Древесина является анизотропным материалом

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Магнитогорский государственный технический

университет им Г.И. Носова

В.Б. Гаврилов

КОНСТРУКЦИИ ИЗ ДЕРЕВА И ПЛАСТМАСС

Конспект лекций

Магнитогорск

УДК 624.011.2

Рецензенты:

Заведующий кафедрой «Строительные конструкции»

Пермского государственного технического университета,

Кандидат технических наук

А.В. Калугин

Главный строитель
ОАО Проектный институт «Магнитогорскгражданпроект»,
кандидат технических наук, профессор

А.А. Варламов

Гаврилов В.Б.

Конструкции из дерева и пластмасс. Конспект лекций: Учебное пособие. – Магнитогорск: ФГБОУ ВПО «МГТУ», 2013. – 89 с.

В учебном пособии приведены общие сведения о проектировании и расчете конструкций из дерева. Изложены основные требования к конструктивным решениям несущих конструкций из древесины и фанеры. Рассмотрены основные свойства древесины и конструкционных пластмасс.

Учебное пособие предназначено для студентов-бакалавров всех форм обучения по направлению «Строительство», профиль 270000.62, дисциплина «Конструкции из дерева и пластмасс», а так же может быть полезно магистрам и работникам проектных и экспертных организаций.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ПРЕДИСЛОВИЕ. 5

ВВЕДЕНИЕ. 6

ГЛАВА 1. ДРЕВЕСИНА И ПЛАСТМАССЫ - СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ 12

1.1 ДОСТОИНСТВА И НЕДОСТАТКИ ДРЕВЕСИНЫ.. 12

1.2 СТРОЕНИЕ ДРЕВЕСИНЫ И ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА. 15

1.3 МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДРЕВЕСИНЫ.. 18

1.4. РАБОТА ДРЕВЕСИНЫ НА РАСТЯЖЕНИЕ, СЖАТИЕ И ПОПЕРЕЧНЫЙ ИЗГИБ 23

1.5. СТРОИТЕЛЬНАЯ ФАНЕРА. ПИЛОМАТЕРИАЛЫ.. 29

ГЛАВА 2. РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ ДЕРЕВЯННЫХ КОНСТРУКЦИЙ 32

2.1. ОСНОВЫ РАСЧЕТА ПО ПРЕДЕЛЬНЫМ СОСТОЯНИЯМ.. 32

2.2. ПРЕДЕЛЬНЫЕ СОСТОЯНИЯ И РАСЧЁТ ЦЕНТРАЛЬНО-РАСТЯНУТЫХ СТЕРЖНЕЙ 34

2.3. ПРЕДЕЛЬНЫЕ СОСТОЯНИЯ И РАСЧЁТ ЦЕНТРАЛЬНО-СЖАТЫХ СТЕРЖНЕЙ 34

2.4. ПРЕДЕЛЬНЫЕ СОСТОЯНИЯ И РАСЧЕТ ИЗГИБАЕМЫХ ЭЛЕМЕНТОВ 38

2.5. ВНЕЦЕНТРЕННО - РАСТЯНУТЫЕ И РАСТЯНУТО - ИЗОГНУТЫЕ СТЕРЖНИ 41

2.6. ВНЕЦЕНТРЕННО-СЖАТЫЕ И СЖАТО-ИЗОГНУТЫЕ СТЕРЖНИ. 42

ГЛАВА 3. СОЕДИНЕНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ ДЕРЕВЯННЫХ КОНСТРУКЦИЙ 44

3.1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ. 44

3.2. СОЕДИНЕНИЯ НА ВЫРУБКАХ. 45

3.3. СОЕДИНЕНИЯ НА ШПОНКАХ. 46

3.5. СОЕДИНЕНИЯ НА НАГЕЛЯХ. 50

3.6. СОЕДИНЕНИЯ НА РАСТЯНУТЫХ СВЯЗЯХ. 53

3.7. СОЕДИНЕНИЯ НА ПЛАСТИНЧАТЫХ НАГЕЛЯХ. 56

3.8. КЛЕЕВЫЕ СОЕДИНЕНИЯ. 57

ГЛАВА 4. СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ ИЗ ДРЕВЕСИНЫ.. 60

