Нормирование расчетных сопротивлений древесины и фанеры
3.1. Основными нормируемыми характеристиками прочности конструкционных строительных материалов является нормативное и расчетное сопротивление, которое определяется на основании данных стандартных испытаний с учетом статистической изменчивости показателей прочности и разной степени обеспеченности (доверительной вероятности) по минимуму. Для нормативного сопротивления Rн предписывается обеспеченность не ниже 0,95, для расчетного сопротивления R пока не нормирована и колеблется в пределах 0,99 - 0,999.
3.2. В СНиП II-25-80 нормативные и расчетные сопротивления древесины и фанеры приняты с обеспеченностью по минимуму соответственно 0,95 и 0,99 при нормальном распределении.
3.3. Особенности структурно-механических свойств древесины и отличие действительных условий и характера ее работы от условий при стандартных испытаниях учитываются введением коэффициентов условий работы по материалу.
Для базовых расчетных сопротивлений, отвечающих нормальным температурно-влажностным условиям эксплуатации (при температуре T ≤ 35 °С и относительной влажности воздуха φ ≤ 75 %), необходимо вводить коэффициент условий работы mдл, учитывающий влияние длительности нагружения с переходом от прочности древесины при кратковременных стандартных испытаниях к ее прочности в условиях длительно действующих постоянных и временных нагрузок за весь срок службы конструкций. Прочности Rпр при стандартных кратковременных испытаниях соответствует значение коэффициента mдл = 1, при более короткой длительности нагружения mдл > 1, а при более продолжительном действии нагрузки mдл < 1.
3.4. Приведение нагрузки, действующей во времени по любому закону, к нагрузке постоянной во времени продолжительностью τпр позволяет при определении коэффициента mдл для древесины использовать зависимость
mдл = 1,03(1 - lg τпр/18,5).
Приведенное время действия расчетной нагрузки для наиболее типичных режимов нагружения и соответствующие им значения коэффициентов mдл приведены в табл. 8.
Таблица 8
| Режимы нагружения | Расчетное время действия нагрузки τпр, с | Коэффициент mдл | Коэффициент условий работы mн |
| Линейно возрастающая нагрузка при стандартных испытаниях | 1 - 10 | 1,5 | |
| Совместное действие постоянной и длительной временной нагрузок | 108 - 109 | 0,53 | 0,8 |
| Совместное действие постоянной и кратковременной снеговой нагрузок | 106 - 107 | 0,66 | |
| Совместное действие постоянной и кратковременной ветровой нагрузок | 103 - 104 | 0,8 | 1,2 |
| Совместное действие постоянной и сейсмической нагрузок | 10 - 102 | 0,92 | 1,4 |
| Действие импульсных и ударных нагрузок | 10-1 - 10-6 | 1,1 - 1,35 | 1,7 - 2,0 |
Значение коэффициента, учитывающего влияние длительности нагружения, mдл = 0,66 принято за базисное, и по отношению к нему нормируются расчетные сопротивления для других режимов и сочетаний нагружения путем введения соответствующих переходных коэффициентов условий работы mн = mдл/0,66 к основным расчетным сопротивлениям древесины и фанеры. Расчетное время действия нагрузки τпр находится путем приведения таковой за весь принятый срок службы конструкций к ее максимуму в режиме постоянной нагрузки. Расчетное сопротивление
R = (Rн/γm)mдл, (1)
где γm - коэффициент надежности по материалу, учитывающий отклонение в сторону меньших значений прочности материала с более высокой обеспеченностью по отношению к нормативному сопротивлению.
С учетом (1) получаем
Rн/γm = R/mдл = 
, (2)
где - кратковременное расчетное сопротивление.
Из условий
Rн = Rвр(1 - ηнv), (3)
= Rвр(1 - ηv) (4)
с учетом (2) находим
γm ≥ (1 - ηнv)/(1 - ηv), (5)
где Rвр - среднее значение временного сопротивления при стандартных испытаниях материала;
ηн и η - множители, зависящие от принятого уровня обеспеченности (доверительной вероятности) и вида функции плотности распределения соответственно для нормативного и расчетного сопротивлений;
v - коэффициент вариации.
Для нормального распределения и обеспеченности по минимуму P = 0,95 ηн = 1,65 и при P = 0,99 η = 2,33. Коэффициент вариации прочности древесины v зависит от вида напряженного состояния и сорта материала; его величина колеблется в пределах 0,15 - 0,25.
