Spis treści. Oznaczenia i symbole

Transkrypt

1 Spis treści ; 5 Spis treści Oznaczenia i symbole 11 Wprowadzenie "1 4 1 Materiał budowlany drewno" Budowa drewna Anizotropia drewna Gęstość drewna Szerokość słojów rocznych Wilgotność drewna Oznaczanie wilgotności drewna (metody pomiaru) Rozkład i zmiany wilgotności drewna Pęcznienie i skurcz Parametry pęcznienia i skurczu Zmiany kształtu drewna wskutek pęcznienia i skurczu Powstawanie pęknięć wskutek zmian wilgotności powietrza Bezpieczne głębokości pęknięć schnięcia lub pęknięć skurczowych Wilgotność w chwili montażu i suszenie drewna Rozszerzalność cieplna, przewodnictwo cieplne i dyfuzja pary wodnej w drewnie Trwałość i odporność na działanie chemikaliów Sprężystość drewna Zasady sprężystości (anizotropia, anizotropia rombowa, izotropia) Moduły sprężystości, sprężystości poprzecznej i odkształcenia postaciowego przy skręcaniu dla drewna Pełzanie drewna Wytrzymałość drewna Wpływ kąta a pomiędzy kierunkiem działania siły a kierunkiem włókien na wytrzymałość Wpływ wilgotności, sękatości i gęstości drewna na wytrzymałość Wpływ czasu trwania obciążenia na wytrzymałość (wytrzymałość trwała) 'Wpływ temperatury drewna i wielkości próbek na wytrzymałość Ustalanie naprężeń dopuszczalnych, bezpieczeństwo Długość zerwania 53 2 Materiały drewnopochodne Budowa i wytwarzanie materiałów drewnopochodnych Anizotropia materiałów drewnopochodnych Gęstość materiałów drewnopochodnych Pęcznienie i skurcz, rozszerzalność cieplna, przewodność cieplna i przenikanie pary wodnej materiałów drewnopochodnych Sprężystość materiałów drewnopochodnych Pełzanie materiałów drewnopochodnych Wytrzymałość materiałów drewnopochodnych Klasy, zakres zastosowania i typy płyt z materiałów drewnopochodnych Drewno budowlane 75

2 6 3.1 Drewno lite (VH) Właściwości i klasyfikacja (klasy jakości) tarcicy z drewna iglastego Drewno klejone warstwowo (BSH) Dźwigary o ściankach pełnych i przekroju dwuteowym lub skrzynkowym 86 4 Charakterystyka drewna i materiałów drewnopochodnych w czasie spalania Klasy palności (zapalności) drewna i materiałów drewnopochodnych Klasy odporności ogniowej elementów budowlanych z drewna i materiałów drewnopochodnych Elementy budowlane klas odporności ogniowej F30-B i F60-B Ochrona drewna przed korozją biologiczną Ochrona drewna metodami budowlanymi (konstrukcyjnie) Chemiczna ochrona drewna Działania powierzchniowe Środki zwalczania Połączenia klejone Wykonywanie połączeń klejonych w budownictwie drewnianym Złącza ukośne Złącza klinowe Połączenia mechaniczne Rozmieszczenie łączników mechanicznych Dopuszczalne podwyższenie i wymagane obniżenie nośności dopuszczalnych łączników mechanicznych Połączenia na wkładki Wkładki prostokątne (klocki) Pierścienie (wkładki o specjalnej budowie) Połączenia na pierścienie w przekroju czołowym elementu z drewna klejonego warstwowo Połączenia na sworznie, śruby i śruby pasowane Połączenia na gwoździe Obciążenie prostopadłe do osi podłużnej gwoździa ( na ścinanie") Nośność gwoździa na wyciąganie Obciążenie złożone gwoździ Połączenia na gwoździe elementów z drewna z elementami stalowymi i blachami stalowymi Połączenia na płytki kolczaste Połączenia na wkręty do drewna Połączenia na zszywki Połączenia na klamry ciesielskie Złącza na wręby Wklejane pręty gwintowane Sprawdzanie rozciągania prostopadłego do włókien (poprzecznego) w połączeniach Wartości przesunięć w połączeniach na łączniki mechaniczne do obliczeń ugięć Współdziałanie różnych łączników Ochrona antykorozyjna łączników mechanicznych 183

