«исторический обзор развития конструкций из дерева и пластмасс. Развитие деревянных конструкций как отрасли строительной техники неразрывно связано с развитие ...»

ОАО РЖД

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ

СООБЩЕНИЯ

КОНСТРУКЦИИ ИЗ ДЕРЕВА И

ПЛАСТМАСС

Иркутск 2005

ОАО РЖД

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ

СООБЩЕНИЯ

В.В. Гаскин, И.А. Иванов

КОНСТРУКЦИИ ИЗ ДЕРЕВА И

ПЛАСТМАСС

Рекомендуется УМО вузов РФ по строительному образованию для межвузовского использования Иркутск УДК 624. Рецензенты: канд. техн. наук, доцент кафедры строительных конструкций ИрГТУ Пинайкин И.В.

д-р техн. наук Подвербный В.А., зав. кафедрой "Изыскания, проектирование и строительство железных дорог" Иркутского государственного университета путей сообщения Гаскин В.В., Иванов И.А. Конструкции из дерева и пластмасс.

Учебное пособие/ - Иркутск: ИрГУПС. 2005. - 125 с.

Учебное пособие разработано на кафедре "Мосты и транспортные тоннели" ИрГУПС. Пособие предназначено для подготовки дипломированных специалистов квалификации "Инженер путей сообщения" специальности 290900 "Экспертиза и управление недвижимостью".

В пособии приведены сведения о конструкциях из дерева и пластмасс,, методах их расчета и проектирования, которые базируются на действующих Строительных нормах и правилах.

Библ. 6 назв., Ил. 57, Табл. 6.

© В.В. Гаскин, И.А. Иванов © Иркутский государственный университет путей сообщения, 2005 г.

ПРЕДИСЛОВИЕ

Настоящее учебное пособие составлено в соответствии с Государственным образовательным стандартом по высшему профессиональному образованию (регистрационный номер 301тех/дс), утвержденным 2000.04.05 Министерством образования Российской Федерации по направлению подготовки дипломированного специалиста 653600 "Транспортное строительство" квалификации "инженер путей сообщения" специальности 290 900 "Управление недвижимостью.

Учебное пособие разработано на кафедре "Мосты и транспортные тоннели" ИрГУПС. Пособие предназначено для подготовки дипломированных специалистов квалификации "Инженер путей сообщения" специальности 290900 "Управление недвижимостью".

В пособии приведены сведения о конструкциях из дерева и пластмасс, методах их расчета и проектирования, которые базируются на действующих Строительных нормах и правилах.

В связи с ограниченным объёмом курса Конструкции из дерева и пластмасс для специальности 290900, в пособии не рассмотрен ряд традиционных для данной дисциплины разделов.

Авторы благодарны рецензенту УМО ВУЗов России по образованию в области строительства профессору кафедры Конструкции из дерева и пластмасс МГСУ к.т.н. Филимонову Э.В. за ценные замечания, сделанные при подготовке рукописи к изданию.

Краткий исторический обзор развития конструкций из дерева и пластмасс. Развитие деревянных конструкций как отрасли строительной техники неразрывно связано с развитием процесса производства, а, следовательно, и общества.

Данные археологии о культуре первобытного общества на земле говорят о том, что дерево широко применялось первобытным человеком. Очевидно, что это было обусловлено распространенностью древесины, ее высокой прочностью при малой массе, простотой заготовки и обработки.

Анализ данных археологии, полученных в различных частях света, также показал, что в постройках первобытного общества проявляется соответствие конструктивной формы уровню развития производительных сил.

По-видимому, самыми древними конструкциями были балочные конструкции, опёртые на стойку с помощью естественной развилки дерева, а первым инженерным сооружением был ствол дерева, поваленного человеком поперек ущелья. Это решение позволяло, при отсутствии эффективных способов соединений, перекрывать пролеты в пределах, примерно, 12 м.

Уже в глубокой древности появились мосты консольно-балочной конструкции. Береговые части таких мостов устраивались в виде бревенчатых клеток, продольные ребра которых последовательно выдвигались над рекой.

Сами клетки со стороны берега заполнялись грунтом и камнем.

Стены жилищ первобытного человека выполнялись из заделанных в грунт и поставленных вертикально вплотную друг к другу бревен. Позднее, такие стены в крепостных сооружениях получили название "тын".

С появлением железных орудий люди получили возможность обрабатывать древесину. При этом изготавливали бревна, доски. Стены жилищ стали делать из горизонтально расположенных бревен. Появился так называемый сруб, требующий значительного числа врубок.

Эпоха рабовладельческого строя отличалась тем, что возросло умение человека пользоваться железными орудиями. Появились более сложные соединения деревянных конструкций: кроме врубок стали применяться нагели, вставляемые в предварительно просверленные гнезда.

Высокая культура богатой лесом Индии обусловила появление там первых распорных, подкосных и арочных конструкций, применяемых и в настоящее время. В этих конструкциях со сжатыми и изгибаемыми элементами древесина работала в тех же условиях, что и древесина ствола "живого" дерева.

Высокий уровень строительного искусства в древнем Риме позволил римским строителям создать простейшие системы сквозных деревянных конструкций с растянутыми элементами в виде висячих треугольных стропильных ферм, которые мало отличаются от аналогичных современных.

Римскими строителями также были созданы рациональные конструкции балочных мостов малых пролетов. Во 2-м веке до новой эры построен арочный мост через реку Дунай длиной более 1 км. Он имел 20 массивных каменных опор (их называют быками) диаметром 18 м с расстоянием между ними в свету равным 35 м.

Русское государство обладало богатыми лесными ресурсами. Это обусловило экономическую целесообразность широкого применения древесины в качестве одного из основных строительных материалов.

Конструкции из дерева преобладали в русском строительстве с 9 по 18-й век. Длительность этого периода способствовала многообразному развитию конструктивных форм деревянных конструкций.

Изготовление конструкций осуществлялось с помощью преимущественно топора, а пила почти не применялась. Материалами служили бревна и доски (тес), которые изготовлялись с помощью топора.

В условиях феодального строя России (до 1861г.) сохранялось постоянство конструктивной формы из горизонтально расположенных бревен по принципу сруба. Строились церкви, жилые дома, крепости и т.п. И в этом строительстве русские мастера намного превзошли зарубежных строителей. Но, справедливости ради, заметим, что и зарубежные строители совершенствовали в это время свое мастерство, но в области каменного зодчества, в котором достигли также высочайших вершин.

Однако конструкции по принципу сруба были весьма материалоемкими.

Поэтому, в связи с увеличением экспорта леса и возросшими его потребностями внутри государства, возникла проблема экономии древесины. Для решения этой проблемы было необходимо:

-усовершенствовать методы обработки древесины и производства деревянных конструкций;

-применять конструктивные формы, требующие минимального расхода материала;

-увеличить срок службы строений, для чего требовалось решить вопрос о защите деревянных конструкций от гниения.

Вводится, вначале, ручная, а затем и механическая распиловка древесины.

Это привело, в свою очередь, к появлению брусчатых, а затем, и стержневых деревянных конструкций.

Появляются конструктивные формы в виде ферм, куполов, башен и т.п., пространственные системы.

Развитие деревянных конструкций способствовало появлению новых технических идей и новых умов. Здесь можно отметить творчество знаменитого русского изобретателя Кулибина Ивана Петровича, создавшего ряд оригинальных конструкций мостов. Им же впервые была разработана методика испытаний моделей мостов.

Кулибиным И.П. были впервые предложены многорешётчатые фермы. Их высокая надежность обеспечивалась тем, что древесина всех элементов работала на сжатие вдоль волокон, т.е. так, как в "живом" дереве.

С конца 18-го века началось разложение феодально-крепостнического строя в России. Наметился переход к капитализму. Развивалось мостостроение, в котором нашли применение все созданные ранее конструктивные формы арочных мостов.

Новые перспективы развития деревянных конструкций открылись в связи с использованием в них металлопроката. Трудности стыкования растянутых элементов из дерева привели к созданию металлодеревянных ферм. Такое решение оказалось весьма надежным, оно массово используется также и в наши дни. В 19-м веке эти конструкции широко применялись в России в мостостроении.

Здесь, кроме других талантливых русских инженеров (Антонов, Крутиков, Мельников и др.), следует особо отметить Журавского Дмитрия Ивановича (1821-1891 г.). В результате проведенных им теоретических и экспериментальных исследований Журавский Д.И. разработал метод расчета ферм, запатентованных их изобретателем Гау в Америке. Американские инженеры не владели методикой расчета усилий в элементах таких ферм, поэтому сечения элементов последних принимались одинаковыми по их длине.

Журавский Д.И. в своих работах показал, что тяжи и раскосы, расположенные вблизи опор ферм, нагружены больше, чем эти же элементы, но расположенные ближе к середине пролета. Последнее обстоятельство позволило в России называть фермы Гау фермами Гау–Журавского.

Журавским Д.И. также была проделана большая работа по изучению прочностных свойств древесины при различных напряженных состояниях:

растяжении, сжатии, изгибе, смятии и скалывании. Полученные при этом результаты положены в основы проектирования деревянных конструкций.

Журавский Д.И., при изучении работы изгибаемых элементов, впервые открыл неизвестное до него явление скалывания при изгибе. Вывел формулу для определения касательных напряжений при изгибе бруса прямоугольного сечения и разработал метод расчета составной деревянной балки, образованной из брусьев, скрепленных шпонками.

Труды Журавского Д.И. столь значительны, что его можно считать одним из основоположников русской школы деревянных конструкций.

Дальнейшее развитие промышленности в России способствовало появлению новых конструкций, не похожих на ранее применявшиеся. Здесь следует отметить работы выдающегося деятеля отечественной науки и техники Шухова Владимира Григорьевича (1853-1939 г.). Шуховым В.Г. была выдвинута идея легких и экономичных сетчатых пространственных конструкций. Им была разработана конструкция башни в виде гиперболоида вращения. Несущей ее основой являлась система взаимно перекрещивающихся прямых стержней, касающихся с двух сторон поверхности этого гиперболоида.

Шуховым В.Г. разработана конструкция пространственных сводчатых покрытий из дерева. Они выполнялись из нескольких слоев расположенных перекрестно гнутых тонких досок, уложенных на пласть и сшитых гвоздями.

Устойчивость сводов обеспечивалась системой тяжей и затяжкой. Эти идеи Шухова А.Г. нашли позднее широкое применение при строительстве двойных гнутых сводов, безметалльных кружально-сетчатых сводов системы Песельника, сетчатых башен-градирен и сетчатых сводов.

После октябрьского 1917 года переворота в России, теория и практика применения деревянных конструкций получила в нашей стране новое развитие, которое было подчинено интересам её хозяйства и обороны. Появляются новые оригинальные конструктивные решения деревянных конструкций.

