Сортамент, пороки и качество древесины
Лекция 1
Краткий исторический обзор развития деревянных конструкций
Дерево – один из первых строительных материалов, примененных человеком для постройки жилищ, мостов и других сооружений.
Изба XVII век
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.
Сибирский острог XVIII век
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.
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.
Главная башня Николо-Карельского монастыря (под Архангельском) XYIII век
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.
Манеж. Москва 1817 год. L= 48 м
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 18 века, просуществовала также до наших дней.
|
|
|
Адмиралтейство. 1736 г. H=72 м
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).
Ферма Гау-Журавского с перекрестной решеткой
Развитие пространственных систем деревянных конструкций связано с Владимиром Григорьевичем Шуховым (1853-1939).
Сетчатая башня-градирня системы Шухова
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. 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.
|
|
|
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).
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.
Покрытие общественного центра «Липки» (Подмосковье) диаметром 100 м (монтаж).
Бассейн Чайка в Москве. 1980 г.
Клееные конструкции покрытия легкоатлетического манежа в Минске L=50 м (монтаж)
Ледовый дворец в Зонтхофене (Германия). ХХ век
Клееные деревянные конструкции
Наша страна является первой в мире по количеству лесных площадей, которые занимаю почти половину территории России - примерно 12,3 млн. км2. Основная часть лесов России, около3/4, расположена в районах Сибири, Дальнего Востока, в северных областях европейской части страны. Преобладающими породами являются хвойные: 37% лесов занимает лиственница, 19% - сосна, 20% - ель и пихта, 8% - кедр. Лиственные породы занимают около ¼ площади наших лесов. Наиболее распространенной породой является береза, занимающая около 1/6 общей площади лесов.
|
|
|
Запасы древесины в наших лесах составляют около 80 млрд. м3. Ежегодно заготавливается около 280 млн. м3. деловой древесины, т.е. пригодной для изготовления конструкций и изделий. Однако, это количество далеко не исчерпывает естественного годового прироста древесины в отдаленных районах Сибири и Дальнего Востока.
Заготовленный лес в виде отрезков стволов стандартной длины доставляется автомобильным, железнодорожным и водным транспортом или путем сплава по рекам и озерам 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, 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. Хвойная древесина содержит смолы, благодаря чему она лучше сопротивляется увлажнению и загниванию, чем лиственная.
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. Нуждается в защите от загнивания.
Достоинства и недостатки древесины
Достоинства:
· широкая, постоянно возобновляемая сырьевой база;
· легкий материал (плотность 500 кг/м3);
· высокая удельная прочность - отношение предела прочности при растяжении вдоль волокон к плотности: 100/500 = 0,2 (примерно равная стали);
· стойкость к солевой агрессии, к воздействию других химически агрессивных сред;
· биологическая совместимость с человеком - в зданиях из древесины наилучший микроклимат;
· материал плохо проводит тепло (низкая теплопроводность);
· малый коэффициент линейного расширения вдоль волокон - в деревянных зданиях нет необходимости устраивать температурные швы и подвижные опоры;
· меньшая трудоемкость механической обработки, возможность создания гнутоклееных конструкций.
Недостатки:
· анизотропия строения древесины;
· подверженность загниванию и поражению жуками-древоточцами;
· сгораемость в условиях пожара;
· изменение физико-механических характеристик под воздействием различных факторов (влаги, температуры);
· усушка, разбухание, растрескивание под влиянием атмосферных воздействий;
· наличие пороков (сучки, косослой и других), существенно снижающих качество изделий и конструкций;
· ограниченность сортамента лесоматериалов.
Строение древесины
В результате растительного происхождения древесина имеет трубчатое слоисто-волокнистое строение. Основную массу древесины составляют древесные волокна, расположенные вдоль ствола. Они состоят из удлиненных пустотелых оболочек отмерших клеток (трахеидов, длиной порядка 3 мм) органических веществ (целлюлозы и легнина).
Древесные волокна располагаются концентрическими слоями вокруг оси ствола, которые называются годичными слоями, т.к. каждый слой нарастает в течение года. Они хорошо заметны в виде ряда колец на поперечных разрезах ствола, особенно хвойных деревьев. По их количеству можно определить возраст дерева.
Каждый годичный слой состоит из двух частей. Внутренний слой (более широкий и светлый) состоит из мягкой ранней древесины, образующейся весной, когда дерево растет быстро. Клетки ранней древесины имеют более тонкие стенки и широкие полости. Клетки поздней древесины имеют более толстые стенки и узкие полости. Прочность и плотность древесины зависит от относительного содержания в ней поздней древесины.
Средняя часть стволов древесины хвойных пород имеет более темный цвет, содержит больше смолы и называется ядро. Затем идет заболонь и, наконец, кора.
Кроме того в древесине имеются горизонтальные сердцевинные лучи, мягкая сердцевина, смоляные ходы, сучки.
Сортамент, пороки и качество древесины
Лесоматериалы, получаемые строительством, делят на круглые и пилёные.
Круглые лесоматериалы, называемые также бревнами, представляют собой части древесных стволов с гладко опиленными концами – торцами. Бревна имеют естественную усечено-коническую форму. Уменьшение их толщины по длине называется сбегом. В среднем сбег составляет 0,8 см на 1 м длины (для лиственницы 1 см на 1 м длины) бревна. Средние бревна имеют толщину от 14 до 24 см крупные – до 26 см. Бревна толщиной 13 см. и менее используют для временных построечных сооружений.
