Рекомендации по расчетным сопротивлениям и модулям упругости фанеры из древесины лиственницы
РЕКОМЕНДАЦИИ ПО РАСЧЕТНЫМ СОПРОТИВЛЕНИЯМ И МОДУЛЯМ УПРУГОСТИ ФАНЕРЫ ИЗ ДРЕВЕСИНЫ ЛИСТВЕННИЦЫ
Рекомендовано к изданию решением секции деревянных конструкций научно-технического совета ЦНИИСК им. Кучеренко.
Рекомендации составлены в развитие главы СНиП II-В.4-71 «Деревянные конструкции. Нормы проектирования» и содержат основные характеристики фанеры из древесины лиственницы, необходимые при расчете и конструировании клеефанерных строительных конструкций с применением указанного материала.
Рекомендации разработаны лабораторией ограждающих конструкций ЦНИИСК им. Кучеренко (И.Н. Бойтемирова, И.М. Линьков).
Рекомендации предназначены для работников проектно-конструкторских организаций, научно-исследовательских организаций, а также для работников лесной и деревообрабатывающей промышленности.
Замечания и предложения по Рекомендациям просьба направлять по адресу: 109389, Москва, 2-я Институтская, 6, ЦНИИСК им. Кучеренко, лаборатория ограждающих конструкций.
ПРЕДИСЛОВИЕ
Основными направлениями развития народного хозяйства СССР на 1976 — 1980 годы предусмотрено увеличить производство клееных деревянных конструкций примерно в 6 раз.
Для изготовления клееных деревянных конструкций должна найти широкое применение фанера строительная, в первую очередь в качестве обшивки панельных конструкций.
Ценные технические свойства фанеры — большие размеры листов, высокая удельная прочность, относительно малая анизотропия свойств в направлении вдоль и поперек волокон наружных слоев, воздухонепроницаемость, транспортабельность, простота обработки — отвечают прогрессивным требованиям современного строительства.
Одним из путей увеличения производства является расширение сырьевой базы фанерной промышленности за счет использования древесины хвойных пород, в первую очередь лиственницы, запасы которой составляют около 40% всех лесных ресурсов страны.
Для практического использования фанеры из древесины лиственницы в строительных конструкциях необходимы комплексные сведения о прочностных и деформативных характеристиках этого материала при основных видах напряженного состояния, которые в технической литературе отсутствуют. Это потребовало проведения широких экспериментальных и теоретических исследований данного материала, основные результаты которых представлены в настоящих Рекомендациях.
1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
1.1. В Рекомендации включены расчетные сопротивления строительной фанеры из древесины лиственницы, модули упругости, сдвига и коэффициенты Пуассона в плоскости листа; временные и нормативные сопротивления, коэффициенты изменчивости и коэффициенты безопасности по материалу при растяжении, сжатии, изгибе, скалывании и срезе.
1.2. Области применения фанеры марок ФСФ и ФК из древесины лиственницы в строительных конструкциях необходимо принимать в зависимости от условий эксплуатации.
1.3. В соответствии с главой СНиП II-В.4-71 (табл. 9) переходные коэффициенты к расчетным сопротивлениям на фанеру из древесины лиственницы не распространяются и расчетные сопротивления должны приниматься по табл. 1 настоящих Рекомендаций.
1.4. Расчет клееных фанерных панелей с использованием фанеры из древесины лиственницы должен производиться в соответствии с главой СНиП II-В.4-71 (п. 4.23).
1.5. В клееных фанерных элементах ширина досок, склеиваемых с фанерой из древесины лиственницы, должна соответствовать размерам, указанным в п. 5.9 главы СНиП II-В.4-71.
2. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО РАСЧЕТНЫМ СОПРОТИВЛЕНИЯМ
2.1. Расчетные сопротивления фанеры из древесины лиственницы должны приниматься в соответствии с табл. 1 настоящих Рекомендаций.