При строительстве ЦАГИ были впервые использованы дощато-гвоздевые конструкции в виде балок двутаврового сечения и рам с двойной перекрестной стенкой из досок. Эти конструкции нашли массовое применение в строительстве в периоды первых в стране пятилеток. В покрытиях зданий и мостах применялись сегментные фермы и трехшарнирные арки из таких ферм.

Получили также распространение тонкостенные оболочки в конструкциях сводов, куполов, башенных градирен и т.п. Эти конструкции на вязких гвоздевых соединениях полностью соответствовали не только потребностям, но и возможностям строительства в начальный момент индустриализации России.

Обеспечивали темпы и экономичность строительства, были просты в изготовлении и надежны в эксплуатации.

Наряду с дощатыми конструкциями в России были созданы новые формы брусчатых конструкций. В 1933г. Деревягин разработал надежную конструкцию составной безметалльной брусчатой балки на дубовых пластинчатых нагелях.

Применение этой конструкции стало возможно благодаря появлению в строительстве переносного электроцепнодолбежного станка. На основе этих балок были созданы сборные крупноблочные фермы с верхним сжатоизогнутым поясом и с нижним растянутым поясом из прокатного металла.

Развивались также и средства соединения деревянных конструкций. Ими являлись – гвозди из проволоки, пластинчатые нагели Деревягина, когтевые шайбы Леннова, а позднее, и клеестальные шайбы и металлические зубчатые пластины (МЗП).

Все достижения в области деревянных конструкций были использованы в трудные для России годы Отечественной войны, начавшейся в 1941-м году.

Тогда, в условиях острого дефицита металла, выявилось большое оборонное значение деревянных конструкций.

Еще до войны были начаты исследования в области клееных конструкций.

Были применены почти все разновидности этих конструкций – балки, арки, рамы и фермы. Заметим, что клееные конструкции полностью отвечали требованиям индустриализации, поэтому они получили дальнейшее интенсивное развитие.

В отличие от дерева, этого природного полимерного материала, пластмассы получили применение в строительстве лишь несколько десятилетий тому назад. С развитием коксохимической промышленности и теоретической химии в начале 20-го века возникло промышленное производство синтетических высокомолекулярных соединений и смол. Эти материалы получили применение в строительстве как конструкционные, т.е. работающие в условиях напряженного состояния. Получил внедрение новый вид конструкций из полимерных материалов – пневматические конструкции.

1. Древесина, как конструкционный строительный материал, её свойства, достоинства и недостатки 1.1. Свойства древесных пород, их достоинства и недостатки Древесина – это ценный конструкционный материал, являющийся продуктом леса. Обширные леса занимают почти половину территории России.

Основная масса лесов расположена в районах Сибири и Дальнего Востока и на севере Европейской части страны.

Хвойные породы занимают 3/4 части наших лесов, из них 2/5 части лесов занимает лиственница, 1/6 – осина, 1/8 – ель и меньшие площади занимают пихта и кедр.

Лиственные породы занимают 1/4 часть лесов. Наиболее распространенной лиственной породой является береза. Дуб, бук, осина и другие лиственные породы занимают меньшие площади.

Заготовленный лес в виде отрезков стволов стандартной длины доставляется автомобильным, железнодорожным и водным транспортом или сплавом по рекам на деревообрабатывающие предприятия, которые выпускают пиломатериал, фанеру, древесные плиты, деревянные конструкции и строительные детали.

Строительство в настоящее время снабжается преимущественно пиломатериалами, готовыми изделиями и конструкциями. Круглый лес поставляется только по специальному заказу.

В процессе переработки древесины часть ее уходит в отходы. Причем, объем отходов достаточно велик, и их утилизация является промышленной проблемой. Из отходов древесины производят древесностружечные и древесноволокнистые плиты, что позволяет экономить деловую древесину.

Хвойную древесину используют для изготовления основных элементов деревянных конструкций и деталей. Прямые стволы с небольшим количеством сучков ограниченных размеров позволяют получить прямослойные пиломатериалы с небольшим числом пороков. В связи с тем, что хвойная древесина содержит смолы, она лучше сопротивляется увлажнению и загниванию.

Сосновая древесина отличается наиболее высоким качеством.

Еловая древесина близка по качеству к древесине сосны. Пихта и кедр имеют несколько меньшую прочность.

Лиственница по прочности и стойкости к загниванию превосходит сосновую древесину, но имеет пониженную прочность на скалывание.

Древесина большинства лиственных пород менее прямослойна, имеет большое количество сучков и более подвержена загниванию, чем хвойная древесина. Она почти не применяется для изготовления основных элементов деревянных конструкций.

Дубовая древесина выделяется среди лиственных пород повышенной прочностью и стойкостью к загниванию. Но, в связи с ее относительной дефицитностью и повышенной стоимостью, древесина дуба используется в строительных конструкциях лишь для изготовления различных соединительных элементов (упоров, нагелей, шпонок и т.п.).

Березовая древесина относится к лиственным твёрдым породам. Её используют, главным образом, для изготовления строительной фанеры.

Осиновая, тополевая и др. древесина мягких лиственных пород имеет пониженную прочность и нестойка к загниванию. Поэтому она используется для изготовления малонагруженных элементов временных зданий и сооружений.

Лесоматериал может быть круглым или пиленым. Круглый лесоматериал – это бревна, представляющие собой часть стволов с гладко опиленными концами, очищенные от сучьев и коры. В связи с естественным происхождением, бревна имеют коническую форму. Уменьшение диаметра бревна по длине называют сбегом.

Пиленый лесоматериал получают в результате продольной распиловки бревен на лесопильных рамах или круглопильных станках. Более широкую грань элемента называют пластью, а узкую грань - кромкой.

После продольной распиловки бревен получают необрезной пиломатериал с переменной шириной пласти (опилен лишь с двух сторон). Опиливая кромки, получают обрезной пиломатериал (опилен с четырех сторон). При этом отходы называют - обзолом.

Существует рекомендуемый сортамент пиломатериала (доски разной толщины и ширины, брус, пластины), который является основой для изготовления несущих деревянных конструкций.

1.3. Достоинства и недостатки лесоматериала Достоинствами лесоматериала являются сравнительно высокая прочность при небольшой плотности, достаточная упругость и малая теплопроводность. В благоприятных условиях деревянные постройки могут сохраняться до нескольких сотен лет.

К недостаткам древесины, как строительного материала, относятся следующие её свойства. Анизотропность – т.е. неоднородность свойств (прочность, теплопроводность) вдоль и поперек волокон. Гигроскопичность, т.е. способность поглощать и отдавать влагу в значительном количестве при изменении влажности и температуры окружающего воздуха, что приводит к набуханию или усушке. В связи с анизотропностью, размеры деревянных элементов при усушке и разбухании в различных направлениях изменяются неодинаково. Это вызывает появление внутренних напряжений, приводящих к образованию трещин и короблению. Загниваемость – это способность древесины разрушаться под воздействием микроорганизмов в неблагоприятных условия эксплуатации. Сгораемость и легкая воспламеняемость, что делает постройки огнеопасными, если не приняты меры для защиты от возгорания.

Колебание величины прочности в пределах одной породы, в зависимости от условий роста или наличия пороков.

Необходимо знать достоинства и недостатки древесины, чтобы смягчать влияние ее недостатков и в максимальной степени использовать достоинства.

В дереве различают крону, ствол и комель.

Крона. Состоит из ветвей и листьев (хвои). Из углекислоты (из воздуха) и воды (из грунта) в листьях в результате фотосинтеза образуются сложные органические соединения, необходимые для жизни дерева. Из сучьев получают щепу для изготовления тарного картона и древесноволокнистых плит.

Ствол. Проводит воду с растворенными в ней минеральными веществами вверх (восходящий ток соков), и с органическими веществами от кроны вниз к корням (нисходящий ток соков). В стволе запасаются органические вещества, необходимые для жизни дерева. Ствол дает основную массу древесины (50- % объема дерева) и имеет главное промышленное значение. Верхнюю (тонкую) часть ствола называют вершиной, а нижнюю (толстую) часть - называют комлем.

Процесс роста дерева состоит в нарастании конусообразных слоев древесины. Каждый последующий конус имеет большие высоту и диаметр основания. Если сделать горизонтальное сечение ствола, то на уровне макроструктуры можно наблюдать следующие слои (см. рис. 1):

Кора. Состоит из внешнего коркового слоя и нижнего лубяного. Кора предохраняет древесину от внешних воздействий (температура, солнце, механические повреждения, насекомые). Из коры делают теплоизоляционные плиты, дубильные вещества, химические вещества для медицины.

Лубяной слой. Этот слой проводит воду с органическими соединениями вниз по стволу (нисходящий ток). Из луба делают мочало, рогожи, веревки.

Камбий. Сочный, тонкий прозрачный слой. От камбия прирастают годичные слои.

Заболонь. Светлая периферическая часть ствола. Состоит из живых клеток.

По заболони происходит движение воды с минеральными веществами от корней (восходящий ток соков).

Ядро. Темная центральная часть ствола. Образуется за счет отмирания живых клеток заболони. Происходит это в связи с закупоркой водопроводящих путей отложениями дубильных, красящих веществ, смолой, солями углекислого кальция.

Сердцевина. Состоит из отгнивших клеток.

На поперечном срезе ствола можно наблюдать также кольцевые образования, их называют годовыми слоями. Каждый слой соответствует ежегодному приросту древесины. По количеству годовых слоев судят о возрасте дерева (у комля). Ширина годовых слоев зависит от условий роста (засуха, морозы и т.п.). Если климатические условия неблагоприятные, то годовые слои узкие.

Каждый годовой слой состоит из двух частей: ранней и поздней древесины.

Ранняя древесина образуется в начале лета и служит для проведения воды вверх по стволу. Она обращена к сердцевине, имеет светлый цвет и мягкую структуру.

Поздняя древесина откладывается к концу сезона роста. Она более плотная и выполняет механическую функцию. От количества поздней древесины зависят плотность древесины и ее механические свойства.

На уровне микроструктуры древесина состоит из следующих образований.

Древесина хвойных пород на 90-95 % образована вытянутыми трубчатыми клетками – трахеидами. В стенках трахеид имеются поры, через которые трахеиды сообщаются друг с другом. Древесина лиственных пород состоит из:

сосудов, т.е. системы клеток для проведения воды и минеральных веществ;

волокон либриформа – они составляют основную массу древесины ( 76 %) и выполняют механическую функцию; древесной паренхимы, в которой запасаются органические вещества, необходимые для роста дерева.

1.5. Влажность, усушка и разбухание и борьба с их влиянием Влажность древесины в значительной степени влияет на ее свойства.

Степень влажности определяют по формуле:

где G1 – масса древесины в естественном состоянии; G2 – масса высушенной древесины.

Влага содержится в древесине различным образом. Химически связанная вода находится в веществе древесины, она не может быть удалена.

