24-1

Краткий исторический обзор, современное состояние и перспективы развития конструкций из дерева и пластмасс

• Дерево - один из древнейших конструкционных материалов, используемых человеком, благодаря его прочности, упругости и небольшой массе.
• Деревянные конструкции использовались для строительства оборонительных, общественных, хозяйственных и жилых сооружений.
• Развитие деревянных конструкций направлено на экономию древесины и учет ее физико-механических свойств.
• Раньше для строительства использовались цельные круглые деревянные элементы.
• Дерево применялось для строительства жилищ, покрытий и простейших мостов.
• Схема расположения несущих элементов моста через Рейн, построенного войсками Юлия Цезаря, оказалась удачной и использовалась до наших дней.
• Деревянные сооружения были распространены в районах с богатыми лесами.
• В России искусные плотники возводили деревянные здания различного назначения, в том числе жилые избы, храмы, крепости и дворцы.
• В X веке в Новгороде была построена дубовая соборная церковь Софии с 13 главками, но она сгорела в XVI веке.
• Самое древнее сохранившееся деревянное сооружение в России - церковь воскрешения Лазаря в Муромском монастыре в Карелии, построенная в XIV веке.
• Многие деревянные церкви и крестьянские постройки XVI-XVIII веков сохранились в Архангельской, Вологодской и Ленинградской областях, а также в Карелии.
• Преображенская церковь в Кижах, построенная в 1714 году, имеет 22 главы.
• Здания базировались на конструктивном принципе бревенчатого сруба (клети), который мог быть прямоугольным, квадратным, многоугольным (восьмерик).
• Для покрытий использовались двускатные, четырехскатные (палатка или епанча), шатровые (пирамидальные четырехгранные), килевидные срубы (бочки) и кубоватые покрытия (главки).
• Итальянский архитектор XVI века Палладио предложил варианты стержневых систем для деревянных мостов, включая ригельную подкосную схему и фермы.
• В XVIII веке в России началось совершенствование деревянных конструкций, что было связано с потребностью в перекрытии больших пролетов и развитием лесопильного производства.
• В XVIII-XIX веках были созданы значительные сооружения, такие как деревянный шпиль башни Адмиралтейства в Санкт-Петербурге (высота 72 метра, архитектор Короб) и деревянные фермы пролетом около 50 метров для покрытия московского манежа (архитектор Бетанкур), а также проект Кулибина многорешетчатой арки.
• Дмитрий Иванович Журавский (1821-1891) считается основоположником русской школы инженеров деревянных конструкций, разработавший проекты железнодорожных мостов, доказавший убывание усилий в фермах, выведший формулу для сдвигающих усилий и обосновавший допускаемые напряжения.
• Во второй половине XIX века дерево утратило ведущую роль из-за внедрения металла и железобетона.
• Советские инженеры предложили дощатогвоздевые конструкции, где основным соединением были гвозди.
• В создании этих конструкций участвовали профессора Иванов, Карлсон, Большаков, Починов, Каган и Губенко, а также доценты Свинцицкий, Освенский, Цвигман и Кашкаров.
• В 1932-1936 годах Деревягиным были предложены брусчатые конструкции на пластинчатых нагелях, а в конце XIX века появились первые клееные конструкции
• Владимир Григорьевич Шухов (1853-1939) разработал первые деревянные пространственные конструкции (башни-оболочки) в начале XX века.
• В 1920-е годы широко применялись дощатые гвоздевые балки, а в 1930-е годы были разработаны кружально-сетчатые своды Песельника и составные балки на пластинчатых нагелях.
• В годы первых пятилеток Ленновым предложена когтевая шайба для повышения несущей способности болтового соединения.
• В годы войны деревянные конструкции широко использовались в строительстве мостов и зданий, что позволило экономить металл.
• Главной чертой прогресса в области деревянных конструкций является ориентация на индустриальные клееные деревянные конструкции, развитие которых связано с производством синтетических полимерных материалов.
• На первых этапах использовались клеи животного происхождения (мездровый, казеиновый, казеиноцементный), но их недостатком была невысокая водостойкость.
• Клееные деревянные конструкции применяются в строительстве сельскохозяйственных зданий, одноэтажных жилых зданий, сборно-разборных зданий и автодорожных мостов.
• Разработка и применение клееных конструкций в СССР началось в 1950-х годах (Белозёрова, Губенко, Карлсон).
• В зарубежном строительстве (США, Германия, Чехия, Финляндия, Швеция, Канада, Франция) разнообразен ассортимент клееных деревянных конструкций.
• Наиболее распространенные несущие деревянные конструкции: балки, арки, рамы, фермы и оболочки.
• В современном строительстве используются балки, склеенные из досок, дощатоклееные балки и балки с дощатыми поясами и фанерной стенкой (клеефанерные балки).
• Дощатоклееные балки изготавливают постоянного и переменного сечения пролетом от 10 до 40 метров, а также криволинейного очертания
• В послевоенные годы начали применять дощатоклееные балки, армированные стальной арматурой
• Дощатоклееные арки и рамы используются для покрытия с дальним пролетом от 20 до 100 метров.
• В Советском Союзе применялись дощатоклееные клеефанерные трехшарнирные рамы пролетом 18-24 метра и трехшарнирные арки со стальной затяжкой.
• Арки и рамы используются в зданиях общественного назначения, спортзалах, рынках и выставочных зданиях.
• Фермы из клееных элементов могут использоваться в покрытиях пролетом от 15 до 70 метров.
• В СССР возведены здания с клееными фермами с криволинейными и прямолинейными элементами пролетом до 24 метров.
• Для покрытия небольших пролётов применяют дощатые фермы разнообразных схем пролётом до 20 метров, с узловыми соединениями с помощью стальных накладок MZP и Gank Nail.
• Деревянные оболочки в виде куполов, сводов и гиперболоидов применяются для покрытия общественных зданий.
• Граждающие конструкции - клееные панели заводского изготовления с обшивками из фанеры, используемые для стен и покрытий производственных и жилых зданий.
• Конструкции построечного изготовления также используются для временных зданий и сельскохозяйственных построек.

