Раздел I. Древесина и пластмассы – конструкционные строительные материалы

1. Свойства древесины

1.1 Достоинства и недостатки древесины

К основным достоинствам древесины относятся:

Малый вес. Древесина имеет в среднем плотность 550 кг/м³ и в 14 раз легче стали, в 4,5 раза легче бетона, что позволяет значительно снизить ма­териальные затраты по транспортировке, по устройству фундаментов под деревянные здания и сооружения, об­ходиться без тяжелых грузоподъемных механизмов при возведении зданий и сооружений.

Легкость материала. Одним из показателей эффективности применения конст­рукций из различных материалов является показатель удельной прочности материала, который выражается отношением удельного веса материала к его расчетному сопротивлению. Для клееной древесины это отношение состав­ляет 3,6610^-4 1/м, для углеродной стали 3,710^-4 1/м, для бетона класса 22,5 ÷ 18,510^-4 1/м. Это подтверждает целесообразность применения наряду со сталь­ными деревянных клееных конструкций в большепролетных зданиях, где собственный вес имеет решающее значение.

Деформативность и вязкость. Из всех традиционных строительных ма­териалов только древесина в меньшей степени реагирует на неравномерную осадку оснований фундаментов. Вязкий характер разрушения древесины (за исключением скалывания) позволяет перераспределять усилия в элементах, что не вызывает мгновенного отказа конструкций.

Температурное расширение. Коэффициент линейного расширения дре­весины различен вдоль волокон и под углом к ним. Вдоль волокон значение этого коэффициента в 7-10 раз меньше, чем поперек волокон, и в 2-3 раза меньше, чем у стали. Этот факт дает возможность не учитывать влияние температуры и не требует членения здания на температурные блоки.

Теплопроводность. Малая теплопроводность древесины позволяет эффективно применять ее в ограждаю­щих конструкциях. Коэффициент теплопроводности сухой древесины поперек волокон λ ≈ 0,14Вт/м∙ºС.

Коэффициент теплопроводности древесины в 6 раз ниже, чем у керамического кирпича, в 2 раза ниже, чем у керамзитобетона, газо-пенобетонов плотностью 800 кг/м³ и эквивалентен газо-пенобетонам плот­ностью 300 кг/м³, т.е. плотностью почти вдвое ниже, чем у древесины.

Брус толщиной 15 см эквивалентен по теплопроводности кирпичной стене толщиной в 2,5 кирпича (51 см)воле, а также при распиловке бревен в результате их сбега.

ластями, опильных станках. .- торцами.ниванию, чем хвой.

Химическая стойкость древесины. Древесину можно использовать без дополнительной защиты или защищая ее покраской, поверхностной про­питкой в условиях химически агрессивной среды. Деревянные конструкции применяются при строительстве складов для химически агрессивных сыпу­чих материалов таких, как калийные и натриевые соли, минеральные удоб­рения, разрушающие бетон и сталь. Большинство органических кислот не разрушает древесину при обычной температуре.

Самовозобновляемостъ древесины. Основным достоинством древесины по сравнению с другими конструкционными материалами является посто­янное возобновление ее запасов. При производстве других конструкционных материалов (стали, бетона, пластмассы и др.) требуются большие затраты энергии и расходуется большое количество исходного сырья, запасы которого постоянно иссякают.

Простота обработки. Древесина легко обрабатывается простым ручным или электрическим инструментом. Деформативность древесины позволяет придавать конструкциям из нее различные прямолинейные и криволи­нейные формы. Производство конструкций небольших пролетов из цельной древесины можно освоить практически на лесопунктах, на любой базе строительной индустрии, что невозможно для производства металлических или железобетонных конструкций.

Недостатки древесины:

1. Гниение (биопоражение древесины) напрямую связано с влажностью древесины. При влажности более 18%, а также при наличии кислорода и положитель­ной температуры возникают благоприятные условия для жизнедеятельности дереворазрушающих грибов.

2. Горение (распространение огня) происходит в результате соединения углерода древесины с кислородом. Горение начинается примерно при 250 °С. И если с наружной сторо­ны древесина быстро обгорает, то ввиду малой ее теплопроводности и по­явлению толщины обуглевающего слоя, препятствующему поступлению кислорода, дальнейший процесс сильно замедляется. Поэтому деревянные конструкции массивного сечения имеют большую огнестойкость по сравне­нию с незащищёнными металлическими конструкциями.

3. Поражение насекомыми. Древесина разрушается жизнедеятельностью насе­комых, повреждающих не­окоренную древесину в лесу, на складах, лесосеках и разрушающих окоренную древесину в процессе ее переработки и при эксплуа­тации в конструкциях.

4. Неоднородность, анизотропность древесины и пороки. Неоднород­ность древесины проявляется в различии строения и свойств годовых сло­ев, образующихся в процессе роста дерева в зависимости от условий внеш­ней среды (климатических условий).

Древесина представляет собой тело с тремя осями анизотропии по глав­ным структурным направлениям - вдоль и поперек волокон в тангенциаль­ном и радиальном направлении. Значительные расхож­дения прочности древесины при приложении усилий вдоль и поперек волокон значительно усложняют вопросы конструирования деревянных конструкций и, в первую очередь, узловых соединений, что зачастую ведет к нерациональному увеличению сечений соединенных элементов.

Рис. 1 - Основные разрезы ствола:

1 - осевой (П); 2 - радиальный (Р);

3 -тангентальный (Т).

Неоднородность древесины сказывается на изменчивости показателей прочности, что усложняет полу­чение достоверных расчетных характеристик древесины.

К основным порокам относятся сучки, трещины и косослой. Наличие сучка изменяет направление волокон древесины либо прерывает их, что значительно влияет на прочность, особенно при растяжении, т.к. происхо­дит неравномерное нагружение всех волокон по сечению.

5. Зависимость физико-механических свойств древесины от влажности. Древесина обладает способностью впитывать в себя влагу ввиду своей гиг­роскопичности. От количества влаги в древесине в значительной мере зави­сят и ее физико-механические свойства. Плотность свежесрубленой древесины хвойных пород (кроме лиственницы) и мягких лиственных пород (осина, тополь, ольха, липа) равна 850 кг/м³. По мере удаления влаги плотность уменьшается. При 15-25% влажности плотность принимается 600 кг/м³, а при 6-12% влажности плотность прини­мается 500 кг/м³. Лиственница имеет плотность соответственно 800 кг/м³ и 650 кг/м³ при влажности в пределах 15-25% и 6-12% соответственно. Для строительства различают древесину:

• сырую с влажностью выше 25%;

-полусухую с влажностью 12-25%;

• воздушно-сухую с влажностью 6-12%.

6. Ползучесть древесины. При кратковременном действии нагрузки древе­сина работает практически упруго, но при длительном действии неизмен­ной нагрузки деформации во времени увеличиваются. Даже при малом уровне напряжений ползучесть может продолжаться годами.