Соединение деревянных конструкций композиционным материалом на основе эпоксидной матрицы и стеклоткани

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ 
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 

ФГБОУ ВПО «МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ 
СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» 

Библиотека научных разработок и проектов МГСУ 

Н.В. Линьков 

СОЕДИНЕНИЯ ДЕРЕВЯННЫХ КОНСТРУКЦИЙ 
КОМПОЗИЦИОННЫМ МАТЕРИАЛОМ 
НА ОСНОВЕ ЭПОКСИДНОЙ МАТРИЦЫ 
И СТЕКЛОТКАНИ 

Москва 2017

2-е издание (электронное)

УДК 624.011.1
ББК 38.55
Л59

СЕРИЯ ОСНОВАНА В 2008 ГОДУ
Р е ц е н з е н т ы
профессор, кандидат технических наук Н. Г. Головин, заведующий кафедрой 
железобетонных и каменных конструкций ФГБОУ ВПО «МГСУ»; 
профессор, доктор технических наук В. И. Линьков, заведующий кафедрой 
конструкций из дерева и пластмасс ФГБОУ ВПО «МГСУ»; 
старший преподаватель А. Ю. Ушаков, ученый секретарь кафедры конструкций 
из дерева и пластмасс ФГБОУ ВПО «МГСУ»; 
старший научный сотрудник, доктор технических наук С. Б. Турковский, 
заведующий сектором несущих деревянных конструкций ЦНИИСК 
им. В. А. Кучеренко ОАО НИЦ «Строительство»; 
профессор, доктор технических наук Д. К. Арленинов, главный инженер СРО НП ГАРХИ

Монография рекомендована к публикации научно-техническим советом МГСУ

Л59
Линьков, Николай Владимирович.

Соединение деревянных конструкций композиционным материалом 
на основе эпоксидной матрицы и стеклоткани [Электронный ресурс] : монография / Н. В. Линьков ; М-во образования и науки Рос. Федерации, Моск. 
гос. строит. ун-т. — 2-е изд. (эл.). — Электрон. текстовые дан. (1 файл 
pdf : 197 с.). — М. : Изд-во МИСИ–МГСУ, 2017. — (Библиотека научных 
разрабо-ток и проектов НИУ МГСУ). — Систем. требования: Adobe Reader 
XI либо Adobe Digital Editions 4.5 ; экран 10".

ISBN 978-5-7264-1683-0
Приведены результаты исследования соединений элементов деревянных конструкций композиционным материалом на основе эпоксидной матрицы и стеклоткани 
(КМ-соединений). Разработаны конструктивные решения КМ-соединений для создания новых и усиления существующих деревянных конструкций из цельной и клееной 
древесины. Определены прочностные и деформационные характеристики композиционною материала, определены экспериментальными и численными методами несущая 
способность и деформативность КМ-соединений при сопротивлении сдвигу. Представлена методика расчета КМ-соединений и деревянных конструкций составного 
сечения на КМ-соединениях по предельным состояниям 1-й и 2-й групп.

УДК 624.011.1 
ББК 38.55

Деривативное электронное издание на основе печатного издания: Соединение деревянных конструкций композиционным материалом на основе эпоксидной матрицы 
и стеклоткани : монография / Н. В. Линьков ; М-во образования и науки Рос. Федерации, Моск. гос. строит. ун-т. — М. : Изд-во МИСИ–МГСУ, 2012. — (Библиотека научных разработок и проектов НИУ МГСУ). — 196 с. — ISBN 978-5-7264-0676-3.

В соответствии со ст. 1299 и 1301 ГК РФ при устранении ограничений, установленных техническими средствами защиты авторских прав, правообладатель вправе требовать от нарушителя возмещения убытков или выплаты компенсации.

ISBN 978-5-7264-1683-0
© Национальный исследовательский 
Московский государственный 
строительный университет, 2012

