Лекции по "Деревянным конструкциям"

1.Область применения конструкций из дерева и пластмассы.

1.В гражданском строительстве  (здания павильонного типа: спортивные  здания, выставочный павильон, торговые  здания, престижные здания; жилищное  строительство: жилые дома, коттеджи, мансарды и т.д.).

2.Сельское строительство (животноводческие, птицеводческие здания, складские здания: зерносклады, склады мин. удобрений, различных химических средств, теплиц).

3.Промышленное строительство (здания  лёгкого машиностроения; вспомогательные  цеха; склады, гаражи).

4.Транспортное строительство (моста  автодорожные, пешеходные).

5.Строительство линий передач  (ЛЭП, различного рода линии  связи).

6.Опалубки, леса.

7.Пластмассовые и пневматические  конструкции.

Древесины делятся на 2 большие  группы:

-древесины хвойных пород;

-древесины лиственных пород;

В качестве материала для несущих  конструкций, чаще всего используют хвойную древесину, это связано  с характеристиками хвойных пород, а так же преобладанием хвойных  пород.

Из всех запасов нашей страны на лиственницу приходится 40%, сосна - 20%, ель и пихта – 20%, кедр – 10%. Наиболее распространённая порода древесины лиственница, наиболее распространённый строительный материал – сосна.

Древесина наиболее легкий материал.

Древесина прочный материал.

Для оценки прочности можно использовать удельную прочность:

R – расчётное сопротивление материала

g - дельный вес.

Для древесины сосны R=13МПа, g = 500 кг/м³

=2600м.

Для стали R=210МПа, g = 7.8 т/м³

=2690м.

Для бетона R=30МПа, g = 2.2 т/м³

=1360м.

Таким образом, по удельной прочности древесина сопоставима  со сталью, это значит, что наиболее рациональной областью применения древесины  являются большепролётные конструкции  – спортзалы, стадионы, плавательные бассейны.

2.Достоинства древесины как конструктивного материала:

1.Древесина дешевле, чем сталь,  её запасы постоянно возобновляются.

2.Легкообрабатываемость. Отходы  древесины могут быть использованы  для изготовления строительных  материалов.

3.Низкая теплопроводность (высокие теплотехнические свойства: - плохая проводимость тепла, связанная с трубчатым строением клеток; - теплопроводность древесины вдоль волокон больше, чем поперёк волокон, малая теплопроводность древесины поперёк волокон является основой широкого применения её в ограждающих частях отапливаемых зданий, в результате чего, толщина деревянных стен по сравнению с кирпичом сравнительно меньше; - линейное расширение при нагревании различно вдоль волокон и поперёк волокон, вдоль волокон в 7-10 раз меньше, чем поперёк волокон и в 2-3 раза меньше, чем у стали [коэффициент линейного расширения]; - малое линейное расширение от тепла вдоль волокон, позволяет в деревянных зданиях и сооружениях отказаться от устройства температурных швов, также, например,  в фермах до 30 м. можно обойтись без подвижных опор, можно устраивать жёсткое сопротивление).

4.Коррозиционная стойкость – древесина химически более стойкая чем металл и ж.б. Поэтому деревянные конструкции можно рекомендовать для применения в зданиях с  химически агрессивной средой. Применение древесины целесообразно для деревянных конструкций складов для таких агрессивных материалов, как калийные, натриевые соли, минеральные удобрения, разрушающие сталь.

5.Архитектурные достоинства.

недостатки древесины:

- гниение древесины, вызванное увлажнением

- биологические вредители (бактерии, грибы, жуки древоточцы – термиты  и др.)

- возгораемость, что требует  спец. Обработки для её защиты.

- коробление древесины, вызванное  усушкой и разбуханием при  изменении влажности.

- довольно дорого производство отделочных деревянных конструкций (клеёные конструкции) в большинстве своём это связано с обязательными специальными мероприятиями древесины.

Древесину, используемую в строительстве  делят на круглый и пиленый  лесоматериал.

 Круглый лесоматериал в зависимости от диаметра бревна делят на жерди (d<13см); (к)пировочник (22см<d); подтоварник (12см<d<22см), диаметр измеряют наиболее тонким сечением бревна.

Материалы изготавливают длиной от 1м. до 6.5 м. с градацией через 25 см. Уменьшение диаметра бревна от комле (нижняя часть ствола) к вершине – называется сбегом в среднем равен 8- 10 мм на 1м.

Доской считается пиломатериал у которого ширина в 2 раза больше толщины, если в 1,5 раза то – брусок.

Стандартные пиломатериалы изготавливаются в соответствии с ГОСТом. Толщина их может быть от 16 – 650 мм. Ширина: 75-275 мм. Влажность пиломатериала составляет 20-25%.

 

3.Строение древесины.

Необходимо рассмотреть 3 разреза: поперечный, радиальный, тангенсальный.

