Строительные конструкции изготовляют обычно из хвойных пород древесины - сосны, ели, лиственницы, пихты, кедра.
(Эти породы характеризуются прямолинейностью, их механические свойства лучше, чем у лиственных пород, и они обладают большей стойкости против гниения благодаря смолистости)
Твердые лиственные породы (дуб, бук, граб и др.) применяют в конструкциях, чаще всего, для изготовления мелких ответственных деталей (нагелей, шпонок, прокладок, подушек и др.).
Мягкие лиственные породы (осина, ольха, тополь и др.) и малоценные (берёза) применяют для конструкций временных сооружений, опалубки, лесов-подмостей и клееных конструкциях.
Березу используют, в основном, для изготовления строительной фанеры и слоистых пластиков.
О химическом составе и основных компонентах древесины можно прочитать здесь: https://porebrick.blogspot.com/2020/06/drevesina-himicheskii-sostav.html
Достоинства древесины как строительного материала конструкций (Плюсы):
- древесина - самовозобновляющийся строительный материал (ресурс)
- древесина широко распространена, относительно легко добываема (большая сырьевая база, относительная простота добывания материала)
- древесина может транспортироваться за счёт сплава россыпью или в плотах
- древесина обладает высокой удельной прочностью (относительно высокой прочностью при относительно малой массе)
(удельная прочность - отношение расчётного сопротивления к плотности материала)
Удельная (относительная) прочность древесины превышает таковую у железобетона и близка к удельной прочности малоуглеродистой стали.
Поэтому конструкции из дерева получаются относительно легкими и транспортные расходы оказываются относительно меньшими.
Также невысокая плотность древесины позволяет снизить долю собственного веса конструкций в общей сумме нагрузок, что даёт преимущество конструкциям из древесины при проектировании большепролетных конструкций.
Прочность древесины зависит от влажности. Так, например, для сравнения прочности древесины различной влажности, прочность пересчитывают на влажность 12%.
Нормами рекомендуются предельные значения влажности для конструкций, эксплуатируемых в различных условиях.
- древесина хорошо сопротивляется ударным и вибрационным нагрузкам
- достаточная долговечность
- технологичность изготовления конструкций, простота обработки и монтажа
Способность склеиваться и возможность быстрого соединения деталей гвоздями облегчает изготовление и монтаж деревянных конструкций, делает возможным ускоренную обработку сырья и производство элементов конструкций с применением широкой механизации, что способствует уменьшению сроков строительства и удешевлению сооружений.
- малые значения коэффициентов температурного расширения вдоль волокон
Весьма малое расширение от тепла позволяет в соответствующих случаях при возведении протяжённых сооружений отказаться от температурных швов, обязательных при других материалах (например, металл, железобетон).
- относительно малая теплопроводность
Пористое строение древесины придаёт ей высокие теплоизоляционные свойства.
Теплопроводность воздушно-сухой древесины составляет около 0,17 Вт/(м·к)
(Вследствие чего деревянные стены жилых строений могут быть тоньше, например, чисто кирпичных стен. Это позволяет использовать дерево одновременно как ограждающий и несущий материал, поэтому древесину часто применяют для устройства каркаса и обшивки ограждающих конструкций зданий)
- относительно высокая химическая стойкость
Дерево как строительный материал отличается повышенной сопротивляемостью к химическим воздействиям: не подвержено разрушению слабыми растворами кислот и щелочей, и в этом имеет определенное превосходство перед большинством металлов.
Тем не менее древесина разрушается под воздействием кислот и щелочей, если их концентрация высока.
Вследствие этого там, где металлы быстро разъедаются выделяемыми парами и газами может быть рекомендовано применение деревянных конструкций.
Кислород практически не оказывает негативного влияния на древесину, и под водой деревянные конструкции могут существовать неограниченно долго.