Гигроскопическая вода содержится в стенках сосудов, ей соответствует степень влажности в интервале от 0 до 30 %. Свободная вода содержится в полостях клеток и межклеточных пространствах, ей соответствует степень влажности от 30 до 200 %. За условно нормальную влажность принята влажность 10 ± 2 %.

Наибольшую влажность 200 % имеет древесина после длительного пребывания в воде. Свежесрубленная древесина имеет влажность 100 %.

Степень влажности влияет на свойства древесины и деревянных конструкций и ограничивается, в зависимости от условий их изготовления и эксплуатации:

– из древесины неограниченно высокой влажности (W 200 %) можно изготовливать конструкции постоянно соприкасающиеся с водой;

– при влажности до 20 - 25 % древесина используется для изготовления конструкций, эксплуатируемых на открытом воздухе;

– из древесины влажностью до 20 % (сухая зона) и 25 % (влажная зона) изготавливают конструкции, эксплуатируемые в неотапливаемых помещениях и в помещениях с повышенной влажностью;

– из древесины с влажностью до 20 % могут быть изготовлены не клееные конструкции, эксплуатируемые в любых условиях;

– из древесины с нормальной влажностью (10 ± 2 %) могут быть изготовлены любые конструкции, в том числе и клееные.

В процессе изменения влажности в интервале от 0 до 30 % (напомним, это изменение влажности осуществляется за счет гигроскопической воды, находящейся в клеточных оболочках) размеры деревянных элементов изменяются. Происходит усушка или разбухание, которые проявляются тем больше, чем больше плотность древесины. Причем, вследствие анизотропии, усушка и разбухание происходит в различных направлениях неравномерно.

Наибольшее изменение линейных размеров (от 7 до 12 %) происходит в тангентальном направлении. Несколько меньше изменение линейных размеров (от 3 до 6 %) происходит в радиальном направлении. И, наконец, наименьшее изменение длины (от 0,1 до 0,3 %) - происходит вдоль волокон.

Высыхание деревянного элемента и развитие деформаций усушки неравномерны от поверхности к центру поперечного сечения элемента. Этот факт и разница величин радиальной и тангентальной усушки приводит к возникновению значительных внутренних напряжений растяжения. В результате древесина коробится и растрескивается (трещины усушки).

Изменение влажности от 0 до 30 % существенно влияет также на упругость и прочность древесины. При увеличении влажности в указанных пределах, прочность древесины снижается, по сравнению с максимальной. Дальнейшее нарастание степени влажности древесины (свыше 30 %) уже не отражается на ее механических характеристиках.

Для предотвращения усушки и разбухания предусматриваются следующие меры защиты:

– элементы конструкций следует изготовлять из древесины соответствующей влажности;

– необходимо производить окраску конструкций, чтобы в процессе эксплуатации их влажность не изменялась;

– следует обеспечивать постоянство температурно-влажностного режима внутри помещения.

Гниением называют процесс разрушения древесины простейшими растительными организмами. Ими являются древоразрушающие грибы. Грибы выделяют ферменты, которые растворяя их разрушают клеточные оболочки. В результате действия на древесину ферментов образуется питательная для грибов среда.

Положительное для жизни грибов условие – это температура от 0 до 500 С.

При превышении температуры величины 800 С грибы погибают. Древесина, насыщенная водой и находящаяся в воде без доступа воздуха, гниению не подвергается.

Существуют меры защиты древесины от гниения, к ним относятся:

– термообработка древесины при температуре свыше 800 С;

– ограничение степени влажности;

– пропитка древесины ядовитыми для грибов составами (например, обработка её креозотовым маслом и т.п.).

Для защиты древесины от гниения предусматриваются также и конструктивные меры:

– осуществляют изоляцию древесины от атмосферного и технологического увлажнения;

– древесину отделяют от бетонных, каменных и металлических поверхностей, на которых образуется конденсационная влага, рулонными изоляционными материалами;

– деревянные поверхности покрывают соответствующими лакокрасочными материалами (например, ПФ-115, УР-175 и т.п.).

– очень важно также защищать древесину от атмосферной влаги. С этой целью устраивают проветривание конструкций с помощью осушающих продухов.

Существует также еще один вид вредного биологического воздействия на древесину: это - насекомые–точильщики. С ними борются путем термообработки и химической обработки древесины.

Горение. Им называют процесс термического разложения древесины с образованием горючих газов, содержащих углерод. Благоприятными условиями для возгорания являются длительное нагревание древесины при температуре 1500 С или быстрое воздействие более высокой температуры. Кислород окружающего воздуха обогащает горение и способствует распространению пламени.

Существует понятие степени массивности конструкции. Эта степень зависит от отношения периметра поперечного сечения элемента к его площади.

Чем это соотношение меньше, тем выше степень массивности. Горение массивных элементов, в связи с малой теплопроводностью древесины, долго ограничивается лишь наружными слоями. Поэтому предел огнестойкости массивных элементов выше.

Предел огнестойкости также является важным показателем для успешного тушения пожара. Им называют время в часах, в течение которого нагруженный элемент сохраняет несущую способность или ограждающие функции при температуре пожара (800 - 9000 С).

Существуют способы защиты древесины от возгорания. Их целью заключена в повышении предела огнестойкости, чтобы конструкции дольше сопротивлялись возгоранию, не создавали и не распространяли открытого пламени. Это достигается мероприятиями конструктивной и химической защиты деревянных конструкций от возгорания.

Конструктивная защита заключается в ликвидации условий благоприятных для возникновения пожара. Для этого необходимо:

чтобы в помещениях с горячими процессами древесина не применялась;

чтобы деревянные конструкции были отделены от печей и других нагревательных приборов достаточными расстояниями или огнестойкими материалами;

деревянные строения разделять на участки противопожарными преградами или зонами из огнестойких конструкций;

оштукатуривать деревянные поверхности, так как штукатурка значительно повышает предел огнестойкости.

Химические меры защиты применяются в тех случаях, когда от деревянных конструкций требуется повышенный предел огнестойкости.

Химическая защита заключается в пропитке древесины антипиренами или окраске. Антипирены при нагревании плавятся или разлагаются, покрывая древесину огнезащитными пленками или газовыми оболочками, препятствующими доступу кислорода воздуха к горящей древесине. Пропитка антипиренами обычно производится в автоклавах одновременно с антисептированием.

Защитные краски изготавливают на основе жидкого стекла и других веществ и наносят на поверхность древесины. При нагревании пленка защитных красок вспучивается и создает воздушную пористую прослойку, препятствующую повышению температуры древесины.

Строительная фанера является полуфабрикатом из древесины.

Строительную фанеру изготавливают из 3, 5, 7, 9 или 11-ти слоев лущеного шпона, монолитно и водостойко склееного между собой. При этом волокна соседних слоев шпона расположены под прямым углом.

Фанеру изготавливают из лиственных и хвойных пород древесины.

Лучшим сырьем является береза, далее идут по степени качества - ольха, осина, липа, тополь, сосна кедр, ель и пихта. Листы фанеры имеют толщину от 1,5 до 12 мм.

По водостойкости фанеру разделяют на следующие сорта:

ФСФ – фанера повышенной водостойкости. Она склеена водостойкими клеями;

ФК, ФБА – фанера средней водостойкости. Склеена карбамидными или альбуминоказеиновыми клеями;

ФБ – фанера ограниченной водостойкости. Её склеивают с помощью белковых клеев.

Физические и механические свойства строительной фанеры отличаются от свойств соответствующей массивной древесины, так как фанера, по сравнению с массивной древесиной, является менее анизотропным материалом.

Влияние пороков на прочность строительной фанеры меньше, чем в массивной древесине, так как совпадение пороков в соседних слоях шпона маловероятно.

Существует еще один вид строительной фанеры – это бакелизированная фанера типа ФБС. Наружные шпоны этой фанеры пропитываются водостойкими синтетическими спирторастворимыми смолами. Толщина фанеры типа ФБС составляет от 5 до 18 мм. Прочность бакелизированной фанеры вдоль длинной стороны листов более чем в 2,5 раза, а вдоль короткой стороны листа в 2 раза, превышает прочность хвойной древесины вдоль волокон.

2.1. Длительное сопротивление древесины. Анизотропия Для назначения размеров элементов деревянных конструкций необходимы сведения о прочности древесины при различных напряженных состояниях.

Для древесины характерно, что ее механические свойства различны в различных направлениях и зависят от угла, образованного направлениями силы и волокон. Эта особенность древесины называется анизотропией. При совпадении направлений силы и волокон прочность наибольшая. Она в несколько раз меньше, если сила действует под большим углом к волокнам.

Определение предела прочности древесины производится путем испытаний на машинах стандартных образцов, выполненных из чистой без пороков древесины. Испытания показывают значительный разброс показателей прочности, даже в пределах одной и той же породы. Причина заключена в неоднородности древесины, связанной с особенностями ее анатомического строения. Например, у древесины хвойных пород прочность поздней древесины в 2-3 раза выше прочности ранней древесины. Содержание поздней древесины и толщина стенок ее трахеид различны. Чем толще стенки трахеид и чем больше процент содержания поздней древесины, тем больше плотность древесины и выше ее прочность. Опыты показывают прямую пропорциональность между пределом прочности и плотностью древесины.

Ширина годовых слоев также влияет на прочность: слишком узкие и слишком широкие годовые слои характеризуют пониженную прочность древесины.

Древесина является материалом, на прочность которого влияет скорость нагружения и продолжительность действия нагрузки. Чтобы разобраться в вопросе о длительном сопротивлении древесины, выберем какое-либо напряженное состояние и загрузим очень большое количество образцов древесины, соответствующих выбранному напряженному состоянию, разными нагрузками в большом интервале их величин. При этом будем фиксировать для каждого образца величину действующего в нем напряжения и момент времени приложения нагрузки к каждому образцу.

В процессе испытания окажется, что некоторые из образцов, загруженных большими нагрузками, разрушатся сразу, другие через больший промежуток времени, и так далее. Если построить кривую в координатах предел прочности – время до разрушения, то получится кривая, показанная на рис. 2.

Рис. 2. Кривая длительного сопротивления древесины Асимптота (показана на рис. 2 штриховой линией) проведенная к этой кривой пересекает ось ординат в точке ДЛ и делит весь диапазон изменения нагрузки на две области:

область < ДЛ (расположена ниже асимптоты); образцы, с координатами - Т, попавшими в эту область, не разрушатся, сколько долго бы не действовала нагрузка;

область > ДЛ; образцы с координатами, попавшими в эту область, разрушатся с течением времени неизбежно, причем, разрушение произойдет тем быстрее, чем больше ДЛ.

Для этих двух случаев можно построить кривые зависимости "деформация - время" (см. рис. 3 и 4) Как видно по рис. 3 и 4, древесина обладает свойствами последействия, т.е.

деформации увеличиваются в течение некоторого времени после приложения нагрузки.

Длительное сопротивление является показателем действительной прочности древесины, который определяется путем длительных испытаний.

