Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Древесина-как конструкционный материал

1.1 История развития и перспективы применения изделий из дерева и пластмасс

Дерево - один из наиболее распространенных конструкционных строительных материалов. Широкому применению древесины способствуют такие ее свойства как: сравнительно высокая прочность, небольшая плотность, высокие теплотехнические качества, простота заготовки и обработки. Применение дерева человеком началось еще во времена первобытного общества и развитие деревянных конструкций тесно связано с развитием производительных сил и орудий производства.

В каменном веке (свыше 10 тыс. лет до нашей эры) дерево использовалось для различных жилых построек, навесов, заборов, оград для скота и т.д. Несовершенство каменных орудий труда позволяло использовать дерево в основном в цельном (естественном виде). Наиболее распространенными элементами конструкций были вертикально поставленные бревна. Для опирания горизонтальных и наклонных балок использовалась естественная развилка дерева. Первые инженерные сооружения: бревна, переброшенные через ручьи и овраги.

В более позднее время (1-2 тыс. лет до нашей эры), с появлением железных орудий труда появилась возможность изготовления конструкций с устройством соединений с помощью врубок (вырубали топором, отсюда и название соединения).

В эпоху рабовладельческого строя появились орудия производства, позволяющие сверлить и выдалбливать отверстия, в которые вбивались нагели (штыри, гвозди, пластины). Появляется новый вид соединения деревянных элементов - нагельный. Этот вид соединений позволил значительно расширить конструктивные формы деревянных конструкций. Многие применяются до наших дней.

Пример: конструкция моста через р. Рейн, который был построен в I в. до н.э. войсками Цезаря; ? в этот же период был построен арочный деревянный мост через р. Дунай.

В период феодального строя дерево становится одним из основных строительных материалов. В России, стране богатой лесными материалами, применялись деревянные конструкции в основном в горизонтальном положении, в виде срубов (пример: крепостные стены высотой до 8,5м, башни высотой до 40м, сооружения башенного типа в виде шатровых храмов). К их числу относятся: Преображенская церковь в Кижах (1714г.), Успенская церковь в Кондопоге (1774г.). Они сохранились до наших дней.

В западных странах, менее богатых лесом, преобладали каркасные конструкции в виде фахверка с заполнением каменной кладкой.

В конце ХVII в. развивается механическая распиловка леса. Это послужило распространению брусчатых конструкций и широкому применению стержневых систем. В основном это были фермы на врубках. Очертание ферм, как правило, было треугольным. Примером такой конструкции является, построенное в 1817г. покрытие здания Московского манежа (центральный выставочный зал) с фермами пролетом 48м. Из дерева были построены очень высокие сооружения в Петербурге: башня Адмиралтейства высотой 72м и шпиль колокольни высотой 118м в Петропавловской крепости.

Большие заслуги в развитии теории расчета и в разработке конструкций из дерева принадлежат русским ученым: Д.И. Журавскому (определение усилий в элементах решетки ферм, изучение прочности древесины и т.д.), В.Г. Шухову (создание легких и экономичных конструкций в виде оболочек и сводов) и др.

В конце ХIХ в. и в начале ХХ в. появилось большое количество пиломатериалов. Это позволило широко использовать в деревянных конструкциях доски и брусья с соединениями на нагелях, гвоздях, шпонках и шайбах. Возникает производство клееной фанеры, но в качестве несущей она начала применяться гораздо позже, когда появились водостойкие клеи.

В настоящее время наиболее перспективными областями применения конструкций из древесины являются:

1) Несущие и ограждающие клеедощатые конструкции на предприятиях с химической и агрессивной средами (складские помещения, склады ядохимикатов, животноводческие помещения).

2) Сборное панельное домостроение.

3) В покрытиях над большепролетными сооружениями.

Производство пластических масс на основе синтетических смол началось в 1907г., когда по методу бельгийско-американского химика А. Бакеленда была использована феноло-формальдегидная смола (одно из фирменных названий - бакелит). Применение пластмасс для строительных целей началось лишь в 60-е годы прошлого столетия. Основное применение пластмассы получили при изготовлении трехслойных панелей (типа сэндвич) для стен и покрытий зданий. Довольно широко применяют пластмассы в строительстве светопрозрачных конструкций в виде куполов.

Также конструкции из пластмасс применяют в виде:

1) Пленочных и лакокрасочных материалов.

2) Пластмассы как связующее:

а) легкие и сверхлегкие тепло - и звукоизоляционные материалы;

б) клеевые композиции;

в) конструкционные материалы (стеклопластик);

г) тяжелые полимербетоны.

Применение конструкций из пластмасс ограничивается, главным образом, сравнительно высокой стоимостью полимерных материалов, а также - требованиями по пожарной безопасности зданий и сан-тех. нормами.

В настоящее время требованиям индустриальности изготовления деревянных конструкций более всего отвечают клееные деревянные конструкции, развитию которых способствовало создание массового производства синтетических клеев. Основным достоинством клееных деревянных конструкций является возможность, путем склеивания пиломатериалов по длине, а также - по высоте и ширине поперечного сечения, изготовления элементов конструкций с размерами поперечных сечений практически любых очертаний и размеров.

Из клееной древесины изготавливаются как конструкции массового изготовления для зданий пролетом от 12 до 45м, так и конструкции уникальных сооружений пролетами от 60 до 150м.

В последние десятилетия вновь стало широко использоваться дерево в строительстве жилых, общественных и промышленных зданий. Это обусловлено многими факторами. В основном, в наш век экологических катастроф и катаклизмов, людям хочется жить в экологически чистых домах. "Это теперь очень модно".

1.2 Породы древесины и области их применения

Все породы древесины, произрастающие на нашей территории, делятся на хвойные и лиственные. Для изготовления основных элементов деревянных конструкций и строительных деталей используют, как правило, хвойную древесину. Хвойные деревья имеют прямые стволы с небольшим количеством сучков относительно небольшой величины, позволяющие получать достаточно длинные прямолинейные лесоматериалы с ограниченным числом пороков. Смола, находящаяся в хвойной древесине позволяет лучше сопротивляться загниванию, чем лиственной. Наиболее высоким качеством обладает сосновая древесина из северных районов Европейской части страны. Там деревья растут медленно и дают более прочную древесину. К хвойным породам также относятся: ель, пихта, лиственница, кедр. Еловая древесина близка по своим качествам к сосновой, но в ней меньше смолы, поэтому она более подвержена загниванию. Древесина лиственницы по прочности и стойкости к загниванию превосходит сосновую, но имеет пониженную прочность по скалыванию.

