Сплошной брусок квадратного сечения. Виды бруса

Задачи определения напряжений и деформаций при кручении брусьев некруглого сечения нельзя решить методами сопротивления материалов. Такие задачи решаются методами теории упругости. В отличие от круглых брусьев, при кручении которых поперечные сечения остаются плоскими, сечения стержней любой другой формы искривляются. При этом различные точки одного поперечного сечения смещаются друг относительно друга параллельно оси стержня - происходит так называемая депланаиия поперечного сечения.

На рис. 17.6 показана депланация прямоугольных поперечных сечений скручиваемого стержня; на рис. 18.6 она изображена с помощью горизонталей. Сплошные горизонтали показывают выпуклость, штриховые - вогнутость; диагонали и оси симметрии поперечного сечения остаются в одной плоскости и не искривляются.

В поперечном сечении скручиваемого бруса касательное напряжение в каждой точке, расположенной в непосредственной близости от боковой поверхности стержня, всегда направлено параллельно касательной к контуру сечения (рис. 19.6, а). Действительно, если касательное напряжение в этой точке направить под углом к касательной, то его составляющая перпендикулярная к касательной, будет отличной от нуля (рис. 19.6, б). Тогда и составляющая касательного напряжения на боковой поверхности стержня, параллельная его оси, на основании закона парности касательных напряжений, будет равняться т. е. будет отличной от нуля. Но этого быть не может, так как при кручении напряжения на боковой поверхности отсутствуют.

Следовательно, в точках поперечного сечения брусау около его контура, могут возникать касательные напряжения, лишь направленные вдоль контура (рис. 20.6).

Так как напряжения в точках контура поперечного сечения направлены параллельно касательным к контуру, то контур представляет собой как бы траекторию касательных напряжений.

Это позволяет наметить примерный характер траекторий и внутри контура. Траектории касательных напряжений (силовые линии) для некоторых форм сечений показаны на рис. 21.6. Рассмотрение их позволяет сделать некоторые выводы не только о направлении, но и о величине касательных напряжений. Так, например, на рис. 21.6, а видно, что силовые линии более сгущены у середины длинной стороны прямоугольника, чем короткой; следовательно, касательные напряжения у середины длинной стороны имеют большую величину, чем у середины короткой.

Рассмотрение силовых линий, изображенных на рис. 21.6,б, в, показывает, что в замкнутом кольце крутящий момент создает элементарные пары из сил с плечами, примерно равными по величине среднему диаметру кольца D; в разрезанном же кольце плечи элементарных пар составляют часть толщины кольца , т. е. эти плечи значительно меньше диаметра D.

Следовательно, при одних и тех же крутящих моментах касательные напряжения в разрезанном кольце значительно больше, чем в неразрезанном; другими словами, сопротивляемость разрезанного кольца кручению ниже, чем неразрезанного.

Расположение силовых линий касательных напряжений подобно характеру распределения скоростей течения жидкости при вращательном движении ее в сосуде, имеющем форму поперечного сечения скручиваемого бруса. Такое подобие, называемое гидродинамической аналогией, облегчает построение силовых линий касательных напряжений. Из него, в частности, следует, что с приближением к входящим углам контура поперечного сечения стержня (угол 6 на рис. 22.6) напряжения при кручении резко возрастают, так как возрастают скорости движения жидкости около таких углов. Для уменьшения этих напряжений входящие углы целесообразно заменять выкружками. Около внешних углов (углы 1-5 на рис. 22.6) происходит застой жидкости, и, следовательно, касательные напряжения там равны нулю.

Для удобства пользования формулам, применяемым при расчете на кручение брусьев некруглого сечения, придается такой же вид, как и в случае круглого сечения. В соответствии с этим наибольшие касательные напряжения в поперечном сечении бруса некруглого сечения определяются по формуле

а углы закручивания по формуле

Значения и зависят от формы поперечного сечения бруса Ниже приводятся формулы для их определения в случаях прямоугольного сечения и для тонкостенных стержней открытого профиля.

Брус прямоугольного сечения

Если обозначить большую сторону прямоугольного сечения Л и меньшую b, то

где определяются по табл. 1.6 в зависимости от отношения сторон

При можно пользоваться упрощенными формулами

Напряжения [см. формулу (32.6)] возникают в серединах длинных сторон прямоугольника. Касательные напряжения в серединах коротких сторон

где у определяется по табл. 1.6; при можно принимать

Деревянные бруски бывают как сухие, так и естественной влажности. Второй вид бруска при использовании часто теряет форму, а сухой брусок сохраняет свои параметры. Деревянные бруски в основном изготавливаются на заказ по необходимой форме и размерам. Наиболее распространенным среди всего разнообразия считается брусок 40 на 40 мм — , 40 на 50 мм и 50 на 50 мм. Длина таких брусков бывает от 3 до 6 метров.