О защите древесины от химически агрессивных сред можно прочитать здесь: https://porebrick.blogspot.com/2020/07/zashita-drevesini-ot-himicheskoi-agressii.html
- отсутствие ограничений при сезонных работах
- при скором наступлении разрушений древесина начинает потрескивать, предупреждая об аварии
- при пожаре деревянные конструкции, в отличие от, например, металлических, рушатся не сразу
О воздействии огня на древесину и защите древесины от возгорания можно прочитать здесь: http://porebrick.blogspot.com/2015/08/blog-post_4.html
- разрушению деревянных конструкций может сопутствовать сигнализирующий о них треск
Недостатки древесины как материала конструкций (Минусы):
- древесина не обладает текучестью (пластические деформации весьма малы)
- растительное происхождение древесины обуславливает большую изменчивость её свойств (например, сопротивление сжатию вдоль волокон древесины колеблется в диапазоне значений)
- анизотропия
(Древесина имеет различные свойства по трём главным осям: продольной (в направлении вдоль волокон), радиальной (в направлении сердцевинных лучей древесины) и тангенциальной (в направлении годичных слоёв))
Анизотропия возникает из-за параллельного расположения волокон древесины, ориентированного в направлении роста дерева.
Например, вследствие волокнистого строения для древесины усушка вдоль волокон в несколько десятков раз меньше, а сопротивление растяжению больше, чем поперёк волокон и т.п.
- низкая биостойкость
Как вещество органического состава древесина может служить пищей для низших организмов (грибы) - загнивать и подвергаться поражению насекомых (например, древоточцами)
О защите древесины от гниения, антисептировании можно прочитать здесь: https://porebrick.blogspot.com/2020/06/drevesina-zashita-ot-gnienia.html
О мерах борьбы с насекомыми (древоточцами) можно прочитать здесь: http://porebrick.blogspot.com/2015/10/blog-post_9.html
- сильная зависимость физико-механических свойств от температурно-влажностных условий эксплуатации и длительности действия нагрузок
- конструкции и элементы из цельной древесины ограничены длиной и размерами сечения
- цельная древесина имеет естественные пороки (сучки, косослой, сбежистость и др.)
- относительно низкая огнестойкость (древесина легковозгораема)
О воздействии огня на древесину и защите древесины от возгорания можно прочитать здесь: http://porebrick.blogspot.com/2015/08/blog-post_4.html
- низкие звукоизолирующие свойства
Вследствие жесткой клеточной структуры древесина обладает низкими звукоизолирующими свойствами.
(Деревянное перекрытие в акустическом отношении хуже, чем такое же перекрытие из железобетона).
И достоинства и недостатки (И плюсы и минусы):
- гигроскопичность (обладает способностью поглощать влагу из окружающего воздуха)
Поглощение влаги из окружающего воздуха влечёт за собой увеличение её веса, размеров (разбухание)(набухание) и снижение прочности.
При высыхании древесины вес и размеры её уменьшаются (усушка)(усадка), а прочность возрастает. Следствием изменения размеров могут быть формоизменяемость (коробление) и растрескивание.
Эти явления представляют отрицательные особенности древесины, однако иногда разбухание используется как положительное свойство (например, при изготовлении тары под жидкие товары, деревянных труб).
Степень набухания и усадки в направлении оси ствола невелика (осевое набухание), и ею можно пренебречь.
Радиальное набухание же может достигать 7% (граб), а тангенциальное - до 10% (орех).
Вырезанные из свежей древесины образцы деформируются при высыхании, причем эти деформации в заболони больше, чем в ядре; усадочные деформации отдельных участков поперечного сечения возрастают с увеличением расстояния конкретного участка от оси ствола.
Физические свойства древесины:
(Физическими свойствами называются свойства, наблюдаемые без изменения химического состава и цельности материала)
На физические свойства древесины оказывает сильное влияние волокнистое, ячеистое строение материала: из-за параллельного расположения волокон древесины, ориентированного в направлении роста дерева возникает анизотропия.
(Древесина - анизотропный материал, её характеристики зависят от направления рассмотрения свойств. Древесина имеет различные свойства по трём главным осям: продольной (в направлении вдоль волокон), радиальной (в направлении сердцевинных лучей древесины) и тангенциальной (в направлении годичных слоёв).
Влажность свежесрубленной древесины (процентное содержание свободной воды в полостях и гигроскопической влаги в клеточных оболочках) - достигает до 100%.
(В зависимости от условий эксплуатации сооружений влажность древесины, обычно, не должна превышать 20-25% для неклееных конструкций и 9-15% для клееных конструкций).