Прогресс в развитии современных деревянных конструкций:

• Повышение качества и производительности труда благодаря заводскому изготовлению.
• Стандартизация конструкций и требований к ним.
• Унификация, позволяющая использовать одни и те же изделия для широкой номенклатуры конструкций.
• Использование элементов большой длины и сечения для перекрытия пролетов до 80-100 метров.
• Внедрение конструкций на основе листовых материалов и рациональных форм.
• Применение древесины в сочетании с другими материалами (металлы, пластмассы)..
• Увеличение надежности, огнестойкости и долговечности конструкций.
• Рациональное использование отходов и низкосортной древесины.

Первые пластмассы и их развитие:

• В 1869 году появился целлулоид, жесткий прозрачный материал из целлюлозы.
• С 1907 года начали производить пластмассы на основе фенолформальдегидной смолы.
• В 1924 году началось производство мочевиноформальдегидной смолы, а в 1938 году - меламиновой смолы.
• В 1930-е годы началось промышленное производство поливинилхлорида и полистирола.
• В 1940 году в Англии был получен полиэтилен, а в послевоенные годы - фенолформальдегидная смола, армированная стеклянным волокном.
• На первых этапах пластмассы использовались как заменители металлов, но затем стали незаменимыми конструкционными материалами с уникальными свойствами.
• Пластмассы применяются во всех отраслях народного хозяйства, в том числе в строительстве.

Применение пластмасс в строительстве:

• Впервые пластмассы для строительных конструкций начали применять за рубежом в 1956-57 годах.
• В СССР широкое внедрение пластмасс началось после решения 1958 года.
• Определены основные области применения строительных конструкций на основе пластмасс: совмещенные конструкции, покрытия в виде оболочек, конструкции для химически агрессивных сред, пневматические надувные конструкции.
• Трехслойные панели для стен и покрытий начали применять в США и западноевропейских странах в послевоенные годы.
• Панели состоят из двух слоев обшивок из жестких материалов (металл, асбестцемент, стеклопластик) и легкого среднего слоя (тепло- и звукоизоляция).
• Панели с пенопластовым средним слоем (200-700 кг/м³) эффективны для зданий в отдаленных районах.
• В СССР разработка таких панелей велась с 1958 года; построены экспериментальные жилые дома.
• Усовершенствованные варианты панелей применялись для стен и покрытий промышленных, жилых и сельскохозяйственных зданий; разрабатывались панели с обшивками из алюминия и средним слоем из пенопласта.
• Светопрозрачные конструкции применяются в форме волнистых листов, куполов и трехслойных панелей из полиэфирных стеклопластиков, органического стекла и винипласта.
• В США производство светопрозрачных стеклопластиков началось в 1946 году, в Англии в 1952 году, в Германии в 1955 году, а в СССР в 1963 году
• Конструкции из оргстекла применяются для заполнения световых проемов в покрытиях (зенитные фонари). Первыми оболочками были купола зенитных фонарей из оргстекла.
• Другие виды оболочек - защитные покрытия над радиолокационными аппаратами из стеклопластиков, обладающих прочностью, легкостью и радиопрозрачностью. Такие сооружения выполняли в виде усеченной сферы, диаметр которой зависел от размера защищаемой аппаратуры. При диаметрах 20-25 метров сферы выполняли однослойными из стеклопластиковых элементов, при больших диаметрах — уже трехслойными.
• В 1960-е годы оболочки из стеклопластика начали использоваться в зданиях общественного назначения, теплицах и быстровозводимых жилых зданиях.
• С 1965 года начали сооружать купола из пенопласта.