Бруски применяются при производстве мебели или в столярном деле. В строительстве ими делают отделку помещений или изготовляют декоративные детали. Для производства брусков используется сосна, ель и другие хвойные породы, которые отличаются износостойкостью и устойчивостью к механическим повреждениям.

Различаются следующие виды брусков:

• цельный,
• склеенный по длине,
• скленный по ширине,
• склеенный по толщине и длине,
• гнуто-распиленный

Стандартным считается цельный брус, который изготавливается из обычного бревна, непрофилированного или профилированного. Первый тип бруса обладает рядом недостатков: дома, построенные из обычного бруса, имеют большую усадку, требуют дополнительной конопатки утеплителем. При изготовлении профилированному брусу придается определенная форма. Благодаря своей технологичности, профилированный брус в постройке домов стремительно завоевывает популярность. Его обрабатывают по всем кантам с помощью фреза, который придает пиломатериалу строгую геометрическую форму. Он легко монтируется, при строительстве дома очень плотно укладывается, во избежание попадания воды через элементы стен. Брусок, благодаря своей конструкции, защищает древесину от гниения. При грамотном монтаже отпадает необходимость утепления и уплотнения брусовой конструкции специальными материалами. Помимо отделки дач и коттеджей, брус применяется также для летних дач или саун.

При строительстве учитывается то обстоятельство, что цельные деревянные бруски растрескиванию и короблению подвержены больше, чем клееные. Последние плотностью прилегания и теплоизоляционным свойствам несравнимы с другими видами брусков. Сформированные пазы и гребни на брусе плотно фиксируют его к стене, без щелей и зазоров. В результате получается чрезвычайно жесткая и прочная конструкция. Брус обрабатывают антипиренами и антисептиками, что намного увеличивает надежность и долговечность конструкции.

Технология производства клееного бруса напоминает производство фанеры, но в данном случае склеиваются доски-ламели, но не листы шпона. Нужно отметить, что клееные виды намного прочнее цельных, лучше просушены и дают минимальную усадку

Главные преимущества клееного бруса:

• форма бруса при эксплуатации не меняется;
• высокая прочность по сравнению с древесиной;
• малая теплопроводность;
• минимальная усадка по высоте;
• не подвержен растрескиванию;
• высокое качество поверхностей;
• влагоусточивость;
• не требующая дополнительного утепления монолитная конструкция;
• быстрый монтаж.

Характеристики

К основным характеристикам данного строительного материала относят влажность, размер, тип сечения, коэффициент теплопроводности, плотность, предел прочности и устойчивость.

Материал

Цельный брус получается из натуральной древесины — в виде кругляков, клееный - в виде досок разной толщины, как правило, из хвойных пород деревьев.

Тип сечения

Сечение бруса бывает как квадратным, так и прямоугольным, и сложным. Квадратное сечение самое распространенное и применяется в строительстве домов из дерева. Реже встречается брус с прямоугольным сечением. А вот со сложным профилированным брусом работать намного проще, и он постепенно занимает место обычного квадрата в малоэтажном строительстве.

Размер

Обычно в производстве изготавливаются брусы с сечением 100?100, 150?150, 150?200 и 200?200 мм, а другие размеры относительно небольшими партиями изготавливаются по заказу.

Влажность

Нормативная влажность бруса зависит от марки и характеризуется уровнем наличия воды в древесине. Если влажность превосходит стандарт нормативного содержания, то брус подвергается дополнительной сушке, которая бывает как естественной, так и промышленной.

Коэффициент теплопроводности

Не следует недооценивать коэффициент теплопроводности бруса, который определяется теплоизолирующими способностями. ?н равняется в среднем 0,1…0,35 ккал/м*град*час для марок, изготовленных из мягкой сосны. Если в данном случае это относится к хорошо просушенному материалу, то влажная древесина имеет намного большую теплопроводность.

Прочность

Прочность при сжатии и изгибе обуславливается видом и толщиной бруса и видом древесины.

Плотность

От плотность древесины напрямую зависит простота обработки, теплопроводность и прочность бруса. Наиболее плотным считается брус из твердых пород деревьев, которые редко встречаются в России. Минимальную плотность имеют ель и сосна, которые легко обрабатываются и имеют хорошую теплоизоляцию.

