«Конструкции из дерева и пластмасс» Лекция 1 1. Введение ЛЕКЦИЯ 1 1. Введение 1.1. Значение дисциплины Дисциплина «Конструкции из дерева и пластмасс» (КДиП) является одной из профилирующих по специальности. Целью изучения дисциплины является подготовка специалистов, уровень знаний которых соответствует квалификации инженер-строитель по специальности 270102 «Промышленное и гражданское строительство». ЛЕКЦИЯ 1 1. Введение 1.1. Значение дисциплины 1.2. Исторический обзор, современное состояние и перспективы развития ДК 1.3. Анатомическое строение древесины 1.4. Строительные материалы из древесины Задачей изучения дисциплины является обучение студентов: - инженерному проектированию зданий и сооружений на основе строительных конструкций из древесины и пластмасс; - обеспечению долговечности КДиП на стадии проектирования и в процессе эксплуатации; - основам реконструкции и ремонта объектов с применением КДиП; - основам технологии изготовления, монтажа и определения экономической эффективности КДиП. Страница 1 из 68 СГУПС кафедра «Строительные конструкции и здания» «Конструкции из дерева и пластмасс» Лекция 1 1. Введение Изучение дисциплины «Конструкции из дерева и пластмасс» должно обеспечить специалиста знаниями и умениями для решения профессиональных задач: - выполнения технических разработок и научных исследований с использованием новейших технологий в области КДиП; - проведения инженерных изысканий и обследований, необходимых для проектных работ по строительству, реконструкции и ремонту инженерных сооружений из КДиП; - участия во внедрении технических разработок и научных исследований при изготовлении, возведении, монтаже КДиП; - осуществления авторского надзора при изготовлении, возведении, монтаже и сдаче в эксплуатацию запроектированных объектов и сооружений из древесины и пластмасс; - обобщения опыта внедрения разработанных технических решений и научных исследований; - разработки мероприятий по повышению эффективности производства, снижению материало- и энергоемкости, повышению производительности труда при изготовлении КДиП. Страница 2 из 68 СГУПС кафедра «Строительные конструкции и здания» «Конструкции из дерева и пластмасс» Лекция 1 1. Введение 1.2. Исторический обзор, современное состояние и перспективы развития ДК Дерево – один из первых строительных материалов, примененных человеком для постройки жилищ, мостов и других сооружений. Главные преимущества древесины: малый вес, легкость обработки, высокая механическая прочность и при этом малая теплопроводность, малая звукопроводность и, наконец, эстетичность. В доисторическую эпоху древесина обрабатывалась с помощью каменного топора. Сооружения, возведенные с помощью каменного топора, получили название «Свайных построек». Рис.1.1 – Зимний дом в Ирландии Размеры такого дома не превышали 12х12 м, жили в нем обычно до 16 семей. 1 – бревна, составляющие каркас дома; 2 – плетень; 3 – солома; 4 – нары; 5 - очаг Страница 3 из 68 СГУПС кафедра «Строительные конструкции и здания» «Конструкции из дерева и пластмасс» Лекция 1 1. Введение В последующие века дерево продолжали применять для постройки жилищ, оборонительных и других сооружений, состоящих из простейших элементов в виде балок, стоек и частокола из заостренных бревен. Рис.1.2 – Сибирский острог XYIII век Страница 4 из 68 СГУПС кафедра «Строительные конструкции и здания» «Конструкции из дерева и пластмасс» Лекция 1 1. Введение С появлением специалистов – плотников, «городников» и «мостовиков», как их называли в то время, строительство все более совершенствовалось как в отношении конструкций, так и в отношении повышения темпов постройки. Выдающимся для своего времени примером служит город-крепость Свияжск, под Казанью. Город «рубили» зимой 1551 года в Угличском уезде, за 1000 км от Казани. После пробной сборки части сооружения отправили сплавом по Волге к устью реки Свияги. Здесь, в течение месяца, на высокой горе постройка была собрана. Руководил работами зодчий «горододелец» Иван Выродков. Такое же скоростное сборное строительство из дерева проводилось и при Петре I. Главным орудием был топор, которым бревна обрабатывали, раскалывали клиньями на доски и бруски, тесали, делали пазы и гнезда, рубили срубы. Топором рубили избы, хоромы, храмы. Остатки рубленых крепостных сооружений сохранились до нашего времени. Рис.1.3 – Главная башня Николо-Карельского монастыря (под Архангельском) XYIII век Страница 5 из 68 СГУПС кафедра «Строительные конструкции и здания» «Конструкции из дерева и пластмасс» Лекция 1 1. Введение Рис.1.4 – Основные формы бревенчатых несущих конструкций из горизонтально расположенных бревен в виде сруба для стен: а – прямоугольный сруб; б – квадратный сруб (четверик); в – многоугольный сруб (восьмерик) для покрытий: г – двускатный сруб, д – четырехскатный сруб (палатка или епанча); шатровые пирамидальные четырехгранные срубы: е – низкий (колпак), ж – высокий (шатер), з – многогранный шатер; и – килевидный сруб (бочка); к – кубоватое четырехгранное покрытие (куб); кубоватое многогранное покрытие Рис.1.5 – Типы рубки стен 1 – в обло; 2 – в угол; 3 – в крюк; 4 – в охряпку; 5 – в лапу; 6 – в охлоп; 7 – в погон; 8 – в иглу