Лиственные породы почти не применяются для изготовления несущих строительных элементов, потому что они хуже сопротивляются загниванию, в них больше крупных сучков, и они реже бывают прямослойными.

Все лиственные породы можно разделить на:

1. Твердые лиственные (дуб, бук, береза, ясень, клен, вяз, граб) и

2. Мягкие лиственные (осина, липа, тополь, ольха).

В свою очередь твердые лиственные делятся на ценные (дуб, бук, клен, граб) и малоценные (береза).

Древесину твердых лиственных можно использовать для изготовления небольших, но ответственных строительных деталей (например, вкладышей, шпонок, колодок, опорных подушек). Вне конкуренции древесина дуба, поскольку именно она обладает повышенной твердостью, прочностью и сопротивляемостью к загниванию. Березовая древесина при условии ее антисептирования часто используется взамен дубовой. Кроме того, береза является основным сырьем для производства фанеры.

Некоторые породы мягких лиственных используют для изготовления малонагруженных деталей временных зданий и сооружений.

1.3 Особенности строения древесины как конструкционного материала

Дерево состоит из ствола, кроны и корневой системы.

Срубленные стволы называются бревнами. Нижняя, более толстая часть ствола называется комлевой. Бревна получаются в результате распиловки ствола дерева (хлыста) на части длиной от 4,0 до 6,5м. Бревна имеют естественную усеченно-коническую форму. Естественное уменьшение диаметра ствола носит название сбега. Диаметр бревна (или его толщина, как принято в ГОСТах) измеряется в верхней части ствола и д. б. не менее 14см.

Из бревен, при продольной распиловке получаются доски, называемые пиломатериалом.

Древесина это материал растительного происхождения, поэтому имеет слоисто-волокнистое строение.

Основную массу древесины (до 95% от общего объема ствола) составляют древесные волокна, расположенные вдоль растущего дерева. Они состоят из удлиненных пустотелых оболочек отмерших клеток органических веществ - целлюлозы и лигнина, называемых трахеидами и имеющих в сечении почти прямоугольную форму. Множество волокон, объединенных межклеточным веществом, образуют прочный скелет ствола, который придает древесине механическую прочность. В поперечном разрезе древесный ствол состоит из пробкового слоя 1 (коры), лубяного слоя 2, годичных колец 3 и сердцевины 4. Кора составляет от 6 до 25% объема ствола. Лубяной слой служит для проведения воды с органическими веществами, выработанными листьями, вниз по стволу. Внутренняя, более окрашенная часть ствола называется ядром 5, а внешняя - заболонью 6.

Древесные волокна нарастают концентрическими слоями вокруг оси ствола, образуя годичные кольца, которые состоят из ранней и поздней древесины. Ранняя древесина, образованная весной (менее прочная), древесина образованная в летне-осенний период (более прочная), и она называется поздней. Поздняя древесина в своем строении имеет меньше пустоты и больше древесного вещества. Она плотнее и темнее по цвету. Содержание поздней древесины у хвойных пород колеблется в пределах от 10 до 30%. В конструкциях рекомендуется применять лесоматериалы с содержанием поздней древесины не менее 20%.

Качество древесины определятся степенью ее неоднородности. Эти неоднородности возникают как в процессе роста, так и в процессе хранения, сушки и обработки. Основными пороками древесины являются: сучки, гниль, червоточина, трещины, наклон волокон (косослой). В зависимости от пороков древесина делится на сорта: "отборный", 1, 2, 3.

Недопустимыми пороками древесины являются: гниль, червоточина, трещины в зонах скалывания и свиль.

1.4 Основные свойства древесины

Физические свойства

Древесина обладает свойством гигроскопичности, т.е. изменяет свою влажность в зависимости от влажности и температуры окружающего воздуха.

Наиболее важными физическими свойствами древесины являются ее плотность, температурное расширение, теплопроводность и теплоемкость.

Плотность зависит от многих факторов:

особенности строения дерева (количество поздней древесины, толщины стенок трахеид, количество влаги (влажности));

Само древесинное вещество для всех пород имеет почти постоянную плотность, в среднем 1,54 г/см3. Однако плотность даже одной породы может колебаться в значительных пределах. В основном это зависит от влажности древесины, поэтому сравнение плотности различных пород необходимо осуществлять при стандартной влажности (12%).

В расчетах плотность сосны при благоприятных условиях эксплуатации принимается равной 500кг/м3. в других случаях принимается равной 600 кг/м3. Плотность лиственницы соответственно равна 650 и 800 кг/м3, а таких пород, как дуб, бук, береза, клен, граб - 700 и 800 кг/м3.

Температурное расширение материалов при нагревании характеризуется коэффициентом линейного расширения б. В древесине этот коэффициент неодинаков вдоль и поперек волокон. Вдоль волокон коэф-нт линейного расширения составляет величину (3-5) ·10-6 град-1. Это в 2-3 раза меньше, чем у стали (11,5·10-6град-1). Низкое значение коэф-та линейного расширения у древесины исключает необходимость устройства температурных швов в зданиях любой длины, в отличие от зданий из ж/б, металла и кирпича.

Теплопроводность - определяет сопротивление теплопередачи при неодинаковой температуре на противоположных сторонах элемента. Теплопроводность оценивается коэф-том теплопроводности л.

Благодаря капилярно-пористой структуре этот коэффициент материала зависит от содержания влаги и породы древесины. Брус из древесины толщиной 15см эквивалентен кирпичной кладке в 2,5 кирпича.

Теплоемкость древесины имеет высокое значение. Коэффициент теплоемкости древесины сосны воздушной влажности С=1,6 Дж/кг·оС. Дерево еще называют "теплым" материалом.

