Основы расчета по предельным состояниям
ГЛАВА 2. РАСЧЕТ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИИ ЦЕЛЬНОГО СЕЧЕНИЯ
Классификация и сортамент лесоматериалов
Породы древесины. Для изготовления деревянных несущих конструкций обычно применяют лесные материалы хвойных пород: сосну, ель, лиственницу, кедр и пихту. Среди лесных насаждений России хвойные леса наиболее распространены. Древесина хвойных пород превосходит по прочности древесину большинства распространенных лиственных пород и меньше подвержена загниванию. Стволы хвойных деревьев имеют более правильную форму, что позволяет полнее использовать их объем. Наиболее часто используется сосна.
Сосна, по месту произрастания делится на сосну мяндовую и сосну рудовую. Мяндовая предпочитает низменные почвы, древесина ее неплотная, рыхлая, менее слоистая чем у рудовой сосны и поэтому склонна к загниванию во влажной среде. Она очень хорошо обрабатывается, прекрасно пропитывается и мало подвержена короблению. Рудовая сосна, в отличие от мяндовой, произрастает на холмах, различных возвышенностях и предпочитает каменистую суглинистую или супесчаную почву. Древесина ее смолиста и мелкослойна, обладает достаточно высокой плотностью. Именно эти качества обеспечили рудовой сосне достойное место в сфере домостроительных технологий (полы, конструкции крыш, стены, внутренние перегородки).
Ельпо ряду характеристик уступает сосне. Она хуже обрабатывается, менее плотная и менее прочная, чем сосна. Существенно ухудшает потребительские свойства ели ее сучковатость и повышенная твердость. Склонность древесины ели к загниванию ограничивает ее использование в местах, подверженных влиянию влаги. В домостроении ель используется в изготовлении дверных блоков, полов, внутренних перегородок, мебели.
Лиственница отличается высокой плотностью, устойчивостью против гниения, твердостью. Последнее существенно затрудняет обработку лиственницы, что в какой-то мере ограничивает ее применение в строительстве. Но остальные качества, плюс обладание высокой стойкостью от коробления обеспечивают лиственнице репутацию ценного строительного материала.
Лиственница, как никакой другой материал, требует очень умеренного режима сушки с соблюдением всех мер предосторожности. Дело в том, что при интенсивной сушке в лиственнице появляются трещины. В домостроении лиственница применяется прежде всего там, где требуется высокая устойчивость против гниения. Кроме этого лиственница зарекомендовала себя как хороший материал для изготовления паркетных планок.
Кедр сибирскийпо своим физико-механическим свойствам занимает промежуточное место между елью и пихтой. Древесина у кедра мягкая, легкая, хорошо подвергается обработке. При специальной обработке приобретает повышенную стойкость против гниения. В домостроении задействуется в основном там же, где и сосна. Но это хороший материал и для узлов и конструкций, испытывающих перепады влажностного и температурного режимов.
Пихта сибирскаяпо своим качествам сходна с древесиной ели, но уступает ей по прочности и плотности. И в чем не уступает ели только пихта кавказская. Применение пихты довольно распространенное (особенно пихты кавказской). Это и дверные и оконные блоки, полы, плинтуса, раскладки, фризы и много других изделий. Во внешних деревянных конструкциях пихта не задействуется ввиду низкой стойкости против загнивания.
Применение древесины твердых лиственных пород (дуба, бука, ясеня, граба, клена) допускается лишь в тех районах, где эти породы являются местным строительным материалом.
Дуб черешчатый (летний) обладает большой прочностью и стойкостью против загнивания и употребляется главным образом на мелкие ответственные части деревянных конструкций в виде нагелей, шпонок, вкладышей и т.п. Единственное, что не следует забывать – древесина дуба подвержена раскалыванию при забивании в нее гвоздей или завинчивании шурупов без предварительной проходки канала отверстия сверлом меньшего диаметра.
Бук по основным качествам (прочность и твердость) мало в чем уступает дубу, но его древесина имеет высокую гигроскопичность и поэтому больше подвержена гниению. В то же время древесина бука высокотехнологична: хорошо обрабатывается любым инструментом, хорошо гнется под паром. В домостроении применяется не так широко, как дуб (из-за гигроскопичности), но зато очень востребована в отделочных работах.
Для изготовления открытых наслонных стропил и обрешетки в покрытиях постоянных зданий с чердаком, а также для строительства временных зданий (складов, навесов, сараев и др.) и сооружений вспомогательного назначения (эстакад, вышек и др.) следует широко применять древесину мягких лиственных пород – осину, березу, бук, липу, тополь и ольху, но с обязательной усиленной защитой от гниения.
Круглые лесоматериалы. Применяемые в промышленном и гражданском строительстве лесоматериалы делятся на круглые и пиленые. Для каждого из этих видов материалов соответствующими стандартами установлены их классификация, сортность, сортамент, вид обработки, требования к качеству, допускаемые отклонения от нормальных размеров и условия приемки.
Бревно строительное может использоваться в круглом виде или в качестве сырья для получения пиломатериалов. Пиловочные бревна имеют следующие стандартные размеры.