Рис.1.6 – Конструкция карнизного узла. Соединение стропильных ног, затяжки, крючьев, поддерживающих деревянные желоба и сами желоба в старых избах Архангельской области. Страница 6 из 68 СГУПС кафедра «Строительные конструкции и здания» «Конструкции из дерева и пластмасс» Лекция 1 1. Введение Рис.1.7 – Топор. Поверхность топора должна быть хорошо отшлифована. Лезвие имеет с двух сторон фаски, образующие угол заострения 30 градусов. Топорище изготавливают из березы, клена, вяза, ясеня или бука. Длина топорища 490 мм. Рис.1.8 – Приемы тески топором отеска (грубая теска) – перед началом тески каждого канта на поверхности бревна через 30…40 см делают надрубы (защепы), а затем срубают между ними древесину по ранее произведенной разметке, оставляя небольшой припуск на окончательную обработку; подтеска (чистая теска) – при втором заходе легкими ударами топора стесывают неровности канта до получения чистой поверхности. Во избежание образования задиров теску древесины надо производить от верхней части ствола к комлю. Страница 7 из 68 СГУПС кафедра «Строительные конструкции и здания» «Конструкции из дерева и пластмасс» Лекция 1 1. Введение Пилы начали применять, на наиболее крупных постройках, в XYI-XYII веках. В начале XYIII века начали появляться здания каркасной конструкции с засыпкой между обшивками торфом. К тому же периоду относится строительство ряда промышленных зданий и гигантских по своим масштабам для того времени гидротехнических сооружений. Интересным примером инженерного искусства XYIII века являются гидротехнические сооружения Вышневолоцкой системы и деревянные шлюзы Ладожского канала (1731 г). Рис.1.9 – Схема подземной гидросиловой установки К.Д.Фролова на Змеиногорском руднике 1 – плотина; 2 – пильная мельница; 3 – рудоподъемник Екатерининской шахты; 4 – водоподъемник Екатерининской шахты; 5 – водоподъемник и рудоподъемник Вознесенской шахты; 6 – насосы Екаитерининской шахты Страница 8 из 68 СГУПС кафедра «Строительные конструкции и здания» «Конструкции из дерева и пластмасс» Лекция 1 1. Введение Широко использовались деревянные конструкции для устройства подмостей, подъемных устройств, лесов. Рис.1.10 – Деревянная конструкция портального крана для подъема Александровской колонны в Петербурге Страница 9 из 68 СГУПС кафедра «Строительные конструкции и здания» «Конструкции из дерева и пластмасс» Лекция 1 1. Введение Рис.1.11 – Леса для постройки железобетонного купола зрительного зала оперного театра в Новосибирске. L=60 м Страница 10 из 68 СГУПС кафедра «Строительные конструкции и здания» «Конструкции из дерева и пластмасс» Лекция 1 1. Введение Особого внимания заслуживают строительные технологии Китая. В сунский период (960-1279 гг.) было издано несколько специальных документов, регламентирующих производство строительных работ. Китайские мастера этого периода достигли больших успехов в обработке древесины, сопряжении отдельных деталей и конструктивных элементов. Сложный по устройству национальный тип карниза Тоу-гун собирался из многих деталей. Тоу-гун соединяет в единое целое колонны и стропила и является неотъемлемой архитектурной деталью здания. Рис.1.12 – Сборная конструкция карниза (Тоу-гун) Рис.1.13 – Типовое покрытие здания, характерное для сунского периода Рис.1.14 – Конструктивные схемы типовых зданий, характерных для сунского периода Страница 11 из 68 СГУПС кафедра «Строительные конструкции и здания» «Конструкции из дерева и пластмасс» Лекция 1 1. Введение Рис.1.15 – Виды врубок, применявшихся в Китае для соединения конструктивных элементов Рис.1.16 – Таиланд. Chiang Mai Страница 12 из 68 СГУПС кафедра «Строительные конструкции и здания» «Конструкции из дерева и пластмасс» Лекция 1 1. Введение Большой вклад в развитие инженерных деревянных конструкций России внес Иван Петрович Кулибин. Одна из его работ – проект моста через Неву пролетом 298 м. Модель в 1/10 натуральной величины была построена в 1776 году. Рис.1.17 – И.П.Кулибин. Проект моста через Неву. L=298 м. Страница 13 из 68 СГУПС кафедра «Строительные конструкции и здания» «Конструкции из дерева и пластмасс» Лекция 1 1. Введение В дореволюционной России многие несущие деревянные конструкции, в том числе и мосты, строились преимущественно из бревен и брусьев в виде балочных, подкосных и шпренгельных систем. Примером мастерства русских плотников конца XYIII и начала XIX веков служат сохранившиеся до нашего времени покрытия манежей. Рис.1.18 – Манеж. Москва 1817 год. L= 48 м Страница 14 из 68 СГУПС кафедра «Строительные конструкции и здания» «Конструкции из дерева и пластмасс» Лекция 1 1. Введение Пространственная деревянная конструкция, выполненная из брусьев – шпиль здания Адмиралтейства в Санкт-Петербурге высотой 72 м, сооруженная по проекту И.К.Коробова в 30-х годах XYIII века, просуществовала также до наших дней. Рис.1.19 – Адмиралтейство. 