3 Spis treści ; 7 8 Naprężenia dopuszczalne oraz charakterystyki materiałowe dla drewna litego, klejonego warstwowo i materiałów drewnopochodnych Naprężenia dopuszczalne Naprężenia dopuszczalne dla drewna litego i klejonego warstwowo Naprężenia dopuszczalne dla materiałów drewnopochodnych Dopuszczalne naprężenia dla stali i aluminium Charakterystyki materiałowe dla drewna litego, klejonego warstwowo oraz materiałów drewnopochodnych Moduł sprężystości, odkształcenia postaciowego oraz sprężystości przy skręcaniu dla drewna litego oraz klejonego warstwowo Moduł sprężystości oraz moduł odkształcenia postaciowego (sprężystości poprzecznej) materiałów drewnopochodnych Wielkości pęcznienia i skurczu, wilgotność równowagowa Współczynniki pełzania Zmiany temperaturowe w konstrukcjach drewnianych Ogólne zasady obliczeń Obciążenia i kombinacje obciążeń Ustalanie wartości obciążeń budowli drewnianych (obciążenie stałe) Ustalanie obciążeń dla połaci dachowych Sprawdzanie elementów dachu na odrywanie przy obciążeniach krawędziowych ssaniem wiatru Najmniejsze dopuszczalne przekroje poprzeczne drewna litego i klejonego warstwowo oraz materiałów drewnopochodnych Osłabienia przekroju poprzecznego Elementy obciążone osiowo i mimośrodowo Połączenia mimośrodowe Elementy konstrukcyjne obciążone przemiennie Zasady obliczania prętów rozciąganych Rozciąganie osiowe Rozciąganie mimośrodowe (rozciąganie i zginanie) Węzły i złącza w prętach rozciąganych Zasady obliczeń prętów ściskanych Ściskanie osiowe Sprawdzanie nośności prętów jednolitych z uwzględnieniem wyboczenia (ściskanie osiowe) Sprawdzanie naprężeń w prętach ściskanych (ściskanie osiowe) Sprawdzanie nośności z uwzględnieniem wyboczenia w prętach złożonych (ściskanie osiowe) Nierozstawione pręty złożone (ściskanie osiowe) Pręty rozstawione (ściskanie osiowe) (pręty ramowe" i skratowane) Ściskanie mimośrodowe (ściskanie i zginanie) Połączenia i styki prętów ściskanych Długości wyboczeniowe Smukłości Współczynniki wyboczeniowe Sztywność (krótkie wprowadzenie do wyboczenia) 252

4 12 Sprawdzanie nośności według teorii II. rzędu Teoria I. i II. rzędu (krótkie wprowadzenie) Teoria II. rzędu dla drewnianych konstrukcji inżynierskich Zasady obliczeń elementów zginanych Zginanie w jednej płaszczyźnie (zginanie płaskie) elementów konstrukcyjnych z drewna litego i klejonego warstwowo Zginanie dwukierunkowe (zginanie ukośne) elementów konstrukcyjnych z drewna litego i klejonego warstwowo Rozpiętości Reakcje podporowe i dociski na podporach Ugięcia Ugięcie dopuszczalne Ugięcia obliczeniowe Wygięcia wstępne (strzałka odwrotna) Stateczność przy zginaniu (zwichrowanie) Usztywnienia dźwigarów o prostokątnym przekroju poprzecznym Usztywnienie dźwigarów pełnościennych o dwuteowym albo skrzynkowym przekroju poprzecznym Obliczenia według teorii II. rzędu (dokładniejsze sprawdzanie zwichrowania) Rozkład naprężeń Podcięcia w dźwigarach i czopy Otwory w zginanych belkach o prostokątnym przekroju poprzecznym z drewna klejonego warstwowo Dźwigary zginane o prostoliniowych krawędziach i prostokątnym przekroju poprzecznym Dźwigary zakrzywione i dźwigary dachowe dwuspadowe z drewna klejonego warstwowo, o prostokątnym przekroju poprzecznym Dźwigar zginany o złożonym przekroju poprzecznym Pełnościenne dźwigary o średnikach z płyt lub desek (dźwigary dwuteowe lub skrzynkowe) Dźwigar zginany jako złożony przekrój poprzeczny drewniano-stalowy Sztywne przy zginaniu połączenia i złącza narożne Złącze sztywne na zginanie na łączniki mechaniczne Złącza sztywne na zginanie z nakładkami na łączniki mechaniczne (w elementach konstrukcyjnych z drewna litego) Złącza sztywne na zginanie w prostoliniowych elementach konstrukcyjnych z drewna klejonego warstwowo (złącza na łączniki mechaniczne) Sztywne na zginanie, załamane pod katem złącza i elementy konstrukcyjne Złącza i węzły ram łączone na złącza klinowe Węzły ram łączone za pomocą wkładek Utwierdzenie słupów w fundamentach Podatność łączników mechanicznych w złączach sztywnych na zginanie Zasady obliczania na ścinanie Zasady obliczania na skręcanie Stężenia przestrzenne konstrukcji Usztywnienie zginanych dźwigarów o prostokątnym przekroju poprzecznym. 341

