Тема 4. Основи розрахунку дерев'яних конструкцій

1. Загальні відомості про конструкції з дерева

Деревина – цінний конструктивний матеріал.

Його переваги:

• висока питома міцність (відношення розрахункового опору до густини), близька до питомої міцності сталі, а тому вони мають невелику масу;
• низька тепло- і звукопровідність, що дозволяє використовувати деревину одночасно, як у несучих, так і в огороджуючих елементах;
• достатня хімічна стійкість; в агресивному середовищі деревина довговічніша від металу і залізобетону;
• простота обробки і відсутність обмежень використовування для різних будівельних робіт.

Недоліки деревини:

• залежність механічних характеристик від багатьох факторів;
• гігроскопічність і її наслідки – всихання, розбухання, розтріскування тощо;
• неоднорідність будови і природні вади, які впливають на міцність;
• загнивання і низька вогнестійкість.

У сучасному будівництві застосовують такі види дерев’яних конструкцій:

• клеєні – найбільш прогресивні завдяки малій трудомісткості їх виготовлення на високомеханізованих заводах;
• конструкції з цілих елементів (брусів, дошок) є незамінними для тимчасових будівель, які можуть бути виготовлені з місцевої деревини з використанням ручних інструментів і найпростіших з’єднань;
• складеного перерізу на піддатливих в’язях – застосовуються, якщо з якихось причин не можуть бути використані клеєні конструкції.

Для виготовлення дерев’яних конструкцій і деталей, в основному, використовують деревину хвойних порід, яка має рівний високий стовбур з невеликою кількістю сучків і завдяки смолі у волокнах менше піддається загниванню.

Кращою за якістю є деревина сосни, а ялина і кедр мають дещо меншу міцність. Деревина модрини за міцністю і стійкістю проти загнивання переважає сосну, але має меншу міцність на сколювання.

Деревина більшості листяних порід має нерівні стовбури, більше сучків, швидко загниває і тому менш придатна для виготовлення конструкцій. Дуб у порівнянні з сосною має значно більшу міцність і стійкість проти загнивання, але через більшу дефіцитність і вартість його використовують лише для невеликих з’єднувальних деталей. Березу застосовують переважно для виготовлення будівельної фанери, м’які листяні породи (осика, тополя тощо) – для малонавантажених елементів тимчасових будівель.

Круглі лісоматеріали (колоди) мають стандартну довжину 4,0...6,5 м з градацією через 0,5 м. Форма колод — зрізаний конус (рис. 1, а), а збіг волокон деревини (зменшення діаметра) на 1 м довжини колоди – 0,8 см. Діаметр колод визначають за діаметром тонкого кінця їх. Для виготовлення будівельних конструкцій застосовують колоди діаметра не менше ніж 14 см, а при меншому діаметрі (підтоварник) їх використовують у тимчасових будівлях.

Рекомендований сортамент пиломатеріалів. Стандартна довжина пиломатеріалів 1...6,5 м з градацією через 0,25 м.

Залежно від співвідношення між розмірами поперечного перерізу пиломатеріали поділяють на:

1. бруси – а ≥ 100 мм, b ≤ 2а;
2. бруски – а ≤ 100 мм, b ≤ 2а;
3. дошки – а ≤ 100 мм, b ≥ 2а,

де b– більший розмір поперечного перерізу.

Фанера – це шаруватий листовий матеріал, який складається з непарної кількості шарів (шпонів). Суміжні шпони мають у листах взаємно перпендикулярний напрям волокон і склеєні між собою гарячим або холодним пресуванням.

Для будівельних конструкцій застосовують наступні види фанери:

1. ФСФ (Ф – фанера, СФ – на смоляному фенолформальдегідному клеєві);
2. ФК (К – на карбамідному клею);
3. ФБС (Б – бакелізована, С – на спирторозчинній смолі);
4. фанерні плити ПФ-А (П – плита, Ф – фанера, А – з перехресною структурою).

Деревні пластики (матеріали, одержані шляхом пресування продуктів переробки деревини з синтетичними смолами) бувають двох видів:

1. деревношаруваті пластики (ДШП), які виготовляють із шпону, склеєного синтетичною смолою, і випускають у вигляді плит. Вони мають велику міцність, але дорогі і їх застосовують для відповідальних конструкцій;
2. деревноволокнисті плити (ДВП), які виготовляють із волокон деревини, склеєних каніфольною емульсією з домішкою синтетичних смол, через недостатню вологість вони застосовуються тільки як тепло- і звукоізоляційний матеріал.

У змішаних (з деревом) конструкціях знаходять застосування різноманітні синтетичні матеріали, азбестоцементні листи, а також металеві з’єднувальні елементи.

Забезпечення довговічності дерев’яних конструкцій. Довговічність дерев’яних конструкцій залежить від того, наскільки вони захищені від загнивання, займання, біологічних пошкоджень та корозії.

Загнивання деревини відбувається внаслідок життєдіяльності грибків. Цьому процесу сприяє вологість деревини, вища за 20 %, плюсова температура та доступ повітря (у воді дерев’яні елементи зберігаються добре). Виходячи з цього, треба за допомогою конструктивних заходів не допускати зволоження деревини в процесі експлуатації. У закритих приміщеннях цього досягають улаштуванням якісної покрівлі, надійної пароізоляції, доброго провітрювання тощо.

Конструкції, що експлуатуються у вологих умовах, захищають водорозчинними, або масляними антисептиками. У закритих приміщеннях застосовують водорозчинні антисептики (фторид або кремнефторид натрію), які не шкідливі для людей, але розмиваються водою. Масляні антисептики (кам’яновугільне атраценове або сланцеве масло, креозот) не розчиняються у воді і не вимиваються нею, але є шкідливими для людей і тому їх можна застосовувати для конструкцій, які експлуатують на відкритому повітрі, у землі або над водою.

Конструктивні заходи щодо захисту деревини від займання полягають у тому, щоб не допустити умов, за яких можливе займання. В конструкціях виробничих будівель з підвищеними температурами (вище ніж +35°С) застосування дерев’яних конструкцій не допускається.

Дерев’яні конструкції повинні бути достатньо віддалені і відділені вогнестійкими матеріалами від печей і нагрівальних приладів. Для запобігання поширенню вогню будинки ділять на частини протипожежними стінами (брандмауерами) або іншими вогнестійкими конструкціями, а також оштукатурюють їх. Якщо необхідна підвищена вогнестійкість дерев’яних конструкцій, то застосовують антипірени. Ці речовини при надмірному нагріванні оплавлюються і покривають деревину вогнезахисною плівкою або газовою оболонкою, яка перешкоджає доступові кисню і тому деревина тліє без відкритого полум’я і вогонь не поширюється. Антипіренами деревина просочується під тиском в автоклавах, а захисні фарби на основі рідкого скла, суперфосфату і інших речовин наносяться на поверхню деревини.

Корозія деревини полягає в її руйнуванні від дії кислот, солей, лугів. Конструктивні заходи захисту від корозії: виготовлення конструкцій з деревини хвойних порід, яка краще протидіє проникненню агресивних речовин, забезпечення мінімальної поверхні контакту поперечних перерізів конструкцій з навколишнім середовищем, а також якомога меншої кількості вузлових з’єднань і металевих кріплень. Дерев’яні конструкції, що експлуатуються в агресивному середовищі, захищають, лакофарбовими покриттями і оболонками з стійких матеріалів.