4.1. ПЛОСКИЕ СПЛОШНЫЕ ДЕРЕВЯННЫЕ КОНСТРУКЦИИ. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ 60

4.2. БАЛКИ СПЛОШНОГО СЕЧЕНИЯ УСИЛЕННЫЕ ПОДБАЛКАМИ. 62

4.3. КОНСОЛЬНО-БАЛОЧНЫЕ И НЕРАЗРЕЗНЫЕ СИСТЕМЫ ПРОГОНОВ 63

4.4. ПЛОСКИЕ СПЛОШНЫЕ ДЕРЕВЯННЫЕ КОНСТРУКЦИИ НА УПРУГО-ПОДАТЛЕВЫХ СВЯЗЯХ 65

4.5. РАСЧЕТ СТОЕК НА ПРОДОЛЬНЫЙ ИЗГИБ (ЦЕНТРАЛЬНОЕ СЖАТИЕ) 67

4.6. БАЛКИ ДЕРВЯГИНА (НА ПЛАСТИНЧАТЫХ ПАНЕЛЯХ) 69

4.7. РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ КЛЕЕНЫХ БАЛОК. 71

4.8. КОНСТРУИРОВАНИЕ И РАСЧЁТ АРОК. 77

4.9. ПЛОСКИЕ СКВОЗНЫЕ КОНСТРУКЦИИ. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ. 80

4.10. НИЖНИЕ ПОЯСА. ВЫБОР МАТЕРИАЛА. 84

5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ. 88

Список источников. 89

ПРЕДИСЛОВИЕ

Учебное пособие составлено в соответствии с рабочей программой Федерального государственного образовательного стандарта третьего поколения по дисциплине «Конструкции из дерева и пластмасс», разработанной на кафедре строительных конструкций МГТУ им. Г.И. Носова.

Материалы, изложенные в учебном пособии, отвечают современным достижениям научно-технического прогресса и практике проектных институтов и организаций, возводящих здания и сооружения и производящих изделия полной заводской готовности.

Наличие огромных лесных запасов на территории России явилось основой использования древесины в качестве строительного материала для возведения зданий и сооружений жилищного, хозяйственного, культового и других назначений.

Широко распространенное в прошлом в сельском строительстве возведение жилых домов в виде сруба из бревен и брусьев постепенно сокращается и сохраняется в основном в лесоизбыточных отдаленных районах, плохо обеспеченных дорожной сетью, и, по существу, не имеет перспектив для массового применения из-за чрезвычайно большого расхода лесоматериалов и значительной трудоемкости.

В изучаемой дисциплине конструкции из дерева и пластмасс рассматриваются совместно, потому что они относятся к классу лёгких строительных конструкций.

Будущему инженеру-строителю важно уяснить, что конструкции из различных материалов – таких как металл, железобетон, дерево, пластмасса – не противопоставляются друг другу, а применяются в сочетаниях, обеспечивающих наиболее эффективное использование в строительстве свойств, присущих каждому из материалов.

ВВЕДЕНИЕ

Для всех строительных материалов имеются области рационального и эффективного использования. Это относится и к древесине, которая во многих районах нашей страны является местным строительным материалом. В некоторых районах древесина имеется в избытке (в так называемых лесоизбыточных районах).

Наша страна является первой в мире по количеству лесных площадей (2 место занимает – Бразилия, 3 место Канада, 4 место - США), которые занимают почти половину территории России – примерно 12,3 млн. км². Основная часть лесов России (примерно ¾ части) расположена в районах Сибири, Дальнего Востока, в северных областях европейской части страны. Преобладающими породами являются хвойные: 37% лесов занимает лиственница, 19% - сосна, 20% - ель и пихта, 8% - кедр. Лиственные породы занимают около ¼ площади наших лесов. Наиболее распространенной породой является береза, занимающая около 1/6 общей площади лесов.

Запасы древесины в наших лесах составляют около 80 млрд. м³. Ежегодно заготавливается около 280 млн. м³. деловой древесины (т.е. пригодной для изготовления конструкций и изделий). Однако, это количество далеко не исчерпывает естественного годового прироста древесины в отдаленных районах Сибири и Дальнего Востока.

