«Рецензенты: Барсуков В.Г., доктор технических наук, доцент; Гринёв В.В., кандидат технических наук, доцент (ПГУ). Рекомендовано Советом факультета строительства и транспорта ГрГУ им. Я. Купалы. Волик, А.Р. Конструкции ...»
УДК 624.011.2
ББК 38.5
В67
Рецензенты:
Барсуков В.Г., доктор технических наук, доцент;
Гринёв В.В., кандидат технических наук, доцент (ПГУ).
Рекомендовано Советом факультета строительства и транспорта
ГрГУ им. Я. Купалы.
Волик, А.Р.
Конструкции из дерева и пластмасс : учеб.-метод. комплекс /
В67
А.Р. Волик. – Гродно : ГрГУ, 2010. – 267 с.
ISBN 978-985-515-256-0 Издание включает учебную программу, содержание дисциплины, рейтинговый кон троль, се мь учебны х модулей с ко нспек тами лекц ий, методи че ск ими рекомендациями по выполнению лабораторных и практических работ и материалы, обеспечивающие текущий и итоговый контроль. Представлена справочная и н ормати вна я док уме н та ц и я для вып олне н ия к урс ового и ди п ломн ого проектирования. Адре совано студентам специальности «Промышленное и гра жда нс кое ст рои те льс т во», может бы ть полез н ым с т уде нт а м други х строительных специальностей.
УДК 624.011. ББК 38. © Волик А.Р., © Учреждение образования «Гродненский государственный университет имени Янки Купалы», ISBN 978-985-515-256-
ОГЛАВЛЕНИЕ
СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫЛекции
Практические занятия
Лабораторные занятия
Курсовое проектирование
Учебная программа по дисциплине «Конструкции из дерева и пластмасс»
для дневной формы обучения
РЕЙТИНГОВЫЙ КОНТРОЛЬ
МОДУЛЬНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ УЧЕБНОГО ПРОЦЕССА
УЧЕБНЫЙ МОДУЛЬ 1. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ, СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И
ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ДЕРЕВЯННЫХ КОНСТРУКЦИЙЛЕКЦИЯ 1. Краткий исторический обзор развития деревянных конструкций
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ
РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
УЧЕБНЫЙ МОДУЛЬ 2. ДРЕВЕСИНА И ПЛАСТМАССЫ – КОНСТРУКЦИОННЫЕ
МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙЛЕКЦИЯ 2. Конструкционная древесина
ЛЕКЦИЯ 3. Конструкционные пластмассы
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 1. Назначение размеров сечений цельных и клееных элементов
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ
РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
УЧЕБНЫЙ МОДУЛЬ 3. РАСЧЕТ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ
ИЗ ДЕРЕВА И ПЛАСТМАСС ПО ПРЕДЕЛЬНЫМ СОСТОЯНИЯМЛЕКЦИЯ 4. Основные принципы расчетов по предельным состояниям
ЛЕКЦИЯ 5. Расчет элементов деревянных конструкций
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 2. Определение нагрузок, действующих на конструкции
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 3. Расчет деревянных элементов
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ
РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
УЧЕБНЫЙ МОДУЛЬ 4. СОЕДИНЕНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ
ДЕРЕВЯННЫХ КОНСТРУКЦИЙЛЕКЦИЯ 6. Соединение элементов без механических связей
ЛЕКЦИЯ 7. Соединение элементов на механических связях
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 1. Испытание лобовой врубки
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 2. Испытание соединения на нагелях
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ
РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
УЧЕБНЫЙ МОДУЛЬ 5. ОГРАЖДАЮЩИЕ КОНСТРУКЦИИ
ИЗ ДЕРЕВА И ПЛАСТМАССЛЕКЦИЯ 8. Ограждающие конструкции из дерева и пластмасс
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 4. Методика расчетов плит покрытия с деревянным каркасом
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 3. Испытание на статический изгиб фрагмента клеефанерной ребристой плиты
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ
РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
УЧЕБНЫЙ МОДУЛЬ 6. ОСНОВНЫЕ ВИДЫ ИНДУСТРИАЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ
ИЗ ДЕРЕВА И ПЛАСТМАССЛЕКЦИЯ 9. Обеспечение пространственной неизменяемости конструкций
ЛЕКЦИЯ 10. Деревянные арки и рамы
ЛЕКЦИЯ 11. Деревянные балки и стойки
ЛЕКЦИЯ 12. Фермы и их проектирование
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 5. Проверка прочности и устойчивости арок
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 6. Расчет и конструирование узлов арок и рам
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 7. Конструирование и расчет металлодеревянных ферм
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 4. Испытание на статический изгиб клееной балки прямоугольного поперечного сечения
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ
РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
УЧЕБНЫЙ МОДУЛЬ 7. ИЗГОТОВЛЕНИЕ И ЭКСПЛУАТАЦИЯ КОНСТРУКЦИЙ
ИЗ ДЕРЕВА И ПЛАСТМАССЛЕКЦИЯ 13. Сушка древесины
ЛЕКЦИЯ 14. Технология изготовления деревянных конструкций
ПРАКТИЧЕСКОЕ ЗАНЯТИЕ 8. Обеспечение долговечности деревянных и стальных конструкций
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ
РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
ТЕКУЩИЙ И ИТОГОВЫЙ КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА
УСВОЕНИЯ ЗНАНИЙ И УМЕНИЙВОПРОСЫ для подготовки к первому промежуточному зачету
ВОПРОСЫ для подготовки ко второму промежуточному зачету
ВОПРОСЫ для подготовки к экзамену
РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
СПРАВОЧНЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ВЫПОЛНЕНИЯ КУРСОВОГО
И ДИПЛОМНОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ1. НАГРУЗКИ
1.1. Постоянные нагрузки
1.2. Временные нагрузки
1.2.1. Снеговая нагрузка
1.2.2. Ветровая нагрузка
1.3. Расчетные нагрузки
1.4. Расчетные комбинации нагрузок
2. МАТЕРИАЛЫ ДЕРЕВЯННЫХ И КОМБИНИРОВАННЫХ КОНСТРУКЦИЙ............. 2.1. Цельная и клееная древесина
2.1.1. Общие указания
2.1.2. Расчетные сопротивления древесины
2.1.3. Деформативность древесины. Модуль упругости и сдвига древесины................ 2.2. Древесноплитные материалы
2.2.1. Общие указания
2.2.2. Расчетные сопротивления фанеры
2.2.3. Модули упругости и сдвига фанеры
2.3. Асбестоцемент
2.3.1. Общие указания
2.3.2. Расчетные характеристики асбестоцемента
2.3.3. Модули упругости и сдвига асбестоцемента
2.4. Требования к клеям
3. РАСЧЕТ ЭЛЕМЕНТОВ ДЕРЕВЯННЫХ КОНСТРУКЦИЙ
3.1. Центрально-растянутые и центрально-сжатые элементы
3.2. Изгибаемые элементы
3.3. Элементы, подверженные действию осевой силы с изгибом
3.4. Особенности расчета клеефанерных конструкций
3.4.1. Клееные балки с плоскими фанерными стенками
3.4.2. Плиты и панели с клееными фанерными обшивками
3.5. Расчет деревянных конструкций по предельным состояниям второй группы
4. РАСЧЕТ СОЕДИНЕНИЙ НАГЕЛЬНОГО ТИПА
5. СТАЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ МЕТАЛЛОДЕРЕВЯННЫХ КОНСТРУКЦИЙ
ПРИЛОЖЕНИЯ
ПРИЛОЖЕНИЕ 1. Основные символы
ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Расчетные сопротивления стали
ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Сортамент прокатных профилей
ПРИЛОЖЕНИЕ 4. Расчетные сопротивления, сортамент арматуры, прочностные характеристики бетонов
СПРАВОЧНАЯ ЛИТЕРАТУРА
СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ
Дисциплина «Конструкции из дерева и пластмасс» является профилирующей по специальности 1-70 02 01 «Промышленное и гражданское строительство».Целью преподавания дисциплины является формирование необходимых знаний по конструированию и расчетам деревянных и пластмассовых конструкций, применяемых в промышленном и гражданском строительстве; подготовка высококвалифицированных инженеров-строителей.
В результате изучения дисциплины студенты должны:
знать основные типы деревянных, пластмассовых конструкций и области их эффективного применения; технологию изготовления деревянных и пластмассовых конструкций;
сравнительную эффективность деревянных и пластмассовых конструкций в ряду других конструкций;
владеть навыками расчета и конструирования деревянных и пластмассовых конструкций, экономического анализа деревянных и пластмассовых конструкций.
1. Краткий исторический обзор развития деревянных конструкций 4. Основные принципы расчетов по предельным 9. Обеспечение пространственной неизменяемости конструкций Назначение размеров сечений цельных и клееных 2. Определение нагрузок, действующих на конструкции 4. Методика расчетов плит покрытия с деревянным 7. Конструирование и расчет металлодеревянных ферм 8. Обеспечение долговечности деревянных и стальных 3. Испытание на статический изгиб фрагмента клеефанерной ребристой плиты 4. Испытание на статический изгиб клееной балки прямоугольного сечения Тема курсового проекта – «Деревянный каркас одноэтажного однопролетного производственного здания (сооружения)». Курсовой проект выполняется самостоятельно на основе индивидуального задания и включает разработку и расчет основных несущих и ограждающих конструкций зданий и сооружений. В проекте должна быть разработана схема пространственного крепления, предусмотрены меры защиты от гниения, биоповреждений и возгорания.
Объем проекта: расчетно-пояснительная записка (25 – 30 листов) и графическая часть (2 листа формата AII).
1. Состав расчетно-пояснительной записки 1.1. Задание на курсовой проект.
1.2. Конструирование и расчет ограждающей конструкции.
1.3. Конструирование и расчет несущих конструкций, включая конструирование и расчет узлов и сопряжений.
1.4. Мероприятия по обеспечению пространственной жесткости и неизменяемости зданий.
1.5. Мероприятия по обеспечению долговечности основных несущих и ограждающих конструкций.
1.6. Список используемой литературы.
2. Графическая часть 2.1. Совмещенный план расположения несущих конструкций, плит покрытия и кровли.
2.2. Поперечный разрез.
2.3. Схема расположения связей, поперечный и продольный разрезы.
2.4. Примечание (указать место строительства; класс условий эксплуатации конструкций;
породу и сорт древесины; материалы обшивок плит покрытия; марку клея, стали, фанеры; дать указания по защите конструкций).
2.5. Рабочие чертежи ограждающей и несущих конструкций, детали и узлы.
2.6. Спецификация материалов (отдельно древесины и металла).
Примерная компоновка листов графической части дана на рис. 1 и рис. 2.
