прочность древесины на сжатие

Достоинства. Древесина — мало твердый материал и легко обрабатывается, что облегчает и упрощает изготовление деревянных конструкций. Древесина стойко сопротивляется разрушительному воздействию слабых химических агрессивных сред, и поэтому деревянные конструкции успешно эксплуатируются в зданиях химической промышленности, где быстро разрушаются металлические конструкции. Древесина стойко выдерживает ударные и циклические нагрузки, и поэтому деревянные конструкции достаточно стойки в мостах и при землетрясениях.Древесина надежно склеивается водостойкими синтетическими клеями. Благодаря этому изготовляются клеедеревянные элементы крупных сечений, больших длин,  Не достатки: гниение, горение, трещины, пороки   Свойства древесины определяются в основном ее строением. По собственной массе древесина относится к классу легких конструкционных материалов. Ее малая масса определяется трубчато-волокнистым строением и зависит от относительного объема отверстий и содержания в них влаги, кроме воздуха. Плотность древесины определяется при относительной влажности 12 %. Она различна в пределах одной породы и одного ствола.Свежесрубленная древесина сосны и ели имеет массу 850 кг на 1 м3. Расчетная масса этой древесины в составе конструкций, эксплуатируемых в помещениях с нормальной влажностью воздуха, принимается равной 500 кг/м3, в помещениях с влажностью возд­ха более 75 % и на открытом воздухе — 600 кг/м3. По прочности древесина является среднепрочным анизотропным конструкционным материалом ( её механические свойства различны в различных направлениях и зависят от угла м/у направлением действующего усилия и направлением волокон), однако ее относительная прочность с учетом малой собственной массы позволяет применять ее в несущих конструкциях больших пролетов. Прочность древесины  на сжатие 15 мпа, раст 12 мпа

Влажность – это % содержание воды по отношению к сухой древесине.

Связанная и свободная влага.

Связанная влага – влага кот. пропитаны стенки клеток, свободная – влага, кот. нах-ся в межклеточном пространстве и в полости клетки.

Усушка – разбухание возникает при уменьшении – увеличении влажности древесины. В продольном направлении усушка в 100разчем в поперечном.

Корабление – результат неравномерной усушки.

При повышении влажности древесины от нулевой точки насыщения волокон до 30% ее прочность уменьшается, деформативность увеличивается и модуль упругости снижается. При изменении влажности на 1% прочность меняется на 3-5%. 30% — предел водонасыщения, после которого влажность уже не влияет на прочность древесины.

Конструктивная защита от загнивания. Несущие деревянные конструкции должны быть открытыми, хо­рошо проветриваемыми и доступными для периодического осмотра.

Необходимо обеспечивать надежную гидроизоляцию деревянных конструкций и их частей, соприкасающихся с грунтом, фундаментами, бетоном, каменной кладкой и массивными металлическими частями.

Химическая защита древесины от гниения: Антисептики разделяются на три группы: маслянистые, органорас-творимые и водорастворимые.

Маслянистые антисептики (каменноугольное пропиточное масло, сланцевое пропиточное масло, антраценовое масло и др.) применяются для пропитки деревянных конструкций, работающих в открытых соору­жениях и для элементов конструкций, соприкасающихся с грунтом.

Зашита от возгорания: Строящиеся здания должны иметь гладкие стены и потолок без вы­ступающих внутрь помещения деревянных частей, иметь беспустотные ограждающие конструкции с применением в них несгораемых или труд­носгораемых утеплителей.

Воздушные прослойки разделяются на отсеки (площадью до 50 м2) несгораемыми диафрагмами, не препятствующими осушению полостей.

Прочность зависит от:

1. Влаги (стандартная влажность 12 %) R=f(W) изменение влажности в 1% делает изменение прочности на 3-5%.

2. Породы (mn – коэффициент для определения расчетных сопротивления древесины различных пород) 3. влажности 4. температуры (на морозе материал становится хрупким) 5. времени (40 дней – это предел долговременного сопротивления древесины, после 40 дней устанавливается прочность при постоянной нагрузке) 6. сучков, отверстий и т.п. (пороки древесины 1, 2, 3 сортов)

7.Древесина анизотропный материал – в разных направлениях прочность разная. При действии усилий вдоль волокон оболочки клеток работают в самых благоприятных условиях, и древесина имеет наибольшую прочность.

8.Длительность действия нагрузки существенно влияет на прочность древесин

Нормативные сопротивления древесины Rн (МПа) являются основными характеристиками прочности древесины чистых от пороков участков. Они определяются по результатам многочис­ленных лабораторных кратковременных испытаний малых стан­дартных образцов сухой древесины влажностью 12 % на растяжение, сжатие, изгиб, смятие и скалывание.

