Назад
ОАО РЖД
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ
СООБЩЕНИЯ
КОНСТРУКЦИИ ИЗ ДЕРЕВА И
ПЛАСТМАСС
Иркутск 2005
ОАО РЖД
ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ
СООБЩЕНИЯ
В.В. Гаскин, И.А. Иванов
КОНСТРУКЦИИ ИЗ ДЕРЕВА И
ПЛАСТМАСС
Рекомендуется УМО вузов РФ по
строительному образованию для
межвузовского использования
Иркутск 2005
1
УДК 624.01
Рецензенты: канд. техн. наук, доцент кафедры строительных
конструкций ИрГТУ Пинайкин И.В.
д-р техн. наук Подвербный В.А., зав. кафедрой
"Изыскания, проектирование и строительство
железных дорог" Иркутского государственного
университета путей сообщения
Гаскин В.В., Иванов И.А. Конструкции из дерева и пластмасс
.
Учебное пособие/ - Иркутск: ИрГУПС. 2005. - 125 с.
Учебное пособие разработано на кафедре "Мосты и транспортные
тоннели" ИрГУПС. Пособие предназначено для подготовки
дипломированных специалистов квалификации "Инженер путей сообщения"
специальности 290900 "Экспертиза и управление недвижимостью".
В пособии приведены сведения о конструкциях из дерева и пластмасс, ,
методах их расчета и проектирования, которые базируются на действующих
Строительных
нормах и правилах.
Библ. 6 назв., Ил. 57, Табл. 6.
© В.В. Гаскин, И.А. Иванов
© Иркутский государственный
университет путей сообщения,
2005 г.
2
ПРЕДИСЛОВИЕ
Настоящее учебное пособие составлено в соответствии с
Государственным образовательным стандартом по высшему
профессиональному образованию (регистрационный номер 301тех/дс),
утвержденным 2000.04.05 Министерством образования Российской
Федерации по направлению подготовки дипломированного специалиста
653600 "Транспортное строительство" квалификации "инженер путей
сообщения" специальности 290 900 "Управление недвижимостью.
Учебное пособие разработано на кафедре "Мосты и транспортные
тоннели
" ИрГУПС. Пособие предназначено для подготовки
дипломированных специалистов квалификации "Инженер путей сообщения"
специальности 290900 "Управление недвижимостью".
В пособии приведены сведения о конструкциях из дерева и пластмасс,
методах их расчета и проектирования, которые базируются на действующих
Строительных нормах и правилах.
В связи с ограниченным объёмом курса Конструкции из дерева и
пластмасс для специальности 290900,
в пособии не рассмотрен ряд
традиционных для данной дисциплины разделов.
Авторы благодарны рецензенту УМО ВУЗов России по образованию в
области строительства профессору кафедры Конструкции из дерева и
пластмасс МГСУ к.т.н. Филимонову Э.В. за ценные замечания, сделанные
при подготовке рукописи к изданию.
3
Введение
Краткий исторический обзор развития конструкций из дерева и
пластмасс. Развитие деревянных конструкций как отрасли строительной
техники неразрывно связано с развитием процесса производства, а,
следовательно, и общества.
Данные археологии о культуре первобытного общества на земле говорят о
том, что дерево широко применялось первобытным человеком. Очевидно, что
это было обусловлено распространенностью древесины,
ее высокой прочностью
при малой массе, простотой заготовки и обработки.
Анализ данных археологии, полученных в различных частях света, также
показал, что в постройках первобытного общества проявляется соответствие
конструктивной формы уровню развития производительных сил.
По-видимому, самыми древними конструкциями были балочные
конструкции, опёртые на стойку с помощью естественной развилки дерева, а
первым
инженерным сооружением был ствол дерева, поваленного человеком
поперек ущелья. Это решение позволяло, при отсутствии эффективных
способов соединений, перекрывать пролеты в пределах, примерно, 12 м.
Уже в глубокой древности появились мосты консольно-балочной
конструкции. Береговые части таких мостов устраивались в виде бревенчатых
клеток, продольные ребра которых последовательно выдвигались над рекой.
Сами клетки
со стороны берега заполнялись грунтом и камнем.
