PROIECTAREA SI CALCULUL ELEMENTELOR DE CONSTRUCTII DIN LEMN

PROIECTAREA SI CALCULUL ELEMENTELOR DE CONSTRUCTII DIN LEMN

REGULI GENERALE

La proiectarea constructiilor din lemn trebuie respectate toate cerintele de rezistenta, stabilitate si durabilitate, adoptandu-se solutiile constructive eficiente si masurile de protectie contra putrezirii care 828g624i sa asigure o buna conservare in timp a materialului folosit. Totodata, trebuie luate masurile necesare astfel incat aceste constructii sa fie ferite de temperaturi ridicate. Temperatura maxima a mediului inconjurator in care pot fi exploatate eficient constructiile din lemn se limiteaza la +55˚C, avandu-se in vedere si normele in vigoare cu privire la preintampinarea pericolului de incendii.

Deasemenea, la alegerea sistemului constructiv trebuie sa se tina cont si de calitatea si de umiditatea materialului folosit; in cazul in care materialul lemnos are o umiditate mare, si nu exista posibilitati de uscare in timp util, trebuie adoptate sisteme constructive la care uscarea lemnului nu provoaca deformatii periculoase sau eforturi unitare suplimentare.

In cazul elementelor constructive executate din mai multe piese sau cu sectiune compusa, imbinarea acestora va trebui sa asigure o repartizare rationala a eforturilor in toate piesele componente. In acest sens, legaturile utilizate pentru realizarea imbinarii trebuie sa fie de acelasi tip si cu aceleasi caracteristici geometrice si elastice. Pentru a tine cont de influenta negativa a eventualelor defecte din zona imbinarii, tipul si numarul legaturilor se vor stabili folosind principiul fractionarii. Astfel, o atentie deosebita trebuie acordata elementelor intinse. In vederea evitarii aparitiei unor solicitari suplimentare in imbinare, efortul trebuie transmis centric, conditie obligatorie in cazul elementelor intinse. Dispunerea legaturilor intr-o imbinare trebuie sa fie simetrica in raport cu axa elementului.

In cazul constructiilor de lemn nu se tine cont in calcul de eforturile suplimentare ce iau nastere din cauza variatiei de temperatura, respectiv in urma uscarii si umflarii lemnului. Se neglijeaza deasemenea in calcul efectul favorabil al fortelor de frecare, luandu-se in considerare insa efectul defavorabil al frecarii care poate duce la aparitia unor eforturi suplimentare.

2. PROPRIETATILE MECANICE ALE LEMNULUI

Stabilirea corecta a dimensiunilor elementelor constructiilor de lemn supuse la diferite solicitari implica cunoasterea proprietatilor mecanice, respectiv a rezistentelor materialului lemnos din care sunt realizate.

INSERT FACTORI

Proprietatile mecanice ale lemnului se determina in laborator prin incercari facute pe masini de incercat, in anumite conditii prevazute de norme, pe epruvete mici, cu dimensiuni standardizate si executate dintr-un lemn fara defecte.

Rezistentele astfel determinate nu pot fi considerate ca valori reale ale eforturilor in diferite elemente de constructie deoarece acestea contin diferite defecte care reduc considerabil proprietatile mecanice ale lemnului. Dimensiunile mari ale sortimentului lemnos folosit in mod curent in practica constructiilor din lemn, in comparatie cu dimensiunile epruvetelor standardizate, fac ca neomogenitatea materialului lemnos sa se manifeste mai puternic, fapt care conduce deasemenea la micsorarea rezistentelor.
In aceste conditii valorile obtinute in cadrul incercarilor mecanice efectuate in conditii de laborator pe epruvete standardizate trebuie corectate cu factori semnificativi.

Intindere

Pentru lemnul de rasinoase, incercarile mecanice efectuate in conditii de laborator au aratat ca valoarea medie a rezistentei la rupere la intindere in lungul fibrelor se situeaza in jurul a 1000 daN/cm², iar valoarea modulului de elasticitate variaza intre 110000daN/cm² si 140000 daN/cm².

Curba caracteristica de comportare a lemnului la intindere are pe toata lungimea ei un caracter curbiliniu, fapt care demonstreaza lipsa limitei de proportionalitate (intre eforturi unitare si deformatii specifice). Valoarea rezistentei de rupere la intindere centrica paralela cu fibrele este semnificativ micsorata la barele cu dimensiuni mai mari, fata de valoarea obtinuta pe epruvete standardizate datorita, pe de-o parte unei manifestari mai puternice a neomogenitatii materialului, iar pe de alta parte, datorita defectelor de noduri si devierii fibrelor lemnului in regiunea acestora.

Experientele de laborator au aratat ca in cazul in care suma diametrelor nodurilor dintr-o sectiune ajunge la ¼ din dimensiunea laturii piesei intinse (calitatea I), rezistenta de rupere la intindere a acesteia scade pana la 0.27 din valoarea corespunzatoare obtinuta pe epruvete standardizate.

Ruperea epruvetelor solicitate la intindere se produce brusc, fara dezvoltare de deformatii plastice.

Rezistenta de rupere normala pe directia fibrelor este de 20-25 ori mai mica decat rezistenta de rupere la intindere in lungul fibrelor.