История создания деревянных зданий и сооружений берет свое начало с древнейших времен. Первой конструктивной формой строений был прямоугольный в пла­не сруб из бревен. Постепенно увеличивались площади и объемы строящихся сооруже­ний, расширялось функциональное назначение помещений. Срубы стали возводить много­угольными в плане с наличием внутренних стен, обеспечивающих неизме­няемость сооружений и устойчивость наружных стен.

Наличие огромных лесных запасов на территории России явилось основой многовекового использования древесины в качестве строительного материала для возведения зданий и сооружений жилищного, хозяйственного, культового и других назначений. До настоящего времени сохранились уникальные строения, выполненные зодчими в виде сруба более 250 лет назад. Образцом такого строительства являют­ся существующие нынче храмы в Кижах на Онежском озере, постройки в Малых Карелах Архангельской области (рис.1).

Первые инженерные сооружения человечества – свайные постройки, мосты и плотины были также из дерева. С конца XVII века, когда появилась возможность распиловки бревен на брусья и доски, деревянное строительство вышло на новый этап. Более эко­номичные и легкие сечения древесины позволили создавать эффективные стержневые системы, позволяющие перекрывать значительные пролеты, что дало толчок в развитие архитектуры, мостостроении. Наиболее ярким примером использования древесины в качестве стро­пильных конструкций является конструкция шпиля Адмиралтейства (рис.2), осу­ществленная по проекту И.К. Коробова и сохраненная А.Д. Захаровым при перестройке башни в начале XIX века, фермы для перекрытия Манежа в г. Москве пролетом 48 м, построенные в 1817 г. А.А. Бетанкуром (рис.3).

Рис.1 – Деревянные храмы в Кижах на Онежском озере

Рис.2 – Здание Адмиралтейства в г.С-Петербург

Рис.3 – Монтаж ферм покрытия Манежа в г.Москва

Многолетний опыт строительства зданий различного назначения позво­лил определить рациональные области применения деревянных конструк­ций:

1. Зрительные и общественные здания, спортивные сооружения, выста­вочные павильоны, рынки и другие пролетом от 18 до 100 м (см. пример на рис.4).

2. Покрытия гражданских, промышленных и сельскохозяйственных зданий. Целесообразно использовать дощатые и брусчатые фермы со сборкой на стройплощадке (эффективность применения определяется легкостью, прочностью и благоприятными условиями для борьбы с недостатками).

3. Здания с химически агрессивной средой. В первую очередь, склад­ские здания пролетом до 45 м для перегрузки и хранения минеральных удобрений.

4. Малоэтажное деревянное домостроение.

5. Производственные сельскохозяйственные здания.

6. Неотапливаемые здания производственно-вспомогательного назначения промышленных предприятий.

7. Неотапливаемые здания и навесы для хранения и переработки сель­скохозяйственной продукции.

8. Быстровозводимые здания комплектной поставки небольших проле­тов для отдаленных районов крайнего Севера.

9. Инженерные сооружения - опоры линий электропередачи (с напряжением до 35 кВ), триангуля­ционные и радиопрозрачные мачты и башни, мосты небольшой грузоподъ­емности, пешеходные мосты.

Рис.4 – Схема каркаса крытого легкоатлетического манежа спорткомплекса Метеор в г. Жуковский с несущими дощатоклеенными арками

Нецелесообразно применять деревянные конструкции в местах где затруднены мероприятия по защите древесины от возгорания и попеременного увлажнения (соответственно гниения):

- горячие цехи;

- промышленные здания с большими крановыми нагрузками;

- помещения с повышенной эксплуатационной влажностью (кроме бань).

Несмотря на многовековое использование древесины в качестве строительных конструкций, поиск новых технических решений продолжается. В течении последних 20 лет ведутся разработки жестких соединений клееных деревянных элементов (по аналогии с закладными деталями железобетонных конструкций), что позволило открыть новое направление сборных клееных деревянных конструкций. В практике строительства в России и за рубежом реализовано большое количество большепролетных зданий и сооружений из сборных клееных деревянных конструкций. Сочетание узловых вклееных стержней с линейным армированием клееных деревянных элементов является дальнейшим этапом в развитии клееных деревянных конструкций для зданий очень боль­ших пролетов.

