Зубарев - Конструкции из дерева и пластмасс

Зубарев Г. Н.

Конструкции из дерева и пластмасс: Учеб. пособие для студентов вузов, обучающихся по спец. «Промышленное и гражданское строительство». — 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Высш. школа, 1990. — 287 с, ил.

В пособии изложены основы расчета и проектирования конструкций из дерева и пластмасс. Основное внимание обращено на современные клееные конструкции, нашедшие наибольшее применение в отечественной и зарубежной практике. Рассмотрены физико-механические свойства древесины и конструкционных пластмасс, виды соединений и их расчет, методы расчета ограждающих конструкций из дерева и пластмасс, несущих конструкций — балок, стоек, арок рам, ферм и др. Освещены основы технологии изготовления, монтажа и восстановления конструкций.

Во втором издании (1-е— 1980 г.) рассмотрены новые эффективные конструкции, даны современные нормы проектирования.

© Г. Н. Зубарев, 1990

 

Предисловие

Книга написана для студентов, обучающихся по специальности «Промышленное и гражданское строительство» строительных вузов и факультетов, и соответствует программе курса «Конструкции из дерева и пластмасс».

В ней рассмотрены основы проектирования строительных конструкций из дерева и пластмасс. Параграфы текста содержат примеры расчета элементов и конструкций и завершаются вопросами для самопроверки. Это облегчает усвоение материала, особенно студентам заочной и вечерней систем обучения.

В учебном пособии использованы некоторые сведения из трудов инженерно-строительных вузов (ВЗИСИ, МИСИ и др.), научно-исследовательских и проектных организаций (ЦНИИСК, ЦНИИЭП 33 и СС и др.) и из других отечественных и зарубежных материалов.

В тексте примеры 5.4, 5.5 и 8.1 составлены Ф. А. Бойтемировым, пример 7.1 В. М. Голвиной и раздел ребристых куполов Э. М. Улицкой.

Автор благодарит рецензентов — сотрудников кафедры конструкций из дерева и пластмасс Московского инженерно-строительного института им. В. В. Куйбышева (зав. кафедрой канд. техн. наук, проф. Ю. В. Слицкоухов) — за ценные советы, направленные на улучшение книги.

Замечания и предложения просим присылать в адрес издательства «Высшая школа»: 101430, Москва, Неглинная ул., 29/14.

Автор

 

Введение

Конструкции из дерева и пластмасс относятся к классу легких строительных конструкций, применение которых в строительстве является одним из важных направлений на пути повышения эффективности и ускорения строительного производства.

Деревянные строительные конструкции являются надежными, легкими и долговечными. На основе клееных деревянных конструкций сооружаются здания с покрытиями как малых, так и больших пролетов. Из цельных лесоматериалов строятся небольшие жилые дома, общественные и производственные здания.

Из конструкционных пластмасс можно создавать ограждающие конструкции общественных и производственных зданий. Они являются очень легкими и могут быть прозрачными. Эти конструкции водостойки и не подвержены опасности загнивания.

Деревянные конструкции люди начали применять еще в глубокой древности.

Древесина — это единственный легкодоступный самовозобновляющийся строительный материал. Огромные площади нашей страны покрыты лесами особенно ценных хвойных пород.

Однако использование этих лесных богатств развивалось долгие годы по неправильному пути. В наиболее доступных районах леса вырубались в объемах, намного превышающих их естественный прирост, без принятия мер по их восстановлению. При этом много срубленного леса не вывозилось и сгнивало на месте.

Это привело к истощению лесных запасов в большинстве областей европейской части нашей страны и возникновению серьезного дефицита древесины.

Необходима коренная перестройка восстановления лесов, заготовок древесины и организации лесной и бумажной промышленности. Должно быть обеспечено превышение естественного прироста древесины над ее заготовками, вывоз всей заготовленной древесины и совершенствование лесной и бумажной промышленности для ее безотходного использования. При этом запасы древесины будут возрастать, а ее использование — увеличиваться.