При высыхании размеры деревянных элементов сокращаются (усушка), а при увлажнении - увеличиваются (разбухание).
Наибольшую величину усушка имеет поперек волокон (в тангенциальном направлении до 6-10%, в радиальном до 3-5%), а вдоль волокон усушка значительно меньше - до 0,1-0,3%.
Теплопроводность древесины небольшая (имеет высокие теплоизоляционные свойства) благодаря её трубчатому ячеистому (пористому) строению (особенно поперёк волокон).
Теплопроводность воздушно-сухой древесины составляет около 0,17 Вт/(м·к)
Плотность древесины сравнительно не велика.
Плотность древесины зависит от влажности и существенно колеблется в пределах одной породы и даже одного ствола дерева.
Исключительно твердыми являются дуб, бук, клен, ясень и вяз.
Ель, пихта, липа, ива, и тополь считаются мягкими породами.
Ольха, лиственница и сосна занимают промежуточное положение.
Механические свойства древесины:
(способность древесины сопротивляться механическим усилиям)
Древесина - анизотропный материал, её характеристики зависят от направления рассмотрения свойств.
(Анизотропия возникает из-за параллельного расположения волокон древесины, ориентированного в направлении роста дерева)
Из-за анизотропии механические свойства древесины существенно зависят от направления действия усилий по отношению к направлению волокон материала.
Древесина имеет различные свойства по трём главным осям: продольной (в направлении вдоль волокон), радиальной (в направлении сердцевинных лучей древесины) и тангенциальной (в направлении годичных слоёв).
Для древесины выделяют направления вдоль волокон, поперёк волокон и под углом к волокнам.
При действии усилий вдоль волокон древесина показывает наибольшую прочность и наименьшую деформативность.
При действии усилий поперёк волокон прочность древесины минимальна, а деформативность максимальна.
Несущая способность древесины в направлении вдоль волокон во много раз выше, чем в поперечном направлении, так как мягкие весенние слои обладают малой прочностью.
Как правило, прочность на растяжение у древесины выше, чем прочность на сжатие.
Характер работы и прочность древесины определяются также видом напряженного состояния:
- при растяжении древесина деформируется почти как линейно-упругий материал, разрушение происходит хрупко от разрыва материала по неровной рваной поверхности
Пороки древесины особенно сильно влияют на прочность растянутых элементов.
(Поэтому для таких элементов, как правило, используют древесину первого сорта).
- при сжатии с ростом нагрузки деформация довольно быстро принимает нелинейный характер.
(В этом проявляется упругопластическая работа древесины)
Пороки древесины при сжатии влияют на прочность материала значительно меньше, чем при растяжении.
- при изгибе работа древесины также характеризуется существенной нелинейностью зависимости прогиба от нагрузки за счёт упругопластическо работы материала в сжатой зоне
Разрушение при изгибе начинается с образования складок в сжатой зоне и завершается разрывом крайних растянутых волокон.
- при сдвиге (скалывании) древесина работает наиболее слабо и разрушается хрупко
- сопротивление древесины смятию существенно зависит от размеров сминаемой части и отношения её площади ко всей площади образца
Прочность древесины в значительной степени зависит от содержания влаги: увеличение влажности древесины снижает её прочность, а уменьшение влажности древесины - повышает её прочность.
Свежесрубленное дерево содержит до 50% влаги. Наиболее благоприятная в прочностном отношении величина содержания влаги составляяет от 10 до 15%.
Повышение температуры до 50% снижает прочность древесины примерно на 20%, и понижает модуль упругости древесины, делает её более хрупкой.
Влияние на прочность и деформативность древесины характера нагрузок:
- при длительном нагружении прочность древесины уменьшается по сравнению с прочностью при кратковременном нагружении примерно в два раза
- вибрационные нагрузки значительно снижают прочность
- древесина обладает ползучестью: при постоянной нагрузке деформация древесины со временем значительно вырастает
Расщепляемость древесины, её раскалываемость, основаны на продольной структуре размещения растительных клеток, располагающихся вдоль продольной оси ствола.
