Пособие по расчету деревянных конструкций. Конструкции из дерева и пластмасс

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. км 2 . 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. м 3 . Ежегодно заготавливается около 280 млн. м 3 . 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:

1. Зрительные и общественные здания, спортивные сооружения, выставочные павильоны, рынки и другие пролетом от 18 до 100 м (см. пример на рис.4).

2. 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).

3. Здания с химически агрессивной средой. В первую очередь, складские здания пролетом до 45 м для перегрузки и хранения минеральных удобрений.

4. Малоэтажное деревянное домостроение.

5. Производственные сельскохозяйственные здания.

6. Неотапливаемые здания производственно-вспомогательного назначения промышленных предприятий.

7. Неотапливаемые здания и навесы для хранения и переработки сельскохозяйственной продукции.

8. Быстровозводимые здания комплектной поставки небольших пролетов для отдаленных районов крайнего Севера.

9. 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:

1. Монолитные дощатоклееные и клеефанерные конструкции в виде балок, арок, рам и комбинированных систем.

2. Металлодеревянные фермы с дощатоклееным верхним поясом.

3. 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.

ГЛАВА 1. ДРЕВЕСИНА И ПЛАСТМАССЫ - СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

1.1 ДОСТОИНСТВА И НЕДОСТАТКИ ДРЕВЕСИНЫ

К основным достоинствам древесины относятся:

Малый вес . Древесина имеет в среднем плотность 550 кг/м 3 и в 14 раз легче стали, в 4,5 раза легче бетона, что позволяет значительно снизить материальные затраты по транспортировке, по устройству фундаментов, обходиться без тяжелых грузоподъемных механизмов при возведении зданий и сооружений.

Прочность . Одним из показателей эффективности применения конструкций из различных материалов является показатель удельной прочности материала, который выражается отношением плотности материала к его объемному весу. 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 ÷ 1,85×10 -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, обусловленная ее структурой, является основой широкого применения в стенах ограждающих конструкций. Коэффициент теплопроводности древесины в 6 раз ниже, чем у керамического кирпича, в 2 раза ниже, чем у керамзитобетона, газо-пенобетонов плотностью 800 кг/м 3 и эквивалентен газо-пенобетонам плотностью 300 кг/м 3 , т.е. плотностью почти вдвое ниже, чем у древесины.

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.

Древесине, как и другим материалам, присущи недостатки:

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).

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

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.

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.

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/м 3 . По мере удаления влаги плотность уменьшается. При 15-25% влажности плотность принимается 600 кг/м 3 , а при 6-12% влажности плотность принимается 500 кг/м 3 . Лиственница имеет плотность соответственно 800 кг/м 3 и 650 кг/м 3 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%.

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.

Биопоражение древесины . Напрямую связано с влажностью древесины. При влажности более 18%, а также при наличии кислорода и положительной температуры возникает условие для жизнедеятельности дереворазрушающих грибов. Также 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.

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.

1.2 СТРОЕНИЕ ДРЕВЕСИНЫ И ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА

В поперечном сечении ствола древесины хвойных пород (сосна, ель) можно рассмотреть несколько характерных слоев (рис. 1.1).

Наружный слой состоит из коры - 1 и луба - 2. Под лубом находится тонкий слой камбия. Назначение луба в растущем дереве - проводить вниз по стволу образующиеся в листьях питательные органические вещества.

В поперечном разрезе основную часть занимают заболонь и ядро. Заболонь состоит из молодых клеток, ядро - полностью из отмерших клеток. У деревьев всех пород в раннем возрасте древесина состоит только из заболони, и лишь с течением времени происходит отмирание живых клеток, сопровождающееся обычно потемнением.

В период весны, когда в стволе появляется много сока, камбий развивает большую деятельность, откладывая во внутреннюю часть значительное количество крупных клеток. Летом по мере уменьшения количества питательных соков активность камбия замедляется, и откладывается меньшее количество клеток и меньших размеров. В зимнее время жизнедеятельность камбия затихает, и рост дерева прекращается. Откладывание весенней и летней частей древесины, периодически происходящее из года в год, является причиной образования годичных слоев (колец). Годичный слой состоит из светлого слоя древесины (ранняя древесина), обращенного в сторону сердцевины, и более темного, плотного, летней древесины, обращенного к коре (поздняя древесина).