Прогрессивные формы индустриальных деревянных конструкций:

1. Монолитные дощатоклееные и клеефанерные конструкции в виде балок, арок, рам и комбинированных систем.

2. Металлодеревянные фермы с дощатоклееным верхним поясом.

3. Кружально-сетчатые пространственные конструкции из стандартных цельных и клееных косяков.

В отличие от дерева пластмассы в конструкциях начали использовать с середины прошлого века, после возникновения промышленного производства синтетических материалов.

К основным конструкционным строительным пластмассам относятся:

- высокопрочный стеклопластик;

- прозрачный менее прочный стеклопластик;

- оргстекло;

- винипласт;

- пенопласт;

- воздухо- и водонепроницаемые ткани и плёнки;

- древесные пластики.

Пластмассовые конструкции применяются в основном в виде стеновых панелей, плит покрытия, светопрозрачных ограждающих элементов различной формы и множеством индивидуальных конструкций, выпускаемых небольшими партиями.

Из наиболее прочных стеклопластиков, расчётное сопротивление сжатию и растяжению которых достигает 100 МПа, выполняют элементы несущих строительных конструкций. Однако это применение возможно только при техническо-экономическом обосновании. Прозрачные стеклопластики используют в качестве светопрозрачных элементов ограждающих конструкций зданий. Из особо прозрачного оргстекла и прозрачного винипласта изготовляют прозрачные части ограждений, пропускающие все части солнечного спектра. Сверхлёгкие пенопласты применяют в средних слоях лёгких ограждающих покрытий и стен.

Особым классом конструкций из пластмасс являются мембраны (прочные, тонкие воздухо- и водонепроницаемые ткани), которые применяются в виде пневматических и тентовых сооружений. Материал в них работает на растяжение и нет опасности потери устойчивости.

ГЛАВА 1. ДРЕВЕСИНА И ПЛАСТМАССЫ - СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

1.1 ДОСТОИНСТВА И НЕДОСТАТКИ ДРЕВЕСИНЫ

К основным достоинствам древесины относятся:

Малый вес. Древесина имеет в среднем плотность 550 кг/м³ и в 14 раз легче стали, в 4,5 раза легче бетона, что позволяет значительно снизить ма­териальные затраты по транспортировке, по устройству фундаментов, об­ходиться без тяжелых грузоподъемных механизмов при возведении зданий и сооружений.

Прочность. Одним из показателей эффективности применения конст­рукций из различных материалов является показатель удельной прочности материала, который выражается отношением плотности материала к его объемному весу. Для клееной древесины это отношение состав­ляет 3,66×10^-4 1/м, для углеродной стали 3,7×10^-4 1/м, для бетона класса 22,5 ÷ 1,85×10^-4 1/м. Это подтверждает целесообразность применения наряду со сталь­ными деревянных клееных конструкций в большепролетных зданиях, где собственный вес имеет решающее значение.

Деформативность и вязкость. Из всех традиционных строительных ма­териалов только древесина в меньшей степени реагирует на неравномерную осадку оснований фундаментов. Вязкий характер разрушения древесины (за исключением скалывания) позволяет перераспределять усилия в элементах, что не вызывает мгновенного отказа конструкций.

Температурное расширение. Коэффициент линейного расширения дре­весины различен вдоль волокон и под углом к ним. Вдоль волокон значение этого коэффициента в 7-10 раз меньше, чем поперек волокон, и в 2-3 раза меньше, чем у стали. Этот факт дает возможность не учитывать влияние температуры и не требует членения здания на температурные блоки.

Теплопроводность. Малая теплопроводность древесины, обусловленная ее структурой, является основой широкого применения в стенах ограждаю­щих конструкций. Коэффициент теплопроводности древесины в 6 раз ниже, чем у керамического кирпича, в 2 раза ниже, чем у керамзитобетона, газо-пенобетонов плотностью 800 кг/м³ и эквивалентен газо-пенобетонам плот­ностью 300 кг/м³, т.е. плотностью почти вдвое ниже, чем у древесины.

