Древесина и пластмассы как конструкционные строительные материалы

2. Древесина  и пластмассы как конструкционные  строительные материалы. Нормативные  и расчетные сопр отивления.  Коэффициенты условий работы  конструкций.

Для несущих конструкций  рекомендуется древесина хвойных  пород-сосна, ель. Древесину твердых  пород следует применять в ответственных частях конструкций(подушки, вкладыши, нагели). Лесоматериал мягких пород(осина, тополь, ольха) и малоценных твердых пород(береза) следует применять взамен хвойных в конструкциях временных сооружений и в клеенных конструкциях.

 

Деревянные ограждающие и несущие конструкции рекомендуется применять в ЗиС различного назначения, возводимых в районах, лесной фонд которых имеет эксплуатационное значение, а также в районах с развитой производственной базой по изготовлению деревянных конструкций.

Для производственных помещений с  агрессивной средой к стали и  железобетону, при необходимости  создания диэлектричности или «радиопрозрачности»  ЗиС, а также для мобильных  сборно-разборных зданий заводского изготовления применение деревянных конструкций допускается во всех районах страны. Кроме того, из древесины можно выполнять опоры линий электропередачи и осветительных сетей, связи, а также временные здания и сооружения.

Клееные деревянные конструкции рекомендуется  применять для тех же условий  при наличии специализированных заводов по их изготовлению и соответствующем технико-экономическом обосновании. При этом следует учитывать, что клееная древесина наиболее эффективна для получения длинных элементов больших сечений, эффективного использования лесоматериалов различной сортности, удовлетворения требований к интерьеру, повышения огнестойкости и долговечности конструкций.

Конструкции из дерева проектируют  преимущественно сборными, заводского изготовления, с небольшим количеством типоразмеров унифицированных элементов. Они должны быть технологичны, малой трудоемкости при изготовлении, транспортабельны. Унификация элементов и частей конструкций особенно важна при проектировании деревянных клееных конструкций и их изготовлении на поточных линиях.

Монтажные соединения элементов конструкций должны быть простыми, удобными для выполнения. Крепежные детали (болты, винты, вклеенные стержни) — из стали или высокопрочных пластмасс. Склеивать деревянные элементы на монтаже не допускается. В зданиях с покрытиями из деревянных конструкций предусматривают только наружный отвод воды с кровли. Не рекомендуется устраивать на крыше фонарные и другие надстройки.

При проектировании предусматривают  необходимые конструктивные мероприятия  и защитную обработку древесины, обеспечивающие сохранность конструкций при хранении, транспортировании и монтаже, а также долговечность в процессе эксплуатации. Предпочтение следует отдавать конструкциям заводского изготовления.

Деревянные конструкции изготовляют  преимущественно из лесоматериалов хвойных пород (сосны, ели). Мягкие лиственные породы (осина, тополь) и широко распространенные твердые лиственные (береза, бук) используют взамен хвойных в конструкциях временных зданий и сооружений, а также, при обосновании, в капитальных зданиях. В клееных конструкциях лесоматериалы указанных пород можно использовать без ограничения, но при изменении технологии изготовления (операций сушки, склеивания).

Твердые лиственные породы (дуб, граб) применяют для ответственных  деталей: нагелей, вкладышей, подушек. При этом подбирают древесину прямослойную, без сучков и других пороков, влажностью не выше 12 %. Допустимо использование древесины березы и бука при обязательном антисептировании.

Лесоматериалы в зависимости от вида и пороков разделяют на сорта. Для несущих конструкций древесина должна удовлетворять требованиям 1-го, 2-го и 3-го сортов по ГОСТ 8486—86Е.

Причина широкого распространения  используемых в настоящее время  деревянных строительных конструкций-главным  образом ферм покрытий, а также каркасов и деревянных панелей - кроется в основных закономерностях строительства из дерева, которые за тысячелетия по мере технического прогресса выделились и определились.

