«Конструкции из дерева и пластмасс» ЛЕКЦИЯ 2 2. Свойства древесины и пластмасс как конструкционных материалов. - презентация

1 «Конструкции из дерева и пластмасс» ЛЕКЦИЯ 2 2. Свойства древесины и пластмасс как конструкционных материалов

2 2.1 Физические свойства древесины Плотность: древесины, защищенной от увлажнения (кг/м 3 ) Хвойные: лиственница650 сосна, ель, кедр, пихта500 Твердые лиственные: дуб, береза, бук700 Мягкие лиственные: осина, тополь, ольха, липа500 Термическое расширение увеличение размеров деревянного элемента при нагревании Теплопроводность

3 Материал Коэффициент теплопроводности, Вт/м С Вакуумированные теплоизоляционные материалы (ТИМ) 0,001…0,003 Эффективные ТИМ (экструзионные пенополистиролы и др.) ~ 0,03 Минераловатные и стекловатные ТИП~ 0,04 Древесина сосны поперек волокон0,1 Кирпич глиняный обыкновенный0,7 Бетон2 Сталь70

4 Химическая стойкость: В зависимости от вида химической агрессии древесину можно использовать без дополнительной защиты или защищая её покраской или поверхностной пропиткой. Древесина по-разному реагирует на действие химических веществ. Плавиковая, фосфорная и соляная (низкой концентрации) кислоты не разрушают древесину при обычных температурных режимах эксплуатации. Серная кислота при концентрации более 5 % и особенно азотная кислота разрушают древесину и при обычных температурах. Большинство органических кислот (уксусная, муравьиная, лимонная и др.) ослабляют древесину только в горячих растворах. Газовые среды, например серный или сернистый ангидрид, вредно действуют на древесину при наличии увлажнения и повышенной температуры.

5 2.2 Механические свойства древесины Анизотропия древесины Является следствием особенностей строения древесины, представляющей собой совокупность волокон, расположенных в основном лишь в одном направлении. Второй, не менее важной причиной анизотропии является ярко выраженная слоистость по годовым слоям. Прочность и деформативность зависят от направления действия усилий и деформаций по отношению к волокнам. Теплопроводность и линейное тепловое расширение, электропроводность, влагопроводность и изменение размеров при увлажнении-высыхании древесины также различны по трем направлениям структурной симметрии

6 2.2.2 Прочность характеризует способность материала сопротивляться воздействию механических нагрузок, сохраняя целостность. Нормативное сопротивление Rн - по результатам испытаний стандартных образцов на кратковременную нагрузку сосна вдоль волокон: при растяжении – 100 МПа, при изгибе – 80 МПа, при сжатии – 44 МПа Расчетное сопротивление R - максимальное напряжение, которое может выдержать материал, при эксплуатации в конструкции, не разрушаясь при учете всех неблагоприятных факторов, снижающих его прочность сосна вдоль волокон: при растяжении – 10 МПа, при изгибе – 15 МПа, при сжатии – 15 МПа

7 2.2.3 Жесткость (деформативность) степень деформативности при действии нагрузки. Зависит от направления действия усилий по отношению к волокнам, длительности действия нагрузки и влажности древесины. Модуль упругости Е В СП «Деревянные конструкции» даются значения модуля упругости для любой породы древесины: вдоль волокон Е = МПа поперек волокон Е 90 = 400 МПа

8 Влияние длительности действия нагрузки При неограниченно длительном нагружении прочность древесины характеризуется пределом длительного сопротивления, который составляет ~50 % предела прочности при стандартном нагружении. Наибольшую прочность, в 1,5…2 раза превышающую кратковременную, древесина показывает при кратчайших ударных и взрывных нагрузках. Это обстоятельство учитывается введением коэффициентов к расчетному сопротивлению (R) и модулю упругости (Е): m д < 1 – когда длительно действующие нагрузки составляют более 80 % суммарных. m н > 1 – при учете кратковременных воздействий.

9 Другая характерная особенность древесины – свойство ползучести (увеличение деформаций с течением времени) под действием неизменной нагрузки. При уровне напряжений дл деформации будут нелинейно возрастать вплоть до разрушения. При этом нужно отметить, что деформации ползучести - это пластические деформации, то есть необратимые t (время) < дл > дл

10 2.2.5 Влияние влажности Увеличение влажности древесины приводит к снижению её прочности и увеличению деформативности. Количественно влажность древесины определяется процентным отношением содержания влаги к массе древесины: При условиях эксплуатации с повышенной влажностью к расчетному сопротивлению и модулю упругости древесины вводится понижающий коэффициент m в

11 W=12% – равновесная влажность древесины в сухом помещении. W=30% – предел гигроскопической влажности (влага в стенках клеток). W>30% – влага заполняет пустоты. W=70% – полное водонасыщение в воздушной среде. Древесина погруженная в воду может иметь влажность до 200%. При изменении влажности от 0 до 30% происходит изменение объема древесины. При этом изменение линейных размеров вдоль волокон, в радиальном и тангенциальном направлениях существенно различаются

12 2.2.6 Влияние температуры эксплуатации При повышении температуры от 30 до 50 С прочность древесины снижается, а деформативность увеличивается. При повышенной температуре эксплуатации к расчетному сопротивлению и модулю упругости древесины вводится понижающий коэффициент m т < 1. При температуре эксплуатации до +35 С коэффициент m т =1. При температуре эксплуатации 50 С коэффициент m т =0,8. При промежуточный значениях температуры коэффициент m т определяется по интерполяции. При температуре окружающей среды выше 50 С эксплуатация деревянных конструкций не допускается.

