Расчетные характеристики материалов

Расчетные сопротивления древесины сосны, ели и лиственницы европейской влажностью 12% для основного сочетания нагрузок (режим В согласно таблице В.1) в сооружениях нормального (2-го согласно приложению Г) уровня ответственности при сроке эксплуатации до 50 лет приведены в таблице 3.

Таблица 3

Напряженное состояние и характеристика элементов	Расчетные сопротивления, МПа, для сортов (классов) древесины
	обозначение	1/К26	2/К24	3/К16
1 Изгиб, сжатие и смятие вдоль волокон
а) элементы прямоугольного сечения (за исключением указанных в подпунктах "б", "в") высотой до 50 см. При высоте сечения более 50 см см. 5.2, д	, ,			8,5
б) элементы прямоугольного сечения шириной свыше 11 до 13 см при высоте сечения свыше 11 до 50 см	, ,
в) элементы прямоугольного сечения шириной свыше 13 см при высоте сечения свыше 13 до 50 см	, ,
г) элементы из круглых лесоматериалов без врезок в расчетном сечении	, ,	-
2 Растяжение вдоль волокон:
а) элементы из цельной древесины				-
б) клееные элементы				-
3 Сжатие и смятие по всей площади поперек волокон	,	1,8	1,8	1,8
4 Смятие поперек волокон местное:
а) в опорных частях конструкций, лобовых врубках и узловых примыканиях элементов
б) под шайбами при углах смятия от 90 до 60°
5 Скалывание вдоль волокон:
а) при изгибе элементов из цельной древесины		1,8	1,6	1,6
б) при изгибе клееных элементов		1,6	1,5	1,5
в) в лобовых врубках для максимального напряжения		2,4	2,1	2,1
г) местное в клеевых соединениях для максимального напряжения		2,1	2,1	2,1
6 Скалывание поперек волокон:
а) в соединениях элементов из цельной древесины			0,8	0,6
б) в соединениях клееных элементов		0,7	0,7	0,6
7 Растяжение поперек волокон элементов из клееной древесины		0,15	0,1	0,08
Примечания   1 Расчетное сопротивление древесины местному смятию поперек волокон на части длины (при длине незагруженных участков не менее длины площадки смятия и толщины элементов), за исключением случаев, оговоренных в поз.4 данной таблицы, определяется по формуле   , (1)   где - расчетное сопротивление древесины сжатию и смятию по всей поверхности поперек волокон (поз.3 данной таблицы); - длина площадки смятия вдоль волокон древесины, см.   2 Расчетное сопротивление древесины смятию под углом к направлению волокон определяется по формуле   . (2)   3 Расчетное сопротивление древесины скалыванию под углом к направлению волокон определяется по формуле   . (3)   4 В конструкциях построечного изготовления величины расчетных сопротивлений на растяжение, принятые по поз.2, а данной таблицы, следует снижать на 30%.   5 Расчетное сопротивление изгибу для элементов настила и обрешетки под кровлю из древесины 3-го сорта следует принимать равным 13 МПа.

 

Режимы нагружения	Расчетное время действия нагрузки τпр, с	Коэффициент m дл	Коэффициент условий работы mн
Линейно возрастающая нагрузка при стандартных испытаниях	1 - 10	1	1,5
Совместное действие постоянной и длительной временной нагрузок	10^8 - 10^9	0,53	0,8
Совместное действие постоянной и кратковременной снеговой нагрузок	10^6 - 10^7	0,66	1
Совместное действие постоянной и кратковременной ветровой нагрузок	10^3 - 10^4	0,8	1,2
Совместное действие постоянной и сейсмической нагрузок	10 - 10^2	0,92	1,4
Действие импульсных и ударных нагрузок	10^-1 - 10^-6	1,1 - 1,35	1,7 - 2,0

Значение коэффициента, учитывающего влияние длительности нагружения, m _дл = 0,66 принято за базисное, и по отношению к нему нормируются расчетные сопротивления для других режимов и сочетаний нагружения путем введения соответствующих переходных коэффициентов условий работы m _н = m _дл/0,66 к основным расчетным сопротивлениям древесины и фанеры.