Древесина — относительно легкий и прочный материал, особенно в направлении вдоль ее волокон, где действуют наибольшие усилия от внешних нагрузок. Плотность сухой сосновой и еловой древесины равна всего 500 кг/м3. Это позволяет возводить деревянные конструкции пролетом до 100 м и более. Древесина — микропористый материал с хорошими теплоизоляционными и санитарно-гигиеническими свойствами. Это важно для стен и покрытий жилых малоэтажных домов.

Древесина — мало твердый материал и легко обрабатывается, что облегчает и упрощает изготовление деревянных конструкций. Древесина стойко сопротивляется разрушительному воздействию слабых химических агрессивных сред, и поэтому деревянные конструкции успешно эксплуатируются в зданиях химической промышленности, где быстро разрушаются металлические конструкции. Древесина стойко выдерживает ударные и циклические нагрузки, и поэтому деревянные конструкции достаточно стойки в мостах и при землетрясениях.

Древесина надежно склеивается водостойкими синтетическими клеями. Благодаря этому изготовляются клеедеревянные элементы крупных сечений, больших длин, измеряемых десятками метров, и разных форм — гнутых, ломаных и др. Из таких элементов изготовляются конструкции больших пролетов. Из древесины склеивается водостойкая строительная фанера, из которой изготовляются легкие клеефанерные конструкции. Деревянные конструкции имеют также существенные недостатки. При неправильном применении и эксплуатации, в результате длительного увлажнения они разрушаются гниением. Однако современные конструктивные и химические методы защиты от гниения обеспечивают их сохранность при многолетней эксплуатации. Деревянные конструкции являются сгораемыми.

Однако современные деревянные конструкции из элементов крупных сечений имеют предел огнестойкости выше некоторых других, например металлических конструкций. Они могут быть дополнительно защищены от возгорания специальными покрытиями.

История применения деревянных конструкций насчитывает много веков и теряется в глубине тысячелетий. Первобытные люди строили из деревянных стволов каменными топорами небольшие примитивные жилища на земле и на сваях, небольшие ограды и мосты. Строители древнего Рима строили деревянные дома, храмы и мосты уже через крупные реки. Например, легионами Цезаря был в I в. построен крупный мост через. р. Рейн.

До наших дней сохранились выдающиеся деревянные храмы, в средние века построенные в Китае и Японии с применением бамбуковой древесины. В средневековой Европе широко применялись деревянные стропила крыш. В XVI в, итальянский архитектор Паладио широко применял подкосные конструкции и стропильные фермы.

Особенно широко применялись деревянные конструкции в нашей, богатой лесами стране. В средние века практически все жилые дома, дворцы, большинство храмов и крепостей строились деревянными со стенами из круглых бревен. В X в. в Новгороде была построена дубовая 13-главая церковь святой Софии.

Первые башни Московского Кремля и соединяющие их стены были построены из дубовой древесины в XIII в. До наших дней сохранилась маленькая церковь воскрешения Лазаря в г. Муроме, построенная в XIV в. В XVI—XVIII вв. в основном на севере и востоке страны продолжалось интенсивное строительство жилых домов и церквей со стенами из срубов из круглых бревен.

В 1551 г. было произведено первое крупное скоростное строительство целой деревянной крепости Свияжска на берегу Волги в устье р. Свияги. Крепостные стены длиной 3 версты с 18 башнями, 370 домов, лавки и бани были изготовлены по течению Волги в районе г. Углича. После пробной сборки они были вновь разобраны, сплавлены по Волге к устью Свияги, и там всего через месяц выросла новая крепость, послужившая базой войскам Ивана Грозного при осаде и взятии Казани.

В конце XVII в. под Москвой в селе Коломенское был построен великолепный загородный дворец царя Алексея Михайловича. Модель этого дворца находится в музее Коломенского заповедника. В 1714 г. была построена и сохранилась до наших дней

замечательная 22-главая деревянная Преображенская церковь в селе Кижи. В 1738 г. был построен деревянный шпиль башни высотой 72 м здания Адмиралтейства в Петербурге. В XVIII в. началось широкое строительство деревянных стержневых конструкций из брусьев, бревен и досок.