Поскольку ДЛ определять затруднительно из-за сложности процесса испытаний, то обычно получают ПЧ (предел прочности) и, далее, ДЛ определяют из соотношения:

где КДЛ – коэффициент длительного сопротивления древесины.

2.2. Сопротивление древесины при различных напряженных Растяжение. Прочность древесины при растяжении определяют по двум направлениям: вдоль и поперек волокон. Величину сопротивления древесины вдоль волокон определяют на образцах специального вида. При этом, предел прочности древесины образцов влажностью W определяют по формуле:

где РMAX - разрушающая нагрузка; a, b – стороны поперечного сечения образца;

W - предел прочности древесины образца влажностью W. При определении прочности древесины при растяжении поперек волокон изготавливают образцы другого вида. Предел прочности в этом случае определяют по той же формуле, что и при растяжении вдоль волокон.

Предел прочности при растяжении вдоль волокон достаточно велик и его максимум достигает для древесины сосны и ели величины примерно кгс/см2. Наличие сучков и присучкового косослоя значительно снижает сопротивление растяжению. Опыты показывают, что при размере сучков в 1/ стороны образца предел прочности составляет всего 0,27 от предела прочности стандартного образца. Отсюда видно, насколько важен правильный отбор древесины по размерам сучков для растянутых элементов конструкций. Таким образом, при ослаблении сечений врезками и отверстиями происходит большее снижение прочности, чем дает расчет по площади сечения "нетто".

Опыты также показывают, что прочность при растяжении зависит от масштаба образца: прочность крупных образцов, вследствие большей неоднородности их строения, меньше, чем прочность стандартных.

При разрыве поперек волокон, вследствие анизотропии древесины, предел прочности в 20-25 раз меньше, чем при растяжении вдоль волокон. Отсюда понятно значительное вредное влияние косослоя: чем больше косослой, тем меньше прочность элемента. Косослой – это второй по значимости порок древесины, который необходимо строго ограничивать.

Диаграмма зависимости - (здесь = ТЕК /ПЧ; – деформация; ТЕК – текущее значение нормального напряжения) имеет билинейный вид (см. рис. 5).

Разрушение происходит хрупко от разрыва стенок трахеид поздней древесины.

Сжатие вдоль волокон. Для проведения этого испытания образцы изготавливают в форме прямоугольной призмы с основанием 20х20 мм и длиной (вдоль волокон) равной 30 мм.

Результаты испытаний имеют большой разброс, в зависимости от породы дерева, его пористости и влажности, условий роста и наличия пороков (сучков, трещин и т.п.).

Предел прочности образца древесины с влажностью W при сжатии вдоль волокон W определяют с точностью до 5 кгс/см2 по формуле:

Испытания древесины при сжатии дают величину предела прочности в 2раза меньшую, чем при растяжении. Влияние сучков и пороков проявляется в меньшей степени, чем при растяжении вдоль волокон. При допустимом для наших норм для сжатых вдоль волокон элементов размере сучков в 1/3 стороны элемента, прочность составляет 0,6-0,7 от прочности "бессучкового" элемента тех же размеров.

Кроме того, в деревянных конструкциях размеры сжатых элементов обычно назначаются из расчета на устойчивость. Вследствие указанных особенностей, работа сжатых элементов в конструкциях более надежна, чем растянутых. Этим и объясняется целесообразность применения металлодеревянных конструкций, основные растянутые элементы которых выполнены из стали, а сжатые и сжато-изогнутые - выполнены из дерева.

Диаграмма деформирования при сжатии вдоль волокон показана также на рис. 5 (обычно диаграммы при растяжении и сжатии совмещают на одном рисунке).

Приведенная диаграмма деформирования при сжатии при > 0,5 более криволинейна, чем при растяжении. При < 0,5 диаграмма условно может быть принята прямолинейной.

Прочность при сжатии вдоль волокон зависит от толщины стенок поздних трахеид древесины хвойных пород и волокон либриформа лиственных: с увеличением толщины стенок сосудов прочность возрастает.

Изгиб. Предел прочности древесины при статическом изгибе весьма велик.

Поэтому, древесину широко применяют в работающих на изгиб конструкциях:

в балках, настилах, подмостях и т.п.

Определение показателя прочности при изгибе выполняют с помощью образцов в форме прямоугольных, опертых по концам, брусков с размерами поперечного сечения 20х20 мм и длиной вдоль волокон равной 300 мм.

Испытания проводят по одной из схем: нагрузка приложена в третях длины образца или в средней точке. Предел прочности образца древесины влажностью W определяют по формуле:

здесь в знаменателе показан момент сопротивления поперечного сечения испытуемого образца. Предел прочности древесины различных пород при изгибе находится в пределах 500-1000 кгс/см2.

Поскольку при изгибе имеется растянутая зона, то влияние сучков и косослоя значительно. При размере сучков до 1/3 стороны сечения, предел прочности составляет 0,45-0,5 от прочности "бессучковых" образцов. В брусьях и бревнах это отношение выше и доходит до 0,6-0,8. В бревнах влияние пороков на прочность при изгибе вообще меньше, чем в пиломатериалах, так как в бревнах отсутствует выход на кромку перерезанных при распиловке волокон.

Определяют краевые напряжения при изгибе по обычной формуле:

Эта формула соответствует линейному распределению напряжений по высоте сечения и действительно лишь для небольших напряжений (см. рис. 6).

В стадии разрушения в сжатой зоне сначала образуется складка, а затем в растянутой зоне происходит разрыв крайних волокон. Разрушение клеток в сжатой и растянутой зонах аналогично разрушению при осевом сжатии и растяжении. В завершение этого раздела заметим, что с увеличением высоты поперечного сечения предел прочности при изгибе уменьшается.

Смятие. Различают смятие вдоль волокон, поперек волокон и под углом к волокнам. Прочность древесины на смятии вдоль волокон (например, в стыках сжатых элементов) мало отличается от прочности при сжатии, и наши нормы не делают различия между ними.

Смятию поперек волокон древесина сопротивляется слабо. Прочность при смятии под углом занимает промежуточное положение. При смятии поперек волокон, в связи с трубчатым строением волокон, развиваются значительные деформации сминаемого элемента. После сплющивания волокон, при дальнейшем возрастании нагрузки, древесина уплотняется и ее сопротивление значительно возрастает (см. рис. 7).

О величине прочности древесины при смятии поперек волокон судить приходится лишь по величине допустимых в эксплуатации (с учетом времени) деформаций.

Рис. 7. Диаграмма деформирования древесины при смятии Рис. 8. Виды работы древесины при смятии поперек волокон За нормируемый предел прочности здесь принимают напряжение при некотором условном пределе пропорциональности (см. рис. 7).

Различают смятие поперек волокон по всей поверхности (рис. 8, а), по части длины (рис. 8, б) и по части длины и ширины (рис. 8, в). Наибольший предел прочности соответствует последнему из перечисленных видов напряженных состояний при смятии поперек волокон.

Скалывание. Скалывание древесины может происходить в плоскости, параллельной волокнам – в направлении вдоль волокон, поперек волокон и под углом к волокнам. Предел прочности при скалывании вдоль волокон, определяемый путем испытаний стандартных образцов сосны или ели при влажности 12 %, составляет 60-70 кгс/см2. Причем, разница между прочностью на скалывание в тангентальной и радиальной плоскостях незначительна.

Сопротивление скалыванию поперек волокон и под углом к волокнам меньше, чем сопротивление вдоль волокон.

Скалывающие напряжения распределяются по длине площадки скалывания неравномерно. Поэтому за предел прочности принимают среднее значение касательного напряжения по длине площадки скалывания (оно меньше максимального), которое определяется по формуле:

где ТСК - разрушающая нагрузка; FСК - площадь поперечного сечения площадки скалывания.

Средний предел прочности падает с увеличением длины площадки скалывания и зависит от отношения длины l СК этой площадки к плечу "е" приложения скалывающих сил (см. рис. 9) Рис. 9. Схема действия скалывающей нагрузки Существует два вида скалывания – одностороннее и промежуточное (см.

рис. 10).

Рис. 10. Напряженные состояния при скалывании древесины При одностороннем скалывании степень неравномерности касательных напряжений больше, чем при промежуточном скалывании.

Скалывание при внецентренном приложении скалывающей силы сопровождается отдиранием поперек волокон, что ухудшает работу древесины при скалывании (см. рис. 11) Рис. 11. Схема действия сил и напряжений при скалывании При этом возникают растягивающие напряжения РАСТ (см. рис. 11) поперек волокон, которые могут превысить соответствующий предел прочности и явиться причиной преждевременного разрушения соединения.

Чтобы повысить надежность соединения при внецентренном приложении скалывающей силы, предусматривают с помощью ТСЖ прижим по плоскости площадки скалывания (см. рис. 12).

Рис. 12. Схема создания прижима по площадке скалывания Сжимающее усилие Т СЖ вызывает нормальное напряжение сжатия поперек волокон по длине площадки скалывания, что уменьшает растягивающие нормальные напряжения поперек волокон от действия изгибающего момента (см. рис. 11).

2.3. Зависимость прочности древесины от её влажности и температуры Влияние влажности. При повышении влажности древесины от W = 0 % до точки насыщения волокон W = 30 %, предел прочности древесины, в том числе и длительная прочность, уменьшается, а деформативность увеличивается.

В наименьшей степени влажность влияет на ударную прочность и на прочность при растяжении вдоль волокон. В остальных случаях влияние влажности сравнительно велико и при ее изменении на 1 % прочность древесины изменяется примерно на 3-5 %.

Повышение влажности древесины свыше точки насыщения волокон (W = 30 %), влажность уже не оказывает влияния на прочность древесины.

Для сравнения пределов прочности древесины с различной степенью влажности, надо показатели прочности приводить к одной степени влажности, обычно к стандартной влажности, равной 12 %.

Приведение временного сопротивления древесины к стандартной степени влажности производится по формуле:

где В12 – предел прочности древесины при влажности 12 %; ВW – предел прочности древесины, полученный при ее испытаниях при степени влажности древесины в момент испытаний, равной W; - поправочный коэффициент.

Данная формула справедлива для влажности, лежащей в интервале, равном Влияние температуры. Опыты показывают, что предел прочности древесины при любой степени влажности зависит также и от температуры древесины в момент испытаний: с повышением температуры предел прочности уменьшается, с уменьшением температуры - он увеличивается.

При большой влажности и отрицательной температуре влага в древесине превращается в лед. Получается замороженная древесина, прочность которой при различных напряженных состояниях возрастает. Но древесина в этом случае становится хрупкой.

