Применение перекрестно-ориентированных слоев в конструкции клееных деревянных балок

Введение. Исследуется возможность применения перекрестно-ориентированных слоев в клееных деревянных балках и определение напряженно-деформированного состояния таких балок. Основным преимуществом использования перекрестно-ориентированных слоев в клееных балках является возможность применения отходов производства пиломатериалов в перекрестно-ориентированных слоях.

Материалы и методы. Рассмотрены 3- и 5-слойные балки, склеенные только из продольных ламелей, и балки, скомбинированные из продольных и перекрестно-ориентированных слоев. Исследование разбито на два этапа: расчет конструкции балок в программном комплексе Лира и испытание образцов на изгиб. Образцы для испытаний изготовлены с помощью двух типов клея: однокомпонентного полиуретанового клея Tricol и клея на основе фенолформальдегидных смол БФ-4.

Результаты. По результатам расчета в ПК Лира нормальные напряжения 3-слойных балок с перекрестно-ориентированными слоями выросли на 6,5 %, чем у балок без них, у 5-слойных балок с перекрестно-ориентированными слоями нормальные напряжения выросли на 25 % относительно балок с продольными слоями. Деформативность балок с применением перекрестно-ориентированных слоев по расчету изменилась незначительно по сравнению с балками, склеенными только из продольных ламелей. По результатам испытания наилучшие результаты по прочности и характеру разрушений показали образцы, склеенные с использованием однокомпонентного полиуретанового клея. Данные образцы при испытании продемонстрировали максимальную сходимость разрушающей нагрузки. Средняя сходимость расчетных напряжений с напряжениями, полученными по результатам эксперимента, составила порядка 90 %. Средняя сходимость результатов расчета по деформациям и экспериментальным данным составила 88,8 %.

Выводы. При применении перекрестно-ориентированных слоев в конструкции клееных деревянных балок наиболее пригодными к ограниченному использованию в реальных конструкциях оказались 3-слойные образцы, показавшие снижение прочности порядка 20 %. Применение перекрестно-ориентированных слоев в клееных деревянных балках позволит снизить отходы производства пиломатериалов с незначительной потерей их несущей способности.

1. Перекопская М.А., Алексеев Ю.В. Организация территорий с развитым лесопромышленным комплексом (на примере Швеции и России) // Вестник МГСУ. 2020. Т. 15. № 9. С. 1228–1238. DOI: 10.22227/1997-0935.2020.9.1228-1238.

2. Altuncu D., Kasapseçkin M.A. Management and recycling of constructional solid waste in Turkey // Procedia Engineering. 2011. Vol. 21. Pp. 1072–1077. DOI: 10.1016/j.proeng.2011.11.2113

3. Mirski R., Dukarska D., Derkowski A., Czarnecki R., Dziurka D. By-products of sawmill industry as raw materials for manufacture of chip-sawdust boards // Journal of Building Engineering. 2020. Vol. 32. P. 101460. DOI: 10.1016/j.jobe.2020.101460

4. Теличенко В.И., Лапидус А.А., Слесарев М.Ю. Анализ и синтез образов экологически ориентированных инновационных технологий строительного производства // Вестник МГСУ. 2023. Т. 18. № 8. С. 1298–1305. DOI: 10.22227/1997-0935.2023.8.

5. Ghanbari-Ghazijahani Т., Gorji Azandariani M., Vimonsatit V., Sulong N.H.R. Experiments and design of concrete-filled steel tubes with timber chips under axial compression // Thin-Walled Structures. 2023. Vol. 186. P. 110679. DOI: 10.1016/j.tws.2023.110679

6. Dias S., Tadeu A., Almeida J., António J., de Brito J. Steel-concrete bond behaviour of concrete mixes with wood waste: pull-out and bending tests of full-scale beams and columns // Construction and Building Materials. 2023. Vol. 383. P. 131343. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2023.131343

7. Amiandamhen S.O., Adamopoulos S., Adl-Zarrabi B., Yin H., Norén J. Recycling sawmilling wood chips, biomass combustion residues, and tyre fibres into cement-bonded composites: Properties of composites and life cycle analysis // Construction and Building Materials. 2021. Vol. 297. P. 123781. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2021.123781

8. Евсеев А.В., Черкасов А.В., Веселова П.А. Поиск оптимального шага несущих деревянных балок межэтажного перекрытия из СИП-панелей // Наука и бизнес: пути развития. 2020. № 4 (106). С. 61–63.

9. Патент RU № 2118589C1, МПК B27M 3/04. Способ изготовления деревянных плит из отходов пиломатериалов / Пимяков И.Н., Кудашкин Ю.Л.; заявл. № 97109711/13 от 10.06.1997; опубл. 10.09.1998.

