Материалы для изготовления деревянных конструкций и предъявляемые к ним требования

03.02.2017



Сортамент и сортировка по внешним признакам

Для изготовления деревянных несущих конструкций обычно применяют лесные материалы хвойных пород: сосну, ель, пихту, лиственницу и кедр. Наиболее часто используют сосну и ель. Материалы твердых лиственных пород (дуб, ясень, береза и др.) применяют преимущественно для изготовления нагелей, шпонок, подушек и других мелких ответственных деталей конструкций. При этом древесина березы и бука должна быть обязательно антисептирована. Древесину мягких пород (осина, ольха, тополь, липа и др.), а также малоценных твердых лиственных пород применяют преимущественно в конструкциях временных зданий и сооружений, опалубки, лесов, подмостей и т. п.
Дуб и лиственница хорошо сопротивляются гниению, поэтому их рекомендуется применять в сооружениях, наиболее подверженных загниванию, например в гидротехнических сооружениях, особенно в пределах переменного горизонта воды, в фундаментных стульях и т. п. Лиственница и пихта легко раскалываются, поэтому их не следует применять в гвоздевых конструкциях. При возведении ферм из пихты прокладки и накладки растянутых стыков делают иногда из сосновой древесины. При быстром высыхании древесина лиственницы образует много трещин. Это свойство может угрожать целости стыков и узлов на нагелях и шпонках, если гнезда для соединений были сделаны в полусухой и тем более сырой древесине.
Применяемые в строительстве лесные материалы делят на круглые и пиленые (в том числе изделия и заготовки строганые погонажные).
Круглые лесные материалы различают в зависимости от размера диаметра в тонком конце (в отрубе) на мелкие (8-13 см с градацией в 1 см), средние (14-24 см с градацией в 2 см) и крупные (26 см и более). В зависимости от качества средние и крупные материалы делят на 4 сорта; мелкие материалы бессортные.
Для обычных строительных целей применяют бревна 3-го сорта диаметром от 14 до 24 см и длиной от 4,0 до 6,5 м; а для свай, гидротехнических сооружений и элементов мостов — бревна также 3-го сорта, но диаметром от 22 до 34 см, длиной 6,5 и 8,5 м. В последнем случае допускаются только бревна из сосны, ели, лиственницы и пихты кавказской и европейской.
Естественные бревна, получаемые после очистки сваленных стволов от веток и коры, имеют слегка коническую форму с утолщением к комлевой части. Изменение толщины бревен называют сбежистостью. При расчетах прочности и жесткости деревянных элементов из бревен с сохранением их сбежистости учитывают условно изменение диаметра бревна на каждый метр его длины в размере 1 см.
Кроме указанных «конических» бревен в строительстве иногда применяют бревна, отесанные по форме цилиндра. Изготовление таких бревен связано с большой затратой рабочей силы и времени и с большой потерей деловой древесины. Поэтому от изготовления и применения цилиндрических бревен следует категорически отказаться, заменив их, где это возможно, коническими бревнами, лежнями и обзольными брусьями (рис. I—10,а, б).

