Нормирование расчетных сопротивлений древесины и фанеры

3.1. Основными нормируемыми характеристиками прочности конструкционных строительных материалов является нормативное и расчетное сопротивление, которое определяется на основании данных стандартных испытаний с учетом статистической изменчивости показателей прочности и разной степени обеспеченности (доверительной вероятности) по минимуму. Для нормативного сопротивления R ^н предписывается обеспеченность не ниже 0,95, для расчетного сопротивления R пока не нормирована и колеблется в пределах 0,99 - 0,999.

3.2. В СНиП II-25-80 нормативные и расчетные сопротивления древесины и фанеры приняты с обеспеченностью по минимуму соответственно 0,95 и 0,99 при нормальном распределении.

3.3. Особенности структурно-механических свойств древесины и отличие действительных условий и характера ее работы от условий при стандартных испытаниях учитываются введением коэффициентов условий работы по материалу.

Для базовых расчетных сопротивлений, отвечающих нормальным температурно-влажностным условиям эксплуатации (при температуре T ≤ 35 °С и относительной влажности воздуха φ ≤ 75 %), необходимо вводить коэффициент условий работы m _дл, учитывающий влияние длительности нагружения с переходом от прочности древесины при кратковременных стандартных испытаниях к ее прочности в условиях длительно действующих постоянных и временных нагрузок за весь срок службы конструкций. Прочности R _пр при стандартных кратковременных испытаниях соответствует значение коэффициента m _дл = 1, при более короткой длительности нагружения m _дл > 1, а при более продолжительном действии нагрузки m _дл < 1.

3.4. Приведение нагрузки, действующей во времени по любому закону, к нагрузке постоянной во времени продолжительностью τ_пр позволяет при определении коэффициента m _дл для древесины использовать зависимость

m _дл = 1,03(1 - lg τ_пр/18,5).

Приведенное время действия расчетной нагрузки для наиболее типичных режимов нагружения и соответствующие им значения коэффициентов m _дл приведены в табл. 8.

Таблица 8

Режимы нагружения	Расчетное время действия нагрузки τпр, с	Коэффициент m дл	Коэффициент условий работы m н
Линейно возрастающая нагрузка при стандартных испытаниях	1 - 10		1,5
Совместное действие постоянной и длительной временной нагрузок	108 - 109	0,53	0,8
Совместное действие постоянной и кратковременной снеговой нагрузок	106 - 107	0,66
Совместное действие постоянной и кратковременной ветровой нагрузок	103 - 104	0,8	1,2
Совместное действие постоянной и сейсмической нагрузок	10 - 102	0,92	1,4
Действие импульсных и ударных нагрузок	10-1 - 10-6	1,1 - 1,35	1,7 - 2,0

Значение коэффициента, учитывающего влияние длительности нагружения, m _дл = 0,66 принято за базисное, и по отношению к нему нормируются расчетные сопротивления для других режимов и сочетаний нагружения путем введения соответствующих переходных коэффициентов условий работы m _н = m _дл/0,66 к основным расчетным сопротивлениям древесины и фанеры. Расчетное время действия нагрузки τ_пр находится путем приведения таковой за весь принятый срок службы конструкций к ее максимуму в режиме постоянной нагрузки. Расчетное сопротивление

R = (R ^н/γ _m) m _дл, (1)

где γ _m - коэффициент надежности по материалу, учитывающий отклонение в сторону меньших значений прочности материала с более высокой обеспеченностью по отношению к нормативному сопротивлению.

С учетом (1) получаем

R ^н/γ _m = R / m _дл = , (2)

где - кратковременное расчетное сопротивление.

Из условий

R ^н = R _вр(1 - η_н v), (3)

= R _вр(1 - η v) (4)

с учетом (2) находим

γ _m ≥ (1 - η_н v)/(1 - η v), (5)

где R _вр - среднее значение временного сопротивления при стандартных испытаниях материала;

η_н и η - множители, зависящие от принятого уровня обеспеченности (доверительной вероятности) и вида функции плотности распределения соответственно для нормативного и расчетного сопротивлений;

v - коэффициент вариации.

