Современные материалы для конструкций из дерева и пластмасс

Лекция 1. Часть 2. Современные материалы для конструкций из дерева и пластмасс Раздел 1 СОВРЕМЕННЫЕ МАТЕРИАЛЫ  ДЛЯ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ ДЕРЕВА И ПЛАСТМАСС Для строительных деревянных несущих и ограждающих конструкций применяют цельную и клееную древесину, материалы, изготовленные на ее основе, а также синтетических полимерных материалов.   • Пиломатериалы Рекомендуемый сортамент пиломатериалов из древесины сосны и ели, являющихся основными материалами для конструкций из цельной и клееной древесины. Основные типы пиломатериалов представлены на рисунке 1.1. Доски, бруски, брусья в элементах конструкций из цельной древесины применяются без специальной механической обработки. Для многослойных клееных элементов применяют пиломатериалы, фрезерованные перед склеиванием заготовок. Доски фрезеруются с обеих пластей на толщину. В клееном элементе расчетная толщина доски принимается номинальной с учетом припусков на фрезерование. Для прямолинейных клееных элементов следует принимать доски толщиной 30...50 мм, а для криволинейных – 19...35 мм по сортаменту. а – двухкантный брус; б – трехкантный брус; в – четырехкантный брус; г – необрезная доска; д – чистообрезная доска: 1 – пласть; 2 – кромка;  3 – ребро; 4 – торец; е – обрезная доска с тупым обзолом; ж – обрезная доска с острым обзолом; з – брусок; и – горбыль; к – шпала необрезная;  л – шпала обрезная Рисунок 1.1 – Виды пиломатериалов: Можно применять в конструкциях пиломатериалы из осины и лиственницы с соблюдением специальных требований. Соединение короткомерных однослойных заготовок в протяженные слои осуществляется склеиванием зубчатым шипом. Влажность досок допускается не выше 12%, клеи марок ФР-12, ФРФ-50 и др. Допустимое количество и место расположения стыков по длине несущих элементов регламентируются соответствующими техническими условиями. Лесоматериалы разделяются на сорта в зависимости от величины и вида пороков древесины в них. В строительных конструкциях применяются лесоматериалы 1-го, 2-го и 3-го сортов. Пороки по-разному сказываются при работе древесины на растяжение, сжатие, изгиб, скалывание, смятие, поэтому сортность пиломатериалов выбирается соответственно работе элемента в конструкции. В зависимости от температурно-влажностных условий эксплуатации к влажности древесины в элементах конструкций должны предъявляться соответствующие требования.   • Строительная фанера К строительной фанере относится клееная фанера по ГОСТ 3916-96 марок ФСФ, ФКсортов не ниже В/ВВ (рисунок 1.2) и бакелизированная фанера марок ФБС, ФБВ и ФБС-А по ГОСТ 11539-83*(рисунок 1.3). Фанера толщиной более 15 мм называется фанерными плитами. Фанерные плиты (ГОСТ 8673-93) подразделяются на следующие марки: ПФ-А, ПФ-Б, ПФ-В. Фанера марки ФСФ обладает повышенной водостойкостью и рекомендуется для клеефанерных конструкций. Фанера марки ФК является фанерой средней водостойкости и рекомендуется для конструкций, устанавливаемых внутри помещений. Рисунок 1.2 – Строительная фанера Фанера, изготовленная из древесины лиственницы, дешевле фанеры из березовой древесины, и ей следует отдавать предпочтение в строительных конструкциях. Бакелизированная фанера используется в специальных и ответственных конструкциях. Из строительной фанеры изготавливаются профили – швеллеры, уголки, трубы и пр., которые могут применяться в стержневых конструкциях и как элементы трехслойных плит. Рисунок 1.3 – Бакелизированная фанера   • Древесные пластики Прочность древесных пластиков выше, чем цельной древесины и фанеры вследствие уплотнения материала прессованием тонких слоев шпона, пропитанных прочными и водостойкими смолами. Основные виды ДСП (рисунок 1.4). Ввиду относительно