Лекция 4. Часть 1. Деревянные конструкции

Деревянные конструкции (ДК) —почти ровесники человечества. Долгое время это были простейшие конструкции из цельных бревен и брусьев.

Затем появились составные конструкции, в которых для объединения элементов между собой используются разнообразные соединения (например, врубки). Общее свойство всех этих соединений — их податливость.

Подлинную революцию в деревянных конструкциях вызвало внедрение неподатливых соединений — клеевых.

Производство клееных деревянных конструкций — новая отрасль строительной индустрии, созданная в последние годы.

Сырьевая база древесины нашей страны обширна. Общая площадь лесов в бывшем СССР составляла около 750 млн. га и равна примерно четверти всей площади лесов мира. Наши леса могут давать до 1 млрд. м³ древесины в год при приросте 20 м³/га в год. Основную часть (около 78 %) площади лесов занимают ценные для строительства хвойные породы (лиственница 40 %, сосна 16 %, ель 10 %, кедр 5%, пихта 3%).

Достоинства древесины:

а) высокая удельная прочность R/ (отношение расчетного сопротивления к плотности), близкая к удельной прочности малоуглеродистой стали, поэтому ДК получаются очень легкими;

б) малая теплопроводность, позволяющая использовать древесину одновременно в качестве несущего и изоляционного материала;

в) химическая стойкость. Во многих агрессивных средах древесина во много раз долговечнее металла и железобетона (на химпредприятиях ж/б – 5-7 лет, древесина – 30-40 лет);

г) богатая сырьевая база, простота обработки, отсутствие сезонных ограничений в производстве строительных работ;

д) капитальные вложения в производство деревянных конструкций минимальны (на 20 - 40 % меньше). В лесоиз-быточных районах приведенная стоимость ДК меньше стоимости железобетонных конструкций на 15 - 25 %, а стоимость в деле — на 24 - 33%.

Древесина и пластмассы являются одними из самых распространенных видов легких и прочных строительных материалов, успешно конкурирующих в конструкциях с традиционными «тяжелыми» материалами – металлом, железобетоном и камнем. По одному из главных показателей - «удельная прочность материала» - древесина значительно превосходит кирпич и бетон и близка к стали (табл.).

Древесина и пластмассы являются одними из самых распространенных видов легких и прочных строительных материалов, успешно конкурирующих в конструкциях с традиционными «тяжелыми» материалами – металлом, железобетоном и камнем. По одному из главных показателей - «удельная прочность материала» - древесина значительно превосходит кирпич и бетон и близка к стали (табл.).

Наибольшую эффективность (а поэтому и преобладающее по объему применение) деревянные конструкции имеют при устройстве покрытий зданий и сооружений, в которых колонны и стены рациональнее выполнять из металла, железобетона или каменной кладки. Значительная часть спортивных, зрелищных и торговых зданий павильонного типа в странах Европы выполняется в настоящее время из клееных деревянных конструкций, позволяющих перекрывать пролеты в 100 метров и более.

Именно благодаря промышленному освоению производства клееных конструкций практически снят вопрос об их огнестойкости: получаемые массивные сечения (к примеру, клееная арка пролетом 74 м имеет сечение b×h = 3 (200×3000) мм) зачастую имеют предел огнестойкости, в несколько раз превышающий огнестойкость МК и ЖБК.

Кроме того, выпускаемые ныне лакокрасочные огнезащитные составы (антипирены) также существенно снижают риск возгорания этих конструкций, а долговечные покрытия из антисептиков обеспечивают длительную, в течение многих десятилетий, защиту конструкций от атмосферных воздействий и биологического повреждения.

