МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
МАГНИТОГОРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ
ТЕХНИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ ИМ. Г. И. НОСОВА
Конспект лекций
КАФЕДРА СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ
Конструкции из дерева и пластмасс
Курс лекций
2010
Магнитогорск
Оглавление
Раздел I. Древесина и пластмассы – конструкционные строительные материалы 14
1. Свойства древесины 14
1.1 Достоинства и недостатки древесины 14
1.2. Причины усушки, разбухания и коробления древесины. 19
1. 3. Конструктивные и химические меры борьбы с гниением. 20
1.4 Химические и конструктивные меры защиты древесины от возгорания 21
1. 5 Механические свойства древесины 23
Раздел II. Расчет и проектирование элементов деревянных конструкций.Основы расчета по предельным состояниям 41
1. Виды предельных состояний строительных конструкций. 41
2. Как определяются нормативные и расчетные нагрузки. 44
3. Нормативные и расчётные сопротивления материалов. 45
4. Предельные состояния и расчёт центрально-растянутых стержней. 46
5. Расчёт элементов на центральное сжатие 47
6. Проверки прочности 54
6.1 Проверки для изгибаемого элемента. 54
6.2. Проверки прочности сжато-изогнутых элементов. 58
6.3 Проверка прочности растянуто-изогнутых элементов. 61
Раздел III – конструкции из дерева, их элементы и соединения 62
1. Клеевые соединения 62
2. Соединения элементов лобовой врубкой 64
3. Соединения на шпонках 71
4. Соединения на нагелях. 74
5. Особенности работы гвоздевых соединений. 77
6. Расчет гвоздей и шурупов, работающих на выдергивание. 80
7. Настилы 82
8. Варианты конструктивного решения прогонов. 89
8.1 Консольно-балочные прогоны 90
8.2 Спаренные неразрезные прогоны 93
8.3. Балки и прогоны цельного сечения 95
8.4 Балки и прогоны покрытий 96
9. Возможные конструктивные решения клеефанерных панелей покрытия 102
10. Конструктивные решения панелей с применением пластмасс 104
11. Конструктивные решения и расчёт дощатоклееных балок. Общие сведения. 107
12. Конструктивные решения клеефанерных балок. 114
13. Проверка местной устойчивости (для клеефанерных балок двутаврового или коробчатого сечения) 115
14. Конструктивные решения дощатоклееных стоек. 119
15. Конструктивные решения дощатоклееных рам 121
16. Конструктивные решения дощатоклееных арок 125
17. Конструктивное решение и расчёт сегментных ферм 127
18. Конструктивное решение и расчёт многоугольных брусчатых ферм. 129
19. Конструктивные решения и область применения треугольных ферм. 133
21. Принципы обеспечения пространственной жёсткости 148
22. Связи по покрытию 152
ВВЕДЕНИЕ
Для всех строительных материалов имеются области рационального и эффективного использования. Это относится и к древесине, которая во многих районах нашей страны является местным строительным материалом. В некоторых районах древесина имеется в избытке (в так называемых лесоизбыточных районах).
Наша страна является первой в мире по количеству лесных площадей (2 место занимает – Бразилия, 3 место Канада, 4 место - США), которые занимают почти половину территории России – примерно 12,3 млн. км2. Основная часть лесов России (примерно ¾ части) расположена в районах Сибири, Дальнего Востока, в северных областях европейской части страны. Преобладающими породами являются хвойные: 37% лесов занимает лиственница, 19% - сосна, 20% - ель и пихта, 8% - кедр. Лиственные породы занимают около ¼ площади наших лесов. Наиболее распространенной породой является береза, занимающая около 1/6 общей площади лесов.
Запасы древесины в наших лесах составляют около 80 млрд. м3. Ежегодно заготавливается около 280 млн. м3. деловой древесины (т.е. пригодной для изготовления конструкций и изделий). Однако, это количество далеко не исчерпывает естественного годового прироста древесины в отдаленных районах Сибири и Дальнего Востока.
История создания деревянных зданий и сооружений берет свое начало с древнейших времен. Первой конструктивной формой строений был прямоугольный в плане сруб из бревен. Постепенно увеличивались площади и объемы строящихся сооружений, расширялось функциональное назначение помещений. Срубы стали возводить многоугольными в плане с наличием внутренних стен, обеспечивающих неизменяемость сооружений и устойчивость наружных стен.
Наличие огромных лесных запасов на территории России явилось основой многовекового использования древесины в качестве строительного материала для возведения зданий и сооружений жилищного, хозяйственного, культового и других назначений. До настоящего времени сохранились уникальные строения, выполненные зодчими в виде сруба более 250 лет назад. Образцом такого строительства являются существующие нынче храмы в Кижах на Онежском озере, постройки в Малых Карелах Архангельской области (рис.1).