Модуль деформаций древесины при повышении температуры уменьшается, что приводит к увеличению деформативности деревянных конструкций в жаркий период года. Из вышеизложенного следует, что в момент испытаний по определению предела прочности древесины следует фиксировать также и температуру образца. Для сравнения пределов прочности древесины, полученных при различных температурах образцов, необходимо эти показатели прочности приводить к стандартной температуре, равной 200 С. Указанное приведение выполняется по формуле:

где 20 - предел прочности древесины при стандартной температуре 200 С; Т предел прочности древесины, полученный в момент испытаний при температуре образца, равной Т; - поправочный коэффициент. Приведенная формула справедлива в интервале температур 10-500 С.

3. Расчет элементов конструкций цельного сечения 3.1. Основы расчета конструкций по предельным состояниям Введение. Строительные конструкции следует рассчитывать на силовые воздействия по методу предельных состояний. Под предельными состояниями понимают такие состояния, при которых сооружения или конструкции перестают удовлетворять заданным эксплуатационным требованиям или требованиям при возведении.

Под силовыми воздействиями понимают непосредственные силовые воздействия от нагрузок и воздействия от смещения опор, изменения температуры, усадки и других явлений, вызывающих реактивные силы.

Группы предельных состояний. Согласно СНиП "Строительные конструкции и основания" различают две группы предельных состояний:

– по потере несущей способности или непригодности к эксплуатации;

– по непригодности к нормальной эксплуатации.

Здесь под нормальной - понимают эксплуатацию, осуществляемую без ограничений в соответствии с предусмотренными в нормах или заданиях на проектирование технологическими или бытовыми условиями.

К предельным состояниям первой группы отнесены:

– общая потеря устойчивости формы;

– потеря устойчивости положения;

– хрупкое, вязкое или иного характера разрушение;

– разрушение под совместным воздействием силовых факторов и неблагоприятных влияний внешней среды;

– качественное изменение конфигурации;

– резонансные колебания;

– состояния, при которых возникает необходимость прекращения эксплуатации в результате сдвигов в соединениях, ползучести материалов и т.п.

К предельным состояниям второй группы отнесены состояния, затрудняющие нормальную эксплуатацию конструкций или снижающие их долговечность, в связи с появлением:

– недопустимых перемещений (прогибов, осадок, углов поворота);

– колебаний и т.п.

Цель расчета по методу предельных состояний заключена в том, чтобы не допустить наступления предельных состояний при эксплуатации в течение всего срока службы конструкции, здания или сооружения, а также при их возведении.

Требования норм расчета заключаются в том, чтобы величины усилий, напряжений, деформаций и перемещений и т.п. не превышали предельных значений, устанавливаемых нормами. Чтобы эти состояния не наступали, должны соблюдаться следующие условия:

– для первой группы предельных состояний R, RСК;

– для второй группы предельных состояний f [ f ]ПРЕД.

Здесь, - действующие напряжения в элементах конструкций; R, RСК – расчетные сопротивления материала; f – прогиб от воздействия; [ f ]ПРЕД предельный прогиб.

Расчет по предельным состояниям. Как отмечено ранее, надежность конструкций обеспечивается расчетом. Им учитываются:

– неблагоприятные возможные характеристики материалов;

– невыгодные возможные величины и сочетания нагрузок и воздействий;

– условия эксплуатации, особенности работы конструкций.

Методом расчета по предельным состояниям эти факторы учитываются дифференцированно, поэтому этот метод может быть назван методом частных коэффициентов. Использование метода частных коэффициентов позволяет однозначно распределить научно-исследовательскую работу по совершенствованию норм проектирования. Исследование какого-либо фактора выполняется независимо от исследований других факторов, влияющих на надежность конструкций. В результате таких исследований определяют нормативные значения исходных величин, соответствующих лишь рассматриваемому фактору. Полная система частных коэффициентов, как показано ниже, состоит из пяти групп.

Коэффициент надежности по нагрузке. Учитывает возможные неблагоприятные отклонения значения воздействия от его нормативного значения. На этот коэффициент умножают нормативное значение воздействия для получения его расчетного значения. Например, где P – расчетное значение воздействия; PН – нормативное значение воздействия; к - коэффициент надежности по нагрузке.

Нормативными называются величины нагрузок, устанавливаемые нормами (например, СНиП 2.01.07-85) из заранее заданной вероятности превышения нагрузками их средних значений. Значения этих коэффициентов, как и нормативные значения воздействий, устанавливают специалисты в области воздействий, исследуя их природу и анализируя статистические данные о них.

Коэффициент надежности по материалу. Учитывает возможные неблагоприятные отклонения значений какой-либо характеристики материала (например, прочности) от ее нормативного значения. На этот коэффициент делят нормативное значение характеристики материала для получения ее расчетного значения.

Значение этого коэффициента надежности устанавливают специалисты в области строительных материалов, исследуя свойства материалов, условия их производства и анализируя статистические данные о характеристиках материалов. Нормативные характеристики материалов приведены в соответствующих нормах. Например, характеристики бетона и арматуры даны в СНиП 2.03.01-84 “Бетонные и железобетонные конструкции”.

Коэффициент точности. Учитывает возможные неблагоприятные отклонения геометрических характеристик от их нормативных значений.

На этот коэффициент умножают нормативное значение геометрической характеристики элемента для получения ее расчетного значения.

Значение этого коэффициента устанавливают специалисты в области строительных конструкций, исследуя условия изготовления и монтажа конструкций, анализируя статистические данные о соответствующих геометрических характеристиках.

Коэффициент условий работы. Отражает факторы, которые не учитываются прямым путем. С его помощью учитываются - ползучесть, пластические свойства материала, влияние податливости опор, коэффициенты динамичности и т.п.

На этот коэффициент умножают или делят усилия в элементах конструкций или значения несущей способности, как всей конструкции, так и отдельных ее элементов.

Величины этих коэффициентов устанавливают специалисты в области расчета строительных конструкций. Этот коэффициент учитывает также факторы, не имеющие аналитического описания – коррозию, агрессию среды, биологические воздействия, т.е. воздействия реальных условий эксплуатации.

Коэффициент ответственности. Учитывает ответственность сооружения и влияние этой ответственности на требуемый уровень его надежности.

Этот коэффициент вводится в главное неравенство, которое является основным требованием метода предельных состояний.

Значение этого коэффициента устанавливают специалисты в области надежности строительных конструкций.

Расчетные схемы. Расчет конструкций и сооружений выполняется по тем или иным методам расчета, в основу которых положены соответствующие расчетные схемы.

Расчетные схемы являются физическими моделями сооружения, позволяющими с той или иной степенью точности (строгости) определить параметры напряженно-деформированного состояния, возникающего в элементах конструкции (например, изгибающие моменты, продольные и поперечные силы и т.п.). Таким образом, построение физической модели означает сведение эмпирических данных к фундаментальным положениям.

Расчетные схемы и основные предпосылки метода расчета конструкции должны учитывать факторы, определяющие напряженно-деформированное состояние, особенности взаимодействия элементов конструкции между собой и с основанием.

Расчетные схемы должны отражать с целесообразной степенью строгости действительную работу сооружения. В сложных случаях для построения расчетных схем возникает необходимость в проведении специально поставленных исследований с использованием натурных или иных моделей.

Нормативные сопротивления. Их величины являются основными параметрами сопротивления материалов силовым воздействиям. Эти параметры устанавливаются нормами. За нормативное сопротивление принимают наименьшее контролируемое значение временного сопротивления или предела текучести материала, определяемое с учетом статистической изменчивости прочности:

где RВР – среднее значение предела прочности; CU - коэффициент вариации прочности (изменчивости); - число "стандартов". Обеспеченность значений нормативных сопротивлений принята в нормах для всех материалов не ниже 0,95, а для древесины не ниже 0,99. Например, величина обеспеченности 0, означает, что из 100 % испытаний образцов не менее их 99 % должны иметь прочность большую, чем величина RН.

Нагрузки и воздействия. При расчете конструкций их принимают по СНиП 2.05.02-85 "Нагрузки и воздействия", а для мостов и труб по СниП 2.05.02-85 "Мосты и трубы". В зависимости от продолжительности действия нагрузки подразделяют на постоянные и временные. Временные нагрузки, в свою очередь, подразделяются на длительные, кратковременные и особые.

К постоянным нагрузкам относят собственный вес конструкции или сооружения, вес и давление грунтов, воздействие предварительного напряжения конструкций, гидростатическое давление воды, вес постоянно расположенного технологического оборудования и т.п.

К временным длительным нагрузкам и воздействиям относят вес стационарного оборудования (станков, аппаратов и т.п.), давление жидкостей, газов, сыпучих тел в емкостях, нагрузки от людей и оборудования на перекрытия зданий, температурные климатические воздействия и т.п.

К временным кратковременным нагрузкам и воздействиям относят нагрузки от действия ветра, снега, от мостовых и подвесных кранов, веса людей и материалов в зонах обслуживания и ремонта, волновые, ледовые, навал судов, транспортные нагрузки, нагрузки, возникающие при изготовлении, транспортировке и монтаже элементов и т.п.

Особыми нагрузками являются сейсмические и взрывные воздействия, нагрузки и воздействия, вызываемые неисправностью и поломкой оборудования, внезапным обрывом тросов при аварии и т.п.

После определения напряженно-деформированного состояния от вышеуказанных парциальных нагрузок составляют сочетания расчетных усилий по действующим нормам. Например, для транспортных сооружений сочетания составляют в соответствии со СНиП 2.05.02-85 "Мосты и трубы". Для зданий и сооружений промышленного и гражданского назначения в соответствии со СНиП 2.01.08-85 "Нагрузки и воздействия" и т.п.

После составления сочетаний расчетных усилий в расчетных сечениях конструкций выполняют конструктивные расчеты элементов, на основании результатов которых проводят конструирование и далее составляют рабочие чертежи.

3.2. Центрально растянутые и центрально-сжатые элементы Расчет центрально-растянутых элементов при усилии, приложенном центрально к ослабленной площади сечения, выполняют по формуле где N - расчетная продольная растягивающая сила; RP - расчетное сопротивление древесины растяжению вдоль волокон; FНТ - площадь поперечного сечения нетто. Здесь номера формул соответствуют СНиП.

При определении FНТ ослабления, расположенные на участке длиной до 200 мм, принимают совмещёнными в одном сечении.

Расчет центрально-сжатых элементов постоянного цельного сечения производят по формулам:

на прочность на устойчивость где RС - расчетное сопротивление древесины сжатию вдоль волокон; коэффициент продольного изгиба; FНТ - площадь нетто поперечного сечения элемента; FРАСЧ - расчетная площадь поперечного сечения элемента, принимаемая равной:

при отсутствии ослаблений или ослаблениях в опасных сечениях, не выходящих на кромки, если площадь ослаблений не превышает 25 % FБР, FРАСЧ = FБР, где FБР - площадь сечения брутто; при ослаблениях, не выходящих на кромки, если площадь ослабления превышает 25 % FБР, FРАСЧ = 4/3 FНТ ; при симметричных выходящих на кромки ослаблениях FРАСЧ = FНТ.

