Цепаев В.А. Краткий курс лекций по деревянным конструкциям. Часть I

Подождите немного. Документ загружается.

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального

образования

«Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»

-------------------------------------------------------------------------------------------------

Институт открытого дистанционного образования

В.А. Цепаев

Краткий курс лекций

по деревянным конструкциям

Часть I

Утверждено редакционно-издательским

советом университета в качестве

учебного пособия

Нижний Новгород - 2006

ББК 38.5

Ц 40

Цепаев В.А. Краткий курс лекций по деревянным конструкциям. Часть I:

Учебное пособие. – Н.Новгород: Нижегород. гос. архит.-строит. ун-т, 2006.

– 68 с.

ISBN 5-87941-406-х

Приведены краткие сведения о строении дерева и макроскопическом

строении древесины, основных лесных породах и классификации

лесоматериалов, используемых в строительстве. Рассмотрены структура,

состав, физические

и механические свойства древесины. Изложены

особенности расчета элементов деревянных конструкций. Рассмотрены

основные виды соединений элементов деревянных конструкций, их

конструирование и расчет.

Пособие включает материал части дисциплины – «Конструкции из дерева

и пластмасс», изучаемой студентами строительных специальностей вузов.

ББК 38.5

ISBN 5-87941-406,х

ННГАСУ, 2006

ВВЕДЕНИЕ

Лес – это единственный возобновляемый природный ресурс, который не

только обеспечивает экологическое равновесие, но и является важнейшим

источником сырья. Это неоспоримое преимущество древесного сырья перед

ископаемыми ресурсами. Следует отметить также возможность повторного

использования древесины.

Мировые запасы древесины, по последним данным ФАО, составляют

около 380 млрд м

, в том числе примерно 1/3 хвойных пород [1]. Россия –

крупнейшая лесная держава, ее лесопокрытая площадь составляет 774 млн га, а

запасы древесины – 82 млрд м

, в том числе 4/5 хвойных пород [1,2]. Это

означает, что на долю России приходится более 1/5 лесопокрытой площади

планеты и мировых запасов древесины, в том числе почти половина запасов

наиболее ценной древесины хвойных пород [1].

Большой спрос на древесину в настоящее время и расширение

потребления ее в будущем с особой остротой ставят вопрос о

рациональном

использовании лесных ресурсов как о важной части общей проблемы охраны

окружающей среды. Правовые основы использования, охраны, защиты и

воспроизводства лесов установлены в принятом в 1997 г. «Лесном кодексе РФ».

Основным потребителем древесины в народном хозяйстве является

строительство. Изделия и конструкции из древесины занимают значительное

место в строительстве зданий и сооружений наряду

с другими прогрессивными

материалами. Древесина представляет собой прочный и одновременно легкий

строительный материал, обладающий хорошими теплоизоляционными

свойствами, способностью без разрушения поглощать работу при ударных

нагрузках, часть вибрации. Она легко обрабатывается режущими

инструментами, хорошо склеивается, удерживает металлические и другие

механические крепления. Древесина имеет прекрасные декоративные свойства,

обладает уникальной резонансной способностью. Эти

природные свойства

древесины позволяют успешно использовать ее для производства строительных

деталей, ограждающих и несущих строительных конструкций.

Богатейшие лесные ресурсы нашей страны всегда обусловливали

технико-экономическую целесообразность широкого применения древесины в

качестве одного из основных строительных материалов. Деревянные

конструкции преобладали в русском строительстве с IX до XVII в., что

способствовало выработке конструктивных форм, удовлетворяющих

потребностям и отвечающих производственным возможностям этого времени.

Современный технический уровень промышленности позволяет

обеспечить рациональное использование древесного сырья, включающее не

только повышение конструктивных свойств деловых сортиментов, но и

утилизацию отходов с целью получения новых строительных материалов [3]. В

связи с этим поставляемая строительству номенклатура изделий и конструкций

неизменно расширяется.

Комплекс сведений о

строении и свойствах древесины, которые получают

в результате биологических, химических, физических и механических

исследований, содержит непрерывно развивающаяся научная дисциплина

древесиноведение [1].

В качестве самостоятельной учебной дисциплины древесиноведение

оформилось в 1932 г. [1]. Именно в это время, благодаря бурному развитию

древесиноведения и строительной механики, была создана теоретическая

основа для разработки методов расчета несущих деревянных конструкций.

В 1968 г. был создан Координационный совет по современным

проблемам древесиноведения при Институте леса

и древесины им. В.Н. Сука-

чева в Красноярске. С 1990 г. этот совет функционирует под председательством

Б.Н. Уголева при Московском государственном университете леса и с 1991 г.

