Конструкции из дерева и пластмасс.

Тема занятия 8. Древесина – как конструкционный строительный материал.

Свойства древесины. Достоинства и недостатки древесины. К основным достоинствам древесины относятся: 1) Малый вес. Древесина имеет в среднем плотность 550 кг/м³ и в 14 раз легче стадии, в 4,5 раза легче бетона. 2) Прочность. Одним из показателей эффективности применения конструкций их различных материалов является показатель удельной прочности материала, который выражается отношением плотности материала к его расчетному сопротивлению. Для клееной древесины это отношение составляет , для углеродной стали , для бетона класса 22,5- . Это подтверждает целесообразность применения наряду со стальными деревянных клееных конструкций в большепролетных зданиях, где собственный вес имеет решающие значение. 3 ) Деформативность и вязкость. Из всех традиционных строительных материалов только древесина в меньшей степени реагирует на неравномерную осадку оснований фундаментов. Вязкий характер разрушения древесины позволяет перераспределять усилия в элементах, что не вызывает мгновенного отказа конструкций. 4) 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. 5) Теплопроводность. Малая теплопроводность древесины, обусловленная ее структурой, является ее основой широкого применения в стенах ограждающих конструкций. 6) 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 разрушают древесину при обычной температуре. 7) Самовозобновляемость 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.) расходуется большое количество исходного сырья, запасы которого постоянно иссякают. Кроме того, при производстве большинства конструкционных материалов требуются большие затраты энергии, дефицит которой ощущается во многих странах. 8) Простата обработки. Древесина легко обрабатывается простым ручным или электрическим инструментом. Деформативность древесины позволяет придавать конструкциям из нее различные прямолинейные и криволинейные формы. Недостатки древесины.

1) 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. 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. Ввиду малого различия между прочностными характеристиками по двум последним направлениям на практике используются характеристики по двум направлениям вдоль и поперек волокон с нелинейной интерполяцией под углом к волокнам. 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. Также снижает прочность древесины наклон волокон относительно оси ствола (косослой), что наглядно демонстрируют опыты на крупных и мелких (чистых) образцах (без пороки) древесины. 2) 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 зависит и ее физико - механическое свойства. Для строительства различают древесину: Сырую с влажностью выше 25%; полусухую с влажностью 12-25%; воздушно-сухую с влажностью 6-12%. 3) 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. С увеличением уровня напряжений ползучесть проявляется более ярко и может привести к разрушению конструкции. 4) Биопоражение древесины. Тесно 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, которые разделяются на две группы: насекомые, повреждающие неокоренную древесину в лесу, на складах и лесосеках, и насекомые, которые разрушают окоренную древесину в процессе ее переобработки и при эксплуатации в конструкциях. 5) Распространение огня происходит в результате соединения углерода древесины с кислородом. Примерно при 250⁰С клетчатка древесины начинает разлагаться, образующиеся при этом вещества начинают гореть и своим теплом разлагают моховые части древесины. С наружной стороны древесина быстро обгорает и 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 металлическими конструкциями. Все перечисленные достоинства и недостатки древесины обусловлены, в первую очередь, анатомическим строением древесины.

Строение древесины и физические свойства. В поперечном сечении ствола древесины хвойных пород (сосна, ель) можно рассмотреть несколько характерных слоев (рис.8.1).

Рис. 8.1. Строение древесины в поперечном разрезе:

1-кора; 2-луб; 3-камбий; 4-заболонь; 5-ядро; 6-сердцевина.

Наружный слой состоит из коры-1 и луба-2. Под лубом находится тонкий слой камбия -3. Назначение луба в растущем дереве - проводить вниз по стволу образующиеся в листьях питательные органические вещества. В поперечном разрезе основную часть занимают заболонь-4 и ядро-5. 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. При этом у одних пород древесины центральная часть приобретает темную окраску, т. е. образуется ядро. У других – отмирание не сопровождается ее потемнением. 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 -6, и более темного, плотного, летней древесины, обращенного к коре-1 (поздняя древесина). По количеству годичных слоев, исчисленному по радиусу, легко узнать возраст дерева.

Физические свойства древесины. 1. 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 [ ]. 2. 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. 3. Температурные 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.

Механические свойства древесины. Анизотропия (означает неодинаковость свойств материала в различных структурных направлениях) является следствием особенностей анатомического строения древесины, в которой ее механические и упругие свойства резко отличаются для направлений вдоль и поперек волокон. Помимо строения древесины, на механические свойства оказывает влияние неоднородность древесины, обусловленная наличием поздней и ранней древесины годовых колец. Прочность поздней древесины годичных колец в 3-4 раза выше прочности ранней древесины. Необходимо отметить, что теплофизические свойства, теплопроводность, линейное тепловое расширение, электропроводность древесины также различны по трем направлениям структурной симметрии, т.е. древесина анизотропна также в отношении этих свойств.

Рис. 8.2. Оси плоскости симметрии элементарного объема древесины:

а) – плоскости симметрии ортотропной анизотропии; б)- схема цилиндрической анизотропии изотропного тела.

