Введение. 
Деревянные конструкции

Цель данной работы рассмотреть деревянные конструкции, их техническую и экономическую актуальность в наше время, а так же применение в гражданском и промышленном строительстве. Задача состоит в том, чтобы рассмотреть деревянные конструкции с инженерной точки зрения.

Изучение темы реферата я начну с исторической справки. Рассмотрим деревянные конструкции и их развитие с древности и до наших дней.

Далее рассмотрим их техническую и экономическую актуальность деревянных конструкций и их востребованность на сегодняшний день.

В последней части реферата мы рассмотрим использование деревянных конструкций в промышленном и гражданском строительстве, насколько часто и в какой сфере применяют эти конструкции.

Деревянные конструкции

О древних формах деревянных конструкций можно судить лишь по сохранившимся их описаниям, а также по каменным памятникам, воспроизводящим существовавшие до них деревянные конструкции. Таковы, например, индийские памятники II в. до н. э.(Рис 1).

В эпоху Возрождения арх. А. Палладио (1518 — 1580 гг.) разработал и построил рациональные арочные и балочные мостовые фермы, по своей схеме близкие к современным (Рис 2). Несмотря на четкую схему конструкции эти фермы из-за недостаточных сведений об их работе и несовершенства узловых соединений времени получили распространение лишь ХIX в.

Рисунок 2 — фермы архитектора Палладио В русском деревянном зодчестве с древнейших времен господствовали бревенчатые строения, рубленые горизонтальными венцами.

В местностях с суровым климатом, богатых лесом, рубленое строительство было вполне целесообразным. Оно обладает необходимой прочностью, дает надлежащую защиту от холода. Рубленые здания являются сборно — разборными и легко перевозятся в разобранном виде.

Рублеными делались не только жилые дома (Рис 3), но и другие здания и сооружения; городские стены и башни, церкви, стволы колоколен, мосты. Еще в начале XI в. «Русская Правда» упоминает о «мостниках» — строителях мостов. В 1115 г. при Владимире Мономахе был построен наплавной мост через Днепр в Киеве. В борьбе с татарами московские великие князья широко использовали защитные деревянные сооружения и мосты.

Рисунок 3 — Северная изба Рубленое строительство имело характер подлинного народного творчества.

Выдающимся по архитектурным достоинствам деревянным сооружением был дворец царя Алексея в с. Коломенском, по мнению современников — восьмое чудо мира (Рис 4).

Рисунок 4 — Дворец царя Алексея Каркасные конструкции в старину применялись значительно реже рубленых.

Однако уже в те времена появились предшественники современных каркасных конструкций. Так, например, звонницы церквей делались с каркасом, как тогда говорили, о пяти столбах, о девяти и более (Рис 5). Перекрытия больших залов в церковном и гражданском строительстве решались в виде балочной клетки, покоившейся на массивных колоннах, с капителями в форме вилки, необходимой для удержания полбалки.

Дальнейшее развитие деревянных конструкции на Руси связано с реформаторской деятельностью Петра Великого, развитием судостроения, промышленности, строительством Петербурга. Строились набережные, мосты, верфи и другие сооружения, требовавшие большого количества леса и более рационального его использования. Введено лесопиление вместо существовавшей до тех пор тоски досок топором.

Рисунок 5 — Главная башня Якутского острога Развитие промышленности в России, в первую очередь металлургической, привело к постройке больших рубленых зданий для машин, работавших силою падения воды, так называемых «вертельных амбаров». Плотины, шахты и даже сами машины в то время строились из дерева. арочный деревянный конструкция возрождение Постепенно совершенствовались и каркасные конструкции. В одной из рукописей 1735 г. приведено изображение каркасной конструкции, поддерживающей «подъемную машину» (Рис 6).

Рисунок 6 — Машина для подъема чугуна На чертеже каменной плотины лесопильной мельницы Сестрорецкого оружейного завода (конец XVIII в.) видна схема фермы большого пролета, перекрывающая производственный цех (Рис 7).

Рисунок 7 — Лесопильная мельница Эти примеры свидетельствуют о том, что в течение XVIII в. в России разнообразные формы деревянных конструкций развивались в соответствии с общим ростом промышленного производства. Однако техника выполнения несущих деревянных конструкций основывалась в целом на плотничном искусстве. Узловые соединения ферменных конструкций выполнялись на врубках с металлическими поковками и болтами.

Во второй половине XVIII в. роль инженера в развитии конструктивных форм усиливается параллельно с развитием науки о расчете конструкций — строительной механики. Деревянные конструкции (наравне с другими) подвергаются расчету и испытанию. Плотничное искусство перестает играть главную роль и уступает место инженерному творчеству.

В 70-х годах XVIII в. И. П. Кулибин составил проект грандиозного однопролетного арочного моста через Неву в Петербурге пролетом около 300 м (Рис 8).

Рисунок 8 — Мост Кулибина В связи с начавшимся в середине XIX в. усиленным строительством железных дорог особое значение получили работы в области железнодорожных мостов.

Одним из пионеров мостостроения на русских железных дорогах был Д. И. Журавский (1821—1891 гг), сочетавшей в своей работе глубокие теоретические исследования с практикой строительства. Он запроектировал и построил несколько крупных деревянных мостов и других сооружений: огромный Веребьинский мост на Петербурго-Московской ж. д., имевший 9 пролетов по 54 м (Рис 9), мост через р. Мсту и подмости большого пролета (60 м) для его восстановления после пожара и др.