Расчетные сопротивления древесины R (МПа) — это основные характеристики прочности реальной древесины элементов реальных конструкций. Эта древесина имеет естественные допускаемые пороки и работает под нагрузками в течение многих лет. Расчетные сопротивления получаются на основании нормативных сопротивлений с учетом коэффициента надежности по материалу γ и коэффициента длительности нагружения mдл по формуле

Растянутые элементы — это нижние пояса ферм, затяжки арок и некоторые стержни других сквозных конструкций. Древесина работает на растяжение почти как упругий мате­риал и имеет высокую прочность. Разрушение растянутых эле­ментов происходит хрупко, в виде почти мгновенного разрыва.

Расчет по прочности растянутых элементов производится на растягивающую силу N от расчетных нагрузок: Прочность растянутых элементов в тех местах, где они ослаб­лены отверстиями или врезками, снижается дополнительно в результате концентрации напряжений у их краев. Это учитывает­ся снижающим коэффициентом условий работы mр = 0,8.

Сжатые элементы. На сжатие работают стойки, под­косы, верхние пояса и отдельные стержни ферм и других сквоз­ных конструкций.Прочность стержня при сжатии и потеря устойчивости зависят от площади А и формы его сечения, длины l и типа закрепления его концов, что учитывается коэффициентом устойчивости φ, называемым иногда коэффициентом продольного изгиба. Сжатые деревянные элементы рассчитываются по прочности и устойчивости при действии продольных сил сжатия N от расчетных нагрузок:

Коэффициент устойчивости элемента ф определяется в зави­симости от его расчетной длины l0, радиуса инерции сечения i, гибкости λ = l0/i и находится из выражений φ = 3000/ λ2 при λ 70 и φ = 1-0.8(λ/100)2 при λ=70.

Изгибаемые элементы — балки, доски настилов и обшивок — наиболее распространенные элементы деревянных конструкций. Расчет изгибаемых элементов по прочности поперечных сечений производится на действие максимальных изгибающих момен­тов М (МН-м) от расчетных нагрузок:где W — момент сопротивления сечения. У наиболее распростра­ненных прямоугольных сечений с шириной b и высотой h W = bh2/6, а для круглых сечений диаметром d W=d3/10.

Расчет сжато-изгибаемого элемента производится на действие максимальных продольных сжимающих сил N и изгибающих моментов М от расчетных нагрузок по формуле

где МД=М/ξ, а коэффициент ξ=1-Nλ2/(3000RcA); МД — это из­гибающий момент с учетом дополнительного изгибающего мо­мента, который возникает в результате прогиба элемента f от внешней нагрузки. При этом сжимающие продольные силы N начинают действовать с эксцентриситетом, равным /, и возни­кает дополнительный момент М = Nf Этот доп. мо­мент и учитывается коэффициентом ξ, который зависит от про­дольной силы N. гибкости λ расчетного сопротивления сжатию Rc и площади сечения А.

Сжато-изгибаемый элемент должен быть также проверен на прочность и устойчивость только при сжатии продольной силой в направлении из плоскости действия изгибающего момента:

Смятие древесины — это поверхностное сжатие, которое может быть общим и местным.

Прочность и деформативность элементов при смятии сущест­венно зависят от угла смятия. Угол смятия а — это угол между направлениями действия сминающей силы и волокон древесины.

Расчет элементов на смятие производится на действие сжи­мающей силы N от расчетных нагрузок, площади смятия А и расчетного сопротивления древесины Rсма по формуле:

Скалывание древесины. Расчет изгибаемых элементов на скалывание при изгибе производится на действие максимальных поперечных сил Q (МН) от расчетных нагрузок   по формуле

Настилы являются несущими элементами ограждающих деревянных покрытий.Настилы из досок применяют в покрытиях в виде сплошной конструкции или обрешетки под кровли различных видов. Под трехслойную рубероидную кровлю неотапливаемых зданий основанием служит настил из двух слоев досок, которые соединяются  гвоздями (см. рис.). Верхний защитный слой досок толщиной 16 – 25 мм и шириной до 100 мм укладывают под углом 450 к нижнему. Для лучшего проветривания всего настила нижний рабочий настил с толщиной досок по расчету выполняют разряженным.

Расчет настилов и обрешеток, работающих на поперечный изгиб, производят по схеме двухпролетной балки при двух сочетаниях нагрузки (см. рис.): нагрузки от собственного веса покрытия и снеговой нагрузки – на прочность и прогиб: sи = Mmax/Wнт£Rи, где Mmax = ql2/8;fо = 2,13qнl4/384EI£fпр. Нагрузки от собственного веса покрытия и сосредоточенной нагрузки в одном пролете        Pн = 1 кН. а с учетом коэффициента перегрузки 1,2, равной Pр = 1,2 кН – только на прочность.