рама, арка – 40 % (30 % + 10 % оформление) колонна – 15 % (10 % + 5 % оформление) балка, ферма – 25 % (20 % + 5% оформление) введение, мероприятия по обеспечению жесткости, обеспечение долговечности – 5 % Рис. 1. Примерная компоновка первого листа графической части Рис. 2. Примерная компоновка второго листа графической части Учебная программа по дисциплине «Конструкции из дерева и пластмасс»
УМ 1. История развития, современное 1. Краткий исторический состояние и области обзор развития деревянных применения дере- конструкций вянных конструкций УМ 2. Древесина и 2. Конструкционная древепластмассы – конст- сина рукционные материНазначение размеров ных конструкций ментов конструкций из дерева и пластмасс по предельным 5. Расчет элементов дере- Расчет деревянных состояниям УМ 4. Соединение УМ 6. Основные 9. Обеспечение пространПроверка прочности ных конструкций конструкций УМ 7. ИзготовлеОбеспечение долгоУправляемая самостоятельная работа – 2 часа ние и эксплуатация
РЕЙТИНГОВЫЙ КОНТРОЛЬ
Рейтинг студентов по дисциплине «Конструкции из дерева и пластмасс» определяется суммой баллов, заработанных студентами и отражающих успешность его обучения дисциплине:
Практизанятия ческие Лабораторные Курсовое проектирование Написание и выступление с рефератами и сообщениями оценивается в 3 балла за каждую качественно выполненную работу.
Участие студента в научно-исследовательской работе (НИРС) оценивается в 10 баллов.
Публикация исследований и разработок студента оценивается в 10 баллов (каждая).
За невыполнение учебного плана и неаттестацию по данной дисциплине студент лишается 3 баллов (за каждую неаттестацию).
Для оценки успешности изучения дисциплины можно пользоваться таблицей:
Критерии выставления оценок работы за семестр
МОДУЛЬНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
УЧЕБНОГО ПРОЦЕССА
УЧЕБНЫЙ МОДУЛЬ
ИСТОРИЯ РАЗ ВИТИЯ, СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ
И ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ДЕРЕВЯННЫХ
КОНСТРУКЦИЙ
Краткий исторический обзор развития деревянных констнового материала рукций Области применения дере- Систематизация Краткий исторический обзор развития деревянных конструкций 1.1. Свойства древесины. Основные преимущества и недостатки.1.2. История применения деревянных конструкций.
1.3. История развития и современное состояние развития деревянных конструкций в Республике Беларусь.
1.1. Свойства древесины. Основные преимущества и недостатки Деревянные конструкции являются надежными, легкими и долговечными.
Свойства древесины:
относительно легкий и прочный материал, особенно по направлению вдоль волокон;
микропористый материал с хорошими теплоизоляционными и санитарногигиеническими свойствами;
малотвердый и поэтому легкообрабатываемый материал, что облегчает и упрощает изготовление деревянных конструкций;
стойко сопротивляется разрушительному воздействию слабых химически агрессивных сред;
стойко выдерживает ударные и циклические нагрузки;
надежно склеивается водостойкими синтетическими клеями.
Преимущества деревянных конструкций:
эстетическая привлекательность;
химическая стойкость;
возможность перекрывать большие пространства (рис. 1.1, 1.2, 1.3);
конструкции изготовлены из природного материала, возобновляемого естественным путем;
экологически безопасны;
по прочностным показателям единицы веса и по пределу огнестойкости не уступают металлическим конструкциям;
позволяют создавать покрытия зданий любой формы и пролета;
экономичны при транспортировании и монтаже.
древесина подвержена гниению;
деревянные конструкции сгораемы;
относительно малая прочность дерева;
малая продолжительность службы.
Основными направлениями развития конструкций из дерева является разработка, производство и применение новых клеедеревянных конструкций. Типы конструкций должны быть унифицированы. Заводское производство должно обеспечивать массовое изготовление клеедеревянных конструкций любых требуемых форм и размеров. Такое производство должно быть механизировано, автоматизировано и малотрудоемко.
Клеедеревянные конструкции должны шире применяться при строительстве сельскохозяйственных, складских, производственных зданий, промышленных зданий со слабой химически агрессивной средой, общественных зданий крупных размеров и автодорожных мостов.
Рис. 1.2. Пешеходный мост из клееной древесины через МКАД (102 км) Рис. 1.3. Строительство мансарды (реконструкция) над домом архитектора Шехтеля в Москве 1.2. История применения деревянных конструкций Первобытное Первобытные люди строили жилища на земле и на сваях, небольобщество шие ограды и мосты Древний Рим Деревянные дома, храмы и мосты через крупные реки I век Легионами Цезаря построен деревянный мост через реку Рейн В Китае и Японии построены деревянные храмы с применением В Европе широко применялись деревянные стропила крыш; дома, Средние века храмы, дворцы строились деревянными со стенами из круглых X в. В Новгороде построена 13-главая церковь святой Софии из дуба Построены из дуба башни Московского кремля и соединяющие их XIV в. Построена церковь Воскрешения Лазаря в г. Муроме 1551 г. Построена деревянная крепость на берегу Волги Под Москвой в селе Коломенское был построен загородный дворец 1667 – 1681 гг.
Построена 22-главая деревянная Преображенская церковь (35 м Появилась возможность вначале ручной, а затем и механической Конец XVII в. распиловки бревен, создания стержневых систем в виде брусчатых 1736 – 1738 гг. Построен шпиль Адмиралтейства в Санкт-Петербурге 1792 – 1793 гг. Построен Останкинский дворец 1817 г. Возведены деревянные фермы бывшего манежа в Москве пролетом 48 м Построен деревянный мост московско-петербургской железной догг.
В.И. Шухов разработал первые деревянные пространственные конНачало XX в. струкции. В Нижнем Новгороде построен деревянный свод пролетом 21 м, в Орске – градирня высотой 36 м сетчатой конструкции После революции Внедрены дощато-гвоздевые конструкции 1932 – 1936 гг. Разработаны брусчатые конструкции на пластинчатых нагелях После Великой Преобладали железобетонные элементы заводского изготовления и Отечественной Разработаны прочные водостойкие синтетические клеи (фенолформальдегидные, резорциновые), развиваются деревянные клееные конструкции: клееная водостойкая фанера, клеедеревянные 70-е годы балки, стойки, рамы, клеефанерные плиты и панели, клеедеревянные фермы со стальным нижним поясом 1972 г. Построен первый завод клеедеревянных конструкций в России Применяются деревянные конструкции для покрытия спортзалов, Настоящее теннисных кортов, бассейнов, конноспортивных манежей, мансард, время торговых и выставочных павильонов, помещений с агрессивной Рис. 1.4. Конноспортивный манеж с рамами из клееной древесины Рис. 1.5. Конноспортивный манеж в д. Поздняково Московской области Рис. 1.6. Лесопильный цех в п. Курлово Владимирской области, Рис. 1.7. Реконструкция Алексеевского моста – пергола из клееных деревянных арок кругового очертания 1.3. История и современное состояние развития деревянных конструкций в Республике Беларусь Сейчас леса покрывают одну треть территории нашей республики. Больше всего хвойных лесов, особенно сосны – 68 %. Мелколиственные породы (береза, осина) занимают 27 %, а широколиственные (дуб, клен) – 5 %.
Дешевизна, доступность древесины, ее теплотехнические и механические свойства с древнейших времен определяли дерево как основной строительный материал.
Первобытное II – III вв. н. э. Появляется срубная техника, идет строительство небольших домов При появлении городов плотничные работы выделяются в самостояXI – XII вв. тельное ремесло, совершенствуются орудия труда для обработки Жилые дома, хозяйственные постройки, культовые постройки выXVI – XIX вв.
Применяются в основном железобетонные и металлические констXX в. рукции, деревянные конструкции – только в случае острой необходимости По конструктивному решению жилые постройки подразделяются на:
1) столбчатые конструкции (рис. 1.8);
2) срубные конструкции (рис. 1.9). Обшивка выполнялась досками для защиты от атмосферных осадков, улучшения теплотехнических свойств, а также для придания красоты (рис. 1.10). Наиболее распространены два способа обшивки – вертикальная и горизонтальная.
Рис. 1.9. Жилая застройка в Ветке Гомельской области Рис. 1.10. Жилой дом в Дубовке Шарковщинского района 3) каркасные конструкции: стойки врубали в горизонтальный брус, лежащий непосредственно на земле или на фундаменте. Элементы каркаса – нижняя и верхняя обвязки, стойки, нии используются различные конструктивные схемы – арки, рамы, балки, купола (рис. 1.12 – 1.14).
Основные направления применения деревянных конструкций в Беларуси:
строительство жилых малоэтажных домов заводского изготовления (рис. 1.15):
– с каркасной схемой;
– деревянные щитовые дома;
– со стенами из клееного бруса;
строительство мансардных этажей;
производство деревянных клееных конструкций, применение легких дощатых ферм, соРис. 1.12. Интерьер рынка на 100 мест бираемых на коннекторах.
Рис. 1.13. Интерьер спорткомплекса «Химик» в Новополоцке Рис. 1.14. Фасад корта в Барановичах
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ
1. Основные направления в развитии деревянных конструкций после революции.2. Где применялись и как совершенствовались деревянные конструкции в СССР в предвоенные годы и во время войны?
3. Каково направление в развитии деревянных конструкций в послевоенные годы?
4. Назовите основные направления применения современных деревянных конструкций.
5. В каких областях народного хозяйства наиболее рационально применение деревянных конструкций?
6. На какие основные два класса делятся деревянные конструкции по методам изготовления?
7. Каковы основные направления прогресса в изготовлении и применении деревянных конструкций?
8. Каковы основные направления в развитии деревянных конструкций в Республике Беларусь.
9. Основные свойства древесины.
10. Недостатки древесины.
РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. Конструкции из дерева и пластмасс: учеб. / под ред. Г.Г. Карлсена, Ю.В. Слицкоухова [и др.]. – 5-е изд., перераб. – М.: Стройиздат, 1986. – С. 5 – 33.2. Зубарев, Г.Н. Конструкции из дерева и пластмасс: учеб. пособие для вузов / Г.Н. Зубарев. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. шк., 1990. – С. 4 – 12.
3. Конструкции из дерева и пластмасс: учеб. для вузов / Д.К. Арленинов [и др.]. – М.:
Изд-во АСВ, 2002. – С. 3 – 8.
4. Шмидт, А.Б. Атлас строительных конструкций из клееной древесины и водостойкой фанеры: учеб. пособие / А.Б. Шмидт, П.А. Дмитриев. – М: Изд-во Ассоциации строительных вузов, 2001. – 292 с.
УЧЕБНЫЙ МОДУЛЬ
ДРЕВЕСИНА И ПЛАСТМАССЫ – КОНСТРУКЦИОННЫЕ
МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ
Назначение размеров сечений Углубление Практическое ций из дерева Выдача заданий для курсового стик материалов 2.1. Классификация древесины по породе.2.2. Круглые и пиленые лесоматериалы.
2.3. Строение древесины.
2.4. Качество лесоматериалов: пороки и сорт древесины.
2.5. Влажность древесины.
2.6. Меры борьбы с увлажнением, биологическими повреждениями и пожарной опасностью.
2.1. Классификация древесины по породе для изготовления основных эледля небольших соединительных Применение ментов деревянных конструкций имеет прямые высокие стволы с имеет относительно небольнебольшим количеством сучков, шую высоту Основные чему лучше, чем лиственная, сопротивляется увлажнению и загниванию 2.2. Круглые и пиленые лесоматериалы Это части стволов с гладко опиленными Имеют прямоугольное или квадратное торцами, очищенными от сучков. сечение (рис. 2.2).
