Деревянные конструкции

1. Макроструктура древесины.

Древесиной называют освобожденную от коры ткань волокон, которая содержится в стволе дерева. Макроструктуру ствола можно рассмотреть на трех основных разрезах. На торцевом срезе видна кора, камбий и древесина. Кора состоит из наружной кожицы, пробкового слоя под ней и внутреннего слоя - луба. Под слоем луба у растущего дерева находится тонкий камбиальный слой, состоящий из живых клеток, размножающихся делением. Древесина состоит из вытянутых веретенообразных клеток - ячеек,стенки которых состоят в основном из целлюлозы. Эти пустотелые ячейки образуют волокна, воспринимающие механические нагрузки.

Древесина ствола состоит из ряда концентрических годовых колец. В свою очередь каждое годовое кольцо включает внутренний слой ранней (или весенней) древесины и внешний слой

поздней	(или		летней)	древесины.
На поперечном	разрезе ствола	дерева видны	сердцевина, ядро и заболонь	(см. рис.

12.1). Сердцевина - рыхлая первичная ткань, которая состоит из тонкостенных клеток, имеет малую прочность и легко загнивает. Поэтому сердцевина не допускается в тонких досках и брусках, предназначенных для растянутых и изгибаемых элементов конструкций. Нежелательна сердцевина и в столярных изделиях, так как она постепенно выкрашивается. Ядро, или спелая древесина - внутренняя часть ствола дерева, состоящая из омертвевших клеток. Ядро выделяется темным цветом, так как стенки клеток древесины ядра постепенно изменяют свой состав: у хвойных пород они пропитываются смолой, а у лиственных - дубильными веществами. Движение влаги по этим клеткам прекращается, поэтому древесина ядровой части ствола обладает большей прочностью и стойкостью к загниванию по сравнению с древесиной заболони. Заболонь состоит из колец более молодой древесины, окружающих ядро (или спелую древесину). По живым клеткам заболони растущего дерева перемещается влага с растворенными в ней питательными веществами. Древесина заболони имеет большую влажность, легко загнивает, вследст-

вие	значительной	усушки	усиливает	коробление	пиломатериалов.
Древесные породы делят на:

1)ядровые, имеющие ядро и заболонь (дуб, ясень, платан, сосна, лиственница, кедр и др.);

2)спелодревесные, имеющие спелую древесину (она не отличается по цвету от заболони) и заболонь (ель, пихта, осина, бук и др.);

3)заболонные, у которых отсутствует ядро и нельзя заметить существенного различия между центральной и наружной частями древесины ствола (береза, клен, ольха, липа).

2. Микроструктура древесины.

Существуют клетки 2-х видов: Прозенхимные и Паранхимные. Прозенхимные (трахеиды) – это полые клетки, сильно вытянутые в длину с заостренными концами. Занимают 90 % объема и придают дереву механическую прочность. Паранхимные (одинаковые) – имеют одинаковые размеры по 3-м направлениям. Входят в состав сердцевидных лучей, слабые, по ним образуются усушечные трещины.

По отношению к объему всей древесины хвойные породы содержат 5-10 %, а лиственные 10-35% сердцевинных лучей. Древесина сравнительно легко раскалывается по сердцевинным лучам; по ним же проходят трещины, образующиеся при высыхании лесных материалов. Стенка клетки состоят из нескольких слоев, различающихся по своему составу и толщине (рис. 12.5). Вакуоль 1 ограничена внутренним очень тонким слоем 2,первичные волокна (фибриллы) целлюлозы расположены в нем примерно вдоль оси клетки. Второй слой 3 гораздо толще внутреннего и состоит из множества пучков фибрилл целлюлозы, расположенных по спирали. В межфибрилльном пространстве находится немного лигнина. В среднем слое 4 фибриллы целлюлозы расположены более или менее правильно, покрывая витками предыдущий слой. В межфибрилльном пространстве расположен лигнин. Следующий слой 5 состоит из переплетающихся между собой фибрилл целлюлозы. Межклеточный элемент 6 не содержит целлюлозы. Он субмикроскопической толщины и при делении клетки сначала образуется как разделительная стенка между вновь возникающими клетками, состоящая из протопектина совместно с лигнином. Следовательно, стенка клетки представляет собой природный слоистый микрокомпозит, обеспечивающий высокое сопротивление древесины растяжению и изгибу.