Изготавливаются брусья из пиловочных брёвен и могут служить готовой к применению строительной единицей (возведение стен, каркасов) либо элементом для создания балок, ферм, опорных стоек, настилов, обрешёток, других несущих и ограждающих конструкций в малоэтажном строительстве жилых и общественных зданий.

Исходный материал и нормативные документы

Брус изготавливается преимущественно из древесины хвойных пород - сосны, ели, лиственницы, пихты, кедра. В деревянных конструкциях лиственные породы используются в основном только для нагелей, подушек, вкладышей и других ответственных деталей. Хотя для брусьев стен, исключая подоконные, подстропильные и для двух нижних рядов, ГОСТ 11047 допускает применение осины и берёзы влажностью менее 28%.

Требования к сортности, внешнему виду, размерам, физико-механическим характеристикам изложены в следующих основных стандартах:

• ГОСТ 8486-86 "Пиломатериалы хвойных пород"
• ГОСТ 24454-80 "Пиломатериалы хвойных пород. Размеры"
• ГОСТ 11047-90 "Детали и изделия деревянные для малоэтажных жилых и общественных зданий"
• ГОСТ 20850-84 "Конструкции деревянные клееные"
• ГОСТ 2695-83 "Пиломатериалы лиственных пород"
• ГОСТ 18288-87 "Производство лесопильное. Термины и определения"
• ГОСТ 23431-79 "Древесина. Строение и физико-механические свойства. Термины и определения"

Технология производства

Цельные брусья изготовляют на круглопильных станках продольным срезанием с бревна 2-4 частей с последующим высушиванием в естественных условиях. Клеёный брус проходит более сложные этапы, зато в результате становится самым прочным из всех деревянных брусьев (прочнее цельного на 50-70%):

• Распиловка бревна на доски, сушка в специальных камерах до влажности 10-15%;
• Обработка досок антисептическим средством (является одновременно антикоррозионным), калибровка по размеру;
• Сращивание заготовок, ориентируя их по направлению волокон так, чтобы брус впоследствии не "крутило" и не "вело";
• Полученные ламели под прессом склеиваются с помощью клея для древесины;
• Профилирование - заключительный этап, в ходе которого брус обретает четко заданные параметры.

Классификация бруса из дерева

Другие виды пиломатериалов могут быть обрезными или необрезными, однако применительно к брусу степень опиливания сторон "измеряется" кантами:

• Двухкантный брус - обработаны две противоположные пласти, ещё две стороны оставлены в виде бревенчатых закруглений;
• Трёхкантный брус - имеет три продольно обработанные поверхности;
• Четырёхкантный - это брус в привычном его понимании, имеющий плоскости со всех четырёх сторон.

По структуре брусья подразделяют на:

• Цельные - сплошной древесный массив, полученный опиливанием целого бревна;
• Клеёные - составные из специально подготовленных досок (ламелей).

По рельефу поверхностей:

• Простые (непрофилированные) - с ровными продольными пластями и кромками;
• Профилированные - имеют с двух противоположных сторон пазы и гребни, лицевые стороны - идеально гладкие благодаря строганию или фрезерованию поверхности.

Профиль бруса различной геометрии позволяет увеличить площадь соприкосновения венцов, при этом плотность прилегания брусьев такова, что они образуют неразрывный монолитный массив. Повышается жёсткость стены, защищённость от продувания, попадания осадков, промерзания.

Размеры

Преимущественная для цельного бруса длина - 6 м, диапазон же составляет от 2 до 9 м. Поскольку клеёный имеет сборную конструкцию, в том числе и по длине, то его протяжённость может достигать 18 м. По размеру поперечного сечения брусья обычно бывают (мм):

• Толщиной 100, 125, 150, 175, 200, 250
• Шириной от 100 до 275

Производитель вправе предлагать, а заказчик запрашивать изделия иных размеров: 188×140, 195×145, 400×400 и др. Изделие с параметрами 50×50 называют полубрусом. Среди квадратных сечений наиболее предпочтительным считается брус со стороной 150 мм:

• Требуется меньше единиц для возведения конструкций. Так, на стену высотой 1,2 м уйдёт 12 брусьев по 100 мм или 8 брусьев по 150; сокращается общее количество венцов (в полтора раза), следовательно, уменьшается расход утеплителя, трудозатраты, ускоряется процесс укладки.
• При толщине стен 150 мм дом лучше удерживает тепло, поглощает звуки.