Стены жилищ первобытного человека выполнялись из заделанных в грунт
и поставленных вертикально вплотную друг к другу бревен. Позднее, такие
стены в крепостных сооружениях получили название "тын".
С появлением железных орудий люди получили возможность обрабатывать
древесину. При этом изготавливали бревна, доски. Стены жилищ стали делать
из горизонтально расположенных бревен. Появился так называемый сруб,
требующий значительного числа врубок.
Эпоха рабовладельческого строя отличалась тем, что возросло умение
человека пользоваться железными орудиями. Появились более сложные
соединения деревянных конструкций: кроме врубок стали применяться нагели,
вставляемые в предварительно просверленные гнезда.
Высокая культура богатой лесом Индии обусловила появление там первых
распорных,
подкосных и арочных конструкций, применяемых и в настоящее
время. В этих конструкциях со сжатыми и изгибаемыми элементами древесина
работала в тех же условиях, что и древесина ствола "живого" дерева.
Высокий уровень строительного искусства в древнем Риме позволил
римским строителям создать простейшие системы сквозных деревянных
4
конструкций с растянутыми элементами в виде висячих треугольных
стропильных ферм, которые мало отличаются от аналогичных современных.
Римскими строителями также были созданы рациональные конструкции
балочных мостов малых пролетов. Во 2-м веке до новой эры построен арочный
мост через реку Дунай длиной более 1 км. Он имел 20 массивных каменных
опор (их называют быками)
диаметром 18 м с расстоянием между ними в
свету равным 35 м.
Русское государство обладало богатыми лесными ресурсами. Это
обусловило экономическую целесообразность широкого применения древесины
в качестве одного из основных строительных материалов.
Конструкции из дерева преобладали в русском строительстве с 9 по 18-й
век. Длительность этого периода способствовала многообразному развитию
конструктивных форм деревянных конструкций
.
Изготовление конструкций осуществлялось с помощью преимущественно
топора, а пила почти не применялась. Материалами служили бревна и доски
(тес), которые изготовлялись с помощью топора.
В условиях феодального строя России (до 1861г.) сохранялось постоянство
конструктивной формы из горизонтально расположенных бревен по принципу
сруба. Строились церкви, жилые дома, крепости и т.п. И
в этом строительстве
русские мастера намного превзошли зарубежных строителей. Но,
справедливости ради, заметим, что и зарубежные строители совершенствовали
в это время свое мастерство, но в области каменного зодчества, в котором
достигли также высочайших вершин.
Однако конструкции по принципу сруба были весьма материалоемкими.
Поэтому, в связи с увеличением экспорта леса и
возросшими его потребностями
внутри государства, возникла проблема экономии древесины. Для решения этой
проблемы было необходимо:
-усовершенствовать методы обработки древесины и производства
деревянных конструкций;
-применять конструктивные формы, требующие минимального расхода
материала;
-увеличить срок службы строений, для чего требовалось решить вопрос о
защите деревянных конструкций от гниения.
Вводится, вначале, ручная, а
затем и механическая распиловка древесины.
Это привело, в свою очередь, к появлению брусчатых, а затем, и стержневых
деревянных конструкций.
Появляются конструктивные формы в виде ферм, куполов, башен и т.п.,
пространственные системы.
5
Развитие деревянных конструкций способствовало появлению новых
технических идей и новых умов. Здесь можно отметить творчество знаменитого
русского изобретателя Кулибина Ивана Петровича, создавшего ряд
оригинальных конструкций мостов. Им же впервые была разработана методика
испытаний моделей мостов.
Кулибиным И.П. были впервые предложены многорешётчатые фермы. Их
высокая надежность обеспечивалась тем, что древесина
всех элементов
работала на сжатие вдоль волокон, т.е. так, как в "живом" дереве.
С конца 18-го века началось разложение феодально-крепостнического
строя в России. Наметился переход к капитализму. Развивалось мостостроение,
в котором нашли применение все созданные ранее конструктивные формы
арочных мостов.
Новые перспективы развития деревянных конструкций открылись в связи с
использованием в них металлопроката. Трудности стыкования растянутых
элементов из дерева привели к созданию металлодеревянных ферм. Такое
решение оказалось весьма надежным, оно массово используется также и в наши
дни. В 19-м веке эти конструкции широко применялись в России в
мостостроении.