К пиленым лесным материалам (ГОСТ 8486—66,2695—62,6564—63 и 9685—61) относят: двукантные брусья (лежни), получаемые из конических бревен снятием параллельными распилами двух сегментов, и брусья четырехкантные обзольные и чистообрезные, то есть опиленные или отесанные с четырех сторон, толщиной и шириной более 10 см (рис. 1—10, б, в); бруски опиленные с четырех сторон, толщиной не более 10 см и шириной не более двойной толщины (рис. I—10,ж); доски толщиной не более 10 см и шириной более двойной толщины (рис. I—10, д, е).
По характеру обработки различают пиломатериалы обрезные и необрезные. К последним относят такие, у которых кромки совсем не пропилены или пропилены менее чем на половину длины. Непропиленные кромки называют обзолами, а пиломатериалы с такими кромками — обзольными (рис. I—10, е).
Длина пиленых лесных материалов колеблется от 1 до 6,5 м с градацией через 0,25 м. Пиленые лесные материалы разделены на сорта в зависимости от встречающихся в них пороков: доски и бруски — на 6 сортов (отборный и 1—5), брусья — на 4 сорта (1—4). Пиломатериалы отборного сорта предназначены только для судостроения.
Рекомендуемый СНиП 1I-B.4-62 сортамент пиленых лесных материалов для несущих деревянных конструкций, увязанный с ГОСТ 8486—66, приведен в таблице 1—1.
Лесные материалы, прибывшие на постройку, следует рассортировать по внешним признакам техническим надзором постройки на три категории. Признаки, по которым производится рассортировка, приведены в СНиП II-B.4-62.
Наиболее качественные материалы (1-я категория) предназначают для изготовления растянутых и растянуто-изгибаемых элементов конструкций с напряжениями свыше 70% расчетного сопротивления древесины (затяжки, нижние пояса ферм и составных балок с перекрестной или с фанерной стенкой, нижиие брусья составных брусчатых балок, прокладки и накладки растянутых стыков и т. п.), а также изгибаемые элементы конструкций гидротехнических сооружений III класса.
Средние по качеству материалы (2-я категория) идут на изготовление сжатых и изгибаемых элементов, а также таких растянутых и растянуто-изгибаемых элементов, у которых напряжения не превышают 70% расчетного сопротивления древесины.
Материалы низшего качества (3-я категория) употребляют на изготовление настилов, обрешетки под кровлю и таких элементов конструкций и сооружений, повреждение или разрушение которых, не может вызвать нарушение целости несущих конструкций. Прогоны лесов и подмостей, ходовые доски и тому подобные изгибаемые элементы, разрушение которых может повлечь несчастные случаи, следует изготовлять из материалов 2-й категории.

При отборе лесных материалов для изготовления определенных элементов несущих конструкций необходимо дополнительно с шаблоном рассмотреть каждую штуку и для наиболее напряженных мест конструкции отобрать материал без сучков, местного косослоя и трещин. К местам, требующим дополнительной проверки, относятся места размещения средств соединения.
Влажность древесины для изготовления открытых, проветриваемых наземных деревянных конструкций по СНиП II-A. 10-62, § 5, п. 7 должна быть не выше 25%, а влажность пиленых лесных материалов для закрытых, трудно проветриваемых конструкций — не выше 20%. Влажность древесины для изготовления клееных конструкций, а также вкладышей, шпонок, нагелей и т. п. должна быть не выше 15%.
Для клееных конструкций, не защищенных в эксплуатации от увлажнения, допускается древесина с влажностью до 18%.
Для изготовления проветриваемых наземных конструкций (неклееных), в которых усушка древесины не вызывает расстройства соединений или значительного провисания и связанных с ними дополнительных напряжений, при условии проведения мероприятий по защите древесины от загнивания можно применять древесину с влажностью до 40% включительно.
Влажность древесины для конструкций (неклееных), длительно находящихся в увлажненном состоянии, не ограничена.
Механическая прочность строительной древесины. Объемный вес

Прочность древесины определяют в лабораториях на чистых (без сучков, трещин и других пороков) образцах малых размеров в соответствии с подробными указаниями ГОСТ 6336—52 «Методы физико-механических испытаний древесины».
Значения предела прочности строительной древесины сосны и ели с влажностью 15% при стандартных испытаниях (по ГОСТ 6336—52) малых образцов должны быть не менее на сжатие вдоль волокон 300 кг/см2 и на изгиб 500 кг/см2. Результаты испытаний в значительной мере зависят от формы образцов, их размеров и скорости загружения. С увеличением абсолютных размеров образцов предел прочности существенно снижается. С увеличением скорости загружения предел прочности возрастает (рис. I—11).