На поперечном сечении ствола дерева различают следующие части:

- тонкий слой камбия (под корой), который отлагает древесину, камбий  работает с разной интенсивностью, зависящей от внешних условий.  И в растущем дереве камбий  обуславливается прирост древесины  из коры.

- сердцевина, сердцевинная трубка d 2-5 мм (в центре сечения древесины) у бузины d может быть до 10 мм.

- древесина между камбием и  сердцевиной состоит из 2 частей разных по свету. Внутренняя зона более тёмная- ядро, наружная более светлая – заболонь, оболонь; ядро – массив мёртвых клеток, по заболони происходит движение минеральных веществ - восходящий поток. С возрастом размеры ядра увеличиваются за счёт перехода части заболоневой древесины в ядровую. В то же время процент поперечного сечения ствола заболони увеличивается с переходом вверх по стволу дерева. Те породы у которых различают  ядро и заболонь называют ядровыми (сосна, лиственница, кедр, тополь, акация и др.). У других пород различия в цвете нет, но центральная часть ствола имеет существенно меньшую влажность – спелодревесные породы (ель, пихта, бук и др.). Эти породы легко пропитываются антисептиками. У пород у которых нет различия во влажности и цвете – заболониевые породы (берёза, ольха, осина, липа, клён). Светлые полоски на поперечном сечении – это сердцевинные лучи, по ним происходит снабжение древесины в поперечном направлении. Сердцевинные лучи состоят из малопрочных клеток, особенно отчётливо их видно в древесине дуба. В большинстве своём именно по ним происходит скалывание и образуются усушечные трещины.  

На продольном разрезе ствола также можно увидеть смоляные ходы. Смола в данном случае выполняет следующую функцию – защищает древесину от загнивания, её можно назвать природным антисептиком. Из всех пород самая труднозагнивающая -  это лиственница. Из лиственницы делают сваи, нижние венцы рублёных зданий. Сердцевинная трубка – это образование из малопрочных рыхлых клеток. В ответственных зданиях и сооружениях не допускается применение следующей доски, где сердцевидная трубка выходит на полость доски.

Что касается микроструктуры древесины, то она состоит из клеток 2 видов: прозенхинные, паренхийные.

Паренхийные клетки во всех 3 осевых направлениях имеют примерно одинаковые размеры. В хвойной древесине они входят в состав сердцевинных лучей.

Прозенхинные клетки – так называемые трахейды. Это полые клетки сильно вытянутые в длину заострёнными концами составляют 95% общего  древесины. Их длина может составлять до 5 мм в процессе роста они врастают друг в друга, толщина их может составлять для весенней ранней древесины от 25-40 мм и для поздней древесины толщина может быть до 27,5 мкм.

Лиственные породы состоят из клеток «лимбрифора». Стыкование трахей в продольном направлении является подсказкой решения конструкторов стыков растянутых клеёных элементов.

Трахейды внутри полые, стенки клеток трахейд включают в себя микрофибрилл – это кристаллическая целлюлоза, стенки клеток трахейд заполнены веществом – лигнин.

        Целлюлозные микрофибриллы обеспечивают высокую прочность древесины на растяжение. Прочность на сжатие древесины даёт лигнин. Микрофибриллы – арматура, лигнин – бетон.

4.Влага в древесине. Влажность.

В древесине различают 2 вида влаги: связанная (гигроскопическая), свободная (капиллярная). Связанная влага находится  в толще клеточных оболочек, а  свободная влага в полостях клеток и межклеточных пространствах. Максимальное количество связанной влаги – предел гигроскопичности (предел насыщения волокон), составляет 30%.

W= (G₁-G₂)/G₂×100% - влажность древесины.

G₁ - вес до высушивания;

G₂ - вес после высушивания.

В древесине влажность может  изменяться в большом диапазоне  с учётом этого различают: сырой  лес (пиломатериал W>25%, g = 600кг/м³), воздушно сухой лес (W=18-25%, g = 550кг/м³), сухой лес (W<18, g = 500кг/м³).

Клеёная древесина должна иметь  влажность от 8 до 12%. Увеличение влажности больше 30% может быть за счёт свободной влаги. Свежесрубленная древесина содержит 80-100% влажности. Влажность сплавного леса может быть до 200%. При изменении Влажности от 0 до предела насыщения волокон (30%) объём древесины увеличивается и древесина разбухает. Снижение же влажности в этих пределах уменьшает размеры и приводит к усушке древесины. Такие изменения как разбухание и усушка зависят от плотности древесины: чем плотнее древесина, тем больше её разбухание и усушка. Линейная усушка вдоль волокон, в радиальном и тангенсальном направлениях существенно различается. Из-за малости продольной усушкой пренебрегают. Радиальная усушка – 12-14%, тангенсальном – 6-8% (или наоборот). Следствием неравномерности усушивания является корабление досок. При увеличении влажности свыше точки насыщения волокон дальнейшего разбухания не происходит, чем толще материал, тем больше коробление волокон.