Механические свойства

Твердость. У древесины она не очень высока. Она выражается величиной силы (в Ньютонах), необходимой для выдавливания стальной полусферы радиусом 5,64мм. Для древесины сосны поперек волокон она равна всего 1000Н. Это свойство облегчает обработку древесины, но делает ее поверхность легко повреждаемой. Малая твердость и волокнистое строение дают возможность относительно легко забивать гвозди в древесину, которые затем прочно удерживаются окружающими волокнами, которые раздвигает острие гвоздя.

Прочность - зависит от направления действующего усилия по отношению к направлению волокон древесины.

Механические свойства подразделяются на:

прочность вдоль волокон;

прочность поперек волокон;

под углом к волокнам.

Высокая удельная прочность, измеряется отношением расчетного сопротивления материала к его плотности.

Удельная прочность древесины сосны -

То же самое, для стали марки 245 (ВСт Зсп) -

Таким образом, удельная прочность древесины отличается от удельной прочности стали всего на 1,6%. Удельная прочность ж/б или кирпичной кладки значительно ниже.

Жесткость. Жесткость характеризуется деформативностью материала. Она также как и прочность зависит от направления деформирующих усилий по отношению к направлению волокон, также зависит от влажности древесины, температуры и длительности нагружения. Величина модуля упругости древесины не зависит от породы и принимается при нормальных температурно-влажностных условий равной 104МПа вдоль волокон и 400МПа поперек волокон. Если конструкция эксплуатируется в условиях повышенной влажности величина модуля упругости снижается умножением на коэф-нт mв =0,9-0,75.

1.5 Достоинства и недостатки древесины

К достоинствам древесины относятся следующие качества:

Небольшая плотность;

Высокая удельная прочность;

Низкий коэф-нт теплопроводности;

Относительно низкий коэф-нт температурного расширения;

Высокая химическая стойкость (по отношению к агрессивным солевым и кислотным средам);

Легкость обработки, хорошая гвоздимость, высокие акустические качества, богатство сырьевой базы.

Главными недостатками древесины являются следующие свойства:

неоднородность, которая вызвана особенностями строения материала, наличием естественных пороков. Это приводит к:

разбросу показателей прочности по отношению к направлению волокон;

зависимость свойств древесины от ее собственной влажности и от влажности окружающей среды;

подверженность древесины загниванию и повреждению древоточцами;

подверженность древесины загниванию.

В практике проектирования и применения деревянных конструкций первые два недостатка следует учитывать, а влияние последних сводить до min или исключать полностью, опираясь на существующие методы защиты деревянных конструкций.

Влияние влажности и температуры на прочность древесины

Кроме пустотелых волокон, межклеточного вещества, смолы и сердцевинных лучей, древесина содержит большое количество влаги (вода с растворенными в ней солями).

Влага, которая содержится в древесине, делится на три вида:

свободная влага (частично или полностью она заполняет внутреннюю полость клеток и межклеточное пространство);

гигроскопическая влага (она впитана стенками клеток);

химически связанная влага (она входит в хим. состав древесинного вещества).

Свободная и гигроскопическая влага м. б. удалена из древесины путем сушки любым известным способом. Химически связанная влага удаляется путем химической обработки и при горении.

Влажность свежесрубленной древесины составляет 80-100%, высушенной 12-40%. Древесина, абсолютно не содержащая свободную и гигроскопическую влагу, называется абсолютно сухой.

Влажность древесины - это выраженное в процентах отношение массы воды, содержащейся в древесине, к массе абсолютно сухой древесины.

Наличие в древесине гигроскопической влаги в максимальном количестве является точкой насыщения волокон. Для хвойных пород она наступает при влажности, равной, примерно 30%. Стандартная влажность древесины составляет 12%.

В зависимости от условий эксплуатации влажность древесины не должна превышать:

40% для конструкций, эксплуатируемых на открытом воздухе, в которых усушка древесины не влияет на работу конструкции (столбы линий связи или электропередач);

25% для конструкций, эксплуатируемых в помещениях с влажностью выше 75%;

20% (для клееной древесины 10-15%) при эксплуатации конструкций в нормальных условиях.

Изменение влажности древесины приводит к усушке (при уменьшении влажности) или разбуханию (при увеличении влажности до 30%). Наиболее опасна усушка. Разбухание и усушка вдоль волокон незначительная и не превышает 0,3%. Наибольшая усушка или разбухание происходят поперек волокон и достигает 12% (в направлении II годичным слоям). В тангентальном направлении (параллельно касательной к годовым кольцам) усушка или разбухание составляют 6%.

Неравномерность процесса усушки и разбухания (от поверхности к центру поперечного сечения) и различие в величинах их по направлениям приводит к появлению усушечных трещин и короблению древесины. Коробление м. б. продольным и поперечным.

Экспериментально установлено, что повышение влажности древесины от 0% до точки насыщения волокон ее прочность, уменьшается почти в 3,5 раза, а деформативность увеличивается, снижая тем самым модуль упругости. Рост влажности свыше 30% не приводит к дельнейшему снижению прочности.

Для приведения показателя прочности древесины Rщ, определенного при некоторой влажности щ, к прочности древесины при стандартной влажности R12 существует эмпирическая формула:

R12=Rщ [1+б (W-12)] (1)

Где: б - поправочный коэффициент, принимаемый по таблицам СНиП;

W - влажность древесины в момент испытания;

Rщ - прочность при искомой влажности.

Формула (1) справедлива лишь в пределах изменения влажности от 8 до 23%. Для других показаний влажности существует другая зависимость.

Экспериментально установлено, что повышение температуры снижает величины временных сопротивлений и модулей упругости древесины при любой влажности. При отрицательных температурах и большой влажности влага внутри древесины замерзает, что повышает прочность древесины на сжатие, изгиб и скалывание, но при этом древесина становится хрупкой и резко снижается ее способность сопротивляться ударным воздействиям.

Прочность древесины при температурах, отличных от нормальной (20єС), определяется по формуле:

Rt=R20-в (Т-20) (2)

Где: в - поправочное число, принимаемое по таблице СНиП.

R20 - прочность при стандартной температуре;

RТ - прочность при искомой температуре.

Формула (2) действительна в пределах изменения температур от 20 до 50єС.

