Людмил Оксанович - Невидимый конфликт
Строительство с применением деревянных конструкций практически не зависит от сезона. В этом сходство стальных и деревянных конструкций и их отличие от классических монолитных. Зимние условия не удорожают строительного процесса, чего, как известно, нельзя сказать о железобетоне. Это обусловлено тем, что деревянные конструкции подобно металлическим являются сборными. Их централизованное производство в цехе создает возможность индустриализации, переноса части строительных работ «под крышу», в заводские условия.
Завершая общее описание дерева как строительного материала, добавим несколько слов о его прекрасных физических и химических свойствах. Благодаря весьма малому коэффициенту теплового расширения на дерево, в отличие от бетона и стали, практически не влияют сезонные колебания температуры. В конструкциях не возникает дополнительных температурных напряжений, а следовательно, нет необходимости в специальных мерах. В отличие от бетона и стали дерево — превосходный теплоизолятор. Кроме того, оно устойчиво к воздействию дымов и газов, которые выделяются рядом производств. Есть случаи, когда оно поистине незаменимо. Для современных деревянных конструкций характерен эффективный симбиоз между деревом и сталью (применяемой в весьма скромных количествах), что по сравнению с далеким прошлым позволяет поднять этот тип конструкций на новую высоту.
Непременно следует упомянуть и о проблеме связей и соединений. Для дерева эта проблема так же важна, как и для стали, с той лишь разницей, что в этом случае она решается значительно легче, поскольку существует более прочный и твердый материал — сталь. Наиболее широко распространены гвоздевые и болтовые соединения, однако все большее применение находят клееные деревянные конструкции. Современные синтетические клеящие составы обеспечивают прочное и надежное соединение элементов, а также дают ряд технико-экономических преимуществ, одним из которых является сокращение расхода стали.
Все сказанное выше незаметно превратилось в одну хвалебную речь, в прославление дерева. А медаль, естественно, имеет и оборотную сторону. Теперь с риском перечеркнуть все перечисленные достоинства перевернем медаль … и постепенно нас охватит ужас…
Как естественный продукт, изготовленный природой совсем не для строительных целей, древесина имеет много отклонений от нормального строения, соответствующего стандарту, много естественных повреждений. Это, например, сучки (т.е. места, от которых отходили отдельные ветви дерева), внутренние трещины, закручивание волокон на стволе в процессе роста или их сужение и расширение, а в результате волокнистая структура дерева оказывается неупорядоченной, что влияет на механические характеристики древесины. Невнимание при сортировке лесоматериалов может катастрофическим образом отразиться на несущей способности изготовленных из них элементов.
Весьма серьезный недостаток древесины — ее склонность к гниению и разрушению живыми вредителями (жуком-древоточцем, термитами и т. д.). Для органических материалов гниение — всеобщий процесс. Это биологическое явление обусловлено паразитированием в древесине при определенной температуре и влажности самых разнообразных микроорганизмов. В зависимости от конкретных условий с момента поражения до полного разрушения дерева проходит от нескольких месяцев до нескольких лет.
Пожароустойчивость древесины равна нулю. Неимпрегированное дерево не только быстро загорается, но и выделяет в процессе сгорания большое количество тепла, что способствует быстрому распространению пожара. С другой стороны, древесина очень гигроскопична. С ростом влажности ее объем увеличивается, прочность уменьшается. При высыхании древесина сокращается до своего первоначального объема. Неравномерное набухание и высыхание приводят к вспучиванию и искривлению дерева, что очень сказывается на его качествах как строительного материала.
Рис 10. Сопротивление древесины в значительной степени зависит от угла, образованного направлением силового воздействия и направлением древесных волокон
С точки зрения механики природа древесины трудно поддается изучению. Основная причина этого — ее волокнистое строение. Волокна создают своеобразный скелет, в направлении которого древесина обладает наибольшей прочностью и твердостью. С увеличением угла отклонения силового воздействия от направления волокон сопротивления и модули упругости резко уменьшаются, а деформации быстро нарастают. О весьма чувствительных различиях в механических свойствах древесины при изменении этого угла может дать представление рис. 10. Показанная кривая характеризует работу элемента на сжатие. Только теперь мы сможем оценить, каким прекрасным, однородным и упругим материалом является сталь. Ведь у дерева сколько видов силового воздействия, столько и разных сопротивлений — на растяжение, на сжатие, на изгиб, на скручивание. И, что еще хуже, эти сопротивления, как и модули упругости, зависят от угла наклона относительно волокон. Поэтому расчет деревянных конструкций и их элементов весьма сложен, а точный анализ множества активных факторов просто неизбежен.