Химическая стойкость древесины. Древесину можно использовать без дополнительной защиты или защищая ее покраской, поверхностной про­питкой в условиях химически агрессивной среды. Деревянные конструкции применяются при строительстве складов для химически агрессивных сыпу­чих материалов таких, как калийные и натриевые соли, минеральные удоб­рения, разрушающие бетон и сталь. Большинство органических кислот не разрушает древесину при обычной температуре.

Самовозобновляемостъ древесины. Основным достоинством древесины по сравнению с другими конструкционными материалами является посто­янное возобновление ее запасов. При производстве других конструкционных материалов (стали, бетона, пластмассы и др.) требуются большие затраты энергии и расходуется большое количество исходного сырья, запасы которого постоянно иссякают.

Простота обработки. Древесина легко обрабатывается простым ручным или электрическим инструментом. Деформативность древесины позволяет придавать конструкциям из нее различные прямолинейные и криволи­нейные формы. Производство конструкций небольших пролетов из цельной древесины можно освоить практически на лесопунктах, на любой базе строительной индустрии, что невозможно для производства металлических или железобетонных конструкций.

Древесине, как и другим материалам, присущи недостатки:

Неоднородность, анизотропность древесины и пороки. Неоднород­ность древесины проявляется в различии строения и свойств годовых сло­ев, образующихся в процессе роста дерева в зависимости от условий внеш­ней среды (климатических условий).

Неоднородность древесины сказывается на изменчивости показателей прочности, что усложняет полу­чение достоверных расчетных характеристик древесины.

Древесина представляет собой тело с тремя осями анизотропии по глав­ным структурным направлениям - вдоль и поперек волокон в тангенциаль­ном и радиальном направлении. Значительные расхож­дения прочности древесины при приложении усилий вдоль и поперек волокон значительно усложняют вопросы конструирования деревянных конструкций и, в первую очередь, узловых соединений, что зачастую ведет к нерациональному увеличению сечений соединенных элементов.

К основным порокам относятся сучки, трещины и косослой. Наличие сучка изменяет направление волокон древесины либо прерывает их, что значительно влияет на прочность, особенно при растяжении, т.к. происхо­дит неравномерное нагружение всех волокон по сечению.

Зависимость физико-механических свойств древесины от влажности. Древесина обладает способностью впитывать в себя влагу ввиду своей гиг­роскопичности. От количества влаги в древесине в значительной мере зави­сят и ее физико-механические свойства. Плотность свежесрубленой древесины хвойных пород (кроме лиственницы) и мягких лиственных пород (осина, тополь, ольха, липа) равна 850 кг/м³. По мере удаления влаги плотность уменьшается. При 15-25% влажности плотность принимается 600 кг/м³, а при 6-12% влажности плотность прини­мается 500 кг/м³. Лиственница имеет плотность соответственно 800 кг/м³ и 650 кг/м³ при влажности в пределах 15-25% и 6-12% соответственно. Для строительства различают древесину:

- сырую с влажностью выше 25%;

- полусухую с влажностью 12-25%;

- воздушно-сухую с влажностью 6-12%.

Ползучесть древесины. При кратковременном действии нагрузки древе­сина работает практически упруго, но при длительном действии неизмен­ной нагрузки деформации во времени увеличиваются. Даже при малом уровне напряжений ползучесть может продолжаться годами.

Биопоражение древесины. Напрямую связано с влажностью древесины. При влажности более 18%, а также при наличии кислорода и положитель­ной температуры возникает условие для жизнедеятельности дереворазрушающих грибов. Также древесина разрушается жизнедеятельностью насе­комых, повреждающих не­окоренную древесину в лесу, на складах, лесосеках и разрушающих окоренную древесину в процессе ее переработки и при эксплуа­тации в конструкциях.

Распространение огня происходит в результате соединения углерода древесины с кислородом. Горение начинается примерно при 250 °С. И если с наружной сторо­ны древесина быстро обгорает, то ввиду малой ее теплопроводности и по­явлению толщины обуглевающего слоя, препятствующему поступлению кислорода, дальнейший процесс сильно замедляется. Поэтому деревянные конструкции массивного сечения имеют большую огнестойкость по сравне­нию с незащищёнными металлическими конструкциями.