3. Назовите факторы, влияющие на прочность древесины. Что такое жесткость и твердость древесины?

Прочность – способность сопротивляться действию внешних нагрузок, не ломаясь. Зависит от сорта и направления действия усилия.

Пороки древесины – участки, где нарушена однородность строения древесины и снижена прочность. Недопустимые: гниль, червоточина, трещины (особенно в местах стыков). Допустимые: сучки, косослой.

1 сорт: сучки, общим ø 200мм не более ¼ ширины пласти доски (прим в центрально-растянутых конструкциях).

2 сорт: сучков больше, чем ¼ пласти доски (древесина средней прочности).

3 сорт: сучки занимают 1/3 , косослой >12% (для изготовления второстепенных конструкций). Качество древесины зависит от места ее роста.

Прочность зависит от:

1.Влаги (стандартная влажность 12 %) R=f(W) изменение влажности в 1% делает изменение прочности на 3-5%.

2.Породы (mn – коэффициент для определения расчетных сопротивления древесины различных пород)

3.влажности

4.температуры (на морозе материал становится хрупким)

5.времени (40 дней – это предел долговременного сопротивления древесины, после 40 дней устанавливается прочность при постоянной нагрузке)

6.сучков, отверстий и т.п. (пороки древесины 1, 2, 3 сортов)

7.Древесина анизотропный материал – в разных направлениях прочность разная. При действии усилий вдоль волокон оболочки клеток работают в самых благоприятных условиях, и древесина имеет наибольшую прочность.

8.Длительность действия нагрузки существенно влияет на прочность древесин Жесткость – степень деформативности при действии нагрузок, зависит от: направления нагрузок по отношению к волокнам, длительности действия нагрузок, влажности древесины.

Деформации древесины: упругие (при непосредственном приложении нагрузки – кратковременные нагрузки); эластичные (после удалении нагрузки в течение нескольких часов – длительные нагрузки); остаточные (нежелательны, их ничем не удалить). Степень деформативности характеризует модуль деформации (упругости). Е=104 МПа – вдоль волокон, G=400 МПа – поперек волокон. Модуль упругости получается при испытании стандартных образцов (20х20х30(h)мм) при кратковременном воздействии.

Твердость древесины выражается в Н нагрузки, требуемых для вдавливания стальной полусферы

R=5,64мм. У сосны 1000Н, осина<1000, дуб>1000.

Твердость и вязкость древесины хорошо держит гвозди, легко обрабатывается; но подвергается смятию и требует деликатного отношения к ней.

4. Что такое расчетное сопротивление древесины? Какие расчетные сопротивления древесины Вы знаете? Что влияет на величины расчетных сопротивлений?

Расчетное сопротивление древесины характеризует прочность реальной древесины с учетом имеющихся пороков и сроков эксплуатации.

R RH * mдл

m

где: mдл=0,67 – коэффициент, учитывающий длительность эксплуатации; γm – коэффициент

надежности по материалу учитывает неоднородность древесины. Прочность древесины характеризуется двумя сопротивлениями Rн (степень 0,95) и R(степень 0,99). Пороки древесины снижают

прочность ~ в 2 раза при растяжении.

Расчетные сопротивления древесины:

1.Растяжение вдоль Rp=10-12МПа и поперек волокон Rp=5МПа

2.Смятие R=1,6МПа/4МПа

3.Скалывание вдоль волокон Rск=1,8 МПа

5.Сжатие вдоль волокон R=50-60МПа и поперек волокон R=5МПа

6.Изгиб, смятие, сжатие вдоль волокон Rс,и,с=12…16МПа

Что влияет на расчетные сопротивления:

R RСНиП *mb *mt *mд *mo *ma *mсл *mгн *mб *mпороды n

mb- коэффициент, учитывающий температурно-влажностные условия эксплуатации.

mt- коэффициент температуры.

mсл- коэффициент толщины слоев.

mд- коэффициент, учитывающий длительность действия нагрузки.

mгн- коэффициент, учитывающий гнутость элементов.

mо- коэффициент ослабления.

mб- коэффициент высоты.

ma- коэффициент, учитывающий антисептирование и сорт древесины. mпороды- коэффициент, учитывающий породу древесины.