 

· Величину нормативного сопротивления материалов ^ R ^н определяют из условия:
R ^н = R ^вр (1 - l,65 v), где v - коэффициент вариации показателей прочности по данным испытаний;
R ^вр - временная величина прочности материала.
Нормативное значение прочности соответствует квантилю в предполагаемой статистической функции распределения с обеспеченностью 0,95.
Временные и нормативные сопротивления устанавливают испытаниями при режиме нагружения А согласно таблице Б.1 при влажности древесины 12 %.

Таблица Б.1

Обозначение режимов нагружения	Характеристика режимов нагружения	Приведенное расчетное время действия нагрузки, с	Значение коэффициента длительной прочности, m дл
А	Линейно возрастающая нагрузка при стандартных машинных испытаниях	1-10	1,0
Б	Совместное действие постоянной и кратковременной ветровой нагрузок	10^3-10^4	0,8
В	Совместное действие постоянной и кратковременной снеговой нагрузок	10^6-10^7	0,66
Г	Совместное действие постоянной и длительной временной нагрузок, напряжение от которых превышает 80 % от полного напряжения в элементах конструкций от всех нагрузок	10^8-10^9	0,53
д	Совместное действие постоянной и сейсмической нагрузок	10-10^2	0,92
Е	Действие импульсивных и ударных нагрузок	10^-1-10^-8	1,1-1,35

 

Упругость древесины

Упругостью называют способность материала возвращаться к первоначальному виду и размерам после: прекращения действия сил. При изучении упругих свойств древесины мы встречаемся со следующими терминами: предел упругости, предел пропорциональности, упругость, пластичность, модуль упругости, вязкость, хрупкость, гибкость.

Предел упругости, т. е. напряжение, начиная с которого при его дальнейшем увеличении появляются остаточные деформации при прекращении действия силы, обычно определяется лишь условно. В частности, для металлов за предел упругости условно принимают напряжение, которое вызывает деформацию, не превышающую 0,001—0,03%. В отношении древесины эта условная величина является неприемлемой, так как изменения свойств древесины разных пород в разных ее состояниях значительно превышают этот условный предел. Даже сравнительно мало чувствительные приборы отмечают в древесине остаточные деформации почти с самого начала загружения. Поэтому характеристику «предел упругости» по отношению к древесине,не применяют.

Пределом пропорциональности называют то напряжение, ниже которого деформация материала пропорциональна действующей силе. В то время как в металлах предел упругости (в его условном понимании) и предел пропорциональности различаются столь мало, что их обыкновенно считают совпадающими, в древесине предел пропорциональности часто очень близок к временному сопротивлению.

Численная характеристика упругости может быть выражена, как отношение упругой деформации к остаточной при каком-либо данном напряжении материала.

Упругость материала

где f—деформации материала.

Таблица 31 Упругость древесины при напряжении изгиба около 300 кг/см² (по Перелыгину)

Порода дерева	Упругость Y=fупр/fост
Береза
Дуб
Ель
Липа	6-30
Сосна	20—30
Ясень

 

Требования к качеству лесоматериалов в зависимости от работы деревянных конструкций

Практика эксплуатации деревянных конструкций, выполненных из современных промышленных заготовок показывает, что их надёжность обеспечивается в пределах 50-ти лет для сруба и балочных элементов, а также 15–20-ти лет для кровель: тесовых, драночных, гонтовых, лемеховых (за исключением случаев откровенного технологического брака). Поэтому при реставрации предъявляются особые требования к качеству лесоматериалов.