1.2 СТРОЕНИЕ ДРЕВЕСИНЫ И ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

В поперечном сечении ствола древесины хвойных пород (сосна, ель) можно рассмотреть несколько характерных слоев (рис. 1.1).

Наружный слой состоит из коры - 1 и луба - 2. Под лубом находится тонкий слой камбия. Назначение луба в растущем дереве - проводить вниз по стволу образующиеся в листьях питательные органические вещест­ва.

	Рис. 1.1. Строение древесины в поперечном разрезе: 1 - кора; 2 - луб; 3 - камбий; 4 - заболонь; 5 - ядро; 6 – сердцевина.

В поперечном разрезе основную часть занимают заболонь и ядро. Забо­лонь состоит из молодых клеток, ядро - полностью из отмерших клеток. У деревьев всех пород в раннем возрасте древесина состоит только из за­болони, и лишь с течением времени происходит отмирание живых клеток, сопровождающееся обычно потемнением.

В период весны, когда в стволе появляется много сока, камбий развивает большую деятель­ность, откладывая во внутреннюю часть значительное количество крупных клеток. Летом по мере уменьшения количества питательных соков актив­ность камбия замедляется, и откладывается меньшее количество клеток и меньших размеров. В зимнее время жизнедеятельность камбия затихает, и рост дерева прекращается. Откладывание весенней и летней частей дре­весины, периодически происходящее из года в год, является причиной обра­зования годичных слоев (колец). Годичный слой состоит из светлого слоя древесины (ранняя древесина), обращенного в сторону сердцевины, и более темного, плотного, летней древесины, обращенного к коре (поздняя древе­сина).

Механическую функцию в древесине выполняют, в первую очередь, прозенхимные клетки - трахеиды, которые, главным образом, расположены вертикально. Стыкование трахеид в продольном направлении осуще­ствляется в процессе роста. Они своими заостренными концами врастают между собой и в другие анатомические элементы, так называемые "паренхимные клетки", имеющие одинаковые размеры во всех трех осевых на­правлениях. Эти клетки входят в состав "сердцевинных лучей", которые пронизывают в перпендикулярном направлении несколько годичных слоев.

Трахеиды составляют 90% общего объема древесины, и в 1см³ их при­близительно размещается 420000 шт. Трахеид ранней части годичного слоя обладает тонкими стенками (2-3 мкм) и большими внутренними полостями, а трахеиды поздней части годичного слоя имеют более толстые стенки (5-7 мкм) и меньшие полости. Длина трахеид 2-5 мм, размер поперечного сечения в 50-60 раз меньше длины.

Для более полного представления о стро­ении древесины рассматривается три разреза ствола: поперечный, радиаль­ный и тангентальный (рис. 1.2).

Древесина лиственных пород имеет несколько отличную от хвойных по­род структуру. Спиральное направление стенок клеток древесины листвен­ных пород приводит к большому короблению и растрескиванию пиломате­риала при сушке, ухудшению гвоздимости. Наличие этих недостатков и малая стойкость к загниванию ограничивает применение лиственных пород для деревянных конструкций. Более высокие прочностные показатели дре­весины твердых лиственных пород реализуются путем использования их для изготовления соединительных элементов (нагели, шпонки, накладки), а также опорных антисептированных деталей.

Физические свойства древесины

Плотность. Поскольку влага со­ставляет значительную часть массы древесины, то величина плотности устанавливается при определенной влажности. С увеличением влажнос­ти плотность увеличивается и, поэто­му для расчетов при определении по­стоянных нагрузок используют ус­редненные показатели, представлен­ные в нормах [3].

Для конструкций, эксплуатируе­мых в условиях, когда равновесная влажность не превышает 12% (отап­ливаемые и неотапливаемые помеще­ния с относительной влажностью до 75%), плотность сосны и ели состав­ляет 500 кг/м³, а лиственницы 650 кг/м³.

