Жесткое сопряжение балок

Жесткое сопряжение балок:  а — сварных;  б — клепанных.

На фигуре показаны примеры жесткого сопряжения второстепенных балок с главными. Опорный момент передается здесь по верхнему поясу через планку, называемую «рыбкой», а по нижнему поясу — через столик. Рыбка имеет уширение по сечению а — б, рассчитанное на восприятие полного усилия N = M/h.

«Конструкции из дерева и пластмасс»

11 Влажность древесины. Характеристики условий эксплуатации. Влага в древесине и влияние ее на прочность и деформативность В древесине содержится две формы влаги: связанная (гигроскопическая) и свободная. Связанная влага удерживается в основном физико-химически-ми связями и находится в толще клеток. Свободная влага содержится в полостях клеток и межклеточных пространствах. Состояние древесины, при котором свободная влага отсутствует, а клеточные стенки содержат максимальное количество связанной влаги, называется пределом гигроскопичности. При температуре 15-20 °С предел гигроскопичности примерно для всех пород равен 30%, а для замороженной древесины - 23-25%. Имеется третья форма влаги - химически связанная влага, но эта влага имеет значение только при химической переработке древесины. Для количественной характеристики содержание влаги в древесине определяют: то где: т - масса влажной древесины; т0 - масса абсолютно сухой древесины. Измерение влажности древесины осуществляется прямыми и косвенными методами. Прямые методы основаны на выделении различными способами (высушивание) влаги из древесины. Основной недостаток прямых методов заключается в их длительности (8-10 ч). Косвенные методы основаны на измерении показателей других физических свойств древесины, которые зависят от содержания влаги. К примеру, влажность древесины определяют электровлагомерами. Влажность свежесрубленной древесины зависит от породы, местоположения древесины в стволе и других условий. При изменении влажности в пределах от абсолютно-сухого состояния до точки насыщения волокон древесина претерпевает объемные изменения, усыхая при уменьшении влажности и разбухая при ее увеличении. Усушка и разбухание вдоль волокон малы и составляют 0,1-0,3%. В направлении поперек волокон усушка и разбухание значительны. В радиальном направлении 3-6%, а в тангентальном направлении 6-12%. Поэтому при подсчете объемов требуемого пиломатериала обязательно указывается влажность в процентах. Неравномерная усушка древесины в радиальном и тангентальном направлениях приводит к возникновению сжимающих напряжений во внутренних годовых слоях и растягивающих усилий в поверхностных годовых слоях. Резкая неравномерность в деформации годовых слоев в процессе усушки древесины приводит к возникновению радиальных трещин, которые располагаются, главным образом, по сердцевинным лучам. Если возможно свободное развитие деформаций (малые сечения), то возникающие напряжения не превышают соответствующих пределов прочности, трещины не появляются, а вместо этого возникает явление коробления. Влажность древесины ниже предела гигроскопичности является функцией относительной влажности воздуха и температурой, поэтому при определенных параметрах древесина получает состояние, при котором она не приобретает и не теряет влагу. Это состояние называется равновесной влажностью (табл. 1). Деревянные конструкции, находящиеся в эксплуатации открытых и неотапливаемых помещений, обычно подвергаются воздействию как долгосрочных (сезонных), так и краткосрочных (суточных) изменений относительной влажности. Следовательно, и равновесная влажность древесины колеблется. Но при этом изменения обычно происходят постепенно, и краткосрочные колебания среды влияют лишь на поверхностные слои. Поэтому с целью уменьшения влияния окружающей среды на древесину наносят защитные покрытия: лаки, краски. Влажность древесины

Влажность - одна из основных характеристик древесины. При неравномерном распределении влаги при сушке древесины в ней могут образовываться внутренние напряжения, то есть напряжения, возникающие без участия внешних сил. Внутренние напряжения могут являться причиной изменения размеров и формы деталей при механической обработке древесины.

Свойства древесины напрямую определяют свойства деревянных изделий. При избыточной или недостаточной влажности древесина обычно впитывает или отдает влагу, соответственно увеличиваясь или уменьшаясь в объеме. При высокой влажности древесина может разбухать, а при недостатке влаги она, как правило, усыхает, поэтому все деревянные изделия, например, напольные покрытия и мебель требуют тщательного ухода. При резком изменении температурно-влажностного режима в древесине возникают внутренние напряжения, которые могут приводить к трещинам и деформациям, поэтому на всех стадиях производства и эксплуатации необходимо контролировать влажность деревянных изделий.

