Древесные структурные панели: определение, виды, свойства и применение

• Древесные структурные панели (wood structural panels), также известные как инженерные древесные панели (engineered wood panels), широко применяются в домах и офисах, придавая современный вид. Инженерное дерево — разновидность производных древесных продуктов, создаваемых склеиванием или фиксацией древесных волокон, шпонов или плит клеями или иными методами для получения композитного материала. В статье разбираются вопросы:
  Что такое древесные структурные панели?
• Сферы их применения.
• Свойства инженерного дерева.
• Виды структурных панелей.
• Преимущества и ограничения инженерного дерева.

Что такое древесные структурные панели?

Инженерное дерево (engineered wood), или массовое древесина (mass timber), композитное дерево (composite wood), искусственное дерево (man-made wood), плитные материалы (manufactured board) — разновидность древесных продуктов, получаемых склеиванием/фиксацией древесных волокон, шпонов или плит клеями/фиксаторами в композитный материал.

Структурная древесная панель определяется в МЖК 2018 (IRC, ICC) как: «панель, произведенная из шпонов; или древесных стружек/пластинок; соединенных водостойкими синтетическими смолами или иными допустимыми методами». Примеры: фанера, ОСП (ориентированно-стружечные панели), композитные панели.

Толщина: от миллиметров до 410 мм (16 дюймов) и более (переклеенное клеенное древесина — CLT). Размеры: от дюймов до 19.5×2.4 м (64×8 футов) и более. Продукты спроектированы под точные расчетные требования, протестированы по национальным/международным стандартам, обеспечивают единообразие и предсказуемость структурных характеристик.

Сферы применения древесных структурных панелей

Обычно используют те же твердые и мягкие породы, что и для пиломатериалов. Из волокон/частиц — опилки и отходы пиления; фанерные шпоны, МДФ, ДСП — из целых бревен. ОСП использует тополь (poplar) — распространенный, но неструктурный вид.

Применение: промышленные изделия, коммерческие здания, жилое строительство. Во многих проектах заменяют сталь в бальках и перекрытиях. Класс материалов, замещающих бетонные конструкции — массовое древесина (mass timber). В ближайшие десятилетия массовое внедрение mass timber вместо стали и бетона в среднеэтажном строительстве поможет борьбе с изменением климата.

Применение структурных панелей в строительстве:

• Перекрытия (Floors)
• Стены (Walls)
• Крыши (Roofs)

Перекрытия (Floors)

Типичная панель для подпола и подложки — 23/32 дюйма (18.3 мм), шаг опор 24 дюйма (610 мм). Дает жесткую, прочную, ровную базу для любого финишного покрытия (ковролин с подложкой) при опорах ≤24″. Часто двухслойная система: структурный подпол + подложка (underlayment).

Стены (Walls)

Структурные панели предотвращают сдвиг стен (racking) от ветровых и сейсмических нагрузок, держат стены вертикальными. В некоторых случаях обшивку из панелей заменяют картоном, пено-пластом или иными материалами.

Крыши (Roofs)

Часто используются как обрешетка/подложка под гидроизоляцию на наклонных и плоских крышах. Воспринимают вес людей, техники, снеговые/дождевые нагрузки, защищают от поперечных нагрузок (ветер, землетрясения). Популярные толщины: 7/16″ (11 мм) и 15/32″ (12 мм). Фермы обычно с шагом 24″. Нормы допускают панели 3/8″ (9.5 мм) при шаге ≤24″ в малоснежных регионах.

Свойства инженерного дерева

Существует множество способов использовать древесину для выполнения физических требований промышленности, но большинство работают на макроуровне и не меняют микроструктуру или материаловые свойства. Одновременное достижение высокой механической прочности и приемлемой формообразуемости — вызов. Существуют методы получения дерева, сочетающего высокую механическую долговечность и формуемость.

Процесс: частичная делигнификация и смягчение натурального дерева, затем сушка со сжатием волокон и сосудов. Финал — «шок» водой для селективного раскрытия сосудов. Водяной шок создает сморщенные стенки волокнистых клеток и частично открытые капилляры. Благодаря микроструктуре дерево становится гибким и формообразуемым. Раскопоскопия (SEM) показывает: волокна формообразуемого дерева плотно упакованы, некоторые сосуды частично открыты после водяного шока.

Механические свойства инженерных панелей/дерева: испытание на изгиб, растяжная прочность, сжимательная прочность.

Виды древесных структурных панелей

• Фанера (Plywood)
• Уплотненное дерево (Densified wood)
• Волокнистые плиты (Fibreboard: MDF, HDF/hardboard)
• Древесно-стружечные плиты (Particle board / Chipboard)
• ОСП (Oriented Strand Board)
• Клееное клееное древесина (Glued laminated timber / Glulam)
• Ламинированный шпон / ЛВЛ (Laminated Veneer Lumber)
• Переклеенное клееное древесина / КЛТ (Cross Laminated Timber)

Фанера (Plywood)

Первый инженерный древесный продукт — структурная панель. Перекрестно-ламинированные шпоны, склеенные влагостойкими клеями под теплом и давлением. «Перекрестная ориентация» (сменяющаяся ориентация волокон слоев) повышает прочность и жесткость в обеих направлениях. ОСП и композитные структурные панели — дальнейшие разработки.