1736 г. H=72 м Страница 15 из 68 СГУПС кафедра «Строительные конструкции и здания» «Конструкции из дерева и пластмасс» Лекция 1 1. Введение Дальнейшее развитие деревянных конструкций связано с именем Дмитрия Ивановича Журавского (1821-1891) русского ученого и инженера-путейца. Журавский разработал теорию расчета деревянных мостовых ферм с металлическими затяжками, установил, как распределяются усилия между шпонками в составных балках, вывел формулу расчета изгибаемых брусьев на скалывание (касательные напряжения τ при поперечном изгибе). Рис.1.20 – Ферма Гау-Журавского с перекрестной решеткой Рис.1.21 – Балка с соединением на призматических шпонках. Схема распределения усилий в шпонках. Страница 16 из 68 СГУПС кафедра «Строительные конструкции и здания» «Конструкции из дерева и пластмасс» Лекция 1 1. Введение Развитие пространственных систем деревянных конструкций связано с Владимиром Григорьевичем Шуховым (1853-1939). Рис.1.22 – Схема деревянного дощатого свода системы Шухова 1 – стальная затяжка; 2 – стальные тяжи; 3 – верхний косой слой досок; 4 – средний косой слой досок; 5 – нижний косой слой досок Рис.1.23 – Сетчатая башня-градирня Шухова Страница 17 из 68 СГУПС кафедра «Строительные конструкции и здания» «Конструкции из дерева и пластмасс» Лекция 1 1. Введение Накануне первой мировой войны русский инженер В.А.Защук спроектировал и построил самые большие для того времени деревянные эллинги пролетом 40 и длиной 123 м. Рис.1.24 – Схема деревянной конструкции эллинга системы В.А.Защука В первой половине ХХ века получили широкое распространение дощато-гвоздевые конструкции – двутавровые балки с двойной перекрестной стенкой, сегментные фермы и рамы. Рис.1.25 –Балка двутаврового сечения с перекрестной стенкой на гвоздях и поясами из досок Страница 18 из 68 СГУПС кафедра «Строительные конструкции и здания» «Конструкции из дерева и пластмасс» Лекция 1 1. Введение Большой размах строительства требовал перехода к индустриальным методам изготовления деревянных конструкций. Стали широко применять составные балки В.С.Деревягина, сетчатые своды С.В.Песельника, металлодеревянные брусчатые фермы, каркасные и щитовые конструкции нового типа. Рис.1.26 – Балка Деревягина с соединением на пластинчатых нагелях Рис.1.27 – Крестовый сетчатый свод Страница 19 из 68 СГУПС кафедра «Строительные конструкции и здания» «Конструкции из дерева и пластмасс» Лекция 1 1. Введение Рис.1.28 – Металло-деревянные четырехпанельные фермы с брусчатым верхним поясом Одним из эффективных направлений в индустриализации строительства явилось применение деревянных клееных конструкций, позволяющих существенно увеличить пролеты и сечения деревянных конструкций, долговечность сооружений (особенно эксплуатируемых в агрессивных средах). В настоящее время разработана широкая номенклатура клееных конструкций. В их числе: арочные большепролетные конструкции, гнутоклееные рамы, балки и стрельчатые арки пролетом , трехшарнирные арки пролетом, панели стен и плиты покрытий пролетами 3 и 6 м и др. Страница 20 из 68 СГУПС кафедра «Строительные конструкции и здания» «Конструкции из дерева и пластмасс» Лекция 1 1. Введение Области применения клееных деревянных конструкций практически неограниченны. Это – спортивные сооружения, общественные здания, сельскохозяйственные и промышленные объекты, помещения с агрессивными средами, аквапарки и бассейны, мансардное строительство, мостостроение, малые архитектурные формы, малоэтажное домостроение. Рис.1.29 – Покрытие общественного центра «Липки» (Подмосковье) диаметром 100 м (монтаж). Рис.1.30 – Рынок в Волоколамске. Диаметр 30 м. 1980 г. Страница 21 из 68 СГУПС кафедра «Строительные конструкции и здания» «Конструкции из дерева и пластмасс» Лекция 1 1. Введение Рис.1.31 – Бассейн Чайка в Москве. 1980 г. Страница 22 из 68 СГУПС кафедра «Строительные конструкции и здания» «Конструкции из дерева и пластмасс» Лекция 1 1. Введение Рис.1.32 – Покрытие колхозного рынка L=60 м (Гомель) Рис.1.33 – Клееные конструкции покрытия легкоатлетического манежа в Минске L=50 м (монтаж) Страница 23 из 68 СГУПС кафедра «Строительные конструкции и здания» «Конструкции из дерева и пластмасс» Лекция 1 1. Введение Рис.1.34 – Аквапарк во Франкфурте на Майне. ХХ век Рис.1.35 – Бассейн во Фрайбурге. ХХ век Страница 24 из 68 СГУПС кафедра «Строительные конструкции и здания» «Конструкции из дерева и пластмасс» Лекция 1 1. Введение Рис.1.36 – Оболочка покрытия бассейна с солеными водами (коноидальные и седловидные поверхности). Площадь покрытия=2500 м2 (ФРГ) ХХ век Рис.1.37 – Покрытие бассейна Страница 25 из 68 СГУПС кафедра «Строительные конструкции и здания» «Конструкции из дерева и пластмасс» Лекция 1 1. Введение Рис.1.38 – Покрытия Аквапарков. Россия XXi век Страница 26 из 68 СГУПС кафедра «Строительные конструкции и здания» «Конструкции из дерева и пластмасс» Лекция 1 1. Введение Рис.1.39 – Теннисный корт в Барвихе (Подмосковье). Россия ХХ век Страница 27 из 68 СГУПС кафедра «Строительные конструкции и здания» «Конструкции из дерева и пластмасс» Лекция 1 1. Введение Рис.1.40 – Спортивные сооружения. Западная Европа ХХ век. Страница 28 из 68 СГУПС кафедра «Строительные конструкции и здания» «Конструкции из дерева и пластмасс» Лекция 1 1. Введение Рис.1.41 – Ледовый дворец в Зонтхофене (Германия). ХХ век Страница 29 из 68 СГУПС кафедра «Строительные конструкции и здания» «Конструкции из дерева и пластмасс» Лекция 1 1. Введение Рис.1.42 – Германия. Концертный зал. ХХ век Страница 30 из 68 СГУПС