16. Конструкции из дерева и пластмасс

16.1. Общие сведения о деревянных конструкциях

Дерево, как строительный материал, имеет достоинства:

хорошие физико-механические свойства (небольшая масса, высокий предел прочности вдоль волокон, незначительные коэффициенты температурного расширения и теплопроводности, высокая стойкость к химическим средам);

широкая распространенность;

дешевизна (намного дешевле железобетона и металла);

легко подвергается обработке и соединению;

обладает высокими художественными и эстетическими качествами.

Недостатками дерева являются:

подверженность загниванию;

возгораемость;

потеря свойств под воздействием длительных нагрузок, температур и влажности.

Борьба с загниванием и возгораемостью выполняется с помощью антисептиков и антипиренов.

Прочностные характеристики древесины даны в СНиП II-25-80 [11].

Эталонными породами являются сосна и ель. Другие породы приводятся к ним с помощью переходных коэффициентов.

При повышении температуры прочность древесины понижается (при температуре свыше 50 градусов С использование неклееных конструкций не допускается; клееные конструкции применяются лишь при температуре меньше 35 градусов С). Ограничением на применение деревянных конструкций являются влажностные условия эксплуатации (для неклееных конструкций – 20...25 %, для клееных конструкций – 9...15 %). Механические свойства древесины сильно зависят от дефектов (при размере сучков 0.25 размера стороны элемента предел прочности снижается до 0.27 предела прочности стандартного образца).

В связи с анизатропностью материала механические свойства древесины определяются углом между направлением волокон и направлением действующего усилия. Наибольшее значение имеет предел прочности при растяжении вдоль волокон. Если принять его за 1, то, по данным Савкова Е. М., поперечный изгиб имеет предел прочности – 3/4, сжатие вдоль волокон – 1/3...1/2, срез – 1/4...1/3, смятие поперек волокон – 1/6...1/20, растяжение поперек волокон – 1/9...1/30, скалывание вдоль волокон – 1/14...1/20. Модуль упругости древесины независимо от породы принимается вдоль волокон – E = 10000 МПа; поперек волокон – E_90 = 400 МПа. Предел прочности древесины зависит от продолжительности нагрузки и асимптотически приближается к s_dl = 0.6*s_vr, где s_dl – длительное напряжение, s_vr – временное напряжение.

Древесина для несущих элементов деревянных конструкций должна удовлетворять требованиям 1-го, 2-го и 3-го сортов ГОСТа. Длина пиломатериалов установлена кратной 0.25 м в диапазоне 1...6.5 м.

Расчетное сопротивление на растяжение R_r, сжатие вдоль волокон R_c и изгиб R_i определяется по формуле

R = (R_n /k)*m_i*m_j, (72)

где R_n – нормативное сопротивление по СНиП II-25-80;

k – коэффициент надежности по материалу;

m_i и m_j – коэффициенты условий работы.

Сопротивление смятию зависит от угла (al) наклона усилия к продольному направлению волокон

R_cmal = R_cm/(1 + (R_cm/R_cm90 - 1)*sin(al)**3), (73) где R_cm = R_c – сопротивление смятию вдоль волокон, равное сжатию вдоль волокон;

R_cm90 – сопротивление смятию поперек волокон.

Деревянные несущие конструкции (балки, фермы, рамы) изготавливаются из неклееных материалов (бревен, брусьев) и клееных элементов прямоугольного и двутаврового сечений. Широко распространены металлодеревянные конструкции с металлическими элементами, работающими на растяжение.