Уплотненное дерево (Densified wood)

Древесные волокна механически сжимают в горячем прессе, повышая плотность в 3 раза. Ожидается пропорциональный рост прочности и жесткости. Ранние исследования подтвердили: 3-кратный рост механической прочности.

Волокнистые плиты (Fibreboard)

Остаточные твердые/мягкие породы → древесные волокна → смесь с воском и смолой-вязателем → прессование под высоким теплом и давлением в панели (МДФ и ВДФ/хардборд).

Древесно-стружечные плиты (Particle board)

Древесные щепы, опилки, пыль + синтетическая смола/вязатель → прессование и экструзия. ОСП (oriented strand board) — похожий материал, но из механически подготовленных стружек (flakes) для большей прочности. Также: flakeboard, wafer board, chipboard. Когда экономия важнее прочности и вида — ДСП заменяет дерево и фанеру (дешевле, плотнее, однороднее). Главный недостаток: высокое набухание и изменение цвета от влаги, если не покрашено/не герметизировано.

ОСП (Oriented Strand Board)

Структурная панель из прямоугольных древесных стружек, ориентированных продольно, уложенных слоями в ковры и склеенных влагостойкими термоотверждающими клеями. Слои могут быть перекрестно ориентированы для прочности и жесткости. Большинство панелей ОСП сильнее в одном направлении. Обычно направление стружек в внешних слоях совпадает с максимальной прочностью. Стрелки на продукте указывают сильное направление (обычно высота/длинная сторона). ОСП — сплошная панель без стыков, пустот, полостей, производится в огромных непрерывных коврах.

Клееное клееное древесина / Глаulam (Glued laminated timber)

Структурный материал для горизонтальных/вертикальных балок и колонн. Слои размерного пиломатериала, склеенные влагостойкими клеями. Можно изготавливать изогнутые формы — широчайшая свобода дизайна.

Ламинированный шпон / ЛВЛ (Laminated Veneer Lumber)

Тонкие шпоны склеены в большой билет (billet). Волокна всех шпон параллельны длинному направлению. Результат: шире диапазон сечений, длин и глубин, чем у обычного пиломатериала, за счет улучшенных мех. свойств и размерной стабильности. ЛВЛ — член семьи структурных композитных пиломатериалов (SCL). Те же структурные применения: стропила, переборки, балки, перекрытия, обримы, стойки, колонны.

Переклеенное клееное древесина / КЛТ (Cross Laminated Timber)

Многослойная панель из пиломатериала, укладываемого поперек друг другу для жесткости и прочности. Универсальна и долговечна. Пролеты любой длины, все сборки: перекрытия, стены, крыши. Преимущество: панели готовы на заводе, поставляются как flat-pack — ускорение сроков стройки (сборка-вкручивание).

Теплоизолирующие структурные панели (SIP)

Структурно-теплоизолирующие панели (SIPs) — композит: пенополистирол (EPS) между структурными древесными панелями. Для крыш, стен, полов. Энергоэффективны. Обычно ЭПС 7/16″ ОСП обшивка. Толщина ЭПС до 300 мм (1 фута) — идеально для холодных климатов. Электрика и сантехника заложены, все проемы и формы вырезаны на заводе. После фундамента здание «в контуре» за 2–3 дня. Затем гипсокартон внутри — как в обычном строительстве.

Преимущества и ограничения инженерного дерева

Преимущества:

• Можно произвести под конкретные расчетные требования (искусственный материал). Требования к сырцу (длина/ширина бревна) не диктуют форму/размеры.
• Гибкость: широкий спектр толщин, ширин, сортов, классов наружной долговечности — для стройки, промысла, быта.
• Максимизация естественной прочности и жесткости дерева. Некоторые продукты прочнее и стабильнее обычного пиломатериала.
• Глаulam (клееное клееное) жестче и прочнее размерного пиломатериала, и по удельной прочности превосходит сталь.
• Некоторые продукты дают свободу дизайна без потери структурных качеств.
• Простая обработка обычными инструментами и базовыми знаниями: резь, фрезеровка, сверление, клеение, крепеж. Фанеру можно гнуть без потери прочности. Крупноформатные панели ускоряют стройку (меньше операций на панель).
• Эффективное использование древесины: из малоценных пород, бракованного пиломатериала, мелких отходов.
• Древесные фермы: большие пролеты, высокое отношение прочность/вес — для крыш и перекрытий.
• Структурные преимущества для домостроения.
• Устойчивое дизайно: из относительно мелких деревьев, а не массивных бревен, требующих вырубки крупных деревьев.

Недостатки:

• Больше первичной энергии на производство vs цельное дерево.
• Клеи некоторых продуктов могут быть токсичны. Выделение формальдегида из мочевино-формальдегидных смол в готовом продукте — проблема (часто при мочевино-формальдегидных связках).
• При резке/обработке некоторые продукты экспонируют работников вредным химикатам.
• Некоторые инженерные продукты (для интерьера) слабее и склоннее к вождению от влаги vs аналогичные массивные породы. Большинство плит на волокнистой/стружечной основе неуместны на улице из-за гигроскопичности.

Заключение

Обшивка из древесных структурных панелей сохраняет структурную жесткость дома и позволяет утеплять стены до более высоких R-value, создавая высокопрочные стеновые системы, доступные и удобные для подрядчиков. В статье разобраны все вопросы о древесных структурных панелях. Надеемся, материал полезен. Делисьтесь с коллегами. Спасибо за чтение!