5 Spis treści ; Usztywnienie ściskanych pasów dźwigarów kratowych Obciążenia wiatrem i siłami poprzecznymi konstrukcji usztywniających Tarcze jako konstrukcje usztywniające Tarcze usztywniające wykonywane bez sprawdzania obliczeniowego Pojedyncze tężniki i zastrzały Belki jednoprzęsłowe i ciągłe Belki jednoprzęsłowe Belki ciągłe Belki ciągłe bez przegubów Belki ciągłe z przegubami (belki przegubowe) Belki zespolone (płatwie zespolone Koppela), Konstrukcje kratowe Zasady konstruowania dźwigarów i ram kratowych Obliczanie wiązarów i ram kratowych Ugięcie i wygięcie wstępne dźwigarów i ram kratowych Więźby dachowe Dachy krokwiowe i jętkowe Więźby z płatwiami Dachy płaskie Obliczenia odkształceń Metody energetyczne Sztywności złączy Moduły podatności Dźwigary powierzchniowe Równanie tarczy dla materiału rombowo-anizotropowego (we współrzędnych kartezjańskich) Parametry sprężystości Przykłady rozwiązań konstrukcyjnych Oparcia belek i wiązarów Oparcia 'słupów drewnianych, łuków i ram Połączenia elementów usztywniających Przeguby kalenicowe w łukach i ramach Naroża ram Połączenia poprzeczne belek Konstrukcje połączeń w wiązarach dachowych Dachy krokwiowe i jętkowe Dachy z płatwiami Wiatrownice Przykłady obliczeń Zmiany wymiarów bala elementu na skutek zmiany wilgotności (zmiany kształtu na skutek kurczenia się) Zmiana długości podkładu deskowego na skutek zmiany wilgotności (zmiana kształtu na skutek pęcznienia), przypadek szczególny Złącze rozciągane na gwoździe 424

6 10 Spis treści 23.4 Złącze rozciągane na wkładki pierścieniowe Złącze skośne na śruby i sworznie Połączenie na wrąb czołowy Słup osiowo ściskany z drewna klejonego warstwowo Płatew ciągła zespolona Dźwigar z drewna klejonego warstwowo o krawędziach równoległych Oparcie belki podciętej na podporze Dźwigar dachowy dwuspadowy o osi zakrzywionej i zmiennej wysokości przekroju Belka złożona, trójelementowa, łączona na łączniki trzpieniowe - sworznie Przegubowe zamocowanie dwugałęziowego słupa z drewna iglastego w fundamencie Wiązar kratowy z bali o pasach równoległych Przegub w belce ciągłej z drewna klejonego warstwowo Złącze rozciągane prostopadle do włókien na pierścienie Podstawowe zasady projektowania elementów konstrukcji drewnianych według PN-B-03150:2000 z przykładami Właściwości materiałów Ogólne zasady sprawdzania stanów granicznych Stany graniczne nośności Elementy lite lub z drewna klejonego warstwowo Elementy złożone z zastosowaniem łączników mechanicznych Elementy klejone Złącza Połączenia tradycyjne (ciesielskie) - nie są objęte normą PN-B-03150: Połączenia na klej Złącza na łączniki trzpieniowe (gwoździe, śruby i sworznie) Złącza na pierścienie zębate Przykłady obliczeń Złącze rozciągane na gwoździe Złącze rozciągane na pierścienie Złącze skośne na śruby i sworznie Połączenie na wrąb czołowy Słup osiowo ściskany z drewna klejonego warstwowo Płatew ciągła zespolona Dźwigar z drewna klejonego warstwowo o krawędziach równoległych Oparcie belki podciętej na podporze Dźwigar dachowy dwuspadowy o osi zakrzywionej i zmiennej wysokości przekroju Belka złożona, trójelementowa, łączona na sworznie Przegubowe zamocowanie dwugałęziowego słupa w fundamencie Wiązar kratowy z bali, o pasach równoległych Przegub w belce ciągłej z drewna klejonego warstwowo Złącze rozciągane prostopadle do włókien na pierścienie 574 Techniczne przepisy budowlane 581 Spis powołanych Polskich Norm 583 Literatura 584 Skorowidz 599