высокой их стоимости этот листовой материал использу­ется для накладок, косынок, вкладышей в соединениях элементов стро­ительных конструкций. Рисунок 1.4 – Основные типы древесно-слоистых пластиков: а –ДСП-А; б –ДСП-B; в –ДСП-Г   • Ориентировочно-стружечная плита (ОСП) ОСП принадлежит к классу древесных плит (фанера, ДСП и ДВП) и представляет собой плотно прессованную трехслойную плиту из плоской ориентированной щепы (микрошпон) хвойных пород, клееную синтетическими клеями под воздействием высокого давления и температур. Наружный слой плиты отличает параллельное направление волокон, а внутренний слой образован путем послойного наложения щепы друг на друга (рисунок 1.5). Такая крестообразная структура делает материал особенно прочным и качественным. ОСП соответствует как отечественным стандартам (ГОСТ 10632-89), так и международным (EN-300-OSB). Рисунок 1.5 – Ориентировочно-стружечная плита Применяемая в плитах стружка имеет толщину 0.5...0.9мм, длину до 180мм и ширину – 6...40мм, при соотношении длины и ширины 3:1, 4:1 или 6:1, под воздействием высоких температур и давления склеивается смолами с добавлением синтетического воска и солей борной кислоты. Плиты ОСП используются в малоэтажном строительстве (устройство обрешетки крыши, кровельные стропила, возведение опалубки из влагостойких ОСП, внешняя облицовка стен). Самый распространенный аспект применения ОСП – несущая конструкция под кровельную черепицу. Традиционно для этих целей употребляли обычную сухую обрезную доску. ОСП режутся и сверлятся обычными инструментами, при этом структура плиты позволяет удерживать гвозди и шурупы. Поверхность плиты легко окрашивается любыми красками и покрывается любыми лаками по дереву. Классификация • OSB-1 - предназначена для использования в условиях пониженной влажности (мебель, обшивка, упаковка); • OSB-2 - используется при изготовлении несущих конструкций в сухих помещениях; • OSB-3 - используется при изготовлении несущих конструкций в условиях повышенной влажности; • OSB-4 - используется при изготовлении конструкций, несущих значительную механическую нагрузку в условиях повышенной влажности; • Лакированная - покрытая лаком с одной стороны; • Ламинированная - покрытая ламинатом (под многоразовую опалубку при бетонных работах, количество циклов — до 10); • Шпунтованная - плита с обработанными торцами паз-гребень, с двух или четырёх сторон плиты, для укладки по площади поверхности.  Рисунок 1.5.1 -Типы OSB • Стеклопластики Благодаря коррозийной и агрессивной стойкости и недефицитности стеклопластики на полиэфирных смолах широко применяются в ограж­дающих конструкциях зданий и сооружений различного назначения. Из стеклопластиковых пресс-материалов (СВАМ, АГ-4С, КАСТ-В) получают погонажные изделия любого поперечного сечения и любой дли­ны, которые могут применяться в разнообразных конструкциях, особенно подвергаемых действию агрессивных сред, а также в немаг­нитных, диэлектрических, "радиопрозрачных", специальных сооружениях.   Рисунок 1.6 – Стеклопластики плоские и волнистые   • Цементно-стружечная плита (ЦСП) Цементно-стружечные плиты (ЦСП) – листовой композиционный материал, полученный прессованием смеси, состоящим из цемента, стружки, химических добавок и воды. Процесс минерализации позволяет древесной стружке противостоять биологическому воздействию, эрозии и гниению (рисунок 1.7). Плиты изготавливаются в соответствии с ГОСТ 26816-86 "Плиты цементно-стружечные. Технические условия". В качестве сырья для изготовления цементно-стружечных плит используются портландцемент, тонкомерная деловая древесина, а также кусковые отходы деревообработки и лесопиления (горбыли и рейки), химические добавки. Для изготовления ЦСП предпочтительнее применять хвойные породы древесины – пихту, ель, сосну, которые заготавливают в зимне-осенний период. Лиственные породы древесины можно использовать для производства ЦСП, однако при прочих равных условиях прочностные показатели плит снижаются. В качестве вяжущего применяются портландцемент марки 500 (ГОСТ 10178-76). К нему предъявляются дополнительные требования: не допускается наличие пластификатора и повышенное (более 5 %) содержание шлаковых добавок.