кафедра «Строительные конструкции и здания» «Конструкции из дерева и пластмасс» Лекция 1 1. Введение Рис.1.43 – Германия. Церковь. ХХ век Страница 31 из 68 СГУПС кафедра «Строительные конструкции и здания» «Конструкции из дерева и пластмасс» Лекция 1 1. Введение Рис.1.44 – Общественное здание. Россия XXI век Страница 32 из 68 СГУПС кафедра «Строительные конструкции и здания» «Конструкции из дерева и пластмасс» Лекция 1 1. Введение Рис.1.45 – Общественное здание. Россия XXI век Страница 33 из 68 СГУПС кафедра «Строительные конструкции и здания» «Конструкции из дерева и пластмасс» Лекция 1 1. Введение Рис.1.46 – Ресторан в Марне ля Валле. ХХ век Рис.1.47 – Кафетерий в Зиндельфингене. ХХ век Страница 34 из 68 СГУПС кафедра «Строительные конструкции и здания» «Конструкции из дерева и пластмасс» Лекция 1 1. Введение Рис.1.48 – Интерьеры жилых домов. Западная Европа. ХХ век Страница 35 из 68 СГУПС кафедра «Строительные конструкции и здания» «Конструкции из дерева и пластмасс» Лекция 1 1. Введение Рис.1.49 – Торговый дом на ул. Сходненская в Москве. 1998 г Рис.1.50 – Салон по продаже автомобилей "Mitsubishi" в г. Луанда (Ангола). Пролет 24 м. 1996 г Страница 36 из 68 СГУПС кафедра «Строительные конструкции и здания» «Конструкции из дерева и пластмасс» Лекция 1 1. Введение Рис.1.51 – Производственные здания. Россия ХХ век Страница 37 из 68 СГУПС кафедра «Строительные конструкции и здания» «Конструкции из дерева и пластмасс» Лекция 1 1. Введение Рис.1.52 – Склад противогололедных реагентов в Москве на ул. Суздальской. Фасад. Пролет 60 м, высота 21 м, длина 60 м. 1999 г Страница 38 из 68 СГУПС кафедра «Строительные конструкции и здания» «Конструкции из дерева и пластмасс» Лекция 1 1. Введение Рис.1.53 – Производственное здание. Россия XXI век Страница 39 из 68 СГУПС кафедра «Строительные конструкции и здания» «Конструкции из дерева и пластмасс» Лекция 1 1. Введение Рис.1.54 – Оболочки. США ХХ век Страница 40 из 68 СГУПС кафедра «Строительные конструкции и здания» «Конструкции из дерева и пластмасс» Лекция 1 1. Введение Рис.1.55 – Малоэтажное строительство. Россия Страница 41 из 68 СГУПС кафедра «Строительные конструкции и здания» «Конструкции из дерева и пластмасс» Лекция 1 1. Введение Рис.1.56 – Малоэтажное строительство. Россия Страница 42 из 68 СГУПС кафедра «Строительные конструкции и здания» «Конструкции из дерева и пластмасс» Лекция 1 1. Введение Рис.1.57 – Каркасное домостроение. Россия Страница 43 из 68 СГУПС кафедра «Строительные конструкции и здания» «Конструкции из дерева и пластмасс» Лекция 1 1. Введение Рис.1.58 – Конюшня. Россия XXI век Рис.1.59 – Манеж. Россия XXI век Страница 44 из 68 СГУПС кафедра «Строительные конструкции и здания» «Конструкции из дерева и пластмасс» Лекция 1 1. Введение Рис.1.60 – Эллинг. Россия XXI век Страница 45 из 68 СГУПС кафедра «Строительные конструкции и здания» «Конструкции из дерева и пластмасс» Лекция 1 1. Введение Рис.1.61 – Купольные покрытия. Россия XXI век Страница 46 из 68 СГУПС кафедра «Строительные конструкции и здания» «Конструкции из дерева и пластмасс» Лекция 1 1. Введение Рис.1.62 – Мостостроение. Россия XXI век Страница 47 из 68 СГУПС кафедра «Строительные конструкции и здания» «Конструкции из дерева и пластмасс» Лекция 1 1. Введение Рис.1.63 – Атриумы. Россия XXI век Страница 48 из 68 СГУПС кафедра «Строительные конструкции и здания» «Конструкции из дерева и пластмасс» Лекция 1 1. Введение 1.3. Анатомическое строение древесины Существует взаимосвязь анатомического строения древесины с её физико-химическими, физическими и механическими свойствами. Принято изучать три основных разреза ствола: Рис.1.64 – Основные разрезы ствола: 1 – торцовый; 2 – радиальный; 3 – тангенциальный На торцовом (поперечном) разрезе ствола хорошо видна макроструктура древесины: кора собственно древесина сердцевина Страница 49 из 68 СГУПС кафедра «Строительные конструкции и здания» «Конструкции из дерева и пластмасс» Лекция 1 1. Введение Кора составляет от 6 до 25% объема ствола, состоит из: 1 – корка (внешний слой темного цвета); 2 – луб (внутренний слой коры); 3 – камбий, тончайший слой из живых клеток, способных к росту и делению на большую часть, откладываемую в сторону древесины, и меньшую — в сторону от центра. Рис.1.65 – Макроструктура древесины на поперечном разрезе ствола. Собственно древесина состоит из концентрически расположенных годичных слоев с включением в каждый из них весенней и более плотной летней древесины. В древесине различают: 4 – заболонь (светлое периферическое кольцо); 5 – ядро (более темная центральная часть). Примерно в центре ствола, вдоль его оси, размещается сердцевина: 6 – сердцевина, рыхлая первичная малопрочная ткань. У некоторых древесных пород (дуб, бук, клен и др.) на торцовом сечении можно видеть узкие радиально расположенные полоски: 7 – сердцевинные лучи. В некоторых породах может отсутствовать ядровая часть, (береза, липа, клен, граб и др.) и тогда породы именуются заболонными. В других породах заболонь имеет цвет центральной части ствола, причем центральная часть остается более сухой. такие породы называются спелодревесными (ель, пихта, осина, бук). Страница 50 из 68 СГУПС