γn- коэффициент надежности по ответственности.

5. Приведите примеры деревянных конструкций, работающих на растяжение. Как происходит разрушение таких элементов? Запишите расчетную формулу при проверке прочности.

Примеры: нижние пояса ферм(растяжение с изгибом), затяжки арок, стержни др. конструкций. Растянутые элементы должны иметь высшую категорию по качеству древесины.

При растяжении работает как упругий материал и показывает высокую прочность.

Характер разрушения – хрупкое, пилообразное разрушение при действии силы вдоль воло-

кон.

a 20см Aнетто b(h 3d)

a 20см Анетто b(h d)

Расчетная формула – N Анетто Rр * mo ,

для 1 сорта – Rр=10МПа, N – продольная сила от расчетных нагрузок, Анетто – площадь попе-

речного сечения, mo=0,6-0,7- коэффициент, учитывающий ослабление. Пороки, ослабления очень сильно влияют на расчетные сопротивления древесины. По деформациям растянутые элементы не рассматриваются.

6 Приведите примеры деревянных конструкций, работающих на сжатие. Как происходит разрушение таких элементов? Напишите формулы для расчета сжатых деревянных элементов по предельным состояниям I группы.

Примеры: стойки, подкосы, верхние пояса (при загрузке ферм в узлах) и отдельные стержни ферм.

Образец-кубик 20*20*30 мм Разрушение происходит в виде складки. При испытании высоких образцов потеря устойчи-

вости, появление боковых трещин и бокового смятия. Древесина работает более надежно, при напряжении, составляющем 50% предела прочности, работает упруго, далее – упруго-пластично. Разрушение происходит пластично в результате потери местной устойчивости в стенках волокон древесины. Разрушение происходит после заметных человеческому глазу деформаций. Пороки не играют существенной роли в разрушении древесины, т.к. они сами участвуют в работе.

Расчет по прочности:

N Aнетто Rc , если l 7h

Расчет по устойчивости:

N * Ар Rc ,если l 7h

N – продольная сила от расчетных нагрузок, φ –коэффициент продольного изгиба, Rc – рас-

четное сопротивление сжатию. Анетто- площадь поперечного сечения.

			lo					lo		3000	(при 70)
							0, 289h			2
			I A
	1 a *					2		(при 70)
					1002

a=1-для фанеры, а=0,8-для древесины

7. Перечислите конструктивные меры защиты зданий от пожарной опасности. Антипирены: классификация, влияние на прочность древесины.

Конструктивные меры: 1) Соблюдение противопожарных разрывов между зданиями;

2)Устройство противопожарных зон длиной 6-12 м;

3)Разделение зданий на отсеки через 50 м противопожарными стенами из несгораемых материалов с возвышением на 60 см;

4)Проектирование клеедеревянных конструкций массивного прямоугольного сечения;

5)Защита оштукатуриванием или обшивка листовыми ГКЛ и асбесто-цементными листами;

6)Ограничение зазора между элементами составного сечения величиной 7 мм. Большие зазоры должны быть замкнуты диафрагмой необходимой толщины;

7)Применение негорючих теплоизоляционных материалов и кровель;

8)Разделение на отсеки, не сообщающиеся между собой кровельных и стеновых панелей, имеющих пустоты.

Антипирены – вещества, которые при нагревании плавятся и покрывают поверхность древесины огнезащитной пленкой, препятствующей доступу воздуха к древесине или разлагаются с выделением большого количества негорючих газов, которые оттесняют воздух от древесины. В состав входят: фосфорно-кислый аммоний, бура, борная кислота. Пропитка антипиренами снижает прочность древесины на 10%.