Механическую функцию в древесине выполняют, в первую очередь, прозенхимные клетки - трахеиды, которые, главным образом, расположены вертикально. Стыкование трахеид в продольном направлении осуществляется в процессе роста. Они своими заостренными концами врастают между собой и в другие анатомические элементы, так называемые "паренхимные клетки", имеющие одинаковые размеры во всех трех осевых направлениях. Эти клетки входят в состав "сердцевинных лучей", которые пронизывают в перпендикулярном направлении несколько годичных слоев.

Трахеиды составляют 90% общего объема древесины, и в 1см 3 их приблизительно размещается 420000 шт. Трахеид ранней части годичного слоя обладает тонкими стенками (2-3 мкм) и большими внутренними полостями, а трахеиды поздней части годичного слоя имеют более толстые стенки (5-7 мкм) и меньшие полости. Длина трахеид 2-5 мм, размер поперечного сечения в 50-60 раз меньше длины.

Для более полного представления о строении древесины рассматривается три разреза ствола: поперечный, радиальный и тангентальный (рис. 1.2).

Древесина лиственных пород имеет несколько отличную от хвойных пород структуру. Спиральное направление стенок клеток древесины лиственных пород приводит к большому короблению и растрескиванию пиломатериала при сушке, ухудшению гвоздимости. Наличие этих недостатков и малая стойкость к загниванию ограничивает применение лиственных пород для деревянных конструкций. Более высокие прочностные показатели древесины твердых лиственных пород реализуются путем использования их для изготовления соединительных элементов (нагели, шпонки, накладки), а также опорных антисептированных деталей.

Физические свойства древесины

Плотность. Поскольку влага составляет значительную часть массы древесины, то величина плотности устанавливается при определенной влажности. С увеличением влажности плотность увеличивается и, поэтому для расчетов при определении постоянных нагрузок используют усредненные показатели, представленные в нормах .

Для конструкций, эксплуатируемых в условиях, когда равновесная влажность не превышает 12% (отапливаемые и неотапливаемые помещения с относительной влажностью до 75%), плотность сосны и ели составляет 500 кг/м 3 , а лиственницы 650 кг/м 3 .

Для конструкций, эксплуатируемых на открытом воздухе или в закрытых помещениях с высокой влажностью более 75%, плотность сосны и ели составляет 600 кг/м 3 , а лиственницы 800 кг/м 3 .

Теплопроводность древесины зависит от плотности, влажности и направления волокон. При равной плотности и влажности теплопроводность поперек волокон в 2,5-3 раза меньше, чем вдоль волокон. Коэффициент теплопроводности поперек волокон при стандартной влажности 12% более чем в 2 раза ниже, чем при влажности равной 30%. Эти показатели объясняются трубчатым строением волокон древесины.

Температурное расширение . Коэффициент линейного расширения поперек волокон пропорционален плотности древесины, и в 7 - 10 раз больше коэффициентов расширения вдоль волокон. Это объясняется тем, что при нагревании древесина теряет влагу и меняет свои объемы.

В практике проектирования температурные деформации практически не рассматриваются, т. к. коэффициент линейного расширения вдоль волокон незначителен.

1.3 МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДРЕВЕСИНЫ

Особенности древесины.

Расчет деревянного перекрытия

Расчет деревянного перекрытия - одна из самых легких задач и не только потому, что древесина - один из самых легких строительных материалов. Почему так, мы очень скоро узнаем. Но сразу скажу, если вас интересует классический расчет, согласно требований нормативных документов, то вам сюда .

При строительстве или ремонте деревянного дома использовать металлические, а тем более железобетонные балки перекрытия как-то не в тему. Если дом деревянный то и балки перекрытия логично сделать деревянными. Вот только на глаз не определишь, какой брус можно использовать для балок перекрытия и какой делать пролет между балками. Для ответа на эти вопросы нужно точно знать расстояние между опорными стенами и хотя бы приблизительно нагрузку на перекрытие.

Понятно, что расстояния между стенами бывают разные, да и нагрузка на перекрытие тоже может быть очень разная, одно дело - расчет перекрытия, если сверху будет нежилой чердак и совсем другое дело - расчет перекрытия для помещения, в котором будут в дальнейшем делаться перегородки, стоять чугунная ванна, бронзовый унитаз и много чего еще.

