|
Ствол дерева, находясь длительное
время под воздействием собственной массы и ветра, переменного по силе и
направлению ( 20.3), приспосабливается в процессе роста к работе на сжатие с
изгибом, а гибкие ветви его работают на растяжение. Поэтому деревянные
элементы, поставленные в конструкциях, как бы заранее самой природой
приспособлены к работе на указанные воздействия.
Механическая прочность древесины зависит от многих
факторов и главным образом от породы и качества древесины, влажности,
температуры, длительности загружений, режима приложения нагрузки, размеров
сечений, направления действия усилий по отношению к волокнам и характера
возникающих напряжений. Прочность одного и того же бревна меняется по его
длине и в поперечном направлении. Кроме того, прочность зависит от места
произрастания дерева.
Из большого разнообразия физических и механических свойств
древесины рассмотрим только те, которые имеют наиболее важное ^значение при
использовании лесоматериала в строительных конструкциях и наиболее
существенны при проектировании, постройке и эксплуатации конструкций. Более
подробные данные о древесине как строительном материале приведены в учебниках
по строительным материалам [3].
Зависимость прочности от породы древесины. Для
строительных целей обычно применяют древесину хвойных пород: сосны, ели,
лиственницы, кедра и реже (в зависимости от местных условий и назначения
конструкций) — твердых лиственных пород: дуба, ясеня, бука, граба, клена и
др.
Для временных сооружений и вспомогательных конструкций
(опалубка, леса, подмости) применяют древесину мягких лиственных пород
(осина, ольха, тополь, липа).
Прочность древесины сосны и ели принята за эталон.
Прочность древесины других пород, в том числе и лиственных, определяется
умножением значений сопротивления сосны на коэффициенты, приведенные в 9
Норм [1].
Зависимость прочности от влажности. Влага, находящаяся в
полостях клеток и в междуклеточном пространстве древесины ( 20.4),
существенно влияет на прочность этого материала. С увеличением влажности
прочность уменьшается ( 20.5).
Допустимую влажность древесины для изготовления наземных
конструкций в зависимости от их вида и групп определяют по 5. Норм [1].
Влажность древесины для изготовления элементов неклееных
конструкций, длительно находящихся в увлажненном состоянии, не нормируется.
При конструировании следует учитывать, что при высыхании
древесины изменяются ее размеры ( 20.6).
Расчетные сопротивления древесины для конструкций
различных групп, подвергающихся при эксплуатации повышенной влажности,
определяют с учетом коэффициентов условий работы, приведенных в 20.1.
При увеличении влажности модуль упругости древесины
уменьшается.
Влияние на прочность древесины пороков роста и трещин.
Пороки роста древесины (сучки, косослой и др.) неизбежны в любом
лесоматериале. Пороки по-разному влияют на работу растянутых, сжатых и
изгибаемых элементов. Нормами проектирования установлены допуски пороков для
трех категорий элементов, встречающихся в несущих конструкциях (см. 2, 3 и 4
Норм [1]).
Длительное сопротивление. Пропорциональность между
напряжениями и деформациями в древесине, как материале волокнистого строения,
нарушается почти с самого начала загружения.
Если напряжения не превышают определенного предела, то
рост деформации имеет затухающий характер и со временем прекращается. В
случае, если напряжения превысят предел, рост упругих деформаций во времени прекращается
и начинается образование и нарастание пластических деформаций, приводящих к
разрушению.
Наибольшее напряжение, которое выдерживает деревянный
элемент под действием неизменной статической нагрузки в течение неограниченно
большого времени, называется пределом длительного сопротивления.
Отношение предела длительного сопротивления /?дл к пределу
прочности при изгибе Ra (коэффициент длительного сопротивления) по
исследованиям Ф. П. Белян- кина [6] составляет примерно 0,6.
Влияние многократно повторяющихся нагрузок. При длительном
и частом приложении повторных нагрузок (пульсирующие нагрузки) древесина
разрушается быстрее, чем при длительном приложении статических нагрузок.
Действует фактор усталости древесины.
Анализ работы нагельных соединений при пульсирующей
нагрузке показал, что предел выносливости сжатых стыков, определяемый работой
древесины на сжатие вдоль волокон в нагельном гнезде, составляет 0,4-—0,6
предела прочности, -и довольно близок к пределу пластичного течения этих
соединений, определяемому статическими испытаниями образцов соединений,
изготовленных из той же древесины [6].
Влияние размеров элементов и формы сечений. Сравнение
результатов испытания малых (лабораторных) и больших (строительных размеров)
образцов древесины показывает, что сопротивление снижается быстрее в больших
образцах. Это объясняется тем, что присущие древесине природные пороки в
большей мере сказываются в образцах крупного размера и не только понижают их
прочность, но и вызывают местные эксцентрицитеты, приводящие к неравномерному
распределению напряжений по сечению. Снижение прочности в большеразмер- ных
образцах достигает иногда 40—60%. Особенно значительно влияние размеров на
снижение прочности в растянутых элементах, наиболее чувствительных в работе к
порокам древесины, меньше — прн изгибе и еще меньше — при сжатии (по
исследованиям Ю. М. Иванова) .