Для нормального распределения и обеспеченности по минимуму P = 0,95 η_н = 1,65 и при P = 0,99 η = 2,33. Коэффициент вариации прочности древесины v зависит от вида напряженного состояния и сорта материала; его величина колеблется в пределах 0,15 - 0,25.

3.5. Коэффициент надежности по материалу находится в прямой зависимости от принятых уровней обеспеченности для R ^н и R и от изменчивости показателей прочности материала. Степень ответственности здания и сооружения в целом и в отдельных частях должна учитываться введением в формулу (1) коэффициента надежности по назначению γ _n.

Согласно постановлению Госстроя СССР от 19 марта 1981 г. № 41 «Правила учета степени ответственности зданий и сооружений при проектировании конструкций», предписывается учитывать степень ответственности зданий и сооружений с помощью коэффициента надежности по назначению γ _n на основании СТ СЭВ 384-76. «Строительные конструкции и основания. Основные положения по расчету». Значения коэффициента надежности по назначению принимаются в зависимости от класса ответственности зданий и сооружений. Правилами предусматриваются три класса ответственности I, II и III; им соответствуют значения γ _n, равные 1; 0,95 и 0,9, а для временных зданий и сооружений со сроком службы до 5 лет допускается принимать γ _n = 0,8. С учетом этого коэффициента выражение (1) принимает вид

R' = R ^н m _дл/(γ _m γ _n). (6)

Расчетные сопротивления древесины и фанеры в табл. 3 и 10 СНиП II-25-80 для зданий и сооружений I, II и III классов ответственности необходимо делить соответственно на 1; 0,95 и 0,9.

3.6. Нормирование расчетных сопротивлений базируется на данных стандартных испытаний крупных образцов из пиломатериалов и круглого леса. Применявшийся ранее на основании результатов стандартных испытаний малых чистых образцов древесины и введения коэффициентов перехода от чистой к натуральной древесине с учетом сортности и размеров сечения лесоматериалов путь нормирования расчетных характеристик следует использовать при отсутствии оборудования для испытания крупных образцов. В этом случае для перехода от нормативного сопротивления чистой древесины R ^н_ч к R ^н используется условие

R ^н = R ^н_ч K _п K _р, (7)

где

R ^н_ч = R _вр.ч(1 - η_н v _ч); (8)

R _вр.ч - среднее значение временного сопротивления малых чистых образцов при стандартных испытаниях;

v _ч - коэффициент вариации прочности чистой древесины;

K _п - переходный коэффициент, учитывающий влияние пороков на прочность древесины;

K _р - переходный коэффициент, учитывающий влияние размеров рабочего сечения на прочность древесины.

Тогда

γ _m ≥ (1 - η_н v _ч)/(1 - η v _ч). (9)

3.7. Влияние на прочность материала условий эксплуатации и особенностей работы, отличающихся от принятых для базовых расчетных сопротивлений, учитывается умножением последних на соответствующие коэффициенты условий работы по материалу, указанные в главе СНиП II-25-80. К ним относятся: коэффициенты m _в и m _т, отражающие влияние температурно-влажностных условий эксплуатации; коэффициенты m _д и m _н, отражающие влияние характера и режима нагружения; коэффициенты m _б и m _сл, отражающие влияние размеров сечения и его составных частей; коэффициенты m _гн и m ₀, отражающие влияние начальных напряжений, концентрации напряжений; коэффициент m_a, учитывающий снижение прочности древесины при пропитке некоторыми защитными составами.

Совместное действие нескольких независимых условий работы оценивается перемножением соответствующих им коэффициентов. Для базовых расчетных сопротивлений m _в = m _т = 1.

3.8. Величины расчетных сопротивлений цельной древесины и однослойной клееной древесины из пиломатериалов определяются на основании данных испытаний в соответствии с указаниями СНиП II-25-80, прил. 2.