Они имеют стандартную длину: 4,0; Пиломатериалы с поверхностями, 4,5; 5,0; 5,5; 6,0 и 6,5 м. опиленными по всей длине, называются Бревна имеют естественную усеченно- обрезными. Если часть поверхности не коническую форму. Уменьшение их тол- опилена в результате сбега бревна, матещины называют сбегом. В среднем сбег риал называют обзольным. Если не описоставляет 0,8 см на 1 м длины. Толщина лены две поверхности пиломатериала при бревна определяется диаметром его тон- распиловке бревна, его называют необкого верхнего торца – d. резным.
В зависимости от формы и размеров поперечного сечения бревна бывают (рис. 2.1): пиломатериалы подразделяются:
средние – d = 14 26 см на бруски (ширина не более удвоенной толщины; = 50100; b = 100180) Пласть – более широкая продольная сторона; кромка – узкая продольная грань;
торец – концевое поперечное сечение пиломатериала 2.3. Строение древесины Древесина является анизотропным материалом: ее свойства различаются в зависимости от того, в каком направлении приложены усилия. Строение древесины в связи с этим изучается на трех главных разрезах: поперечном, радиальном, тангенциальном.
(рис. 2.3): кора; под корой – тонкий слой камбия (образовательной ткани); в центре – сердцевина, имеющая форму небольшого круглого пятнышка диаметром 2 5 мм. Вся основная древесина, расположенная между слоем камбия и сердцевиной, состоит из двух частей, отличающихся цветовыми оттенками. Внутренняя зона (более темная), содержащая больше смолы, – ядро; внешняя (более светлая) – заболонь, менее смолистая, но более прочная.
1 – кора; 2 – камбий; 3 – заболонь; 4 – сердцевина; 5 – ядро; 6 – сердцевинные лучи;
7 – поздние годовые слои; 8 – ранние годовые слои; 9 – трахеиды Годичные (концентрические) слои, окружающие сердцевину, представляют ежегодный прирост древесины. Ширина годичных слоев колеблется в зависимости от возраста, породы, условий произрастания и положения в стволе. Каждый годичный слой состоит из двух частей:
внутренний более широкий и светлый слой (состоит из мягкой ранней древесины, образующейся весной, когда дерево растет быстро). Клетки ранней древесины имеют более тонкие стенки и широкие полости;
наружный узкий и темный слой (состоит из более твердой поздней древесины, образующейся летом). Клетки поздней древесины имеют более толстые стенки и узкие полости.
Плотность и прочность древесины зависят от относительного содержания в ней поздней древесины, которая у сосны колеблется от 10 до 30 %.
Древесина имеет трубчатое слоисто-волокнистое строение. Основную массу древесины составляют древесные волокна, расположенные вдоль ствола. Они состоят из удлиненных пустотелых оболочек отмерших клеток – трахеидов. Это полые клетки из органических веществ (целлюлозы и мегнина), почти прямоугольной формы, сильно вытянутые в длину с заостренными концами средней шириной 50 мкм и длиной 3 мм. Трахеиды занимают 90 % общего объема древесины. В 1 см3 древесины приблизительно размещается 420000 трахеид.
Еще есть паренхимные клетки. В хвойной породе они входят в состав сердцевинных лучей. В растущем дереве по сердцевинным лучам происходит движение питательных веществ и воды в горизонтальном направлении, а в период покоя в них хранятся запасные питательные вещества.
2.4. Качество лесоматериалов: пороки и сорт древесины Качество лесоматериалов определяется в основном степенью однородности строения древесины, от которой зависит прочность.
Неоднородность строения возникает:
во время хранения лесоматериалов на складах;
Степень однородности древесины определяется размерами и количеством участков (пороков), где однородность нарушена и прочность снижена.
косослой (наклон волокон относительтрещины в зоне скалывания в но оси элемента) трещины при высыхании мягкая сердцевина выпадающие сучки По качеству древесины и обработки доски и бруски разделяют на 5 сортов (отборный, 1, 2, 3, 4-й), а брусья – на 4 сорта (1, 2, 3, 4-й). Отборный сорт применяется в судостроении, сельхозмашиностроении, вагоностроении; древесина 4-го сорта применяется для изготовления тары и упаковки. В строительстве используют пиломатериалы 1, 2, 3-го сортов. Основными факторами, определяющими сорт, являются величины и расположение пороков, главным образом сучков и трещин в элементе. Кроме того, учитываются и другие пороки древесины: крень, кармашки, сердцевины и др. Требования к древесине каждого сорта содержатся в нормативной литературе.
2.5. Влажность древесины Влажность – это процентное содержание свободной и связанной воды в порах древесины. Наибольшую влажность имеет сплавная древесина (W = 200 %). Свежесрубленная древесина имеет влажность до 100 %.
Предел гигроскопичности Дальнейшее увеличение влажности может происходить только за счет свободной влаги, т.е.
заполнением пустот в древесине.
При изменении влажности от 0 до 30 % объем древесины увеличивается, происходит разбухание, снижение влажности в этих пределах уменьшает ее размеры, происходит усушка.
При увеличении влажности более 30 %, когда влага занимает все полости клеток древесины, дальнейшего разбухания не происходит.
Для сравнения показателей прочности и жесткости древесины независимо от ее влажности установлено значение стандартной влажности – 12 %, т.е. при испытании образцов древесины, имеющих нестандартную влажность, предел прочности (или другой показатель) должен быть приведен к его значению при стандартной влажности с учетом поправочного коэффициента ( = 0,05 – при сжатии вдоль волокон, = 0,04 – при изгибе, = 0,03 – при скалывании вдоль волокон):
2.6. Меры борьбы с увлажнением, биологическими повреждениями и пожарной опасностью Гниение – это разрушение древесины простейшими растительными организмами (древоразрушающими грибами), для которых она является питательной средой.
Гниение как результат жизнедеятельности растительных организмов невозможно без определенных благоприятных условий:
температура должна быть не выше 50 °С. При отрицательной температуре жизнь грибов замирает, но может возобновиться при потеплении. При температуре больше 80 °С грибница и споры грибов погибают.
наименьшая влажность, при которой могут расти грибы, – 20 %. В более сухой древесине жизнь грибов прекращается.
присутствие воздуха необходимо для роста гриба. Древесина, полностью насыщенная водой или находящаяся в воде без доступа воздуха, гниению не подвергается.
Защита от гниения – это исключение одного из необходимых условий жизнедеятельности грибов. Изолировать древесину от попадания в нее спор, от окружающего воздуха и положительной температуры в большинстве случаев практически невозможно. Можно лишь только уничтожить грибы и их споры высокой температурой, не допустить повышения влажности древесины до опасного уровня.
Это достигается путем стерилизации, которая происходит в процессе искусственной сушки, когда все споры погибают (при t 80 °С).
Конструктивная защита обеспечивает такой режим эксплуатации конструкции, при которой ее влажность не превышает благоприятного для загнивания уровня. Она предусматривает:
а) защиту от увлажнения атмосферными осадками, которая обеспечивается:
– полной водонепроницаемостью кровли;
– соблюдением требования к уклонам кровли;
б) защиту от капиллярной влаги, которая достигается:
– отделением деревянных конструкций от бетонных и каменных конструкций слоями битумной гидроизоляции;
– опиранием деревянных конструкций на фундаменты выше уровней пола и грунта.
Химическая защита используется, когда увлажнение древесины неизбежно, и представляет собой пропитку или покрытие деревянных элементов антисептиками:
– водорастворимыми: фтористый и кремнефтористый натрий;
– маслянистыми: каменноугольное масло, антраценовое масло, сланцевое масло и древесный креозот.
Защита от возгорания Древесина, как органический материал, сгораема. Однако благодаря малой теплопроводности горение крупных элементов долго ограничивается наружными слоями, поэтому деревянные конструкции имеют достаточный предел огнестойкости.
Цель защиты от возгорания – повышение предела огнестойкости. Это достигается мероприятиями конструктивной и химической защиты.
Конструктивные меры защиты:
в производственных зданиях с горячими процессами применение древесины запрещено;
деревянные конструкции должны быть отделены от печей и нагревательных приборов достаточными расстояниями или огнестойкими материалами;
для предотвращения распространения огня деревянные строения должны быть разделены на части противопожарными преградами и зонами из огнестойких конструкций;
деревянные ограждающие конструкции не должны иметь сообщающихся с тягой воздуха полостей, по которым может распространяться пламя, недоступное для тушения;
элементы деревянных конструкций должны быть более массивными клееными или брусчатыми, имеющими большие пределы огнестойкости, чем дощатые;
применение штукатурки.
Химическая защита от возгорания применяется, когда от ограждающих деревянных конструкций требуется повышенная степень огнестойкости (например, в помещениях, где находится легковоспламеняющие предметы). Химическая защита включает в себя противопожарную пропитку и окраску.
Для пропитки применяют антипирены – вещества, которые при нагреве плавятся или разлагаются, покрывая древесину огнезащитной пленкой или газовыми оболочками.
Пропитка антипиренами производится одновременно с пропиткой антисептиками.
Для окрашивания применяют защитные краски на основе жидкого стекла, суперфосфаты и др. (во время пожара их пленки вздуваются и создают воздушную прослойку, временно препятствующую возгоранию).
3.1. История развития конструкций с применением пластмасс.
3.2. Основные компоненты пластмасс, применяемых в строительстве.
3.3. Основные виды пластмасс, их область применения.
3.1. История развития конструкций с применением пластмасс В отличие от дерева – природного материала, столетиями используемого в строительных конструкциях, – пластмассы и другие синтетические материалы начали применяться в строительстве всего несколько десятилетий назад.
Пластмассовые конструкции начинают свою историю с 1872 г., когда был получен первый целлулоид – жесткий прозрачный материал.
Впервые пластмассы для строительных конструкций начали использовать за рубежом в 1956 – 57 гг., когда во Франции были созданы экспериментальные цельнопластмассовые жилые дома (из пенопласта, винипласта, стеклопластика). Первое здание в России с применением в покрытии светопрозрачного полиэфирного стеклопластика было построено под Москвой над бассейном санатория «Пушкино» в 1963 г.
Пластмассы как конструктивный строительный материал имеют существенные достоинства и недостатки.
материал легкий (малая плотность, не превышающая 1500 кг/м3) высокая прочность при относительно среде стойкость в отношении гниения 3.2. Основные компоненты пластмасс, применяемых в строительстве Основа пластмасс – полимеры – это высокомолекулярные соединения, молекулы которых состоят из многих звеньев одинаковой структуры.
Получают полимеры от исходных органических веществ (мономеров), отдельные молекулы которых благодаря двойным или тройным связям способны соединяться с образованием веществ с многократно повторяющейся структурой.