Традиционными для древесины областями применения являются также малоэтажное и каркасное строительство. Подавляющее большинство семейных жилых домов (коттеджей) выполняется в Европе, США и Канаде из панелей на деревянном каркасе, а в странах северной Европы – из цельного и клееного бруса. Ежегодно в мире возрастает объем каркасного многоэтажного строительства из клееных конструкций, предельная этажность которого ограничена в Англии пятью, а в США – семью этажами

Структура, строение и состав древесины

Полимеры - высокомолекулярные соединения, макромолекулы, которые состоят из большого числа повторяющихся звеньев.

Древесина – полимер, производимый самой природой. Характерная особенность строения древесины – трубчато–волокнистая структура клеточных оболочек, являющихся скелетом материала (от этого зависят его механические свойства).

Основными анатомическими элементами древесины хвойных пород являются трахеиды – вытянутые вдоль ствола пустотелые клетки, проводящие воду (до 95% объема дерева).

У лиственных пород – характерными являются водопроводящие сосуды и либриформа (древесные волокна), занимающие 75% объема.

Химический состав древесины: С – 50%; О – 44%; Н – 6%. Из них образуется ряд сложных химических соединений: целлюлоза, лигнин. Из их скоплений образуется мицеллы (волокнообразующие элементы клеточных оболочек), а они в свою очередь соединяются в фибриллы (имеющие спиральное расположение, подобно проволокам в канате).

Макроструктура – в центре ствола находится сердцевина, самая слабая часть; между сердцевиной и корой – собственно древесина, состоящая из годичных колец; от сердцевины к коре идут питательные вещества по сердцевинным лучам.

Древесина для несущих ДК должна быть преимущественно хвойных пород в связи с их прямослойностью и повышенной прочностью и должна удовлетворять требованиям 1, 2 и 3-го сортов по ГОСТ 8486—66*, ГОСТ 2965—71*, ГОСТ 9462—71*, ГОСТ 9463—72*.

Древесину твердых лиственных пород (дуба и др.) следует применять для нагелей, подушек и других от­ветственных деталей.

Лесоматериалы мягких (осина, тополь, ольха) и малоценных твердых (береза) лиственных пород должны использоваться взамен хвойных в конструкциях временных сооружений, во вспомогательных конструкциях (опалубка, леса, подмости) и в клееных ДК.

Ориентировочно можно рекомендовать использовать древесину 1-го сорта для растянутых элементов, 2-го сорта для изгибаемых и 3-го сорта для сжатых элементов.

Строительная древесина употребляется в виде кругляка (бревен) или пиломатериалов.

Лекция 4. Часть 2. Деревянные конструкции

Физико-механические свойства древесины

Физические свойства

Влажность W – отношение массы влаги в образце к массе того же образца в абсолютно сухом состоянии. При W  20% может происходить загнивание. Следствием изменения содержания влаги в древесине является разбухание, усушка, зачастую приводящие к возникновению трещин.

По степени увлажнения древесина бывает:

• Сухая W  15%

• Воздушно сухая W от 15…18%

• Полусухая W от 18…25%

• Мокрая W  25%

• Свежесрубленная W  80…100%

• Сплавная древесина может быть до 200%

Для клееных конструкций W  15%; для остальных W  20% (иногда  25%).

Теплопроводность древесины - поперек волокон   0,16 Вт/м К – значительно меньше других материалов.

Объемная масса 500…800 кг/м3

Коэффициент температурного расширения - вдоль волокон  = (3…5) х 10-6 (2-3 раза меньше чем у стали (температурные швы не устраивают).

Механические свойства древесины

Достаточно высокие значения прочности. Например, сосна вдоль волокон на растяжение выдерживает 75 МПа, однако расчетные характеристики при растяжении 10 МПа, а при изгибе 13 МПа. Это связано с отрицательным влиянием пороков древесины (сучки, трещины, косослой), а также время нахождения древесины под нагрузкой.

Расчетные сопротивления различных пород древесины – изгибу (R_и), сжатию (R_с), смятию (R_см), растяжению (R_р) вдоль и (R_с90) (R_см90) поперек волокон приводятся в СНиП II-25-80 «Деревянные конструкции».