В конце XVIII в. И. П. Кулибиным был разработан оригинальный проект деревянного огромного моста через р. Неву в Петербурге пролетом 300 м (рис. В.1,а). Мост имел комбинированную систему и состоял из ряда гибких арок и жестких арочных ферм. Модель этого моста в 1/10 натуральной величины была построена, и ее испытания показали правильность решения и достаточную прочность конструкции. В натуральную величину такой мост построен быть не мог ввиду отсутствия в то время способов сооружения таких крупных конструкций. Идея комбинированных конструкций Кулибина нашла применение в дальнейшем в решениях крупных строительных конструкций.

В начале XIX в. в России при строительстве Московского Манежа (арх. Л. Л. Бетанкур) были разработаны и впервые применены в покрытии большепролетные деревянные брусчатые треугольные стропильные фермы пролетом 50 м (рис. В. 16), которые сохранились до наших дней. В середине XIX в. Д. И. Журавский спроектировал и руководил строительством ряда деревянных мостов Московско-Петербургской железной дороги.

Крупнейший из них мост через р. Мету имел семь пролетов длиной по 61 м каждый. Фермы этого моста имели деревянные брусчатые перекрестные раскосы и стойки в виде стальных тяжей (рис. В.1,в). Он также создал метод расчета деревянных элементов на скалывание при изгибе и метод определения допускаемых напряжений древесины экспериментальным способом.

В начале XX в. В. И. Шухов разработал первые деревянные пространственные конструкции. В Нижнем Новгороде был построен под его руководством первый предложенный им деревянный свод пролетом 21 м из трех слоев досок, соединенных гвоздями. В г. Орске была построена разработанная им башня-градирня высотой 36 м сетчатой конструкции из стержней, расположенных перекрестно по поверхности гиперболоида вращения и соединенных болтами в местах пересечений (рис. В.1,г).

В 30-х годах XX в. в связи с дефицитом стали и цемента, значительно расширилось применение деревянных конструкций, особенно в промышленном строительстве. Началось применение дощато-гвоздевых балок и рам, брусчатых и дощато-гвоздевых сегментных ферм и брусчатых балок на деревянных пластинках, предложенных В. С. Деревягиным. Был разработан и построен ряд кружально-сетчатых сводов и дощато-гвоздевых сводов-оболочек пролетом до 50 м. В Москве были построены из дерева большинство павильонов Всесоюзной сельскохозяйственной выставки.

Широко применялись деревянные конструкции в промышленном строительстве в годы первых пятилеток и во время второй мировой войны. Большое значение в развитии этих конструкций имели труды Г. Г. Карлсена. В 50-е годы началось производство клееных деревянных конструкций. Развитие эти прогрессивных конструкций оказалось возможным благодаря производству клеев на основе синтетических полимерных смол высокой прочности, водостойких и не подверженных гниению. Сначала применялись фенолформальдегидные клеи, в дальнейшем более надежные резорциновые клеи при склеивании древесины и эпоксидные клеи при склеивании древесины с металлами. Появилась клееная водостойкая фанера.

Были разработаны и начали изготовляться первые клеедеревянные балки, стойки, рамы, клеефанерные плиты и панели. За создание и внедрение клеедеревянных конструкций А. С. Белозеровой, А. Б. Губенко и Г. Г. Карлсену была присуждена Государственная премия. При участии автора были разработаны первые типовые конструкции — клеедеревянные фермы со стальными нижними поясами.

В дальнейшем в нашей стране были расширены и построены новые заводы и комбинаты по изготовлению деревянных строительных изделий и сборных малоэтажных жилых домов. В составе ряда из них появились цеха по изготовлению клееных деревянных конструкций. Были построены первые крупные производственные и общественные здания с несущими клеедеревянными конструкциями. В 40-х годах при участии А. С. Белозеровой и автора было разработано и построено первое большое деревянное здание склада калийной соли (рис. В.2,а). Основными несущими конструкциями покрытия этого склада являются клеедеревянные стрельчатые арки без затяжек, опертые на железобетонные фундаменты. Эти арки имеют пролет 45 м и сечение 30 X 105 см. Они показали высокую надежность и долговечность в условиях химически агрессивной среды.