 Кроме коробления поперечных  сечений пиломатериалы могут  искривляться по длине.

Закон коробления – покоробившаяся доска всегда направлена выпуклостью к середине бревна из которого она выпилена.

5.Форма изменяемости  деревянных элементов.

Изменение влажности  сопряжено  с такими показателями, как усушка и разбухание, что в свою очередь  самым неблагоприятным образом сказывается на напряжённом состоянии элемента деревянной конструкции. Усушка в свою очередь приводит к нежелательному короблению деревянных элементов, как по сечению этих элементов, так и по их длине. Именно с короблением связано,  например, требование предъявляемое к половой рейке (b≤144 мм).

При изготовлении клеёного пакета различают  согласованное и несогласованное  расположение годовых колец досок.

Предпочтительно применять согласованное  расположение годовых колец.

Из-за разной деформативности древесины и фанеры, что может быть вызвано усушкой или разбуханием, нормой ограничивают ширину клеёного шва при соединении древесины с фанерой до 10 см.

 

Вообще для клеёных конструкций  предпочтительнее использовать тонкие доски, они менее подвержены короблению, их легче сушить и гнуть (при необходимости [гнутоклеёные конструкции]).

 

Конструкция так же учитывает образование  усушечных трещин. Особенно опасно в тангенсальном направлении. Как  правило они возникают в центре пиломатериала.

 

В таких узлах расстановка болтов или других деталей производится в 2 или в 4 ряда с таким расчётом, что бы не находились на оси элемента.

Наибольшую опасность представляют тангенсальные трещины, нежели чем  радиальные.

 

Поэтому конструкторы часто намеренно  выполняют радиальные пропилы в элементах деревянных конструкций, чтобы избежать опасности возникновения других усушечных трещин.

 

6.Прочность древесины  и сопротивление её огню.

Горение представляет собой реакцию  соединения горючих компонентов  древесины с кислородом, сопровождающуюся выделением тепла и дыма, и появлением пламени и тления. Возгорание древесины может возникнуть в результате  кратковременного нагрева её до 250 ⁰С  или длительном воздействии более низких температур. При  горении происходит химическая деструкция древесины (разложение) называемая – пиролизом. В результате нагрева, сначала из испаряется влага, пока влага не испарится температура древесины остаётся 100 ⁰С. При повышении температуры до 150 - 200 ⁰С древесина высыхает, изменяет цвет (желтеет), появляются первые признаки её деструкции (обугливание). Далее происходит термическое разложение её компонентов. Интенсивность горения зависит от подачи и количества кислорода в воздухе.

 

(6)Огнестойкость деревянных конструкций.

Огнестойкость конструкций – это  способность конструкций нести нагрузку и сохранять свою несущую способность, не разрушаясь  в условиях пожара. Наибольшую огнестойкость имеют массивные элементы.

 

Деревянная стружка и древесная  пыль являются взрывоопасными. В пожарном отношении деревянные конструкции неправомерно рассматриваются более опасными, чем металлические и железобетонные. Во время пожара металлические и железобетонные конструкции быстро теряют прочность и внезапно может произойти хрупкое разрушение, в то время как деревянные массивные конструкции могут достаточно медленно терять свою несущую способность. Иначе говоря древесина обладает высоким пределом огнестойкости.

 

Железобетон имеет довольно высокую  огнестойкость, кроме одного его  вида – это струнобетон.

 

 

10.Механические свойства древесины.

Одна из основных причин механических свойств древесины – нестандартность  трахейд. Древесина является упругопластическим материалом, при быстром кратковременном  действии нагрузки древесина составляет значительную упругость и подвергается сравнительно малым деформациям. При длительном действии неизменной нагрузки деформации во времени существенно увеличиваются. Для древесины характерны такие явления как ползучесть и релаксация. Ползучестью называется увеличение деформации при длительном действии неизменной нагрузки. Снижение напряжений с течением времени при неизменной деформации называется релаксацией. Различают упругие (мгновенные) деформации, эластические (вязкие) деформации, пластические, остаточные деформации. Под действием постоянной нагрузки непосредственно после её приложения в древесине появляются упругие деформации, а с течением времени развиваются эластические и остаточные деформации. Упругие и эластические деформации обратимы, т.е. исчезают после снятия нагрузки в течение малого (упругие) или более менее длительного (эластические) промежутка времени. Остаточные деформации (пластические)  деформации являются необратимой частью общих деформаций и остаются после снятия нагрузки.

Из-за особенностей строения древесины  она является анизотропным материалом, т.е. её упругие и механические свойства различны в разных направлениях и зависят от угла между направлением действующего усилия и направлением волокон древесины. При совпадении направления силы и волокон прочность древесины достигает максимального значения и в то же время она будет в несколько раз меньше, если сила действует под большим углом к волокнам (90⁰).