Расчетная модель предполагает наличие трех взаимно перпендикулярных плоскостей структурной симметрии. Такие материалы называют ортотропными. Предположение об ортотропности применительно к элементарному объему древесины является упрощенной схемой (рис.8.2, а). Механические свойства древесины различны в разных направлениях и зависит от угла между направлением действующего усилия и направлением волокон (рис.8.2, б). При совпадении направления усилия и волокон прочность древесины достигает максимального значения. Поэтому, при выведении формул для определении расчетных сопротивлений под углом к волокнам, древесина рассматривался как ортотропный материал.

Основные виды напряженного состояния элементов деревянных конструкций. Растяжение. Сопротивление чистой древесины растяжению вдоль волокон весьма велико; в среднем для сосны около R=100 МПа (рис.8.3). Из диаграммы видно, что при кратковременном нагружении деформации возрастают пропорционально напряжению почти до момента разрушения, т.е. закон Гука соблюдается до конца разрушения. Тем не менее, за предел пропорциональности принимается нагрузка равная 0,5 от временного сопротивления. Разрушение наступает при очень малой относительной деформации равной 0,7%. Этот факт показывает, что древесина при растяжении вдоль волокон работает подобно хрупким материалам, т.е. более напряженные волокна разрушаются почти мгновенно, передавая свою долю растягивающих усилий оставшимся волокнам. Прочность пиломатериала на растяжение существенно снижается за счет неоднородности древесины. В зоне сучков, отверстий концентрируются напряжения, величина которых зависит от размера (рис.8.4). При наличии наклона волокон (косослой) растягивающее усилие раскладывается на две составляющие: вдоль наклонно расположенных волокон

Рис. 8.3. Диаграмма деформирования древесины при растяжении вдоль волокон

и перпендикулярно к ним, что вызывает растяжение поперек волокон. Чем больше наклон волокон, тем больше составляющая растягивающих усилий поперек волокон и тем меньше прочность элемента, т.к. прочность древесины поперек волокон при растяжении в 25-30 раз меньше, чем вдоль волокон. В связи с этим при проектировании конструкций необходимо избегать приложения усилий, действующих поперек волокон.

Рис. 8.4. Характер влияния дефектов при растяжении вдоль волокон

Сжатие. Сопротивление сжатию вдоль волокон является одной из наиболее устойчивых механических характеристик древесины, сравнительно мало зависящей от различных факторов, в частности от пороков древесины. В среднем предел прочности при сжатии вдоль волокон равен R=44 МПа. Характер разрушения образцов при сжатии вдоль волокон зависит от качества и состояния древесины. Из графика видно (рис. 8.5), что пропорциональность между деформациями и напряжениями при сжатии вдоль волокон не наблюдается. Между тем, на участке графика до 0,5 наблюдается зависимость близкая к линейной, и отношения принимается постоянным. Нарастание пластических деформаций на втором участке объясняется тем, что слои более прочной поздней древесины, которые и сопротивляются нагрузке, начинают терять устойчивость. Но их некоторое время подкрепляют соседние менее прочные слои ранней древесины. В момент максимальной нагрузки ранняя древесина исчерпывают свои возможности подкрепления, и происходит образование складки т.е. потери устойчивости поздней древесины. Благодаря пластическим деформациям работа древесины при сжатии является более надежной, чем при растяжении.

Смятие. В отличие от сжатия смятие – это напряженное состояние элемента на поверхности, воспринимающей нагрузку. Смятие древесины происходит вдоль волокон, поперек волокон и под углом. При стандартных испытаниях на сжатие вдоль волокон малых образцов обычно не наблюдается снижение сопротивления в результате смятия торцов. Нормы проектирования для практических целей не дают различия между прочностью на сжатие вдоль волокон и смятие вдоль волокон. Таким образом, предел прочности смятия вдоль волокон принимается также, как и = 44 МПа.

Рис. 8.5. Диаграмма деформирования древесины при сжатии вдоль волокон

Древесина сжатию и смятию поперек волокон сопротивляется значительно слабее, чем сжатию вдоль волокон. Предел прочности смятию поперек волокон находится в диапазоне . Для смятия поперек волокон хвойных пород наблюдается две типичные диаграммы (рис. 8.6).

Рис. 8.6. Диаграмма деформирования древесины на смятие по радиальной и тангентальной плоскостям

Диаграмма смятия поперек волокон в радиальном направлении характеризуется тремя этапами. На первом этапе (АВ) происходит сжатие годовых слоев ранней древесины, и участок диаграммы почти прямолинейной. Второй этап (ВС) характеризуется смятием оболочек клеток ранней древесины. Этот этап работы древесины не требует больших усилий, и на диаграмме наблюдается участок, слегка наклоненный к оси абсцисс. Третий этап (СД) протекает за счет сжатия клеток поздней древесины, т.е. уплотнения древесинного вещества. Поэтому древесина вновь приобретает способность сопротивляться действию нагрузки, и, как правило, разрушения древесины не происходит. При сжатии поперек волокон в тангентальном направлении характерна одноэтапная диаграмма. Усилия воспринимаются одновременно ранними и поздними зонами годичных слоев. Нагружение завершается зачастую разрушением древесины. Сопротивление древесины на местное смятие выше, чем при смятии по всей поверхности. Повышение происходит в основном за счет распределения напряжений на большую поверхность в направлении вдоль волокон, благодаря поддерживающему влиянию не нагруженных соседних волокон, работающих при этом на растяжение.

