Ж. Конструкция из дерева имеет неповторимую архитектурную привлекательность. , эстетический калорит и естественность
Недостатки, ограничивающие применение деревянных конструкций, опасность загнивания и возгорания их, усадка, раз буханные, коробление и растрескивание , неоднородность строения и наличие пороков могут быть устранены консервированием и облагораживанием древесины антисептированием и использованием огнезащитных пропиток или покрасок.
Применение производственных материалов из древесины (фанеры , различных видов древесно-слоистых пластиков (ДСП), прессованной древесины, древесно - волокнистых материалов (ДВП) и др.) и зашита древесины существенно повышают долговечность деревянных конструкций и расширяют области их эффективного применения.
Рациональное использования древесина в строительных конструкциях заключаются в совершенствовании конструктивных решений, обеспечении долговечности материала, индустриализации производства детали и конструкций, целесообразным её применении с учетом условий эксплуатации и. т.д.. Комплексное использование отходов лесной промышленности, а также отходов при изготовлении конструкции из дерева на основе их химической или химико-механической переработки значительно повышает эффективность использования древесины.
Новая техника строительства деревянных конструкций привело к тому, что при проектировании и возведение крупных сооружений (Рис 8.2.) наряду с архитектурными работниками и плотниками, занимающимся этим традиционно, в дело включились такие инженеры-строители. В тех случаях, когда предстоят, решать сложные технические проблемы, их участие необходимо с самого начала, при разработке принципа сооружения.
Именно при строительстве из древесины возникает стремлении найти оптимальное решение, пользуясь сравнительно недорогими средствами. Свидетельствами того, что может быть достигнуто при строительстве из дерева, служат, например, те классические деревянные каркасные сооружения в Средней Азии, Европе, Америке или Японии, каждый элемент которых отражает принцип формы. Точно также это демонстрируют бревенчатые и брусчатые сооружения или стрежневые мачты на Севере.
Рис. 8.2.Кленые арки пролетом 45 м одного из складов химико – металлургического комбината
Здание плавательного бассейна в Пти – Куроны с покрытием по трех шарнирным деревянным клееным аркам:
Общий вид здания: б- поперечный разрез; 1- настил покрытия; 2- прогоны; 3- арма – железобетонная колонна.
Каждый раз, когда предполагается построить что-либо из дерева, речь идет о чем-то новом, даже если при этом не пользуется устаревшая техника строительства.
Только, когда архитектурные и конструктивные компоненты находится в максимально соответствии друг с другом, может быть достигнуто некое единство структуры, которые и представляет собой подменную архитектуру. Чтобы добиться высокого качества при строительстве из дерева, нельзя формально подходить к выполнению расчетов, выбору размеров и формы, нельзя втискивать конструкцию в каждую ей по существу форму, а нужно стремиться к достижению общей гармонии.
Основные конструктивные положения. Для деревянных конструкций, применяемых в строительстве, используется цельная древесина, пакеты клееных досок и древесные материалы. Цельная древесина дешевле других древесных материалов, поэтому ее используют в виде бревен, брусьев, пиломатериала и досок там, где их размеры достаточны и не предъявляются особых требований к внешнему виду и наличию трещин и где могут применяться обычные соединения и крепления. Выбор древесного материала (фанеры, древесностружечных и древесноволокнистых плит) определяется их техническими свойствами, стоимостью и несущей способностью.
8.2. Дерево как строительный материал
В несущих и ограждающих строительных конструкциях необходимо более эффективно использовать такие положительные свойства древесины, как невысокую плотность, большой коэффициент теплового сопротивления, малый коэффициент термического расширения, высокую удельную прочность. В ряде случаев это позволит обеспечить не только экономически целесообразную, но и более качественную и долговечную конструкцию. Деревянные конструкции вполне удовлетворяют современным требованиям индустриализации строительства и круглогодичного производства работ. Использование деловой древесины в качестве конструктивного материала позволяет значительно снизить массу здания по сравнению с железобетоном.
Для несущих конструкций применяют сосну, ель, лиственницу, пихту, кедр. Лиственные породы – осину, березу, ольху, липу и тополь – применяют лишь в конструкциях временных зданий и сооружений, а также для устройства опалубки, лесов и подмостей.
В современном строительстве необходимо применять высококачественные, долговечные и экономичные деревянные детали и конструкции, удовлетворяющие требованиям индустриального изготовления, с применением комплексной механизации и переработки отходов производства. По экономическим соображениям для зданий капитального назначения вполне достаточно обеспечить срок службы деревянных конструкций в 40-50 лет.
Клееные деревянные конструкции в наибольшей степени отвечают требованиям современного строительства. Они позволяют повысить качество строительства и широко применять сборные детали любой формы и размеров серийного заводского изготовления; клееные конструкции являются также наиболее экономичными по расходу лесоматериала. Достижения химии в разработке водостойких и грибоустойчивых синтетических клеев позволяют изготовлять как стержневые клееные элементы, так и водостойкую фанеру.
При проектировании и строительстве особое внимание следует уделять защите деревянных деталей и конструкций от загнивания и возгорания, применяя биостойкие и термостойкие кровельные материалы, а также антисептическую обработка. Чтобы уменьшить усушку, разбухание, коробление и растрескивание древесины, ограничить процессы гниения, в дело необходимо применять сухую древесину.
Структура и состав Физические и механические свойства древесины определяют ее строением и структурной клеток. Древесина состоит из трубчатых клеток, расположенных вдоль ствола. Оболочка трубчатых клеток состоит в основном из целлюлозы и лигнина. Трубчатые клетки склеены между собой межклеточным веществом, состоящим главным образом из лигнина. Прочность древесины зависит о сопротивления силовым воздействиям как древесных волокон, так и склеивающего их вещества
Фермы (общение сведения)Фермы относятся к категории плоских сквозных деревянных конструкций балочного типа и отличаются от балок прямоугольного и двутаврового сечения тем, что вместо сплошной стенки в них создается решетка. При узловой нагрузке в элементах ферм возникают только продольные сжимающие и растягивающие усилия. Нормальные напряжения как по длине стержней, так и по сечению распределяются равномерно, и несущая способность материала используется более полно. Поэтому фермами можно перекрывать значительно большие пролеты, чем сплошными балками. Деревянные фермы проектируют однопролетными, разрезными, внешне статически определимыми с шарнирным прикреплением в узлах. Чтобы обеспечить надежную работу ферм, применяемых в покрытиях капитальных зданий, надо исключить работу древа на растяжение. Этому требованию удовлетворяют металлодеревянные фермы, в которых растянутые элементы выполняют из металла, а сжатые и сжато-изогнутые – из дерева.
Деревянные сооружения специального назначения. Деревянные башни относятся к специальным инженерным сооружениям с развитой по сравнению с поперечными размерами высотой. Башни состоят из ствола, фундамента, рабочих и лестничных площадок.
В статическом отношении ствола представляет собой пространственную конструкцию,(Рис- 8.3.) имеющую в плане треугольник, квадрат, многоугольник или круг. Ствол башен может быть решетчатым – из плоских сквозных ферм и сетчатым – системы Шухова. Башни воспринимают вертикальные и горизонтальные нагрузки. В водонапорных, башнях, надшахтных копрах, нефтяных вышках вертикальные нагрузки обычно преобладают над горизонтальными.
Рис-8.3. Различные варианты купольных покрытий из дерева.
8.2.1. Физико-механические характеристики и несущие конструкции из дерева
Задача заключается в том, чтобы на примере этих объектов показать конструктивные различия между отдельными типами зданий и сооружений и тем самым продемонстрировать много образнее конструктивных возможностей. Приведенные примеры должны помочь архитектору и инженеру выбрать деревянную конструкцию здания или перекрытия, а также подсказать, как ее выполнить. Вслед за прямым однопролетными балками описаны решетчатые балки, стержневые цепи, рамы, арки, висячие конструкции, перекрестные балки, складчатые конструкции, купола и об лачки. Если в качестве строительного материала выбрана древесина, то приведенные иллюстрированные примеры сооружений, в которых дан анализ с точки зрения конструкции и несущей системы, целесообразны еще и потому, что из числа строительных материалов, используемых для разного радо несущих покрытий - стали, железобетона и древесины, последняя в отношении особенностей выполнения конструкций является, пожалуй, самым трудным материалом. Трудность заключается не столько в том, что величины нагрузки сказывают заметное влияние на размеры поперечных сечений, и каждое изменение сечения, также как каждая дополнительная нагрузка, ощутимы и в свою очередь, влиять на соединения, а в отдельных случаях и на внешний вид здания.
В железобетонном элементе, например, можно, если потребуется, не изменяя размеров и формы этого элемента «добавить пару стержней». Когда же речь идет о дереве, то напротив, малейшее изменение любой детали бросается в глаза и может потребовать изменения всех размеров.
Поэтому древесина заставляет предварительно обдумывать, точно детализировать и тщательно выбирать правильную несущею систему. Древесина, используемая как строительный материал для всякого рода несущих покрытий, хотя и позволяет архитектору реализовать многообразные формы и идеи, требует, однако, пожалуй, более чем какой- либо другой материал, параллельной работы инженера
Механические свойства древесины.Древесина обладает реологическими свойствами, которые проявляются в том, что при длительном воздействии нагрузки деформации существенно увеличиваются, и остаточные деформации бывают значительными. Примером может служить остаточный прогиб досок, находящихся долгое время под воздействием нагрузки.
Модуль упругости Е колеблется в значительных пределах даже для одних и тех же пород древесины, причем заметное влияние на него оказывает влажность. При повышении влажности модуль упругости уменьшается и наоборот.
Древесина как строительный материал обладает замечательными свойствами. Главные его достоинство обусловлены удачным сочетанием легкости (дерево почти в 2 раза легче воды и в 14 раз легче стали) со сравнительно высокой прочностью на растяжение, сжатие и изгиб. Если ввести понятие относительной прочности, т.е. прочности, отнесенной к единице объема, то дерево приближается к стали и в 10 раз превосходит бетон. Другими словами, конструкция из древесины во много раз легчи железобетонной того же назначения при тех же нагрузках и одинаковых прочих условиях.
Серьезный недостаток древесины – ее склонность к гниению и разрушению живыми вредителями: жуком древоточцем, термитами и т.п. В зависимости от конкретных условий с момента поражения гниением до полного разрушения проходит от нескольких месяцев до нескольких лет. Строения, простывшие века, доказывают долговечность деревянных элементов, которые не подвергались никакой особой защитной обработке. Древесина, влажность которой длительное время остается ниже 20%, а также древесина, вольностью погруженная в воду, не подвергается гниению.
Древесина очень гигроскопична. С ростом влажности ее объем увеличивается, прочность уменьшается. При этом неравномерное набухание и высыхание приводят к выпучиванию и искривлению деревянных элементов.
Работа древесины на растяжение и сжатие.При кратковременной растягивающей нагрузке вдоль волокон древесина до определенного предела себя практически упруго, т.е. деформация, вызванная растяжением, исчезает, как только снимается нагрузка. При напряжениях, превышающих предел упругости, возникают пластические деформации, растущие вплоть до предел прочности.
Работа древесины на изгиб.При поперечном изгибе значение предела прочности занимает промежуточное положение между прочностью на сжатие и прочностью на растяжение. Определение краевого напряжения при изгибе по формуле s = M /W верно лишь при небольших величинах напряжений. При дальнейшем росте нагрузки эпюра сжимающих напряжений в соответствии с диаграммой работы на сжатие принимает криволинейный характер. Одновременно положение нейтральной оси смещается в сторону растянутой кромки сечения, т.е. древесина при работе на изгиб ведет себя как физически нелинейный материал. При этом в стадии разрушения сначала в сжатой зоне образуются складки, после чего в растянутой зоне происходит разрыв наружных волокон. Предел прочности при изгибе от формы поперечного сечения. Так, например, у круглого сечения он больше, чем у прямоугольного. В расчете это учитывают введением соответствующих коэффициентов
8.3. Виды деревянных конструкций
В деревянном корпусном строительстве имеется много видов конструкций с различным расположением несущих элементов и различным исполнением конструктивных узлов. Способ соединения в месте горизонтальных, вертикальных или диагональных строительных элементов в конструктивную точку узел - определяет структуру несущей конструкции. По расположению несущих горизонтальных и вертикальных строительных элементов размечается восемь основных типов конструкций. У этих конструкций балки или стойки бывают неразрезными цельными или состыкованными.
Несущие конструкции.
Пространственная общая система для передачи основанию вертикальных и горизонтальных нагрузок. Хотя отдельные системы между собой не связаны, тем не менее, они зависят друг от друга.
Фахверковые конструкции.
В фахверковой конструкции несущая система состоит из стоек (подпорок, столбов), главных балок (рам, прогонов, отвязок) и лежащих на них вспомогательных балок (брусьев, залок). Несущие нижние элементы фахверка образуют ригели, расположенные между стойками. Стойки соединены с балками и нижними обвязками шинами или врубками. Вся конструкция опирается на основную нижнюю обвязку, у многоэтажных фахверковых конструкций нижняя обвязка повторяется на каждом этаже.