Основные физико-химические свойства и сортамент ЦСП см. в прил. Б.6. Сферы применения ЦСП – утепление существующих зданий, обшивка каркасного строительства, внутренняя отделка стен ЦСП, влагостойкие перегородки, малоэтажные хозяйственные постройки, конструкции полов и кровель, несъемная опалубка и т.д. Рисунок 1.7 – Цементно-стружечные плиты   • Асбестоцемент Этот материал нашел большое применение в ограждающих конст­рукциях. Он дешевый, доступный. Промышленностью выпускаются плос­кие и волнистые листы – профильные изделия, которые используются в эффективных трехслойных плитах покрытий и панелях стен (рисунок 1.8). Применение трудносгораемых асбестоцементных ограждений повы­шает степень огнестойкости зданий и сооружений и расширяет возмож­ности использования древесины в несущих конструкциях. Рисунок 1.8 – Асбестоцементный лист   • Алюминиевые сплавы Из большого разнообразия изделий из алюминиевых сплавов многие из них могут найти применение в строительных конст­рукциях не только непосредственно в виде элементов стержневых кон­струкций или оболочек. Рациональной областью использования алюми­ния являются трехслойные ограждающие конструкции, опыт применения которых накоплен и подтвердил их эффективность. •  Пенопласты Эти материалы применяются в трехслойных плитах для заполнения внутреннего пространства между обшивками. Поскольку пенопласты достаточно жесткие, они используются не только как изоляционные ма­териалы, но и как конструкционные в случае соединения с обшивками. Наиболее распространены пенопласты следующих видов: полистирольные, поливинилхлоридные, фенолформальдегидные. Выпускаются они в виде плит различных размеров. Раздел 2 2. Расчетные и физические характеристики материалов Определение расчетных сопротивлений древесины и древесных пластиков Расчетные сопротивления древесины и бруса из однонаправленного шпона приведены в табл. 3 и 7 СП 64.13330.2017. Учет разнообразных факторов и требований производится системой поправочных коэффициентов, в том числе коэффициента условия работы, коэффициента срока службы. Расчетные сопротивления древесины сосны, ели и лиственницы европейской классифицированной по сортам следует определять по формуле   Rp = RAmдл·Пmi, (1)  где RA - расчетное сопротивление древесины, МПа, приведенное в таблице 3 или 7 СП 64.13330.2017, влажностью 12 % для режима нагружения «А», согласно таблице 4 СП 64.13330.2017, в сооружениях 2 класса функционального назначения, согласно таблице А.3СП 64.13330.2017, при сроке эксплуатации не более 50 лет; mдл – коэффициент длительной прочности, соответствующий режиму длительности загружения (таблица 4 СП 64.13330.2017); Пmi – произведение коэффициентов условий работы, которые определяются по формуле:   Пmi=mв·mт·mо·mб·mсл·mа·mгн·mс.с.·mсм. (2)  Расчетные сопротивления древесины и древесных материалов Rp, отсортированных по классам прочности, определяют по формуле   Rp = Rнmдл·Пmi/γm, (3)  где Rн – нормативная прочность материала, МПа, определенная с обеспеченностью 0,95, приведенная в табл. В.1 СП 64.13330.2017; γm – коэффициент надежности по материалу (таблица 6 СП 64.13330.2017), определяемый из условия перехода от обеспеченности 0,95 для Rн к обеспеченности 0,99 для Rр по формуле γm ≥ (1 - ηнv)/(1 - ηpv), (4)  ηн = 1,65 – квантиль в предполагаемой статистической функции распределения с обеспеченностью 0,95; ηр = 2,33 – квантиль в предполагаемой статистической функции распределения с обеспеченностью 0,99; v – коэффициент вариации (таблица 6 СП 64.13330.2017).   