокон)

400

Сосна (поперек волокон)

150

Чем ниже коэффициент теплопроводности, тем лучше материал сохраняет тепло


Анализируя данную таблицу, можно сделать вывод о том, что для районов Крайнего Севера при строительстве деревянных домов более рациональным будет использование древесины таких пород, как кедр, ель и лиственница. Поскольку кедр является относительно дорогой породой древесины, рациональнее всего будет использовать ель – породу более дешевую. Для наиболее подверженных гниению мест в строении (нижние ряды сруба, под оконными коробками), можно применять блоки из лиственницы.

Для визуального сравнения тепловых потерь в элементах рассматриваемых блоков в соответствии с расчетами спроектирована модель стенки (рис. 11). Из данной модели видно, что описанные выше технические решения позволяют снизить тепловые потери в соединениях блоков и в угловых сопряжениях здания.

011-1.tif 011-2.tif

Рис.11. Визуализация тепловой однородности стены из строительного деревянного блока: а) – угловой элемент из строительного блока; б) – градация тепловой однородности


Таким образом, в отличие от традиционных вариантов строительных материалов и технического решения, приведенного в научной статье [7], предлагаемое устройство направлено на принципиальное решение проблемы теплопроводности угловых сопряжений. Это достигается за счет следующих особенностей:

1. Конструктивно исключая возможность выхода материала волокнами вдоль, расположив его не горизонтально, как в традиционном использовании древесины, а установив все элементы блока вертикально, тем самым исключая возможность контактирования (выхода) торцевой поверхности с окружающей средой.

2. Конструктивно угловой элемент выполнен в виде правого и левого исполнения и изготовлен цельноклееным, что позволяет исключить соединение (сопряжение) угловых элементов традиционным способом (перерубы в полдерева, в четверть, в «лапу», «ласточкин хвост» и т.п.).

3. Представленная разработка деревянных блоков позволяет добиться необходимой толщины материала (стены) в зависимости от требуемой теплопроводности материала и климатических условий района строительства, в том числе северных и арктических территорий. Причем увеличение толщины не приведет к принципиальному увеличению стоимости, как например, у бруса или круглого бревна.

Использование короткомерных кусковых отходов лесопиления при изготовлении предлагаемых блоков значительно снизит затраты на их производство, а также частично решит проблемы с отходами лесоперерабатывающих производств. Так как в перспективе в строительный оборот может вовлекаться низкосортная и пострадавшая от шелкопряда и других вредителей древесина, а также древесные отходы, то такая технология может считаться наиболее перспективной.

Применение строительного деревянного блока открывает перспективы в строительстве малоэтажных зданий и сооружений даже в условиях нордификации. Представленная разработка позволит в разы сократить тепловые потери в угловых зонах здания и в местах сопряжений материалов, что в значительной мере отразится на энергоэфективности возводимых зданий и сооружений. Что является актуальным не только на Крайнем Севере и Арктике, но и на всей территории России.

Библиографический список

1. Набокова Я.С. Эффективные строительные материалы и способы возведения зданий // Инженерный вестник Дона. 2008. №4. URL: ivdon.ru/magazine/archive/n4y2008/96

2. Лысенко А.О. Обзор российских и зарубежных технологий производства многослойных деревянных панелей // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Строительство и архитектура. 2018. Т. 18. №4. С. 44-52.

3. Inzhutov I.S., Zhadanov V.I., Falk A., Nazirov R.A.,
Amelchugov S.P., Chaikin E.A. Approaches to nordifikation of high-latitude construction engineering // Журнал Сибирского федерального университета. Серия: Техника и технологии. 2019. Т. 12. №2. С. 222-230.

4. Медведев С.О., Безруких Ю.А., Мохирев А.П. Теоретические аспекты переработки древесных отходов лесопромышленного комплекса // Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика. 2015. Т. 3. №9-2 (20-2). С. 209-213.

5. Зырянов М.А., Мохирев А.П., Рябова Т.Г., Карпук С.А. Разработка и экспериментально-теоретическое обоснование технологии переработки порубочных остатков древесины // В мире научных открытий. 2015. №12-3 (72). С. 845-853.

6. Pozdnyakova M.O., Mokhirev A.P., Ryabova T.G. Comprehensive evaluation of technological measures for increasing availability of wood resources // Journal of Applied Engineering Science. 2018. No4 Vol. 16 pp. 565- 569. DOI: 10.5937/jaes16-18842.

7. Назиров Р.А., Баженов В.Р., Игнатьев В.Г. Повышение температуры в угловом сопряжении стен из бруса с учетом тепловой неоднородности // Известие вузов. Строительство. 2016. №8. С. 100-108.

8. Шамсутдинов В.Ш. Патент на полезную модель 157 715, МПК Е04 С 1/00, Блок строительный деревянный. Заявитель и патентообладатель В.Ш. Шамсутдинов. – №2015100356/03; заявл. 12.01.2015; опубл. 10.12.2015 г.

9. Шамсутдинов В.Ш. Деревянный строительный блок для возведения малоэтажных зданий // Инженерный вестник Дона, 2018, №2 URL:ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2018/4870

10. Барабанщиков Ю.Г. Строительные материалы и изделия: учебник / Ю.Г. Барабанщиков. – М.: Академия, 2013. – 275.

11. Попов К.Н. Строительные материалы и изделия: учебник / К.Н. Попов, М.Б. Кадцо. – М.: Высшая школа, 2013. – 372.

12. Боровиков А.М., Уголев Б.Н. Справочник по древесине: Справочник / Под ред. Б.Н. Уголева. – М.: Лесн. пром-сть, 1989. – 296 с. URL: booksite.ru/fulltext/rusles/borov/text.pdf

Е-mail: valeri9131706802@yandex.ru
+7-967-618-00-77 (WhatsApp)