Группы конструкций

В зависимости от температурно-влажностных условий эксплуатации все виды конструкций подразделены на 4 группы:

1) гр. А (А1, А2, А3) - внутри отапливаемых зданий;

2) гр. Б (Б1, Б2, Б3) - внутри не отапливаемых зданий;

3) гр. В (В1, В2, В3) - для зданий, эксплуатируемых на открытом воздухе;

4) гр. Г (Г1, Г2, Г3) - для конструкций соприкасающихся с водой, постоянно увлажненных или эксплуатируемых в воде.

В расчетах вводится коэффициент "mв":

А1, А2, Б1, Б2mв=1

А3, Б3, В1mв=0,9

В3, В2, Г1mв=0,85

Г2, Г3mв=0,75

СНиП не допускает эксплуатировать клеедощатые конструкции как группу Г, В2, В3.

1.6 Влияние реологических свойств древесины на ее прочность и деформативность

Древесина природный полимер, поэтому ее механические свойства должны изучаться только с учетом реологии - науки об изменении свойств материала во времени под воздействием тех или иных факторов (например, нагрузок).

Реологические свойства древесины учитываются при назначении расчетных сопротивлений. Под действием постоянной нагрузки непосредственно после ее приложения в древесине появляются упругие деформации, а с течением времени развиваются эластические и остаточные деформации. Упругие и эластические деформации - обратимы (они исчезают после снятия нагрузки в течение малого (упругие деф-ции) или более или менее длительного (эластические деформации) промежутка времени). Остаточные деформации являются необратимой частью общих деформаций, они остаются и после снятия нагрузки.

Древесина анизотропный материал, поэтому ее механические свойства различны в различных направлениях и зависят от угла между направлением действующего усилия и направлением волокон. При совпадении направления силы и волокон прочность древесины достигает максимального значения, если же действие усилия не совпадает с направлением волокон, прочность будет в несколько раз меньше.

Испытания показывают разброс показателей прочности даже для одной породы древесины. Это объясняется неоднородностью древесины (особенности анатомического строения: поздняя и ранняя древесина обладают различной плотностью и соответственно прочностью).

При быстром, кратковременном воздействии нагрузки древесина сохраняет значительную упругость и подвергается сравнительно небольшим деформациям. При длительном действии неизменной нагрузки деформации во времени существенно увеличиваются. Если балке задать неизменную во времени деформацию (прогиб), то напряжения в ней со временем уменьшаются - релаксируют. Если же деревянный элемент загрузить неизменной во времени нагрузкой, то деформации будут расти.

Таким образом, с увеличением длительности нагрузки, действующей на деревянный элемент, его прочность падает, а деформативность - возрастает.

Зависимость прочности от породы древесины

Прочность зависит от породы древесины. Это объясняется различием в структуре строения материала.

Поэтому в СНиП в качестве базовой приняты прочностные характеристики сосны, ели, лиственницы европейской (характеристики очень близки друг к другу). Древесину лиственницы не рекомендуется применять в соединениях на гвоздях, т.к. она раскалывается.

Влияние формы и размеров поперечного сечения на прочность древесины

Экспериментально установлено, что прочность в бревнах выше, чем в элементах прямоугольного сечения, что объясняется перерезкой наружных продольных волокон при распиловке бревен. В элементах прямоугольного сечения значительных размеров могут находиться пороки, не выходящие на поверхность элемента.

Прочность в СНиП указана отдельно для бревен и для элементов прямоугольного сечения:

при h?50см; b?8см; от 8 до 12см; и более 12см.

при h>50см учитывается коэффициент условия работы mб.

Сорта древесины

В строительных конструкциях допускается применять 3 сорта древесины.

1 сорт рекомендуется применять в центрально-растянутых элементах, в растянутой зоне изгибаемых, и сжато - изгибаемых элементах при использовании более 70% материала (его прочность).

2 сорт применяют в центрально - сжатых, сжатых, изгибаемых, сжатой зоне сжато - изгибаемых элементов при использовании менее 70% расчетного сопротивления материала.

3 сорт применяют в малоответственных деталях и элементах, разрушение которых не приводит к выходу из строя всего сооружения.

Модуль упругости древесины

Экспериментально установлено, что модуль упругости древесины не зависит от вида напряженного состояния и его величина при растяжении, сжатии вдоль волокон и изгибе практически одинакова. Поэтому в СНиПе он равен Е=10 000 МПа=100 000 кгс/см2. При расчете на выносливость Е=300·Rс; для фанеры Е=8500 МПа.

Длительная прочность древесины

Косвенно установлено, что прочность древесины зависит от вида и длительности действующей нагрузки.

Различают временную прочность (временное сопротивление) Rвр и длительную прочность (длительное сопротивление) Rдл древесины, а также нормативное Rн и расчетное R сопротивления древесины, которые зависят от первых двух значений. Величина R используется при расчетах деревянных конструкций на прочность и устойчивость. Средние значения временного сопротивления для чистой древесины сосны при влажности 12% и комнатной температуре, согласно СНиП II-25-80*, равны на сжатие - 44МПа; на растяжение - 100МПа; на изгиб 80 МПа; на скалывание - 7МПа.

Переход от временного сопротивления древесины к ее длительному сопротивлению на практике производится умножением Rвр на коэф-нт длительного сопротивления mдл, который изменяется для древесины от 0,5 до 0,55.

Реальные деревянные конструкции в действительности находятся под воздействием комплекса нагрузок с различной длительностью действия:

постоянные (действуют весь срок службы);

временные длительные (действуют в течение нескольких недель или месяцев);

временные кратковременные (действуют в течение нескольких часов или суток).

Из вышесказанного видно, что величина фактической прочности древесины зависит от соотношения этих нагрузок, поэтому специально в расчете учитывается преимущественное влияние постоянных и длительных временных нагрузок (см. п.3.2., в - СНиП II-25-80).

Снег как нагрузка (лежит не круглый год, а всего 4 месяца) учитывается коэффициентом длительного сопротивления, который равен 0,66.