2.2. При эксплуатации строительных конструкций, подверженных влиянию различных факторов (например, температурно-влажностные условия, повышенная температура, воздействие только постоянной и временной длительной нагрузок), величины расчетных сопротивлений умножаются на коэффициенты, принимаемые в соответствии с главой СНиП II-В.4-71 (пп. 3.5 и 3.6).
3. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО МОДУЛЯМ УПРУГОСТИ
3.1. Величины модулей упругости и сдвига и коэффициенты Пуассона строительной фанеры из древесины лиственницы, принимаемые для конструкций групп А1, А2 и Б1, защищенных от нагрева, находящихся под действием постоянной и временной нагрузок, приведены в табл. 2.
3.2. Величины модулей упругости и сдвига для конструкций остальных групп и конструкций, находящихся под воздействием различных факторов, должны приниматься в соответствии с главой СНиП II-В.4-71 (пп. 3.5 и 3.6).
4. РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ВРЕМЕННЫМ И НОРМАТИВНЫМ СОПРОТИВЛЕНИЯМ
4.1. Временные и нормативные сопротивления строительной фанеры из древесины лиственницы и соответствующие им коэффициенты изменчивости и коэффициенты безопасности по материалу приведены в табл. 3.
ОБОСНОВАНИЕ К НАЗНАЧЕНИЮ РАСЧЕТНЫХ СОПРОТИВЛЕНИЙ
И МОДУЛЕЙ УПРУГОСТИ ФАНЕРЫ ИЗ ДРЕВЕСИНЫ ЛИСТВЕННИЦЫ
Состояние вопроса и задачи работы
Отечественный и зарубежный опыт использования фанеры в строительстве показывает, что фанера является эффективным конструкционным материалом. Применение фанеры способствует решению одной из важных задач строительства — снижению материалоемкости конструкций. Как известно, основная масса клееной фанеры (свыше 90%) изготовляется из древесины березы, сырьевые запасы которой в настоящее время ограничены. В связи с этим в лаборатории ограждающих конструкций ЦНИИСК изучается возможность применения фанеры из древесины хвойных пород в качестве материала для панельных конструкций. В первую очередь исследуется фанера из древесины лиственницы, запасы которой составляют около 40% всех лесных запасов страны.
Изучению рационального использования фанеры из древесины лиственницы предшествовала работа по определению нормативных и расчетных сопротивлений, модулей упругости и сдвига, коэффициентов Пуассона материала.
Для определения прочностных и деформативных характеристик исследуемого материала были изготовлены опытные партии фанеры марок ФСФ и ФК на Поволжском фанерно-мебельном комбинате и фанерно-спичечном комбинате «Байкал».
Одна из опытных партий фанеры из древесины лиственницы марки ФК, склеенная на карбамидном клее М-60, включала трех-, пяти- и семислойные листы пяти различных сортов — В, ВВ, С, 1 и 2. Толщина внутреннего и наружного шпона листов фанеры принималась равной и составляла 1,1; 1,9 и 2,5 мм.
Другая опытная партия фанеры марки ФСФ сорта С, представленная трех-, пяти- и семислойными листами, состояла из шпона толщиной 1,2; 1,5 и 2 мм. При изготовлении данной партии фанеры использовалась фенолоформальдегидная смола марки С-1.
Временные сопротивления фанеры указанных марок определяли для всех основных видов напряженного состояния — растяжения, сжатия, изгиба, скалывания и среза. Деформативные характеристики фанеры устанавливали по результатам испытания на сжатие (модуль упругости и коэффициент Пуассона), на растяжение и изгиб (модуль упругости), на срез (модуль сдвига).
Обозначения, принятые в табл. 4: в — вдоль волокон; п — поперек волокон наружных слоев.