кафедра «Строительные конструкции и здания» «Конструкции из дерева и пластмасс» Лекция 1 1. Введение Микроструктура древесины Древесина состоит из клеток, которые можно разделить на два типа: прозенхимные и паренхимные. Прозенхимные (уже отмершие) имеют длину во много раз большую, чем их ширина; они придают древесине волокнистое строение. Паренхимные клетки (живые) – короткие, имеют примерно одинаковую длину и ширину. Клетки в древесине имеют различное функциональное назначение: – проводящие клетки, – опорные или механические, – запасающие, – образовательные (расположены в камбиальном слое), – ассимиляционные (находятся в листве и хвое и благоприятствуют образованию питательных веществ), – покровные (в корке дерева). Страница 51 из 68 СГУПС кафедра «Строительные конструкции и здания» «Конструкции из дерева и пластмасс» Лекция 1 1. Введение Древесина хвойных пород имеет относительно простое строение. Она состоит из клеток практически одного типа – трахеид (до 95%), длиной от 1,5 до 5 мм со стенками разной толщины и с полостями различных размеров. Рис.1.66 – Трахеиды ранней (а) и поздней (б) древесины Трахеиды весенней(ранней) древесины имеют широкие полости и тонкие стенки (2 микрона), а осенней(поздней) – более узкие полости и толстые стенки (3,5…7,5 микрон). Рис.1.67 – Микроструктура древесины хвойных пород: тр. – трахеиды; о.п. – окаймленные поры; в.с.х. – вертикальный смоляной ход; с.л. – сердцевинный луч; г.с. – годичный слой; р.д. – ранняя (весенняя) древесина; п.д. – поздняя (летняя) древесина Страница 52 из 68 СГУПС кафедра «Строительные конструкции и здания» «Конструкции из дерева и пластмасс» Лекция 1 1. Введение Лиственные породы имеют более сложное анатомическое строение. Проводящими (водопроводящими) клетками служат сосуды – длинные трубки шириной 0,02…0,5 мм. В весенней древесине они более широкие и их можно иногда заметить невооруженным глазом. Стенки сосудов характерны утолщением кольчатой, спиральной или сетчатой формы, что придает стенкам повышенную прочность. а) б) Рис.1.68 – Микроструктура древесины: а – дуба; б – березы. 1,4,7,8,10 – сердцевинные лучи; 2 – либриформ (механическая ткань); 3,5,9 – сосуды; 6 – годичный слой. Страница 53 из 68 СГУПС кафедра «Строительные конструкции и здания» «Конструкции из дерева и пластмасс» Лекция 1 1. Введение Трубчатые клетки располагаются главным образом вдоль ствола, что и определяет анизотропные свойства древесины. Рост дерева происходит в результате деления живых клеток камбия, окружающего древесную массу. Превращение древесины в ядровую начинается не ранее чем через 20 лет. Тогда внутренняя часть ствола освобождается от подачи влаги (имеется достаточно широкая заболонь). В отмерших клетках сердцевины отлагаются красители, смолы, жиры и каучукообразующие вещества. Процесс роста древесины неравномерный, что легко устанавливается по плотности и ширине годичных слоев (годичных колец). Поздняя древесина (осенняя) — плотнее и темнее ранней (весенней), а ширина слоев зависит от породы древесины. При необходимости по этим признакам можно определить процент содержания поздней древесины – чем он выше, тем прочнее древесина как строительный материал. Страница 54 из 68 СГУПС кафедра «Строительные конструкции и здания» «Конструкции из дерева и пластмасс» Лекция 1 1. Введение 1.4. Строительные материалы из древесины Основная часть лесов России, около 3/4, расположена в районах Сибири, Дальнего Востока, в северных областях европейской части страны. Преобладающими породами являются хвойные: примерно 37 % лесов занимает лиственница, 19 % – сосна, 20 % – ель и пихта, 8 % – кедр. Лиственные породы занимают около 1/4 площади наших лесов. Наиболее распространенной породой является береза, занимающая около 1/6 общей площади лесов. Заготовленный лес в виде отрезков стволов стандартной длины доставляется на деревообрабатывающие предприятия. Там из него изготавливают пилёные материалы, фанеру, древесные плиты, конструкции и строительные детали. При лесозаготовке и обработке древесины образуется большое количество отходов, эффективное использование которых имеет большое народно-хозяйственное значение. Изготовление из отходов древесины изоляционных древесноволокнистых и древесностружечных плит, арболита, широко применяемых в строительстве, позволяет экономить большое количество деловой древесины. Хвойную древесину используют для изготовления основных элементов деревянных конструкций и строительных деталей. Прямые высокие стволы хвойных деревьев с небольшим количеством сучков позволяют получать прямолинейные пиломатериалы с ограниченным количеством пороков. Кроме того, хвойная древесина содержит смолы, благодаря чему она лучше сопротивляется увлажнению и загниванию. Страница 55 из 68 СГУПС кафедра «Строительные конструкции и здания» «Конструкции из дерева и пластмасс» Лекция 1 1. Введение Лиственная древесина большинства пород является менее прямолинейной, имеет больше сучков и более подвержена загниванию, чем хвойная. Она почти не применяется для изготовления основных элементов деревянных строительных конструкций. Дубовая древесина выделяется среди лиственных пород повышенной прочностью и стойкостью к загниванию. Однако, ввиду дефицитности и высокой стоимости она используется только для небольших соединительных деталей. Березовая древесина так же относится к твердым лиственным породам. Ее используют, главным образом, для изготовления строительной фанеры и клиньев. Нуждается в защите от загнивания. 