7 1.1 Budowa drewna 15 1 Materiał budowlany drewno" Drewno jest naturalnym materiałem wyrosłym z ziemi. Jako drewno określa się na ogół okorowane pnie, gałęzie i korzenie drzew i krzewów. Drewno budowlane jest pozyskiwane z pni określonych drzew iglastych i liściastych, które można wykorzystywać gospodarczo. Pień żyjącego drzewa ma za zadanie podtrzymywać koronę, transportować i gromadzić substancje odżywcze. 1.1 Budowa drewna Drewno składa się głównie ze ściśle ze sobą związanych podłużnych komórek ułożonych równolegle do pnia. W żyjącym drzewie komórki te zapewniają transport wody, przemianę materii i utwardzanie drewna. Historycznie starsze drzewa iglaste mają prostą, regularną strukturę składającą się głównie z komórek jednego rodzaju. Natomiast budowa drzew liściastych jest bardziej złożona; w ich skład wchodzi wiele rodzajów komórek. Strukturę drewna pokazano na rys. 1.1 na przykładzie poprzecznego przekroju pnia drzewa iglastego. Według Kollmanna [175] na makroskopową strukturę drewna składają się głównie: miazga twórcza (warstwa wzrostu) słój roczny (drewno wczesne i późne) biel promień rdzeniowy twardziel rdzeń Korowina i łyko (tworzą korę) Korowina jest obumarłą, zewnętrzną częścią kory a łyko jest żywą, wewnętrzną częścią kory. Miazga Cienka warstwa żywych komórek, w której odbywa się wzrost drzewa, jest mikroskopijnie mała i makroskopowo niewidoczna) Słoje roczne Składają się z cienkościennego, szerokiego przyrostu wczesnego i przyrostu późnego o gruc/ch ściankach, które w drzewach iglastych jest ciemniejsze niż przyrost wczesny. W drewnie crzyrostu wczesnego odbywa się przede wszystkim transport wody (substancje odżywcze). Drewno przyrostu późnego służy utwardzaniu. W klimacie umiarkowanym wzrost rozpoczyna s ę na wiosnę (kwiecień, maj) dając drewno wczesne i kończy się późnym latem (sierpień, wrzes en) dając drewno późne. Przerwanie wzrostu w zimie powoduje powstanie na ogół dobrze wi- ;: ;znej linii granicznej pomiędzy drewnem wczesnym i późnym, która oddziela słoje roczne.

8 16 1 Materiałbudowlany ttrewno" W klimacie tropikalnym drzewo rośnie w dwóch porach roku: deszczowej i suchej. Drewno z wiecznie zielonych drzew tropikalnych nie ma słojów rocznych, bo wzrost drzew odbywa się bez przerw. Ilość słojów rocznych w dolnej części pnia odpowiada wiekowi drzewa. Biel Żywa, zewnętrzna warstwa drzewa, w której odbywa się transport wody. W niektórych gatunkach jaśniejsza i bardziej miękka niż twardziel. Twardziel Stara, przeważnie obumarła warstwa drewna wokół rdzenia. Tworzenie twardzieli w niektórych gatunkach drzew rozpoczyna się w wieku lat, gdy biel może już sama zapewnić transport wody. W obumarłych komórkach odkładają się barwniki, garbniki, żywice i tłuszcze. Komórki są przez nie blokowane i nie mogą już transportować wody. Substancje znajdujące się w twardzieli nadają jej ciemniejszy kolor i powodują, że jest twardsza, bardziej wytrzymała i mniej się kurczy niż biel. Promienie rdzeniowe Są to ułożone promieniowo rurki" o bardzo małym przekroju, często widoczne tylko jako paski. Komórki te przejmują transport w kierunku prostopadłym do kierunku wzrostu i gromadzą substancje odżywcze. Promienie rdzeniowe, które biegną od rdzenia do kory, powstają na początku wzrostu drzewa. Rdzeń (rurka rdzeniowa) Jest to mała rurka" o niewielkiej wytrzymałości znajdująca się w środku przekroju pnia. Jej średnica w większości gatunków drzew wynosi 1 do 2 mm. Rodzaje drewna można podzielić na trzy grupy w zależności od występowania twardzieli i różnicy kolorów pomiędzy twardzielą i bielą, patrz także: tablica 3.1. Drewno rdzeniowe Biel i twardziel mają różne kolory (widoczna granica) jak w sośnie, modrzewiu, dębie. Drewno o twardzieli niezabarwionej Biel i twardziel mają ten sam kolor. Twardziel jest bardziej dojrzała i zawiera mniej wody niż biel, jak w świerku, jodle, buku zwyczajnym. Drewno bielaste. Nie tworzy twardzieli, na przykład brzoza. Drewno drzew liściastych dzieli się na dwie grupy w zależności od wielkości porów i naczyń oraz ich położenia na przekroju pnia. Drewno liściaste o porach pierścieniowych tworzy szersze naczynia przeważnie w drewnie wczesnym i o wiele węższe naczynia w drewnie późnym; większe naczynia są najczęściej dobrze widoczne i leżą pierścieniowo na przekroju, jak w drewnie dębowym. Drewno liściaste o porach rozproszonych tworzy naczynia o zbliżonej wielkości w drewnie wczesnym i późnym lub naczynia, które w drewnie późnym są nieznacznie mniejsze. Rozkład naczyń jest prawie równomierny na całym przekroju, jak w drewnie bukowym. Skład chemiczny różnych rodzajów drewna według analizy elementarnej jest przeważnie jednakowy. Poszczególne rodzaje drewna różnią się jednak znacznie udziałem różnych związków chemicznych w masie drewna, parz: tablica 1.1.