Под влажностью древесины понимают выраженное в процентах отношение массы воды к сухой массе древесины.

Абсолютной влажностью древесины называется отношение массы влаги, находящейся в данном объеме древесины, к массе абсолютно сухой древесины.

Относительная влажность древесины - это отношение массы влаги, содержащейся в древесине, к массе древесины во влажном состоянии.

Различают две формы воды, находящейся в древесине: связанную и свободную. Из них складывается общее количество влаги в древесине. Связанная (или гигроскопичная) влага содержится в клеточных стенках древесины, а свободная занимает полости клеток и межклеточное пространство. Свободная вода удаляется легче, чем связанная, и в меньшей степени влияет на деформацию и растрескивание древесины.

По степени влажности древесину различают на следующие виды:  - Мокрая древесина. Ее влажность составляет более 100%. Это возможно только при условии, что древесина долгое время находилась в воде.  - Свежесрубленная. Ее влажность составляет от 50 до 100%.  - Воздушно-сухая. Такая древесина обычно долгое время хранится на воздухе. Ее влажность может составлять 15-20%, в зависимости от климатических условий и времени года.  - Комнатно-сухая древесина. Ее влажность обычно равна 8-10%.  - Абсолютно сухая. Ее влажность равна 0%.

При продолжительной сушке вода из древесины испаряется, что может повлечь за собой значительные деформации материала. Процесс потери влаги продолжается до тех пор, пока уровень влаги в древесине не достигнет определенного предела, который напрямую зависит от температуры и влажности окружающего воздуха. Аналогичный процесс происходит при сорбции, то есть поглощении влаги. Уменьшение линейных объемов древесины при удалении из нее связанной влаги называется усушкой. Удаление свободной влаги усушки не вызывает.

Усушка неодинакова по разным направлениям. В среднем полная линейная усушка в тангенциальном направлении составляет 6-10%, а в радиальном - 3.5%.

При полной усушке (то есть такой, при которой вся связанная влага удалена) влажность древесины снижается до предела гигроскопичности, то есть до 0%.

Абсолютно сухую древесину можно получить только в лабораторных условиях, высушивая её в сушильном шкафу. При сушке древесины в первую очередь высыхают её поверхностные слои, внутренние слои могут очень длительное время удерживать влагу. На это следует обращать внимание при градуировке влагомеров. Для правильного определения влажности древесины сушильно-весовым методом её рекомендуется предварительно расщепить на мелкие куски и только затем её высушивать.

Расчетные сопротивления и упругие характеристики древесины и древесных материалов

В отличие от традиционных строительных материалов, полученных в результате многоэтапной переработки полезных ископаемых и позволяю­щих получить материалы с заданными, мало изменчивыми прочностными свойствами, механические свойства древесины, которая является природ­ным полимерным материалом, обладают значительной изменчивостью ха­рактеристик. Это обусловлено множеством факторов, таких как строение, пороки, район и условия произрастания и т.д. Поэтому получение достовер­ных расчетных характеристик на малых образцах чистой древесины вызы­вает значительную сложность.

Многолетние исследования и накопленный банк данных за значитель­ный период времени позволили в последние годы провести анализ сортово­го состава материалов с установлением для них минимально допустимых пределов прочности (временных сопротивлений). Ниже (табл. 3) приведены нормативные и временные сопротивления R^H и Л^вр для трех сортов пилома­териала в сравнении с чистой древесины, приведенные к влажности 12%, для основных видов напряженного состояния. С целью большей достовер­ности временные сопротивления получены путем проведения стандартных испытаний на крупных образцах, с наличием пороков, что позволяет избе­жать влияния масштабного фактора при нормировании.

 

Нормативное сопротивление определяется по формуле:

R" = R_ep(l-hn),

где R_Bp - среднее значение временного сопротивления при стандартных испытаниях образцов; h - коэффициент, равный 1,65, для обеспеченности 0,95 при нормальном распределении принятой для нормирования норматив­ных сопротивлений; п - коэффициент вариации, зависящий от вида напря­женного состояния и сорта древесины. Его величина колеблется от 0,15 до 0,25.