находится под эгидой Международной академии наук о древесине (ИАВС). В

Региональный Координационный совет по древесиноведению (РКСД) входят

ученые из России, Белоруссии, Украины, Грузии,

Эстонии, Латвии, Болгарии,

Венгрии, Польши. При РКСД в 1997 г. организован Реестр экспертов высшей

квалификации в области древесиноведения, лесного товароведения и

сопредельных технологических дисциплин.

1. КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ О СТРОЕНИИ ДЕРЕВА И

МАКРОСКОПИЧЕСКОМ СТРОЕНИИ ДРЕВЕСИНЫ

Взрослое дерево имеет ствол, крону и корни. В процессе роста дерева

ствол приобретает конусообразную форму, происходит удлинение

ствола в

верхушечной точке роста и ежегодное увеличение диаметра вследствие

деятельности камбия. Камбий – это живая образовательная ткань. В умеренном

климатическом поясе наибольшая его активность наблюдается весной и летом.

Зимой камбий бездействует. Этим обусловливается слоистое строение ствола

дерева.

Более половины объема дерева приходится на ствол. Основные

анатомические части ствола легко обнаружить на

его поперечном разрезе

(рис. 1.1). Наружная часть – кора – резко отличается по внешнему виду от

следующей за ней древесины. Кора на поперечном разрезе ствола имеет форму

обычно темно окрашенного кольца. В толстой коре взрослых деревьев можно

различить два слоя: наружный – корку (предохраняет живые ткани ствола от

резких колебаний температуры, испарения влаги, проникновения грибов,

бактерий и механических повреждений) и внутренний слой – луб,

непосредственно прилегающий к камбию. В

растущем дереве луб проводит

вниз по стволу образующиеся в листьях питательные органические вещества.

Древесина окружает очень небольшую центральную зону – сердцевину

(диаметром 2-5 мм). Расположенный между древесиной и корой тонкий слой

камбия для простого глаза незаметен.

На поперечном разрезе ствола многих пород в древесине выделяется

темно окрашенная центральная зона – ядро и светлая

наружная – заболонь

(рис. 1.1). У деревьев всех пород в раннем возрасте древесина состоит только из

заболони и только с течением времени происходит интенсивное изменение

центральной зоны древесины – она приобретает темную окраску, т.е. образует

ядро. Такие породы называют ядровыми. Породы с однородной окраской всей

древесины принято называть безъядровыми.

сердцевина

заболонь

камбий

кора

луб

ядро

Рис. 1.1. Поперечный разрез ствола

Ежегодный прирост древесины называется годичными слоями. На

поперечном разрезе ствола годичные слои образуют концентрические

окружности (рис. 1.2). У многих пород ясно видно, что годичный слой состоит

из двух частей: внутренней, обращенной к сердцевине, более светлой и менее

твердой – ранней древесины (весенней), и наружной, более темной и твердой –

поздней древесины (летней). Поздняя

древесина примерно в 2,5 раза плотнее

ранней, ее прочность превосходит прочность ранней древесины; существенно

отличается жесткость и другие ее свойства. Поэтому количество поздней

древесины, определяемой по формуле:

100

⋅⋅=

∑

, %,

ширина годичного слоя

поздняя древесина

ранняя древесина

Рис. 1.2. Вид годичных слоев на поперечном разрезе

является важным показателем, характеризующим качество древесины в целом

(

∑

– общая ширина поздних зон;

– общее протяжение тех годичных слоев,

в которых измерялась ширина поздней зоны). Согласно нормам

проектирования [4] к древесине для деревянных конструкций, кроме

требований ГОСТ 8486-66 на пиломатериалы хвойных пород и ГОСТ 9463-72

на круглые лесоматериалы, предъявляются дополнительные требования:

ширина годичных слоев в древесине должна быть не более 5 мм, а

содержание в ней поздней древесины – не менее 20 %.

2. ОСНОВНЫЕ ЛЕСНЫЕ ПОРОДЫ

Все породы древесины, произрастающие на территории Российской

Федерации, делятся на хвойные и лиственные. Для изготовления деревянных

конструкций следует применять преимущественно древесину хвойных пород –

лиственницу, сосну, ель, пихту, кедр.

Лиственница является самой распространенной в России породой [1]. На

ее долю приходится 2/5 всей покрытой лесом площади и 1/3 запасов древесины

нашей страны. Древесина лиственницы имеет ядро красновато-бурого цвета,

резко ограниченную узкую

белую или слегка желтоватую заболонь, хорошо

видимые годичные слои с четкой внутренней границей между ранней и поздней

древесиной. Древесина лиственницы обладает высокой плотностью и

прочностью, малосучковата, стойка против гниения, имеет красивую текстуру.

Однако лиственница легко растрескивается при сушке, раскалывается, труднее

других пород обрабатывается на станках. Лиственница произрастает на

Дальнем Востоке,

в Восточной Сибири, Западной Сибири, на Камчатке, северо-

западе Сибири, севере Европейской части России.