В 1980 г. в Архангельске был построен Дворец Спорта (рис. В.2,6). Несущие конструкции его главного покрытия, разработанные при участии М. Ю. Заполя, представляют собой сегментные клеедеревянные арки без затяжек, опертые на железобетонные рамы пристроек. Арки имеют пролет 63 м и сечение 32 X 160 см.

Клеедеревянные элементы применялись в конструкциях малоэтажных жилых домов, небольших промышленных и общественных зданий, автодорожных мостах. В это же время были созданы и исследованы новые типы соединений клеедеревянных конструкций — на стальных стержнях, вклеенных в древесину.

Они показали значительный эффект при стыковании растянутых клеедеревянных стержней, в решениях жестких соединений элементов под углами и при креплении сжатых стержней под прямым углом, благодаря чему исключается поперечное смятие древесины. Начали применяться предложенные за рубежом стальные зубчатые пластинки для соединения элементов дощатых конструкций.

За рубежом широко применялись небольшие конструкции из цельных деревянных элементов и большепролетные клеедеревянные конструкции главным образом арочных и пространственных типов. В качестве примера можно привести спортивный зал с трибунами в г. Пуатье во Франции, который имеет овальную форму в плане. Основной несущей конструкцией Покрытия этого зала является клеедеревянная арка пролетом 75 м, расположенная по продольной оси здания. На нее опирается ряд поперечных клеедеревянных балок с разными пролетами, имеющих обратные выгибы (как бы искусственное провисание), созданные при их изготовлении. Наружными концами они опираются на железобетонные колонны.

Спортивный, зал в г. Бозмане в США имеет покрытие в форме сферического купола пролетом 91,5 м и высотой 15 м с арочными концентрическими клеедеревянными ребрами, которые опираются на многоугольное опорное кольцо из прямых тоже клеедеревянных стержней. Спортивный зал в г. Солт-Лейк-Сити в США имеет покрытие в виде клеедеревянного сетчатого купола с треугольными ячейками! Этот купол диаметром 150 м и высотой 38 м опирается на стальное опорное кольцо.

Основным направлением развития конструкций из дерева в нашей стране является разработка, производство и применение новых клеедеревянных конструкций. Типы конструкций должны быть унифицированы. Заводское производство должно обеспечивать массовое изготовление клеедеревянных конструкций любых требуемых форм и размеров. Такое производство должно быть механизировано, автоматизировано и мало трудоемко.

Благодаря склеиванию должны использоваться пиломатериалы ограниченных размеров сечений и длин, их сорта должны повышаться путем вырезки участков с пороками, с последующим стыкованием их зубчатыми шипами. Строгий лабораторный и технологический контроль должен обеспечивать высокое качество и надежность этих конструкций.

Клеедеревянные конструкции достаточно стойки против гниения и горения и должны шире применяться в таких отраслях народного хозяйства, как сельскохозяйственные складские, производственные и животноводческие здания, промышленные здания со слабой химически агрессивной средой, общественные здания крупных размеров (спортивные, зрелищные, торговые) и автодорожные мосты.

В перспективе будет расширяться изготовление и применение простейших клеедеревянных балок и арок. Будут находить рациональное применение клеедеревянные рамы и фермы, ребристые и сетчатые купола, клеефанерные балки, плиты и панели. Будет также расширяться изготовление и применение деревянных конструкций из цельной иеклееной древесины — досок, брусьев и бревен. Будут изготовляться балки, стойки и стропила малоэтажных жилых домов, фермы и подкосные рамы, арочные и кружально-сетчатые своды небольших производственных, сельскохозяйственных и общественных зданий, пролетные строения малых мостов и другие специальные конструкции, особенно в районах, богатых лесами и не имеющих предприятий по изготовлению клееных деревянных конструкций.