Для конструкций, эксплуатируемых на открытом воздухе или в закры­тых помещениях с высокой влажностью более 75%, плотность сосны и ели составляет 600 кг/м³, а лиственницы 800 кг/м³.

Теплопроводность древесины зависит от плотности, влажности и на­правления волокон. При равной плотности и влажности теплопроводность поперек волокон в 2,5-3 раза меньше, чем вдоль волокон. Коэффициент теп­лопроводности поперек волокон при стандартной влажности 12% более чем в 2 раза ниже, чем при влажности равной 30%. Эти показатели объясняют­ся трубчатым строением волокон древесины.

Температурное расширение. Коэффициент линейного расширения попе­рек волокон пропорционален плотности древесины, и в 7 - 10 раз больше коэффициентов расширения вдоль волокон. Это объясняется тем, что при нагревании древесина теряет влагу и меняет свои объемы.

В практике проектирования температурные деформации практически не рассматриваются, т. к. коэффициент линейного расширения вдоль волокон незначителен.

1.3 МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДРЕВЕСИНЫ

Особенности древесины:

Древесина является анизотропным материалом.

Анизотропия является следст­вием особенностей анатомического строения древесины, в которой ее меха­нические и упругие свойства резко отличаются для направлений вдоль и поперек волокон. Прочность поздней древесины го­дичных колец в 3-4 раза выше прочности ранней древесины. Однако в пре­делах одного ствола содержание поздней древесины изменяется. Слои, ок­ружающие сердцевину, содержат мало поздней древесины, затем ее содер­жание увеличивается, а далее к коре уменьшается. Также меняется содержа­ние поздней древесины по высоте ствола от комеля к вершине, снижаясь в 1,5-2 раза.

Необходимо отметить, что теплофизические свойства, теплопро­водность, линейное тепловое расширение, электропроводность древесины также различны по трем направлениям структурной симметрии, т.е. древе­сина анизотропна также в отношении этих свойств.

Расчетная модель предполагает наличие трех взаимно перпендикуляр­ных плоскостей структурной симметрии. Такие материалы называют ортотропными. Предположение об ортотропности применительно к элементар­ному объему древесины является упрощенной схемой (рис. 1.3, а).

	А)		Б)
			R0

	Рис. 1.3. Оси плоскости симметрии элементарного объёма древесины: А – плоскости симметрии ортотропной анизотропии; Б – схема цилиндрической анизотропии изотропного тела.

Механические свойства древесины различны в разных направлениях и зависят от угла между направлением действующего усилия и направлени­ем волокон (рис. 1.3, Б).

При совпадении направления усилия и волокон прочность древесины достигает максимального значения. Поэтому, при вы­ведении формул для определения расчетных сопротивлений под углом к во­локнам, древесина рассматривался как ортотропный материал.

Механические свойства различны в различных направлениях.

Прочность древесины достигает наибольшего значения при совпадении направления действия усилия с направлением волокон древесины.

При увеличении угла между направлением усилия и направлением волокон прочностные характеристики снижаются и достигают своего минимального значения при .

Деревянные конструкции изготовляют преимущественно из древесины хвойных пород, поэтому основные расчетные характеристики древесины в СНиП приводятся для сосны и ели. Для других хвойных и лиственных пород расчетные характеристики получают путем умножения соответсвующей расченой характеристики на дополнительный коэфиициент m_П, значение которого также регламентируется СНиП.

2. Древесина обладает реологическими свойствами, т.е. на прочность древесины большое влияние оказывает скорость приложения нагрузки или продолжительность ее действия.

Реология – это наука об изменении свойств вещества во времени под действием тех или иных факторов.

Пример. Рассмотрим три одинаковых деревянных образца, которые загружены и доведены до напряжений , , и условимся, что .

Образцы разрушатся, но разрушатся через разные промежутки времени .

Чем больше уровень напряжений, тем скорее произойдет разрушение, но при определенном уровне напряжений разрушение образцов вообще не наступает, как бы долго не действовала нагрузка.

График носит асимптотический характер. Из графика видно, что предел прочности с увеличением длительности нагрузки падает, но не бесконечно.

Предел прочности стремится к некоторому постоянному значению, равному ординате асимптоты кривой.