1.7 Прочность древесины на растяжение, сжатие и поперечный изгиб

Предел прочности древесины при растяжении вдоль волокон стандартных образцов (W=12%) высокий и для древесины сосны и ели в среднем равен 100МПа. Наличие сучков и присучкового косослоя снижает сопротивление растяжению. Особенно опасны сучки на кромках с выходом на ребро. При размере сучков ј стороны элемента предел прочности составляет 0,27 предела прочности стандартных образцов. Из этого видно насколько важен правильный отбор древесины по размерам сучков для растянутых элементов конструкций.

При ослаблении деревянных элементов отверстиями и врезками их прочность снижается за счет концентрации напряжений у мест ослаблений. Также прочность при растяжении зависит от размера образца; прочность крупных образцов меньше, чем у мелких. Это объясняется неоднородностью их строения.

При разрыве поперек волокон (в связи с анизотропностью строения древесины) предел прочности в 12-17 раз меньше, чем при растяжении вдоль волокон. Здесь сказывается влияние косослоя, при котором направление усилия не совпадает с направлением волокон. Чем больше косослой, тем больше составляющая усилия, перпендикулярная волокнам, и тем меньше прочность элемента. Косослой - второй по значимости порок. Величина косослоя в растянутых волокнах должна строго ограничиваться.

Диаграмма работы сосны на растяжение (рис.2), в которой по оси Х откладывается относительная деформация е, а по оси Y относительное напряжение ц, которое выражено в долях от предела прочности. При ц ?0,5 диаграмма имеет незначительную кривизну и в расчетах может приниматься прямолинейной. При этом ц=0,5 рассматривается как предел пропорциональности (работает закон Гука).

Рис.2. Приведенная диаграмма работы сосны: 1 - при растяжении; 2 - при сжатии

Испытания стандартных образцов на сжатие вдоль волокон дают значения предела прочности в 2-2,5 раза меньшие, чем при растяжении. Для сосны и ели (W=12%) предел прочности на сжатие ? 40МПа. Влияние пороков (сучков) меньше, чем при растяжении.

В деревянных конструкциях размеры сжатых элементов обычно назначаются из расчета на продольный изгиб, т.е. при пониженном напряжении, а не из расчета на прочность. Благодаря этим обстоятельствам работа сжатых элементов в конструкции более надежна, чем растянутых. Поэтому так широко применяются металлодеревянные конструкции, в которых растянутые элементы делают из стали, а сжатые и сжато-изгибаемые из дерева.

Приведенная диаграмма сжатия (рис.2) при ц>0,5 более криволинейная, чем при растяжении. При меньших значениях ц криволинейность небольшая и она может быть принята прямолинейной до условного предела пропорциональности, который равен 0,5. Уровень напряжений =0,5 принят в качестве базовой при расчете деревянных конструкций.

При поперечном изгибе значение предела прочности занимает промежуточное положение между прочностью на сжатие и растяжение. Для стандартных образцов из сосны и ели (W=12%) предел прочности при изгибе в среднем 75МПа. При изгибе имеется растянутая зона, поэтому влияние сучков и косослоя значительно. При размере сучков в 1/3 стороны сечения элемента предел прочности составляет 0,5-0,45 прочности бессучковых образцов. Влияние пороков в бревнах при работе на изгиб меньше, чем в пиломатериалах, т.к. в бревнах отсутствует выход на кромку перерезанных при распиловке волокон (как в пиломатериалах) и отщепление волокон в присучковом косослое при изгибе элемента.

Определение краевого напряжения при изгибе по обычной формуле у=М/W соответствует линейному распределению напряжений по высоте сечения и действительно в пределах небольших напряжений (рис.3). При дальнейшем росте нагрузки и увеличении кривизны эпюра сжимающих напряжений в соответствии с диаграммой работы на сжатие принимает криволинейный характер. Нейтральная ось сдвигается в сторону растянутой кромки сечения. При этом краевое напряжение сжатия меньше, а напряжение растяжения больше вычисленных по формуле.

I ст. - работа древесины в упругой стадии (диаграмма прямолинейная) h1=h2; у+=у-.

II ст. - упруго - пластическая работа (диаграмма в сжатой зоне искривлена, в растянутой практически прямолинейная) h1 >h2; у+>у-.

III ст. - предшествующее разрушению (значительное искривление в сжатой зоне, незначительное в растянутой зоне сечения). h1>>h2; у+>>у-.

В стадии разрушения сначала в сжатой зоне образуется складка, затем в растянутой зоне происходит разрыв наружных волокон. Разрушение клеток в сжатой и растянутой зонах аналогично разрушению при осевом сжатии и растяжении.

Опыты и теоретические исследования показывают, что условный предел прочности при изгибе зависит от формы поперечного сечения. При одном и том же моменте сопротивления у круглого сечения он больше, чем у прямоугольного, а у двутаврового сечения меньше, чем у прямоугольного. С увеличением высоты сечения предел прочности снижается. В расчетах эти факторы учитываются введением соответствующих коэф-тов к расчетным сопротивлениям.

1.8 Прочность древесины на смятие и скалывание

Различают смятие вдоль волокон, поперек волокон и под углом к волокнам. Прочность древесины на смятие вдоль волокон (стыки сжатых элементов) численно равна прочности на сжатие вдоль волокон (СНиП не делает различия между ними).

Смятию поперек волокон древесина сопротивляется слабо. Смятие поперек волокон характеризуется в соответствии с трубчатой формой волокон значительными деформациями сминаемого элемента. После сплющивания и разрушения стенок клеток происходит уплотнение древесины, деформации уменьшаются и растет сопротивление сминаемого элемента.

Смятие поперек волокон может происходить:

а) по всей поверхности;

б) на части длины;

в) и смятие на части длины и ширины.

Максимальное смятие будет в первом случае.

В двух последних случаях деформации уменьшаются благодаря поддержки сминаемой площадки соседними незагруженными участками древесины.

При смятии под углом б значение упр возрастает с уменьшением угла смятия.

Термин "скалывание" означает "разрушение в результате сдвига одной части материала относительно другой".

Под прочностью древесины на скалывание различают:

а) вдоль волокон;

б) поперек волокон;

в) под углом к волокнам.

На скалывание древесина работает хуже всего.

Различают прочность на скалывание при изгибе, на скалывание под действием сосредоточенной силы.