Рисунок 9 — Мост через Веребьинский овраг В гражданских и промышленных зданиях во второй половине XIX в. преобладали треугольные фермы из бревен или брусьев на врубках. Новым достижением было применение в фермах растянутых стальных элементов — сначала в виде растянутых стоек из круглой стали (Рис 10), а затем и нижних поясов.

Рисунок 10 — Ферма со стальными стойками Изыскания новых форм арочных конструкций были проведены в Германии. В начале XX в. там применялись решетчатые арки с соединениями на шпонках, а также клееные арочные конструкции на водостойких клеях. Появление клеевых соединений явилось одним из наиболее важных событий в деле рационализации деревянных конструкций.

Во время первой мировой войны и после ее окончания в результате острого недостатка стали строительство деревянных конструкций в Германии получило сильное развитие. Специализированные фирмы, используя патентное право на эксплуатацию изобретений немецких инженеров, построили из дерева много разнообразных зданий и сооружений с большими пролетами (Рис 11).

Рисунок 11 — Арки Изучением древесины и деревянных конструкций у нас занимаются специальные научно-исследовательские институты, вузы и проектные организации: Центральный научно-исследовательский институт строительных конструкций (ЦНИИСК), Центральный научно-исследовательский институт механической обработки древесины (ЦНИИМОД) и др. В последнее время для разработки типовых проектов создан специальный государственный институт.

Новые решения деревянных конструкций впервые были применены у нас на строительстве павильонов первой сельскохозяйственной выставки 1923 г., а затем на строительстве ЦАГИ в 1925 г. (Рис 12). Получили применение конструкции из досок с соединениями на кольцевых шпонках и на гвоздях.

Рисунок 12 — павильон ЦАГИ Наибольшее применение получили с начала 30-х годов деревянные конструкции с соединениями на нагелях и, в особенности, на гвоздях. Типичными для гвоздевых конструкций того времени были сегментные фермы, дощато-гвоздевые балки с перекрестной стенкой или рамы (Рис 13).

Рисунок 13 — Двухшарнирная рама Эти конструкции отличаются высокой надежностью и простотой изготовления, но требуют высококачественной древесины на нижние растянутые пояса.

Во второй половине 30-х годов получили применение клееные конструкции: настилы междуэтажных перекрытий, балки, арки и фермы. Внедрение клееных конструкций стало возможным после разработки в лаборатории деревянных конструкций ЦНИПС водоустойчивых клеев (М. Н. Плунгянская, Л. Б. Губенко). Значение клеевых соединений в деревянных конструкциях может быть по своей эффективности сравнено со значением сварки в стальных конструкциях.

Интересной разновидностью клееных конструкций являются разработанные в ЦНИПС соединения и конструкции на клеестальных шайбах (Рис 14). Склейка тонкой металлической полосы с деревом дает возможность усилить концы соединяемых деревянных элементов металлом, повысить несущую способность соединений и получить весьма удобные в монтаже сборно-разборные конструкции.

Рисунок 14 — Опытная ферма на клеестальных шайбах Параллельно с развитием конструктивных форм совершенствовались методы расчета деревянных конструкций, изучались свойства древесины как строительного материала. В результате этой работы неоднократно издавались НиТУ по проектированию деревянных конструкций в 1929, 1931, 1938, 1947 гг. Как было упомянуто выше, расчеты строительных конструкций в настоящее время производятся по методу расчетных предельных состояний, введенному с 1955 г.

Переход на новую методику оказался возможным в результате углубленного изучения свойств древесины, работы соединений и конструкций и опыта их эксплуатации.

Дальнейшее развитие строительства предусматривает широкое внедрение конструкций, удовлетворяющих условиям комплексной механизации их изготовления и скоростного монтажа.

Прогрессивной формой деревянных конструкций являются, в первую очередь, клееные конструкции заводского изготовления из досок на водостойких клеях, позволяющие максимально использовать мелкосортную и низкокачественную древесину в сжатых и изгибаемых элементах конструкций, расходуя при этом минимум высококачественной древесины и стали. Предстоит дальнейшая работа по внедрению технологии высококачественной склейки в производство.

Широкое распространение получили легкие клеефанерные конструкции с применением в них водостойкой высококачественной фанеры. Хорошие перспективы имеют применение бакелизированной фанеры в строительных конструкциях. Замена пиломатериалов фанерой является одним из наиболее эффективных средств экономии древесины в строительстве.

Древесина является одним из основных видов строительных материалов, чему способствуют ее широкое распространение, легкость добычи и обработки, а также высокие показатели прочности при малом объемном весе.

К недостаткам, ограничивающим применение деревянных конструкций, относятся: опасность загнивания и возгорания их, усушка, разбухание, коробление и растрескивание, неоднородность строения и наличие пороков в древесине. Но они не могут считаться неустранимыми, так как современная техника выработала способы борьбы с недостатками природной древесины — различные методы консервирования и облагораживания ее. Изобретены производные материалы из древесины с повышенными свойствами: фанера различных видов, прессованная древесина (лигностон), слоисто-прессованная древесина (лигнофоль), материалы из щепы и стружек (фибролит), древесноволокнистые материалы (оргалит), изделия из отходов древесины (стружек, опилок) на основе вяжущих из синтетических смол (древесно-стружечные плиты) и др. Применение этих способов обработки древесины и новых производных материалов существенно повышает долговечность деревянных конструкций, расширяет область, их эффективного применения в строительстве.