3.9. При нормировании расчетных сопротивлений многослойной клееной древесины из пиломатериалов надо иметь в виду ряд факторов, присущих композиции древесина - клей. Слоистая структура данной композиции способствует рассредоточению пороков, а, следовательно, повышению прочности вдоль волокон клееной древесины по сравнению с цельной при одинаковом качестве исходного материала. Однако из-за различия ориентации годичных колец, влажности соседних слоев и вследствие колебаний температурно-влажностного режима окружающего воздуха при эксплуатации происходят процессы перераспределения и выравнивания или циклических колебаний равновесной влажности. Они вызывают стесненные деформации усушки и разбухания и приводят к образованию собственных внутренних нормальных и касательных напряжений поперек волокон. Эти напряжения достигают наибольших значений в зоне, прилегающей к клееной прослойке, и усугубляются локальной концентрацией собственных и действующих от внешней нагрузки напряжений в местах с резко выраженной неоднородностью структуры композиции древесина - клей, из-за сучков, непроклея и других дефектов, добавочными напряжениями от усадки клеевой прослойки.

Влияние отмеченных факторов на прочность клееной древесины для разных видов ее напряженного состояния неодинаково. Наибольшую опасность они представляют для растяжения поперек волокон и для сложного напряженного состояния сдвига вдоль и поперек волокон с растяжением поперек волокон, угрожая расслоению такого рода композиции. Отмеченные как положительные, так и отрицательные стороны механических свойств клееной многослойной древесины требуют учета при нормировании расчетных сопротивлений. Для изгиба, растяжения и сжатия вдоль волокон определяющее значение имеют положительные факторы, повышающие прочность материала, а для растяжения поперек волокон и для скалывания при изгибе - отрицательные факторы, снижающие прочность материала.

Величины расчетных сопротивлений многослойной клееной древесины устанавливаются на основании данных испытаний:

на изгиб, сжатие, скалывание вдоль волокон клееных образцов из слоев толщиной 33 мм с общей высотой сечения 500 мм и для модельных образцов 165 мм при ширине сечения 140 мм;

на растяжение вдоль волокон клееных образцов из двух слоев толщиной по 19 и по 33 мм.

В дополнение к табл. 8 СНиП II-25-80 для слоев толщиной 16 и 12 мм коэффициент m _сл следует принимать соответственно 1,15 и 1,2. Если прочность клеевых соединений на зубчатый шип в слоях ниже временного сопротивления изгибу и растяжению вдоль волокон пиломатериалов 1-го сорта, то расчетное сопротивление клееной древесины нормируется по прочности клеевого соединения на зубчатый шип.

3.10. Условия (1), (3) и (5) по п. 3.4 для определения нормативного и расчетного сопротивлений справедливы при большом числе испытаний. В случае ограниченной выборки в эти условия необходимо вводить добавочный множитель к η_н и η, учитывающий надежность суждения и число испытаний в выборке (см. СНиП II-25-80, прил. 2, примеч. к табл., п. 2).

3.11. В изгибаемых и сжато-изгибаемых элементах из многослойной клееной древесины при формировании слоев по высоте сечения используются пиломатериалы разного сорта или разных пород. В этом случае требуется, чтобы переход от зоны одного сорта к зоне другого удовлетворял условию σ₁/σ₂ ≥ R ₁/ R ₂ при R ₁ > R ₂,

где σ₁ - краевое напряжение;

σ₂ - промежуточное напряжение на границе слоев разного сорта;

R ₁, R ₂ - расчетные сопротивления древесины более высокого и более низкого сортов.

Для изгибаемых, сжатых и сжато-изгибаемых элементов из склеенных по длине на зубчатый шип сосновых и еловых однослойных заготовок пиломатериалов, удовлетворяющих в отношении древесины требованиям разд. 2, расчетные сопротивления следует принимать по СНиП II-25-80, табл. 3, п. 1а соответственно по 2-му и 3-му сортам.