3.5. Коэффициент надежности по материалу находится в прямой зависимости от принятых уровней обеспеченности для Rн и R и от изменчивости показателей прочности материала. Степень ответственности здания и сооружения в целом и в отдельных частях должна учитываться введением в формулу (1) коэффициента надежности по назначению γn.
Согласно постановлению Госстроя СССР от 19 марта 1981 г. № 41 «Правила учета степени ответственности зданий и сооружений при проектировании конструкций», предписывается учитывать степень ответственности зданий и сооружений с помощью коэффициента надежности по назначению γn на основании СТ СЭВ 384-76. «Строительные конструкции и основания. Основные положения по расчету». Значения коэффициента надежности по назначению принимаются в зависимости от класса ответственности зданий и сооружений. Правилами предусматриваются три класса ответственности I, II и III; им соответствуют значения γn, равные 1; 0,95 и 0,9, а для временных зданий и сооружений со сроком службы до 5 лет допускается принимать γn = 0,8. С учетом этого коэффициента выражение (1) принимает вид
R' = Rнmдл/(γmγn). (6)
Расчетные сопротивления древесины и фанеры в табл. 3 и 10 СНиП II-25-80 для зданий и сооружений I, II и III классов ответственности необходимо делить соответственно на 1; 0,95 и 0,9.
3.6. Нормирование расчетных сопротивлений базируется на данных стандартных испытаний крупных образцов из пиломатериалов и круглого леса. Применявшийся ранее на основании результатов стандартных испытаний малых чистых образцов древесины и введения коэффициентов перехода от чистой к натуральной древесине с учетом сортности и размеров сечения лесоматериалов путь нормирования расчетных характеристик следует использовать при отсутствии оборудования для испытания крупных образцов. В этом случае для перехода от нормативного сопротивления чистой древесины Rнч к Rн используется условие
Rн = RнчKпKр, (7)
где
Rнч = Rвр.ч(1 - ηнvч); (8)
Rвр.ч - среднее значение временного сопротивления малых чистых образцов при стандартных испытаниях;
vч - коэффициент вариации прочности чистой древесины;
Kп - переходный коэффициент, учитывающий влияние пороков на прочность древесины;
Kр - переходный коэффициент, учитывающий влияние размеров рабочего сечения на прочность древесины.
Тогда
γm ≥ (1 - ηнvч)/(1 - ηvч). (9)
3.7. Влияние на прочность материала условий эксплуатации и особенностей работы, отличающихся от принятых для базовых расчетных сопротивлений, учитывается умножением последних на соответствующие коэффициенты условий работы по материалу, указанные в главе СНиП II-25-80. К ним относятся: коэффициенты mв и mт, отражающие влияние температурно-влажностных условий эксплуатации; коэффициенты mд и mн, отражающие влияние характера и режима нагружения; коэффициенты mб и mсл, отражающие влияние размеров сечения и его составных частей; коэффициенты mгн и m0, отражающие влияние начальных напряжений, концентрации напряжений; коэффициент ma, учитывающий снижение прочности древесины при пропитке некоторыми защитными составами.
Совместное действие нескольких независимых условий работы оценивается перемножением соответствующих им коэффициентов. Для базовых расчетных сопротивлений mв = mт = 1.
3.8. Величины расчетных сопротивлений цельной древесины и однослойной клееной древесины из пиломатериалов определяются на основании данных испытаний в соответствии с указаниями СНиП II-25-80, прил. 2.
3.9. При нормировании расчетных сопротивлений многослойной клееной древесины из пиломатериалов надо иметь в виду ряд факторов, присущих композиции древесина - клей. Слоистая структура данной композиции способствует рассредоточению пороков, а, следовательно, повышению прочности вдоль волокон клееной древесины по сравнению с цельной при одинаковом качестве исходного материала. Однако из-за различия ориентации годичных колец, влажности соседних слоев и вследствие колебаний температурно-влажностного режима окружающего воздуха при эксплуатации происходят процессы перераспределения и выравнивания или циклических колебаний равновесной влажности. Они вызывают стесненные деформации усушки и разбухания и приводят к образованию собственных внутренних нормальных и касательных напряжений поперек волокон. Эти напряжения достигают наибольших значений в зоне, прилегающей к клееной прослойке, и усугубляются локальной концентрацией собственных и действующих от внешней нагрузки напряжений в местах с резко выраженной неоднородностью структуры композиции древесина - клей, из-за сучков, непроклея и других дефектов, добавочными напряжениями от усадки клеевой прослойки.