Изгиб. Прочность при изгибе одна из важнейших характеристик древесины. При испытании на образцах разрушение начинается с почти невидимых складок в сжатой зоне, а окончательное разрушение происходит в растянутой зоне в виде разрыва или отслоения крайних волокон. Предел прочности по величине занимает промежуточное положение между сжатием и растяжением и равен Обычно напряжения при изгибе определяют по формуле: , но эта формула справедлива для упругой стадии работы до появления пластических деформаций. В этом случае закон изменения будет прямолинейным и называется условно упругой стадией работы древесины. С увеличением нагрузки эпюра напряжений становится нелинейной за счет того, что крайние волокна начинают терять устойчивость, и усилие сжатия все более и более воспринимает волокна, находящиеся ближе к нейтральной оси. В растянутой зоне наоборот: в крайних волокнах увеличивается напряжение, которое обусловлено равенством плеча внутренних сил, сопротивляющихся изгибающему моменту.

Скалывание. Скалывание является наиболее неблагоприятным, хрупким характером разрушения древесины. В отличие от других видов напряженного состояния влияние пороков на скалывание сказывается незначительно. Предел прочности равен Различают два вида скалывания древесины: одностороннее и промежуточное. В первом случае силы скалывания расположены по одному сторону от площадки скалывания, что приводит к неравномерному распределению по ее длине скалывающих напряжений . Процесс скалывания в этом случае сопровождается расщеплением или отдиранием волокон. Причиной тому служит момент М = Те. Во втором случае площадка скалывания находится в промежутке между двумя действующими на нее силами, в результате чего напряжения распределяются по длине площадки скалывания более равномерно. Для определения расчетного сопротивления скалыванию использует формулу: . Эта формула имеет запас прочности.

Длительное сопротивление древесины. Длительное сопротивление является показателем действительной прочности древесины в отличие от предела прочности, определяемого путем кратковременных испытаний. На прочность древесины большое влияние оказывает скорость приложения нагрузки и продолжительность ее действия. При этом разница величины разрушающей нагрузки на одинаковый деревянный элемент при ударе втрое, а при кратковременном равномерном приложении нагрузки вдвое выше, чем длительно действующая нагрузка. Изображая результаты испытаний стандартных образцов (для определения длительной прочности древесины) на графике в координатах «кратковременная прочность – время до разрушения», получим асимптотическую кривую (рис.8.7, а). Асимптотический характер кривой показывает, что прочность с увеличением длительности приложения нагрузки хотя и падает, но не безгранично. Кривая носит название кривой длительного сопротивления древесины, а ордината 0,6Р или 0,5Р характеризует предельное значение нагрузки. Разделив величину этой нагрузки на площадь поперечного сечения, получим равный пределу длительной прочности древесины. При замере деформации образцов на этих испытаниях, отмечено другая характерная особенность древесины- свойства ползучести под действием неизменной нагрузки.

Рис. 8.7. Длительное сопротивление древесины:

а) – предел длительного сопротивления; б) – деформация древесины во времени.

При уровне напряжений деформации будут с течением времени затихать, а при напряжениях деформации будут нелинейно возрастать вплоть до разрушения (рис.8.7, б). Ярко выпаженные свойства ползучести подтверждает тезис о том, что древесина по структуре своей является природным полимером. Этим свойством древесины объясняется увеличение прогибов балок, находящихся в длительной эксплуатации, если их сечение подобрано, исходя только из условий прочности.

Основная литература: 3[13-30, 45-63].

Дополнительная литература: 8[8-22].

Контрольные вопросы:

1. В чем преимущества древесины как конструкционного строительного материала?

2. Недостатки древесины, и их влияние на свойства древесины?

3. Каково строение древесины? Что такое пороки, анизотропия древесины и как они влияют на ее прочность?

4. Физико-механические свойства древесины?

5. Как определяется расчетное сопротивления древесины растяжению и влияние природных дефектов древесины при растяжении?

6. Как определяется расчетное сопротивления древесины сжатию и влияние природных дефектов древесины при сжатии?

7. Как работают изгибаемые элементы и как подбирается их сечения?

8. Как работают сминаемые элементы? Что такое угол смятия и как он влияет на их прочность и деформативность?

9. Как работают на скалывание деревянные элементы и как определяется расчетное сопротивления древесины скалыванию?

10. Что характеризует длительное сопротивления древесины и каково его практическое значение?

Планы практических занятии

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: