Преимущества древесины как конструкционого строительного материала. Свойства древесины. Основные недостатки.

Деревянные конструкции являются надежными, легкими и долговечными.

Свойства древесины:

• относительно легкий и прочный материал, особенно по направлению вдоль волокон, где действуют наибольшие усилия от внешних нагрузок;

• микропористый материал с хорошими теплоизоляционными и санитарно-гигиеническими 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

• изготовлены из природного возобновляемого естественным путем материала;

• экологически безопасны;

• по прочностным показателям единицы веса и по пределу огне стойкости не уступают металлическим конструкциям;

• позволяют создавать покрытия зданий любой формы и пролета;

• экономичны при транспортировании и монтаже.

Недостатки:

• древесина подвержена гниению;

• деревянные конструкции сгораемы;

• относительно малая прочность дерева;

• малая продолжительность службы.

Классификация древесины по породе. Круглые и пиленые лесоматериалы.

Хвойная

Породы сосна, ель, пихта, кедр, лиственница

Применение для изготовления основных элементов деревянных конструкции и деталей

Основные свойства • имеет прямые высокие стволы с небольшим количеством сучков,

что позволяет получить прямослойные пиломатериалы с ограниченным количеством пороков

• содержит смолы, благодаря чему лучше, чем лиственная, сопротивляется увлажнению и загниванию

Лиственная

Породы дуб, береза, осина, тополь

Применение для небольших соединительных деталей

Основные свойства

• имеет относительно небольшую высоту

• менее прямолинейная

• имеет больше сучков

• более, чем хвойная, подвержена загниванию

Лесоматериалы

Круглые (бревна) Это части стволов с гладко опиленными торцами, очищенными от сучков.Они имеют стандартную длину: 4,0;4,5; 5,0; 5,5; 6,0 и 6,5 м.Бревна имеют естественную усечено-коническую форму. Уменьшение их толщины называют сбегом. В среднем сбег составляет 0,8 см на 1 м длины. Толщина бревна определяется диаметром его тонкого верхнего торца – d.

Пиленые (пиломатериалы) Имеют прямоугольное или квадратное сечение.

Пиломатериалы с поверхностями, опиленными по всей длине, называются

обрезными. Если часть поверхности не опилена в результате сбега бревна, материал называют обзольным. Если не опилены две поверхности пиломатериала при распиловке бревна, его называют необрезным.

В зависимости от формы и размеров поперечного сечения

бревна бывают :

• крупные – d ≥ 26 см

• средние – d = 14 ÷ 26 см

• подтоварник – d < 13 см

пиломатериалы подразделяются:

• на брусья ( δ = 130÷250; b = 130÷250)

• на бруски (ширина не более удвоен-

ной толщины; δ = 50÷100; b = 100÷180)

• на доски (ширина более удвоенной

толщины):

а) тонкая: δ = 40÷100; b = 100÷200

б) толстая: δ = 100 и более; b = 100÷180

Влажность древесины.

Влажность – это процентное содержание свободной и связанной

воды в порах древесины. Наибольшую влажность имеет сплавная древе-

сина (W = 200 %). Свежесрубленная древесина имеет влажность до 100 %.

Влага в древесине: Связанная (Находится в толщеклеточных оболочек) Свободная (Находится в полостях клеток и межклеточном пространстве)

Химически связанная (Входит в химический состав веществ)

Предел гигроскопичности (30 %) – максимальное количество свя-

занной влаги. 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 увеличи-

вается, 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 неза-

висимо от ее влажности установлено значение стандартной влажности –

12 %, т.е. при испытании образцов древесины, имеющих нестандартную

влажность, предел прочности (или другой показатель) должен быть при-

веден к его значению при стандартной влажности с учетом поправочного

коэффициента α (α = 0,05 – при сжатии вдоль волокон, α = 0,04 – при из-

гибе, α = 0,03 – при скалывании вдоль волокон

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 мате-

риалами;

• 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 массивны-

ми клееными или брусчатыми, имеющими большие пределы огнестойкости, чем дощатые;

• применение штукатурки.

Химическая защита от возгоранияприменяется, 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).