1. Сруб. В срубе используются сосновые брёвна, вырезанные из спелых необессоченных стволов и не имеющие видимых пороков древесины:
а) биологических поражений (заболеваний) мхами, лишайниками, плесенями, дереворазрушающими грибами и насекомыми;
б) трещин в виде метика, отлупа, морозобоин, трещин складской усушки;
в) большого количества сросшихся сучков;
г) наличия табачных сучков.

Допускается применение в нижних венцах стен косослойных и свилеватых брёвен, но следует учитывать, что такая древесина более трудна в обработке и обладает повышенной усушкой вдоль волокон, что потенциально снижает жёсткость угловых соединений.

Брёвна с кренью, т.е. смещением сердцевины ствола и ненормальным утолщением летней древесины годового слоя на широкой стороне и повышением плотности на узкой, применять не рекомендуется, т.к. неравномерная усушка такого бревна, связанного со смежными, может вызвать деформацию выпучивания стены.

В сруб укладываются брёвна, имеющие в верхнем отрубе диаметр порядка 24–26 см (за исключением оговоренных в проекте элементов). Сбежистость (уменьшение диаметра от комля к вершине) не должна превышать 0,8 см на 1 пог. м. бревна. Плотность древесины определяется по количеству годовых колец. Древесина должна быть мелкослойной, т. е. иметь не менее 10 годовых колец на 1 см радиуса ствола, а ширина поздней зоны должна составлять не менее 30% от ширины между годичными слоями. Цвет поздней зоны более тёмный в сравнении с ранней. Для облегчения подсчёта годовых слоёв срез ствола протирается водорастворимыми красителями. На физические и механические свойства строительного леса влияет время рубки. Дерево зимней рубки (декабрь-март) теряет к моменту достижения воздушно-сухого состояния до 35–40% своего веса и при этом становится достаточно защищённым от загнивания, если конечно, ему обеспечены благоприятные условия службы (хранения).

Чтобы установить в какой сезон срублено дерево, необходимо торцевой срез смочить йодом. Посинение (почернение) торца указывает на рубку летом, отсутствие окраски — на рубку зимой, так как отложения крахмала, на которые реагирует йод, зимой в древесине не происходит.

Выбор деревьев на лесосеке осуществляется летом. Их плотность на месте определяется с помощью возрастного бурава. Желательно в это время подсекать выбранные стволы для увеличения содержания смолы в деревьях.

На круглом свежесрубленном лесе часто встречаются химические окраски, не влияющие на физико-механические свойства древесины. После просушки химические окраски в большей или меньшей степени выцветают.

От окрасок грибного происхождения химические отличаются большей равномерностью и распределением в поверхностных слоях древесины (глубина от 1 до 5 мм). По цвету и причинам возникновения химические окраски делятся на три группы:
а) поддубина — красновато-коричневая или бурая окраска подкоркового слоя (3–5 мм) сплавной древесины; возникновение такие окрасок — результат окисления дубильных веществ (поражается ель, сосна и др. породы);
б) дубильные потёки — ржаво-бурые пятна неправильной формы; окраска не распространяется глубже 1 мм и является следствием вымывания из ядра дубильных веществ;
в) желтизна — лимонно-жёлтый цвет возникает вследствие химических изменений в содержимом живых клеток заболони при недостатке кислорода; в процессе сушки жёлтое вещество выносится на поверхность древесины.

Брёвна в срубе укладывать южной стороной внутрь помещений, северной — наружу.

2. Балки. Для изготовления балок используются сосновые брёвна, отвечающие требованиям, перечисленным в п. 6.2. Но при этом не допускаются косослойные и свилеватые стволы, а также заготовки, имеющие сквозные и выпадающие сучки.

3. Кровельный материал — сосна.
Учитывая физические свойства древесины, кровельный материал не должен быть очень плотным и, соответственно, менее подверженым короблению. Если в сруб идут брёвна из, так называемого «рудового» леса, мелкослойные, то кровельный тёс изготавливается из менее плотной древесины (ок. 7-9 колец на 1 см радиуса ствола. Этим требованиям, обычно, отвечают краевые доски, выпиленные из стволов с широкой заболонной частью (так называемая «пинда»), растущих в нестесненных условиях.