2.3.1. Материалы из цельной древесины Лесоматериалы из цельной древесины делят на круглые и пиленые. Цельные стволы дерева без коры называют кряжами. Части древесных стволов с гладко опиленными торцами, очищенные от сучьев – бревна. Они имеют стандартные длины от 4,5 до 6,5 м с градацией 0,5 м. Бревна имеют естественную коническую форму. Уменьшение диаметра по длине бревна называется сбегом (в среднем 1 см на 1 м длины). Толщина бревна определяется диаметром его тонкого конца. Поставляют бревна диаметром 14…26 см с градацией 2 см. Рис.1.52 – Круглые лесоматериалы: бревно (а), пластина (б), к определению сбега (в) Страница 56 из 68 СГУПС кафедра «Строительные конструкции и здания» «Конструкции из дерева и пластмасс» Лекция 1 1. Введение Пиленые лесоматериалы (пиломатериалы) получают в результате продольной распиловки бревен на лесопильных рамах, ленточнопильных или круглопильных станках. Рис.1.53 – Схемы распиловки 1 – бревно, 2 – пластина, 3 – четвертина, 4 – горбыли, 5 – необрезные доски, 6 – обрезные доски, 7 – полуобрезные доски, 8 – лежень, 9 – четырехкантный брус По характеру обработки различают пиленые материалы обрезные – с поверхностями, опиленными по всей длине; обзольные – с частью поверхности неопиленной из-за сбега бревна; необрезные – если не опилены две поверхности при однократной распиловке бревен. Рис.1.54 – Пиленые строительные материалы а - двухкантный брус, б - трехкантный брус, в – брус, г - необрезная доска, д обрезная доска, е,ж - обрезная доска с обзолом, з – брусок, и,к – горбыль, л,м – лафет 1 – пласть доски, 2 – кромка, 3 - торец Страница 57 из 68 СГУПС кафедра «Строительные конструкции и здания» «Конструкции из дерева и пластмасс» Лекция 1 1. Введение Пиломатериалы имеют стандартную длину от 1 до 6,5 м с градацией 0,25 м. Их разделяют на доски, брусья и бруски соответственно размерам поперечного сечения Рис.1.55 – Пиленые строительные материалы а - двухкантный брус; б - обзольный четырехкантный брус; в - чистообрезной брус; г – брусок; д - тонкая доска; е - толстая доска Качество лесоматериалов определяется, в основном, степенью однородности строения древесины, от которой зависит её прочность. Степень однородности древесины определяется размерами и количеством участков, где однородность строения нарушена и прочность снижена. Такие участки называют пороками. Недопустимыми пороками древесины являются: гниль, червоточины и трещины в зонах скалывания в соединениях. Наиболее распространенными и неизбежными пороками древесины являются сучки, которые являются допустимыми сограничениями пороками. Наклон волокон (косослой) относительно оси элемента также является допустимым с ограничением пороком. Усушечные трещины, возникающие при высыхании древесины, тоже относятся к числу ограниченно допускаемых пороков. К порокам относятся так же мягкая сердцевина, выпадающие сучки и другие, менее распространенные нарушения однородности строения древесины. Страница 58 из 68 СГУПС кафедра «Строительные конструкции и здания» «Конструкции из дерева и пластмасс» Лекция 1 1. Введение Качество конструкционных лесоматериалов определяется сортами. Требования к древесине каждого сорта содержатся в ГОСТах. Основными факторами, определяющими сорт и соответственно прочность древесины, являются величина и расположение допустимых пороков. Древесина для несущих элементов деревянных конструкций должна удовлетворять требованиям 1, 2 и 3-го сорта. Рис.1.56 – Сорта пиломатериалов по качеству древесины, определяемому основными пороками 1 – сучки; 2 – косослой; d – суммарный диаметр сучков на длине 20 см Древесина 1-го сорта используется в наиболее ответственных напряженных растянутых элементах. Это отдельные растянутые стержни и доски растянутых зон клееных балок высотой сечения более 50 см. Древесина 2-го сорта используется в сжатых и изгибаемых элементах. Это отдельные сжатые стержни, а так же доски крайних зон клееных сжатых, изгибаемых и сжато-изогнутых стержней. Древесина 3-го сорта используется в менее напряженных средних слоях клееных сжатых, изгибаемых и сжатоизгибаемых элементов, а также в мало ответственных элементах кровли – настилах и обрешетках. Страница 59 из 68 СГУПС кафедра «Строительные конструкции и здания» «Конструкции из дерева и пластмасс» Лекция 1 1. Введение 2.3.2. Строительная фанера Фанера представляет собой слоеный листовой материал толщиной до 15 мм, получаемый склеиванием трех и более (как правило нечетного числа) слоёв шпона толщиной 1,1…1,5 мм с взаимно перпендикулярным расположением волокон смежных слоев. Рис.1.57 – Строительная фанера а – план листа; б – сечение листа; в – схема расположения волокон шпонов 1 – наружные слои; 2 – внутренние продольные слои; 3 – то же, поперечные; 4 клей в) Сырьём для фанеры являются кряжи, в основном березы и лиственницы, в результате поперечной распиловки которых по длине, соответствующей