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. 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 ≥ λ ) σ c o d ≤ k c f c o d

Nd – расчетная осевая сила; A d – расчетная площадь по-

перечного сечения, принимаемая равной:

Ad = A sup– площади сечения брутто, если ослабления не выходят за

кромку и площадь ослабления не превышает 25 %;

Ad =4/3 A inf – площади сечения нетто, если ослабления не выходят за

кромку и площадь ослабления превышает 25 %;

Ad = A inf– площади нетто, если ослабления выходят за кромки;

k c – коэффициент продольного изгиба определяется в зависимости от гибкости элемента;

При местном сжатии поперек волокон соседние незагруженные уча-

стки древесины тоже сжимаются за счет изгиба волокон и оказывают под-

держивающее действие работе незагруженного участка.

При сжатии поперек волокон должно соблюдаться условие

^σc.90.d ^≤ ^kc.90 ^fc.90.d

где k c. 90 – коэффициент, учитывающий поддерживающие влияния волокон

при сжатии поперек волокон на участке.

Косой изгиб

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. Проверка прочности косоизгибаемых элементов производится по формуле

Клеевые соединения

Клеевой стык:

поперечный: • стык по пластям • стык по кромкам • стык по пластям и кромкам

продольный: • «на ус» • зубчатый шип • встык с односторонней накладкой • встык с двумя накладками

угловой: • зубчатый шип

Клеевые стыки:

а – поперечные; б – продольные; в – фанеры; г – под углом; 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

Тип клея:

Резорциновый

Фенольно-резорциновый

Фенольный

Алкирезорциновый

Фенольно-алкирезорциновый

Карбамидно-меламиновый

Карбамидный

Эпоксидный

Фенольно-резорциновый модифицированный

Консольно-балочные прогоны

Расчет проводят по схеме многопролетной статически определимой балки с пролетом l на нормальные составляющие нагрузок.

Пластмассовые плиты.

Пластмассовые плиты

Сплошные трехслойные плиты–плиты со сплошнымбезреберным средним слоем (за рубежом такие плиты называют «сэндвичи»).

Плита состоит из тонких наружных слоев (обшивок из прочных материалов) и толстого среднего слоя (очень легкого пластмассового материала). Эти три слоя соединены между собой клеем, обеспечивающим их совместную работу на изгиб.

Обшивки сплошных трехслойных плит могут изготавливаться:

1) из металлических листовых материалов (например, алюминиевые плоские, крупно- и мелкогофрированные листы толщиной приблизительно 1 мм

2) из неметаллических листовых материалов (плоские асбестоцементные листы и листы водостойкой строительной фанеры).

Обшивки защищают средний нежесткий слой от механических повреждений и климатических воздействий, воспринимают напряжения, возникающие при изгибе плиты, и являются гидро- и пароизоляционными слоями.

Средний слой выполняют чаще всего из пенопластов. Наиболее эффективно применение пенополиуретана или пенополистерола, вспениваемого из гранул непосредственно в процессе изготовления.

Средний слой является связующим элементом между обшивками, воспринимает скалывающие напряжения, возникающие при изгибе плиты, обеспечивает совместно с клеем устойчивую работу тонкой сжатой обшивки и воспринимает вместе с ней сосредоточенные нагрузки.

Ребристые плитыимеют такие же тонкие и прочные обшивки и пенопластовый средний слой, как сплошные трехслойные плиты. Кроме того, у них устраиваются жесткие ребра, которые являются обрамляющими и располагаются по боковым кромкам плиты.

Ребристые прозрачные плитысостоят из двойных обшивок и средних ребристых слоев. Обе (верхние и нижние) обшивки состоят из плоских прозрачных стеклопластиковых листов. Средний слой может иметь различную конструкцию – волнистый стеклопластик или ряд стеклопластиковых полос, швеллеров, двутавров.

34.Функции связей. Классификация. Конструктивные решения связевых ферм.

Плоскостные конструкции (балки, арки, рамы, фермы) предназначены для восприятия нагрузок, действующих только в их плоскости.

Сооружение, выполненное только из одних плоских элементов, расположенных в вертикальной плоскости, будет геометрически изменяемым в пространстве. Поэтому для обеспечения пространственной жесткости и геометрической неизменяемости плоские конструкции объединяют между собой в геометрически неизменяемый пространственный каркас при помощи связей.