Наибольшее напряжение, которое выдерживает деревян-ный элемент под действием неизменной статической нагрузки в течение неограниченно большого времени, называется пре-делом длительного сопротивления. Отношение предела дли-тельного сопротивления R_дл к пределу прочности при изгибе R^и_пр (коэффициент длительного сопротивления) составляет примерно 0,5—0,7.

Уменьшение прочности при длительном загружении — это главная особенность дерева и пластмасс как конструкционных материалов.

Неоднородность строения древесины ведет к различиям в прочности вдоль и поперек волокон. Неизбежные природные пороки (сучки, косослой и др.) вызывают снижение прочности, которое в крупных элементах много больше, чем в мелких (иногда на 40— 60 %.). Наибольшей прочностью обладают неотесанные бревна, у которых благодаря отсутствию разрезанных волокон влияние сучков на прочность сказывается мало. Меньшей прочностью обладают брусья и еще меньшей доски (сказывается отрицательное влияние перерезывания волокон опиловкой, сучков, расположенных на пластях, присучкового косослоя и др.).

Обеспечение долговечности ДК

При благоприятных условиях ДК могут существовать сотни лет. Но они пожароопасны, подвержены гниению и коррозии. Кроме того, существуют животные, разрушающие древесину (термиты, жуки-точильщики и др., а под водой — корабельные черви и др.).

Долговечность ДК обеспечивается конструктивными и технологическими мероприятиями.

Гниение — результат жизнедеятельности древесных грибков, развитию которых благоприятствуют повышенная влажность при температуре 0 - 50 °С и при доступе воздуха (под водой деревянные элементы сохраняются неограниченно долго), поэтому решающим в борьбе с загниванием деревянных частей является малая влажность древесины.

Конструктивные меры должны обеспечивать предохранение ее от непосредственного увлажнения, создание в здании осушающего температурно-влажностного эксплуатационного режима (вентиляция помещения, устройство осушающих продухов). В конструкциях не должно быть щелей и пазух, где может застаиваться сырой воздух и возникнуть гниение

Необходимо обеспечить полную водонепроницаемость кровли, недопустимы внутренние водостоки и ендовы. Для защиты древесины от конденсационной влаги между ДК и кладкой в местах опирания прокладывают гидроизоляцию из толя, ДК отделяют от помещений слоем пароизоляции.

Если в процессе эксплуатации увлажнение древесины неизбежно (шпалы, мосты и др.), используют химическую защиту ее - пропитку антисептиками (креозотом, фтористым натрием и др.) под давлением или обмазыванием. При этом древесина одновременно защищается от животных-древоточцев.

Огнестойкость конструкций определяется временем, при котором нагруженный элемент сохраняет несущую способность в условиях пожара.

Конструктивные меры, направленные на повышение предела огнестойкости: а) оштукатуривание деревянных стен и потолков; б) использование в ограждающих конструкциях несгораемых элементов — кровель из асбестоцемента или черепицы, минераловатных утеплителей и т. п.; в) применение массивных клееных балок и рам (чем массивнее элемент, тем труднее он воспламеняется; установлено, что огнестойкость массивных ДК выше огнестойкости МК).

Если требуется повышенная степень огнестойкости, применяют окраску составами, защищающими древесину от возгорания (антипирены), от загнивания (антисептики) и обладающими водоотталкивающими (гидрофобными) свойствами. Используют также пропитку антипиренами под давлением.

Коррозия древесины заключается в ее разрушении под воздействием кислот, щелочей, солей.

Конструктивные меры защиты ДК, эксплуатируемых в сильных и средних агрессивных средах, заключаются в закрытии их герметическими оболочками из химически стойких материалов.

В слабых агрессивных средах смолистая хвойная древесина обычно является химически стойким материалом. Желательно применять массивные клееные сплошные элементы, имеющие минимальное число узловых соединений и металлических деталей, окрашенные покрытиями, стойкими к данной агрессивной среде.