Длительное выдерживание образцов древесины под постоянной нагрузкой может привести к разрушению их при напряжениях, существенно меньших предела прочности, определенного для этой древесины стандартными машинными испытаниями (или, как говорят, кратковременными испытаниями). Наибольшее значение напряжений, при которых испытуемый образец не разрушается, как долго ни находилась бы на нем нагрузка, называют пределом долговременного сопротивления.
При напряжениях выше предела долговременного сопротивления рост деформаций не прекращается.
На рисунке I—12 приведена кривая долговременного сопротивления изгибу сосновой древесины. С увеличением влажности и температуры предел долговременного сопротивления древесины падает.

Механические свойства древесины из одного и того же бревна меняются как по длине его, так и по поперечному сечению. Сильно изменчивы свойства древесины, взятой из различных деревьев одной породы и из одного и того же леса. Еще более изменчивы эти свойства у древесины, произраставшей в разных географических районах страны. Так, при обследовании больших партий древесины волокон европейской части Союза предел прочности сжатию вдоль волокон колебался от 250 до 625 кг/см2, а сибирской сосны — от 162 до 500 кг/см2, ели — от 318 до 565 кг/см2.
Предел прочности древесины цельных строительных элементов значительно ниже того, который показывают малые чистые образцы в лабораторных испытаниях. Главной причиной этого являются такие неизбежные в строительной древесине пороки, как сучки, различного происхождения косослой, трещины, несовпадение физической оси стержня с геометрической и т. д. Влияние этих пороков на разно нагруженные элементы весьма различно. Например, сучки, косослой и трещины мало отражаются на работе элементов, сжатых вдоль волокон, но сильнее сказываются на работе изгибаемых элементов и особенно сильно снижают прочность растянутых элементов. Сучки в зоне сжимаемой или сминаемой поперек волокон древесины увеличивают ее прочность. Трещины вдоль плоскости скалывания или в непосредственной близости от нее могут свести к нулю сопротивление образца скалыванию.
Поэтому коэффициенты однородности древесины имеют разные значения для разных видов напряженного состояния, например при сжатии 0,65, при изгибе 0,4, а при растяжении всего 0,27.
Между объемным весом древесины в воздушносухом состоянии и прочностью ее на сжатие, растяжение и изгиб при статическом действии нагрузки существует прямая связь. Чем выше объемный вес древесины, тем выше бывают и указанные механические свойства.
Объемный вес древесины в сильной мере зависит от ее влажности.
Средние значения объемного веса древесины в кг/м3, принимаемые при расчете конструкций, следующие: сосна, ель, пихта и кедр 500 (600); лиственница 650 (800); дуб, акация, береза, бук, вяз, граб, ильм, клен, ясень 700 (800); осина, тополь, ольха, липа 500 (600).
Цифры без скобок — это расчетный вес древесины, находящейся в конструкциях, защищенных от увлажнения, а в скобках — в конструкциях, не защищенных от увлажнения. Объемный вес свежесрубленной древесины хвойных и мягких лиственных пород 850 кг/м3, а твердых лиственных пород 1000 кг/м3.
Кроме естественной древесины, в деревянных конструкциях применяют фанеру повышенной и средней водостойкости в листах длиной от 1220 мм до 2440 мм, шириной от 725 до 1525 мм и толщиной от 1,5 до 19 мм; фанеру бакелизированную в листах длиной от 1500 до 7700 мм, шириной 1200 и 1500 мм и толщиной от 5 до 18 мм; фанерные плиты толщиной от 8 до 45 мм, с пределом прочности на изгиб от 700 до 1300 кг/см2; арктилит, древеснослоистые пластики для вкладышей, а также различные древесноволокнистые (ПДВ) и древесностружечные (ПДС) плиты.
Расчетные сопротивления