Расчетное сопротивление R, как видно из предыдущего параграфа, на­значается путем деления R^H на коэффициент надежности по материалу у_т, учитывающий отклонение в сторону меньших значений прочности матери­ала с более высокой обеспеченностью по отношению к нормативному со­противлению,

у

/ m i

I-77V ,

где г) = 2,33 - для обеспеченности 0,99 при нормальном распределении, принятом для нормирования расчетных сопротивлений.

Но древесина, как было сказано, изменяет свои прочностные свойства при нагружении в течении времени. Поэтому для получения базового рас­четного сопротивления вводится множитель т_т, учитывающий влияние длительности нагружения с переходом от прочности древесины при кратко­временных стандартных испытаний к ее прочности в условиях длительно действующих постоянных и временных нагрузок за весь срок службы кон­струкций.

Отсюда:

у /и

/ m лл ,

где т_т = 0,66 принято за базовое и учитывает совместное действие по­стоянной и кратковременной нагрузок.

Базовые расчетные сопротивления сосны и ели, отвечающие нормаль­ным температурно-влажностным условиям эксплуатации (при температуре < 35 °С и относительной влажности < 75%) даны в табл. 3 СниП П-25-80. Расчетные сопротивления древесины других пород определяются путем ум­ножения на соответствующие коэффициенты, представленные в табл. 4 СНиП П-25-80. Для получения расчетных сопротивлений лиственницы про­водятся исследования в Якутском Государственном университете. Влияние различных факторов на прочность материалов учитывается введением раз­личных коэффициентов условий работы к базовым расчетным сопротивле­ниям.

Различные температурно-влажностные условия эксплуатации деревян­ных конструкций, обусловленные свойством равновесной влажности древе­сины, учитываются коэффициентом т_в, определяемым по табл. 1, СниП Н-25-80. При этом применение клееных деревянных конструкций в услови­ях эксплуатации при относительной влажности воздуха ниже 45% не допу­скается, ввиду практической невозможности обеспечить влажность древе­сины при изготовлении конструкций не выше равновесной влажности в этих условиях эксплуатации.

Условия работы, характеризующие влияние характера и режима нагру- жения конструкций, отражают коэффициенты m_d= 0,8 при условии, если на­пряжение в элементах, возникающее от постоянных и временных длитель­ных нагрузок превышают 80% суммарного напряжения от всех нагрузок, а также коэффициент т_н, приведенный в табл. 6, СниП И-25-80.

На прочность клееной древесины при сжатии и изгибе оказывает влия­ние размеры сечения и толщина слоев, которые характеризуются коэффици­ентами т₅ и т_сл приведенным в табл. 4 и 5.

 

Снижение коэффициента тп_б с увеличением высоты сечения клееного па­кета обусловлено более низким базовым расчетным сопротивлением при растяжении по сравнению с расчетным сопротивлением при изгибе. В вы­соких изгибаемых элементах крайние нижние доски в большей мере явля­ются растянутыми, чем изгибаемыми.

Изменение коэффициента т_сл в зависимости от толщины досок объясня­ется большей рассредоточенностью сучков и меньшей вероятностью нали­чия сучков в одном сечении в связи с большим количеством тонких досок.

У гнутоклееных деревянных конструкций прочность материала зависит от толщины досок, в которых имеют место начальные напряжения, полу­ченные в процессе запрессовки. Это явление учитывается коэффициентом условия работы т_гн (табл. 6).

 

Прочность древесины снижается также под действием некоторых хими­ческих препаратов от биопоражения, внедренных под давлением в автокла­вах на значительную глубину. В этом случае коэффициент условия работы т_а = 0,9.

Влияние концентрации напряжений в расчетных сечениях растянутых элементов, ослабленных отверстиями, а также в изгибаемых элементах из круглых лесоматериалов с подрезкой в расчетном сечении отражает коэф­фициент условия работы т₀ = 0,8.

Деформативность древесины при расчете деревянных конструкций по второй группе предельных состояний учитывается базовым модулем упру­гости Е, который при направлении усилия вдоль волокон древесины принят 10000 МПа, а поперек волокон 400 МПа. При расчете на устойчивость модуль упругости принят 4500 МПа.

Базовый модуль сдвига древесины (6) в обоих направлениях равен 500 МПа. Коэффициент Пуассона древесины поперек волокон при напряжени­ях, направленных вдоль волокон, принимается равным п_{до о} = 0,5, а вдоль во­локон при напряжениях, направленных поперек волокон, п₉₀₀ = 0,02.

