Деревянный брус. Стандартные размеры деревянного бруса по гост

Pacчет бруса круглого поперечного сечения на прочность и жесткость при кручении

Целью расчетов на прочность и жесткость при кручении является определение таких размеров поперечного сечения бруса, при которых напряжения и перемещения не будут превышать заданных величин, допускаемых условиями эксплуатации. Условие прочности по допускаемым касательным напряжениям в общем случае записывается в виде Данное условие означает, что наибольшие касательные напряжения, возникающие в скручиваемом брусе, не должны превышать соответствующих допускаемых напряжений для материала. Допускаемое напряжение при кручении зависит от 0 ─ напряжения, соответствующего опасному состоянию материала, и принятого коэффициента запаса прочности n: ─ предел текучести, nт- коэффициент запаса прочности для пластичного материала; ─ предел прочности, nв- коэффициент запаса прочности для хрупкого материала. В связи с тем, что значения в получить в экспериментах на кручение труднее, чем при растяжении (сжатии), то, чаще всего, допускаемые напряжения на кручение принимают в зависимости от допускаемых напряжений на растяжение для того же материала. Так для стали [для чугуна. При расчете скручиваемых брусьев на прочность возможны три вида задач, различающихся формой использования условий прочности: 1) проверка напряжений (проверочный расчет); 2) подбор сечения (проектный расчет); 3) определение допускаемой нагрузки. 1. При проверке напряжений по заданным нагрузкам и размерам бруса определяются наибольшие возникающие в нем касательные напряжения и сравниваются с заданными по формуле (2.16). Если условие прочности не выполняется, то необходимо либо увеличить размеры поперечного сечения, либо уменьшить нагрузку, действующую на брус, либо применить материал более высокой прочности. 2. При подборе сечения по заданной нагрузке и заданной величине допускаемого напряжения из условия прочности (2.16) определяется величина полярного момента сопротивления поперечного сечения бруса По величине полярного момента сопротивления находят диаметры сплошного круглого или кольцевого сечения бруса. 3. При определении допускаемой нагрузки по заданному допускаемому напряжению и полярному моменту сопротивления WP предварительно на основе (3.16) определяется величина допускаемого крутящего момента MK а затем с помощью эпюры крутящих моментов устанавливается связь между K M и внешними скручивающими моментами. Расчет бруса на прочность не исключает возможности возникновения деформаций, недопустимых при его эксплуатации. Большие углы закручивания бруса весьма опасны, так как могут приводить к нарушению точности обработки деталей, если этот брус является конструктивным элементом обрабатывающего станка, либо могут возникнуть крутильные колебания, если брус передает переменные по времени скручивающие моменты, поэтому брус необходимо рассчитывать также на жесткость. Условие жесткости записывается в следующем виде: где ─ наибольший относительный угол закручивания бруса, определяемый из выражения (2.10) или (2.11). Тогда условие жесткости для вала примет вид Величина допускаемого относительного угла закручивания определяется нормами и для различных элементов конструкций и разных видов нагрузок изменяется от 0,15° до 2° на 1 м длины бруса. Как в условии прочности, так и в условии жесткости при определении max или max  будем использовать геометрические характеристики: WP ─ полярный момент сопротивления и IP ─ полярный момент инерции. Очевидно, эти характеристики будут различными для круглого сплошного и кольцевого поперечных сечений при одинаковой площади этих сечений. Путем конкретных расчетов можно убедиться, что полярные моменты инерции и момент сопротивления для кольцевого сечения значительно больше, чем для оплошного круглого сечения, так как кольцевое сечение не имеет площадок, близко расположенных к центру. Поэтому брус кольцевого сечения при кручении является более экономичным, чем брус сплошного круглого сечения, т. е. требует меньшего расхода материала. Однако изготовление такого бруса сложнее, а значит, и дороже, и это обстоятельство также необходимо учитывать при проектировании брусьев, работающих при кручении. Методику расчета бруса на прочность и жесткость при кручении, а также рассуждения об экономичности, проиллюстрируем на примере. Пример 2.2 Сравнить веса двух валов, поперечные размеры которых подобрать для одного и того же крутящего момента MK 600 Нм при одинаковых допускаемых напряжениях 10 Rи 13 Растяжение вдоль волокон р] 7 Rp 10 Сжатие и смятие вдоль волокон [см] 10 Rc , Rcм 13 Смятие поперек волокон (на длине не менее10 см) [см]90 2,5 Rcм 90 3 Скалывание вдоль волокон при изгибе [и] 2 Rcк 2,4 Скалывание вдоль волокон при врубках 1 Rcк 1,2 – 2,4 Скалывание во врубках поперек волокон