Прочность древесины к каждому силовому воздействию при расчете соединений конструкций уточняется умножением расчетного сопротивления, принятого по таблицам СНиП на коэффициенты работы.

2. Строительный материал

2.1 Фанера строительная

Представляет собой слоеный листовой материал, состоящий из нечетного числа слоев - шпонов из древесины березы, лиственницы др. пород.

Наружные слои фанеры (рубашки) имеют параллельное направление волокон, вдоль которого измеряется длина фанерного листа. Направление волокон срединных слоев (срединок) перпендикулярно наружным. Фанера толщиной более 15мм называется фанерной плитой. Взаимно перпендикулярное расположение слоев уменьшает анизотропию фанеры по сравнению с древесиной, но не ликвидирует ее, т.к. число слоев с продольным расположением слоев на один больше, чем поперечных.

Прочность фанеры на срез в 2,5 раза больше прочности древесины при скалывании вдоль волокон. Прочность фанеры при растяжении и изгибе несколько выше прочности древесины.

Фанере присущи следующие положительные качества:

малая масса (она в 4 раза легче алюминия);

низкая тепло и звукопроводимость;

большая стойкость к воздействию химически агрессивных сред;

повышенная водостойкость при изготовлении на водостойких клеях;

низкий коэффициент линейного температурного расширения;

Положительные свойства фанеры позволяют использовать ее в строительстве.

К строительной фанере относится клееная фанера марок:

ФСФ (Ф - фанера, СФ - на смоляном фенолформальдегидном клее);

ФК (К - на карбамидном клее) сортов не ниже В/ВВ.

Клееная фанера изготавливается толщиной от 1,5 до 12мм; длина листов от 1220мм до 2440мм, ширина листов 725, 1220 и 1525мм.

Клееная фанера используется для облицовки стен и потолков, в качестве обшивки панелей, в стенках клеефанерных элементов (балок, рам, арок) двутаврового и коробчатого сечений.

И бакелезированная фанера марок:

ФБС (Б - бакелизированная, С - пропитка наружных слоев и намазывание серединок спирторастворимыми смолами);

ФБСВ (С - пропитка наружных слоев спирторастворимыми смолами, В - намазывание серединок водорастворимыми смолами).

Бакелизированная фанера отличается от обычной клееной фанеры тем, что слои шпона в процессе изготовления не только склеиваются, но и пропитываются водостойкими спирторастворимыми смолами.

Толщина листов фанеры от 5 до 18мм, длина листов 1550-7700мм, ширина листов 1200-1500мм.

Прочность бакелизированной фанеры вдоль листов в 2,5 раза, а поперек листов в 2 раза выше прочности древесины вдоль волокон. Жесткость в 1,5 раза больше жесткости древесины. Водостойкость бакелизированной фанеры значительно выше водостойкости клееной фанеры. Все эти положительные качества определяют область применения бакелизированной фанеры в строительстве: в конструкциях, работающих в особо неблагоприятных условиях, для усиления конструкций и для изготовления сильно нагруженных элементов конструкций.

Фанерные профили:

По своим свойствам фанерные профили почти не отличаются от листовой клееной фанеры. Изготовляются в виде уголков, швеллеров и труб. Применение фанерных профилей позволяет создавать экономичные и легкие конструкции (панели с ребрами из фанерных швеллеров и обшивками из листовой фанеры, фермы из уголков или труб и др.).

2.2 Полимерные материалы

Полимеры - высокомолекулярные соединения, молекулы которых состоят из большого числа элементарных звеньев одинаковой структуры (мономеров). Существует два основных метода получения полимеров: полимеризация и поликонденсация.

Полимеризация - процесс соединения большого числа молекул одного и того же исходного мономера в одну большую макромолекулу, при этом не происходит изменения химического состава вещества.

Поликонденсация - процесс получения полимера, при котором часть атомов отделяется от мономера, а остатки молекул мономера соединяются. При этом образуются побочные вещества (вода, аммиак и др.). Т.е., в процессе поликонденсации происходит изменение химического состава вещества.

В зависимости от поведения связующего вещества (смолы) при нагревании пластические массы делятся на две группы: термопластичные и термореактивные.

Термопластичные пластмассы (термопласты) при нагреве размягчаются, они имеют небольшую теплостойкость. К ним относятся пластмассы на основе полиэтилена, поливинилхлорида, полиуретана, полистирола, полиамида и других полимеров, получаемых методом полимеризации.

Термореактивные пластмассы (реактопласты) при нагреве не размягчаются, а при достижении определенной температуры, начинают разрушаться. Эти пластмассы являются более теплостойкими. К ним относятся пластмассы на основе полиэфирных, феноло-формальдегидных, эпоксидных, карбомидных и других смол, которые получаются методом поликонденсации.

К числу полимерных материалов, которые используют в строительстве, относятся:

древесно-слоистые пластики (ДСП),

древесностружечные плиты,

древесноволокнистые плиты (ДВП),

стеклопластики,

полиметилметакрилат,

винипласт,

пенопласты,

полимербетоны.

Пластмассы состоят из связующего (основной компонент), отвердителя, пластификатора, наполнителя, заполнителя, пигментов (красители), газо - и водововлекающие добавки, антистатики.

Связующие вещества (смолы).

Для конструкций и изделий строительного назначения применяют полиэфирные, фенолформальдегидные, эпоксидные, мочевино - и меламиноформальдегидные и кремнийорганические смолы.

Наполнители уменьшают расход связующего (снижают стоимость изделия), предотвращают усадку при отверждении, придают высокую механическую прочность. В качестве наполнителей применяют непрерывное и рубленое стекловолокно, стеклоткань, асбестовое волокно, древесную стружку, опилки, тальк.

Пластификаторы снижают хрупкость пластмасс, увеличивают гибкость, морозостойкость, эластичность и относительное удлинение.

Антистатики уменьшают электризацию полимерных материалов.

2.3 Основные виды конструкционных пластмасс

Наибольшее применение в строительстве нашли стеклопластики, древесные пластики, полиэтилен, поливинилхлорид, метилметакрилат, реактопласты, стеклотекстолиты.

Стеклопластики представляют собой пластмассы, которые состоят из стеклянного волокна и связующего.