С использованием материалов книги Б.А. Ягупов - "Строительные конструкции. Основания и фундаменты", Л.М. Перелыгин - "Древесиноведение" 1957, "Справочник по древесиноведению. Книга первая" - Гослесбумиздат 1959
(Эти породы характеризуются прямолинейностью, их механические свойства лучше, чем у лиственных пород, и они обладают большей стойкости против гниения благодаря смолистости)
Твердые лиственные породы (дуб, бук, граб и др.) применяют в конструкциях, чаще всего, для изготовления мелких ответственных деталей (нагелей, шпонок, прокладок, подушек и др.).
Мягкие лиственные породы (осина, ольха, тополь и др.) и малоценные (берёза) применяют для конструкций временных сооружений, опалубки, лесов-подмостей и клееных конструкциях.
Березу используют, в основном, для изготовления строительной фанеры и слоистых пластиков.
О химическом составе и основных компонентах древесины можно прочитать здесь: https://porebrick.blogspot.com/2020/06/drevesina-himicheskii-sostav.html
Достоинства древесины как строительного материала конструкций (Плюсы):
- древесина - самовозобновляющийся строительный материал (ресурс)
- древесина широко распространена, относительно легко добываема (большая сырьевая база, относительная простота добывания материала)
- древесина может транспортироваться за счёт сплава россыпью или в плотах
- древесина обладает высокой удельной прочностью (относительно высокой прочностью при относительно малой массе)
(удельная прочность - отношение расчётного сопротивления к плотности материала)
Удельная (относительная) прочность древесины превышает таковую у железобетона и близка к удельной прочности малоуглеродистой стали.
Поэтому конструкции из дерева получаются относительно легкими и транспортные расходы оказываются относительно меньшими.
Также невысокая плотность древесины позволяет снизить долю собственного веса конструкций в общей сумме нагрузок, что даёт преимущество конструкциям из древесины при проектировании большепролетных конструкций.
Прочность древесины зависит от влажности. Так, например, для сравнения прочности древесины различной влажности, прочность пересчитывают на влажность 12%.
Нормами рекомендуются предельные значения влажности для конструкций, эксплуатируемых в различных условиях.
- древесина хорошо сопротивляется ударным и вибрационным нагрузкам
- достаточная долговечность
- технологичность изготовления конструкций, простота обработки и монтажа
Способность склеиваться и возможность быстрого соединения деталей гвоздями облегчает изготовление и монтаж деревянных конструкций, делает возможным ускоренную обработку сырья и производство элементов конструкций с применением широкой механизации, что способствует уменьшению сроков строительства и удешевлению сооружений.
- малые значения коэффициентов температурного расширения вдоль волокон
Весьма малое расширение от тепла позволяет в соответствующих случаях при возведении протяжённых сооружений отказаться от температурных швов, обязательных при других материалах (например, металл, железобетон).
- относительно малая теплопроводность
Пористое строение древесины придаёт ей высокие теплоизоляционные свойства.
Теплопроводность воздушно-сухой древесины составляет около 0,17 Вт/(м·к)
(Вследствие чего деревянные стены жилых строений могут быть тоньше, например, чисто кирпичных стен. Это позволяет использовать дерево одновременно как ограждающий и несущий материал, поэтому древесину часто применяют для устройства каркаса и обшивки ограждающих конструкций зданий)
- относительно высокая химическая стойкость
Дерево как строительный материал отличается повышенной сопротивляемостью к химическим воздействиям: не подвержено разрушению слабыми растворами кислот и щелочей, и в этом имеет определенное превосходство перед большинством металлов.
Тем не менее древесина разрушается под воздействием кислот и щелочей, если их концентрация высока.
Вследствие этого там, где металлы быстро разъедаются выделяемыми парами и газами может быть рекомендовано применение деревянных конструкций.
Кислород практически не оказывает негативного влияния на древесину, и под водой деревянные конструкции могут существовать неограниченно долго.