Влияние отмеченных факторов на прочность клееной древесины для разных видов ее напряженного состояния неодинаково. Наибольшую опасность они представляют для растяжения поперек волокон и для сложного напряженного состояния сдвига вдоль и поперек волокон с растяжением поперек волокон, угрожая расслоению такого рода композиции. Отмеченные как положительные, так и отрицательные стороны механических свойств клееной многослойной древесины требуют учета при нормировании расчетных сопротивлений. Для изгиба, растяжения и сжатия вдоль волокон определяющее значение имеют положительные факторы, повышающие прочность материала, а для растяжения поперек волокон и для скалывания при изгибе - отрицательные факторы, снижающие прочность материала.
Величины расчетных сопротивлений многослойной клееной древесины устанавливаются на основании данных испытаний:
на изгиб, сжатие, скалывание вдоль волокон клееных образцов из слоев толщиной 33 мм с общей высотой сечения 500 мм и для модельных образцов 165 мм при ширине сечения 140 мм;
на растяжение вдоль волокон клееных образцов из двух слоев толщиной по 19 и по 33 мм.
В дополнение к табл. 8 СНиП II-25-80 для слоев толщиной 16 и 12 мм коэффициент mсл следует принимать соответственно 1,15 и 1,2. Если прочность клеевых соединений на зубчатый шип в слоях ниже временного сопротивления изгибу и растяжению вдоль волокон пиломатериалов 1-го сорта, то расчетное сопротивление клееной древесины нормируется по прочности клеевого соединения на зубчатый шип.
3.10. Условия (1), (3) и (5) по п. 3.4 для определения нормативного и расчетного сопротивлений справедливы при большом числе испытаний. В случае ограниченной выборки в эти условия необходимо вводить добавочный множитель к ηн и η, учитывающий надежность суждения и число испытаний в выборке (см. СНиП II-25-80, прил. 2, примеч. к табл., п. 2).
3.11. В изгибаемых и сжато-изгибаемых элементах из многослойной клееной древесины при формировании слоев по высоте сечения используются пиломатериалы разного сорта или разных пород. В этом случае требуется, чтобы переход от зоны одного сорта к зоне другого удовлетворял условию σ1/σ2 ≥ R1/R2 при R1 > R2,
где σ1 - краевое напряжение;
σ2 - промежуточное напряжение на границе слоев разного сорта;
R1, R2 - расчетные сопротивления древесины более высокого и более низкого сортов.
Для изгибаемых, сжатых и сжато-изгибаемых элементов из склеенных по длине на зубчатый шип сосновых и еловых однослойных заготовок пиломатериалов, удовлетворяющих в отношении древесины требованиям разд. 2, расчетные сопротивления следует принимать по СНиП II-25-80, табл. 3, п. 1а соответственно по 2-му и 3-му сортам.
Таблица 9
| Напряженное состояние и характеристика элементов | Сорт древесины | Rвр, МПа | v | Rн, МПа | γm | R, МПа |
| Изгиб | ||||||
| Элементы из пиломатериалов | 0,17 | 1,22 | ||||
| 1,22 | ||||||
| 1,25 | 8,5 | |||||
| Элементы брусчатые и клееные шириной свыше 13 см | 37,5 | 0,15 | 1,15 | |||
| 1,15 | ||||||
| 1,14 | ||||||
| Сжатие вдоль волокон | ||||||
| Элементы из пиломатериалов | 0,15 | 1,18 | ||||
| 1,17 | ||||||
| 1,17 | 8,5 | |||||
| Элементы брусчатые и клееные шириной св. 13 см | 34,5 | 0,13 | 1,12 | |||
| 1,11 | ||||||
| 23,5 | 18,5 | 1,11 | ||||
| Растяжение вдоль волокон | ||||||
| Элементы из цельной древесины | 0,24 | 1,32 | ||||
| 1,4 | ||||||