Стеклянное волокно служит "арматурой". Смола является связующим материалом и защитой от влияния внешних воздействий, а также для равномерного распределения усилий, возникающих в них.

Стеклопластики нашли наибольшее применение в качестве ограждающих конструкций (плоские и волнистые, прозрачные и окрашенные в различные цвета).

Древесные пластики - это материалы, полученные соединением синтетическими смолами продуктов переработки натуральной древесины.

К ним относятся древесно-слоистые пластики, древесно - волокнистые и древесно - стружечные плиты, бумажный слоистый пластик и др.

Древесно-слоистые пластики обладают высокой прочностью (в следствие уплотнения материала прессованием и термической обработкой, которые пропитывают прочными и водостойкими смолами). Древесный шпон пропитывают резольными, фенолформальдегидными или карбамидными смолами с последующей просушкой.

ДСП выпускают в виде плит длиной 0,7-5,6м, шириной до 1,2м, толщиной 3-60мм. Плиты обладают высокой водостойкостью, стойкие к органическим растворителям и маслам, легко поддаются механической обработке. Они очень дорогие, поэтому их не возможно применять для крупных элементов строительных конструкций. Применяют в основном для изготовления средств соединения элементов конструкций в виде шпонок, нагелей, косынок и вкладышей.

Древесно - волокнистые плиты (ДВП) изготовляют из хаотически расположенных волокон древесины, которые склеивают канифольной эмульсией с добавлением для некоторых типов плит фенолформальдегидных смол. Сырьем являются отходы лесопильных и деревообрабатывающих производств (дробят в щепу).

Из ДВП изготавливают: утеплитель (пористый), звукоизоляционные плиты, отделка стен, перекрытий и покрытий.

При длительном воздействии с водой плиты поглощают значительное количество влаги, в результате чего набухают (по толщине) и теряют свою прочность.

Древесно - стружечные плиты (ПС и ПТ) получают горячим прессованием под давлением древесных стружек, пропитанных синтетическими термореактивными смолами.

Сырьем является мелкая стружка и мелкая щепа.

Плиты облицовывают с одной или двух сторон древесным шпоном, фанерой, бумагой, пленками.

В строительстве их применяют в качестве перегородок, декоративной отделки (они имеют высокие механические показатели, ровную поверхность и хороший внешний вид), звукоизоляционных материалов.

Механические свойства зависят от плотности, вида и количества связующего, породы и размеров древесных частиц.

С повышением содержания связующего увеличивается прочность, но увеличивается стоимость плит.

При водопоглощении плиты разбухают, для предотвращения разбухания вводят гидрофобные добавки (снижают на 10%).

Полиэтилен получают путем полимеризации стирола. Выпускают полиэтилен высокого, низкого и среднего давления, в присутствии специальных катализаторов. Наиболее высокие характеристики у полиэтилена высокого давления.

Выпускают в виде пленок, плоских и волнистых листов, профилей и поганажных изделий.

Полиэтилен пропускает до 70% лучей видимого света. Обладает высокими водо - и газонепроницаемыми свойствами. Хорошо сваривается (при t=80єС), склеивается и механически обрабатывается. Хорошо служит при температуре от +65 до - 15єС. Главный недостаток - стареет под действием УФЛ.

Применяется в качестве водо - и газонепроницаемых прослоек и экранов и в качестве обшивок трехслойных панелей.

Поливинилхлорид (винипласт) получают путем полимеризации винилового спирта (прочный и твердый минерал).

Изготавливают светопроницаемым и непроницаемым, армированным металлической сеткой или стекловолокном.

Выпускают в виде плоских листов, труб, профилей. Обладает высокой плотностью, прочностью, химической стойкостью. Сваривается при температуре 140-180єС, хорошо склеивается и обрабатывается.

Главный недостаток - зависимость прочностных характеристик от температуры.

Применяют для изготовления строительных конструкций (стойки, балки, фермы), для работы на предприятиях с агрессивной средой, изготавливают вентиляционные короба, трубы, емкости.

Метилметакрилат (оргстекло) получают путем полимеризации метилового спирта и метакриловой кислоты. Это твердый и прочный материал.

Обладает высокой светопропускающей способностью (до 90%).

Выпускают в виде плоских, волнистых листов и труб.

Свойства: химически стойкий, водо - и газонепроницаемый, хорошо склеивается и сваривается при t=140-150єС, хорошо поддается механической обработке.

В строительстве применяют в качестве обшивок светонепроницаемых плит покрытия, емкостей для хранения и остекления криволинейных поверхностей.

Реактопласты получают в результате реакции поликонденсации.

За счет способа получения реактопласты приобретают физико-механические свойства не изменяться в результате переменного нагревания и охлаждения.

В строительстве реактопласты применяют в качестве: связующих, клеевых композиций, лаков, красок, эмалей. Также в качестве стеклопластиков, ДСП, ДВП, оргалита, полимербетона, тепло - и звукоизоляционных материалов.

Наиболее часто в строительстве применяют стеклопластики. Получают путем горячего прессования тонких нитей стекловолокон толщиной 5-15мм, поверхность которых покрыта тонким слоем термореактивной смолы при t=140-150єС и давлением 10-16МПа.

Выпускают стеклопластики с параллельно уложенным стекловолокном и хаотически расположенными обрубками стекловолокна по объему.

В качестве связующего применяют полиэфирные смолы. Выпускают в виде плоских и волнистых листов. Применяют в качестве обшивок 2-х и 3-х слойных плит покрытия и покрытия временных зданий.

Стеклотекстолиты получают использованием в качестве наполнителя стеклоткани. Обладают высокой прочностью и плотностью. Применяют в мелких ответственных деталях и узлах конструкций.

Тепло и звукоизоляционные материалы

Получают в виде пенопластов и поропластов.

Пенопласт получают за счет вспенивания (обладает закрытой пористостью), а поропласт за счет вспучивания массы (открытая пористость).

Пенополистирол получают путем вспучивания мелких гранул пеностирола, в который заранее введен вспучивающий реагент под воздействием перегретого пара.

При плотности =40-60кг/м3 - используют в качестве теплозвукоизоляционного материала, при плотности = 60-120 кг/м3 используют как конструкционный материал.