Здесь, кроме других талантливых русских инженеров (Антонов, Крутиков,
Мельников и др.),
следует особо отметить Журавского Дмитрия Ивановича
(1821-1891 г.). В результате проведенных им теоретических и
экспериментальных исследований Журавский Д.И. разработал метод расчета
ферм, запатентованных их изобретателем Гау в Америке. Американские
инженеры не владели методикой расчета усилий в элементах таких ферм,
поэтому сечения элементов последних принимались одинаковыми по их длине.
Журавский Д.
И. в своих работах показал, что тяжи и раскосы, расположенные
вблизи опор ферм, нагружены больше, чем эти же элементы, но расположенные
ближе к середине пролета. Последнее обстоятельство позволило в России
называть фермы Гау фермами ГауЖуравского.
Журавским Д.И. также была проделана большая работа по изучению
прочностных свойств древесины при различных
напряженных состояниях:
растяжении, сжатии, изгибе, смятии и скалывании. Полученные при этом
результаты положены в основы проектирования деревянных конструкций.
Журавский Д.И. , при изучении работы изгибаемых элементов, впервые
открыл неизвестное до него явление скалывания при изгибе. Вывел формулу
для определения касательных напряжений при изгибе бруса прямоугольного
сечения и разработал метод расчета
составной деревянной балки, образованной
из брусьев, скрепленных шпонками.
6
Труды Журавского Д.И. столь значительны, что его можно считать одним
из основоположников русской школы деревянных конструкций.
Дальнейшее развитие промышленности в России способствовало
появлению новых конструкций, не похожих на ранее применявшиеся. Здесь
следует отметить работы выдающегося деятеля отечественной науки и техники
Шухова Владимира Григорьевича (1853-1939 г.). Шуховым В.Г. была
выдвинута
идея легких и экономичных сетчатых пространственных
конструкций. Им была разработана конструкция башни в виде гиперболоида
вращения. Несущей ее основой являлась система взаимно перекрещивающихся
прямых стержней, касающихся с двух сторон поверхности этого гиперболоида.
Шуховым В.Г. разработана конструкция пространственных сводчатых
покрытий из дерева. Они выполнялись из нескольких слоев расположенных
перекрестно гнутых тонких
досок, уложенных на пласть и сшитых гвоздями.
Устойчивость сводов обеспечивалась системой тяжей и затяжкой. Эти идеи
Шухова А.Г. нашли позднее широкое применение при строительстве двойных
гнутых сводов, безметалльных кружально-сетчатых сводов системы
Песельника, сетчатых башен-градирен и сетчатых сводов.
После октябрьского 1917 года переворота в России, теория и практика
применения
деревянных конструкций получила в нашей стране новое развитие,
которое было подчинено интересам её хозяйства и обороны. Появляются новые
оригинальные конструктивные решения деревянных конструкций.
При строительстве ЦАГИ были впервые использованы дощато-гвоздевые
конструкции в виде балок двутаврового сечения и рам с двойной перекрестной
стенкой из досок. Эти конструкции нашли массовое применение в
строительстве в периоды первых в стране пятилеток. В покрытиях зданий и
мостах применялись сегментные фермы и трехшарнирные арки из таких ферм.
Получили также распространение тонкостенные оболочки в конструкциях
сводов, куполов, башенных градирен и т.п. Эти конструкции на вязких
гвоздевых соединениях полностью соответствовали не только потребностям, но
и возможностям строительства
в начальный момент индустриализации России.
Обеспечивали темпы и экономичность строительства, были просты в
изготовлении и надежны в эксплуатации.
Наряду с дощатыми конструкциями в России были созданы новые формы
брусчатых конструкций. В 1933г. Деревягин разработал надежную конструкцию
составной безметалльной брусчатой балки на дубовых пластинчатых нагелях.
Применение этой конструкции стало возможно благодаря появлению
в
строительстве переносного электроцепнодолбежного станка. На основе этих
балок были созданы сборные крупноблочные фермы с верхним сжато-
изогнутым поясом и с нижним растянутым поясом из прокатного металла.