Коэффициент продольного изгиба определяют по формулам (7) и (8):

при гибкости элемента при гибкости элемента > где коэффициент а = 0,8 для древесины и а = 1 для фанеры; коэффициент А = 3000 для древесины и А = 2500 для фанеры; - гибкость элемента цельного сечения, определяемая по формуле где l0 - расчетная длина элемента; r - радиус инерции сечения элемента с максимальными размерами брутто соответственно относительно осей Х или У.

Здесь радиус инерции определяют по формуле r = (IБР / FБР)1 / 2.

Расчетную длину элементов l0 определяют умножением его свободной длины l на коэффициент свободной длины µ Для определения расчетной длины прямолинейных элементов, загруженных продольными силами по концам, коэффициент µ0 принимают равным:

при шарнирно-закрепленных концах, а также при шарнирном закреплении в промежуточных точках элемента -1;

при одном шарнирно-закрепленном и другом защемленном конце - 0,8;

при одном защемленном и другом свободном нагруженном конце - 2,2;

при обоих защемленных концах - 0,65.

В случае распределенной равномерно по длине элемента продольной нагрузке коэффициент µ0 принимают равным:

при обоих шарнирно-закрепленных концах - 0,73;

при одном защемленном и другом свободном конце - 1,2.

Максимальная (предельная) гибкость сжатых элементов ограничена нормами, для избежания их чрезмерных деформаций от собственного веса и вибраций (см. таблицу 1).

Основные сжатые элементы (пояса, опорные Растянутые пояса ферм в вертикальной плоскости Расчет изгибаемых элементов заключается в проверке прочности, жесткости и устойчивости плоской формы деформирования.

Расчет изгибаемых элементов цельного сечения на прочность по нормальным напряжениям выполняют по формуле где M - расчетный изгибающий момент; RИ - расчетное сопротивление древесины изгибу; WРАСЧ - расчетный момент сопротивления поперечного сечения элемента. Для цельных элементов WРАСЧ = WНТ. При определении WНТ ослабления сечений, расположенные на участке элемента длиной до 200 мм, принимают совмещенними в одном сечении.

Расчет элементов цельного сечения на прочность при косом изгибе выполняют по формуле где MХ, MУ - составляющие расчетного изгибающего момента для главных осей Х и У; WХ, WУ - моменты сопротивлений поперечного сечения нетто относительно главных осей инерции сечения Х и У.

Расчет изгибаемых элементов на прочность при скалывании выполняют по формуле где Q - расчетная поперечная сила; SБР - статический момент площади брутто сдвигаемой части поперечного сечения брутто относительно нейтральной оси;

bРАСЧ - расчетная ширина сечения элемента на рассматриваемом уровне; RСК расчетное сопротивление древесины скалыванию вдоль волокон при изгибе.

Расчет изгибаемых элементов по прогибам заключается в определении прогиба и сравнении этого прогиба с предельным. Наибольший прогиб f шарнирно-опертых и консольных изгибаемых элементов постоянного и переменного сечений определяют по формуле где f0 - прогиб балки постоянного сечения высотой h без учета деформаций сдвига; h - наибольшая высота сечения изгибаемого элемента; l - пролет балки; k - коэффициент, учитывающий влияние переменности высоты сечения, принимаемый равным 1 для балок постоянного сечения; с - коэффициент, учитывающий влияние деформаций сдвига от поперечной силы.

Значения коэффициентов k и с для основных расчетных схем балок приведены в табл. 2. Прогибы элементов зданий и сооружений не должны превышать величин, приведенных в табл. 3.

Прогиб клееных элементов из фанеры с древесиной определяют, принимая жесткость сечения равной 0.7 E IПР. Здесь Е – модуль упругости древесины.

Прогиб сжато-изгибаемых шарнирно-опертых симметрично нагруженных элементов и консольных элементов определяют по формуле f - прогиб, определяемый по формуле (50); - коэффициент, определяемый по формуле (30).

Значения коэффициентов k и c учетом переменности сечения и деформаций Примечание: - отношение площади поясов к площади стенки двутавровой балки (высота стенки принимается между центрами тяжести поясов).

Предельные прогибы изгибаемых элементов 3. Покрытия (кроме ендов) Примечания: 1. При наличии штукатурки прогиб элементов перекрытий только от длительной временной нагрузки не должен превышать 1/350 пролета.

2. При наличии строительного подъёма предельный прогиб клееных балок допускается увеличивать до 1/200 пролета.

Расчет на устойчивость плоской формы деформирования изгибаемых элементов прямоугольного сечения выполняют по формуле.

где M - расчетный максимальный момент на рассматриваемом участке lP; WБР максимальный момент сопротивления брутто на рассматриваемом участке lP.

Коэффициент М для изгибаемых элементов прямоугольного постоянного по длине стержня сечения, шарнирно закрепленных от смещения из плоскости изгиба и закрепленных от поворота вокруг продольной оси в опорных сечениях, определяют по формуле где lP - расстояние между опорными сечениями элемента, а при закреплении сжатой кромке элемента в промежуточных точках от смещения из плоскости изгиба - расстояние между этими точками; b - ширина поперечного сечения элемента; h - максимальная высота поперечного сечения на участке lP ; kФ коэффициент, зависящий от формы эпюры изгибающих моментов на участке lP, определяемый по табл. 4 (извлечена из норм) Значения коэффициента kФ для расчетов на устойчивость плоской формы Проверку устойчивости плоской формы деформирования изгибаемых элементов двутаврового или коробчатого поперечного сечений выполняют в тех случаях, когда где b - ширина сжатого пояса поперечного сечения. Расчет в этом случае выполняется по формуле где - коэффициент продольного изгиба из плоскости изгиба сжатого пояса элемента, определяемый по формулам (7) - (10); RС - расчетное сопротивление древесины сжатию; WБР - момент сопротивления брутто поперечного сечения; в случае фанерных стенок - приведенный момент сопротивления в плоскости изгиба элемента.

3.4 Элементы, подверженные действию осевой силы с изгибом Расчет внецентренно-растянутых и растянуто-изгибаемых элементов выполняют по формуле где WРАСЧ - расчетный момент сопротивления поперечного сечения; FРАСЧ площадь расчетного сечения нетто.

Расчет на прочность внецентренно-сжатых и сжато-изгибаемых элементов выполняют по формуле где МД - изгибающий момент от действия поперечных и продольных нагрузок, определяемый из расчета по деформированной схеме.

Для шарнирно-опертых элементов при симметричных эпюрах изгибающих моментах синусоидального, параболического, полигонального и близких к ним очертаний, а также для консольных элементов величину МД определяют по формуле где - коэффициент, изменяющийся от 1 до 0, учитывающий дополнительный момент от продольной силы вследствие прогиба элемента, определяемый по формуле Здесь М - изгибающий момент в расчетном сечении без учета дополнительного момента от продольной силы; - коэффициент продольного изгиба, определяемый по формуле (8).

Расчет на устойчивость плоской формы деформирования сжатоизгибаемых элементов выполняют по формуле где FБР - площадь брутто с максимальными размерами сечения элемента на участке lP ; n=2 для элементов без закрепления растянутой зоны из плоскости деформирования, n = 1 - для элементов, имеющих такие закрепления;

- коэффициент продольного изгиба, определяемый по формуле (8) для гибкости участка элемента расчетной длиной lP из плоскости деформирования;

М - коэффициент, определяемый по формуле (23).

4. Элементы деревянных конструкций составного сечения на податливых связях и их расчет Многие деревянные конструкции или их элементы, воспринимающие нагрузки (балки, арки, рамы и т.п.), выполняются составными, поскольку их размеры, требуемые из условия прочности, превышают размеры по сортаменту пиломатериалов.

расположенными ветвями, соединёнными между собой с помощью различных связей. Причем, эти связи могут быть жесткими (клеевые швы) или податливыми (цилиндрические или пластинчатые нагели, шпонки, колодки, болты, гвозди, когтевые шайбы и т.п.). Как было рассмотрено выше, при наличии клеевых швов составной (склееный) элемент при расчёте рассматривается как элемент цельного (сплошного) сечения, поэтому в данном разделе нас интересуют лишь составные конструкции только на податливых связях.

Наличие податливых связей ухудшают работу составного элемента, по сравнению с аналогичным элементом цельного сечения - уменьшается несущая способность, возрастает деформативность, изменяется характер распределения сдвигающих усилий по длине элемента. Однако, поскольку при проектировании мы в большинстве не располагаем элементами требуемого цельного сечения, приходится мириться с недостатками составных стержней и должным образом учитывать податливость связей.

Методы расчета составных стержней с учетом податливости связей впервые были разработаны в России (Ржаницын, Коченов). В этих методах использовано допущение об упругой работе ветвей составного элемента и связей. Существуют точное и приближенное решения указанной задачи, но Российскими нормами предусмотрено использование приближенного метода, существенно упрощающего расчет. Не смотря на приближенность метода, полученные с его помощью окончательные результаты близки к результатам точного решения.

4.2. Расчет элементов составного сечения на поперечный изгиб Для анализа приближенного в данном случае расчета рассмотрим три деревянные балки с одинаковыми пролетом и размерами поперечного сечения первая балка имеет цельное (Ц) сечение, вторая балка составная на податливых связях (П), а третья балка является составной, но без связей (О).

Геометрические характеристики (момент инерции и сопротивления и прогиб) указанных балок показаны в таблице 5.

Сравнение геометрических характеристик различных балок балки Здесь b, h - ширина и высота поперечного сечения балки; f - прогиб балки.

Таким образом, расчет балки составного сечения на податливых связях сводится к расчету аналогичных балок цельного сечения с введением коэффициентов кж и кW, учитывающих податливость связей.

4.2.1. Расчет элементов составного сечения на поперечный изгиб Расчет изгибаемых элементов составного сечения, обеспеченных от потери устойчивости плоской формы деформирования, на прочность по нормальным напряжениям выполняется по формуле где М - расчетный изгибающий момент; RИ - расчетное сопротивление древесины изгибу; WНТ - момент сопротивления поперечного сечения балки нетто.

Расчет балки по прогибам выполняют из условия Здесь fЦ - прогиб балки цельного сечения; значения коэффициентов кW и кж для элеиентов, составленных из одинаковых слоёв, приведены в табл. 13 норм.

Требуемое количество срезов связей nC равномерно поставленных в каждом шве составного элемента на участке балки с однозначной эпюрой поперечных сил (от опоры до сечения с максимальным изгибающим моментом) должно удовлетворять условию где MA, MB - изгибающие моменты в начальном А и конечном В сечениях рассматриваемого участка; SБР - статический момент брутто площади сдвигаеиой части рассматриваемого сечения относительно нейтральной оси; IБР - момент инерции брутто поперечного сечения элемента относительно нейтральной оси; TC - расчетная несущая способность связи в данном шве.

