Формирование сегментов постоянного сечения при использовании тонких круглых лесоматериалов для изготовления пустотелого клееного бруса

В общем объеме лесосечного фонда тонкомерная низкотоварная древесина в среднем составляет чуть более 30% и в большинстве своем при разработке делян остается на корню или уничтожается агрегатной техникой при валке деревьев

Одним из путей решения проблемы может быть производство пустотелого клееного бруса. Такой брус известен не только в России, но и за рубежом. Например, во Франции применяется схема раскроя «Revue du bois», в Германии такой брус называется «кройц-балка», в США также существует технология производства пустотелых брусьев (inside-out beams)

Рисунок 1 - Общий вид полого клееного бруса: 

1 – сегмент бруса; 2 – полость

DOI:10.60797/IRJ.2025.157.56.1

Однако при продольном раскрое бревен параллельно оси получаются сегменты переменного сечения. Сушка таких сегментов вызывает определенные трудности, т. к. заготовка будет усыхать не равномерно и это будет одной из причин повышенного их коробления. Предельные отклонения по толщине в соответствии с ГОСТ 24454-80 для пиломатериалов толщиной до 32 мм составляют 

$\pm$

1,0 мм, а от 40 до 100 мм –

$\pm$

2,0 мм. Учитывая, что сегменты за счет сбега будут иметь по длине предельные отклонения по толщине существенно больше, в работе предлагается вести раскрой бревен параллельно сбегу. Данная технология позволяет получать сегменты постоянного сечения. В этом случае в центре бревна получается остаток клиновидной формы. Поэтому актуальными становятся вопросы оценки сбега тонкомерных бревен лиственницы даурской и уточнение методики расчета определения объема древесины в пустотелом клееном брусе и объема самого бруса. Кроме того, такие сегменты имеют минимальное количество перерезанных годичных слоев и близкую к радиальной структуру, поэтому имеют лучшую формоустойчивость и более высокую прочность склеивания

[7]

. Привлечение дополнительных ресурсов в производство бруса будет в определенной мере способствовать развитию деревянного домостроения, где брус является одним из основных конструктивных элементов

[8]

. Кроме того, такой пустотелый брус имеет меньшую массу, чем цельный аналогичных размеров.

Объект исследования — технология переработки тонкомерных круглых лесоматериалов. Предмет исследования — методика определения объема самого пустотелого клееного бруса, получаемого из тонкомера, и объема древесины в нем.

Цель работы — определение объема самого пустотелого клееного бруса, получаемого из сегментов постоянного сечения при раскрое бревна параллельно сбегу, и объема древесины в нем. В настоящей работе решались следующие задачи: экспериментальная оценка сбега тонкомерных бревен из лиственницы; разработка методики определения объема сегментов и пустотелого бруса, склеиваемого из сегментов постоянного сечения, и программного приложения, позволяющего оперативно рассчитывать необходимые параметры пустотелого клееного бруса и его сегментов.

Для оценки сбега было измерено 24 бревна лиственницы даурской длиной 4 м. В соответствии с ГОСТ 2292-88 толщина бревен определялась как среднее арифметическое значений результатов измерений двух взаимно перпендикулярных диаметров с учетом смещения от нехарактерных участков (сучки, капы, прорости, трещины и т. п.), с шагом 0,5 м от комля к вершине.

Диаметр в комлевой части у бревен колебался от 13,5 до 23,5 см (средний — 18,4 см), а в вершинной — от 11,0 до 18,0 см (средний — 14,9 см). Средний сбег лиственничных бревен составил 0,87 см/м. В работе

Схема раскроя получения бруса из сегментов постоянного сечения показана на рис. 2.

Рисунок 2 - Схема изготовления бруса из сегментов постоянного сечения

DOI:10.60797/IRJ.2025.157.56.2

Технологический процесс включает следующие основные операции:

 – сортировка по группам диаметров и качеству;

– окорка бревен;

– торцовка бревен в размер;

– формирование фасок на бревне с 4-х сторон;

– продольная распиловка бревна на 4 сегмента;

– формирование сушильных штабелей;

– сушка сегментов;

– нанесение клея;

– сборка бруса из сегментов;

– склеивание (прессование);

– калибрование бруса;

– упаковка и складирование.