В каркасных зданиях связи выполняют следующие функции:

• создание геометрической неизменяемости сооружения;

• обеспечение устойчивости сжатых элементов путем уменьшения их расчетной длины (поясов стропильных ферм, колонн, ригелей);

• восприятие нагрузок, действующих из плоскости несущих конструкций (давление ветра, торможение крана), и передача их через другие элементы каркаса на фундаменты;

• перераспределение нагрузок между элементами каркаса (например,

при торможении крана, действии случайных эксплуатационных нагрузок);

• фиксирование положения и обеспечение устойчивости конструкции во время монтажа

Связи: вертикальные, горизонтальные, скатные, поперечные, поперечные

По конструктивной части связи могут представлять собой:

Связи: связевые фермы, связевые жесткие диски, отдельные элементы

Связевые фермырасполагают поперек здания в плоскости верхнего пояса или поверху основных ферм, балок, арок, рам непосредственно у торцевых стен или между ближайшими к ним несущими конструкциям и в промежутках не реже чем 30 м

Связевые жесткие дискивыполняют в виде двойных дощатых перекрестных настилов, из сборных дощатых щитов панелей покрытия, однако при этом должно быть обеспечено надежное крепление одних элементов, образующих диск, к другим, а также к раскрепляемым конструкциям.

Отдельные элементыизготавливают из цельной древесины при длине до 6,5 м, иначе применяют связи двухъярусные, металлические, клееные.

Варианты конструктивных решений связевых систем при различных узловых соединениях.

Каркасные деревянные здания с плоскими конструкциями в зависимости от особенностей узловых соединений элементов каркаса между собой и фундаментами можно разделить на четыре основных типа.

Первый тип–здания с защемленными во всех направлениях колоннами и линейными элементами покрытия (т.е. жесткое защемление колонн и жесткое соединение колонн с элементами покрытия). Такой каркас является устойчивым как в продольном, так и в поперечном направлении и не требует постановки связей при условии, что все элементы каркаса закреплены в узлах от взаимных смещений. Иногда в таких зданиях могут устанавливаться связи, препятствующие перекосу здания при возможной неравномерной осадке грунта, если такая осадка представляет опасность для здания Второй тип–здания с каркасом из плоских трехшарнирных рам илиарок. Поперечная устойчивость таких зданий обеспечена геометрически неизменяемыми конструкциями рам или арок без постановки связей, а продольная – не обеспечена.

При отсутствии связей показаны возможные перемещения участков каркаса Деревянные прогоны, а также продольные ребра панелей, выполняют роль распорок и являются элементами связей, но существующие способы их крепления к несущим конструкциям каркаса позволяют получить лишь шарнирные соединения. Они не препятствуют возможным перемещениям, поэтому для предотвращения этих деформаций и обеспечения продольной устойчивости в зданиях устраивают связи.

Преимущества древесины как конструкционого строительного материала. Свойства древесины. Основные недостатки. - student2.ru Третий тип–здания с защемленными в поперечном направленииколоннами и плоскими стропильными конструкциями (двухшарнирная рама) Поперечная устойчивость здания обеспечивается без связей самой конструкцией двухшарнирной рамы.

Для обеспечения продольной устойчивости деформации 1 и 3 должны быть устранены постановкой вертикальных связей по колоннам ВС (1) и в шатре 3 Связи шатра 3 при пролетах стропильных конструкций до 18 м достаточно располагать посередине пролета, при больших пролетах их устраивают у опор ферм (балок) или в четвертях (третях) пролета. Эти связи размещают по длине здания через 25 ÷ 30 м. Иногда для удобства монтажа фермы или балки соединяют вертикальными связями 3 попарно.

Четвертый тип–здания с шарнирно опертыми колоннами и плоскими стропильными конструкциями

Четвертый тип здания отличается от третьего тем, что в нем не обеспечена поперечная устойчивость, т.е. есть деформации 4, а при жестких торцевых стенах и поперечные деформации прогонов 5. Для устранения этих двух деформаций и обеспечения геометрической неизменяемости поперечника каркаса необходимо устройство продольной связевой фермы 5 в плоскости верхних поясов, опорами которой являются поперечные диаграммы жесткости 4, устраиваемые по торцам через 25 ÷ 30 метров по длине здания в виде защемленных колонн или трехшарнирных рам

36.Расчет связевой системы.