В основе технологии получения полимеров лежат два основных метода:
соединение большого числа молекул мономе- химический процесс получения поров одного и того же вещества в одну молеку- лимеров из мономеров различных лу. Этот процесс происходит без выделения исходных веществ, сопровождаюкаких-либо низкомолекулярных веществ (хи- щийся выделением побочных промический состав полимера соответствует хи- дуктов (воды, спирта, и др.) мическому составу исходного мономера) В состав конструкционных пластмасс входит ряд компонентов:
Синтетические смолы образуют основную массу материалов, служат связующими аналогично цементному раствору в бетоне, и делятся на два основных класса:
1. Термопластичные смолы (поливинилхлорид, полистирол, полиэтилен и др.); при нагревании размягчаются и становятся пластичными, а при охлаждении снова твердеют.
Применяются для изготовления листовых материалов (органическое стекло, винипласт), клеев, пенопластов, пленок.
2. Термореактивные (фенолформальдегидные, полиэфирные, эпоксидные) смолы;
переходят из вязкотекучего в твердое состояние только один раз – в процессе отверждения.
Этот процесс происходит под воздействием отвердителя или при нагреве.
Применяются для изготовления стеклопластиков, пенопластов, клеев, древесных пластиков.
Нашей промышленностью вырабатываются разнообразные виды смол, но в строительстве применяют только некоторые из них:
полиэфирные смолы;
способность твердеть при повышенной и комнатной температурах без выде- основа для клеев, лаков, шпатлевок ления летучих продуктов хорошие механические показатели в твердом состоянии высокая стойкость к воздействию воды, кислот, бензина, масел и др. веществ фенолформальдегидные смолы – продукт конденсации фенола и формальдегида в присутствии катализаторов;
термостойкость высокая механическая прочность хорошая адгезия к стеклянному волокну, целлюлозосодержащим материа- клееной древесины лам (древесине, бумаге) эпоксидные смолы: получают при взаимодействии многоатомных фенолов с веществами, содержащими эпоксидную группу;
изделия, изготовленные из них, бензо-, связующее при изготовлении стекломасло- и водостойкие пластика обладают высокой адгезией к большому в качестве клеев, герметиков, коррочислу материалов зионных и водостойких покрытий мочевиноформальдегидные смолы: получают конденсацией мочевины с формальдегидом. Отверждение этих смол происходит при действии органических кислот, кислых солей;
растворяются в воде, но не рас- связующее в пресспорошках, применяемых творяются в обычных органиче- для изготовления строительных деталей будучи отвержденными, практически ни в чем не растворяются кремнийорганические смолы: в их составе наряду с органической частью присутствует и неорганическое вещество – кремний.
обладают повышенной атмо- в качестве лаков, эмалей, красок сферо- и светостойкостью для придания гидрофобных (водоотталкивающих) свойств поверхностям пористых материалов (мрамору, тканям, бумаге) Наполнители уменьшают расход связующего, что снижает стоимость готового изделия, и применяют для улучшения механических и технических свойств.
Могут быть неорганического и органического происхождения. Их вводят в виде порошков, волокон, листов (древесная мука, стеклянные и асбестовые волокна, бумага, хлопчатобумажные и стеклянные ткани).
Пластификаторы – вещества, уменьшающие хрупкость готового материала, увеличивающие его гибкость и эластичность, улучшающие условия переработки пластмасс.
Стабилизаторы помогают сохранить механические свойства пластмасс во времени и снижают скорость разрушения под воздействием атмосферных условий, повышенной температуры, света и т.д.
Ускорители – вещества, ускоряющие отверждение.
Катализаторы – вещества, которые не участвуют в отверждении, но присутствие которых необходимо для протекания процесса отверждения.
Антистатики предотвращают накопления на материале статического электрического заряда.
Ингибиторы – вещества, замедляющие процесс отверждения.
Красители вводят в массу материала для придания цвета.
Порообразователи – добавки для получения газонаполненных материалов (пенопластов).
3.3. Основные виды пластмасс, их область применения Конструкционные пластмассы в строительстве применяют в составе элементов несущих и ограждающих конструкций сравнительно недавно. К ним относятся:
стеклопластики;
воздухо- и водонепроницаемые ткани и пленки;
древесные пластики.
Стеклопластики – это листовой материал из стеклянных волокон или тканей, связанных синтетической смолой.
Стеклянные волокна (наполнитель) служат армирующими элементами: они воспринимают основные нагрузки при работе материалов конструкций. Смола не только связывает стеклянные волокна, но и распределяет усилия между ними, защищает материал от внешних воздействий.
В зависимости от вида и расположения наполнителя стеклопластики различают:
стеклопластики на основе ориентированных волокон Волокна (в виде отдельных волокон, стеклонитей, стекложгутов непрерывной длины) расположены слоями по толщине материала. Стекловолокна располагаются в одном или двух взаимно перпендикулярных направлениях в количестве до 70 % от массы.
Применяют для изготовления небольших болтов, фасонок, профильных и других деталей конструкций, эксплуатируемых в химически агрессивной среде. Из них могут изготавливаться и несущие конструкции.
стеклопластики на основе рубленых волокон Выпускаются в виде светопрозрачных волнистых или плоских листов. Количество рубленого стекловолокна – около 25 % по массе. Толщина листов – от 1,5 до 2,5 мм, ширина – до 1,5 м, длина – до 6 м. Волны имеют шаг 60 200 мм, высоту – от 14 до 54 мм, могут располагаться вдоль и поперек листа.
Применяют в основном для кровли, также в светопрозрачных панелях в качестве ограждений лестниц, балконов и барьеров, для прозрачных навесов и перегородок, при устройстве верхнего света, в заполнениях оконных переплетов и дверных проемов.
стеклопластики на основе ткани (стеклотекстолиты) Связующее (фенолформальдегидные, полиэфирные смолы) в таких стеклопластиках составляет 26 45 %. Наполнителем служат стеклоткани, сетки.
Применяют для изготовления трехслойных панелей, оболочек и др. конструкций.
Прочные, тонкие воздухо- и водонепроницаемые ткани используют в пневматических и тентовых покрытиях. Из полимерных пленок осуществляют временные покрытия закрытого грунта.
стеклопластики на основе стекломатов и стекловойлока.
Связующее – фенолокреозолоформальдегидные полимеры с добавлением гипса. Такие стеклопластики дешевы.
Применяют для обшивки трехслойных стеновых панелей и для изготовления мало напряженных конструкций деталей, т.к. они обладают небольшой прочностью на растяжение.
Пенопласты – это ячеистые газонаполненные конструкционные пластмассы. Они представляют собой нетвердую пену, состоящую из массы замкнутых ячеек, заполненных воздухом или безвредным газом.
Наполнителями являются газы, выделяющиеся в процессе пенообразования.
Пенопласты образуются путем горячего вспенивания термопластичных смол или введением отвердителей и пенообразователей в состав термореактивных смол в процессе их твердения.
наиболее легкий конструкционный материал ( = 30 100 кг/м3);
прочность их мала: 0,2 0,5 МПа (сжатие), 0,1 0,7 МПа (сдвиг);
очень эффективный теплоизоляционный материал;
бывают сгораемыми (ПС-1, ПС-4); трудносгораемыми и самозатухающими (ПСБ, ФРБ).
Применяют для слоистых плит, панелей покрытий и стен.
Органическое стекло (оргстекло) полностью состоит из термопластичной смолы полиметилметакрилата без каких-либо наполнителей и изготовляется в виде листов или плит.
достаточная прочность при изгибе (до 10 МПа);
ограниченная жесткость и твердость;
легкоповреждаемая поверхность;
высокая степень прозрачности (до 95 %).
Применяют для создания светопрозрачных участков в покрытиях и стенах. Малая теплостойкость оргстекла позволяет формовать из нагретых листов гнущиеся поверхности фонарей.
Винипласт, как и оргстекло, полностью состоит из термопластичной смолы без наполнителей. Изготавливается в виде плоских или волнистых листов толщиной до 2 мм и шириной до 120 см.
Свойства винипласта близки к свойствам оргстекла. Основные преимущества:
высокая стойкость в химически агрессивных средах;
относительно низкая стоимость.
Применяют в конструкциях, работающих в химически агрессивных средах.
Воздухо- и водонепроницаемые ткани и пленки – материал, состоящий:
из технического текстиля (прочностная основа тканей). Технический текстиль изготавливается из высокопрочных синтетических волокон:
– полиэфирных волокон типа «лавсан».
Текстиль имеет полотняное переплетение. Более прочные нити располагаются вдоль рулона (основа), а менее прочные – поперек него (уток).
из эластичных покрытий (обеспечивают воздухонепроницаемость тканей, служат для связи нитей и слоев текстиля между собой, замедляют процесс старения). В качестве покрытий применяют резину на основе синтетических каучуков, эластичный пластифицированный поливинилхлорид.
Промышленность выпускает следующие воздухонепроницаемые ткани:
Применяют для изготовления пневматических конструкций:
воздухоопорных пневмооболочек, состоящих из тканевой оболочки, опорного контура, входного шлюза, воздуходувной установки. Воздухоопорные оболочки могут образовывать покрытия пролетом до 60 м. Они имеют небольшую массу (1 кг/м2), могут перевозиться любым видом транспорта в сложенном виде и устанавливаться на опорный контур в считанные дни.
пневмовантовых конструкций, представляющих собой такую же воздухоопорную оболочку, в состав которой включены стальные тросы – ванты, которые воспринимают основную часть усилий, действующих в оболочке, и поэтому пролеты пневмовантовых конструкций могут быть значительно больше и достигать 100 м.
пневмокаркасных конструкций, состоящих из пневмоэлементов: пневмостоек, пневмобалок, пневмоарок, которые представляют собой герметически замкнутые баллоны из особо прочной воздухонепроницаемой ткани. Они могут служить стойками, балками, арками небольших (до 12 м) пролетов.
Древесные пластики – материалы, полученные соединением продуктов переработки натуральной древесины синтетическими смолами. К ним относятся:
древеснослоистые пластики – листы или плиты, изготовленные из тонкого лущеного шпона, пропитанного и склеенного формальдегидными полимерами термореактивного типа при высокой температуре и под большим давлением.
Древеснослоистые пластики имеют марки:
во всех листах шпона волокна древесины расположены параллельно или через 4 слоя с параллельными волокнами укладывают один ДСП – Б через 8 12 слоев укладывают один слой перпендикулярно в смежных слоях волокна древесины шпона расположены под угДСП – Г К группе ДСП относятся:
– балинит – пластик, полученный из шпона, выщелоченного в растворе едкого натрия и пропитанного фенолформальдегидной смолой;
– арктилит – армированный пластик, полученный из шпона, слои которого чередуются со слоями ткани и металлической сетки.
древесностружечные плиты (марки ПС и ПТ) получают горячим прессованием под давлением древесных стружек, пропитанных термореактивными смолами: фенолформальдегидными, мочевиноформальдегидными и др. Количество смолы составляет 10 %, древесной стружки – 90 %. Применяют в строительстве в качестве перегородок и для декоративной отделки стен и потолков.
древесноволокнистые плиты (ДВП) получают путем горячего прессования волокнистой массы, состоящей из органических, преимущественно целлюлозных волокон, воды, наполнителей, синтетических полимеров и некоторых специальных добавок. Сырьем служат отходы деревообрабатывающей промышленности, которые размалываются до волокнистого состояния. Применяют в строительстве в качестве перегородок и для декоративной отделки стен и потолков.