Классификация зданий и сооружений с конструкциями из дерева и пластмасс по СП 64.13330.2017 «Деревянные конструкции» приведена в таблице 1.1 Таблица 1.1 – Классификация зданий и сооружений, по СП 64.13330.2017 «Деревянные конструкции» Обозначение класса функционального назначения Общая характеристика класса 1 1а Несущие конструкции с пролетами более 100 м; мачты и башни высотой более 60 м   1б Несущие конструкции для зданий музеев, спортивно-зрелищных объектов и торговых предприятий с массовым пребыванием людей, а также сооружений с пролетами более 60 м для конструкций из ДК и 40 м - из цельной древесины и древесных материалов; мачт и башен высотой более 40 м 2 2а Несущие конструкции любых форм, не вошедшие в классы 1а, 1б, 2б и 3   2б Конструкции стен зданий и сооружений различного назначения, не вошедшие в 3 класс Конструкции покрытий и перекрытий пролетами не более 7,5 м 3 Конструкции теплиц, парников, мобильных зданий (сборно-разборные и контейнерного типа); складов временного содержания; бытовок вахтового персонала и других подобных сооружений с ограниченными сроками службы и пребывания в них людей Примечания 1 Объекты с высоким уровнем ответственности, при проектировании и строительстве которых используют принципиально новые конструктивные решения, не прошедшие проверку в практике строительства и эксплуатации, должны быть отнесены к классу функционального назначения 1а. 2 Для сооружений 1 класса, при проектировании которых использованы неапробированные ранее или неосвоенные производством конструктивные решения или для которых не существует надежных методов расчета, необходимо использовать данные экспериментальных исследований на моделях или натурных конструкциях.     • При проектировании конструкций степень ответственности зданий и сооружений учитывают коэффициентом надежности по назначению γn согласно ГОСТ 27751-2014«Надежность строительных конструкций и оснований» (табл. 1.2) •   • Таблица 1.2 – Минимальные значения коэффициента надежности по ответственности Класс сооружений Тип зданий и сооружений Уровень ответственности Минимальные значения коэффициента надежности поответственностиγn КС-1 а) теплицы, парники, мобильные здания (сборно-разборные и контейнерного типа), склады временного содержания, в которых не предусматривается постоянного пребывания людей; б) сооружения с ограниченными сроками службы и пребыванием в них людей Пониженный 0,8 КС-2 здания и сооружения, не вошедшие в классы КС-1 и КС-3 Нормальный 1,0 КС-3 а) здания и сооружения особо опасных и технически сложных объектов; б) все сооружения, при проектировании и строительстве которых используются принципиально новые конструктивные решения и технологии, которые не прошли проверку в практике строительства и эксплуатации; в) объекты жизнеобеспечения городов и населенных пунктов; г) строительные объекты высотой более 100 метров; д) пролетные строения мостов с пролетом более 200 метров; е) большепролетные покрытия строительных объектов с пролетом более 100 метров; ж) строительные объекты с консольными конструкциями более 20 метров; з) строительные объекты с заглублением подземной части более чем на 15 метров. Повышенный 1,1 Примечание - Для зданий высотой более 250 м и большепролетных сооружений (без промежуточных опор) с пролетом более 120 м коэффициент надежности по ответственности следует принимать не менее 1,2 (γn = 1,2). На коэффициент надежности по ответственности следует умножать эффекты воздействия (нагрузочные эффекты), определяемые при расчете на основные сочетания нагрузок по первой группе предельных