Расчет связевой системы производится на горизонтальные нагрузки, действующие на здание. Они складываются:

из внешних силовых воздействий:

ветровых;

сейсмических;

тормозных усилий кранов;

из внутренних усилий в несущих конструкциях, возникающих под воздействием вертикальных нагрузок вследствие отклонения от вертикали при монтаже.

При расчете связевой системы несущие конструкции заменяются их силовыми воздействиями в плоскости связей по верхним граням конструкций. Для связи указанное воздействие является внешним воздействием, которое приближенно принимается равномерно распределенным.

Связи рассчитывают как обычные фермы с параллельными поясами. Если контур криволинейный, то пролет фермы равен развертке поясов несущих конструкций.

Если решетка принята деревянной раскосной, то раскосы и стойки решетки ферм рассчитывают на растяжение или сжатие. Если решетка принята перекрестной из стальных тяжей, то сжатые раскосы, восходящие от опор, исключаются.

Пояса связевых ферм, являющиеся одновременно элементами несущих конструкций, рассчитывают на совместное усилие от вертикальной и горизонтальной нагрузок.

Цельнодеревянные

Клеефанерные

1. На прочность рам и арок в плоскости выполняется по правилам расчета сжа-то-изгибаемых элементов

Конструирование и расчет

Стойки: цельнодеревянные, составные, клеедеревянные, решетчатые

Цельнодеревянные стойкипредставляют собой деревянные элементы (брусья, толстые доски, круглые или окантованные бревна). Длина должна быть не более 6,5 м, а размеры сечения – до 20 см.

Составные стойкисостоят из цельных брусьев или толстых досок, соединенных по длине болтами или гвоздями.

Клеедеревянные стойкимогут иметь квадратное или прямоугольное сечение.

Сечение стойки: постоянное, переменное, ступенчатое

Опирание стоек может быть жестким или шарнирным.

Расчет колонн:

В зависимости от схемы нагружения колонна рассчитывается на центральное сжатие и сжатие с изгибом и проверяется на устойчивость плоской формы деформации.

Сечение колонны подбирается методом последовательного приближения на воздействие наиболее невыгодного сочетания нагрузок, задаваясь в рекомендуемых пределах значениями высоты и ширины сечения.

Сушка древесины. Общие положения. Атмосферная сушка.

Сушка – это удаление влаги из древесины. При этом протекает не-

сколько процессов:

• теплообмен – передача тепла древесине от агента сушки или источника тепловой энергии;агент сушки – среда, окружающая древесину в процессе сушки;

• теплопроводность – перемещение тепла внутри материала;

• влагоотдача – удаление влаги из поверхности древесины.

Влажность определяют:

1) взвешиванием образцов; 2)при помощи электровлагомеров

Абсолютно сухая древесина – древесина, из которой удалена вся свободная и гигроскопическая влага.

Во время сушки древесины при уменьшении гигроскопической влаги происходит уменьшение размеров и объема древесины – усушка (обратный процесс –разбухание).

При сушке древесины происходит:

1) влагоотдача– испарение влаги с поверхности материала в окружающую среду;

2) влагоперенос– перемещение влаги внутри материала;

Основной параметр, характеризующий условия протекания этих процессов, является температура среды: – t < 100 оС –сушка низкотемпературная (испарение);

– t > 100 оС –сушка высокотемпературная (кипячение)

Существует несколько способов сушки пиломатериалов: – атмосферная (осуществляется на открытом воздухе или складах); –камерная (производится в сушильных камерах).

Сушка пиломатериалов может быть: – одностадийная – (применяется только камерная сушка), т.е. материалы со своей природной влажностью (от 100 ÷ 50 %) помещают в сушильные камеры и высушивают до технологической влажности (6 ÷ 16 %);

– двухстадийная – на первой стадии пиломатериалы со своей природной влажностью доводят до равновесной (30 %) или транспортной (20 %)влажности

Атмосферная сушка осуществляется на открытом воздухе, пиломатериалы укладывают в штабеля правильной геометрической формы: боковые и торцевые поверхности должны быть строго вертикальны. Штабель формируют из одинаковых по породе и толщине пиломатериалов на прокладках. Для того чтобы избежать коробления и провисания досок, по длине штабеля укладываются прокладки, их количество зависит от породы древесины, толщины и длины укладываемых пиломатериалов

Есть определенные требования для складов:

– склад устраивают на сухом, хорошо проветриваемом участке, территорию которого тщательно выравнивают, обрабатывают химикатами для уничтожения растительности, покрывают щебенкой;

– для предохранения от атмосферной и грунтовой влаги штабеля укладывают на подкладках и устраивают навес.