Compresiune

Curba caracteristica de comportare a lemnului la compresiune are o curbura mai pronuntata in comparatie cu cea la intindere.

Experimental s-a constatat ca rezistenta de rupere la compresiune in lungul fibrelor depinde de grosimea peretilor celulari ai lemnului tarziu. Distrugerea lemnului solicitat la compresiune in lungul fibrelor incepe cu flambajul fibrelor mai rezistente si mai rigide ale lemnului tarziu, care deviaza lateral spre fibrele mai moi ale lemnului timpuriu, ajungandu-se la mai multe planuri inclinate ce se formeaza in urma ruperii locale fibrelor.

INCOVOIERE

Rezistenta de rupere la incovoiere se situeaza intre rezistentele la compresiune si intindere, avand pentru lemnul de rasinoase o valoare medie de ≈ 750 daN/cm².

Influenta defectelor in cazul solicitarii la incovoiere este considerabila, mai ales daca acestea sunt situate in zona intinsa a barei. Experientele de laborator au aratat ca aceasta influenta este mai mare la barele din lemn ecarisate si mai mica la barele din lemn rotund. In cazul in care suma dimensiunilor nodurilor reprezinta 1/3 din latura sectiunii elementului din zona intinsa, rezistenta de rupere la incovoiere reprezinta doar 0.40-0.50 pentru lemn ecarisat si 0.60-0.80 pentru lemn rotund, din valoarea rezistentei de rupere a epruvetelor standardizate.

Calculul elementelor solicitate la incovoiere se bazeaza pe o serie de ipoteze simplificatoare, si anume legea lui Hooke si faptul ca lemnul are acelasi modul de elasticitate E la incovoiere ca si in cazul solicitarii la intindere si compresiune.

Experimental, s-a observat ca pentru primele trepte de incarcare, raportul dintre valoarea absoluta a deformatiilor specifice din zona comprimata ε_c si respectiv a celor din zona intinsa ε_t, este foarte apropiat de 1, aceasta insemnand ca pozitia axei neutre coincide cu centrul de greutate al sectiunii. In vecinatatea ruperii insa, valoarea raportului dintre deformatia specifica de compresiune si cea de intindere se reduce pana la ≈ 0.75, axa neutra incepand sa se deplaseze spre zona intinsa.

In concluzie, in cazul solicitarii la incovoiere, ca urmare a deformatiilor care o insotesc, distributia eforturilor unitare normale pe inaltimea sectiunii transversale a barei poate fi considerata liniara doar in prima faza a incarcarii, cand acestea sunt mici.

Odata cu cresterea incarcarii, cresc si eforturile unitare normale, iar materialul din zona comprimata incepe sa treaca in domeniul elasto-plastic, diagrama eforturilor unitare normale devenind usor curbilinie in zona comprimata, dar ramanand liniara in zona intinsa. Daca incarcarea creste si mai mult, eforturile unitare normale cresc in continuare, astfel ca materialul din zona comprimata trece in domeniul plastic, iar in zona intinsa incepe plastificarea (diagrama eforturilor unitare normale devenind si in aceasta zona curbilinie). In stadiul ultim, intreaga diagrama este curbilinie, cu exceptia unei mici zone in vecinatatea axei neutre care se pastreaza in domeniul elastic, iar eforturile unitare normale la extremitatile sectiunii ating valoarea de rupere.

Ruperea incepe cu fibrele extreme din zona comprimata, unde se formeaza cute (ondulatii) care explica aparitia deformatiilor plastice in aceasta zona, deformatii ce se extind treptat inspre interiorul sectiunii, determinand astfel deplasarea axei neutre spre zona intinsa si se termina prin ruperea fibrelor din zona intinsa.

Strivire

Curba caracteristica a lemnului la compresiune si strivire transversal pe fibre arata ca in prima parte de incarcare cand σ_s este mai mica decat σ_p (limita de proportionalitate), peretii celulelor se comporta in conditii bune, deformatiile sunt elastice si au valori mici. Daca limita de proportionalitate este depasita, peretii celulelor se distrug, iar celulele se turtesc, provocand astfel deformatii mari, cu caracter permanent. Dupa turtirea completa a peretilor celulari se produce o indesare a acestora, determinand astfel reducerea cresterii deformatiilor, chiar la o marire considerabila a solicitarii.

Valoarea rezistentei la strivire σ_s variaza in functie de unghiul pe care il face forta de strivire cu directia fibrelor lemnului si creste cu micsorarea acestui unghi.

FORFECARE

Tinand cont de pozitia planului de forfecare si de directia de exercitare a fortei de forfecare fata de directia fibrelor se deosebesc trei cazuri de solicitare:

forfecare transversala τ_t;

forfecare paralela τ_p;

forfecare longitudinala perpendiculara τ_perp;

In constructiile de lemn, solicitarea la forfecare cea mai des intalnita este cea de forfecare longitudinala perpendiculara.

In cazul aplicarii excentrice a fortei de forfecare, forfecarea poate fi produsa ca urmare a smulgerii normale pe fibre, determinata de momentul incovoietor rezultat. Prin aceasta, comportarea lemnului la forfecare se inrautateste. Reducerea influentei negative a eforturilor de smulgere asupra lemnului la forfecare se poate obtine prin introducerea unor forte de apasare pe suprafata de forfecare.