Фанера – это листовой материал, состоящий из нечетного количества слоев тонких шпонов ( 1 мм) березы или лиственницы, получаемых лущением прямолинейных отрезков ствола дерева. Волокна соседних шпонов располагаются во взаимно перпендикулярных направлениях. Наружные шпоны называются рубашками, средние – срединками. Смежные шпоны в пакете склеиваются между собой горячим или холодным прессованием.
Классификация фанеры:
– марки ФСФ – фанера на смоляном фенолформальдегидном клее;
– марки ФК – фанера на карбамидном клее.
бакелизированная – марки ФБС – фанера бакелизированная с пропиткой наружных слоев и намазыванием срединок спирторастворимыми смолами;
– марки ФБ(С)В – с пропиткой наружных слоев спирторастворимыми смолами и намазыванием срединок водорастворимыми смолами.
Бакелизированная фанера отличается от клееной фанеры более высокой водостойкостью и прочностью, поэтому применяется в конструкциях, которые работают в особо неблагоприятных влажностных условиях.
облицовочная – фанера, облицованная с одной или с двух сторон строганым шпоном из древесины ценных пород с красивой текстурой, поэтому используется для отделки помещений. Марки облицовочной фанеры:
– ФОК – фанера облицовочная, склеенная карбамидным клеем;
– ФОФ – фанера облицовочная, склеенная фенолформальдегидным клеем.
декоративная – обычная фанера, облицованная пленочными покрытиями, иногда в сочетании с декоративной бумагой. В отличие от облицовочной фанеры поверхность листов можно мыть холодной и теплой водой.
армированная – фанера, в которой между слоями шпона расположена металлическая сетка, или поверхность которой облицована с одной или двух сторон тонким слоем (0,4 0,6 мм) металла: стали, цинка, алюминия.
Применяют в конструкциях особо важных сооружений, теплопроводящих и светоотражающих частях зданий.
гофрированная – фанера, которой в процессе прессования придается волнистая форма. Такая форма обеспечивает повышенную жесткость листа.
Применяют в качестве кровельного материала без дополнительных элементов жесткости.
кровельная – фанера, получаемая из обычных листов фанеры, покрываемых одним или двумя слоями толя.
Применяют в качестве кровельного материала.
Назначение размеров сечений цельных и клееных элементов 1. Ознакомиться с основными требованиями по назначению размеров.
3. Обсудить решения в группе.
Методические указания Размеры сечений элементов деревянных конструкций назначают не произвольно, а увязывая их с сортаментом и припусками на механическую обработку. Сокращенный сортамент пиломатериалов, рекомендуемый для назначения цельных сечений деревянных элементов, приведен в табл. 2.1 [1] или табл. 13 (стр. 214). Доски, бруски и брусья для щитов, прогонов, настилов, элементов ферм берутся нестрогаными, поэтому размеры их сечений должны приниматься по указанной таблице.
Для клееных конструкций (панели, балки, арки, рамы, пояса ферм и др.) применяют строганые (фрезерованные) доски и бруски. В этом случае размеры их по сравнению с сортаментом уменьшаются в пределах припусков на механическую обработку. Величину припусков регламентирует ГОСТ 7307-75* «Детали из древесины и древесных материалов.
Припуски на механическую обработку».
Для склеивания применяют доски толщиной до 50 мм. Слои многослойных клееных элементов перед склеиванием фрезеруют по пласти с двух сторон, величина припусков при этом указана в табл. 2.1.
Номинальная толщина Кромки заготовок перед склеиванием по ширине на гладкую фугу фрезеруют в пределах припусков, величина которых указана в табл. 2.2.
Таким образом, сечения отдельных досок в клееном пакете будут меньше размера их по сортаменту на величину припусков.
Припуски на фрезерование кромок заготовок с двух сторон Номинальная ширина Следует заметить также, что даже без склеивания по ширине досок ширина клееного многослойного пакета будет уменьшена на величину припусков по табл. 2.3, поскольку весь пакет после его изготовления фрезеруется с фугованием.
При компоновке сечения клееного элемента толщина клеевого шва не учитывается (она очень незначительна).
Ширина клееной заготовки, мм Припуск на двустороннее фрезерование, мм Механической обработкой можно снять и больший припуск, но это нерационально, поэтому окончательное сечение многослойного пакета назначают как размер по сортаменту за вычетом величины припусков.
Конструируя клееный пакет для балки, в целях рационального использования материала нужно стремиться к тому, чтобы его высота была близка к шестикратной ширине (большая высота дала бы еще большее снижение площади сечения, но при этом нужно будет учитывать возможную потерю устойчивости формы). Для сжато-изогнутых элементов (арки, рамы, верхние пояса ферм) рациональная высота сечения близка к пятикратной ширине.
Более предпочтительны клееные пакеты, имеющие по одной доске в слое. Если же необходимо применять 2 или 3 доски в слое, то швы склеиваемых кромок располагаются вразбежку (с расстоянием между смежными швами не менее 40 мм).
Пример 1.1. Какое сечение будет иметь клееная балка (постоянной высоты) пролетом l = 9000 мм, склеиваемая из досок (по сортаменту) сечением 50150 мм? В каждом слое располагается одна доска.
По конструктивным требованиям для балок высота сечения должна быть hоп = (1/12 1/10)l = 750 900 мм, что составляет 17 21 досок толщиной 44 мм.
Принимаем 20 досок, что дает высоту сечения h = 880 мм. Ширина сечения с учетом припуска на фрезерование (см. табл. 2.3) будет равна Пример 1.2. Подобрать размеры цельного сечения центрально-сжатой стойки при требуемой площади Атр=190 см2. Соотношение гибкостей (расчетных длин) во взаимно перпендикуx Рис. 2.4. Поперечное сечение балки Задача 1.1. Назначить (или уточнить) размеры сечений элементов по данным табл. 1.4.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ
1. Какие породы и лесоматериалы применяются в деревянных конструкциях и как они сортируются по качеству?2. В чем преимущества древесины как конструкционного строительного материала?
3. Каково строение древесины? Что такое пороки и анизотропия древесины и как они влияют на ее прочность?
4. При каких условиях древесина гниет, и каковы методы защиты ее от гниения?
5. При каких условиях древесина горит, и каковы методы защиты ее от горения?
6. Что такое строительная фанера и каковы ее строение и достоинства как конструкционного материала?
7. Какие конструкционные пластмассы применяются для строительных конструкций, и каковы их общие достоинства и недостатки?
8. Что такое стеклопластики, их строение, прочность и применение?
9. Что такое пенопласты, какова их структура, плотность и применение?
10. Что такое оргстекло? Его основное достоинство и применение.
11. Что такое воздухонепроницаемые ткани, каково их строение и где они применяются?
12. Что такое винипласт, каково его основное достоинство и где он применяется?
13. Что такое древесные пластики? Их строение, свойства и применение.
14. В каких областях народного хозяйства наиболее рационально применение пластмассовых конструкций?
15. Что собой представляют пневматические конструкции?
РЕКОМЕНДУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. СНБ 5.05.01-2000. Деревянные конструкции. – Взамен СНиП II-25-80; Введ. 01.07.2001. – Минск: Минстройархитектуры РБ, 2001. – С. 14 – 21.2. Конструкции из дерева и пластмасс: учебник / под ред. Г.Г. Карлсена, Ю.В. Слицкоухова [и др.]. – 5-е изд., перераб. – М.: Стройиздат, 1986. – С. 33 – 108.
3. Деревянные конструкции и детали / В.М. Хрулев [и др.]; под ред. В.М. Хрулева. – 3-е изд., перераб. и доп. – М.: Стройиздат, 1995. – С. 99 – 171.
4. Зубарев, Г.Н. Конструкции из дерева и пластмасс: учеб. пособие для вузов / Г.Н. Зубарев. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. шк., 1990. – С. 13 – 38.
Д.К. Арленинов [и др.]. – М.: Изд-во АСВ, 2002. – С. 8 – 52.
6. Справочное пособие по пределам огнестойкости строительных конструкций. – Минск, 2001. – С. 16 – 18, 50 – 54.
7. Гетц, К. Атлас деревянных конструкций / К. Гетц, Д. Хоор, К. Мелер; перевод с нем.
Н.И. Александровой; под. ред. В.В. Ермолова. – М.: Стройиздат, 1985. – С. 9 – 42.
УЧЕБНЫЙ МОДУЛЬ
РАСЧЕТ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ ДЕРЕВА
И ПЛАСТМАСС ПО ПРЕДЕЛЬНЫМ СОСТОЯНИЯМ
Основные принципы расчетов по Изучение нового Расчет элементов деревянных кон- Изучение нового Определение нагрузок, действую- Углубление Практическое Сбор нагрузок на конструкции по индивидуальному заданию Основные принципы расчетов по предельным состояниям 4.1. Основные принципы расчетов.4.2. Воздействия. Нормативные и расчетные значения.
4.3. Нормативное и расчетное сопротивление древесины.
4.1. Основные принципы расчетов Предельное состояние – состояние, при достижении которого конструкция перестает удовлетворять предъявляемым к ней в процессе эксплуатации или возведения требованиям, заданным в соответствии с назначением и ответственностью сооружения.
по потере несущей способности или по непригодности к нормальной Предельные состояния первой группы связаны с обрушением или другими формами разрушения конструкций, которые могут угрожать здоровью и жизни людей, и включают в себя следующие расчеты:
по прочности, чтобы предотвратить хрупкое, вязкое, усталостное и иного характера разрушение;
по потере устойчивости формы конструкций (расчет на общую и местную устойчивость);
по потере устойчивости положения конструкций (расчет на опрокидывание и скольжение).
При расчете конструкций по первой группе предельных состояний должно соблюдаться условие т.е. расчетная несущая способность Rd должна превышать расчетное значение внутренней силы или момента Td или максимальные нормативные или скалывающие напряжения не должны превосходить расчетные сопротивления материалов.
Предельные состояния второй группы соответствуют состояниям, при достижении которых конструкция не отвечает эксплуатационным требованиям, и включают в себя следующие расчеты:
по определению деформаций или прогибов, влияющих на внешний вид, эффективное использование конструкции или вызывающих повреждение отделки и других элементов.
В общем виде условие, которое должно соблюдаться при расчете конструкций по второй группе предельных состояний, представляется как где Cd – нормальное значение или функция определенных свойств материала конструкции, связанная с рассматриваемым расчетным воздействием; Ed – расчетный эффект от воздействия предельно допустимый прогиб, указанный в разделе 10 «Прогибы и перемещения» СНиП 2.01.07-85.
Предельные прогибы (табл. 3.1) устанавливаются исходя из следующих требований:
технологических (обеспечение условий нормальной эксплуатации технологического и подъемно-транспортного оборудования, контрольно-измерительных приборов);
конструктивных (обеспечение целостности примыкающих друг к другу конструкций и их стыков, обеспечения заданных уклонов);
физиологических (предотвращение вредных воздействий и ощущений дискомфорта при колебаниях);
эстетико-психологических (обеспечение благоприятных впечатлений от внешнего вида конструкций, предотвращение ощущения опасности).