О защите древесины от химически агрессивных сред можно прочитать здесь: https://porebrick.blogspot.com/2020/07/zashita-drevesini-ot-himicheskoi-agressii.html
- отсутствие ограничений при сезонных работах
- при скором наступлении разрушений древесина начинает потрескивать, предупреждая об аварии
- при пожаре деревянные конструкции, в отличие от, например, металлических, рушатся не сразу
О воздействии огня на древесину и защите древесины от возгорания можно прочитать здесь: http://porebrick.blogspot.com/2015/08/blog-post_4.html
- разрушению деревянных конструкций может сопутствовать сигнализирующий о них треск
Недостатки древесины как материала конструкций (Минусы):
- древесина не обладает текучестью (пластические деформации весьма малы)
- растительное происхождение древесины обуславливает большую изменчивость её свойств (например, сопротивление сжатию вдоль волокон древесины колеблется в диапазоне значений)
- анизотропия
(Древесина имеет различные свойства по трём главным осям: продольной (в направлении вдоль волокон), радиальной (в направлении сердцевинных лучей древесины) и тангенциальной (в направлении годичных слоёв))
Анизотропия возникает из-за параллельного расположения волокон древесины, ориентированного в направлении роста дерева.
Например, вследствие волокнистого строения для древесины усушка вдоль волокон в несколько десятков раз меньше, а сопротивление растяжению больше, чем поперёк волокон и т.п.
- низкая биостойкость
Как вещество органического состава древесина может служить пищей для низших организмов (грибы) - загнивать и подвергаться поражению насекомых (например, древоточцами)
О защите древесины от гниения, антисептировании можно прочитать здесь: https://porebrick.blogspot.com/2020/06/drevesina-zashita-ot-gnienia.html
О мерах борьбы с насекомыми (древоточцами) можно прочитать здесь: http://porebrick.blogspot.com/2015/10/blog-post_9.html
- сильная зависимость физико-механических свойств от температурно-влажностных условий эксплуатации и длительности действия нагрузок
- конструкции и элементы из цельной древесины ограничены длиной и размерами сечения
- цельная древесина имеет естественные пороки (сучки, косослой, сбежистость и др.)
- относительно низкая огнестойкость (древесина легковозгораема)
О воздействии огня на древесину и защите древесины от возгорания можно прочитать здесь: http://porebrick.blogspot.com/2015/08/blog-post_4.html
- низкие звукоизолирующие свойства
Вследствие жесткой клеточной структуры древесина обладает низкими звукоизолирующими свойствами.
(Деревянное перекрытие в акустическом отношении хуже, чем такое же перекрытие из железобетона).
И достоинства и недостатки (И плюсы и минусы):
- гигроскопичность (обладает способностью поглощать влагу из окружающего воздуха)
Поглощение влаги из окружающего воздуха влечёт за собой увеличение её веса, размеров (разбухание)(набухание) и снижение прочности.
При высыхании древесины вес и размеры её уменьшаются (усушка)(усадка), а прочность возрастает. Следствием изменения размеров могут быть формоизменяемость (коробление) и растрескивание.
Эти явления представляют отрицательные особенности древесины, однако иногда разбухание используется как положительное свойство (например, при изготовлении тары под жидкие товары, деревянных труб).
Степень набухания и усадки в направлении оси ствола невелика (осевое набухание), и ею можно пренебречь.
Радиальное набухание же может достигать 7% (граб), а тангенциальное - до 10% (орех).
Вырезанные из свежей древесины образцы деформируются при высыхании, причем эти деформации в заболони больше, чем в ядре; усадочные деформации отдельных участков поперечного сечения возрастают с увеличением расстояния конкретного участка от оси ствола.
Физические свойства древесины:
(Физическими свойствами называются свойства, наблюдаемые без изменения химического состава и цельности материала)
На физические свойства древесины оказывает сильное влияние волокнистое, ячеистое строение материала: из-за параллельного расположения волокон древесины, ориентированного в направлении роста дерева возникает анизотропия.
(Древесина - анизотропный материал, её характеристики зависят от направления рассмотрения свойств. Древесина имеет различные свойства по трём главным осям: продольной (в направлении вдоль волокон), радиальной (в направлении сердцевинных лучей древесины) и тангенциальной (в направлении годичных слоёв).
Влажность свежесрубленной древесины (процентное содержание свободной воды в полостях и гигроскопической влаги в клеточных оболочках) - достигает до 100%.
(В зависимости от условий эксплуатации сооружений влажность древесины, обычно, не должна превышать 20-25% для неклееных конструкций и 9-15% для клееных конструкций).
При высыхании размеры деревянных элементов сокращаются (усушка), а при увлажнении - увеличиваются (разбухание).