Центральная часть ствола — сердцевинная трубка состоит из рыхлой, мягкой древесины (её диаметр около 2-5 мм), способствующей растрескиванию доски в большей степени, чем окружающая её спелая древесина. Поэтому сердцевинные доски, при радиальном распиле, не допускается использовать на кровле. Так же стёсывается сердцевинная часть при изготовлении полукруглых пластин настила перекрытий. В остальном качество кровельного материала должно отвечать требования, изложенным в пп. 6.1. и 6.2. Доски не должны иметь биологических поражений: заражений штабельными и домовыми грибами, насекомыми — древоточцами.

Часто встречается, так называемая, «синева» — посинение или почернение пластей досок. Это говорит о заражении плесенями, которые не снижают механической прочности древесины, но при благоприятных условиях, могут служить субстратом для развития дереворазрушающих грибов. Такой материал не рекомендуется для применения в кровлях и перекрытиях.

Осина для лемехового скрытая глав поставляется на объект после предварительной раскряжёвки на чурки длиной около 25 см. Древесина заготовок должна быть плотной, прямослойной, без сучков и биопоражений.

5. Расчет элементов деревянных конструкций

Центральное растяжение

N/Fнт < m0·Rр

• Коэффициент m0=0,8 учитывает концентрацию напряжений, которая возникает в местах ослаблений
• При определении Fнт ослабления, расположенные на участке длиной до 200 мм, следует принимать совмещенными в одном сечении

Центральное сжатие

а) на прочность N/Fнт < Rс

б) на устойчивость N/(φ·Fрас) < Rс

• Fрас - расчетная площадь поперечного сечения, принимается равной:

случай 1) если ослабления не выходят на кромки и не превышают 25% Fбр, то Fрас = Fбр
случай 2) если ослабления не выходят на кромки, но превышают 25% Fбр, то Fрас = 3/4 Fбр
случай 3) при симметричных ослаблениях выходящих на кромки Fрас=Fнт

при несимметричных ослаблениях выходящих на кромки (кромку) сечение рассчитываться как сжато-изогнутое (см. ниже)

• φ для древесины:
при гибкости λ < 70 φ=1-0,8 · (λ / 100)²
при гибкости λ > 70 φ=3000 / λ²

• φ для фанеры:
при гибкости λ < 70 φ=1-(λ / 100)²
при гибкости λ > 70 φ=2500 / λ²

гибкость элементов цельного сечения определяется по формуле λ=μ0·l/r

μ0 - коэффициент перехода от свободной длины элемента к расчетной (ввиду пластических свойств древесины принимается отличным от значений принятых в классической строительной механике, см. табл)

расчетный случай	μ
загружение продольными силами по концам стержня
а) при обоих шарнирно-закрепленных концах
б) при одном шарнирно-закрепленном и другом защемленном конце	0,8
в) при обоих защемленных концах	0,65
г) при одном защемленном и другом свободно-нагруженном конце	2,2
загружение равномерно-распределенной по длине элемента нагрузке
д) при обоих шарнирно-закрепленных концах	0,73
е) при одном защемленном и другом свободном конце	1,2

l - свободная (конструктивная) длина элемента
r - радиус инерции сечения элемента брутто относительно соответствующих расчетному случаю осей
Гибкость элемента не должна превышать значений указанных в табл.

 

Элементы конструкций	Предельная гибкость λ
Сжатые пояса, опорные раскосы и опорные стойки ферм, колонны
Прочие сжатые элементы ферм и других сквозных конструкций
Сжатые элементы связей
Растянутые пояса ферм в вертикальной плоскости
Прочие растянутые элементы ферм и других сквозных конструкций
Для опор воздушных линий электропередачи
Основные элементы (стойки, приставки, опорные раскосы)
Прочие элементы
Связи