Сосна занимает около 1/6 площади всех лесов. Древесина сосны имеет

слегка розоватое ядро, которое со временем становится буровато-красным,

широкую заболонь разного цвета (от желтоватого до розоватого), хорошо

видимые годичные слои с достаточно четкой границей между ранней и

поздней

древесиной. Древесина сосны средней плотности, достаточно высокой

прочности и стойкости против гниения, хорошо обрабатывается. Наиболее

распространенной является сосна обыкновенная, которая на севере доходит до

границы лесной зоны, на юге граничит с черноземной зоной, заходя в Крым и

на Кавказ, простирается с запада на восток до Амура [1].

Ель занимает примерно 1/8

часть покрытой лесом площади. Ель –

безъядровая порода, белая со слабым желтоватым оттенком, малосмолиста.

Годичные слои хорошо заметны. По прочности и стойкости против гниения

древесина ели несколько уступает сосне, она труднее обрабатывается из-за

обилия сучков и их повышенной твердости. Ель обыкновенная произрастает на

Европейской части страны, в такой же полосе, как

и сосна; ель сибирская – от

Урала до Приморья, включая Саяны и Алтай.

Пихта – безъядровая порода, по внешнему виду очень похожая на

древесину ели, но уступает ей по прочности. Пихта произрастает на северо-

востоке европейской части России, Урала, лесной зоны Сибири, Дальнем

Востоке, Сахалине, Кавказе, в Карпатах.

Древесина кедра имеет ядро

светло- или желтовато-розоватого цвета,

нередко ограниченное от широкой, желтовато-белой заболони. Годичные слои

заметны, переход от ранней древесины к поздней постепенный,

растушеванный. Древесина кедра мягкая, хорошо обрабатывается в разных

направлениях, более стойка к гниению, чем древесина ели и пихты, по

прочности находится между елью сибирской и пихтой сибирской. Кедр

произрастает на северо-востоке Европейской части страны, в Сибири почти до

Забайкалья и южной части

Дальнего Востока.

На долю лиственных пород приходится 1/5 часть площади лесов нашей

страны [1]. Лиственные породы почти не применяются для изготовления

несущих элементов, в них больше крупных сучков, они реже бывают

прямослойными. Все лиственные породы можно разделить на твердые

лиственные (дуб, бук, береза, ясень, клен, акация, граб, вяз) и мягкие

лиственные (осина,

липа, тополь, ольха). Твердые лиственные породы в свою

очередь делятся на ценные (дуб, бук, клен, граб) и малоценные (береза). Среди

лиственных пород к ядровым относятся дуб, ясень, вяз, тополь, к безъядровым

– береза, бук, граб клен, осина, липа, ольха.

Древесину твердых лиственных пород можно использовать для

изготовления небольших, но ответственных строительных

деталей (например,

вкладышей, шпонок, колодок, опорных подушек, нагелей).

Древесина мягких лиственных пород и малоценная твердая лиственная

порода, как береза, может использоваться для изготовления конструктивных

элементов временных зданий и сооружений.

3. КЛАССИФИКАЦИЯ ЛЕСОМАТЕРИАЛОВ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В

СТРОИТЕЛЬСТВЕ

Лесоматериалы, получаемые строительством, делятся на круглые и

пиленые.

3.1. Круглые лесоматериалы

Ствол поваленного (срубленного) дерева, у которого отделены корни,

вершина и сучья, называется хлыстом. При разделке хлыстов получаются

круглые сортименты в виде бревен. Бревнами называют сортименты,

предназначенные для использования в круглом виде или в качестве сырья для

выработки пиломатериалов.

По толщине (диаметру, измеренному на верхнем торце) круглые

лесоматериалы делятся: на мелкие –

от 6 до 13 см; средние – от 14 до 24 см;

крупные – 26 см и более. Круглые лесоматериалы имеют стандартные длины в

диапазоне 4-6,5 м, с градацией для хвойных пород древесины 0,5 м.

Изменение толщины бревна по длине называется сбегом, который при расчете

конструкций принимается равным для хвойных пород древесины 0,8 см на 1 м

длины, а для лиственницы – 1 см

на 1 м длины.

Для несущих строительных конструкций применяются бревна с

диаметром в верхнем торце не менее 14 см.

По качеству лесоматериалы делят на три сорта: 1-й, 2-й и 3-й. Качество

определяется наличием, размерами и количеством пороков древесины. У

хвойных лесоматериалов в числе нормируемых по ГОСТ 9463-88 пороки: сучки

и пасынок, грибные поражения (гнили и окраска), червоточина, трещины,

кривизна, механические повреждения, открытая прорость, сухобокость и рак.