Классификация: пропитки делятся на 3 группы по эффективности

1)Позволяет получить трудносгораемую древесину. Остаток-потеря массы не более 9%;

2)Позволяет получить трудновоспламеняемую древесину. Потеря массы 9-30%;

3)Не обеспечивает огнезащиты.

8. Приведите примеры деревянных конструкций, работающих на изгиб. Как назначаются размеры поперечного сечения балки, выбирается сорт древесины? Приведите принципы расчета изгибаемых элементов по предельным состояниям первой и второй групп.

Примеры: балки, обрешетка, прогоны, стропила. Размер поперечного сечения 6b=h, h=(1/10-1/16)l

Подбор сечения изгибаемого элемента по прочности может производится по формуле

G M W Rи , где W-момент сопротивления сечения. После этого можно задаться

одним из размеров прямоугольного сечения - b или h. Произвести расчет и сделать проверку. Изгибаемые элементы, как и сжатые, рекомендуется изготавливать из древесины 2 сорта,

Rи=13МПа, в брусьях Rи=15МПа, в бревнах Rи=16МПа. В малоответственных элементах можно

применять древесину 3 сорта с Rи=8,5МПа.

1 ГПС - расчет на прочность:

а) по нормальным напряжениям G=M/W<Rи,

М- изгибающий момент, W- момент сопротивления

б) по касательным напряжениям QS Ib Rск

М

mW

R

в) на устойчивость

и

m 140

b

кф кпт

l p h

кф- коэффициент, зависящий от формы эпюры, lр- расчетная длина

2 ГПС - определение прогиба.

f

fo

* (1

c

h2

)

f0

5 qнl 4

K

,

l

2

384 EI

c

h 2

l- учитывает норм напряжения,

l

2

- учитывает касательные напряжения.

f

1

1

1

- при L=1м,

-при L=3м,

-при L=6м и более

l

120

150

200

9. Приведите примеры деревянных элементов, работающих на косой изгиб. Как производится подбор сечений таких элементов? Напишите расчетные формулы.

Примеры: доски обрешетки, настил, прогоны в покрытиях под углом. Если угол α<100 - косой изгиб не учитывается.

Подбор сечений: h=(1,3-1,5)b,

Доски обрешетки. Крепление гвоздями, разрушение начинается в крайних верхних и нижних волокнах. Косой изгиб – это изгиб, при котором направление действия нагрузки не совпадает с направлением одной из главных осей поперечного сечения элемента.

I ГПС:

M x

Wx

M y

WY

Ru ,

W bh2

,

W

hb2

x

6

y

6

II ГПС:

f

f

2

f

2

f

u

x

y

5

qxнl 4

f x

*

f

5

*

q yн l 4

384

EI x

384

EI y

y

,

,

EI-жесткость, Мх=Мcosα, My=Msinα

Элементы балки, испытывая косой изгиб, имеют большее сечение (т.е. перерасход древеси-

ны)

10. Какие деревянные элементы работают на сжатие с изгибом? Перечислите факторы, влияющие на несущую способность таких элементов.

Примеры: арка, рама, треугольные конструкции, колонна, верхний пояс ферм.

1) колонна N A M W Rc

2) верхний пояс ферм N A M g W Rc ,

(Мg-деформируемая схема)

Верхний пояс ферм (имеют продольную силу и момент). Разрушение начинается с потери устойчивости сжатых волокон. Обнаруживаются складки и разрушение носит пластичный харак-

тер. Используют древесину 2 сорта.

N A M Д W Rc , где М – момент от внешней нагрузки, Rс – расчетное сопротивление

сжатию.

M Д M - изгибаемый момент с учетом дополнительного изгибающего момента, ко-

торый возникает в результате прогиба элемента от внешней нагрузки, ξ-коэффициент, учитываю-

щий действие продольных сил на изгиб с сжатием.

Факторы: сорт древесины, пороки, влажность и т.д.