Использование гораздо более тяжёлого бруса 200×200 усложняет укладку, увеличивает нагрузку на фундамент и общие затраты.

В зависимости от качества брусьям присваивается сортность, определяемая наличием и допустимым количеством пороков древесины. Для строительства подходят изделия 1, 2 и 3 сорта.

Рынок строительных материалов предлагает два вида цельного профилированного бруса:

• Обычный, или естественной влажности (82-87%)
• Сухой (10-15%)

Справка. Пиломатериалы бывают сухие - влажность до 22%, сырые - свыше 22% и сырые антисептированные.

Обычный брус превращается в сухой после пребывания в специальном сушильном агрегате. Тем самым возрастает стоимость, но также и преимущества сухого бруса, максимально приближающиеся к ещё более дорогостоящему клеёному конкуренту:

• Клеёным конструкциям должно содержать влагу в пределах 12±3%, сухой брус этому соответствует;
• Усадка обычного бруса происходит на 4-8%, и устанавливать перегородки, отделывать стены категорически запрещено в течение 12-18 месяцев. Усадка сухого бруса достаточно мала (1,5-2%), и практически сразу после постройки можно производить чистовую отделку.

Характеристики деревянного бруса

Прочность при сжатии вдоль волокон (в среднем для всех пород дерева) 450 кг/см²

Способность деревянных изделий противостоять разрушению зависит от сорта, площади сечения, условий эксплуатации, от породы древесины, вида, направления и длительности нагрузки.

Объемный вес, кг/м³

Зависит от породы, возраста и влажности, характеризуется плотностью древесины: пихта - 375, ель - 445, сосна - 500, дуб -700 (значения приведены для сухого состояния 12%). Плотность свежесрубленных хвойных и мягких лиственных пород - 850 кг/м³, твердых лиственных пород - 1000 кг/м³.

Теплопроводность, Вт/(м·°С)

Для сосны и дуба в сухом состоянии - 0,09-0,18 и 0,10-0,23 соответственно. Теплозащитные свойства бруса улучшаются с увеличением его толщины и уменьшаются с повышением влажности. Брусчатая стена толщиной 10 см сравнима с полуметровой кирпичной стеной.

Нарушение геометрии

Перепады температур, попеременное впитывание и испарение влаги древесиной приводят то к разбуханию, то к усушке и, как результат - изменение размеров, появление деформаций скручивания (винт, изгибание), растрескивание бруса. Сухой материал гораздо менее подвержен изменениям объёма, но пересушка также может обернуться схожими негативными последствиями. Появление дефектов может быть обусловлено пороками, заложенными в период роста дерева, нарушением технологии изготовления и строительства.

Подверженность болезням

Повышение влажности, температуры, отсутствие воздухообмена может привести к появлению плесени, гнили, грибка, биоповреждениям. Для дезинфекции древесина обрабатывается антисептиком, как отдельных брусьев в производственных условиях, так и после возведения стен. Распространение червоточин - поражений древогрызущими насекомыми - предотвратит пропитка или окуривание древесины инсектицидами. Конструкции, испорченные домовым грибком, не ремонтируются, а подлежат замене.

Усадка, мм/м

• Цельного бруса 40-80
• Цельного профилированного 15-20
• Клеёного 5-10

Водопоглощение

Более 30% в сутки. Чем выше влажность древесины, тем меньше жидкости она впитывает. Значение приведено для абсолютно сухой древесины.

Паропроницаемость

Паропроницаемость составляет 0,06-0,32 мг/(м·ч·Па) для сосны и 0,05-0,030 для дуба

Огнестойкость

Огнестойкость группа Г. Древесина обладает средней горючестью и слабым дымообразованием. Относится к горючим материалам - для защиты от возгорания используют антипирены. Предел огнестойкости деревянных стен и перегородок толщиной 15 см (оштукатуренных с обеих сторон) - 45 минут.

Стоимость бруса

Стоимость от 4200 до 23000 руб./м³. Цены сильно разнятся в зависимости от материала, видов бруса, возрастая по мере усложнения технологии изготовления. Так, у одного производителя сосна может стоить 8500, а лиственница - 18500 руб. за куб.

Максимальная этажность строения 2 (для клеёного может быть выше).