Преимущества: 1)сравнительно легкий материал;.2)легко поддается обработке как на заводах, так и на стр. площадках;

3)строительные детали из древесины  могут быть соединены различными  способами; 4)деревянные конструкции  позволяют создавать формы, трудно  или совсем не осуществимые  при использовании других материалов; 5)деревянные конструкции особого вида (например, оболочки) часто оказываются более экономичными, чем бетонные или другие массивные конструкции; 6)древесина обладает рядом ценных строительно-физических свойств, например низкой теплопроводностью. 
Недостатки: 1)анизотропность (зависимость механич хар-к от многих факторов: направления, влажности и др.); 2)гигроскопичность и ее следствия; 3)неоднородность строения и влияние пороков; 4) горючесть; 5)загниваемость.

Древесина напоминает пучок трубок, идущих в одном направлении и  придающих ей тем самым анизотропные свойства. Физические и механические свойства параллельных и перпендикулярных к оси ствола участков дерева в значительной мере отличаются друг от друга.

 

Физико-механические свойства:

-физические 1) Плотность (500-800 кг/м3) 2) Теплопроводность (низкая) 3) Термическое  расширение (незначительно)

--механические 1) Прочность Древесина анизотропный материал, т.е. прочность различна в  разных направлениях Макс прочность  достигается, когда направление  действия нагрузки совпадает с направлением волокон. 2) Жесткость  (деформативность. Жесткость незначительна  поэтому треб-ся проверка 3) Твердость.  Низкая. Хорошо обрабатывается. 4)  Гидроскопичность (Влияет на прочность, поскольку  древесина способна разбухать  или сохнуть. Усушка способствует появлению трещин.)

 

Временное сопротивление  определяется путем испытаний большого количества образцов. В результате статистической обработки получают нормативное сопротивление. Основной характеристикой материалов, по которой оценивается их способность сопротивляться силовым воздействиям, является нормативное сопротивление R^н Расчетное сопротивление материала получают путем деления нормативного сопротивления на коэффициент безопасности по материалу:   R=R^н /γm ,где γm – коэффициент безопасности  по материалу. В СНиП даны расчетные сопротивления для сосны цельного сечения R*m_п*m_в*m_б*m_сеч*m_кр . m_п –коэффициент по породе, m_в –коэффициент , учитывающий условия работы, m_б –коэффициент, учитывающий высоты сечения, m_сеч- коэффициент, учитывающий целостность сечения, m_кр- коэффициент, учитывающий криволинейность оси.

 

Пластмасса

Полимеры, являющиеся основой пластмасс,—  это высокомолекулярные соединения, молекулы которых состоят из многих элементарных звеньев одинаковой структуры. Элементарные звенья соединены между собой ковалентны-ми связями в длинные цепи или образуют жесткие и пластичные пространственные решетки.

Получают полимеры из исходных низкомолекулярных  органических веществ (мономеров).

Слово «полимер» образуется из двух греческих слов: «поли», что означает множество, много, и «мерос» — часть, доля.

Пластическими массами называются материалы, которые в качестве основного  компонента содержат синтетический полимер. Пластмассы могут состоять из одного полимера или содержать кроме полимера некоторые вспомогательные вещества, придающие им определенные свойства.

В основе технологии синтеза высокомолекулярных соединений лежат два основных метода получения полимеров — полимеризация и поликонденсация, различающиеся как по механизму основной реакции, так и по строению образующихся полимеров, поэтому все синтетические полимеры делятся на два основных больших класса— полимери-зационные и поликонденсаци-енные.

Полимеризация — это процесс  соединения большого числа молекул  мономера одного и того же вещества в одну большую макромолекулу. Этот процесс протекает обычно при определенной температуре и давлении без выделения каких-либо низкомолекулярных веществ. При полимеризации химический состав полимера соответствует химическому составу исходного мономера.

Поликонденсация представляет собой  химический процесс получения высокомолекулярных соединений из мономеров различных исходных веществ, сопровождающийся выделением побочных продуктов (воды, спирта и др.).

