2.5.7 Древесина и пластмассы для инженерных конструкций. Конструкционная древесина. Конструкционные пластмассы. ФМХ древесины и пластмасс, нормативные и расчётные сопротивления.

Древесина и пластмассы для инженерных конструкций

1.1. Достоинства и недостатки древесины

К основным достоинствам древесины относятся:

Малый вес.

Прочность.

Температурное расширение.

Теплопроводность.

Древесине, как и другим материалам, присущи недостатки:

Неоднородность, анизотропность древесины и пороки. Неоднородность древесины проявляется в различии строения и свойств годовых слоев, образующихся в процессе роста дерева в зависимости от условий внешней среды, т.е. климатических условий, различных районов, экологии, продолжительности зимнего и летнего периодов. Неоднородность древесины сказывается на изменчивости показателей прочности, что усложняет получение достоверных расчетных характеристик древесины.

Зависимость физико-механических свойств древесины от влажности. Древесина обладает способностью впитывать в себя влагу ввиду своей гигроскопичности. От количества влаги в древесине в значительной мере зависят и ее физико-механические свойства. Большое количество влаги может в значительной мере нивелировать некоторые достоинства древесины

Для строительства различают древесину:

- сырую с влажностью выше 25%;

- полусухую с влажностью 12-25%;

- воздушно-сухую с влажностью 6-12%.

1.2. Строение древесины и физические свойства

Для того, чтобы понять общие принципы конструирования деревянных конструкций, прежде всего, надо знать строение древесины. Знание в этой области позволяет разобраться, как работает древесина при различных видах напряженных состояниях.

Наружный слой состоит из коры - 1 и луба - 2. Под лубом находится тонкий слой камбия - 3. Назначение луба в растущем дереве - проводить вниз по стволу образующиеся в листьях питательные органические вещества.

Для конструкций, эксплуатируемых на открытом воздухе или в закрытых помещениях с высокой влажностью более 75%, плотность сосны и ели составляет 600 кг/м3, а лиственницы 800 кг/м3.

Теплопроводность древесины зависит от плотности, влажности и направления волокон. При равной плотности и влажности теплопроводность поперек волокон в 2,5-3 раза меньше, чем вдоль волокон.

В практике проектирования температурные деформации практически не рассматриваются, т. к. коэффициент линейного расширения вдоль волокон незначителен.

Породы древесины, их свойства

В строительстве используют как хвойные, так и лиственные породы древесины. К первым относятся сосна, ель, пихта, лиственница, кедр; ко вторым —береза, осина, тополь, дуб, бук, ольха, липа и др.

Хвойные породы древесины применяются как в круглом виде, так и в виде пиломатериалов для изготовления свай, ряжей, опор линий связи и электропередач, мостов, ферм, арок элементов жилых домов и объектов промышленного назначения столярных и погонажных изделий и других деталей и конструкций.

Лиственные породы составляют 10—15% общего объема потребляемой в строительстве древесины и применяются в менее ответственных, ненесущих конструктивных элементах зданий и сооружений, а также для устройства временных построечных сооружений, складов, навесов, ограждений территории и котлованов и как подсобный материал при производстве строительных и монтажных работ: леса, подмости, опалубка для крепления котлованов и др.

Наибольшая допускаемая влажность древесины, применяемой для изготовления-несущих строительных конструкций, не должна превышать 25%; влажность древесины, используемой для устройства временных зданий и сооружений, не ограничивается.

Основными пороками древесины являются: сучки, косослой, трещины и гнили.

Сучки. Количество, величина и расположение сучков оказывают значительное влияние на прочностные показатели древесины. Сучки бывают здоровые, сросшиеся с с древесиной (без признаков гнили), выпадающие, ротовые, окрашенные, рыхлые и табачные.

Внешняя поверхность выпадающих сучков не имеет связи с окружающей древесиной и при распиловке круглого леса такие сучки легко выпадают. Роговые сучки имеют темную и более плотную по сравнению с окружающей древесиной структуру. Окрашенные сучки (потемневшие) свидетельствуют о начальной стадии загнивания.

Химическая сущность пластмасс. Пластмассами называют материалы, которые в качестве основного компонента содержат синтетический полимер.

Полимеры, являющиеся основой пластмасс, представляют собой высокомолекулярные соединения, молекулы которых состоят из многих элементарных звеньев одинаковой структуры. Эти звенья соединены между собой ковалентными связями в длинные цепи или образуют жесткие и пластичные пространственные решетки.

Полимеры получают из исходным низкомолекулярных органических веществ (мономеров), отдельные молекулы которых благодаря двойным или тройным связям способны взаимосоединяться с образованием молекул удвоенной (димер), утроенной (тример) или многократно увеличенной молекулярной массы (полимер).

Влага в пластиках. При длительном действии влажной среды ДВП поглощают значительное количество влаги, в результате чего набухают и теряют прочность. При водопоглощении древесно-стружечные плиты разбухают. Введение гидрофобных добавок снижает разбухание плит на 10 %.

Расчетные сопротивления материалов, эксплуатируемых в условиях повышенной влажности определяют умножением на соответствующий коэффициент. Для стеклопластиков при длительном увлажнении он варьируется от 0,5-0,7; при длительном пребывании при влажности 90% - от 0,75-0,85.

К пластмассам, применяемым в строительных конструкциях, относятся стеклопластики, оргстекло, винипласты, пенопласты, сотопласты, древесные пластики, синтетические клеи и др.

К строительным конструкциям с применением пластмасс относятся: трехслойные конструкции (плоские панели, складки, оболочки, своды и т. п.) с обшивками из высокопрочных листовых материалов (металла, асбестоцемента, фанеры, стеклопластика) и средним слоем из пенопласта или сотопласта; трехслойные конструкции с ребристым средним слоем; однослойные и многослойные светопрозрачные элементы ограждений (панели, купола, волнистые листы) из полиэфирного стеклопластика, оргстекла и винипласта, пневматические (надувные) и тентовые конструкции из воздухонепроницаемых тканей и пленок.

Применение пластмасс в конструкциях наиболее целесообразно в случаях, когда необходимо уменьшить вес конструкций: при строительстве в районах вечномерзлых грунтов, просадочных грунтов, на подрабатываемых территориях, когда надо сократить объем транспортных и строительно-монтажных работ, особенно при строительстве в отдаленных и труднодоступных районах, когда требуется облегчить монтаж и демонтаж сборно-разборных конструкций и уменьшить мощность подъемно-транспортного оборудования. Целесообразно, применение конструкций с использованием пластмасс для повышения надежности сооружений при их эксплуатации в агрессивных средах, районах высокой сейсмичности, а также для исключения влияния магнитных свойств строительных конструкций и возможности искрообразования.