Изучение прочностных и деформативных свойств фанеры производили на образцах, изготовленных согласно действующим стандартам, а также на специально разработанных для этой цели образцах. Предел прочности на срез и модуль сдвига определяли на образцах с рабочим полем 40 x 40 мм, методика испытаний которых разработана в лаборатории ограждающих конструкций. Влажность фанеры в период испытания составляла 8%. Всего было испытано 4255 образцов фанеры марки ФК и 2855 образцов фанеры марки ФСФ (табл. 4).
Обозначения, принятые в табл. 4: в — вдоль волокон; п — поперек волокон наружных слоев.
Испытания по определению предела прочности и деформативности фанеры при кратковременном действии нагрузки были проведены на машинах системы «Амслер» и «Шоппер» со скоростью нагружения в соответствии с требованиями действующих ГОСТов. Центрирование растягивающей нагрузки обеспечивалось конструкцией захватов разрывной машины, а сжимающей — приспособлением с шаровой опорой. Испытания на изгиб осуществляли нагружением образца как в третях, так и в середине пролета.
Для изучения влияния масштабного фактора на прочность при растяжении, сжатии и изгибе были разработаны образцы специальной формы с переменной шириной рабочего сечения. Крепление образцов в машине и передача соответствующего усилия потребовали создания индивидуальных испытательных устройств.
Изменение прочности фанеры в зависимости от длительного действия нагрузки исследовали при растяжении и изгибе. Образцы на растяжение имели форму двусторонней лопатки длиной 300 мм с размерами рабочей части поперечного сечения 4 x 10 (\delta) мм. Образцы для испытаний на изгиб имели сечение 70 x 10 (\delta) и длиной 500 мм. Испытания фанеры при длительном действии нагрузки производили на рычажных установках, обеспечивающих семикратное увеличение прикладываемого усилия.
Результаты испытаний
(пределы прочности, нормативные сопротивления, модули
упругости и сдвига, коэффициенты Пуассона)
За пределы прочности, модуль упругости, модуль сдвига и коэффициент Пуассона для каждой группы образцов принимали среднее арифметическое результатов испытаний. Обработку полученных данных производили при помощи ЭВМ М-220. Разработанная для этой цели программа включала получение основных статистических показателей: среднего арифметического (M, МПа); среднего квадратического отклонения от среднего арифметического (\sigma,\text{МПа}) ; вариационного коэффициента (Cv, %); средней ошибки среднего арифметического (m, МПа); показателя точности (P, %).
Методика назначения минимальных пределов прочности (табл. 5) заключалась в следующем. Из представленных в табл. 6 и 7 результатов обработки испытаний соответственно вдоль и поперек волокон наружных слоев отдельно для каждого вида напряженного состояния в зависимости от числа слоев выбирали минимальное значение предела прочности. Затем по известной формуле
\frac{M_{1} - M_{2}}{\sqrt{m_{1}^{2} + m_{2}^{2}}} \geq 3 + \frac{6}{n - 4}
производили оценку достоверности данных в пределах одинакового числа слоев относительно этой минимальной величины. По пределам прочности, достоверность разницы между которыми не установлена, вычисляли среднее значение минимального предела прочности независимо от толщины слоев. Пересчет к 12% влажности осуществляли по формуле изменения прочности от влажности в древесине отдельно для каждого вида напряженного состояния
\sigma_{12} = \sigma_{w}[1 + \alpha(w - 12)],
где \alpha — коэффициент на влажность принимали равным 0,04 при сжатии и изгибе; 0,01 — при растяжении; 0,03 — при скалывании и срезе.
Обозначения, принятые в табл. 5: в — вдоль волокон; п — поперек волокон наружных слоев.
Знаком * обозначена минимальная величина предела прочности, с которой ведется сравнение достоверности для каждого вида фанеры. Разница недостоверна, если величина в графе «достоверность разницы» меньше 3,13.
Знаком * обозначена минимальная величина предела прочности, с которой ведется сравнение достоверности для каждого вида фанеры. Разница недостоверна, если величина в графе «достоверность разницы» меньше 3,3.