Максимальный момент находится под сосредоточенным грузом, расположенным на расстоянии от левой опоры x = 0.432l и равен приближенно Mmax = 0,07 ql2 + 0,207 Pрl. где q – собственный вес покрытия.

Прогоны покрытий цельного сечения выполняют из досок на ребро, брусьев и бревен, окантованных с обеих сторон. Разрезные прогоны (см. рис.) более просты в изготовлении и монтаже, но требуют большого расхода древесины. Они стыкуются на опорах, впритык, на накладках или вразбежку. В консольно-балочных (см. рис.) и неразрезных прогонах из спаренных досок (см. рис.) стыки устраивают в пролете.

Консольно-балочные прогоны являются многопролетными статически определимыми системами. Их применение целесообразно в том случае, когда временная нагрузка неподвижна и равномерно распределена по всем пролетам прогона.

Если шарниры расположить на расстоянии от опор x = 0,15l (l – пролет консольно-балочного прогона), то моменты на опорах будут равны по абсолютному значению максимальным моментам в пролетах, и получается так называемое равномоментное решение прогона. Для выравнивания моментов в первом и последнем пролетах значение этих пролетов (l1 ) надо уменьшать до 0,85l. Если шарниры расположить на расстоянии от опор x = 0,21l, то получится равнопрогибное решение, при котором максимальные прогибы во всех пролетах, кроме крайних будут одинаковыми. При уменьшении крайних пролетов до 0,79l прогибы в этих пролетах будут равны прогибам в остальных пролетах.Если крайние пролеты равны остальным, т.е. l1 = l. то изгибающий момент на первой промежуточной опоре будет Mоп = ql2/10. а прогибы прогона в крайнем пролете  f1 = 2,5qнl4/384EI .Консольно-балочные прогоны выполняют из брусьев. По длине они соединяются в местах расположения шарниров косым прирубом (см. рис.). Во избежание смещений под действием случайных усилий в середине косого прируба ставят болты. Клеефанерными панелями можно перекрывать пролеты 3 – 6 м, а если их ребра клееные – более 6 м. Количество продольных ребер определяют в основном по условию расчета на изгиб поперек волокон наружных шпонов верхней фанерной обшивки sи = Mmax/Wф = 6Pc/8×100dф2 = 9c/dф2£mиRи.ф

Здесь mи = 1,2. Если приравнять sи = 1,2Rи.ф. то 9(c/dф2) £ 1,2Rи.ф, откуда расстояние между осями ребер с £ 0,13Rи.фdф2

Приведенные характеристики определяют по формулам:

момент инерции, приведенный к фанере Iприв = Iф + Iд(Eд/Eф) ;

статический момент Sприв = Sф + Sд(Eд/Eф) ;

площадь поперечного сечения Fприв = Fф + Fд(Eд/Eф) ;

момент сопротивления Wприв = Iприв/y ;

где y – расстояние до наиболее удаленных волокон (при симметричном поперечном сечении y = h/2, (где h – высота); Iф, Sф, Fф, Eф – соответственно моменты инерции, статический момент, площадь поперечного сечения и модуль упругости материала элемента, к которому делают приведение (в данном случае к фанере); Iд, Sд, Fд, Eд – то же, для материала приводимых элементов (древесины

Нормальные напряжения в обшивках определяют по следующим формулам:

для верхней сжатой обшивки с учетом ее устойчивости

sс = Mmax/Wпрj ф£Rф.с. где j ф – коэффициент продольного изгиба:при c/dф³ 50. j ф = 1250/( c/dф)2; при c/dф 50. j ф = 1-(c/dф)2/5000.

для нижней растянутой обшивки с учетом ослабления стыком “на ус”

sр = M/Wпрkф£Rф.р, где kф = 0,6 – коэффициент, учитывающий ослабление сечения стыком “на ус”; при отсутствии стыка kф = 1.

Касательные напряжения проверяют в местах приклеивания фанеры к ребрам:по скалыванию между шпонками фанеры tф = QSф/Iпрådр£Rф. ск ,где Sф – статический момент обшивки относительно оси панели; dр – ширина ребра.по скалыванию ребер t = QSпр/Iпрådр£Rск. max, где Sпр – приведенный статический момент половины сечения относительно нейтральной оси.

Относительный прогиб панели  f/l = kPнl2/0,7EфIпр£ 1/250. Для равномерно распределенной нагрузки k = 5/384; Pн = qнl.

По характеру работы все основные соединения делятся на:

— без специальных связей (лобовые упоры, врубки);

— со связями, работающими на сжатие (шпонки колодки);

— со связями, работающими на изгиб (болты, стержни, гвозди, винты, пластинки);

— со связями, работающими на растяжение (болты, винты, хомуты);

— со связями, работающими на сдвиг-скалывание (клеевые швы).

