Деревянные конструкции
.pdf1. 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.