Пластмассовые конструкции, называемые также конструкциями с применением пластмасс, начали разрабатываться, изготовляться и применяться в нашей стране и за рубежом при- мерно с середины XX в. Незадолго до этого были созданы конструкционные пластмассовые строительные материалы на основе полимерных синтетических смол и началось быстрое развитие их промышленного производства, а также добавок и наполнителей, придающих им необходимые строительные свойства.

Основными конструкционными строительными материалами являются следующие: высокопрочный стеклопластик, состоящий из непрозрачной полимерной термореактивной смолы л взаимно пересекающихся рядов непрерывных стекловолокон; прозрачный менее прочный стеклопластик, состоящий из термореактивной прозрачной смолы и хаотически расположенных коротких стекловолокон; оргстекло (органическое стекло) — оно прозрачно и состоит из термопластичной полимерной смолы; винипласт, состоящий из термопластичной полимерной смолы; он бывает непрозрачным и прозрачным, отличается высокой стойкостью против химически агрессивных сред; пенопласты состоят из твердых пузырьков воздуха или безвредного газа со стенками из термопластичных или термореактивных смол. Они отличаются предельно малыми собственной массой, прочностью и жест- костью: воздухонепроницаемые ткани имеют значительную прочность. Они состоят из основы в виде тканей из полимерных волокон и покрытий из синтетических резин или из эластичных полимерных смол; пленок, армированных синтетическими волокнами. Почти все конструкционные пластмассовые материалы имеют небольшую толщину, измеряемую миллиметрами, и изготовляются в основном в виде плоских или волнистых листов и тканевых рулонов. Только пенопласты изготовляются в виде плит толщиной, измеряемой сантиметрами, и высокопрочные стеклопластики выпускаются также в виде различных профилей и труб. Пластмассы как конструкционные строительные материалы имеют существенные достоинства. Это материалы легкие, их плотность примерно вдвое превышает плотность древесины.

Однако плотность пенопластов очень мала и не превосходит у наиболее часто применяемых видов 50 кг/м3. В процессе твердения синтетических смол изделиям из стеклопластиков, винипласта и оргстекла можно придавать необходимую форму, не требующую дальнейшей обработки.

Конструкционные пластмассы как строительные материалы имеют и существенные недостатки. Они являются сгораемыми и имеют невысокие пределы огнестойкости. Их жесткость невелика и, за исключением высокопрочного стеклопластика, существенно ниже, чем у древесины. Они подвержены старению от атмосферных воздействий, пока дороги и дефицитны. В связи с этим конструкционные строительные пластмассы рационально применять в основном для ограждающих строительных конструкций. Это наиболее легкие плиты и панели покрытий и стен, прозрачные участки ограждений зданий, конструкции зданий с химически агрессивной средой и др.

Значительное распространение в нашей стране получили трехслойные плиты и панели покрытий и стен промышленных зданий. Они состоят из среднего пенопластового слоя и наружных слоев из листового материала — металла, асбестоцемента или фанеры. Наиболее эффективны плиты и панели с наружными слоями из тонких алюминиевых листов толщиной порядка 1 мм, масса которых не превосходит 20 кг/м2. Они особенно эффективны при строительстве в отдаленных районах, куда их можно доставлять воздушным транспортом из районов изготовления.

Прозрачные участки из волнистого прозрачного стеклопластика создавались в асбестоцементных стенах неотапливаемых складских зданий. Прозрачные ограждения из гнутых плит из волнистого прозрачного стеклопластика, обклеенных плоскими листами из такого же материала и уложенных по клеедеревянным аркам, были применены в покрытии отапливаемого плавательного бассейна в Подмосковье. Первые зенитные фонари из прозрачного оргстекла были включены в состав покрытия Дворца пионеров в Москве. В 1959 г. был построен сферический купол диаметром 43 м из стеклопластика.

Пневматические конструкции представляют собой замкнутые оболочки из воздухонепроницаемой ткани или пленки, внутри которых воздух находится под постоянным избыточным давлением. Они бывают воздухоопорными пневмооболочками, пневмовантовыми и пиевмокаркасными пневмоэлементами. Воздухоопорная пневмооболочка состоит из тканевой оболочки, опорного контура, входного шлюза и воздуходувной установки.

...