Первые инженерные сооружения человечества – свайные постройки, мосты и плотины были также из дерева. С конца XVII века, когда появилась возможность распиловки бревен на брусья и доски, деревянное строительство вышло на новый этап. Более экономичные и легкие сечения древесины позволили создавать эффективные стержневые системы, позволяющие перекрывать значительные пролеты, что дало толчок в развитие архитектуры, мостостроении. Наиболее ярким примером использования древесины в качестве стропильных конструкций является конструкция шпиля Адмиралтейства (рис.2), осуществленная по проекту И.К. Коробова и сохраненная А.Д. Захаровым при перестройке башни в начале XIX века, фермы для перекрытия Манежа в г. Москве пролетом 48 м, построенные в 1817 г. А.А. Бетанкуром (рис.3).
Рис.1 – Деревянные храмы в Кижах на Онежском озере
Рис.2 – Здание Адмиралтейства в г.С-Петербург
Рис.3 – Монтаж ферм покрытия Манежа в г.Москва
Многолетний опыт строительства зданий различного назначения позволил определить рациональные области применения деревянных конструкций:
Зрительные и общественные здания, спортивные сооружения, выставочные павильоны, рынки и другие пролетом от 18 до 100 м (см. пример на рис.4).
Покрытия гражданских, промышленных и сельскохозяйственных зданий. Целесообразно использовать дощатые и брусчатые фермы со сборкой на стройплощадке (эффективность применения определяется легкостью, прочностью и благоприятными условиями для борьбы с недостатками).
Здания с химически агрессивной средой. В первую очередь, складские здания пролетом до 45 м для перегрузки и хранения минеральных удобрений.
Малоэтажное деревянное домостроение.
Производственные сельскохозяйственные здания.
Неотапливаемые здания производственно-вспомогательного назначения промышленных предприятий.
Неотапливаемые здания и навесы для хранения и переработки сельскохозяйственной продукции.
Быстровозводимые здания комплектной поставки небольших пролетов для отдаленных районов крайнего Севера.
Инженерные сооружения - опоры линий электропередачи (с напряжением до 35 кВ), триангуляционные и радиопрозрачные мачты и башни, мосты небольшой грузоподъемности, пешеходные мосты.
Рис.4 – Схема каркаса крытого легкоатлетического манежа спорткомплекса Метеор в г. Жуковский с несущими дощатоклеенными арками
Нецелесообразно применять деревянные конструкции в местах где затруднены мероприятия по защите древесины от возгорания и попеременного увлажнения (соответственно гниения):
- горячие цехи;
- промышленные здания с большими крановыми нагрузками;
- помещения с повышенной эксплуатационной влажностью (кроме бань).
Несмотря на многовековое использование древесины в качестве строительных конструкций, поиск новых технических решений продолжается. В течении последних 20 лет ведутся разработки жестких соединений клееных деревянных элементов (по аналогии с закладными деталями железобетонных конструкций), что позволило открыть новое направление сборных клееных деревянных конструкций. В практике строительства в России и за рубежом реализовано большое количество большепролетных зданий и сооружений из сборных клееных деревянных конструкций. Сочетание узловых вклееных стержней с линейным армированием клееных деревянных элементов является дальнейшим этапом в развитии клееных деревянных конструкций для зданий очень больших пролетов.
Прогрессивные формы индустриальных деревянных конструкций:
Монолитные дощатоклееные и клеефанерные конструкции в виде балок, арок, рам и комбинированных систем.
Металлодеревянные фермы с дощатоклееным верхним поясом.
Кружально-сетчатые пространственные конструкции из стандартных цельных и клееных косяков
В отличие от дерева пластмассы в конструкциях начали использовать с середины прошлого века, после возникновения промышленного производства синтетических материалов.
К основным конструкционным строительным пластмассам относятся:
- высокопрочный стеклопластик;
- прозрачный менее прочный стеклопластик;
- оргстекло;
- винипласт;
- пенопласт;
- воздухо- и водонепроницаемые ткани и плёнки;
- древесные пластики.
Пластмассовые конструкции применяются в основном в виде стеновых панелей, плит покрытия, светопрозрачных ограждающих элементов различной формы и множеством индивидуальных конструкций, выпускаемых небольшими партиями.
Из наиболее прочных стеклопластиков, расчётное сопротивление сжатию и растяжению которых достигает 100 МПа, выполняют элементы несущих строительных конструкций. Однако это применение возможно только при техническо-экономическом обосновании. Прозрачные стеклопластики используют в качестве светопрозрачных элементов ограждающих конструкций зданий. Из особо прозрачного оргстекла и прозрачного винипласта изготовляют прозрачные части ограждений, пропускающие все части солнечного спектра. Сверхлёгкие пенопласты применяют в средних слоях лёгких ограждающих покрытий и стен.
Особым классом конструкций из пластмасс являются мембраны (прочные, тонкие воздухо- и водонепроницаемые ткани), которые применяются в виде пневматических и тентовых сооружений. Материал в них работает на растяжение и нет опасности потери устойчивости.
В изучаемой дисциплине конструкции из дерева и пластмасс рассматриваются совместно, потому что они относятся к классу лёгких строительных конструкций.
Будущему инженеру-строителю важно уяснить, что конструкции из различных материалов – таких как металл, железобетон, дерево, пластмасса – не противопоставляются друг другу, а применяются в сочетаниях, обеспечивающих наиболее эффективное использование в строительстве свойств, присущих каждому из материалов.