Объем древесины в пустотелом брусе, получаемом при раскрое тонкомерных круглых лесоматериалов параллельно оси и параллельно сбегу, можно определить, воспользовавшись геометрическим приложением определенных интегралов

Тогда объем древесины пустотелого бруса

Зная такие параметры как длина бревна

Объем горбыля

где 

где 

Рисунок 3 - Схема для определения объемов горбылей при раскрое бревна

DOI:10.60797/IRJ.2025.157.56.3

При этом объем 

$V_{Sb}^{ax}$

 горбыля, отпиливаемого параллельно оси бревна, определяется как

При расчете объема древесины пустотелого бруса

где 

Объем пустотелого бруса рассчитывается как

где 

Для ускорения процесса вычислений было разработано пользовательское программное приложение, описание работы алгоритма которого в виде обобщенной блок-схемы дано на рис. 4.

Рисунок 4 - Обобщенная блок-схема алгоритма приложения

DOI:10.60797/IRJ.2025.157.56.4

Графический интерфейс и программный алгоритм приложения позволяют, задавая требуемые параметры бревна, сегмента, получаемого из бревна, и клееного пустотелого бруса (рис. 5), вычислять необходимые характеристики такого пустотелого бруса и его сегментов (рис. 6).

Рисунок 5 - Пользовательское приложение с исходными данными

DOI:10.60797/IRJ.2025.157.56.5

Рисунок 6 - Приложение с результатами вычисления

DOI:10.60797/IRJ.2025.157.56.6

Для схемы раскроя на рис. 2 и принятых исходных данных (рис. 5) объем комплекта сырых необработанных сегментов получился равным 0,0118 х 4 = 4,72

$\cdot$

10-2 м3, масса которых составляет 41,5 кг (плотность лиственницы 880 кг/м3 при влажности 60%). Объем самого клееного пустотелого бруса равен 5,53

$\cdot$

10-2 м3. В то же время масса цельного бруса таких же размеров будет составлять 48,7 кг. Сравнение массы цельного и пустотелого бруса показывает, что последний легче на 14,7%. При этом прочность их практически одинакова. Используемое программное приложение позволяет оперативно рассчитать параметры элементов клееного бруса, обеспечивающие максимальную прочность как за счет оптимальной ширины фаски, так и близкой к радиальной структуре древесины полученных сегментов.

В статье отражены результаты экспериментально определенного сбега тонкомерных бревен лиственницы даурской. По итогам рассмотрения научных работ по имеющимся технологиям изготовления пустотелого клееного бруса предложена методика определения объема древесины в пустотелом брусе и объема самого бруса, позволяющая более точно рассчитать не только объем бруса, но и его массу. Применение данной методики позволяет повысить эффективность его использования в конструкциях различных сооружений.

В работе для ускорения процесса вычислений и оперативного подбора из тонкомерных бревен сегментов постоянной высоты (ширины), обеспечивающих максимальную прочность пустотелого клееного бруса, впервые разработаны алгоритм и соответствующее пользовательское приложение, которое, кроме того, позволит прогнозировать выход пустотелого бруса требуемого сечения из имеющихся тонкомерных круглых лесоматериалов.

Сегменты, получаемые при раскрое бревна по сбегу, имеют постоянную толщину и структуру, близкую к радиальной, что обеспечивает не только высокую прочность склеивания, но и высокое качество сушки за счет формирования сушильных штабелей из отсортированных сегментов с постоянной толщиной.

Расчеты подтверждают, что масса пустотелого бруса меньше, чем цельного таких же размеров. Для практического применения пустотелого бруса в производстве ведется подготовка разработки технических условий с последующим утверждением соответствующего нормативного документа, в ходе которой используется представленное приложение.