7
Развивались также и средства соединения деревянных конструкций. Ими
являлисьгвозди из проволоки, пластинчатые нагели Деревягина, когтевые
шайбы Леннова, а позднее, и клеестальные шайбы и металлические зубчатые
пластины (МЗП).
Все достижения в области деревянных конструкций были использованы в
трудные для России годы Отечественной войны, начавшейся в 1941-м году.
Тогда, в условиях
острого дефицита металла, выявилось большое оборонное
значение деревянных конструкций.
Еще до войны были начаты исследования в области клееных конструкций.
Были применены почти все разновидности этих конструкцийбалки, арки,
рамы и фермы. Заметим, что клееные конструкции полностью отвечали
требованиям индустриализации, поэтому они получили дальнейшее
интенсивное развитие.
В отличие от дерева, этого природного
полимерного материала,
пластмассы получили применение в строительстве лишь несколько десятилетий
тому назад. С развитием коксохимической промышленности и теоретической
химии в начале 20-го века возникло промышленное производство
синтетических высокомолекулярных соединений и смол. Эти материалы
получили применение в строительстве как конструкционные, т.е. работающие в
условиях напряженного состояния. Получил внедрение новый вид
конструкций
из полимерных материаловпневматические конструкции.
1. Древесина, как конструкционный строительный
материал, её свойства, достоинства и недостатки
1.1. Свойства древесных пород, их достоинства и недостатки
Древесинаэто ценный конструкционный материал, являющийся
продуктом леса. Обширные леса занимают почти половину территории России.
Основная масса лесов расположена в районах Сибири и Дальнего Востока и на
севере Европейской части страны.
Хвойные породы занимают 3/4 части наших лесов, из них 2/5 части лесов
занимает
лиственница, 1/6 – осина, 1/8 – ель и меньшие площади занимают
пихта и кедр.
Лиственные породы занимают 1/4 часть лесов. Наиболее распространенной
лиственной породой является береза. Дуб, бук, осина и другие лиственные
породы занимают меньшие площади.
8
Заготовленный лес в виде отрезков стволов стандартной длины
доставляется автомобильным, железнодорожным и водным транспортом или
сплавом по рекам на деревообрабатывающие предприятия, которые выпускают
пиломатериал, фанеру, древесные плиты, деревянные конструкции и
строительные детали.
Строительство в настоящее время снабжается преимущественно
пиломатериалами, готовыми изделиями и конструкциями. Круглый лес
поставляется только по специальному заказу.
В процессе переработки древесины часть ее уходит в отходы. Причем,
объем отходов достаточно велик, и их утилизация является промышленной
проблемой. Из отходов древесины производят древесностружечные и
древесноволокнистые плиты, что позволяет экономить деловую древесину.
Хвойную древесину используют для изготовления основных элементов
деревянных конструкций и деталей. Прямые стволы с небольшим количеством
сучков ограниченных
размеров позволяют получить прямослойные
пиломатериалы с небольшим числом пороков. В связи с тем, что хвойная
древесина содержит смолы, она лучше сопротивляется увлажнению и
загниванию.
Сосновая древесина отличается наиболее высоким качеством.
Еловая древесина близка по качеству к древесине сосны. Пихта и кедр
имеют несколько меньшую прочность.
Лиственница по прочности и стойкости
к загниванию превосходит
сосновую древесину, но имеет пониженную прочность на скалывание.
Древесина большинства лиственных пород менее прямослойна, имеет
большое количество сучков и более подвержена загниванию, чем хвойная
древесина. Она почти не применяется для изготовления основных элементов
деревянных конструкций.
Дубовая древесина выделяется среди лиственных пород повышенной
прочностью и стойкостью к загниванию. Но
, в связи с ее относительной
дефицитностью и повышенной стоимостью, древесина дуба используется в
строительных конструкциях лишь для изготовления различных соединительных
элементов (упоров, нагелей, шпонок и т.п.).
Березовая древесина относится к лиственным твёрдым породам. Её
используют, главным образом, для изготовления строительной фанеры.
Осиновая, тополевая и др. древесина мягких лиственных пород
имеет
пониженную прочность и нестойка к загниванию. Поэтому она используется
для изготовления малонагруженных элементов временных зданий и
сооружений.
9