Наибольшей прочностью из числа строительных образцов
лесоматериала обладают неотесанные бревна, у которых благодаря отсутствию
разрезанных волокон влияние сучков на прочность сказывается мало и более
выгодно распределяются в поперечном сечении нормаль
ные напряжения в предельном состоянии. Меньшей прочностью
обладают брусья и еще меньшей доски (отрицательное влияние перерезывания
волокон опиловкой, сучков, расположенных на пластях, присучкового косослоя и
др.). Образцы же малых размеров, вырезанные из тех же бревен, брусьев и
досок, не имеющих пороков, обладают наибольшей прочностью.
На прочность при изгибе влияет также форма и высота
сечений. Учитывая данные экспериментальных исследований, при назначении
размера расчетных сопротивлений древесины изгибу Нормы рекомендуют вводить
коэффициенты поправки на форму и размер сечений. Для элементов сплошного
прямоугольного сечения с размерами сторон 14 см и более при высоте сечения элемента 14—50 см, бревен, не имеющих врезок в расчетном сечении, и
клееных балок такие коэффициенты приведены в 8 и 18 Норм [1].
Нормативные и расчетные сопротивления древесины и
коэффициенты условий работы. Для установления расчетных наименьших прочностей
при расчете конструкций по предельному состоянию учитываются все факторы,
влияющие на понижение сопротивления древесины.
Наиболее стабильной характеристикой механических свойств
древесины является характеристика, полученная при испытании малых образцов.
На основании множества испытаний такая характеристика и принята в Нормах для
древесины сосны и ели с влажностью 15% как вероятное минимальное значение
предела прочности чистой древесины при стандартных испытаниях малых образцов
с учетом изменчивости данного вида сопротивления древесины. Этот предел
прочности назван нормативным сопротивлением RH.
Чтобы определить расчетные сопротивления древесины,
найденные нормативные длительные сопротивления умножают на коэффициенты:
однородности древесины, учитывающие влияние пороков (сучков и трещин),
неоднородности древесины в элементах крупных размеров и коэффициенты,
учитывающие форму и размеры сечений.
Таким образом, установлены приведенные в 8 Норм [1]
основные расчетные сопротивления древесины сосны и ели для групп конструкций
Al, А2 и Б1 ( 20.2).
Модуль упругости воздушно-сухой древесины вдоль волокон
независимо от ее породы принимается при определении деформации конструкций
групп Al, А2, Б1 ( 20.1), защищенных от увлажнения и нагрева и находящихся
под воздействием постоянной и временной нагрузок, равным 100 000 кгс/см2=100
кН/см2=10 кПа.
При определении деформации конструкций других групп,
находящихся в условиях повышенной влажности или повышенной температуры или
проверяемых на воздействие только постоянной нагрузки, модуль упругости определяют
как произведение указанной выше величины на те же коэффициенты, которые
применяются и для определения расчетных сопротивлений при данных условиях
работы для разных групп конструкций (см. 20.1, а также 10 Норм [1]).
При расчете деревянных конструкций учитывается не только
изменчивость нагрузок и рассеивание показателей качества материала, но также
и другие отрицательные и и положительные факторы, влияющие на работу
конструкций. К ним относятся: концентрация напряжений в ослабленных врезками
или нагельными гнездами сечениях, влияние формы сечения в работе изгибаемых
элементов, неравномерность распределения скалывающих напряжений по площадкам
скалывания, дополнительные напряжения в составных изгибаемых или
внецентренно-сжа- тых элементах от податливости связей, перераспределения
усилий от неточности изготовления конструкции. Многие из этих факторов
учитываются в расчете деревянных конструкций коэффициентами условий работы т,
приведенными в СНиП [1]. Эти коэффициенты либо вводятся непосредственно в
расчетные сопротивления, либо сохраняются в формуле в виде цифрового
коэффициента (например, при расчете клееных двутавровых балок для учета
влияния на их прочность отношения толщины стенки к ширине полки, при расчете
составных балок при определении приведенного момента инерции, при расчете
врубок, разных видов шпонок, клееных балок на скалывание и др.).
Лесоматериалы, применяемые в гражданском и промышленном
строительстве. Для возведения деревянных несущих конструкций необходимо
производить специальный отбор древесины в соответствии с сортаментом и
допускаемыми отклонениями от нормальных размеров, а также требованиями в
зависимости от категорий изготовляемых элементов (растянутые, сжатые и пр.).
,
По характеру распиловки пиломатериалы разделяют ( 20.7) на
обрезные доски и бруски, у которых кромки пропилены по всей длине или каждая
кромка пропилена не менее чем на половину длины (доски и бруски с обзолом), и
необрезные, у которых кромки не пропилены или пропилены менее чем на половину
длины.
Брусья с обзолом по сравнению с чистообрезными брусьями,
выпиленные из бревен одинакового диаметра, по исследованиям проф. А. И.
Отрешко обладают в 2,5 раза большей несущей способностью на сжатие.
|