Балки, фермы, ригели, прогоэстетико-психологических ны, плиты, настилы:
покрытий и перекрытий, открыдлительные тых для обзора, при пролете l, м;
при наличии на них элеменстяжек тов, подверженных растрескиванию (стяжек, полов и перегородок) Примечания.
Для промежуточных значений l предельные прогибы определяют линейной интерполяцией.
Цифры, указанные в скобках, следует принимать при высоте помещений до 6 м включительно.
4.2. Воздействия. Нормативные и расчетные значения Воздействия – это нагрузки, усилия, приложенные к конструкции (прямые воздействия), или вынужденные деформации (косвенные воздействия), возникшие в результате изменения температуры. Величины воздействий определяются строительными нормами СНиП 2.01.07-85 с учетом изменения №1 (от 11.06.2004 г.).
К постоянным нагрузкам относится вес частей сооружений, в том числе вес несущих и ограждающих конструкций.
К длительным нагрузкам относятся:
вес временных перегородок, подливок под оборудование;
вес стационарного оборудования;
нагрузки от складируемых материалов и стеллажного оборудования;
нагрузки от людей, животных, оборудования на перекрытия жилых, общественных и сельскохозяйственных зданий с пониженным нормативным значением;
снеговые нагрузки с пониженным нормативным значением.
К кратковременным нагрузкам относятся:
снеговые нагрузки с полным нормативным значением;
ветровые нагрузки;
вес людей, ремонтных материалов в зоне обслуживания и ремонта оборудования.
К особым нагрузкам следует отнести:
сейсмические воздействия;
взрывные воздействия.
Каждая нагрузка имеет нормативное и расчетное значение. Нормативное значение обозначается индексом «k», расчетное – «d».
Нормативные нагрузки являются исходными значениями. Постоянные нормативные нагрузки вычисляются по значениям собственного веса и объема конструкций и других элементов. Временные нормативные нагрузки определяются в результате обработки данных многолетних наблюдений и измерений.
Нормативные нагрузки учитываются при расчете по второй группе предельных состояний.
Расчетные нагрузки определяются на основе нормативных с учетом их возможной переменчивости, особенно в большую сторону.
Расчетное значение воздействий Fd следует определять путем умножения нормативного значения Fk на коэффициент надежности для воздействий f в частности: для постоянных воздействий Qd Qk Q или Qd Qk Q i, где Q, G – коэффициенты надежности для воздействий, учитывающих возможность неблагоприятных воздействий, неточностей их моделирования.
Расчетные воздействия применяются при расчете конструкций по первой группе предельных состояний.
Расчетные ситуации При расчете деревянных конструкций следует предусматривать все расчетные ситуации и случаи нагружения и выбирать наиболее неблагоприятные расчетные случаи, для которых проверяются условия соответствующих предельных состояний.
При расчете по I группе предельных состояний:
основная комбинация особая комбинация При учете сочетаний, включающих постоянные и не менее двух временных нагрузок, расчетные значения временных нагрузок следует умножать на коэффициент сочетания i, равный:
в основных сочетаниях для длительных нагрузок Q = 0,95; для кратковременных – Q = 0,9;
в особых сочетаниях для длительных нагрузок Q= 0,95, для кратковременных – Q = 0,8.
Постоянные воздействия Постоянная нормативная нагрузка gk, действующая на конструкции, состоит из двух частей:
нагрузок от всех элементов и материалов, поддерживаемых данной конструкцией;
нагрузки от собственного веса основной рассчитываемой конструкции.
При предварительном расчете нагрузку от собственного веса рассчитываемой конструкции можно определить приближенно, используя эмпирическую формулу где gi.k – постоянная нагрузка от веса поддерживаемых элементов; qs.k – снеговая нагрузка;
k s.w – коэффициент собственного веса;
Постоянная расчетная нагрузка равна произведению нормативной на коэффициент надежности для постоянных воздействий G.
Значение коэффициента G в зависимости от вида нагрузки от утеплителя, кровли, стяжек, выполняемых в построечных условиях Снеговая нагрузка Нормативная снеговая нагрузка q s.k определяется с учетом нормативного веса снегового покрова на 1 м2 горизонтальной поверхности S0, который дается в нормах в зависимости от снегового района и особенностей формы покрытия.
Республика Беларусь согласно изменению № 1 к СНиП 2.01.07-85 «Нагрузки и воздействия» разделена на 2 снеговых района: IБ с S0 0,8 кПа, IIБ с S0 1,2 кПа.
Коэффициент, учитывающий уклон и другие особенности формы покрытия, определяется:
при двускатных или односкатных покрытиях, имеющих угол наклона 25, 1; при 600 0, а при промежуточных углах наклона 250 60 0 определяется интерполяцией.
при сводчатых покрытиях по сегментным фермам или аркам равномерная снеговая нагрузка определяется с учетом коэффициентов 1 и 2 (рис. 3.1, а).
при стрельчатой форме (рис. 3.1, б) при 15 снеговая нагрузка определяется как для двускатных покрытий, при 15 – как на сегментные покрытия.
Расчетная снеговая нагрузка равна произведению нормативной нагрузки на коэффициент надежности для снеговых воздействий G 1,5. Если отношение нормативного значения равномерно распределенной нагрузки от веса покрытий к нормативному значению веса снегового покрова S0 менее 0,8, тогда G 1,6.
Ветровая нагрузка Нормативное значение ветровой нагрузки qw.k определяется умножением нормативного давления ветра на коэффициент, учитывающий высоту здания, и аэродинамический коэффициент, учитывающий его форму, где w0 – нормативное значение ветрового давления (оно направлено перпендикулярно поверхностям покрытия и стен и зависит от ветрового района страны);
k – коэффициент, учитывающий изменение ветрового давления по высоте (для большинства зданий из дерева и пластмасс, высота которых не превышает 10 м, k = 1);
c – аэродинамический коэффициент – зависит от формы здания, его абсолютных и относительных размеров, уклонов, относительных высот покрытия.
Для большинства скатных покрытий угол наклона не превышает 140, ветровая нагрузка действует в виде отсоса. Ветровая нагрузка должна обязательно учитываться при расчете стоек, конструкций треугольной и стрельчатой формы.
Расчетная ветровая нагрузка равна нормативной, умноженной на коэффициент надежности q 1,4.
4.3. Нормативное и расчетное сопротивления древесины Нормативное сопротивление древесины f i..k (МПа) является основной характеристикой прочности древесины чистых от пороков участков. Эта величина определяется по результатам многочисленных лабораторных кратковременных испытаний малых стандартных образцов сухой древесины влажностью 12 % на растяжение, сжатие, изгиб, смятие и скалывание.
Статическая обработка таких испытаний позволяет определить нормативное сопротивление, для которого доверительная вероятность установлена не ниже 0,95. Это значит, из 100 % отобранных образцов не менее 95 % должны иметь прочность, большую нормативного сопротивления или равную ему.
Расчетное сопротивление древесины f i..d – это основная характеристика прочности реальной древесины, т.к. древесина имеет естественные допускаемые пороки (которых не бывает в лабораторных образцах) и работает под нагрузками в течение многих лет.
Расчетное сопротивление древесины получают путем деления нормативных значений сопротивления на коэффициенты надежности где m – коэффициент надежности по материалу; n – коэффициент надежности по назначению.
Качество древесины естественно влияет на величины ее расчетных сопротивлений.
Древесина 1 сорта (с наименьшими пороками) имеет наибольшее расчетное сопротивление.
В СНБ 5.05.01-2000 расчетные сопротивления установлены в зависимости от сорта древесины: сосны, ели, лиственницы европейской, а расчетное сопротивление других пород учитывается путем введения коэффициента породы k x.
Анизотропия древесины, наличие пороков, чувствительность к температурновлажностным факторов требует введения ряда коэффициентов:
kmod – коэффициент условий работы kmod учитывает условия, в которых работают конструкции и длительность нагружения kt – коэффициент, учитывающий температуру окружающего воздуха kt 0,8. Для промежуточных значений k h – коэффициент, учитывающий из- при высоте сечения более 500 мм значение k h снижается от 1 до 0, менение высоты поперечного сечения k – коэффициент, учитывающий из- значение k находится в пределах 0,95 1, менение расчетных сопротивлений изги- и зависит от толщины склеиваемых элебу, сжатию в зависимости от толщины ментов слоев в клееных элементах k R – коэффициент, учитывающий из- k зависит от отношения r и имеет менение расчетных сопротивлений расзначение в пределах 0,6 1, тяжению, сжатию и изгибу для гнутых деревянных элементов k 0 – коэффициент, учитывающий концентрацию напряжений в деревянных в расчетном сечении и изгибаемых элементов из круглых лесоматериалов с элементах при наличии ослаблений k S – коэффициент, учитывающий изk S 0, менение расчетных сопротивлений при глубокой пропитке антипиренами Модуль упругости древесины вдоль волокон независимо от породы принимается Е0 10000 МПа. Это значение получено путем снижения в 1,5 раза модуля упругости (Е = 15000 МПа), полученного из кратковременных испытаний образцов древесины; поперек волокон Е90 = 400 МПа.
Модуль упругости древесины для учета зависимости от условий эксплуатации и классов длительности нагружения необходимо умножать на значения коэффициента kmod, а для конструкций, подвергающихся воздействию повышенной температуры, – на значение коэффициента kt.
Расчет элементов деревянных конструкций 5.1. Расчет центрально-растянутых элементов.
5.2. Расчет сжатых элементов.
5.3. Расчет изгибаемых элементов.
5.4. Расчет элементов, подверженных изгибу с осевым растяжением.
5.5. Расчет элементов, подверженных изгибу с осевым сжатием.
5.6. Скалывание и срез древесины.
5.1. Расчет центрально-растянутых элементов Растянутые элементы – это нижние пояса ферм, затяжки арок и стержни других сквозных конструкций.
Зависимость древесины при растяжении t t.o близка к линейной (рис. 3.1), т.к. древесина работает на растяжение как упругий материал. Разрушение растянутых элементов происходит хрупко, в виде почти мгновенного разрыва наименее прочных волокон по пилообразной поверхности без заметных предварительных деформаций.
Поэтому работа деревянных элементов при растяжении является наиболее ответственной и растянутые элементы надо изготовлять, как правило, из наиболее прочной древесины 1 сорта. Но при отсутствии такого материала допускается в мало напряженных элементах применять древесину 2 сорта.
Прочность растянутых элементов в тех местах, где они ослаблены отверстиями или врезками, снижается в результате дополнительной концентрации напряжений у их краев. Это учитывается коэффициентом ko = 0,8 к расчетному сопротивлению древесины.
При наличии ослаблений в пределах длины равной 20 см в разных сечениях поверхность разрыва всегда проходит через них. Поэтому при определении ослабленной площади сечения Ainf все ослабления на этой длине суммируются, как бы совмещаются в одном сечении (рис. 5.1, г).
а – схема работы; б – диаграмма деформирования чистой без пороков древесины при кратковременном растяжении; в – схема разрушения; г – эпюры напряжений Расчет центрально-растянутых элементов по прочности производится по формуле где N d – расчетная осевая сила; Ainf – площадь поперечного сечения элемента нетто. При определении Ainf ослабления сечения, расположенные на участке длиной до 0,2 м, принимают совмещенными в одном сечении.