1 ) Врубкой называют соединение, в котором усилие элемента, работающего на сжатие, передается другому элементу непосредственно без вкладышей или иных рабочих связей. За этим видом соединения сохранилось старое название «врубка», хотя в настоящее время врезки и гнезда выполняют не топором, а электро- или мотопилой, цепнодолбежником и т. п.Лобовые упоры. которые можно представить в виде фрагмента узла конструкции фермы, врезанной в нижний пояс. Глубина врубки принимается 2смhврh/4. Лобовая врубка Глубина врубки рекомендуется 2смhврh/3. Длина площадки скалывания принимается не менее 1,5h и не менее 10hвр. При конструировании лобовых врубок усилия необходимо центрировать с опорной реакцией. Это требование обеспечивается опорной подушкой.Лобовая врубка на упор. При малом угле наклона примыкания верхнего пояса к нижнему применение лобовой врубки нецелесообразно. С уменьшением угла увеличивается усилие скалывания и, поэтому более надежным решением узла является лобовая врубка на упор. В лобовом упоре торец верхнего пояса полным своим сечением упирается в опорный вкладыш. Опорный вкладыш передает вертикальную составляющую N на подкладку и опорную подушку, а горизонтальную составляющую — нижнему поясу через металлические натяжные хомуты, деревянные накладки и нагели. Лобовая врубка на упор имеет ряд преимуществ. Благодаря развитой площади смятия опорного вкладыша несущая способность по смятию значительно больше, чем лобовой врубке, отсутствие площадки скалывания и отсутствие ослаблений врубкой повышает надежность соединения.      2 ) Нагелем называется гибкий стержень,  который соединяет элементы ДК и препятствует их взаимному сдвигу, а сам в основном работает на изгиб. Цилиндрические нагели изготовляют в виде гладких стержней круглого сечения из стали, металлических сплавов, твердых пород древесины и из пластмасс. По характеру своей работы в соединениях сдвигаемых элементов к цилиндрическим нагелям относятся также болты, гвозди, глухари (винты большого диаметра с шестигранной или четырехгранной головкой) и шурупы. Цилиндрические нагели устанавливают в предварительно_рассверленные гнезда. Диаметр отверстия. для нагеля обычно принимают равным диaмeтpу_нaгeля.   3) МЗП представляет собой стальные пластинки толщиной 1—2 мм, на одной стороне которых после штамповки на специальных прессах получаются зубья различной формы и длины. МЗП ставят попарно по обе стороны соединяемых элементов таким образом, чтобы ряды МЗП располагались в направлении волокон присоединяемого деревянного элемента, в котором действуют наибольшие усилия.   4)и Клеевые   Их основой являются конструкционные синтетические клеи. Эти соединения имеют ряд важных достоинств. Склеивание дает возможность из досок ограниченных размеров сечений и длин. При склеивании клеедеревянных элементов несущих конструкций в настоящее время у нас в стране применяются клеи на основе термореактивных синтетических смол (фенолформальдегидной и резорциновой, а для склеивания древесины со сталью — эпоксидной). Добавки к клеям: — наполнители – уменьшают расход вяжущего, снижает стоимость (цемент, тальк, древесная мука, асбестоволокно)- пластификаторы – пластичность, уменьшает хрупкост  -стабилизаторы – для сохранения физ. свойств во времени- ингибиторы – замедлитель хим. процессовКлеевые стыки по их расположению и особенностям работы могут быть разделены на поперечные, продольные и угловые. Стык по пластям (поперечный) представляет собой клеевое соединение досок пластями. Применяется для создания клеедеревянных элементов требуемой высоты сечения и для обеспечения их изогнутой формы по длине, поскольку пре­пятствует распрямлению изогнутых досок в элементе, восприни­мая скалывающие напряжения, а также при изгибе от нагрузок. Стык по кромкам представляет собой клеевое соединение досок кромками. Применяется при изготовлении клеедеревянных элементов с шириной сечений, большей, чем ширина отдельных досок. По высоте сечения эти стыки располагаются обыкновенно вразбежку. В этих стыках не возникает значительных скалы­вающих напряжений. Стык по пластям и кромкам представляет собой клеевое соединение пласти одной доски с кромкой другой. Он применяется при изготовлении клеедеревян ных элементов тавровой, двутавровой и рельсовидной форм ма­лых сечений со стенками из досок на ребро. В нем тоже возни­кают напряжения скалывания при изгибе.

5) К растянутым связям относят гвозди, винты (шурупы и глухари), работающие на выдергивание, скобы, хомуты, стяжные болты и тяжи. Различают связи натяжные и ненатяжные, временные (монтажные) и постоянные. Все виды связей должны быть защищены от коррозии.