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木材可能存在的缺陷、木材参数的变异性及其对建筑结构质量的一些影响

摘要：纸种在木质框架上进行护套处理，包括实现和开发阶段。运用了基于实践和理论的调查方法，对过程及其阶段进行了实用的识别，并给出了开发期内结构变形的理论描述。研究的结果以具有适当分析算法的建筑物结构图的技术和力学形式呈现。通过计算建筑物的垂直变形，提出了关于荷载和施工技术的施工阶段，技术问题和危害的实用系统。论文提出了在开发过程中评估木缺陷对木结构住宅建筑中荷载的响应的贡献。本文研究了结的位置，髓在横截面中的分布，晶粒的倾斜缺陷和水分减少的影响。大型面板或模块化 3D元素形式的带有护套的木结构是最常用的技术。这种建筑物实际上是由多户家庭或各种通用建筑物（例如学校，儿童园或办公室）组成的，最多可建四层。从0.30到1.00 kN / m2的低空载及其与活载的有利比例提高了在实现过程中和在开发时间内的节能系数。结构自重低，可对墙板，地板和屋顶板进行完整的预制，从而提高了施工质量并缩短了施工时间。预制过程，种类繁多和工厂生产的多样性不需要费时的过程，并且不需要预制RC结构构件中必不可少的复杂模具或模板。

关键词：木材结构，木结构建筑，模块化建筑，施工阶段，收缩和膨胀变形，轴承位移。

简介

带有木结构建筑的轻木结构占欧洲几个国家中住宅和小型商业建筑的重要百分比。在欧洲也建造了木结构技术或基于该技术的模块化系统的多层建筑。人们越来越关注节能和生态要求，为建设更经济的建筑开了绿灯。木结构建筑技术在美国，加拿大，几乎所有斯堪的纳维亚国家，澳大利亚，日本以及德国和波兰的最近三十年中被广泛接受和实现。当木材资源的经济性具有生态方面的意义时，木材是最可再生的建筑材料，可以充分保存天然剩余的旧森林建筑群。在技术先进的国家中，近47％的建筑材料是基于木材和木材衍生物的，而同时它们在生产过程中消耗了4％的能源（Malesza，Miedzialowski 2011）。论文介绍了各种技术构造的木结构建筑的具体情况，从要素到整个片段的实现阶段以及在开发时间内出现的变形。

木材建筑在建筑施工的整个部门中所占的份额很大，这要求人们更加注意木材的选择及其结构质量。选择结构用木材时，应特别注意木材质量以及木材特性和参数的变异性。 这个参数的可变性与木材的种类和木材中的水含量有关，并且在木工和木材结构开发期间对木材的性质有重大影响。

木材是由成千上万的细小细胞组成的，它们是细长的管子。大多数单元的方向平行于树干的长度，这使木材沿该方向具有纹理。 穿过树的茎，露出了成千上万个细胞的开放末端（Karacabeyli，Desjardins，2011； Schickhofer，iel，2011）。最终谷物比其他木材表面吸收（或释放）水分的速度要快得多，这对于保持木材干燥并防止腐烂和虫害具有重要意义。

木材是一种各向异性的材料，因此其响应取决于负载的方向。这是在垂直应变作用下显着降低应变的效果（Miedzi-alowski，Malesza 2006）。

决定变形的其他因素是木材元素中的水分以及材料中水分变化的结果。水分通过两种方式保持在木材中。 细胞腔中包含的水称为自由水，而细胞壁中包含的水称为结合水。 木材中可以识别出两个湿度范围：毛细范围（高于谷物饱和点）和吸湿范围（平均湿度w lt;30％）。

化学上不受限制，自由除水会导致木材干燥（Asiz等，2005）。相当于自由水完全流失（剩余结合水的100％）的水分含量称为ber饱和点。水分含量低于ber饱和点的变化会导致结合水的流失和木材体积的充分变化。当水分含量下降到ber饱和点以下时，结合的水就会流失，木材的体积也会发生变化。如果失去水分，木材就会收缩，如果获得水分，木材就会膨胀。低于ber饱和点的含水量减少伴随着强度特性的增加。调查结果表明，强度特性在含水量的10％到15％左右达到峰值。

吸湿性土壤中水分的增加导致木材强度的损失； 在毛细管范围内（高于ber饱和点），强度影响很低，强度几乎不变。在水分含量从W = 8％到W = 18％的范围内，可以假设水分含量增加1％会使强度线性下降3％至6％（Malesza等，2013）。与拉伸强度相比，抗压强度主要取决于含水量。

1.木材及其在建筑中的份额

低级木材的新技术，技术的发展，允许使用以劣质木材为基础的木板，使用胶合木（GL）和交叉层压木材（CLT），扩大了使用各种木材的可能性建筑行业。与混凝土相反，木材的自重很低，并且有可能在民用建筑的预期施加荷载范围内承受相同的活荷载。 因此，在适当地进行维护时，与典型的建筑施工相比，可以预见的是，典型的建筑施工的施工过程，易于拆卸，荷载持续时间长。上世纪70年代在波兰开始使用这种建筑技术，但是到了90年代初，它有了新的动力，并且还在不断发展。

2.收缩和膨胀

在膨胀和收缩的过程中，木材啤酒（细胞壁）中的水分含量发生变化，从而导致体积变化，而细胞的空空间中的自由水对此变化无明显影响。因此，随收缩和膨胀而变形 出现在低于饱和点状态的吸湿范围内，大约含水量W = 30％。当水分含量高于W = 30％时，在高于ber饱和点的毛细管阶段，不会发生因膨胀和收缩引起的木材变形。 在木材的三个主要解剖方向上，明显出现了很大的收缩和膨胀差异。在与年轮相切的方向上发现了最大的膨胀应变，而在环的半径方向上则降低了50％，在纵向方向上的膨胀应变很小，在收缩应变的情况下。

3.木材的变形和缺陷

干燥整个实木元件的过程取决于环境条件，导致木材收缩。同样，由于水平支撑的托梁或集管上支撑的受压木材柱的局部承压而在垂直于谷物的压缩作用下的变形在持续载荷的过程中也在增加，如图1所示（CSA 1992）。

木材的颜色，纹理，结节样式，分裂或染色的趋势以及其他可能影响原木外观和木材质量的特征都不同（Marcondes，Singh 1992）。以下是木材中最常见的缺陷列表。 每个缺陷都会严重影响木材的可接受性，等级和使用。这是木材的结构缺陷，如图2所示：结，摇动，威尼边缘，包裹的树皮，生长速率，树脂袋。影响木材缺陷的因素多种多样：考虑到木材的生长，会出现不同的结，偏心定位的芯，双芯，围绕干细胞取向的螺旋形（螺旋形），谷物扭曲，不同类型的分裂和冷冻分裂。

图1. 垂直于晶粒的载荷作用下的变形：a）内部螺柱下的变形，b）侧面螺柱下的变形（Carpenter等，1989）

图2. 木材的自然缺陷（CSA 1992）

4.木结构建筑及施工工艺

木框架技术框架中的几种构造系统得到认可。有三种技术系统： 施工线系统，在现场建造构件；螺柱，墙板，托梁，耙，护套，大型二维（2D）面板施工系统，其中工厂制造的墙，墙和屋顶隔板随后在施工现场组装，空间元素的三维（3D）系统–模块化构造。

5.工业生产阶段

木结构技术中实现构建的主要阶段如图5所示。 根据图6中的示意图，在工厂中的专用生产线上分别构造墙，墙，屋顶膜片等各个元素，然后完成并组装为3D特殊模块（Schmidt等，2000； Smith等，（2006年）。 图7显示了生产线上工厂部分完成的模块。 可以在固定或直接生产系统中进行生产，通常在固定系统中构造屋顶和屋顶膜，而墙通常在线上构造。 使用图8所示的不同运输方式，将完成单位运输到现场，有时超过500公里。