По 2-й группе предельных состояний (по деформациям) растянутые элементы не проверяются.
5.2. Расчет сжатых элементов На сжатие работают стойки, подкосы, верхние пояса и отдельные стержни ферм и других сквозных конструкций.
Древесина работает на сжатие более надежно, чем на растяжение, но не вполне упруго. Примерно до половины предела прочности древесина работает упруго, а рост деформаций происходит по закону, близкому к линейному. При дальнейшем увеличении напряжений деформации растут быстрее, чем напряжения, указывая на упругопластическую работу древесины. Разрушение образцов происходит пластично в результате потери местной устойчивости, о чем свидетельствует характерная складка на образце. Поэтому сжатые элементы работают более надежно, чем растянутые, и разрушаются только после заметных деформаций.
Пороки реальной древесины меньше снижают прочность сжатых элементов, т.к. сами воспринимают часть сжимающих напряжений. Поэтому сжатые элементы рекомендуется изготовлять из древесины II сорта.
Сжатые элементы конструкций имеют длину, как правило, намного большую, чем размеры поперечного сечения, и разрушаются не как малые стандартные образцы, а в результате потери устойчивости, которая происходит раньше, чем напряжения сжатия достигнут предела прочности. При потере устойчивости сжатый элемент выгибается в сторону (рис. 5.2, б). При дальнейшем выгибе на вогнутой стороне появляются складки, свидетельствующие о разрушении древесины от сжатия, на выпуклой стороне древесина разрушается от растяжения.
Расчет центрально-сжатых элементов производится по формуле на устойчивость (для элементов с гибкостью 35 ) ; N d – расчетная осевая сила; Ad – расчетная площадь поперечного сечегде c.o.d ния, принимаемая равной:
Ad Asup – площади сечения брутто, если ослабления не выходят за кромку и площадь ослабления не превышает 25 %;
Ad Ainf – площади сечения нетто, если ослабления не выходят за кромку и площадь ослабления превышает 25 %;
Ad Ainf – площади нетто, если ослабления выходят за кромки;
k c – коэффициент продольного изгиба определяется в зависимости от гибкости элемента:
E0, nom – вероятный минимальный модуль упругости древесины вдоль волокон – равен 300 f c.o.d.
Гибкость ( d ) зависит от расчетной длины элемента и радиуса инерции сечения элемента в направлении соответствующей оси ( i );
Расчетную длину ld следует определять умножением его свободной длины l на коэффициент 0, учитывающий закрепление элемента и нагрузку, действующую на элемент (рис. 3.3, в).
а – диаграмма деформирования чистой от пороков древесины;
Сжатие поперек волокон При местном сжатии поперек волокон соседние незагруженные участки древесины тоже сжимаются за счет изгиба волокон и оказывают поддерживающее действие работе незагруженного участка.
При сжатии поперек волокон должно соблюдаться условие где kc.90 – коэффициент, учитывающий поддерживающие влияния волокон при сжатии поперек волокон на участке; зависит от величин L, L1, a (рис. 3.4).
При наклонном сжатии под углом к направлению волокон () должно соблюдаться условие c..d f c..d, где расчетное сопротивление сжатию под углом определяется по формуле Смятие древесины – это поверхностное сжатие, которое может быть местным и общим. Общее смятие – когда сжимающая сила действует на всю поверхность, местное – когда сила действует на часть поверхности элемента. Смятие древесины в конструкции может происходить:
поперек волокон;
под углом к волокнам.
Сопротивление древесины смятию поперек волокон в несколько раз меньше сопротивления ее вдоль волокон (клетки работают в наименее благоприятных условиях: они сплющиваются за счет внутренних пустот).
5.3. Расчет изгибаемых элементов Изгибаемые элементы – это балки, настилы, обшивки. В изгибаемом элементе от нагрузок, действующих поперек его продольной силы, возникают изгибающие моменты М d и поперечные силы Vd.
От действия изгибающего момента в сечениях элемента возникают напряжения изгиба (рис. 3.5), которые состоят из сжатия в верхней половине сечения и растяжения в нижней.
Нормальные напряжения в сечениях распределяются неравномерно по высоте.
Пороки древесины, длительное действие нагрузок уменьшают прочность изгибаемых элементов из реальной древесины, как и при сжатии. Изгибаемые элементы работают еще более надежно, чем сжатые, и предупреждают об опасности разрушения заранее большими прогибами. Отсюда следует, что изгибаемые элементы, как и сжатые, рекомендуется изготавливать из древесины 2 сорта, в малоответственных элементах можно использовать древесину 3 сорта.
а – график прогибов; б – схема разрушения и эпюра нормальных напряжений;
в – схема работы при косом изгибе; г – оси элемента; д – эпюра напряжений Расчет изгибаемых элементов, устойчивость которых обеспечена, на прочность по нормальным сечениям производят по формуле где f m.d – расчетное сопротивление изгибу; m.d – расчетное напряжение.
Для изгибаемых элементов, не имеющих постоянного подкрепления сжатой кромки из плоскости изгиба, следует также провести проверку на устойчивость плоской формы деформирования по формуле Для изгибаемых элементов прямоугольного сечения, шарнирно закрепленных для предотвращения смещения из плоскости изгиба и поворота вокруг продольной оси в опорных сечениях, kinst определяется по формуле где l m – расстояние между опорными сечениями элемента, а при закреплении сжатой кромки элемента в промежуточных точках – расстояние между этими точками; b – ширина поперечного сечения; h – максимальная высота поперечного сечения на участке l m ; k f – коэффициент, зависящий от формы эпюры изгибающих моментов на участке l m.
Расчет изгибаемого элемента по прогибам заключается в определении его наибольU max шего относительного прогиба от нормативных нагрузок и проверке условия, чтобы он не превосходил предельно допускаемого нормами значения, что определяется условием U max U lim Наибольший прогиб U max определяется по формуле где hmax – максимальная высота сечения; l – пролет изгибаемого элемента; kh1 – коэффициент, учитывающий влияние переменности высоты сечения; kh1 1 – для элементов постоянного сечения; k v – коэффициент, учитывающий влияние деформаций сдвига от поперечной силы; U 0 – прогиб элемента постоянного сечения высотой h без учета деформаций сдвига.
В элементах, оси сечений которых расположены наклонно к направлению действия нагрузок (балки, прогоны скатных покрытий), изгиб можно рассматривать как результат изгибов относительно любой из осей сечения, каждый из которых происходит как прямой.
При косом изгибе нормальные напряжения в сечениях суммируются и достигают максимальных значениях в верхних и нижних точках сечения (рис. 5.4, в – д).
Проверка прочности косоизгибаемых элементов производится по формуле Расчет косоизгибаемых элементов по прогибам производится с учетом геометрической суммы прогибов относительно каждой оси по формуле 5.4. Расчет элементов, подверженных изгибу с осевым растяжением Растянуто-изгибаемые элементы работают одновременно на растяжение и на изгиб:
при одновременном действии в сечении продольной силы и изгибающего момента (например, нижний пояс ферм, в котором, кроме растяжения, действует изгиб от межузловой нагрузки, веса подвесного оборудования и др.);
при внецентренном нагружении (т.е. растягивающие силы в элементе действуют с эксцентриситетом относительно его оси или растягивающие усилия приложены к элементу, имеющему несимметричное ослабление).
В сечениях (рис. 5.5) от продольных растягивающих усилий возникают равномерные растягивающие напряжения, от изгибающего момента – напряжения изгиба, состоящие из сжатия на одной половине и растяжения на другой половине сечения. Эти напряжения суммируются с учетом их знаков, благодаря чему растягивающие напряжения увеличиваются, а сжимающие уменьшаются. Наибольшие напряжения растяжения действуют в крайних растянутых кромках сечения в месте действия максимального изгибающего момента. Здесь и начинается разрушение элемента из-за разрыва растянутых волокон древесины.
а – эпюры нормальных напряжений; б – схема работы и эпюры изгибающих моментов Растянуто-изгибаемые элементы – это такие же ответственные элементы, как и растянутые, и их рекомендуется изготовлять из древесины 1 сорта.
Расчет элементов при изгибе с осевым растяжением производят по формуле 5.5. Расчет элементов, подверженных изгибу с осевым сжатием Сжато-изгибаемые элементы работают одновременно на сжатие и изгиб:
при одновременном действии продольной сжимающей силы и изгибающего момента (например, верхние пояса ферм, в которых, кроме сжатия, возникает еще изгиб от межузловой нагрузки);
при действии сжимающей силы с эксцентриситетом относительно их осей (например, в криволинейных элементах, нагруженных продольной силой).
В сечениях сжато-изгибаемого элемента (рис. 3.7) действуют продольные сжимающие усилия N d, от которых возникают равномерные напряжения сжатия c.o.d, и изгибающий момент M d, от которого возникают и сжимающие, и растягивающие напряжения, максимальные в крайних волокнах и нулевые на нейтральной оси.
а – схема работы и эпюры изгибающих моментов; б – эпюры нормальных напряжений Разрушение сжато-изгибаемого элемента начинается с потери устойчивости сжатых волокон, что обнаруживается появлением складок и повышенными прогибами, после чего элемент ломается. Такое разрушение частично пластическое. Поэтому сжато-изгибаемые элементы работают более надежно, чем растянутые, и их рекомендуется изготавливать из древесины 2 сорта.
Расчет элементов при изгибе с осевым сжатием производят по формуле где k m.c 1 – коэффициент, учитывающий увеличение напряжений от действия продольной силы при изгибе для шарнирно-опертых элементов при симметричных эпюрах изгибающих моментов синусоидального, параболического, полигонального и близких к ним очертаний.
В случаях, когда в шарнирно-опертых элементах эпюра изгибающих моментов имеет треугольное или прямоугольное очертание, коэффициент km.c следует умножать на поправочный коэффициент k e, определяемый по формуле где – коэффициент, который следует принимать равным 1,22 при эпюре треугольного очертания и 0,81 – при эпюре прямоугольного очертания.
Расчет на устойчивость плоской формы деформирования сжато-изгибаемых элементов (из плоскости изгиба) следует выполнять по формуле где n – показатель степени, учитывающий раскрепление растянутой кромки из плоскости ( n = 2 для элементов без раскрепления растянутой кромки и n = 1 для элементов, имеющих такое раскрепление); k c 1 – коэффициент продольного изгиба, определяемый для участка длиной l m между закреплениями; kinst – коэффициент, определяемый по формуле c.o.d – расчетное сжимающее напряжение, определяемое по формуле где Asup. max – площадь брутто с максимальными размерами сечения элемента на участке lm ; m.d – расчетное напряжение от изгиба, определяемое по формуле где M max – максимальный изгибающий момент на рассматриваемом участке l m ; Wsup. max – максимальный момент сопротивления брутто на рассматриваемом участке l m.