Пластмассы для химически агрессивных сред:

• Применение стеклопластиковых и других пластмасс для конструкций в химически агрессивных средах основано на возможности подбора полимера, инертного в данной среде.
• Химически стойкие пластмассы используются для вытяжных труб, воздуховодов и емкостей.
• Они в 7-10 раз легче стальных и долговечнее, не нуждаются в регулярной защите от коррозии.

Пневматические конструкции:

• Пневматические конструкции – оболочки из воздухонепроницаемых тканей или пленок, работающие совместно со сжатым воздухом.
• Воздухоопорные конструкции – оболочки, герметично приклеенные к опорному контуру, создающие покрытие пролётом до 60 метров с избыточным давлением воздуха.
• Пневмокаркасные конструкции – каркас из отдельных пневмоэлементов (пневмостойки, пневмобалки, пневмоарки), поддерживающих водонепроницаемую ткань.
• Пневмоэлементы – герметически замкнутые баллоны со сжатым воздухом под избыточным давлением.
• Пневматические конструкции применяются в качестве временных сборно-разборных покрытий различного назначения.
• Опытное применение было начато за рубежом в 1945 году и в СССР в 1960 году.
• Эксплуатация пневматических покрытий складских, производственных, зрелищных, спортивных и других объектов показала их рациональность.
• В настоящее время начато серийное изготовление пневматических конструкций и их расширенное применение в строительстве.

Древесина и пластмассы как конструкционные строительные материалы. Их свойства, достоинства и недостатки

• Россия - самая богатая лесами страна в мире, её запасы древесины составляют около 80 млрд куб. м, что составляет около 40% мировых запасов.
• Основные лесные ресурсы России сосредоточены в Сибири и на Дальнем Востоке (около 73% всей площади лесов в стране).
• Преобладающие породы – хвойные: лиственница (около 37%), сосна (19%), ель и пихта (20%), кедр (8%).
• Запасы берёзы, основного сырья для фанерной промышленности, составляют около 13%.

Анатомическое строение древесины хвойных пород:

• Древесина имеет трубчатое, слоисто-волокнистое строение.
• Основную массу составляют древесные волокна (трахеиды) длиной около 3 мм и шириной 50 мм.
• Древесные волокна расположены концентрическими слоями (годичными слоями) вокруг оси ствола.
• Годичный слой состоит из мягкой ранней древесины (образующейся весной) и твёрдой поздней древесины (образующейся летом), от относительного содержания которой зависит плотность и прочность.
• Средняя часть стволов сосны, кедра и лиственницы - ядро, имеет более тёмный цвет и содержит больше смолы.
• Средняя часть стволов ели и пихты - спелая древесина, содержит меньше воды.
• В древесине имеются горизонтальные сердцевинные лучи, мягкая сердцевина, смоляные ходы, сучки, и она покрыта мягкой корой.
• Качество лесоматериалов зависит от степени однородности строения древесины.
• Под корой расположен тонкий слой камбия, отлагающего древесину.
• В центре сечения ствола расположена сердцевина в форме небольшого круглого пятнышка диаметром 2-5 мм.
• Основные элементы древесины хвойных пород – трахеиды (более 90% общего объёма древесины).
• Паренхимные клетки входят в состав сердцевинных лучей, по которым происходит движение питательных веществ и воды.
• Трахеиды хвойных пород выполняют проводящие и механические функции.
• Переход между ранней и поздней древесиной не одинаков у разных хвойных пород: у лиственницы резкий, у сосны и ели менее резкий.