ВВЕДЕНИЕ 

В современной промышленности строительство является основным потребителем деловой древесины. Древесина — естественный полимер и 
строительный материал, обладающий уникальными свойствами, которые 
обеспечивают для деревянных конструкций эффективное применение в несущих и ограждающих частях зданий и сооружений. Для сбережения лесных ресурсов следует рационально использовать древесину при изготовлении новых деревянных конструкций, а также восстанавливать работоспособные деревянные конструкции в составе существующих зданий и сооружений. Решение указанных задач требует применения эффективных многоцелевых соединений деревянных конструкций, создаваемых на основе 
современных 
композиционных 
материалов, 
задаваемые 
физикомеханические свойства которых в наибольшей степени соответствуют 
свойствам естественного анизотропного полимера — конструкционной 
древесины.  
Разработка и исследование эффективных многоцелевых соединений на основе современных композиционных материалов (КМ-соединений) для применения в конструкциях из дерева и пластмасс способствуют совершенствованию применяемых и сохранению существующих строительных конструкций 
из дерева и пластмасс, расширяют использование прогрессивных конструкций 
из древесины и композиционных материалов.  
В монографии представлены результаты исследования соединений элементов деревянных конструкций композиционным материалом на основе 
эпоксидной матрицы и стеклоткани (КМ-соединений), деревянных кон-
струкций составного сечения, в которых совместная работа отдельных ветвей обеспечивается КМ-соединениями, представлены рекомендации по 
расчету и примеры расчета КМ-соединений. КМ-соединения могут быть 
использованы для создания деревянных элементов составного сечения, 
применяемых в качестве балок, или для формирования плоскостных распорных и сквозных конструкций, а также для усиления и восстановления 
существующих деревянных конструкций. 
Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю профессору Филимонову Эдуарду Владимировичу.  

Глава 1. СОЕДИНЕНИЯ С ПРИМЕНЕНИЕМ ПОЛИМЕРОВ 
И КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ 

Соединения в КДиП применяют для сплачивания, сращивания и 
выполнения узловых сопряжений отдельных деревянных элементов, 
а также для армирования, усиления и ремонта существующих деревянных конструкций. По величине деформации под нагрузкой со

единения подразделяются на податливые, у которых величина деформаций при расчетной нагрузке составляет 1—2 мм, и на жесткие 
соединения (клеевые), деформации которых при расчетной нагрузке 
не превышают деформаций материалов соединяемых элементов. К 
податливым соединениям (рис. 1.1) относятся врубки и лобовые 
упоры 49, 60, 61, 71, 110, 120, соединения на пластинчатых и цилиндрических нагелях 47, 49, 60, 61, 71, 84, 110, 120, на нагельных 
пластинах МЗП и КирПИ 48, 91, 95, на наклонных металлических 
стержнях без применения клея 74, 120.  

  1) 
 2) 

3) 
 4) 

5) 
Рис. 1.1. Податливые соединения: 
 1 — соединение на лобовой врубке с одним зубом;  2 — соединения на 
пластинчатых нагелях; 3 — соединения на стальных цилиндрических нагелях и гвоздях; 4 — соединения на зубчатых пластинах: пластины МЗП и 
пластины КирПИ; 5 — соединения на наклонных металлических стержнях 
без применения клея 

1.1.
Клеевые соединения для деревянных конструкций

Склеивание является прогрессивным способом соединения не 

только однородных, но и разнородных материалов, что дает возможность получать эффективные комбинированные изделия из древесины и сочетаемых с древесиной материалов — древесных пластиков, стеклопластиков, металлов. Клеевые соединения применяются при создании клееных деревянных строительных конструкций, 
листовых и плитных материалов на основе древесного шпона или 
стружки, для армирования деревянных конструкций продольной и 
поперечной металлической и стеклопластиковой арматурой, для узловых сопряжений на вклеенных металлических и стеклопластиковых стержнях, на вклеенных механических связях, для повышения 
прочности и жесткости которых в соединение добавляются клеевые 
составы 44, 48, 61, 89, 92, 120. Клеевые соединения для древесины 
— по пласти, на «ус», на «зубчатый шип» 44, 48, 61, 89, 92, 120 —
применяются для заводского изготовления клееных деревянных 
элементов и конструкций (рис. 1.2). 

Рис. 1.2. Клеевые соединения:

а, б, в — в дощатоклееных конструкциях; г — фанерных листов

Для изготовления индустриальных конструкций из клееной дре
весины, для листовых и плитных материалов на основе древесины, 
для армирования клееных деревянных конструкций (КДК) применяются фенольные клеи (КБ-3), резорциновые клеи (ФР-12, ТУ 6-051748-75; Томарсинол (Финляндия)), алкилрезорциновые клеи (ФР

100, ТУ 6-05-1638-73; ДФК-1АМ, ТУ 6-05-281-7-75), фенольнорезорциновые и фенольно-алкилрезорциновые клеи (ФРФ-50, ТУ 605-1880-79; ДФК-14, ТУ 38-309-38-78; Аэродукс (Швейцария)), карбамидные клеи, модифицированные различными полимерами для 
снижения растворимости водой и снижения хрупкости клеевого 
шва, эпоксидные клеи (ЭПЦ-1, К-153) 110, 113, 114. Все перечисленные клеи — двухком-понентные, с различными наполнителями и 
добавками. Выбор типа клея для изготовления клееных деревянных 
конструкций зависит от температурно-влажностных условий эксплуатации конструкций. 