Это ордината является пределом длительного сопротивления древесины.

Длительное сопротивление характеризует тот предельный уровень напряжений при котором образец не разрушается, как бы долго не действовала нагрузка.

Последим за изменением деформации образцов с течением времени по двум вариантам.

Деформации с течением времени затухают, стремясь к некоторому пределу

Деформации растут незначительно, затем происходит резкий рост деформации и разрушение образца

Из графиком видно что древесина обладает свойством ползучести.

Ползучесть – это рост деформации во времени без увеличения нагрузки. На графике это участки от т.А до т.В.

На практике это проявляется в виде провисания конструкции при действии длительно действующей нагрузки.

Древесина обладает свойством релаксации – изменением (снижением) уровня напряжений при неизменной деформации.

Предел прочности древесины определяют путём испытания стандартных образцов (по ГОСТ) выполненных из древесины без каких-либо пороков, т.е. чистой древесины.

Определяют прочность путём быстрых испытаний (кратковременных) на машинах или прессах.

Переход от предела прочности (временного) к длительному сопротивлению производится путём умножения на коэффициент длительности сопротивления.

На реальные конструкции нагрузки действуют одинаково, однако древесина сопротивляется по разному, это учитывается введением коэффициентов условия работы для конструкций, напряжение в которых от постоянных и длительно действующих нагрузок превышает 80% от суммарных напряжений. Расчетное сопротивление принимается с коэффициентом .

При учете кратковременных нагрузок (ветровой, монтаж, гололедной, сейсмической и т. д.) расчетное сопротивление принимается с коэффициентом > 1, максимальное значение

3. На прочность древесины влияет ее влажность

При увеличении влажности от 0 до точки насыщения волокон ( %) прочность древесины уменьшается. Модуль упругости Е также уменьшается, относительная деформация увеличивается. Во всех остальных случаях на 1% изменения влажности прочность изменяется на 3-5%. При увеличении влажности свыше 30% прочность не изменяется.

,

В₁₂ – предел прочности при стандартной влажности (12%);

В_w – предел прочности при фактической влажности;

- коэффициент, который зависит от вида напряженного состояния;

W- фактическая влажность.

Эта формула справедлива от 8 до 23% влажности.

4. На прочность древесины оказывает влияние температура

Предел прочности древесины при любой влажности уменьшается при увеличении температуры, но замороженная древесина хрупкая и имеет низкое сопротивление ударному изгибу. Стандартная температура для испытания древесины на прочность равна ( ), если температура другая, то производится перерасчет по формуле

(для древесины сосны)

- фактическая температура

Перерасчет осуществляется в следующей последовательности:

1. по влажности

2. по температуре

В жаркую погоду наблюдается провисание конструкций. Для изготовления гнутых конструкций древесину пропаривают.

1.4. РАБОТА ДРЕВЕСИНЫ НА РАСТЯЖЕНИЕ, СЖАТИЕ И ПОПЕРЕЧНЫЙ ИЗГИБ

Растяжение

Максимальный предел прочности в стандартных образцах древесины наблюдается при растяжении вдоль волокон (100 МПа). Диаграмма растяжения до 40 МПа имеет незначительную кривизну и принимается прямой линией. Это значение принимается за предел пропорциональности, при котором определяется начальный модуль упругости.

Е=(1,1-1,4)*10⁴ МПа

Значительное влияние на предел прочности при растяжении вдоль волокон оказывают пороки древесины (сучки, косослой). При размере сучка в ¼ стороны элемента предел прочности древесины при растяжении снижается более, чем на 70%. Отрицательное влияние на предел прочности оказывают концентраты напряжений (отверстия, врезки), в этом случае прочность элемента будет меньше, чем определяемая по площади нетто. То есть древесина в месте концентрата ведет себя как менее прочный материал. Это учитывается в расчетах путем введения коэффициента условия работы m₀ = 0,8.

Предел прочности при растяжении поперек волокон в 12-17 раз ниже, чем вдоль волокон, такой низкий предел прочности объясняет большое влияние косослоя на прочность древесины

Е_пв = 400 МПа

Сжатие