Влага в древесине:

• Различают связанную (гигроскопическую) и свободную (капиллярную) влагу.
• Связанная влага находится в толще клеточных оболочек, а свободная - в полостях клеток и межклеточных пространствах.
• Максимальное количество связанной влаги – предел гигроскопичности (30%).
• При изменении влажности от нуля до предела насыщения клеточных оболочек объём древесины увеличивается (разбухание).
• Снижение влажности в этих пределах уменьшает его размеры (усушка).
• Чем плотнее древесина, тем больше её разбухание и усушка.
• Линейная усушка вдоль волокон пренебрежимо мала; в радиальном направлении она колеблется от 2 до 8,5%, в тангенциальном – от 2,2 до 14%.
• При увеличении влажности свыше точки насыщения волокон дальнейшего разбухания не происходит.
• Процесс высыхания древесины состоит из испарения влаги с поверхности и перемещения её из внутренних слоёв.
• В тонких пиломатериалах неравномерность распределения влажности обычно невелика и быстро уменьшается; в толстых элементах выравнивание происходит медленно. Чем выше плотность древесины, тем меньше скорость высыхания. Влагопроводность в радиальном направлении несколько больше, чем в тангенциальном (влияние сердцевинных лучей)..

Химическая стойкость древесины:

• Древесина - химически более стойкий материал, чем металл и железобетон.
• В зависимости от вида химической агрессии древесину можно использовать без дополнительной защиты или с покраской/поверхностной пропиткой.
• Деревянные конструкции целесообразны для складов агрессивных сыпучих материалов (калийные и натриевые соли, минеральные удобрения).
• Древесина по-разному реагирует на химические вещества: некоторые кислоты не разрушают её при обычной температура, нагретые растворы органических кислот разрушают ее, а газовые среды вредно действуют на древесину при наличии уложнения и повышенной температуры..
• Для зданий с химически агрессивной средой рекомендуется использовать монолитно склеенные безметальные конструкции без зазоров и щелей. Клей фанерной панели должен иметь гладкую поверхность.

Физические свойства древесины:

• Плотность зависит от породы, количества пустот, толщины стенок клеток и содержания влаги.
• Температурное расширение различно вдоль и поперёк волокон.
• Коэффициент линейного температурного расширения вдоль волокон в 7-10 раз меньше, чем поперёк волокон, и в 2-3 раза меньше, чем у стали.
• Т трубчатое строение клеток древесины превращает её в плохой проводник тепла: теплопроводность древесины вдоль волокон больше, чем поперек; чем больше плотность и влажность древесины, тем больше ее теплопроводность. Малая теплопроводность древесины поперек волокон является основой широкого применения ее в ограждающих частях отапливаемых зданий..

Механические свойства древесины:

• Механические свойства древесины, природного полимера, изучаются на основе реологии.
• При быстром кратковременном действии нагрузки древесина сохраняет значительную упругость и подвергается сравнительно малым деформациям; при длительном – деформации существенно увеличиваются.
• Под действием постоянной нагрузки в древесине появляются упругие деформации, а с течением времени развиваются эластические и остаточные деформации.
• Для назначения размера элементов деревянных конструкций необходимо знать прочность древесины при различных силовых воздействиях, зависящую от размера пороков; благодаря особенностям строения древесина является анизатропным материалом
• для определения несущей способности конструктивных деревянных элементов служит предел прочности древесины, определяемый испытанием стандартных образцов, выполненным из чистой, без всяких пороков, древесины. При этом некоторые из этих образцов не дают правильного ответа на вопрос о лечении предела прочности, так, например, стандартный образец на скалывание вдоль волокон не работает на чистый сдвиг.

Влияние поздней древесины:

• У хвойных пород, применяемых в строительстве, прочность поздней древесины в 3-5 раз выше прочности ранней древесины.
• Чем толще стенки трахеид и чем больше процент поздней древесины, тем выше плотность древесины и её прочность.

Кривая длительного сопротивления древесины:

• Определение зависимости между нагрузкой и временем до разрушения.
• σдлительная – предел длительного сопротивления древесины, характеризует то предельное максимальное значение напряжения или нагрузки, под действием которого образец не разрушится, как бы долго нагрузка не действовала..
• Коэффициент длительности сопротивления (отношение σдлительная к пределу прочности) может быть принят 0,5-0,6.
• Относительная прочность древесины при её испытании с различной скоростью приложения нагрузки изменяется в пределах 1-3.
• Эксперименты Белянкина по влиянию продолжительности нагрузки на прочность древесины.
• Результаты влияния продолжительности действия нагрузки на прочность древесины – высок.