Для проведения атмосферной сушки вся территория СНГ разделена

на 4 зоны: 1 – северная 2 –северо-западная 3 –центральная 4 –южная

Недостатки атмосферной сушки:

– сезонность процесса (может происходить в активные сезоны года

– весна, лето, начало осени);

– большая продолжительность (связана с недостаточной циркуляцией воздуха в естественных условиях);

– ограничивается влажностью 18 ÷ 22 %.

43.Камерная сушка.

Сушку пиломатериалов производят в камерах:

• непрерывного действия

• периодического действия

По характеру нагрева материала и сушильного агента:

Радиационный, высокочастотный, электроиндуктивный, конвективный

Наиболее распространенным и основным способом является конвективная газопаровая камерная сушка.

Режим сушки – расписание во времени основных параметров су-

шильного агента в зависимости от породы, начальной и заданной конечной

влажности древесины, категории сушки и размеров пиломатериалов.

Определяющими параметрами сушильного агента являются:

• температура;

• степень насыщения φ

• психрометрическая разность.

Технологический процесс камерной сушки:

1. Начальный прогрев древесины

2. Собственно сушка по выбранным режимам

3. Влаготеплообработка

4. Кондиционирование материала

Сушка древесины. Общие положения. Особые способы сушки

К особым способам сушки относят:

1) конвективная сушка в жидкостях;в качестве агента могут быть:

• маслянистые гидрофобные или парафинообразные жидкости, которые не смешиваются и не растворяются в воде;

• расплавленные металлы;

Технологический процесс камерной сушки

1. Начальный прогрев древесины

2. Собственно сушка по выбранным режимам

3. Влаготеплообработка

4. Кондиционирование материала

• сера;

• водные растворы гигроскопических минеральных солей.

Наиболее распространена сушка в петролатуме –парафинообразном

веществе, которое является отходом от перегонки нефти.

Сушка осуществляется при атмосферном давлении в ваннах, заполненных петролатумом, нагретом до 120 ÷ 130 0С. Внутри древесины вследствие кипения влаги создается избыточное давление, под действием

которого пар выходит в атмосферу, преодолевая сопротивление древесины и слоя жидкости. Расход петролатума 25 ÷ 40 кг/м3. Продолжительность

сушки 6 ÷ 8 часов.

Недостаток: загрязнение поверхности древесины, что затрудняет ее последующую механическую обработку и склеивание.

Применение:обработка столбов, линий электропередач, шпал, мостов.

2) сушка в поле токов высокой частоты (ТВЧ)

Древесина способна прогреваться в поле высокой частоты. Прогрев осуществляется внутри материала равномерно по его объему, не подводится извне.

45.Технологический процесс изготовления несущих клеедеревянных конструкций.

Поток подготовки пиломатериалов и заготовок: Операции сушки, Сортировка

На первой стадиидревесина должна быть высушена до требуемой

технологической влажности.

1 этап – атмосферная сушка, 2 – камерная

На второй стадии производится сортировка пиломатериалов машинами- силовая сортировка

фрезерование шипов – выполняется на шипорезных или фрезерных станках. Нарезку зубчатых шипов производят специальными фрезами.

В зависимости от способа фрезерования зубчатые шипы могут быть вертикальными, горизонтальными, диагональными и угловыми. При вертикальных шипах прочность зубчатого стыка увеличивается.

Схема зубчатых шипов после фрезерования:

L – длина типа; t – шаг шипа; b – затупление; l – зазор

Качество склеивания в большей степени зависит от подготовленной поверхности:

• поверхность под склейку следует обрабатывать по 7-му классу шероховатости, что достигается фрезерованием со снятием провесов, образовавшихся в соединениях на зубчатый шип;

• склеиваемые поверхности должны быть свежеотфрезерованными

• склеиваемые поверхности должны быть очищены от пыли и плот-

но прилегать одна к другой.

Клей на поверхности досок может наноситься с одной или двух сторон, соответственно клеенаносящие устройства могут быть двух видов: