Лекции по "Деревянным конструкциям"

Что касается упругих характеристик  древесины, то модуль упругости древесины  вдоль волокон значительно выше, чем поперёк волокон. Это относится  так же и к прочностным характеристикам.

Для расчёта элементов деревянных конструкций необходимо знать прочность  древесины при различных видах  напряжённого состояния, а так же при сложном состоянии (растяжение с изгибом). Определение предела  прочности производится путём  испытания стандартных образцов выполненных из чистой, без всяких пороков древесины. В пределах одной и той же породы древесины испытания могут показать значительный разброс показателей прочности. Это объясняется неоднородностью древесины. Например, у хвойных пород прочность поздней древесины в 3 раза выше прочности ранней древесины. Так же может быть различным толщина стенок трахейд. Абсолютная величина ширины годовых слоёв так же влияет на прочность. Так древесина принадлежит к тем материалам, на прочность которых большое влияние оказывает скорость приложения нагрузки. Придел прочности выше, как показывают опыты, если серию одинаковых деревянных образцов загрузить различной по величине постоянной нагрузкой, то разрушение их произойдёт через разные промежутки времени. Чем больше нагрузка (тем больше напряжение в элементе), тем скорее разрушится образец. При этом может оказаться, что часть образцов не разрушится.

Предел долговременного сопротивления  – это наибольшее напряжение, при  котором разрушение не произойдёт, сколько бы нагрузка не действовала. Кривая длительного сопротивления даёт возможность определить сколько времени пройдёт от начала загружения, до разрушения образца при том или ином напряжении. Предел прочности в данном случае стремится к некоторой постоянной величине R_дл.

Характер кривой показывает, что  предел прочности хотя и падает, но не безгранично, он стремится к  некоторой постоянной величине R_дл.

Асимптота кривой длительной (долговременного) сопротивления делится весь диапазон изменения нагрузки на две области:

1) δ R_дл – это область ниже асимптоты, где разрушение образца не происходит, как долго не действовала нагрузка.

2) δ R_дл – это область выше асимптоты, где разрушение с течением времени неизбежно, и оно произойдёт тем скорее, чем величина δ больше. Это ассимптический характер кривой длительного сопротивления справедлив для многих видов напряжённого состояния древесины. По кривой длительного сопротивления можно графически показать зависимость деформаций от времени при величине действующей нагрузки.

При напряжении  δ R_дл деформации с течением времени затухают, стремясь к некоторому пределу. При напряжении δ = R_дл, после некоторого уменьшения скорости деформации на участке в - г наступает процесс развития деформации с постоянной скоростью на участке г - д.  Далее в момент времени t₁ начинается ускоренный рост деформаций, приводящий к разрушению материала. Как видно из графика древесина обладает свойством после действия, как в упругой, так и вне упругой области, т.е. рост деформации в течение некоторого времени после приложения нагрузки. Последствия наблюдаются на практике, например,  провисание балок, находящихся долгое время под эксплуатационной нагрузкой. Долговременное длительное сопротивление является показателем действительной прочности древесины в отличие от предела прочности. Предел прочности определяется путём быстрых испытаний стандартных образцов. Переход от предела прочности к величине длительного сопротивления производится умножением предела прочности на  коэффициент длительного сопротивления.                                      

δ_дл = k_удл × δ_дл ;

Коэффициент длительного сопротивления  по опытным данным составляет k_удл = 0,5 – 0,6.

Так же опыт показывает, что при очень быстром приложении нагрузки (удар груза по конструкции) предел прочности завышен по отношению к величине длительного сопротивления в среднем в 3 раза. Т.о. относительная прочность древесины при её испытаниях с различной скоростью изменения в пределах от 1 до 3.

Для сокращения времени испытания  были разработаны ускоренные методы определения предела длительного  сопротивления доводящие продолжительность  испытаний до нескольких дней или  часов.

11.Пороки древесины.

К основным порокам древесины относят  сучки и косослои.

Сучки являются показателем отбора леса. Наличие в древесных элементах оказывает особое влияние на прочность при растяжении элементов.

Из-за наличия сучков в  растянутых элементах теряется некоторая  площадь сечения элемента, т.е. расчет на прочность ведут с площадью сечения НЕТТО с учётом ослаблений сечений. Так же в пиломатериалах из-за наличия присучкового косослоя часть волокон оказывается перерезанными. Норма регламентирует размеры сучков. В растянутых элементах допустимые сучки d ≤1/4 b(h) [размеры поперечного сечения]. Сучок с размером  d = 1/4 b(h) может снижать прочность до 25-27%. В сжатых элементах влияние сучков на прочность значительно меньше.

В сжатых элементах влияние  сучков меньше, это связано с тем, что при таком состоянии сучок оказывается обжатым соседней древесиной. Если сучок не выходит на кромку, а расположен в середине, то он влияет на прочность значительно меньше. Вследствие этого при проектировании деревянных конструкций следует придерживаться принципа концентрации материала. В массивных элементах влияние сучков меньше.

Косослой – наклонное расположение волокон (слоёв) древесины. Косослой может быть естественный (при росте дерева) и искусственный (при неправильной распиловки), так же как для сучков косослой в большей мере влияет на прочность растянутых элементов.

Из-за наличия в растянутых деревянных элементах  возникает  опасное скалывающее напряжение (τ) и раскалывающее напряжение (δ_90р). Влияние косослоя на прочность древесины уже заметно при его угле 3⁰.  Допускают следующие косослои: tg α =0,1……0,07, где α – угол косослоя.

Именно из-за косослоя при  конструировании и расчёте лобовых  врубок длину площадок скалывания ограничивают. 

Опорный узел на лобовых врубках.

 

 

 

 

12.Работа древесины на растяжение, сжатие и поперечный изгиб.

Предел прочности древесины  при растяжении вдоль волокон  в стандартных чистых образцах высок  для сосны и ели, он в среднем  равен 100 МПа. Модуль упругости Е₀=110000-120000 кг/см². Наличие сучков и косослоев значительно снижает сопротивление древесины растяжению. При разрыве поперёк волокон предел прочности в 12 – 17 раз меньше, чем вдоль волокон. Это связано с анизотропностью древесины. Испытание стандартных образцов на смятие вдоль волокон дают значение предела прочности в 2-2.5  раза меньше, чем при растяжении. Для сосны и ели при влажности 12% - предел придел прочности на сжатие в среднем составляет 40МПа, а модуль упругости вдоль волокон примерно такой же, как при растяжении. На работу древесины при сжатии пороки оказывают значительно меньшее влияние, чем при растяжении. Работа сжатых элементов конструкции более надёжна, чем растянутых. Поэтому широкое применение получили металлодеревянные конструкции, имеющие растянутые элементы из стали (нижние пояса ферм, растянутые раскосы) и сжатые, сжатые изгибаемые элементы из древесины. Предел прочности древесины при поперечном изгибе занимает промежуточное положение между прочностью нам растяжение и сжатие, в среднем он составляет 75Мпа (при влажности 12%). Что касается модуля упругости, то он примерно такой же, как при сжатии, так и при растяжении. Здесь влияние сучков и косослоев значительно, поскольку при изгибе имеется растянутая зона. Влияние пороков в брёвнах при работе на изгиб меньше, чем в пиломатериалах, поскольку в брёвнах  отсутствует выход на кромку перерезанных при распиловке волокон, а так же нет отщеплений волокон в их присучковом косослое. Можно выделить 3 стадии работы древесного элемента при поперечном изгибе:

1. h₁=h₂, δ_-<δ₊ - здесь определение краевого напряжения древесины при изгибе по формуле Навье  δ=M/W  соответствует линейному распределению напряжений по высоте сечения и это действительно в пределах небольших напряжений.
2. h₁>h₂, δ₊>δ_-    - на второй стадии при дальнейшем росте нагрузки и увеличении кривизны эпюры, эпюра сжимающих напряжений примет криволинейный характер, а нейтральная ось сдвинется в сторону растянутой кромки сечения, при этом фактическое краевое напряжение сжатия меньше, а напряжение растяжений больше величины по формуле.
3. h₁>>h₂, δ₊>>δ_- В третьей стадии проходит разрушение деревянного элемента. В стадии разрушения сначала в сжатой зоне происходит разрыв наружных волокон. Волокна древесины сжатой зоны теряют устойчивость.

13.Работа древесины его смятие, скалывание и раскалывание.