Рис. 11. Дерево, в отличие от стали, имеет несколько "удостоверений личности". Здесь показаны две его важнейшие рабочие диаграммы — на растяжение и на сжатие в соответствии с направлением волокон
Основные расчетные характеристики определяются для воздействии, параллельных и перпендикулярных направлению волокон. На основании полученных результатов можно получить и механические характеристики древесины, нагруженной под определенным углом относительно волокон. На рис. 11 показаны рабочие диаграммы древесины, подвергающейся нагрузке на растяжение и сжатие в направлении волокон. При растяжении зависимость между напряжениями и деформациями представляет собой линию, слегка изогнутую вначале. Никакой пропорциональности нет. Строго говоря, закон Гука здесь теряет силу. Бросается в глаза отсутствие какой бы то ни было площадки текучести. В конечной фазе растяжения волокна начинают быстро рваться и разрушение наступает внезапно (хрупкое разрушение) при напряжениях порядка 1000 кг/см2.
Поведение дерева при нагрузке на сжатие представляет весьма разнообразную картину. После значительного почти прямолинейного участка в связи с быстрым ростом деформаций наблюдается нечто похожее на площадку текучести у мягких сталей. Другими словами, при работе на сжатие древесина обладает ярко выраженными пластическими свойствами. Разрушение начинается с искривления самых прочных волокон в направлении более слабых; при этом на поверхности испытуемого тела образуются характерные складки. При нарастании нагрузки происходит и окончательное разрушение — при напряжениях в 2—3 раза меньших, чем в случаях работы дерева на растяжение.
Полезно сравнить рассмотренные графики с рабочими диаграммами стали. Предельная (разрушающая) деформация древесины при сжатии равна 0,6%. а при растяжении — 0,8%. По этим характеристикам дерево приближается к высокопрочным сталям, тогда как у мягких и низколегированных сталей они значительно выше. В интервале же практически целесообразных и допустимых деформаций положение обратное. За предел пропорциональности (точка, до которой остается в силе закон Гука) и при растяжении, и при сжатии принимается напряжение, равное половине предельной прочности. Оно может быть достигнуто при деформации 0,15% (сжатие) и 0,35% (растяжение), тогда как у мягких сталей рабочий диапазон простирается до деформации 0,1%. Таким образом, в реальных конструкциях дерево проявляет себя как материал более деформируемый, чем сталь.
С другой стороны, при рабочих деформациях одного и того же порядке древесина работает со значительно меньшим напряжением. Отсюда следует, что ее жесткость, упругость и модуль упругости гораздо меньше, чем у стали. Почти в 20 раз меньше…
Когда мы рассматривали сталь, мы упомянули о еще одном сложном виде силового воздействия — об изгибе. Теперь же сделать это просто необходимо.
На изгиб работают почти все элементы почти всех видов строительных конструкций. Это, наверное, самая распространенная форма конфликта между нагрузками и конструкциями, между силовыми воздействиями и материалом.
Рис.12. Работа элемента изогнутой балки. Изгиб является самой неприятной, но и наиболее частой формой невидимого конфликта жесткость, упругость и модуль упругости гораздо меньше, чем у стали. Почти в 20 раз меньше...
Едва ли мы удивим кого-нибудь утверждением, что при изгибе одна часть сечения элемента подвергается сжатию, а другая — растяжению. Каждому случалось преодолевать препятствие по перекинутой доске или бревну. Физическое ощущение при этом наиболее яркое; провисающая под тяжестью нашего тела доска сама по себе достаточно отчетливо характеризует одно из главных инженерно-теоретических понятий — «изгиб». На рис. 12 показано, что верхняя часть изгибаемого элемента укоротилась, а нижняя удлинилась. Но деформация укорачивания предполагает возникновение сжимающих напряжений, а деформация удлинения — растягивающих. Следовательно, можно сказать, что изгиб — это форма одновременного сочетания растяжения и сжатия в рамках одного и того же сечения.
