Механические свойства древесины: сжатие, растяжение, изгиб.

Предел прочности древесины при растяжении вдоль волокон в стандартных чистых образцах (влажностью 12%) высок — для сосны и ели он в среднем 100 МПа. Модуль упругости 11-14 ГПа. Наличие сучков и присучкового косослоя значительно снижает сопротивление растяжению. Особенно опасны сучки на кромках с вы­ходом на ребро. Опыты показывают, что при размере сучков ¼ стороны элемента предел прочности составля­ет всего 0,27 предела прочности стандартных образцов

При ослаблении деревянных элементов отверстиями и врезками их прочность снижается больше, чем получа­ется при расчете по площади нетто. Здесь сказывается отрицательное влияние концентрации напряжений у мест ослаблений. Опыты показывают также, что прочность при растяжении зависит от размера образца; прочность крупных образцов в результате большей неоднородности их строения меньше, чем мелких.

При разрыве поперек волокон вследствие анизотроп­ности строения древесины предел прочности в 12— 17 раз меньше, чем при растяжении вдоль волокон. Следствием этого является большое влияние косослоя, при котором направление усилия не совпадает с направ­лением волокон. Чем значительнее косослой, тем боль­ше составляющая усилия, перпендикулярная волокнам, и тем меньше прочность элемента. Косослой — второй по значимости порок," величина которого в растянутых эле­ментах должна строго ограничиваться.

Испытания стандартных образцов на сжатие вдоль волокон дают значения предела прочности в 2—2,5 раза меньшие, чем при растяжении. Для сосны и ели при влажности 12% предел прочности на сжатие в среднем 40 МПа, а модуль упругости примерно такой же, как при растяжении. Влияние пороков (сучков) меньше, чем при растяжении. При размере сучков, составляющих '/з сто­роны сжатого элемента, прочность при сжатии будет 0,6—0,7 прочности элемента тех же размеров, но без суч­ков. Кроме того, в деревянных конструкциях размеры сжатых элементов обычно назначаются из расчёта на продольный изгиб, т. е. при пониженном напряжении, а не из расчета на прочность. Благодаря указанным осо­бенностям работа сжатых элементов в конструкциях бо­лее надежна, чем растянутых. Приведенная диаграмма сжатия (см. рис. 1.11) при oi>0,5 более криволинейна, чем при растяжении. При меньших значениях <ф криволинейность ее невелика и она может быть принята прямолинейной до условного преде­ла пропорциональности, равного 0,5. Разрушение сопро­вождается появлением характерной складки (рис. 1.12), образуемой местным изломом волокон.

При поперечном изгибе значение предела прочности занимает промежуточное положение между прочностью на сжатие и растяжение. Для стандартных образцов из сосны и ели при влажности 12 % предел прочности при изгибе в среднем 75 МПа. Модуль упругости примерно такой же, как при сжатии и растяжении. Поскольку при изгибе имеется растянутая зона, то влияние сучков и ко­сослоя значительно. При размере сучков в 7з стороны сечения элемента предел прочности составляет 0,5—0,45 прочности бессучковых образцов. В брусьях и особенно в бревнах это отношение выше и доходит до 0,6—0,8. Влияние пороков в бревнах при работе на изгиб вообще меньше, чем в пиломатериалах, так как в бревнах отсут­ствует наблюдаемый в пиломатериалах выход на кром­ку перерезанных при распиловке волокон и отщепление их в присучковом косослое при изгибе элемента.

Определение краевого напряжения при нзгибе по обычной формуле a=M/W соответствует линейному рас­пределению напряжений по высоте сечения и действительно в пределах небольших напряжений (рис. 1.13). При дальнейшем росте нагрузки и увеличении кривизны эпюра сжимающих напряжений в соответствии с диаг­раммой работы на сжатие (рис. 1.11, кривая б) прини­мает криволинейный характер (рис. 1.13,6, в). Одновре­менно нейтральная ось сдвигается в сторону растянутой кромки сечения. При этом фактическое краевое напряже­ние сжатия меньше, а напряжение растяжения больше вычисленных по формуле.