состояний. • Расчетные сопротивления для других пород, кроме сосны, ели и лиственницыевропейской, устанавливаются умножением величин, приведенных в табл.3 СП 64.13330.2017, на переходные коэффициенты mn, указанные в табл. 5 СП 64.13330.2017. • Коэффициенты условий работы, на которые следует умножить расчетные характеристики древесины: • для различных условий эксплуатации конструкций - коэффициент mв по табл. 9 СП 64.13330.2017 коэффициент mв, равен: • – для условий 1, 2 1,0; • – для условий 30,9; • – для условий 40,85; • конструкций, эксплуатируемых при установившейся температуре воздуха ниже плюс 35 °С, – коэффициент mт=1; при температуре плюс 50 °С - коэффициент mт=0,8. Для промежуточных значений температуры коэффициент принимают по интерполяции; • изгибаемых, внецентренно сжатых, сжато-изгибаемых и сжатых клееных элементов прямоугольного сечения высотой более 50 см значения расчетных сопротивлений изгибу и сжатию вдоль волокон коэффициент mб – • растянутых элементов с ослаблением в расчетном сечении и изгибаемых элементов из круглых лесоматериалов с подрезкой в расчетном сечении - коэффициент mо = 0,8; • элементов, подвергнутых глубокой пропитке антипиренами под давлением –коэффициент mа = 0,9; • изгибаемых, внецентренно сжатых, сжато-изгибаемых и сжатых клееных деревянных элементов, в зависимости от толщины слоев, значения расчетных сопротивлений изгибу, скалыванию и сжатию вдоль волокон – коэффициент mсл равен: • для гнутых элементов коэффициент mгн в зависимости от отношения радиуса кривизны к толще доски ( rа/а ) равен: • в зависимости от срока службы - коэффициент mс.с. равен: • для смятия поперек волокон при режимах нагружения Г-К (таблица 4 СП 64.13330.2017) - коэффициент mсм = 1,15. •   при высоте сечения, см 50 60 70 80 100 120 mб – 1 0,96 0,93 0,90 0,85 0,80; при толщине доски, мм 12 16 19 26 33 45 mсл – 1,2 1,15 1,1 1,05 1 0,95;   rа/а   150 200 250 500 для сопротивления сжатию и изгибу 0,8 0,9 1 1 для сопротивления растяжению 0,6 0,7 0,8 1; Вид напряженного состояния Значение коэффициента mс.с при сроке службы сооружения   ≤ 50 лет 75 лет 100 лет и более Изгиб, сжатие, смятие вдоль и поперек волокон древесины 1,0 0,9 0,8 Растяжение и скалывание вдоль волокон древесины 1,0 0,85 0,7 Растяжение поперек волокон древесины 1,0 0,8 0,5 Примечание - Значение коэффициента mс.с для промежуточных сроков службы сооружения принимаются по линейной интерполяции; Определение деформационных характеристик древесины (модуль упругости и сдвига) Расчетный модуль упругости (модуль сдвига) древесины и древесных материалов при расчете по предельным состояниям 2 группы ЕII(GII) следует вычислять по формуле   ЕII(GII) = Ecp(Gcp)mдл,ЕПmi, (5)  где Ecp - средний модуль упругости при изгибе, МПа, согласно табл. Б.8 и Б.9; mдл,Е - коэффициент для упругих характеристик, для режима нагружения Б (таблица 4 СП 64.13330.2017) принимают равным 0,8, для остальных режимов нагружения - 1; Пmi - произведение коэффициентов условий работы:   Пmi=mв·mт·mс.с.. (6)   Расчетный модуль упругости (модуль сдвига) древесины при расчете по предельным состояниям 1 группы по деформированной схеме ЕI (GI) следует вычислять по формуле   ЕI(GI) = Eн(Gcp)mдл,ЕПmi, (7)  где Ен - нормативный модуль упругости при изгибе с обеспеченностью 0,95, МПа, согласноприл. В СП 64.13330.2017. Расчетный модуль упругости древесины, LVL и фанеры в расчетах конструкций (кроме опор ЛЭП) на устойчивость следует принимать равным для древесины EI = 300Rнс (Rнс - нормативное сопротивление сжатию вдоль волокон, принимаемое по прил. Г СП 64.13330.2017), а модуль сдвига относительно осей, направленных вдоль и поперек волокон, - GI0,90 - 0,05EI; для фанеры - EIф = 250Rнф.с; GIф = EIф/Еф (Еф, Gф принимаются по прил. В СП 64.13330.2017).