Пиломатериалы получают в результате продольной распиловки бревен на лесопильных рамах или круглопильных станках. Они имеют прямоугольное или квадратное сечение. Более широкие стороны пиломатериалов называют пластями, а узкие – кромками. Пиломатериалы имеют стандартную длину 1 – 6,5 м. с градацией через каждые 0,25 м. Ширина пиломатериалов колеблется от 75 до 275 мм, толщина – от 16 до 250 мм.
Качество лесоматериалов определяется, в основном, степенью однородности строения древесины, от которой зависит ее прочность. Степень однородности древесины определяется размерами и количеством участков, где однородность ее строения нарушена и прочность снижена. Такие участки называют пороками.
Основными недопустимыми пороками древесины являются: гниль, червоточины и трещины в зонах скалывания в соединениях.
Наиболее распространенными и неизбежными пороками древесины являются сучки – заросшие остатки бывших ветвей дерева. Сучки являются допустимыми с ограничениями пороками.
Наклон волокон (косослой) относительно оси элемента так же является допустимым с ограничением пороком. Он образуется в результате природного винтообразного расположения волокон в стволе, а так же при распиловке бревен в результате их сбега. 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.
Качество лесоматериалов определяется сортом (отборный, I, II, III, IV), устанавливаемым в зависимости от вида, величины, расположения и количества пороков. Древесина для несущих элементов деревянных конструкций должна удовлетворять требованиям I, II и III сортов.
Древесина I сорта используется в наиболее ответственных напряженных растянутых элементах. Это отдельные растянутые стержни и доски растянутых зон клееных балок высотой сечения более 50 см
Косослой ≤ 7%.
Суммарный диаметр сучков на длине 20 см d ≤ 1/4b.
Древесина II сорта используется в сжатых и изгибаемых элементах. Это отдельные сжатые стержни, доски крайних зон клееных балок высотой менее 50 см.; доски крайней сжатой зоны и растянутой зоны, расположенной выше досок 1-го сорта в клееных балках высотой более 50 см., доски крайних зон рабочих клееных сжатых, изгибаемых и сжато-изогнутых стержней.
Косослой ≤10%.
Суммарный диаметр сучков на длине 20 см d ≤ 1/3b.
Древесина III сорта используется в менее напряженных средних клееных сжатых, изгибаемых и сжато-изгибаемых элементов, а также в мало ответственных элементах настилов и обрешеток.
Косослой ≤12%.
Суммарный диаметр сучков на длине 20 см d ≤ 1/2b.
Свойства древесины
Физические свойства
Плотность. Древесина относится к классу легких конструкционных материалов. Ее плотность зависит от относительного объема пор и содержания в них влаги. Стандартная плотность древесины должна определяться при влажности 12%. Свежерубленая древесина имеет плотность 850 кг/м3. Расчетная плотность древесины хвойных пород в составе конструкций в помещениях со стандартной влажностью воздуха 12% принимают равной 500 кг/м3., в помещении с влажностью воздуха более 75% и на открытом воздухе – 600 кг/м3.
Температурное расширение. Линейное расширение при нагревании, характеризуемое коэффициентом линейного расширения, в древесине различно вдоль и под углами к волокнам. Коэффициент линейного расширения α вдоль волокон составляет (3 ÷ 5) ∙ 10-6, что позволяет строить деревянные здания без температурных швов. Поперек волокон древесины этот коэффициент меньше в 7 – 10 раз.
Теплопроводность древесины благодаря ее трубчатому строению очень мала, особенно поперек волокон. Коэффициент теплопроводности сухой древесины поперек волокон λ ≈ 0,14Вт/м∙ºС. Брус толщиной 15 см эквивалентен по теплопроводности кирпичной стене толщиной в 2,5 кирпича (51 см)воле, а так жетакже при распиловке бревен в результате их сбега.
ластями, опильных станках. .- торцами.ниванию, чем хвой.
Теплоемкость древесины значительна, коэффициент теплоемкости сухой древесины составляет С = 1,6КДЖ/кг∙ºС.
Еще одним ценным свойством древесины является ее стойкость ко многим химическим и биологическим агрессивным среда. Она является химически более стойким материалом, чем металл и железобетон. При обычной температуре плавиковая, фосфорная и соляная (низкой концентрации) кислоты не разрушают древесину. Большинство органических кислот при обычной температуре не ослабляют древесину, поэтому она часто используется для конструкций в условиях химически агрессивных сред.
Влажность. В древесине различают две формы влаги: свободную (капиллярную) - заполняющую полости клеток и межклеточное пространство, и связанную (гигроскопическую) - находящуюся в клеточных оболочках. В воде древесина не гниет. В качестве конструктивного материала используется древесина влажность, которой составляет 12%. А в свободном состоянии влажность составляет около 70%, для приведение этого показателя к 12% необходимо древесину просушить.
Сушка
Сушкой древесины называется процесс удаления влаги из древесины путем испарения, Используются три способа сушки пиломатериалов: естественная (атмосферная), искусственная (камерная) и комбинированная (атмосферная + камерная).
Удаление свободной влаги происходит сравнительно легко, без изменения линейных размеров и объема, уменьшается только плотность древесины.
Сушка древесины - важнейший этап в процессе изготовления деревянных конструкций. Неравномерная сушка приводит к деформациям деревянных элементов, появлению радиальных и продольных усушных трещин. Чем медленнее идет процесс сушки, тем меньше внутренние напряжения, возникающие за счет изменения размеров деревянного элемента, и меньше вероятность появления дефектов.
Пиломатериалы для изготовления несущих ДК рекомендуется сушить в две стадии: 1) естественная сушка до влажности 25...30%, 2) камерная сушка при мягких режимах до стандартной влажности 12%.
Дата добавления: 2019-02-13; просмотров: 167; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!