Расчет деревянных конструкций должен производиться:

по несущей способности (прочности, устойчивости) для всех конструкций;
по деформациям для конструкций, в которых величина деформаций может ограничить возможность их эксплуатации.

Расчет по несущей способности должен производиться на воздействие расчетных нагрузок.

Расчет по деформациям должен производиться на воздействие нормативных нагрузок.

Деформации (прогибы) изгибаемых элементов не должны превышать величин, приведенных в табл. 37.

Таблица 37. Предельные деформации (прогибы) изгибаемых элементов

Примечание. При наличии штукатурки прогиб элементов перекрытий только от полезной нагрузки не должен быть более 1/350 пролета.

Центрально-растянутые элементы

Расчет центрально-растянутых элементов производится по формуле:

где N - расчетная продольная сила,

mр - коэффициент условий работы элемента на растяжение, принимаемый: для элементов, не имеющих ослаблений в расчетном сечении,mр= 1,0; для элементов, имеющих ослабление, mр =0,8;

Rp - расчетное сопротивление древесины растяжению вдоль волокон,

Fнт- площадь рассматриваемого поперечного сечения нетто: при определении Fнт ослабления, расположенные на участке длиной 20 см, принимаются совмещенными в одном сечении. Центрально-сжатые элементы. Расчет центрально-сжатых элементов производится по формулам: на прочность

на устойчивость

где mс - коэффициент условий работы элементов на сжатие, принимаемый равным единице,

Rc - расчетное сопротивление древесины сжатию вдоль волокон,

Коэффициент продольного изгиба, определяемый по графику (рис.4),

Fнт - площадь поперечного сечения нетто элемента, Fрасч - расчетная площадь поперечного сечения для расчета на устойчивость принимаемая:

1) при отсутствии ослаблений: Fрасч=Fбр;

2) при ослаблениях, не выходящих на ребро — Fрасч=Fбр,если площадь ослаблений не превышает 25% от Fбр и Fрасч = 4/3Fнт, если площадь их превышает 25% от Fбр;

3) при симметричных ослаблениях, выходящих на ребро: Fрасч=Fнт

Гибкость? цельных элементов определяется по формуле:

Примечание. При несимметричных ослаблениях, выходящих на ребра, элементы рассчитываются как внецентренносжатые.

Рисунок 4. График коэффициентов продольного изгиба

где Io - расчетная длина элемента,

г - радиус инерции сечения элемента, определяемый по формуле:

l6p и F6p - момент инерции и площадь поперечного сечения брутто элемента.

Расчетная длина элемента l0 определяется умножением его действительной длины на коэффициент:

при обоих шарнирно закрепленных концах - 1,0; при одном защемленном и другом свободно нагруженном конце - 2.0;

при одном защемленном и другом шарнирно закрепленном конце - 0,8;

при обоих защемленных концах - 0,65.

Изгибаемые элементы

Расчет изгибаемых элементов на прочность производится по формуле:

где M - расчетный изгибающий момент;

mи - коэффициент условий работы элемента на изгиб; Rи - расчетное сопротивление древесины изгибу,

Wнт - момент сопротивления нетто рассматриваемого поперечного сечения.

Коэффициент условий работы элементов на изгиб mи принимается: для досок, брусков и брусьев с размерами сторон сечения менее 15 см и клееных элементов прямоугольного сечения mи =1,0; для брусьев с размерами сторон 15 см и более при отношении высоты сечения элемента к его ширине h/b ? 3,5 - mи = 1,15

Расчет элементов цельного сечения на прочность при косом изгибе производится по формуле:

где Mx, My- составляющие расчетного изгибающего момента соответственно для главных осей x и y

mи - коэффициент условий работы элемента на изгиб;

Wx, Wy-моменты сопротивления рассматриваемого поперечного сечения нетто для осей x и y . Внецентренно-расгянутые и внеиентренно-гжатые элементы. Расчет внецентренно-растянутых элементов производится по формуле:

Расчет внецентренно-сжатых элементов производится по формуле:

где?- коэффициент (действительный в пределах от 1 до 0), учитывающий дополнительный момент от продольной силы N при деформации элемента, определяемый по формуле;