Назначение модуля упругости фанеры производилось на основе кратковременных модулей и коэффициентов влияния длительного действия нагрузки на величину модуля упругости. Пересчет модуля упругости и модуля сдвига фанеры к 12% влажности осуществляли по формулам изменения величины модулей от влажности в древесине.
Нормативные сопротивления фанеры из древесины лиственницы Rн согласно приложению I главы СНиП II-В.4-71 определяли по величинам временных сопротивлений Rвр из выражения
где Cv — коэффициент изменчивости.
Из анализа полученных результатов испытаний предложен коэффициент изменчивости, который выбран по максимальному значению независимо от марки, толщины, числа слоев фанеры и направления прикладываемого усилия по отношению к волокнам наружных слоев в пределах каждого вида напряженного состояния. Для сжатия он составил 0,15, для растяжения и изгиба — 0,2, для скалывания — 0,24, для среза — 0,23. Небольшое увеличение по сравнению с березовой фанерой объясняется большей разницей в прочности между поздней и ранней древесиной хвойных пород. Значения вычисленных нормативных сопротивлений фанеры представлены в табл. 3.
Предпосылки к назначению расчетных сопротивлений
Значения расчетных сопротивлений Rф определены (с округлением) по величине нормативного сопротивления Rн, деленного на коэффициент безопасности по материалу K:
R_{\text{ф}} = \frac{R^{\text{н}}}{K} .
Известные трудности при назначении расчетного сопротивления вновь исследуемого материала связаны с определением коэффициента безопасности. Коэффициентом безопасности учитывают ряд неблагоприятных факторов, влияющих на прочность материала при работе его в конструкции. К ним прежде всего относятся: влияние пороков, масштабный фактор и влияние длительного действия нагрузки.
Особенностью испытаний фанеры по сравнению с древесиной является условность отбора малых чистых (без пороков) образцов. В образцах фанеры даже с минимальной шириной поперечного сечения, которую имеем при испытании фанеры на растяжение (4 мм), трудно быть уверенным в отсутствии пороков во внутренних слоях. Еще более неопределенным является состояние внутренних слоев при исследовании масштабного фактора на образцах со значительно большей шириной поперечного сечения. Как известно, в древесине влияние пороков и масштабного фактора ранее объединялось в одном показателе — коэффициенте однородности материала. В связи с этим одним из возможных путей учета рассматриваемых факторов — пороков и размеров может служить оценка их совместного воздействия.
Определение масштабного коэффициента (Kм)
Результаты проведенных испытаний по изучению влияния пороков и масштабного фактора на пределы прочности фанеры из древесины лиственницы приведены в табл. 8. На основе указанных данных получены следующие обобщенные показатели: при растяжении — 0,6, при сжатии — 0,8, при изгибе — 1, при скалывании и срезе — 1.
Примечание. В табл. 8 над чертой даны пределы прочности, под чертой — коэффициенты размерности.
Определение коэффициента длительной прочности Kдл
На основе изучения влияния длительного действия нагрузки для двух видов напряженного состояния фанеры из древесины лиственницы (растяжения и изгиба) был определен коэффициент длительного сопротивления, равный 0,52. Этот результат был получен с использованием экстраполяционной прямой, предложенной д-ром техн. наук. проф. Ю.М. Ивановым, построенной в полулогарифмической системе координат. Вывод о распространении указанной прямой к различным видам напряженного состояния древесины независимо от породы был применен нами к исследованию фанеры из древесины лиственницы, в связи с чем значение полученного коэффициента длительного сопротивления фанеры было отнесено к работе фанеры на сжатие, скалывание и срез.
Назначение коэффициента безопасности
Рассмотренные показатели, характеризующие влияние пороков и масштабного фактора на пределы прочности, с целью получения коэффициентов безопасности фанеры при растяжении, сжатии, изгибе, скалывании и срезе, перемножались с коэффициентами длительного сопротивления. Величины, обратные указанным произведениям, представляют собой коэффициенты безопасности по материалу K, приведенные в табл. 3.