Достоинства деревянного бруса

• Высокая механическая прочность, упругость в сочетании с малой объёмной массой;
• Отличные теплоизолирующие качества - деревянный дом способен держать в 6 раз больше тепла, чем кирпич, и в 1,5 раза, чем пенобетон;
• Экологичный, "дышащий" материал - в домах из бруса всегда комфортный микроклимат;
• Брус менее подвержен растрескиванию, нежели бревно, поскольку при снятии кантов удаляют больше рыхлой древесины, оставляя жёсткую часть бревна, пропитанную смолой;
• Брус стоит дешевле оцилиндрованного бревна за счёт более простого изготовления;
• Профилированные и клеёные брусья не требуют дополнительной отделки;
• Недолгое время сборки домов из бруса: дачу 48 м² можно завершить за 3 недели;
• Эстетичность внешнего вида.

Недостатки бруса из дерева

• Необходимо защищать стены из непрофилированного бруса отделочными материалами, иначе велика вероятность попадания воды в швы между брусьями. Она вытеснит из древесных микропор воздух - естественный и самый эффективный утеплитель, значительно ухудшая теплоизолирующие свойства дерева.
• Подверженность, особенно цельного бруса, образованию трещин (успешно устранимых, впрочем, затиранием специальными мастиками). Клеёные брусья лишены этого недостатка благодаря высушиванию в процессе изготовления, хотя и теряют при этом в воздухопроницаемости.
• Анизотропия древесины - многие показатели разнятся в зависимости от направления: теплопроводность, прочность, паропроницаемость не одинаковы вдоль или поперёк волокон.
• Применение брусчатых конструкций имеет ограничение по температуре окружающего воздуха - их нельзя эксплуатировать в условиях длительного нагрева при температуре окружающего воздуха выше 50 °С для конструкций из неклеёной и 35°С - из клеёной древесины.

Транспортировка

Брусья перевозят уложенными в транспортные пакеты или блок-пакеты прямоугольного или трапециевидного сечения, сформированными в соответствии с ГОСТ 19041-85 и ГОСТ 16369-96.

Широко применяется в строительной индустрии, являясь одним из важнейших элементов сырьевых материалов. Если в прежние времена для бруса достаточно было изготовить 4-х гранный брусок, то сегодня к этому продукту предъявляются более высокие требования.

Современная промышленность производит 3 типа бруса:

• цельный;
• профилированный;
• клееный.

По форме каждый из этих видов бруса имеет идеальную 4-х гранную поверхность по всем ребрам. При этом брус клееный может быть цельным и с профильной плоскостью. Для производства бруса используют не все породы дерева. Годными признают: ель, сосну, лиственницу, пихту и кедр. Еще могут применять березу и осину, но эти породы дерева используют гораздо меньше, чем хвойные породы.

Длина бруса может достигать 3 - 9 метров, в зависимости от целевого назначения заказа. Но более распространенным является брус 3 и 6 метровой длины. В сечении брус бывает от 100 мм до 300 мм. Если вести речь о квадратном сечении, то размеры бывают следующие:

• 100 Х 100 мм
• 150 Х 150 мм
• 200 Х 200 мм
• 300 Х 300 мм.

• 100 Х 150 мм;
• 150 Х 200 мм;
• 250 Х 300 мм.

Примечательно, что стандартные размеры бруса являются обязательными для массового производства, осуществляющего выпуск продукции по ГОСТам. Для индивидуальных заказов может быть изготовлен брус других размеров.

Цельный брус является наиболее распространенным, по сравнению с остальными категориями. В его производстве используется недорогое и простое в эксплуатации оборудование. По этой причине стоимость бруса остается относительно низкой. Брус цельный получил широкое применение в строительстве жилых домов, бань, дачных домиков, загородных домов, поскольку отличается приемлемой ценой и хорошими эксплуатационными свойствами.

Профилированный брус (или деревянный) получают из цельных бревен. По двум боковым сторонам выполняют ровные поверхности (плоскости) а по другим (верхней и нижней) - выполняют паз и выступ. Это делается для того, чтобы при укладке брус полностью совпадал между рядами. Форму и количество пазов выбирают в зависимости от целевого назначения и особенностей будущего строительного объекта.

Следует отметить, что профилированный брус экономичнее, так как при строительстве дома не требуется герметизация стен. Кроме того, специалисты отмечают повышенный уровень сцепления бруса между собой. При этом существенно сокращаются сроки строительства, что очень важно при выполнении любого заказа.

Деревянный клееный брус появился на отечественном рынке сравнительно недавно, около 30 лет назад. При его изготовлении нет необходимости использовать цельные стволы дерева. Чтобы получить нужный размер бруса, надо использовать соответствующее количество досок, которые в результате давления прессуются по определенной технологии. Этот вид бруса устойчив деформации, прочен на механические воздействия и надежен в эксплуатации. Деревянный брус производят в профилированных формах.