4.2.2. Расчет центрально сжатых элементов составного сечения Расчет центрально-сжатых составных элементов на податливых связях, как и при поперечном изгибе, сводится к расчету элементов цельного сечения с введением коэффициентов, учитывающих податливость связей. В этом случае взаимные сдвиги между сплачиваемыми элементами имеют значительно меньшие величины, чем при поперечном изгибе. Расчет центрально-сжатых составных элементов выполняют на прочность и устойчивость по формулам (5) и (6) соответственно где N - расчетное продольное сжимающее усилие; FНТ, FРАСЧ - площадь поперечного сечения нетто и расчетная площадь поперечного сечения элемента соответственно, определяемые как суммарные площади всех ветвей; RC расчетное сопротивление древесины сжатию вдоль волокон; - коэффициент продольного изгиба, определяемый в зависимости от приведённой гибкости ПР по формулам (7) и (8):

при приведённой гибкости элемента ПР при приведённой гибкости элемента ПР > где коэффициент а = 0,8 для древесины и а = 1 для фанеры; коэффициент А = 3000 для древесины и А = 2500 для фанеры; ПР - приведенная гибкость составного элемента, определяемая с учётом податливости соединений по формуле где У - гибкость всего элемента относительно оси У (см. рис. 13), вычисленная по расчетной длине элемента l0 (способы определения расчетной длин элементов изложены в разделе 3), без учёта податливости, определяемая по формуле (здесь r - радиус инерции сечения элемента с максимальными размерами брутто соответственно относительно осей X или У); 1 - гибкость отдельной ветви относительно I - I (см. рис. 13), вычисленная по расчетной длине ветви l1; при l меньше семи толщин (h1) ветви принимают 1 = 0.; µУ - коэффициент приведения гибкости, определяемый по формуле где b и h - ширина и высота поперечного сечения элемента; nШ - расчетное количество швов сплачивания в элементе, определяемое числом швов, по которым суммируется взаимный сдвиг элементов ( на рис. 13, а - 4 шва, на рис.

13, б - 5 швов); l0 - расчетная длина элемента, м; nС - расчетное количество срезов связей в одном шве на 1 м элемента (при нескольких швах с различным количеством срезов следует принимать среднее для всех швов количество срезов); kC - коэффициент податливости соединений, который определяют по формулам табл. 5 (извлечена из норм.

Рис. 13. Составные элементы: с прокладками (а) и без прокладок (б) 2. Стальные цилиндрические нагели:

а) диаметром 1/7 толщины соединяемых элементов б) диаметром > 1/7 толщины соединяемых элементов 3. Дубовые цилиндрические нагели Примечание. Диаметры гвоздей и нагелей d, толщину элемента а, ширину и толщину пластинчатых нагелей принимают в см.

bПЛ При определении kC диаметр гвоздей следует принимать не более 0, толщины соединяемых элементов. Если размер защемленных концов гвоздей менее 4d, то срезы в примыкающих к ним швах в расчете не учитывают.

Значение kC соединений на стальных цилиндрический нагелях определяют по толщине а более тонкого из соединяемых элементов.

При определении kC диаметр дубовых цилиндрических нагелей принимают не более 0,25 толщины более тонкого из соединяемых элементов.

Связи в швах расставляют равномерно по длине элемента. В шарнирноопертых прямолинейных элементах допускается в средних четвертях длины ставить связи в половинном количестве, вводя в расчет по формуле (12) величину nC, принятую для крайних четвертей длины элемента.

Гибкость составного элемента, вычисленную по формуле (11), принимают не более гибкости отдельных ветвей, определяемой по формуле где IБР - сумма моментов инерции брутто поперечных сечений отдельных ветвей относительно собственных осей, параллельных оси У (см. рис. 35); FБР площадь сечения брутто элемента; l0 - расчетная длина элемента.

Гибкость составного элемента относительно оси, проходящей через центры тяжести течений всех ветвей (ось Х на рис. 35), следует определять как для цельного элемента, т.е. без учета податливости cвязей если ветви нагружены равномерно.

Составные элементы на податливых соединениях, часть ветвей которых не оперта по концам, рассчитывают на прочность и устойчивость по формулам (5), (6) при соблюдении следующих условий:

а) площади поперечного сечения элемента FНТ и FРАСЧ определяют по сечению опертых ветвей;

б) гибкость элемента ПР относительно оси У (см. рис. 35) определяют по формуле (11); при этом момент инерции принимается с учётом всех ветвей, а площадь - только опертых;

в) при определени гибкости относительно оси Х (см, рис. 35) момент инерции следует определять по формул где I0 и IН.О - моменты инерции поперечных сечений соответственно опертых и не опертых ветвей.

4.2.3. Расчет сжато-изогнутых составных элементов Расчет сжато-изогнутых составных элементов на податливых связях аналогичен расчету центрально-сжатых и изгибаемых элементов цельного сечения, но в формулах дополнительно учитывается податливость связей.

Причём при работе в плоскости изгиба составной элемент испытывает сложное сопротивление, поэтому податливость связей учитывается дважды:

а) введением коэффициента, аналогично расчету на поперечный изгиб;

б) введением коэффициента, учитывающего приведенную гибкость элемента.

Расчет на прочность сжато-изогнутых элементов составного сечения на податливых связях производят по формуле где N - расчетное продольное сжимающее усилие; FРАСЧ - расчетная площадь поперечного сечения составного элемента; МД - изгибающий момент от действия поперечных и продольных усилий, определяемый из расчета по деформированной схеме. Для шарнирно-опертых элементов при симметричных эпюрах изгибающих моментов синусоидального, параболического полигонального и близких к ним очертаний, а также для консольных элементов величину МД определяют по формуле где - коэффициент, изменяющийся от 1 до 0, учитывающий дополнительный момент от продольной силы вследствие прогиба элемента, определяемый по формуле Здесь М - изгибающий момент в расчетном сечении без учета дополнительного момента от продольной силы; - коэффициент продольного изгиба, определяемый по формуле (8) = 3000 / ПР2, где ПР определяется по формуле (11). При определении в формуле (12) коэффициента приведения гибкости µУ величину kС принимают по графе "сжатие с изгибом" см. табл. 12 норм.

Количество связей nC, которое необходимо поставить на участке от опоры до сечения с максимальным моментом, учитывающее возрастание поперечной силы от сжатия, определяют по формуле В стержнях с короткими прокладками при l > 7 необходима также проверка крайних ветвей как сжато-изогнутых стержней на прочность, это выполняют по формуле где 1 - коэффициент продольного изгиба отдельной ветви, вычисленный по её расчетной длине lВ ; FБР, WБР - геометрические характеристики полного поперечного сечения сжато-изогнутого стержня.

Сжато-изгибаемые элементы составного сечения из плоскости действия изгибающего момента рассчитываются как центрально-сжатые стержни.

Представляет интерес общий алгоритм конструирования и расчета сжато-изогнутых составных стержней. Он имеет следующий вид:

1. Назначают конструкцию стержня, количество и поперечное сечение ветвей (в соответствии с сортаментом пиломатериала) из приближённого прикидочного расчёта, например, по центральному сжатию.

2. Назначают диаметр и количество связей сдвига по ширине элемента.

Определяют несущую способность ТС одного ряда связей ( в одном ряду может быть несколько связей сдвига) из условия расчета нагелей по их изгибу и смятию древесины нагельных гнёзд.

3. Определяют FРАСЧ, FБР, IБР, WРАСЧ, SБР в соответствии с принятой конструкцией стержня.

4. Определяют в первом приближении требуемое количество рядов связей по формуле nC 1.5 М SБР / IБР ТС, полагая в первом приближении, что 0,8.

5. Если полученное в п. 4 количество рядов связей nC не удовлетворяет конструктивным требованиям, предъявляемым к расстановке связей, вносят конструктивные изменения в конструкцию стержня (диаметр или количество связей в ряду, количество или сечение ветвей) и переходят на п. 3.

7. Вновь определяют второе приближение требуемого количества рядов связей nC, и его третье приближение по формуле nC = (nC + nC ) / 2.

8. Если nC nC, то переходят на п. 9, иначе переходят на п. 6 с количеством рядов связей, равным nC.

9. Проверяют прочность стержня по формуле (28).

10. Если условие п. 9 удовлетворяется, то переходят на п. 11, иначе анализируют невыполнение условия п. 9, вносят изменения в конструкцию стержня и переходят на п. 2 или п. 3.

11. Проверяют устойчивость ветви по формуле (35).

12. Если условие п. 11 удовлетворяется, то конец расчета, иначе вносят изменения в конструкцию стержня и переходят на п. 2, или п. 3, или п. 5.

5. Соединения элементов деревянных конструкций В связи с тем, что размеры пиломатериалов ограничены сортаментом, отдельно их можно применять только для создания конструкций с невысокой несущей способностью (стойки, балки и т.п.). Для создания большинства конструкций из дерева деревянные элементы должны быть прочно и надежно соединены между собой. При помощи соединений элементы:

– соединяются по длине – сращиваются;

– соединяются по ширине – сплачиваются;

– связываются под углом узлами;

– прикрепляются к опорам – анкеруются.

Соединения – это наиболее ответственные части деревянных конструкций.

При изготовлении многих соединений в элементах деревянных конструкций делают отверстия, врезки и т.п., что ослабляет эти элементы. Поэтому разрушение деревянных конструкций начинается, в большинстве случаев, с соединений.

Таким образом, от правильности решения, расчета и изготовления соединений зависят прочность и деформативность конструкции в целом.

Наиболее просто решаются конструкции соединений сжатых деревянных элементов, в которых усилия передаются непосредственно от элемента к элементу. Здесь не требуется рабочих связей.

Более сложно решаются соединения изгибаемых элементов, в которых для передачи усилий уже необходимы рабочие связи.

Наиболее сложно решаются соединения растянутых элементов. В этих соединениях всегда имеется опасность хрупкого разрушения древесины по ослабленным сечениям. Сложность таких соединений приводит, в большинстве случаев, к замене растянутых деревянных элементов - металлическими.

Соединения весьма многообразны, их количество превышает, примерно, 40-50 типов, и по характеру их работы соединения могут быть разделены на следующие группы:

соединения без специальных связей, требующих расчета (упоры, врубки);

соединения со связями, работающими на сжатие (шпонками, колодками);

соединения со связями, работающими на изгиб (нагелями, болтами, штырями, гвоздями, винтами, деревянными пластинками,);

соединения со связями, работающими на растяжение (болтами, гвоздями, винтами, хомутами, тяжами);

соединения со связями, работающими на сдвиг (клеевыми швами).

В приведенной классификации одни и те же связи входят в разные группы.

Поэтому, целесообразно изучать соединения деревянных конструкций в следующем порядке:

соединения без специальных связей;

соединения с деревянными связями;

соединения с металлическими связями;

соединения с клеевыми связями.

Однако прежде чем приступить к изучению соединений ознакомимся с основными требованиями, которые предъявляются к соединениям.