В древесине различают смятие вдоль  волокон, поперёк волокон и под  углом к ним. Прочность древесины  на смятие вдоль волокон мало отличается от прочности на сжатие вдоль волокон  и современные нормы не делают между ними различий. Смятию древесины поперёк волокон древесина сопротивляется слабо. Это связано со строением древесины, из-за трубчатого строения смятие древесины поперёк волокон характеризуется значительными деформациями. После сплющивания и разрушения стенок клеток происходит уплотнение древесины. Уменьшение деформации и соответственно сопротивления сжимаемого образца увеличивается. О работе на смятие поперёк волокон древесины главным образом судят по значению допустимых в эксплуатации деформаций.  Здесь велико значение фактора времени. Предельным здесь является напряжение при условном пределе пропорциональности. Этот придел минимален при смятии по всей поверхности, максимален при смятии на части длины и ширены. Среднее значение предела пропорциональности соответствует смятию на части длины. Это связано с поддержкой сжимаемой площадки соседними незагруженными участками. Т.е. сопротивление тем выше, чем уже сжимающий штамп.

Что касается работы древесины на смятие под углом к волокнам, то её сопротивление при этом возрастает с уменьшением угла. Это можно показать на диаграмме. Из диаграммы видно, что максимальное сопротивление древесина имеет при смятии вдоль волокон (при 0^о). Сопротивление древесины на смятие под углом к волокнам определяют по формуле:

Термин «скалывание» древесины означает разрушение материала в результате сдвига одной части материала относительно другой (той же самый срез)

Термин «раскалывание» древесины  означает разрушение материала от действия растягивающих усилий, направленных перпендикулярно волокнам древесины.

14.Влияние влажности на прочность древесины.

При повышении влажности от 0 до точки насыщения волокон (до 30%) её прочность уменьшается, деформативность  увеличивается, а модуль упругости  снижается. На ударную прочность  древесины и на прочность при растяжении вдоль волокон влажность влияет меньше. В других случаях влияние влажности велико: при её уменьшении на 1% прочность меняется на 3-5%. Повышение влажности свыше точки насыщения волокон не приводит к дальнейшему снижению прочности.

Для сравнения прочности древесины все показатели прочности приводят к одной стандартной влажности 12%. Приведение к стандартной влажности производят по следующей формуле:

R₁₂=R_W×(1+k×(W-12))

R_W – предел прочности при влажности в момент испытания;

R₁₂ – стандартная влажность;

W - влажность в момент испытания;

k – коэффициент, зависящий от вида деформирования (изгиб, скалывание).

При сжатии k=0,05;

При изгибе k=0,04;

При скалывании k=0,03.

Эта формула действительна в  пределах изменения влажности от 8 до 23 %.

Влажность определяется взвешиванием  образцов до и после высушивания или с помощью электромера. Модуль упругости так же необходимо приводить к стандартной влажности.                                              

 E₁₂=E_W×(1+0,02×(W-12%))

СНиП рекомендует уменьшать расчётное сопротивление и модуль упругости при увлажнении древесины при кратковременном и длительном. 

E×m_в при кратковременном m_в=0,85;

E×m_в при длительном m_в= 0,75.

В зависимости от влажности древесины  лес делят на сырой W>25%, полусырой 18%≤W≤25%, и воздушный 12%≤W≤18%.

g=600кг/м³,  g=555кг/м³.   

 

15.Влияние температуры на прочность древесины.

С повышение температуры прочность  древесины уменьшается, с понижением увеличивается, что касается модуля упругости, то он понижается при повышении температуры, что в свою очередь увеличивает деформативность деревянных конструкций. Предел прочности при текущей температуре приводят к стандартной температуре равной 20^о С по формуле:

R₂₀=R_T + β×(T-20), где

R_T - прочность при данной температуре (⁰С);

R₂₀ - искомая прочность при температуре = 20⁰ С;

β – поправочное число на температуру, в зависимости от вида напряжённого состояния.

β = 3,5 – при сжатии;                     

β = 4,0 – при растяжении;

β = 4,5 – при изгибе.

Эта формула приведений действительна  в пределах от 10 -50⁰С.

Примечание: пересчёт температуры  на  20⁰ С должен производится после перерасчёта к влажности 12%.

 

 

16.Строительная фанера как конструктивный материал.

Строительную фанеру получают на основе древесины. Это слоёный листовой материал, состоящий из нечётного числа слоёв (может быть 3,5,7). Эти слои называют  шпонами. Эти шпоны получают лущением прямолинейных отрезков ствола дерева.

Смежные шпоны фермы имеют взаимоперпендикулярное расположение волокон и склеиваются  между собой горячим холодным прессованием.