9 1 2 Anizotropia drewna 17 Tablica 1.1 Sktad chemiczny drewna, Kollmann [175], Fengel/Grosser [67], i Wesche [353] Analiza elementarna drewna suchego. Dane w % masy Związki chemiczne w drewnie suchym. Dane w % masy Węgiel 48 do 51 Celuloza 29 do 65 Tlen 43 do 45 - w drewnie budowlanym 38 do 58 Wodór 5 do 6 Hemiceluloza 20 do 40 Azot 0,04 do 0,26 Lignina 12 do 38 Substancje mineralne (popiół) 0,2 do 0,6 - w drewnie budowlanym 20 do 31 Różne substancje zawarte w drewnie jak żywice, tłuszcze, woski, garbniki i barwniki nadają dodatkowo różnym rodzajom drewna specyficzne cechy jak zapach, kolor, wytrzymałość, podatność na impregnację, odporność i wiele innych. Składniki te stanowią 2 do 8% masy całej substancji drzewnej. Substancja błon komórkowych (drewno) stanowi głównie połączony układ części nośnej (celuloza) i części łącznej (hemiceluloza, lignina). Budowę drewna można porównać do struktury rurkowej. Taka wiązka rurek ułożona jest równolegle wzdłuż osi pnia, dlatego ma ona w kierunku wzdłużnym zupełnie inne właściwości niż w kierunku poprzecznym. Na przykład poprzecznie można ją łatwo zgnieść lub rozerwać, natomiast w kierunku wzdłużnym ma wysoką wytrzymałość na rozciąganie i mniejszą na ściskanie. Materiały, w tym drewno, których właściwości zależą od kierunku, nazywamy anizotropowymi. Dalsze informacje o strukturze drewna, patrz: Bosshard [16], Kollmann [175], Kollman/Cóte [176], LIGNUM [210], Móhler [247], Noack-,,., u u ronin ii/ i mm /Schwab [285], Wesche [353], R y s Wiązka rurek pod rożnymi obciążeniami wzdłuż i w poprzek włókien 1.2 Anizotropia drewna Drewno jest materiałem anizotropowym i niejednorodnym. Właściwości drewna są przykładem szczególnie wyraźnej anizotropii. Poniżej wyjaśniamy pojęcia związane z tym zagadnieniem: Anizotropowy Materiał jest anizotropowy, gdy jego właściwości zależą od kierunku (są wektorowe), to znaczy że materiał ma w jednym kierunku inne właściwości niż w innym, na przykład wytrzymałość. Typowymi przedstawicielami anizotropowych materiałów budowlanych są drewno i tworzywa sztuczne wzmacniane włóknami. Izotropowy Materiał jest izotropowy, jeśli jego właściwości są niezależne od kierunku, to znaczy, że są jednakowe we wszystkich kierunkach. Typowym przedstawicielem izotropowego materiału budowlanego jest stal." stal w procesie wytwarzania i przeróbki plastyczne] uzyskuje wyraźne własności anizotropowe, które jednak w konstrukcjach budowlanych nie są uwzględniane (przypis redakcji polskiej).