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.

Дерево – один из лучших материалов для возведения домов, бань, саун. Однако для того, чтобы пиломатериал в полной мере раскрыл свои преимущества, следует тщательно изучить его характеристики и сделать правильный выбор. В роли исходного сырья выступает обыкновенное круглое бревно. Каким бывает брус? Данный пиломатериал чаще всего имеет прямоугольную форму (реже – произвольную) с толщиной сечения 50-400 мм. В современном строительстве он существует в нескольких видах.

Все виды бруса на рынке стройматериалов

Цельный (непрофилированный) брус

Внешне это бревно, опиленное с 4-х сторон, шириной более 50 мм. Этот материал является наиболее востребованным в строительстве, имеет многофункциональное значение. Из обыкновенного бруса возводят стеновые конструкции, стропильную систему крыши, перегородки между этажами дома. Его вполне может заменить деревянный брусок. Рассматривая какой бывает брус, следует отмесить что низкая стоимость бревен объясняется простотой их обработки. Это значит, что материал требует дополнительной защиты.

Сечение материала может быть от 150 до 220 мм, влажность естественная. Диаметр материала выбирается в зависимости от типа возводимого объекта: в строительстве домов для постоянного проживания используют пиломатериал диаметром 200-220 мм, для сауны, бани или дачи – 150-220 мм.

Простота укладки и невысокая стоимость непрофилированного бруса делает его одним из самых востребованных в сфере строительства.

Преимущества домов, возведенных из цельного (непрофилированного) бруса

Доступность . На сегодняшний день это одно из наиболее популярных предложений. Непрофилированный пиломатериал можно приобрести на любом строительном рынке. При этом вам не придется, оформив заказ, на протяжении длительного времени ожидать доставку. Простота заготовки материала объясняет его повсеместную распространенность.
Низкая стоимость . Учитывая тот факт, что сохраняется естественная важность материала, процесс его заготовки максимально упрощается, что положительно сказывается на стоимости бруса.
Удобство и высокая скорость сборки дома . Для укладки непрофилированного бруса не нужна специализированная техника. Монтажные работы под силу провести плотникам 3-4 разряда. Причем сборка дома 6*6 м производится менее, чем за одну неделю.

Недостатки домов, построенных из цельного бруса

Необходимость проведения отделочных работ или строгания. Лучшим является обшивка блок-хаусом или выгонкой. Кроме того потребуется произвести подрезку лишнего джута после естественной сушки и усадки дома.
Несоответствие непрофилированного бруса требованиям ГОСТ (касается ровности спила и размера поперченного сечения). В результате перепады в размещении венцов могут достигать 5 мм, а швы могут оказаться на разных высотах. Единственная возможность минимизировать такие проблемы – приобретать цельный брус высокого качества. В таком случае стоимость цельного материала максимально приближается к цене профилированного бруса.
Поражение грибков. В процессе заготовки материал не подвергается специальному высушиванию, что существенно увеличивает риск поражения древесины грибком. На сегодняшний день более 15 % непрофилированного (цельного) бруса имеют этот недостаток. В таком случае требуется проведение антисептической обработки, в результате которой происходит уничтожение грибка и предупреждение его появления вновь. Однако данное мероприятие существенно увеличивает стоимость продукции.
Несовершенный внешний вид. В сравнении с профилированным аналогом цельный брус имеет менее привлекательный внешний вид. После строгания стен могут стать заметны швы и утеплитель между венцами.
Угловые соединения делаются без вылетов.
Растрескивание материала. В результате усушки и усадки стен возникают заметные трещины, которые портят эстетику дома. Решением проблемы становится внешняя отделка строения.
Продуваемость межвенцовых швов. Если при сборке стен отсутствуют шипы и пазы, дом будет хуже сохранять тепло.