13 2.3. Конструкционные пластмассы Пластмассы – это материалы на основе природных или синтетических полимеров, способные приобретать заданную форму при нагревании под давлением и устойчиво сохранять ее после охлаждения. Помимо полимера пластмассы могут содержать наполнители, пластификаторы, стабилизаторы, пигменты и другие компоненты.

14 Пластмассы различаются: по эксплуатационным свойствам например атмосферо-, термо- или огнестойкие, природе наполнителя стеклопластики, углепласты, способу расположения наполнителя в материале слоистые, волокнистые, с хаотичным расположением, по типу полимера например акрилопласты. Конструкционные пластмассы сгораемы, имеют невысокую огнестойкость, их жесткость невелика (за исключением стеклопластиков), подвержены старению.

15 2.3.1 Стеклопластики из-за своей высокой прочности представляют наибольший интерес для конструктора. Это химически стойкий материал, получаемый горячим прессованием эпоксидных, фенолформальдегидных, полиэфирных и других смол, смешанных со стеклянным наполнителем. Стеклянное волокно выполняет роль арматуры, оно защищено от влияния внешней среды связующим. Стеклянные нити получают из расплавленной стеклянной массы, протягиваемой через мельчайшие отверстия фильеры. Первичные нити служат исходным сырьем для получения крученых нитей, стекложгутов, стеклохолстов и стеклотканей, вид которых определяет механические свойства стеклопластика.

16 Стеклопластики применяют в элементах несущих конструкций в виде уголков и швеллеров, в обшивках ограждающих светопроницаемых панелей, в узловых соединениях в виде фасонок, болтов и гаек. Листовой материал применяют в качестве обшивок плит, стенок профильных балок, соединительных элементов немагнитных деревянных и пластмассовых конструкций Стеклопластики: с непрерывным однонаправленным волокном и хаотически направленным рубленым волокном

17 2.3.2 Нетканые перекрестные материалы изготовляют различной структуры: от плотных до редких сеток с размером ячейки 20x20 мм. Плотные клееные материалы применяют для армирования конструкционных стеклопластиков, получаемых методом намотки, контактного формования и прессования. Клееные сетки предназначены для армирования пленок, бумаг. Нетканые перекрестные сетки - перспективный армирующий материал при изготовлении строительных конструкций.

18 2.3.3 Тканые стекловолокнистые материалы – стеклоткани, различаются типом переплетения, числом нитей вдоль и поперек ткани. Для создания высокопрочных конструкционных не расслаивающихся стеклопластиков разработаны многослойные стеклоткани толщиной 1…10 мм. Отдельные слои тканей связывают друг с другом в процессе тканеобразования. Многослойные ткани могут быть комбинированными, с включением различного количества синтетических волокон.

19 2.3.4 Органическое стекло – это термопластичный стеклопластик, получаемый путем полимеризации метилового эфира метакриловой кислоты. Основные достоинства органического стекла: - высокая степень прозрачности, светопропускание в среднем составляет 92%; - относительно малая плотность (1,2 г/см 3 ); - хорошо пропускает ультрафиолетовое излучение, 70…90 %; - обладает повышенными теплотехническими свойствами, теплопроводность в пять раз ниже чем у силикатного стекла. Недостатки органического стекла: - низкая поверхностная твердость - при длительном воздействии атмосферы, статической нагрузки на поверхности стекла появляются микротрещины – «серебро»; - горючесть. По своей природе органическое стекло является термопластом, при повышении температуры до 90 °С переходит из стеклообразного состояния в эластичное.

20 2.3.5 Сотовый поликарбонат – широко используется в качестве светопрозрачного ограждения (зимних садов, жилищ, соляриев, навесов, перегородок, навесных потолков). Представляет собой полые прозрачные панели, которые состоят из разнесенных между собой листов, соединенных продольными ребрами жесткости. Количество листов в панели может быть от двух до четырех при общей толщине панели от 4 до 25 мм Сотовый поликарбонат более ударопрочный чем оргстекло. За счет воздушных прослоек имеет более высокие теплотехнические характеристики. Трудновоспламеним. Недостатком этого материала является неустойчивость к солнечной радиации (устраняется нанесением прозрачного ультрафиолетового стабилизирующего слоя)

21 2.3.6 Винипласт - как и оргстекло, состоит полностью из термопластичной смолы без наполнителей. Изготовляют в виде плоских или волнистых листов толщиной до 2 мм и шириной до 1200 мм. Может быть прозрачным. Свойства винипласта близки к свойствам оргстекла. Основными достоинствами являются самозатухаемость, высокая стойкость в химически агрессивных средах

22 2.3.7 Воздухонепроницаемые ткани применяют для пневматических конструкций. Состоят из текстиля и эластичных покрытий. Свойства воздухонепроницаемых тканей определяются свойствами составляющих их текстилей и покрытий. а) б) Пневматические строительные конструкции: а – пневмокаркасное покрытие; б – воздухоопорное Тентовое вантово-стоечное покрытие

23 2.3.8 Теплоизоляционные пенопласты Феноформальдегидный пенопласт марки ФРП-1 мелкопористый материал от светло-серого до темно-коричневого цвета. Полиуретановый пенопласт имеет высокие механические характеристики, особенно при сдвиге, что важно для трехслойных ограждающих конструкций без ребер. С целью экономии полиуретановой композиции при изготовлении используют наполнители в виде минеральных гранул, полученных на основе обожженных глин, стекла, перлита. Пенополистирольный пенопласт получают вспениванием гранул что обеспечивает высокое содержание воздуха, до 98%, а следовательно легкость и низкую теплопроводность материала. Экструзионный пенополистирол имеет исключительно низкий процент водопоглощения, менее 1 %, не является питательной средой для грибов плесени, не растворяется в воде, а также устойчив к воздействию большинства химических веществ.