размеру одной из сторон фанеры, получают чураки. На специальном оборудовании лущением чурака получают шпон в виде непрерывной ленты, которую разрезают по длине на листы требуемого формата. Пакет слоев шпона склеивается в прессах методом горячего или холодного прессования. По виду клея различают марки фанеры: ФСФ – фанера на смоляном фенолформальдегидном клее; ФК – фанера на карбомидном клее; ФБС – фанера бакелизированная с пропиткой наружных слоев спирторастворимыми смолами; ФБСВ – фанера бакелизированная с пропиткой наружных слоев спирторастворимыми смолами и намазыванием средних слоев водорастворимыми смолами. Страница 60 из 68 СГУПС кафедра «Строительные конструкции и здания» «Конструкции из дерева и пластмасс» Лекция 1 1. Введение Визуально фанеру марки ФСФ можно отличить от фанеры марки ФК по цвету клеевого слоя. У фанеры ФСФ клеевой слой имеет красноватый цвет, а у фанеры ФК – цвет белый. Фанера марки ФК является фанерой средней водостойкости и рекомендуется для конструкций, устанавливаемых внутри помещений с нормальными условиями эксплуатации. Фанера марки ФСФ обладает повышенной водостойкостью. Бакелизированная фанера ФБС и ФБСВ характеризуется очень высокой прочностью и водостойкостью. Её используют для специальных конструкций, эксплуатируемых в жестких условиях. Деление строительной фанеры на сорта обусловлено пороками наружных шпонов. Фанера всех марок имеет пять сортов: А/АВ; АВ/В; В/ВВ; ВВ/С; В/С, которые характеризуются сортами наружного (числитель) и оборотного (знаменатель) слоев шпона. Поскольку для шпона сортов А и АВ предъявляются высокие требования по качеству поверхности, фанера этих сортов применяется для отделочных работ и производства мебели. Для строительных конструкций применяются остальные сорта, так как прочностные характеристики практически не зависят от сорта шпона. В отличие от пиленых досок многослойная клееная фанера весьма однородна, деформации усушки вдоль и поперёк волокон внешних слоев («рубашки») незначительны и почти одинаковы. Страница 61 из 68 СГУПС кафедра «Строительные конструкции и здания» «Конструкции из дерева и пластмасс» Лекция 1 1. Введение В то же время сохраняется ненарушенная мелкотрубчатая структура древесных волокон, что определяет высокие показатели механической прочности и жесткости при относительно малой плотности. Данные свойства позволяют использовать фанеру в стенках коробчатых и двутавровых балок, где относительная жёсткость фанеры в несколько раз превышает аналогичный показатель стального листа. Рис.1.58 – Поперечные сечения деревянных балок с фанерной стенкой Выпускают фанеру толщиной от 6 до 12 мм, шириной 725, 1220, 1525 мм и длиной 1220, 1525,2135 и 2440 мм. Фанерные трубы толщиной от 6,5 до 13 мм и внутренним диаметром 50...300 мм, а так же фанерные швеллеры могут примеРис.2.11 – Фняться для элементов ферм. Фанера толщиной более 15 мм называется фанерными плитами (LVL). Для плит используется шпон толщиной 3 мм. Выпускают плиты длиной от 2,5 до 18 м, толщиной 21…75 мм и шириной – 66, 200, 260, 300, 360, 450, 600, 900, 1800 мм. Прочность фанерных плит значительно выше, чем у пиломатериалов и обычного клееного бруса. Рис.1.59 – Фанерные плиты Страница 62 из 68 СГУПС кафедра «Строительные конструкции и здания» «Конструкции из дерева и пластмасс» Лекция 1 1. Введение Фанерные плиты нарезаются на заготовки необходимого размера, из которых склеиваются элементы деревянных конструкций требуемой конфигурации. Рис.1.60 – Сечения элементов деревянных конструкций склеенные из фанерных плит Рис.1.61 – Деревянные стропильные фермы с сечениями из фанерных плит Страница 63 из 68 СГУПС кафедра «Строительные конструкции и здания» «Конструкции из дерева и пластмасс» Лекция 1 1. Введение 2.3.3. Листовые материалы на основе древесных отходов Плитные материалы на основе древесины имеют различные механические характеристики. Прочность фанеры и древесноволокнистых плит выше аналогичных показателей древесины, прочность древесностружечных и цементно-стружечных плит – ниже. В табл. 2.3 приведены величины временных сопротивлений и модуля упругости при изгибе плитных материалов. Таблица 2.3 - Характеристики плитных материалов Материал ФСФ ДВП ДСП ЦСП R, МПа 68 56 22 14 Е, МПа 13000 6200 3600 5100 Древесно-стружечные плиты (ДСП) изготавливаются путем горячего прессования древесных частиц, смешанных со связующим материалом. Древесные частицы получают путем переработки технологического сырья (низкосортная древесина, отходы лесопиления и фанерного производства). Полученная дробленка имеет малые размеры и высокую однородность. В качестве связующего применяют фенолформальдегидные, меламино-формальдегидные смолы, количество которых составляет от 7 до 10% от массы плит. По конструкции сечения древесностружечные плиты разделяются на однослойные и трехслойные. В однослойных плитах исходная масса равномерно распределена по сечению плиты. Трехслойные плиты характеризуются тем, что Страница 64 из 68 СГУПС кафедра «Строительные конструкции и здания» «Конструкции из дерева и пластмасс» Лекция 1 1. Введение внутренний слой отличается от наружных слоев большими размерами древесных частиц и меньшим процентом содержания