图5.大板木结构建筑的实现阶段

图6. 模块组装图

图7. 模块完成的阶段，a）元素生产 b）模块的构造

图8. 运输和建设阶段

6.结构的静态行为

结构的安全性和充分的利用条件是建筑物设计的基本要求。这些要求来自静态分析和结构元件的尺寸确定及其连接（Lewicki 1964； Malesza，Miedziałowski2011）。 所有建筑物的设计都应具有足够的空间强度和几何形状不变性。 在开采过程中和装配过程中的应变和位移应满足足够的要求和裂缝，特别是在接头和连接处的裂缝是有限的。 设计过程的第一个阶段是评估静态方案并详细描述建筑物的结构示意图，然后选择尺寸，尺寸的形成及其相互连接。承受静态载荷的结构单元必须满足公式（1）的极限极限状态的所有条件： Kd le; Ps,(1)

其中：Ps是最不利的设计载荷组合下的内力矩阵，K –强度矩阵，d –位移矢量。

7.建筑物的收缩变形和应力（静态和超静态）

在施工和开发过程中，结构元件的应变和变形应足够小，尤其是在接头处。在静态分析中应检查托梁，横梁，大梁或屋顶桁条等形式的变形，并保持在允许值内。允许的变形量取决于静态方案，单元尺寸，其形式和连接，它们是标准要求的一部分。在设计过程中还应考虑偏差和装配误差，分析中的简化，忽略某些作用和反应，例如接头的应变或打滑。装有建筑物的木构架中构件的尺寸和形状取决于非结构性要求。 隔音，隔热和防护要求在结构形成中非常重要。

8.结构收缩的分析

可以在具有恒定应变收缩率的木材变形的基础上评估带有护套建筑物的木结构房屋横截面尺寸的收缩率变化。根据Miedzialowski，Malesza，2006）的应变变形，木材水分的横截面的宽度和横截面的高度的取值为6％，自由饱和点W = 30％。由于含水量的变化和木材元素的收缩，已对以覆层建筑为框架的木材的变形进行了分析，以此类木材在结构中的使用为例。收缩应变值随木材水分含量的1％变化而变化，可从公式（4）获得：

es = 0.25% / 1% of W. (4)

对于木材横截面元素的高度h，总收缩率可以根据公式（5）估算：

Dh = estimes;h times;DW, (5)

其中：es –收缩应变，h –水平木结构元件横截面的高度DW –木材含水量的变化。

9.木结构建筑的部分缺陷

9.1木结构房屋

在结构清单中发现了开裂形式的屋顶木材结构失效。屋顶木板和墙体中缺陷的位置位于木结构建筑和原木墙建筑中。对材料缺陷和故障的选定示例进行了定位和描述。 损坏的托梁在山墙处分配为第一层地板。托梁没有受到明显的加载，没有发现其他变形。这种元件是在自然缺陷的情况下建造的。结的位置和晶粒在结位置处的取向导致分裂和破坏。劈开长度340 mm和开裂（劈开）宽度4mm表示不应在结构中内置有此类缺陷的木托梁。

9.2 木材原木墙建筑

圆壁原木直径170毫米，地板托梁高度为200毫米，屋顶梁高度为180毫米，属于24种松木和杉木，水分含量约为20％。 这些元素内置于一层传统木结构建筑中。 在自然干燥的一年内，发现了各种自然缺陷。 检查早期通风建筑物中的水分含量并稳定在10％，在某些内墙甚至8％。 由于木材的收缩和翘曲，墙壁，地板和屋顶中的几乎所有元素都会开裂。 内部的不同饰面将被新材料替换。 图18显示了加载的垂直元素的拆分。

图18. 收缩导致的支柱拆分

木材结构中使用的木材应满足PN-EN 14081标准中有关自然断裂和水分含量的要求，以达到未来的使用功能和强度要求，以达到PN-EN 338：2011中的实木等级标准。除用于结构目的的木材外，还应标记为CE适当的建筑材料。

10.被检查建筑物的维修和补救工程

通过消除屋脊梁和栅栏之间的间隙，通过钢板

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