Растяжение древесины:

• Прочность сосны и ели при растяжении вдоль волокон составляет в среднем до 100 МПа, модуль упругости 11-14 ГПа
• Сучки и присучковый косослой значительно снижают сопротивление растяжению.
• Опыты показывают, что при размере сучков составляющих одну четвертую стороны элемента предел прочности составляет всего лишь 27% под пределом прочности стандартных образцов.

Влияние отверстий и врезок:

• прочность снижается больше чем получается при расчете по площади некта;.
• на прочность крупных образцов. На прочность крупных образцов влияет большая неоднородность их строения, что означает снижения прочностных характеристик.

Разрыв поперек волокон:

• предел прочности в 12-17 раз меньше, чем при растяжении вдоль волок. Сосной второй по значимости порог, величина которого растянутых элементов должна строго ограничиваться..
• Диаграмма работы сосны незначительно искривляестя и может считаться прямолинейной

Сжатие вдоль волокон:

• Предел прочности в 2-2,5 раза меньше, чем при растяжении для сосны и ели.
• Для древесины с влажностью 12% предел прочности при сжатии составляет 40 МПа, модуль упругости аналогичен растяжению.
• Влияние сучков меньше, чем при растяжении, благодаря расчёту сжатых элементов на продольный изгиб. При этом размере сучков составляющих треть стороной сжатого элемента прочность снижается на 0,6-0,7.
• Работа сжатых элементов конструкции более надежна, чем растянутых: объясняет применение металлодеревянных конструкций.

Поперечный изгиб:

• В прочности лежит между данными на сжатие и растяжение
• Установлено, что в стандартных экземплярах из сосны и ели предел прочности при изгибание равен 75 мегапаскалей, а модуль упругости соответствует ранее упомянутым показателям. Напряжение при изгибание соответствует линейному распределению напряжений по высоте сечения и действительно в пределах небольших нагрузок.

Работа древесина на смятие, скалывание и раскалывание

• Различают смятие вдоль волокон, поперек волокон и под углом к ним.
• Прочность древесины на смятие вдоль волокон мало отличается от прочности на сжатие вдоль волокон.
• Смятие поперек волокон, вызывает значительные деформации: происходит уплотнение и уменьшение деформации.
• При смятии на части длины поддерживающее действие соседних участков возрастает.
• сопротивление тем выше, чем уже сминающий штамп;.
• Установленная закономерность показывает что при смятии под углом α значение сигма ПР возрастает с уменьшением угла.
• Существующие методы расчёта элементов, работающих на скалывание и раскалывание, имеют недостатки:
  • Отсутствует стандартный метод экспериментальной проверки прочности;
  • Не внедрена теория, раскрывающая зависимость прочности от касательных и нормальных напряжений.

Влияние влажности и температуры на прочность древесины

• Влияние влажности:
  • При повышении влажности от нулевой до точки насыщения волокон (около 30%) прочность древесины уменьшается, а деформативность увеличивается.
  • Влажность, в меньшей степени, сказывается на ударной прочности образца наряду с прочностью при растяжении вдоль волокон.
• При изменении влажности в образце меняется и его прочность при ее изменении на 1% прочность меняется на 3-5%. Свыше указанного порога увеличение процента влажности не влияет на прочность.
• Для сравнения с образцами с влажностью 12 процентов образцы приводят к стандартной влажности рассчитывая: B12 = Pv * (1+(α *(V-12))

Влияние температуры: - С повышением температуры прочность уменьшается, с понижением - увеличивается. - При большой влажности небольшое повышение может вызвать резкое падение прочности. - Замороженная древесина становится более хрупкой. Уменьшение теплопроводности может вызвать разрывы деревянных элементов. - Необходимо учитывать не только влажность, но и температуру. Сигма 20 = сигма t +B *(t-20).

• Следует отметить, что полученная формула действительно используется в переделах положительных температур, то есть от 10 до 50 градусов.

Требование к качеству отбора леса материалов для элементов несущих конструкций

• При наличии дефектов, в особенности сучков, не позволяют применять их для строительства, так как падает прочность
• Лесоматериалы разделяют в зависимости от дефектов, при этом опираясь на типы деревянных конструкций Лесоматериалы делятся: на круглые и пиленые Круглые с буквой А, представляют собой в основном бревно, пластину также подтоварниками. Более широкие стороны доски называют пласть, а более узкие и опиленные на станке кромкой.

Брёвна

• часть древесных стволов с опильными концами, очищены от сучьев
• имеют стандартную длинну, а также естественную коническую форму

Пиломатериалы получают их распиловкой брёвен, имеют прямоугольные или квадратные стечения.