Определение предела прочности по формуле a=M/W удобно для сравнительной оценки прочности различной древесины. В стадии разрушения сначала в сжатой зоне образуется складка, затем в растянутой зоне происходит разрыв наружных волокон. Разрушение клеток в сжатой и растянутой зонах аналогично разрушению при осевом сжатии и растяжении.

Опыты и теоретические исследования показывают, что условный предел прочности при изгибе зависит от формы поперечного сечения. При одном и том же момен­те сопротивления у круглого сечения он больше, чем у прямоугольного, а у двутаврового сечения меньше, чем у прямоугольного. С увеличением высоты сечения предел прочности снижается. Все эти факторы учитываются в расчете введением соответствующих коэффициентов: к расчетным сопротивлениям.

Скалывание древесины всегда происходит в плоскости параллельной волокнам, скалывающая сила может быть направлена вдоль волокон, поперек и под углом к ним. Прочность древесины наибольшая, когда скалывающая сила приложена вдоль волокон. Сопротивление скалыванию в зависимости от угла (между направлением силы и направлением волокон) описывается той же формулой что и при смятии. .

Скалывание в узловых соединениях всегда происходит с эксцентриситетом пары сил Т. При одностороннем скалывании эпюра τ имеет наименьшую полноту. При промежуточном скалывании, коэф полноты эпюры значительно выше, соответственно прочность выше.

Среднее сопротивление скалыванию при одностороннем приложении пары сил Т вычисляются по эмперической формуле: .

- сопротивление для максимального напряжения τ_max вычисленное по результатам испытаний стандартных образцов. β – эмперический коэф = 0,25 при одностороннем приложении нагрузки.

Разрушение при скалывании имеет хрупкий характер. Для предотвращения аварий в наиболее ответственных узлах в сквозных конструкциях, на врубках обязательно

проектируют аварийные связи (болты).

36. Пневмокаркасные конструкции.

Среди преимуществ пневматических конструкций следует отметить малый собственный вес, высокую мобиль­ность, быстроту и простоту возведения, возможность перекрытия больших пролетов, высокую степень заводской готовности и др. Пневматические строительные конструкции в зависимости от характера работы обычно разделяются на две самостоятельные группы — пневмокаркасные (надувные) и воздух оопорны е. Пневмокаркасные конструкции — это надувные стержни или панели, несущая способность которых (сопротивление сжатию, изгибу, кручению) обеспечивается повышенным давлением воз­духа в замкнутом объеме элемента. Большое внутреннее давление воздуха (до 150 кПа) требует высокой степени герметичности и прочности материала. Это же условие ограничивает пролет конструкций, который с учетом эко­номической целесообразности для рядовых сооружений не превышает 15—16 м. Стоимость пневмокаркасных конструкций в 3—5 раза выше, чем воздухоопорных. Основным достоинством пневмокаркасных конструк­ций является отсутствие избыточного давления воздуха в эксплуатируемом пространстве и, как следствие этого, потребности в процессе шлюзования.

Варианты крепления пневмокаркасной конструкции к грунту:
- с помощью анкеров в грунт, к которым через узлы крепления и спомощью металических карабинов крепится, данное изделие;
- с помощью песконасыпных емкостей, распологаемых в донной части надувных арок, к которым крепится через узлы крепления здание;
- с помощью водоналивного балона располагаемого по периметру здания.

- с помощью анкерных болтов с креплением к бетонному основанию (ж/б плита).

Пневмокаркасные конструкции состоят из ряда несущих надувных элементов. Пневмоэлементы представляют собой герметически зарытые баллоны, чаще всего трубчатой формы диаметром до 60-70 см.

Пневмокаркасные конструкции применяются в виде пневмобалок, пневмостоек, пневмоарок, пневмокуполов и других конструкций.