Таблица 9

Напряженное состояние и характеристика элементов	Сорт древесины	R вр, МПа	v	R н, МПа	γ m	R, МПа
Изгиб
Элементы из пиломатериалов			0,17		1,22
			1,22
			1,25	8,5
Элементы брусчатые и клееные шириной свыше 13 см		37,5	0,15		1,15
			1,15
			1,14
Сжатие вдоль волокон
Элементы из пиломатериалов			0,15		1,18
			1,17
			1,17	8,5
Элементы брусчатые и клееные шириной св. 13 см		34,5	0,13		1,12
			1,11
	23,5	18,5	1,11
Растяжение вдоль волокон
Элементы из цельной древесины			0,24		1,32
			1,4
Элементы из клееной древесины			0,2		1,27
			1,25
Сжатие и смятие поперек волокон по всей площади	1 - 3		0,19	3,4	1,25	1,8
Скалывание вдоль волокон:
При изгибе элементов из цельной древесины	2, 3		0,23	3,6 3,2	1,3 1,3	1,8 1,6
При изгибе клееных элементов		4,5	0,17	3,2	1,3	1,6
2, 3	4,2		1,3	1,5
Растяжение поперек волокон элементов из клееной древесины			0,25	0,8	1,5	0,35
	1,2	0,7	1,5	0,3
		0,6	1,6	0,25

Таблица 10

Вид напряженного состояния	R вр, МПа	v	R нч, МПа	K п K р	R н, МПа	γ m	R, МПа
Фанера клееная березовая марки ФСФ, сортов В/ВВ, ВВ/С, В/С, толщиной 8 мм и более
Растяжение «в»		0,17		0,55		1,2
То же, «п»		0,23		0,55		1,25
Сжатие «в»		0,13		0,72		1,1
То же, «п»		0,13		0,66		1,15	8,5
Изгиб из плоскости листа «в»	68,5	0,15		0,55		1,15
То же, «п»		0,17		0,45		1,2	6,5
Скалывание «в»	4,5	0,2		0,53	1,6	1,3	0,8
То же, «п»	4,7	0,2	3,2	0,5	1,6	1,3	0,8
Срез перпендикулярно плоскости листа «в»	15,5	0,1		0,77		1,1
То же, «п»		0,1		0,77		1,1
Фанера клееная из древесины лиственницы марки ФСФ, сортов В/ВВ и ВВ/С, толщиной 8 мм и более
Растяжение «в»		0,2		0,6		1,25
То же, «п»		0,2		0,6		1,25	7,5
Сжатие «в»		0,15		0,8		1,15
То же, «п»		0,15		0,8		1,15
Изгиб из плоскости листа «в»		0,2				1,25
То же, «п»		0,2				1,25
Скалывание «в»	1,8	0,24	1,1		1,1	1,45	0,6
То же, «п»	1,6	0,24				1,3	0,5
Срез перпендикулярно плоскости листа «в»		0,23				1,45
То же, «п»		0,23				1,45
Примечание. «в» - вдоль волокон; «п» - поперек волокон наружных слоев шпона.

Таблица 11

Марка трубы	Внутренний диаметр трубы, см	Расчетные сопротивления, МПа	Марка трубы	Внутренний диаметр трубы, см	Расчетные сопротивления, МПа
растяжению и сжатию вдоль оси	изгибу	растяжению и сжатию вдоль оси	изгибу
Ф-1	5 - 15			Ф-2	5 - 15
20 - 30			20 - 30

Однослойные клееные заготовки из пиломатериалов не ниже 2-го сорта допускается применять во второстепенных малонагруженных растянутых элементах с напряжениями, не превышающими 5 МПа.

3.12. Расчетные сопротивления водостойкой и бакелизированной листовой фанеры, древесных плит следует нормировать по данным испытаний стандартных образцов, используя условия (1), (6), (9) и принимая коэффициент m _дл для фанеры такой же, как и для древесины.

В таблицах 9 и 10 представлены необходимые данные по нормированию расчетных сопротивлений древесины сосны и ели, а также многослойной фанеры из березы и лиственницы, при этом принимается m _дл = 0,66.

Расчетные сопротивления березовой фанеры ФСФ растяжению вдоль волокон наружных слоев, стыкованной «на ус» клеями ФР-12 и ФРФ-50, при изгибе в плоскости листа (например, в стенках балок и рам двутаврового и коробчатого сечений) умножаются на коэффициент условий работы m _ф = 0,8, а модуль упругости E _ф повышается на 20 % по сравнению с его значением по табл. 11 СНиП II-25-80.

3.13. Расчетные сопротивления для фанерных труб следует принимать с учетом их диаметра и марки по табл. 11.