10. Патент RU № 204008U1, МПК E04C 3/14. Брус из обрезков фанеры / Микрюкова Е.В., Митрофанов В.Е., Волдаев М.Н.; заявитель Поволжский государственный технологический университет; заявл. № 2020141664 от 17.12.2020; опубл. 04.05.2021.

11. Bond C.E., Killingsworth J., Elliott J.W., Schaller Z., Conrad S. Wood waste reduction through volumetric modular building techniques // Cleaner Waste Systems. 2025. Vol. 11. P. 100253. DOI: 10.1016/j.clwas.2025.100253

12. Mayencourt P., Cousin T., Ganeles S., Mueller C. Zero-waste fabrication methodology for structurally optimized mass timber beams // Journal of Cleaner Production. 2025. Vol. 490. P. 144518. DOI: 10.1016/j.jclepro.2024.144518

13. Chen H., Ma W., Kasal B., Wei Y., Yan L. Flexural behavior of adhesively bonded cross-laminated timber-concrete composite (TCC) panel with glass-fiber textile mesh as reinforcement in concrete: Experimental studying and numerical simulation // Engineering Structures. 2025. Vol. 330. P. 119916. DOI: 10.1016/j.engstruct.2025.119916

14. Dong W., Rose C.M., Stegemann J.A. Cross-laminated secondary timber: Validation of non-destructive assessment of structural properties by full-scale bending tests // Engineering Structures. 2024. Vol. 298. P. 117029. DOI: 10.1016/j.engstruct.2023.117029

15. Llana D.F., González-Alegre V., Portela M., Íñiguez-González G. Cross Laminated Timber (CLT) manufactured with European oak recovered from demolition: Structural properties and non-destructive evaluation // Construction and Building Materials. 2022. Vol. 339. P. 127635. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2022.127635

16. Малышкин А.П., Максимова О.М. Отечественный опыт применения LVL-бруса в несущих конструкциях // Вестник евразийской науки. 2023. Т. 15. № 5.

17. Лукин М.В., Чибрикин Д.А., Рощина С.И. Численные исследования модифицированных композитных балок с учетом физической нелинейности древесины // Известия высших учебных заведений. Строительство. 2023. № 5 (773). С. 5–19. DOI: 10.32683/0536-1052-2023-773-5-5-19.

18. Мартынов В.А., Мясников Д.О., Рощина С.И. Исследование прочности и деформативности клееных деревянных балок с ламелями из термически поврежденной древесины сосны // Лесотехнический журнал. 2024. Т. 14. № 1 (53). С. 170–189. DOI: 10.34220/issn.2222-7962/2024.1/10.

19. Фадеев Р.Н., Лисятников М.С. Развитие области применения модифицированной древесины в клееных деревянных конструкциях // Международная конференция по физике материалов, строительным конструкциям и технологиям в строительстве, промышленной и производственной инженерии (MPCPE-2024). 2024. С. 230–236.

20. Чибрикин Д.А., Лукин М.В., Лукина А.В., Тюрикова Т.В., Рощина С.И. Численное исследование напряженно-деформированного состояния модифицированной деревянной балки // Известия высших учебных заведений. Лесной журнал. 2022. № 3 (387). С. 167–178. DOI: 10.37482/0536-1036-2022-3-167-178.

21. Repin V.A., Lukina A.V., Strekalkin A.A. Parameterization of Maxwell — Cremona diagram for determining forces in elements of a scissors truss // Structural Mechanics of Engineering Constructions and Buildings. 2024. Vol. 20. Issue 2. Pp. 97–108. DOI: 10.22363/1815-5235-2024-20-2-97-108.

22. Минигалеева С.А. Численное моделирование деревянной балки в программном комплексе ANSYS // Современная наука: проблемы, идеи, тенденции. 2021. С. 95–101.

23. Lukina A., Popova M., Sergeev M., Chibrikin D. Polymer compositions for restoration of destructed wooden structures // E3S Web of Conferences. 2023. P. 03002. DOI: 10.1051/e3sconf/202340103002.

24. Лукина А.В., Сергеев М.С. Исследование напряженно-деформированного состояния композитных деревянных балок // Безопасность строительного фонда России. Проблемы и решения. 2021. С. 183–190.

25. Устарханов О.М., Булгаков А.И., Муселемов Х.М., Устарханов Т.О. Расчет трехслойных балок с учетом клеевого шва по методу конечных элементов с помощью ПК Лира // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Технические науки. 2012. № 5 (168). С. 69-72.