Упругие характеристики древесины, кроме коэффициента Пуассона для конструкций, эксплуатирующихся в различных условиях эксплуатации, кор­ректируется коэффициентом т_в путем умножения их на Е или G.

Поскольку длительность и уровень нагружения влияет не только на прочность, но и на деформационные свойства древесины, величина модуля упругости и модуля сдвига умножается на коэффициент т_й = 0,8 при расче­те конструкций, в которых напряжения в элементах, возникающие от посто­янных и временных длительных нагрузок, превышают 80% суммарного на­пряжения от всех нагрузок.

При расчете металлодеревянных конструкций упругие характеристики и расчетные сопротивления стали и соединений стальных элементов, а также арматуры принимаются по главам СНиП по проектированию сталь­ных и железобетонных конструкций.

Из всех листовых конструкционных материалов с использованием дре­весного сырья только фанеру рекомендуется использовать в качестве эле­ментов несущих конструкций, базовые расчетные сопротивления которых приведены в табл.10 СНиП П-25-80. При соответствующих условиях рабо­ты клеефанерных конструкций расчетом по первой группе предельных со­стояний предусматривается умножение базовых расчетных сопротивлений фанеры на коэффициенты условий работы т_в, m_d, т_н и т_л. При расчете по второй группе предельных состояний упругие характеристики фанеры в плоскости листа принимаются по табл.11 СниП И-25-80. Модуль упругос­ти и модуль сдвига для конструкций, находящихся в различных условиях эксплуатации, а также подвергающихся совместному воздействию постоян­ной и временной длительных нагрузок, следует умножить на соответству­ющие коэффициенты условий работы т_ь и т_й, принятых для древесин

12)Физические свойства: температурное расширение, теплопроводность, теплостойкость, морозостойкость, плотность.

Плотность. Древесина имеет трубчато-волокнистое строение. Плотность ее зависит от породы, количества пустот, толщины стенок клеток и содержания влаги; она может быть различна даже в пределах одной и той же породы. Плотность в значительной степени зависит и от влажности.

Температурное расширение. Линейное расширение при нагревании, характеризуемое коэффициентом линейного расширения, в древесине различно вдоль волокон и под углом к ним. Как известно, коэффициент линейного температурного расширения вдоль волокон в 7—10 раз меньше, чем поперек волокон, и в 2—3 раза меньше, чем у стали. Незначительное линейное расширение от тепла вдоль волокон позволяет в деревянных зданиях и сооружениях отказаться от устройства температурных швов.

Теплопроводность. Трубчатое строение клеток древесины превращает ее в плохой проводник тепла. Теплопроводность древесины вдоль волокон больше, чем поперек волокон. Чем больше плотность и влажность древесины; тем больше ее теплопроводность. Малая теплопроводность древесины поперек волокон является основой широкого применения ее в ограждающих частях отапливаемых зданий, в результате чего толщина деревянных стен по сравнению с кирпичными значительно меньше.

пластмассы

Плотность большинства пластмасс лежит в пределах 0,92–1,54 г/см³, что ниже плотности легких металлов. Введение хлора в молекулу повышает плотность, например, у поливинилхлорида она равна 1,7 г/см³. Наименьшая плотность среди пластиков у полипропилена, полистирол лишь чуть тяжелее воды. Плотность пластиков с минеральными наполнителями возрастает пропорционально содержанию наполнителя. Пенопласты и сотовые структуры из бумаги и тканей, пропитанные пластиками, – новые легкие материалы высокой прочности.

Термостойкость. Некоторые пластические материалы, особенно полиимиды, кремнийорганические полимеры и тефлон, проявляют исключительную термостойкость, но с трудом поддаются прямому прессованию или литьевому формованию. Силиконовые каучуки можно формовать как резину, но процесс вулканизации продолжительный, а продукты непрочны. Тефлон можно медленно выдавливать при высоких температурах; получающиеся изделия сохраняют твердость и устойчивость (без деструкции и разложения) при температурах до 260 °С в течение длительного времени. Несмотря на несколько большую термостойкость, термоотверждающиеся пластики (реактопласты) не выдерживают продолжительного нагрева до 200 °С; этот предел можно повысить примерно до 250 °С добавлением минеральных наполнителей.

Хладоcтойкость существенна для гибких элементов, используемых на открытом воздухе или в холодильниках. Сополимеризация и использование пластификаторов позволяют пластмассам удовлетворительно выдерживать низкие температуры.