Основными сортообразующими пороками у хвойных

лесоматериалов являются

сучки, на втором месте находится гниль, далее – механические повреждения,

которые являются технологическим браком и должны быть сведены к

минимуму; остальные пороки встречаются реже. У лесоматериалов 1-го сорта

не допускаются табачные сучки, ядровая гниль и дупла (у мелких и средних

сортиментов), заболонная и наружная трухлявая гнили, неглубокая и глубокая

червоточины.

У лесоматериалов 2-го сорта не допускаются только два порока:

заболонная и наружная гниль, у 3-го сорта – только второй порок, а также

одновременное наличие заболонной и ядровой гнили. Остальные пороки

допускаются, однако нормы их ограничения у 1-го сорта – наибольшие, у 2-го –

меньше, а у 3-го – еще меньше.

Оценка качества лиственных лесоматериалов

проводится в основном по

той же номенклатуре пороков, что и у хвойных лесоматериалов. При этом

учитывается, что у лиственных пород могут быть специфические пороки,

например ложное ядро. Основными сортообразующими пороками для

лиственных лесоматериалов являются сучки, гнили и кривизна. Нормы

требований по сортам приведены в ГОСТ 9462-88.

3.2. Пиленые лесоматериалы

Пиленые материалы (пиломатериалы) получаются путем раскроя бревен

на лесопильных рамах или круглопильных станках. В зависимости от области

применения различают пиломатериалы для российского рынка и

пиломатериалы, поставляемые на экспорт. Пиломатериалы для российского

рынка делятся на пиломатериалы общего назначения и специальные

(авиационные, резонансные).

По форме и размерам поперечного сечения пиломатериалы делятся на

доски – если ширина вдвое больше толщины (рис. 3.1, г, д, е, ж), бруски – если

ширина меньше двойной толщины (рис. 3.1, з), брусья (у хвойных

пиломатериалов) – если ширина и толщина более 100 мм. По числу

пропиленных сторон брусья (рис. 3.1, а, б, в) могут быть двухкантными,

трехкантными и четырехкантными.

В пиломатериалах продольная широкая сторона называется

пласть, узкая

– кромка, а линия пересечения пласти и кромки – ребро.

У необрезных пиломатериалов (рис. 3.1, г) пласти пропилены, а кромки

не пропилены. У обрезных пиломатериалов пропилены все четыре стороны,

или же на кромках в допустимых размерах сохранилась часть поверхности

бревна – обзол. Обзол может быть тупым (рис. 3.1, е) и острым (рис. 3.1, ж).

Рис. 3.1. Виды пилопродукции:

брусья: а – двухкантный; б – трехкантный; в – четырехкантный; доски: г – необрезная;

д – чисто обрезная; е – обрезная с тупым обзолом; ж – обрезная с острым обзолом;

з – брусок; и – обапол горбыльный; к – обапол дощатый; л – шпала необрезная; м – шпала

обрезная

Крайняя часть бревна, остающаяся при выпиловке досок, прирезанная по

длине, называется обаполом [1]. Обапол может быть двух видов: горбыльный с

не пропиленной наружной поверхностью (рис. 3.1, и) и дощатый (рис. 3.1, к).

К пиленым материалам относятся и шпалы. Шпалы также

подразделяются на необрезные (рис. 3.1, л), пропиленные только с двух

противоположных сторон, и обрезные (рис. 3.1, м), пропиленные со всех

четырех сторон.

Пиломатериалы имеют стандартные длины от 1 до 6,5 м с градацией

размеров через каждые 0,25 м. Хвойные пиломатериалы, согласно ГОСТ

24454 – 80, вырабатывают 16 размеров по толщине. Доски

могут быть

толщиной 16, 19, 22, 25 и 32 мм, доски и бруски – 40, 44, 50, 60, 75, 100 мм,

брусья – 125, 150, 175, 200 и 250 мм. Ширина хвойных обрезных

пиломатериалов находится в диапазоне 75-275 мм. Номинальные размеры

пиломатериалов по толщине и ширине даны для древесины влажностью 20 %.

При влажности более или менее 20 % фактические размеры устанавливаются

по ГОСТ 6782.1-75 для хвойных пород.

а 1-й сорт

1000

до 200

d bddd

≤+=

б 2-й сорт

100

1000

до 200

bddd

≤+=

M M

в 3-й сорт

120

1000 до 200

bddd

≤+=

Рис. 3.2. Ограничение пороков по сортам пиломатериалов

Качество конструкционных лесоматериалов определяется сортами. Для

изготовления деревянных конструкций применяется древесина 1-го, 2-го и 3-го

сортов. Основными факторами, определяющими сорт и соответственно

прочность древесины, являются величина и расположение пороков, главным

образом сучков и наклона волокон в элементе. Например, в наиболее прочной