Расчетные сопротивления R древесины сосны и ели, удовлетворяющей по порокам требованиям, указанным в СНиП II-B.4-62, принимаемые для расчета защищенных от увлажнения и перегрева деревянных конструкций на одновременное воздействие постоянных и временных нагрузок, приведены в таблице I—2.
Расчетное сопротивление изгибу бревен, имеющих врезки в расчетном сечении, принимают как для элементов прямоугольного сечения, в которое вписано ослабленное сечение бревна. О расчете на изгиб клееных элементов с высотой более 50 см будет сказано ниже.
Расчетное сопротивление древесины смятию под углом ? к направлению волокон определяют по графику на рисунке I—13 или по формуле I—1 (обозначения см. табл. I—2);

По аналогичной формуле можно определить и расчетное сопротивление Rск? древесины скалыванию под углом ? к направлению волокон, заменив Rcм И Rсм90 на Rск и Rс90.
Расчетное среднее сопротивление скалыванию древесины:
- сосны и ели в лобовых врубках и в элементах составных балок и стоек на шпонках (колодках), при учете длины скалывания не более двух толщин брутто элемента и не более десяти глубин врезки принимают Rск ср = 12 кг/см2;
- дуба в продольных шпонках с отношением их длины к высоте не более 2,5—R = 20 кг/см2;
- дуба в поперечных шпонках — Rск ср = 10 кг/см2.

Расчетные сопротивления древесины других пород или работающей при иных условиях определяют умножением соответствующих величин, приведенных в таблице I—2, на указанные ниже поправочные коэффициенты: а) для древесины других пород на коэффициенты таблицы I—3; б) для древесины конструкций, находящихся в условиях повышенной влажности или повышенной температуры или проверяемых на воздействие только постоянной нагрузки, на коэффициенты таблицы I—4; в) для древесины конструкций, рассчитываемых с учетом ветровой, монтажной или сейсмической нагрузок, на коэффициенты таблицы I—5; г) для древесины гидротехнических сооружений на коэффициенты таблицы I—6.

Элементы и соединения рассчитывают на воздействие только постоянной нагрузки при сниженных (умножением на коэффициент 0,8) значениях расчетных сопротивлений древесины (и расчетной несущей способности соединений), согласно таблице I—4 в тех случаях, когда усилия в них, возникающие от постоянно действующей нагрузки, превышают 0,8 усилия от расчетной полной нагрузки.

К постоянно действующим нагрузкам следует относить, помимо собственного веса сооружения, также и нагрузки, действующие на конструкцию в течение большей части срока ее службы, как, например, полезные нагрузки складских и библиотечных помещений, давление воды в резервуарах и водохранилищах, давление сыпучих тел на стены закромов и т. п.

Расчетную снеговую и ветровую нагрузки следует относить к временно действующим.
Повышение расчетных сопротивлений древесины при расчете конструкций на воздействие ветровой, монтажной и сейсмической нагрузок (обоснованное кратковременностью воздействия этих нагрузок) производят независимо от введения коэффициента для учета дополнительных или особых сочетаний нагрузок.
Модуль упругости древесины E вдоль волокон независимо от ее породы при определении деформаций конструкций, защищенных от увлажнения и перегрева и находящихся под воздействием постоянных и временных нагрузок, принимают E=100000 кг/см2. При определении деформаций конструкций, находящихся в условиях повышенной влажности, повышенной температуры или проверяемых на воздействие только постоянной нагрузки, указанную выше величину E умножают на коэффициенты таблицы I—4.
Для изготовления стальных несущих элементов деревянных конструкций обычно применяют сталь марки ВСт.3 кипящую или полуспокойную. Рассчитывают их в соответствии с указаниями СНиП II-B.3-62 с учетом двух приведенных ниже добавлений. Расчетные сопротивления стали тяжей и растянутых болтов в местах нарезки уменьшают на 20%. Кроме того, расчетные сопротивления стали двойных или тройных тяжей и растянутых болтов, учитывая возможную неравномерность их натяжения, уменьшают на 15%.