Данный вид материала имеет четко заданные параметры. Он представлен в форме посадочной чащи с шипами и пазами, также присутствуют вертикальные пропилы, что существенно упрощает монтаж. На производстве бревно обрезается с точностью до 1 мм.

Использование профилированного бруса в возведении домов позволяет получить строение без щелей, а значит, снижается риск попадания влаги внутрь конструкции и гниения древесины.

Кроме того дом из профилированного пиломатериала получается очень теплым, что сводит к минимуму использование утеплителя. Стоит отметить и непревзойденный внешний вид. Такой брус имеет гладкие и ровные стены, не нуждается в отделке. Но есть у профилированного бруса и слабые места. Он должен быть качественно просушен, иначе возникает риск того, что дом со временем «поведет». Его влажность - около 10%. Для сушки пиломатериалов требуются значительные площади, а содержание таких площадей отражается на стоимости конечного продукта.

Преимущества профилированного бруса

Непревзойденный внешний вид. Использование данного материала позволяет возводить дома с идеально ровными стенами. При этом исключается необходимость дополнительной внешней отделки строения.
Соединения производятся с вылетами (в чашу). Так как соединения создаются в заводских условиях, они получаются ровными и высокопрочными, что обеспечивает высокую надежность конструкцию и равномерную усадку в процессе эксплуатации.
Между венцам и в углах присутствуют более плотные соединения, что существенно повышает теплотехнические характеристики строения и обеспечивает минимальную продуваемость.
Отсутствует необходимость в подрезке джута, не нужно конопатить дом. Исключением могут быть только концевые и угловые соединения.

Необходимость в технологическом перерыве во время возведения дома. Вызвана она тем, что материал должен высохнуть. После сборки конструкции дом должен «выстояться» 10-12 месяцев, после чего можно переходить к отделочным работам.

Растрескивание материала. Профилированный пиломатериал, как и другие виды бруса, производится из цельного массива дерева, что неизбежно влечет за собой появление трещин.

Клееный брус

Сегодня пользуются наибольшей популярностью. Изготавливается данный материал из сосны, лиственницы, ели или кедра. Бревно распиливается на доски, после чего производится их просушка. Далее ламели обрабатываются защитными составами и склеиваются между собой. В одном брусе может быть от 2 до 5 ламелей. Форма элементов вырезается с максимальной точностью. В итоге получается высококачественный прочный материал, усадка которого составляет менее 1%.

Преимущества:

Материал не подвержен растрескиванию.
Отсутствует необходимость в отделке и дополнительной обработке.
Минимальная усадка и риск того, что конструкцию «поведет».
Оптимальная влажность клееного бруса исключат риск гниения и поражения древесины микроорганизмами.
Благодаря высокой прочности данный пиломатериал может применяться в реализации проектов высокой сложности.

Недостатки:

Относительно высокая стоимость (в 2-3 раза дороже непрофилированного пиломатериала).
Использование в производстве клея снижает степень его экологичности в сравнении с бревном или профилированным брусом.
Наличие клея ухудшает воздухообмен и циркуляцию влаги.

Клееный брус – лучший выбор для «быстрого» строительства. На готовом фундаменте можно возвести дом всего за 5-6 недель.

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.

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