Конструкции из дерева и пластмасс. Лекция 1

«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»