Таблица 1.1.
| Группа | Толщина, см | Градация по толщине, см |
| Мелкие | 6 – 13 | |
| Средние | 14 – 24 | |
| Крупные | 26 и более |
Длина бревен от 3 до 6,5 м с градацией через 0,5 м. Увеличение толщины бревна по длине называется сбегом. В среднем сбег составляет 0,8 см на 1 м длины. Более массивная часть бревна называется комлем, а противоположная – верхним отрубом. Диаметр бревна замеряется в верхнем отрубе. Бревна длиной более 6,5 м заготовляют по специальному заказу для опор линий электропередач и связи.
Пиленые лесоматериалы. К пиленым лесным материалам относятся:
¨ двукантные брусья, у которых опилены лишь две стороны (рис. 1.2.а);
¨ четырехкантные брусья, у которых опилены все четыре стороны (рис.1.2.б и в);
¨ бруски, опиленные с четырех сторон, толщиной не более 10 см и шириной не более двойной ширины (рис.1.2.г);
¨ доски толщиной не более 10 см и шириной более двойной толщины: доски делятся на тонкие, толщиной до 3,2 см (рис.1.2.д) и толстые – более 3,2 см (рис.1.2.е).
Рис. 1.2. Пиленые лесоматериалы: а – двукантный брус,
б – обзольный четырехкантный брус, в - чистообрезной
четырехкантный брус, г – брусок, д – тонкая доска,
е - толстая доска
Пиломатериалы имеют стандартные размеры, приведенные в таблице 1.2.
Таблица 1.2.
Сортамент пиломатериалов хвойных пород
| Толщина, мм | Ш и р и н а, мм | ||||||||
| - | - | - | - | - | |||||
| - | - | - | - | ||||||
| - | - | ||||||||
| - | |||||||||
| - | - | - | |||||||
| - | - | - | - | ||||||
| - | - | - | - | - | |||||
| - | - | - | - | - | - | ||||
Длина пиломатериалов 1-6,5 м с градацией 0,25 м.
В зависимости от качества древесины и ее обработки на доски установлено пять сортов: отборный, 1-й, 2-й, 3-й и 4-й, а на брусья – четыре сорта: 1-й, 2-й, 3-й и 4-й. Для строительства используют пиломатериалы 1-го, 2-го и 3-го сорта.
Таблица 1.3
Расчетные сопротивления сосны, ели
| Напряженное состояние и характеристики элементов | Расчетные сопротивления, МПа (кгс/см2), для сортов древесины | ||
| 1. Изгиб Rи, сжатие Rс и смятие Rсм вдоль волокон: а) элемент прямоугольного сечения (за исключением указанных в подпунктах б) и в)) высотой до 50 см б) элемент прямоугольного сечения шириной свыше 11 до 13 см при высоте сечения свыше 11 до 50 см в) элемент прямоугольного сечения шириной свыше 13 см при высоте сечения свыше 13 до 50 см г) элементы из круглых лесоматериалов без вырезок в расчетном сечении | 14 15 16 - | 13 14 15 16 | 8,5 10 11 10 |
| 2.Растяжение вдоль волокон Rр | 10 | 7 | - |
| 3.Сжатие Rс90 и смятие Rсм90 по всей площади поперек волокон | 1,8 | 1,8 | 1,8 |
| 4.Смятие поперек волокон Rсм90 местное: а) в опорных частях конструкций, лобовых врубках б) под шайбами при углах смятия 90-60° | 3 4 | 3 4 | 3 4 |
| 5.Сдвиг (скалывание) вдоль волокон Rск: а) при изгибе б) в лобовых врубках | 1,8 2,4 | 1,6 2,1 | 1,6 2,1 |
| 6. Сдвиг (скалывание) поперек волокон Rск90 | 1 | 0,8 | 0,6 |
| 7.Расчетное сопротивление древесины смятию под углом a к направлению волокон Rсмa | 
|
Элементы конструкций рассчитывают по методу предельных состояний. Предельным называют такое напряженное состояние конструкции, за пределами которого эксплуатация ее невозможна.
Рассматривают два вида предельных состояний:
1) по несущей способности (прочности, устойчивости);
2) по деформациям (прогибам, перемещениям).
Расчет по первому предельному состоянию производится на расчетные нагрузки, является основным и используется при подборе поперечных сечений элементов. Расчет по второму предельному состоянию производится на нормативные нагрузки.
В СНиП II-25-80 расчетные сопротивления установлены в зависимости от сорта древесины сосны и ели, а расчетные сопротивления древесины других пород определяют умножением основных расчетных сопротивлений на соответствующие коэффициенты. В табл. 1.3. даны расчетные характеристики древесины сосны и ели при длительном действии статической нагрузки.
Условия работы конструкции учитывают умножением расчетных сопротивлений на соответствующие коэффициенты условий работы:
· mп – коэффициент, учитывающий породу древесины,
· mв и mт – коэффициенты, учитывающие температурно-влажностные условия эксплуатации конструкции,
· mн – коэффициент, учитывающий длительность действия нагрузок,
· mб – коэффициент, учитывающий влияние размеров поперечного сечения,
· mо – коэффициент, учитывающий влияние концентрации напряжений вокруг отверстий.
Полностью все сведения о значениях коэффициентов условий работы приведены в СНиП II-25-80.