Наибольшую величину усушка имеет поперек волокон (в тангенциальном направлении до 6-10%, в радиальном до 3-5%), а вдоль волокон усушка значительно меньше - до 0,1-0,3%.
Теплопроводность древесины небольшая (имеет высокие теплоизоляционные свойства) благодаря её трубчатому ячеистому (пористому) строению (особенно поперёк волокон).
Теплопроводность воздушно-сухой древесины составляет около 0,17 Вт/(м·к)
Плотность древесины сравнительно не велика.
Плотность древесины зависит от влажности и существенно колеблется в пределах одной породы и даже одного ствола дерева.
Исключительно твердыми являются дуб, бук, клен, ясень и вяз.
Ель, пихта, липа, ива, и тополь считаются мягкими породами.
Ольха, лиственница и сосна занимают промежуточное положение.
Механические свойства древесины:
(способность древесины сопротивляться механическим усилиям)
Древесина - анизотропный материал, её характеристики зависят от направления рассмотрения свойств.
(Анизотропия возникает из-за параллельного расположения волокон древесины, ориентированного в направлении роста дерева)
Из-за анизотропии механические свойства древесины существенно зависят от направления действия усилий по отношению к направлению волокон материала.
Древесина имеет различные свойства по трём главным осям: продольной (в направлении вдоль волокон), радиальной (в направлении сердцевинных лучей древесины) и тангенциальной (в направлении годичных слоёв).
Для древесины выделяют направления вдоль волокон, поперёк волокон и под углом к волокнам.
При действии усилий вдоль волокон древесина показывает наибольшую прочность и наименьшую деформативность.
При действии усилий поперёк волокон прочность древесины минимальна, а деформативность максимальна.
Несущая способность древесины в направлении вдоль волокон во много раз выше, чем в поперечном направлении, так как мягкие весенние слои обладают малой прочностью.
Как правило, прочность на растяжение у древесины выше, чем прочность на сжатие.
Характер работы и прочность древесины определяются также видом напряженного состояния:
- при растяжении древесина деформируется почти как линейно-упругий материал, разрушение происходит хрупко от разрыва материала по неровной рваной поверхности
Пороки древесины особенно сильно влияют на прочность растянутых элементов.
(Поэтому для таких элементов, как правило, используют древесину первого сорта).
- при сжатии с ростом нагрузки деформация довольно быстро принимает нелинейный характер.
(В этом проявляется упругопластическая работа древесины)
Пороки древесины при сжатии влияют на прочность материала значительно меньше, чем при растяжении.
- при изгибе работа древесины также характеризуется существенной нелинейностью зависимости прогиба от нагрузки за счёт упругопластическо работы материала в сжатой зоне
Разрушение при изгибе начинается с образования складок в сжатой зоне и завершается разрывом крайних растянутых волокон.
- при сдвиге (скалывании) древесина работает наиболее слабо и разрушается хрупко
- сопротивление древесины смятию существенно зависит от размеров сминаемой части и отношения её площади ко всей площади образца
Прочность древесины в значительной степени зависит от содержания влаги: увеличение влажности древесины снижает её прочность, а уменьшение влажности древесины - повышает её прочность.
Свежесрубленное дерево содержит до 50% влаги. Наиболее благоприятная в прочностном отношении величина содержания влаги составляяет от 10 до 15%.
Повышение температуры до 50% снижает прочность древесины примерно на 20%, и понижает модуль упругости древесины, делает её более хрупкой.
Влияние на прочность и деформативность древесины характера нагрузок:
- при длительном нагружении прочность древесины уменьшается по сравнению с прочностью при кратковременном нагружении примерно в два раза
- вибрационные нагрузки значительно снижают прочность
- древесина обладает ползучестью: при постоянной нагрузке деформация древесины со временем значительно вырастает
Расщепляемость древесины, её раскалываемость, основаны на продольной структуре размещения растительных клеток, располагающихся вдоль продольной оси ствола.
С использованием материалов книги Б.А. Ягупов - "Строительные конструкции. Основания и фундаменты", Л.М. Перелыгин - "Древесиноведение" 1957, "Справочник по древесиноведению. Книга первая" - Гослесбумиздат 1959
Комментариев нет:
Отправить комментарий