Пластмассы могут быть неоднородными, состоящими из главного компонента — связующего вещества (смолы) и технологических добавок: пластификаторов, наполнителей, стабилизаторов, антистатиков, красителей, инициаторов, порообразователей и др., и однородными, к которым относятся, например, полиэтилен, полиметилметакрилат и др.

Связующие вещества (смолы). Для конструкций  и изделии строительного назначения в основном применяют полиэфирные, фенолоформальдегидные, эпоксидные, мочевино- и меламинс-формальдегидные и  кремнийорганиче-ские смолы.

Наполнители уменьшают расход связующего, что снижает стоимость готового изделия, предотвращают усадку при отверждении, придают большую механическую прочность и т. д. В качестве твердых наполнителей применяют непрерывное и рубленое стекловолокно, стеклоткань, асбестовое волокно, древесную стружку, опилки, тальк и др.

Пластификаторы снижают хрупкость  пластмасс, увеличивают гибкость, эластичность и относительное удлинение, а также повышают морозостойкость материала. Кроме того, они улучшают условия переработки пластмасс.

Для придания полимеру комплекса нужных свойств применяют смеси пластификаторов, чаще всего такие, как трибутилфос-фат, дибутилфталат, трикрезилфосфат и  др.

Стабилизаторы способствуют сохранению физико-механических свойств пластмасс  во времени и снижают скорость процессов деструкции (разложения) материалов под влиянием атмосферных условий, повышенных температур, света и микробиологической коррозии.

По характеру действия стабилизаторы  делятся на актиоксиданты или  термостабилизаторы (против термоокис-лителыюй деструкции) и светостабилнзаторы (против фотолиза и фотоокисления).

Антистатики уменьшают электризацию полимерных материалов в процессе их переработки и эксплуатации изделий  из них. Способность полимерных материалов накапливать заряды статического электричества объясняется тем, что по своим свойствам многие из этих материалов (полиолефины, полистирольные пластики, поливинилхлорид и др.) являются диэлектриками, т. е. обладают значительным удельным поверхностным и объемным электрическим сопротивлением, а следовательно, и ничтожно малой проводимостью.

В качестве антистатика для пластмасс  применяют поверхностно-активные вещества и электропроводящие наполнители (сажа, графит, порошки металлов).

Прочностные характеристики

Нормативное сопротивление конструкционных пластмасс Rn определяется как предел прочности материала в соответствии с требованиями технических условий.

Кратковременные расчетные сопротивления  находят из выражения R^k=R^н*k_одн    k_одн=(М-3s)М - коэффициент однородности, устанавливаемый на основании статистического анализа результатов массовых испытаний прочностных свойств материалов; он зависит от степени полимеризации, наличия дефектов, отклонений в составе и технологии изготовления пластмасс; М—среднее арифметическое значение пределов прочности;

s - среднее квадратичное отклонение предела прочности.

Длительное расчетное сопротивление  пластмасс R при нормальных температурно-влажностных  условиях

R= R^k* _kдл

Коэффициент длительного сопротивления  материала устанавливается при  испытаниях до разрушения серии образцов, нагруженных длительной нагрузкой, при напряжениях, составляющих определенную часть от предела прочности материала. В некоторых случаях коэффициент длительного сопротивления определяется из условия максимально допустимой деформативности материала во времени.

Расчетные сопротивления материалов, эксплуатируемых в условиях воздействия  атмосферной среды, повышенной температуры и влажности, определяются умножением соответствующих расчетных сопротивлений на коэффициенты условий работы:  m_f , m_t , m_w

Учет влияния атмосферных и  температурно-влажностных воздействий  на модули упругости и сдвига материалов производится так же, как и для расчетных сопротивлений.

Деформативность полимерных материалов под нагрузкой при расчете  строительных конструкций с применением пластмасс по деформациям характеризуется кратковременными и длительными модулями упругости и сдвига соответственно Е^к и G^K, E и G. Величины  Е^к и G^K определяются из кратковременных статических испытаний стандартных образцов как отношение приращения напряжения к приращению относительной деформации образца.