связующего. Большая плотность наружных слоев плит увеличивает прочность при изгибе. Изготовление древесно-стружечных плит осуществляется в гидравлических прессах при температуре 130 - 140 градусов. Разработана также экструзионная технология изготовления плит с круглыми пустотами в средней по сечению зоне. Стружка в них ориентирована перпендикулярно плоскости плиты, в результате чего прочность этих плит при изгибе снижается в 2 - 3 раза. Недостатком ДСП является высокое водопоглощение, которое влечёт за собой расслоение при усушке. Снижение водопоглощения до 10% возможно путем введения гидрофобных добавок. Наличие в качестве связующего формальдегида, который в процессе эксплуатации выделяется в окружающую среду, снижает область применения этого материала. Для избежания токсичности плиты облицовываются с двух сторон древесным шпоном либо плёнкой, либо бумагой, пропитанной смолами. Высокие звукоизоляционные качества и малая теплопроводность позволяют использовать ДСП при устройстве подготовки под чистые полы и подвесных потолков. Страница 65 из 68 СГУПС кафедра «Строительные конструкции и здания» «Конструкции из дерева и пластмасс» Лекция 1 1. Введение Древесно-волокнистые плиты (ДВП) - листовой материал, изготавливаемый методом горячего прессования или сшивкой с подпрессовкой. Древесным сырьем являются отходы лесопиления и деревообработки, которые дробят и затем проваривают в растворе едкого натрия для нейтрализации смолистых и сахаристых веществ. Проваренная щепа размалывается в специальных установках до волокнистого состояния. Приготовленная масса формируется в ковер заданной толщины и направляется в роликовую сушилку для изготовления мягких плит либо в горячий пресс. Прессование происходит при температуре 150…160 градусов под давлением 1…5 МПа. Связующим веществом является канифольная эмульсия с добавлением фенолформальдегидных смол. В зависимости от степени прессования ДВП изготовляются сверхтвердыми, твердыми и мягкими. Толщина твердых плит от 3 до 6 мм. Толщина мягких плит от 12 до 25 мм. Мягкие плиты используются как теплоизоляционный материал. Цементно-стружечные плиты (ЦСП) - листовой материал толщиной от 8 до 40 мм, в котором связующим является портландцемент. Древесные частицы получают в результате рубки короткомерных и тонкомерных отходов пиломатериала на специальных станках, которые позволяют получить древесные частицы определенной формы. Для нейтрализации действия сахаристых веществ на цементную связку в исходный состав добавляют жидкое стекло. Прессование и отверждение связки происходит в горячих прессах. Страница 66 из 68 СГУПС кафедра «Строительные конструкции и здания» «Конструкции из дерева и пластмасс» Лекция 1 1. Введение ЦСП являются трудносгораемым материалом, поэтому одной из областей их применения является изготовление перегородок и подвесных потолков в промышленных зданиях. Используются ЦСП в качестве обшивок стеновых панелей и плит покрытий с рёбрами из древесины или эффективного металлического профиля. В деревянном домостроении ЦСП применяются в качестве настила под чистые полы, для обшивок каркасов стен и перегородок. ЦСП обработанные защитными водоотталкивающими покрытиями используют для защиты деревянных стен от атмосферных воздействий. Ориентированная стружечная плита (ОСП) состоит из щепы древесины хвойных пород (сосна, ель) высоких сортов и связующего. Щепа длиной 75 мм вдоль волокна, шириной от 5 до 50 мм и толщиной не более 0,6 мм укладывается вдоль рабочего пролета плиты. Связующее – фенольно-формальдегидный (PF) клей, меламиновый карбамидно-формальдегидный (MUF) клей или изоцианатный клей (PMDI) и более современные клеи на полиуретановой основе. Рис.1.62 – Ориентированно-стружечные плиты Страница 67 из 68 СГУПС кафедра «Строительные конструкции и здания» «Конструкции из дерева и пластмасс» Лекция 1 1. Введение Плотность и масса плиты различаются в зависимости от плотности используемой древесины и технологического процесса изготовления. В основном плотность находится в диапазоне от 600 до 680 кг/м3. Основные размеры: 2500x1250, 2440x1220, 2620x1250, 2850x250, 5000x2500 мм при толщинах 6, 8, 12, 15, 18, 22, 25 и 38 мм. Разные типы OSB пригодны для различных нагрузок и различных условий окружающей среды. OSB/1- Панели общего назначения, используемые при изготовлении встроенной мебели при применении в сухих условиях. OSB/2 – Несущие панели для применения в сухих условиях. OSB/3 – Несущие панели при применении во влажных условиях. OSB/4 – Несущие панели для тяжелого режима эксплуатации при применении во влажных условиях При равных нагрузках, применяются более тонкие панели OSB по сравнению с ДСП. Рис.1.63 – Применение ОСП для обшивок стеновых панелей и стенок балок перекрытия Арболит – смешивают цемент, дробленые древесные отходы (щепу, древесную кору) и добавки для образования пор. Арболит почти вдвое легче керамзитобетона, отличается низкой теплопроводностью, хорошо распиливается, соединяется скобами и гвоздями. Из арболита изготавливают стеновые блоки. Снаружи блоки покрывают кремнийорганическими красками, изнутри оклеивают обоями. Страница 68 из 68 СГУПС кафедра «Строительные конструкции и здания»