К современным синтетическим клеям, а также к соединениям на 

их основе, которые применяются в деревянных несущих и ограждающих конструкциях, предъявляют следующие требования 61, 69, 
120:


водостойкость, термостойкость, биостойкость;


устойчивость адгезионных связей;


долговечность;


прочность соединения, не уступающая прочности древесины.

Современные синтетические клеи, применяемые для производ
ства клееных деревянных конструкций (КДК) и древесных пластиков, — резорциновые, фенольно-резорциновые, алкилрезорциновые, 
фенольные, а также эпоксидные клеи — отвечают большинству из 
указанных требований. Равнопрочность с древесиной обеспечивается на скалывание вдоль волокон и на растяжение поперек волокон; 
для увеличения прочности клеевого соединения на растяжение 
вдоль волокон увеличивают площадь склеиваемых поверхностей.

Исследованию вопросов прочности и долговечности клеевых со
единений, предназначенных для склеивания древесины и древесных 
материалов на клеевой основе, посвящены работы Ю.М. Иванова, 
А.Б. Губенко, В.Н. Быковского, Ю.В. Слицкоухова, Л.М. Ковальчука, А.С. Фрейдина, К.Т. Вуба, В.М. Хрулева и др. 93, 78, 8, 59, 48, 
89, 65, 66, 122, 124, 63. 

При определении физико-механических характеристик отвер
жденных клеев проводят испытания на растяжение в соответствии с 
ГОСТ 14236 24 на «пленочных» образцах в виде полоски. Этот 
стандартный метод пригоден для испытания эластичных полимеров. 
Для хрупких материалов используют объемные образцы в виде гантели с шейкой d = 5 мм и L = 40 мм, или призмы по ГОСТ 11262
23. Для испытаний поликонденсационных клеев предложены об

разцы в форме «двойной лопатки» (рис. 1.3.1) с шейкой 2  10 мм 
толщиной 100—300 мкм. Образец выполняют на подложке из лавсановой пленки и вырубают из заготовки на стадии отверждения клея
специальным штампом. Результаты испытаний образцов последнего 
типа на растяжение выявили высокую стабильность показателей 
прочности: вариационный коэффициент для разных клеев в одной 
партии составляет около 10 %. 

Однако наиболее часто встречающимся видом напряженного со
стояния для клеевых соединений в составе КДК являются напряжения 
сдвига и отрыва, но при их различном соотношении. Так, клеевое соединение древесины для сплачивания — увеличения поперечного сечения деревянных элементов — в основном работает и рассчитывается на сдвиг; клеевое соединение для сращивания — увеличения длины деревянных элементов — на растяжение.

Рис. 1.3. Конструкция образцов для определения

физико-механических характеристик клеев: 

1 — пленочные образцы для испытания клеев на одноосное растяжение; 2 

— образцы для испытания клеев на скалывание

В соответствии с 92, основным показателем качества клееной 

древесины является ее сопротивление скалыванию. На рис. 1.3.2
представлены схемы образцов для испытаний клеевых соединений 
древесины на скалывание вдоль волокон, в том числе а — стандартный образец для испытаний по ГОСТ и Рекомендациям 26, 92; б —
образец для оценки прочности модифицированной древесины 78; 

в, г — односрезный и симметричный двухсрезный образцы 59, 93, 
в которых по данным 59, 122 снижается доля нормальных (отрывающих) напряжений по сравнению с образцами типа (а, б).

Для напряженного состояния клеевых соединений свойственно 

неравномерное распределение напряжений по площадке скалывания
122, 124, в том числе на границе раздела клея и склеиваемых материалов, а также перераспределение напряжений во времени (релаксационные процессы). Концентрация напряжений на краях соединения влияет на прочность и процесс разрушения. По данным А.С.
Фрейдина и К.Т. Вуба 122 на рис. 1. представлен характер распределения концентрации касательных напряжений (τ3max / τсредн.) по 
длине площадки скалывания стандартного образца при таких 
нагрузках на образец, когда напряжения, средние по площадке скалывания, близки к пределу прочности на скалывание для древесины 
сосны. 