5.2. Требования, предъявляемые к соединениям Как отмечено ранее, устройство соединений связано с ослаблением элементов деревянных конструкций. Наличие таких ослаблений приводит к образованию концентраций опасных не учитываемых расчетом местных напряжений. Причем, наибольшую опасность представляют в соединениях скалывающие и разрывающие вдоль и поперек волокон напряжения, которые вызывают хрупкое разрушение древесины.

В отличие от металла, в древесине не происходит пластического перераспределения напряжений. Поэтому, чтобы уменьшить опасность последовательного хрупкого скалывания или разрыва элементов деревянных конструкций, приходится обезвреживать природную хрупкость древесины вязкой работой соединений.

Наиболее вязким видом работы древесины является ее работа при смятии.

Таким образом, можно сформулировать первое требование, предъявляемое к соединениям. Оно заключается в том, что в соединениях необходимо обеспечить работу древесины на смятие. В этом случае хрупкая работа древесины при скалывании и разрыве будет обезврежена. Для придания соединениям вязкости используется принцип дробности. Он заключается в том, чтобы усилия от элемента к элементу передавались за счет возможно большего количества связей. В этом случае усилия между параллельно работающими связями распределяются наиболее равномерно. И, наконец, третьим требованием к соединениям является требование плотности, чтобы в соединениях не формировались нерабочие ("рыхлые") деформации. Таким образом, еще раз подчеркнем, что основными требованиями, которым должны удовлетворять соединения, являются требования вязкости, дробности и плотности. Переходим к рассмотрению соединений без специальных связей.

Соединения элементов, в которых действуют незначительные усилия или усилия передаются непосредственно от одного элемента к другому, не требуют специальных связей, подлежащих расчету. К таким соединениям относятся конструктивные врубки, лобовые упоры и лобовые врубки.

Конструктивные врубки. Это соединения, в которых возникают усилия намного меньшие их несущей способности, поэтому они не нуждаются в расчете. Существуют следующие типы конструктивных врубок.

Соединения в четверть. Это способ соединения досок кромками (см. рис.

14).

В кромках сопрягаемых элементов выбирают пазы глубиной немного большей, чем половина толщины доски. Соединение препятствует продуванию стен и проникновению осадков. Сосредоточенная нагрузка, приложенная к одной из досок, воспринимается этой доской и соседней.

Соединение в шпунт. Это способ сплачивания досок или брусьев кромками, в одной из которых вырезаны двусторонние пазы, а в другой один средний паз (см. рис. 15), в который входит гребень соседней доски. Настилы из досок, соединенных в шпунт, препятствуют просыпанию засыпок.

Сосредоточенная нагрузка, приложенная к одной из досок, воспринимается соседними досками.

Врубка в полдерева. Это способ соединения концов брусьев или бревен с врезками до половины толщины под углом в одной плоскости, стянутых болтом (см. рис. 16).

Примером такого соединения является соединение стропильных ног в коньке.

Косой прируб. Это способ продольного сращивания брусьев или бревен концами, в которых сделаны односторонние наклонные врезки длиной, равной удвоенной высоте сечения, с торцами высотой, равной 0,15 высоты сечения (см.

рис. 17).

Косые прирубы стягиваются конструктивными болтами и применяются при соединении прогонов и балок по длине (в частности, этот стык реализует шарнирное соединение).

Лобовые упоры. Эти соединения являются наиболее простыми и надежными соединениями, применяемыми для стыковки сжатых элементов.

Они работают и рассчитываются на смятие, возникающее в них от действия сжимающих усилий. Лобовые упоры бывают продольными, поперечными и наклонными.

Продольный лобовой упор. Это соединение обрезанного под прямым углом конца сжатого стержня с опорой, диафрагмой узла или торцом другого такого же стержня в сжатом стыке (см. рис. 18).

Соединение перекрывается конструктивно установленными двусторонними накладками на болтах. В продольном лобовом упоре древесина стыкуемых элементов работает на смятие (сжатие) вдоль волокон.

Поперечный лобовой упор. Это способ соединения двух стержней под прямым углом, когда торец сжатого стержня упирается в пласть другого стержня и закрепляется конструктивными накладками на болтах (см. рис. 19).

Древесина торца сжатого стержня работает на смятие вдоль волокон (сжатие), древесина пласти работает на местное смятие поперек волокон и ее прочность нуждается в проверке.

Прочность стыка проверяется лишь для пласти элемента, в который упирается обрезанный под прямым углом торец стержня. Прочность пласти при местном смятии поперек волокон определяется по формуле где RСМ 90 - расчетное сопротивление древесины местному смятию поперек волокон по части длины, определяемое по формуле при длине незагруженного участка пласти большем, чем lСМ и большем, чем толщина элемента. Здесь RС. 90 - расчетное сопротивление древесины сжатию и смятию поперек волокон по всей поверхности, определяемое по п. 3, табл. (норм); lСМ - длина (в см) площадки смятия площадью FСМ. Напомним, что здесь, ранее и далее номера формул соответствуют нормам.

Наклонный лобовой упор. Это способ соединения двух сжатых стержней под углом меньше прямого (см. рис. 20). Конец сжатого стержня обрезан под прямым углом. Слабым местом этого стыка будет площадка, расположенная под углом, она и должна быть проверена на прочность по формуле где N - расчетное продольное сжимающее усилие в наклонном стержне; F площадь наклонной площадки; RСМ - расчетное сопротивление древесины смятию под углом к направлению волокон, определяемое по формуле 1 – сжатый элемент; 2 – растянутый элемент; 3 – подбалка; 4 – аварийный где - RСМ - расчетное сопротивление древесины сжатию или смятию вдоль волокон; RСМ.90 - расчетное сопротивление древесины местному смятию поперёк волокон в узлах (определяется по п. 4а, табл. 3 норм).

Лобовая врубка. Существуют лобовые врубки с одним и двумя зубьями.

Последний способ в настоящее время не применяется. Лобовая врубка с одним зубом является простым в изготовлении соединением двух стержней под углом.

Применяется для соединения стержней малопролетных ферм и подкосных систем в узлах при их построечном изготовлении (см. рис. 21). Причем, один из стержней (врубаемый) должен быть обязательно сжат.

Врубка центрируется таким образом, чтобы в горизонтальном элементе не возникало кроме растяжения еще и изгиба от эксцетриситета продольного усилия. Врубка стягивается наклонным болтом, расположенным под прямым углом к сжатому стержню. Этот болт называется аварийным. Он препятствует разъединению стержней в процессе монтажа и при разрушении скалываемого элемента врубки.

Длину плоскости скалывания лобовых врубок lСК принимают не менее 1,5h, где h - полная высота сечения скалываемого элемента. Глубину врезки hВР принимают не более 1/4h в промежуточных узлах сквозных конструкций и не более 1/3h в остальных случаях. При этом глубина врезки hВР в брусьях должна быть не менее 2 см, а в круглых лесоматериалах - не менее 3 см.

Лобовая врубка рассчитывается на смятие от действия расчетного сжимающего усилия во врубаемом стержне и на скалывание от действия горизонтальной проекции этого усилия, равного растягивающему расчетному усилию в нижнем поясе фермы.

Расчет врубки на смятие выполняется по формуле где N - расчетное сжимающее усилие, приложенное к наклонному элементу;

FСМ=bhВР/Cos (здесь в - ширина поперечного сечения растянутого элемента);

RСМ - определяется по формуле (2), в которой величина RСМ. 90 определяется по п. 5, в, табл. 3 норм для лобовых врубок, с учетом коэффициента условий работы, принимаемого по табл. 4 норм.

Расчет врубки на скалывание выполняется по формуле где FСК - расчетная площадь поперечного сечения площадки скалывания, определяемая по формуле FСК = blСК (здесь lСК - расчетная длина площадки скалывания, принимаемая по величине не более 10hВР); RСКСР - расчетное среднее по длине площадки скалывания сопротивление древесины скалыванию вдоль волокон, определяемое для лобовых врубок по формуле где RСК - расчетное сопротивление древесины скалыванию вдоль волокон, принимаемое по табл. 3 норм; е - плечо сил скалывания (см. рис. 21). Здесь е = 0,5 h, при расчете элементов с несимметричной врезкой; h - высота поперечного сечения растянутого элемента врубки; = 0,25 при расчете на скалывание растянутых элементов соединений с односторонним расположением площадки скалывания, если обеспечено обжатие по плоскости скалывания. Отношение lСК /e должно быть по величине не менее 3.

Это трудоемкие соединения построечного изготовления. Связями служат небольшие деревянные вкладыши. Они плотно вставляются в соответствующие пазы в соединяемых элементах (бревнах или брусьях) и обеспечивают их совместную работу. Примером такой связи является шпонка (см. рис. 22).

Шпонки – это вкладыши, которые препятствуют взаимному сдвигу соединяемых элементов и работают на сжатие и скалывание. Отличительным признаком шпоночных соединений является распор, требующий постановки рабочих стяжных болтов. Величина усилия Q распора в пределах одной шпонки определяется по формуле где Т - расчетная величина сдвигающего усилия в шве сплачивания балки в рассматриваемом поперечном сечении; eШП - расстояние по вертикали между осью шпонки на её концах; lШП - горизонтальная проекция длины шпонки.

Шпоночные соединения весьма трудоемки, вызывают необходимость затрат стали на стяжные болты и относятся к устаревшим видам соединений.

5.5. Соединения со связями, работающими на изгиб.

К таким связям относятся цилиндрические нагели, гвозди, шурупы, когтевые шайбы, металлические зубчатые пластины.

Цилиндрические нагели. Нагелем называется гибкий стержень, который соединяет элементы деревянных конструкций, препятствует их взаимному сдвигу, а сам работает на изгиб (см. рис. 23).

1 – сплачиваемые элементы; 2 – цилиндрический нагель Нагели изготавливают в виде простых стержней круглого сечения из стали, древесины твердых пород, пластмасс. Нагели устанавливают в гнезда, которые предварительно просверливают перпендикулярно плоскостям сплачивания. При сверлении гнезд пакет элементов обжимают.

К цилиндрическим нагелям также относятся болты, гвозди, шурупы и глухари (винты большого диаметра с шестигранной или квадратной головкой).

Диаметр отверстий для нагеля должен быть равным диаметру самого нагеля, это обеспечивает плотность соединения и уменьшает опасность раскалывания. Гвозди, имеющие малый диаметр (до 6 мм) забивают в древесину без предварительного сверления гнезд.

Растянутые стыки на цилиндрических нагелях могут быть симметричными и несимметричными (см. рис. 24). Соединения на нагелях должны быть обжаты, для этого ставят стяжные болты в количестве не менее 25 % от общего количества нагелей. Если нагели сделаны из металла, то стяжные болты включают в расчетное количество нагелей. По ширине элемента устанавливают только четное количество продольных рядов (в 2 ряда, в 4 и т.д. ряда). Нагели малого диаметра ставят в большее число рядов.