Пневмоарка (Ризб=0,5-1,5 атм)

Пневмобалка

Пневмостойка

Пневмокупол

Опоры пневмоарок шарнирные. Торец пневмоэлементов надевают на стальной стакан и закрепляют нагелями или хомутами. Наиболее целесообразно для ПК использовать арки кругового очертания. Пролет пневмоарок следует принимать 12-16 м., шаг 2,5-3 м. Проектное положение ПК сохраняется благодаря избыточному давлению воздуха (0,5-1,5 атм.)

Внутри помещения с пневмокаркасными конструкциями в отличие от воздухоопорных, сохраняется нормальное давление воздуха. Однако, конструкции этого типа сложнее в изготовлении и требуют установки для нагнетания воздуха под значительно большим давлением. Для этой цели используют обычно компрессоры, а иногда баллоны со сжатым воздухом или газом.

 

1. Многоугольные металлодеревянные фермы.

Рекомендуется для пролетов до 36м. нижний пояс из стальных уголков или швеллеров. Верхний пояс склеивается из досок, ширина не более 17см. Решетка раскосная без стоек. Раскосы могут выполняться из брусьев или клееные из низкосортных элементов. Верхний пояс очерчен по дуге окружности, близкой к кривой давления, поэтому все элементы решетки мало нагружены. Панели верхнего пояса между узлами имеют выгиб вверх, что автоматически создает эксцентриситет и разгружает моменты в нем. Поэтому фермы выполняется крупнопанельными с расстоянием между узлами не менее 6м. При пролетах до 24м включительно, фермы целесообразно изготавливать с неразрезным верхним поясом, а при больших пролетах с разрезным. Высота принимается от1/6-1/7 пролета, в фермах с неразрезными поясами (линзообразными) до 1/8.

Расчет.

Сегментные фермы рассчитываются в два этапа:

1. определение продольных сил. Все узлы считаются шарнирными, все дуги заменены хордами.

2. определение изгибающих моментов в верхнем поясе. При этом учитывается разгружающий момент от эксцентриситета, вызванный выгибом оси.

Результирующий момент в поясе при удачном выборе очертания решетки может быть на порядок меньше момента от межузловых нагрузок, т.е. М_q и М_f – соизмеримы. В фермах с неразрезным верхним поясом изгибающие моменты определяют как в неразрезных балках. В средних панелях пролетные моменты М=qd₀²/24, опорные М= qd₀²/12. в первой приопорной панели М=qd₀²/10 и в пролете М=qd₀²/14. В ферме с неразрезным верхним поясом целесообразно обе приопорные панели проектировать на 20%. Верхний пояс проверяют задавшись сечением:

Размер сечение раскосов задается по следующим правилам: ширина равна ширине верхнего пояса, высота сечения определяется по предельной гибкости – равной 150, далее проверяют на устойчивость самый длинный центральный раскос, обычно он проходит с запасом, остальные раскосы принимают такого же сечения, проверяют на растяжение. Нижний пояс выполняют со строительным подъемом не менее 1/200 пролета. В узлах центровые болты рассчитывают на изгиб под действием равнодействующих усилиях в двух приходящих раскосах. Металлические пластины в неразрезных фермах проверяют на смятие от этой же равнодействующей.

38. Клеефанерные балки с волнистой стенкой.

Клеефанерная балка с волнистой стенкой относится к классу малогабаритных балок. Пояса состоят из одиночных досок 2-го сорта. Они располагаются горизонтально плашмя, и в их плоскостях образуется волнистые по длине клиновидного сечения.

Фанерная стенка имеет волнистую форму, вклеиваются краями в пазы.

 

 

Благодаря волнистой форме стенка лучше сопротивляется потере устойчивости, чем плоская.

Расчет плоских балок производится с учетом того, что стенка практически не работает на нормальные напряжения при изгибе и эти напряжения воспринимаются только поясами. Кроме того благодаря своей форме стенка является податливой, поэтому расчет таких балок по прочности и прогибам при изгибе производят как составных балок с податливой стенкой.