Рис. 1.4. Концентрация касательных напряжений 

по длине клеевого шва стандартного образца при модулях сдвига:

1 — 500 МПа, 2 — 1200 МПа, 3 — 30 МПа 122

Представлены графики при следующих значениях модуля сдвига 

клея: 1 — G3 = 550 МПа, 2 — G3 = 1200 МПа (эпоксидный клей), 3 —
G3 = 30 МПа (клей ПВА) и при толщине клеевого шва h3 = 0,2 мм. 
Установлено, что увеличение толщины шва h3 уменьшает концентрацию напряжений, но ведет к увеличению усадочных напряжений в 
клеевой прослойке. Разрушение клеевых соединений происходит в 
основном по древесине, и влияние когезионной прочности клея не 

проявляется. По данным 122 усадочные напряжения для соединений 
на эпоксидных клеях очень малы (0,2—0,5 МПа), в то время как для 
фенольных и резорциновых клеев усадка при отверждении довольно 
значительна, а усадочные напряжения составляют для клея: КБ-3 — 9 
МПа, ФР-12 — 5,5 МПа, ФР-100 — 4 МПа. Напряжения, возникающие при усушке или при разбухании древесины, в клеевых соединениях наиболее опасны, когда клеевой шов подвергается неравномерному отрыву. Расслаивание клеевого шва или появление трещин в 
древесине определяется действием максимальных напряжений, концентрация которых возникает на кромках соединений. 

На рис. 1.5 8, 122, 124 представлены расчетные эпюры напря
жений при различном сочетании годовых слоев смежных досок в 
клеевых соединениях. 

Рис. 1.5. Расчетные напряжения в клеевом шве при различном сочетании 

направления годовых слоев в досках 122:

I — сочетание досок различной распиловки: а — тангентальная
тангентальная; б — тангентальная-смешанная; в — тангентальная
радиальная; II — расчетные схемы; III — эпюры распределения напряжений

Наиболее благоприятной считается схема а, возникающая при со
гласованном сочетании досок, когда в клеевом шве при изменении 
влажности древесины возникают только касательные напряжения 
τ3max = 3,21 МПа. По схеме б клеевой шов подвергается неравномерному отрыву, величина напряжений составит σ3max = 51,5 МПа. По 
схеме в симметричные моменты Мо, отрывающие верхнюю доску от 
клееного пакета, вызывают касательные и нормальные напряжения, 
величина которых соответственно τ3max = 1,2 МПа, σ3max = 16,1 МПа. 
Оценка прочности клеевого шва показала, что в схемах а и в максимальные напряжения не превышают когезионной прочности клея. В 
схеме б максимальное напряжение σ3max сопоставимо с когезионной 
прочностью клея (для эпоксидного клея К-155 σпч = 61 МПа) и выше 
прочности древесины, т.е. разрушение клеевых соединений возможно в основном в период набора клеем прочности. Для древесины 
наиболее неблагоприятна схема в, так как растягивающие поперек 
волокон напряжения по расчету достигают 3,6 МПа, что сопоставимо с прочностью древесины на растяжение поперек волокон. 

В работах 48, 83, 87, 122 отмечается, что из всех перечисленных 

выше клеевых групп именно эпоксидные клеи обладают высокой 
адгезией к большому числу материалов, малой усадкой, высокой когезионной прочностью, а также малой чувствительностью к нарушениям технологического процесса склеивания 122. Они применяются для склеивания металлов между собой, с пластмассами, с цементно-бетонными материалами 63. Эпоксидные клеи прочно склеивают древесину с металлом и применяются для армирования клееных 
деревянных конструкций, например круглой металлической или 
стеклопластиковой арматурой периодического профиля 48, 90, 107, 
для создания высокоэффективных соединений на наклонных 3, 48, 
76, 83, 86, 117, 123 и поперечных 94 вклеенных стержнях. Для 
решения перечисленных задач наиболее пригодны эпоксидные клеи 
холодного отверждения на основе смолы ЭД-20, такие как ЭПЦ-1, 
К-153 48, 94, 122. Состав клея ЭПЦ-1 представлен в табл. 1.1. 

По данным 122 жизнеспособность клеев при t = 20 C со
ставляет около 2—3 ч, при этой же температуре за 12—18 ч 
прочность клеевого соединения достигает прочности древесины 
сосны. Отвержденные эпоксидные клеи являются термореактивными пластмассами, свойства которых отвечают требованиям 
(110, п.п. 1.7, 4.11), но применяются ограниченно в основном