| Элементы из клееной древесины | 0,2 | 1,27 | ||||
| 1,25 | ||||||
| Сжатие и смятие поперек волокон по всей площади | 1 - 3 | 0,19 | 3,4 | 1,25 | 1,8 | |
| Скалывание вдоль волокон: | ||||||
| При изгибе элементов из цельной древесины | 2, 3 | 0,23 | 3,6 3,2 | 1,3 1,3 | 1,8 1,6 | |
| При изгибе клееных элементов | 4,5 | 0,17 | 3,2 | 1,3 | 1,6 | |
| 2, 3 | 4,2 | 1,3 | 1,5 | |||
| Растяжение поперек волокон элементов из клееной древесины | 0,25 | 0,8 | 1,5 | 0,35 | ||
| 1,2 | 0,7 | 1,5 | 0,3 | |||
| 0,6 | 1,6 | 0,25 |
Таблица 10
| Вид напряженного состояния | Rвр, МПа | v | Rнч, МПа | KпKр | Rн, МПа | γm | R, МПа |
| Фанера клееная березовая марки ФСФ, сортов В/ВВ, ВВ/С, В/С, толщиной 8 мм и более | |||||||
| Растяжение «в» | 0,17 | 0,55 | 1,2 | ||||
| То же, «п» | 0,23 | 0,55 | 1,25 | ||||
| Сжатие «в» | 0,13 | 0,72 | 1,1 | ||||
| То же, «п» | 0,13 | 0,66 | 1,15 | 8,5 | |||
| Изгиб из плоскости листа «в» | 68,5 | 0,15 | 0,55 | 1,15 | |||
| То же, «п» | 0,17 | 0,45 | 1,2 | 6,5 | |||
| Скалывание «в» | 4,5 | 0,2 | 0,53 | 1,6 | 1,3 | 0,8 | |
| То же, «п» | 4,7 | 0,2 | 3,2 | 0,5 | 1,6 | 1,3 | 0,8 |
| Срез перпендикулярно плоскости листа «в» | 15,5 | 0,1 | 0,77 | 1,1 | |||
| То же, «п» | 0,1 | 0,77 | 1,1 | ||||
| Фанера клееная из древесины лиственницы марки ФСФ, сортов В/ВВ и ВВ/С, толщиной 8 мм и более | |||||||
| Растяжение «в» | 0,2 | 0,6 | 1,25 | ||||
| То же, «п» | 0,2 | 0,6 | 1,25 | 7,5 | |||
| Сжатие «в» | 0,15 | 0,8 | 1,15 | ||||
| То же, «п» | 0,15 | 0,8 | 1,15 | ||||
| Изгиб из плоскости листа «в» | 0,2 | 1,25 | |||||
| То же, «п» | 0,2 | 1,25 | |||||
| Скалывание «в» | 1,8 | 0,24 | 1,1 | 1,1 | 1,45 | 0,6 | |
| То же, «п» | 1,6 | 0,24 | 1,3 | 0,5 | |||
| Срез перпендикулярно плоскости листа «в» | 0,23 | 1,45 | |||||
| То же, «п» | 0,23 | 1,45 | |||||
| Примечание. «в» - вдоль волокон; «п» - поперек волокон наружных слоев шпона. |
Таблица 11
| Марка трубы | Внутренний диаметр трубы, см | Расчетные сопротивления, МПа | Марка трубы | Внутренний диаметр трубы, см | Расчетные сопротивления, МПа | ||
| растяжению и сжатию вдоль оси | изгибу | растяжению и сжатию вдоль оси | изгибу | ||||
| Ф-1 | 5 - 15 | Ф-2 | 5 - 15 | ||||
| 20 - 30 | 20 - 30 |
Однослойные клееные заготовки из пиломатериалов не ниже 2-го сорта допускается применять во второстепенных малонагруженных растянутых элементах с напряжениями, не превышающими 5 МПа.
3.12. Расчетные сопротивления водостойкой и бакелизированной листовой фанеры, древесных плит следует нормировать по данным испытаний стандартных образцов, используя условия (1), (6), (9) и принимая коэффициент mдл для фанеры такой же, как и для древесины.
В таблицах 9 и 10 представлены необходимые данные по нормированию расчетных сопротивлений древесины сосны и ели, а также многослойной фанеры из березы и лиственницы, при этом принимается mдл = 0,66.
Расчетные сопротивления березовой фанеры ФСФ растяжению вдоль волокон наружных слоев, стыкованной «на ус» клеями ФР-12 и ФРФ-50, при изгибе в плоскости листа (например, в стенках балок и рам двутаврового и коробчатого сечений) умножаются на коэффициент условий работы mф = 0,8, а модуль упругости Eф повышается на 20 % по сравнению с его значением по табл. 11 СНиП II-25-80.
3.13. Расчетные сопротивления для фанерных труб следует принимать с учетом их диаметра и марки по табл. 11.