Применяют в качестве среднего слоя стеновых панелей и плит покрытия, для изоляции пазух кирпичных стен. Выпускают в виде блоков.

Также к теплозвукоизоляционным материалам относят: фенольный пенопласт, пенополиуритан, сотопласты, строительную фанеру, ДСП, ДВП.

2.4 Горючесть древесины

Горение - это реакция соединения горючих компонентов древесины с кислородом воздуха, которое сопровождается выделением тепла, дыма, появлением пламени и тления.

Возгорание древесины может возникнуть в результате кратковременного нагрева до температуры 250єС или длительного воздействия более низких температур.

Вначале в результате повышения температуры из древесины испаряется влага (пока не испарится, температура равна 100єС). с повышением температуры до 150-210єС древесина высыхает и изменяет цвет (желтеет), появляются первые признаки - обугливание. Термическое разложение отдельных компонентов происходит при различной температуре: гемицеллюлозы 160-170, целлюлозы 280-380, лигнина 200-500єС.

Интенсивность горения зависит от подачи и количества кислорода воздуха, от поверхностной активности взаимного обогрева горящих поверхностей древесины. Для полного сгорания 1м3 древесины необходимо около 3000м3 воздуха. Чем больше омываемая воздухом поверхность данного объема древесины и чем интенсивнее движение воздуха (тяга), тем больше скорость горения.

Большое значение имеет взаимный обогрев горящих поверхностей. Деревянные элементы, которые состоят из отдельных досок с зазорами между ними, быстрее нагреваются до температуры возгорания, чем монолитные. Наиболее огнестойкими являются клееные или массивные элементы из цельной древесины. Воздушная взвесь древесной пыли является взрывоопасной.

Огнестойкость деревянных конструкций

В пожарном отношении деревянные строительные конструкции превосходят металлические и железобетонные. Во время пожара незащищенные металлические или ж/б кон-ции быстро теряют прочность и внезапно ломаются, в отличии от массивных деревянных конструкций.

В течение 20мин, когда температура пожара достигает 800єС, деревянный элемент размером 50х100мм сохраняет 40% своей начальной прочности, а металл всего лишь 10%. Чем больше размер деревянного элемента, тем выше его огнестойкость.

Выделяют различные степени огнестойкости зданий и сооружений.

Огнестойкостью называют способность строительных элементов и конструкций сохранять несущую способность, а также сопротивляться образованию сквозных отверстий, прогреву до критических температур и распространению огня.

Предел огнестойкости деревянных конструкций прямоугольного сечения можно определить расчетом по прочности и устойчивости. Установлено, что в условиях пожара древесина сгорает с постоянной скоростью, которая зависит от размеров и формы сечения и колеблется в пределах 0,7-1,8мм/мин. Обуглившийся наружный слой имеет очень низкий коэффициент теплопроводности, и препятствует проникновению тепла и кислорода в зону горения, и тем самым защищает центральную часть элемента от возгорания.

Строительные материалы по возгораемости подразделяются на три группы: несгораемые, трудносгораемые и сгораемые.

Необходимо применять меры защиты древесины, которые переведут этот материал из сгораемых в группу трудносгораемых. А также необходимо соблюдать конструкционные мероприятия, которые повысят предел огнестойкости деревянных конструкций.

Меры защиты деревянных конструкций от пожарной опасности

При использовании деревянных конструкций следует соблюдать мероприятия по их защите от возгорания. Не рекомендуется применять конструкции из неклееной древесины в условиях длительного нагрева, если tокрвозд превышает 50єС и для конструкций из клееной древесины 35єС.

Деревянные конструкции должны быть разделены на части противопожарными преградами из несгораемых материалов. В поперечном направлении здания устанавливают противопожарные диафрагмы вдоль несущих конструкций с шагом не более 6м. Деревянные конструкции не должны иметь сообщающиеся полости с тягой воздуха, по которым может распространяться пламя, недоступное для тушения.

В противопожарном отношении предпочтительнее применять деревянные конструкции массивного прямоугольного сечения с закруглениями. Такие конструкции имеют большие пределы огнестойкости, чем дощатые или клеефанерные.

Опасны металлические накладки, болты и другие детали соединительных и опорных узлов деревянных элементов, т.к. они являются проводниками тепла. Они снижают предел огнестойкости, поэтому их необходимо тщательно защищать огнезащитными покрытиями.

К химическим мерам защиты деревянных конструкций от возгорания относится применение пропитки огнезащитными составами или нанесение огнезащитных красок. Такие защитные средства называются антипиренами. Огнезащитные материалы способны при нагревании разлагаться с выделением большого количества негорючих газов, либо увеличиваясь в объеме, создают защитный слой, который препятствует возгоранию древесины.

Для клееных конструкций рекомендуется применять вспучивающиеся составы и антипирены, которые наносятся на поверхность конструкции. Для конструкций из цельной древесины используют пропиточные составы. Для защиты деревянных элементов каркаса ограждающих конструкций требуется глубокая пропитка антипиренами под давлением.

Биовредители древесины, химические и конструкционные меры защиты (см. стр.90-103).

2.5 Гниение древесины, конструкционные меры защиты

Для предотвращения гниения древесины необходимо обеспечить воздушно-сухое состояние деревянных элементов здания. Для этого необходимо устроить гидро - и пароизоляционные слои, которые будут препятствовать увлажнению древесины грунтовой, атмосферной или конденсационной влагой, или обеспечить надлежащий режим для удаления влаги из древесины.

Конструкционные мероприятия по предотвращению увлажнения древ.:

от атмосферных осадков необходимо увеличивать свес крыши;

устройство разрыва между поверхностью грунта и нижней отметкой расположения деревянных элементов здания (не менее 30см);

для удаления влаги из сырых помещений необходимо обеспечить хорошую вентиляцию, для этого устраивают приточные и вытяжные вентиляционные отверстия (продухи);

по поверхности грунта необходимо устраивать гидроизоляцию;

рекомендуется делать гидроизоляционные прокладки под опорными частями деревянных балок, нижней обвязкой стен, опорными плоскостями стоек на бетонную подготовку или кладку.