5.6. Скалывание и срез древесины Скалывание древесины происходит в продольных сечениях элементов от действия скалывающих усилий. Прочность древесины при скалывании очень мала ввиду ее волокнистого строения. Волокна древесины имеют относительно слабые связи между собой, которые легко разрываются при скалывании. Разрушение элементов происходит почти мгновенно.
Расчет изгибаемых элементов на прочность при сдвиге выполняют по формуле где Vd – расчетная поперечная сила; Ssup – статистический момент брутто сдвигаемой части относительно нейтральной части; I sup – момент инерции брутто поперечного сечения элемента относительно нейтральной оси; bd – расчетная ширина сечения элемента; f v.o.d – расчетное сопротивление скалыванию при изгибе.
Расчетную несущую способность соединения на скалывание следует определять по следующей формуле:
где f v. mod.d – расчетное среднее по площадке скалывания сопротивление древесины скалыванию вдоль волокон, определяемое по формуле где f v.o.d – расчетное сопротивление древесины скалыванию вдоль волокон; – коэффициент, равный 0,25 (при обеспечении обжатия площадки скалывания 1,25 ); е – плечо сил скалывания, принимаемое равным 0,5h ; h – полная высота поперечного сечения скалываемого элемента; lv – расчетная длина плоскости скалывания, принимаемая не более 10 глубин врезки в элемент; Av b lv – расчетная площадь скалывания.
а – скалывание при изгибе; б – одностороннее скалывание в соединениях Определение нагрузок, действующих на конструкции 1. Решить задачи.
2. Обсудить решения в группе.
Задача 2.1. Определить расчетное значение линейно-распределенной нагрузки, действующей на основную несущую конструкцию (исходные данные представлены в табл. 3.4.).
Задача 2.2. Определить величину расчетной постоянной нагрузки, действующей на плиту покрытия шириной 1500 мм. Исходные данные принять по табл. 3.5.
Задача 3.1. Найти несущую способность растянутого элемента (рис. 3.9). Исходные данные приведены в табл. 3.6.
№ варианта Примечание. Номер варианта задачи задается двузначным числом: первая цифра означает номер варианта по столбцу А, а вторая – по столбцу Б.
Задача 3.2. Найти несущую способность центрально-сжатого стержня (рис. 3.10), данные по которому приведены в табл. 3.7.
№ варианта 1. Буквы в графе «Схема закрепления концов в плоскости» означают: Ш – шарнирное; З – защемленное; О – свободное (без раскреплений).
2. См. примечание к задаче 3.1.
ВОПРОСЫ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ
1. Как работают и рассчитываются растянутые деревянные элементы и как учитываются ослабления их сечений?2. Как работают и рассчитываются сжатые элементы и как учитывается их устойчивость?
3. Как работают и рассчитываются изгибаемые элементы и как подбираются их сечения?
4. Как работают и рассчитываются сжато-изгибаемые элементы и как учитываются их прогибы?
5. Как работают и рассчитываются растянуто-изгибаемые элементы и как влияют на их работу прогибы?
6. Как работают и рассчитываются сминаемые элементы? Что такое угол смятия и как он влияет на их прочность и деформативность?
7. Как работают и рассчитываются на скалывание изгибаемые элементы и где действуют максимальные напряжения скалывания?
8. Как работают и рассчитываются на скалывание соединения?
9. Какие предельные состояния имеются у конструкций из дерева и пластмасс?
10. Что такое нормативные и расчетные нагрузки и как их определяют?
11. Что такое нормативное сопротивление древесины и как его определяют?
12. Что такое коэффициент условий работы и что он учитывает?
13. Что такое предельное состояние конструкций?
14. По каким группам предельных состояний в соответствии с требованиями СНБ рассчитываются конструкции? Чем они характеризуются?
15. Перечислите несколько предельных состояний, отнесенных к первой и второй группам.
16. Чем отличается нормативная нагрузка от расчетной, в каких случаях они используются в расчетах?
17. Что такое коэффициент сочетания, и в каких случаях его применяют. Приведите пример.
18. Что такое нормативное сопротивление материала и как его определяют?
19. Напишите формулу расчетного сопротивления и объясните, какие факторы учитывает коэффициент безопасности по материалу при назначении расчетного сопротивления древесины.
20. Как определяется длительная прочность древесины?
21. Как влияют пороки на прочность древесины?
22. Что учитывают коэффициенты условия работы? Приведите примеры таких коэффициентов.
1. СНБ 5.05.01-2000. Деревянные конструкции. – Взамен СНиП II-25-80; Введ.
01.07.2001. – Минск: Минстройархитектуры РБ, 2001. – С. 21 – 31.
2. Конструкции из дерева и пластмасс: учебник / под ред. Г.Г. Карлсена, Ю.В. Слицкоухова [и др.]. – 5-е изд., перераб. – М.: Стройиздат, 1986. – С. 108 – 137.
3. Зубарев, Г.Н. Конструкции из дерева и пластмасс: учеб. пособие для вузов / Г.Н. Зубарев. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Высш. шк., 1990. – С. 38 – 64.
4. Конструкции из дерева и пластмасс: учебник для вузов / Д.К. Арленинов [и др.]. – М.: Изд-во АСВ, 2002. – С. 52 – 63.
УЧЕБНЫЙ МОДУЛЬ
СОЕДИНЕНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ ДЕРЕВЯННЫХ
КОНСТРУКЦИЙ
Соединение элементов без Изучение нового Соединение на механических Изучение нового Подготовка к 1-му промежу- ПредварительныйСОЕДИНЕНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ БЕЗ МЕХАНИЧЕСКИХ СВЯЗЕЙ
6.1. Классификация соединений.6.2. Конструктивные врубки и лобовые упоры.
6.3. Клеевые соединения.
6.1. Классификация соединений Пиломатериалы, применяемые в строительстве, имеют ограниченные размеры поперечного сечения (250 275 мм) и максимальную длину до 6,5 м. Лесоматериалы, имеющие большие размеры, поставляются по особому заказу по повышенной стоимости. В связи с этим для создания конструкций больших пролетов или высоты необходимо соединять отдельные элементы.
соединение элементов соединение элементов соединение элементов Анизотропия строения, малая прочность древесины при скалывании, растяжении поперек волокон и смятии являются причиной большой сложности и многообразия соединения конструкций из дерева.
Для осуществления соединений используют различные средства (связи). Это различные детали, позволяющие не только обеспечить заданную форму конструкции, но и передавать значительные усилия с одного элемента на другой. Самым распространенным видом соединений деревянных элементов являются нагели – гибкие стержни или пластинки из стали, пластмасс или древесины твердых пород (дуба или антисептированной березы).
По характеру работы соединения могут быть разделены на следующие группы:
без специальных связей, требующих расчета (лобовые упоры, врубки). Чаще всего это сжатые элементы, в которых усилия передаются от элемента к элементу и не требуют рабочих связей;
со связями, работающими:
– на сжатие (шпонки, колодки);
– на изгиб (болты, стержни, гвозди, винты, пластинки);
– на растяжение (болты, винты, хомуты);
– на сдвиг, скалывание (клеевые швы);
податливые (податливость – способность связей давать возможность соединяемым элементам сдвигаться друг относительно друга). Деформации в податливых соединениях возникают в результате:
– неплотностей, образующихся при изготовлении, от усушки и смятия древесины, особенно поперек волокон;
– изгиба связей;
жесткие – соединения, не обладающие податливостью. К жестким соединениям относятся клеевые соединения.
6.2. Конструктивные врубки и лобовые упоры Конструктивные врубки (рис. 4.1) сплачивание в четверть а – врубка в полдерева; б – косой прируб; в – соединения в четверть:
Врубка в полдерева – соединение концов брусьев, бревен с вырезками до половины их толщины, стянутое болтом.
Косой прируб – продольное сращивание болтами брусьев или бревен, в концах которых сделаны односторонние вырезы.
Применение: для соединения прогонов и балок по длине.
Сплачивание в четверть – сплачивание досок кромками по ширине. Механически образуют пазы, в которые входят выступы соседних досок.
Применение: обшивки наружных стен.
Сплачивание в шпунт – сплачивание досок или брусьев кромками, в одной из которых вырезан выступ, а в другой – шпунт, равный 1/3 толщины доски, в который входит выступ соседней доски.
Применение: настилы из досок.
1 – стяжной болт; 2 – стальное крепление; 3 – опора; 4 – штырь Клеевое соединение Клеевые стыки по их расположению и особенностям работы могут быть разделены (рис. 6.3):
1 – по пластям; 2 – по кромкам; 3 – по пласти и кромке; 4 и 5 – зубчатый с выходом зубьев на кромки и пласти; 6 – усовое соединение фанеры; 7 – клееный элемент Соединение элементов на механических связях 7.1. Классификация нагельных соединений.
7.2. Расчет нагельных соединений.
7.3. Соединения на вклеенных стальных стержнях.
7.1. Классификация нагельных соединений Нагели – это стержни или пластины, препятствующие взаимному сдвигу соединяемых элементов и работающие в основном на изгиб.
Нагели применяются при сплачивании (в составных стержнях или балках), при наращивании деревянных элементов (в стыках), при узловых соединениях (в узлах ферм).
В зависимости от способа приложения внешних сил и числа швов, пересекаемых одним нагелем, различают два вида соединения: симметричные и несимметричные (рис. 4.4).
Гвоздевые соединения должны отвечать следующим требованиям:
диаметр гвоздей следует принимать не более 0,25 толщины пробиваемых элементов;
при определении расчетной длины защемления конца гвоздя не следует учитывать заостренную часть гвоздя длиной 1,5 d ; кроме того, из длины гвоздя следует вычитать по 2 мм на каждый шов между соединяемыми элементами; если расчетная длина защемления гвоздя получается меньше 4 d, его работу в примыкающем к нему шве учитывать не следует;
при свободном выходе гвоздя из пакета расчетную длину последнего элемента следует уменьшать на 1,5 d ;
в соединении должно быть не меньше двух гвоздей;
под гвозди диаметром 6 мм и более следует предварительно сверлить отверстия диаметром 0,8 d.
Болтовые соединения должны отвечать следующим требованиям:
диаметр отверстия под болт не должен превышать диаметра болта более чем на 1 мм;
под головкой болта и гайкой должны быть использованы шайбы с боковым размером или диаметром не менее 3d и толщиной не менее 3d (d – диаметр болта). Шайбы должны плотно прилегать к древесине.
Сопряжение несущих деревянных конструкций с фундаментом выполняется с помощью фундаментных анкерных болтов.
Соединения на шурупах должны отвечать следующим требованиям:
защемление шурупа (т.е. длина его в элементе, принимающем острие) должно быть как минимум 4d;
шурупы завинчиваются в предварительно просверленные отверстия;
длина гладкой части шурупа больше толщины элемента под его головкой;
длина гладкой части шурупа в элементе, принимающем острие, составляет не менее 2d.
7.2. Расчет нагельных соединений Нагель работает как балка в упруго-пластичной среде. Разрушение нагеля может произойти:
1) от изгиба нагеля (нагель – балка, лежащая на сплошном основании);
2) от смятия древесины нагельного гнезда;
3) от скалывания древесины (от нагеля до торца или между нагелями);
4) от раскалывания (разрыв поперек волокон).