Вследствие ограниченности размеров дерева создание из него строительных конструкций больших пролетов или высоты невозможно без соединения отдельных элементов. Соединения деревянных элементов для увеличения поперечного сечения конструкции называют сплачиванием , а для увеличения их продольной длины - сращиванием, под углом и прикрепление к опорам – анкеровкой.
По характеру работы все основные соединения делятся на:
Без специальных связей (лобовые упоры, врубки);
Со связями, работающими на сжатие (шпонки колодки);
Со связями, работающими на изгиб (болты, стержни, гвозди, винты, пластинки);
Со связями, работающими на растяжение (болты, винты, хомуты);
Со связями, работающими на сдвиг-скалывание (клеевые швы).
По характеру работы соединений деревянных конструкций делятся на податливые и жесткие. Податливые изготавливаются без применения клеев. Деформации в них образуются в результате неплотностей.
Соединения элементов деревянных конструкций по способу передачи усилий разделяются на следующие виды:
1) соединения, в которых усилия передаются непосредственным упором контактных поверхностей соединяемых элементов, например примыканием в опорных частях элементов, врубкой и т.д.;
2) соединения на механических связях;
3) соединения на клеях.
Механическими в соединениях деревянных конструкций называют рабочие связи различных видов из твердых пород древесины, стали, различных сплавов или пластмасс, которые могут вставляться, врезаться, ввинчиваться или запрессовываться в тело древесины соединяемых элементов. К механическим связям, наиболее широко применяемым в современных деревянных конструкциях, относятся шпонки, нагели, болты глухари, гвозди, шурупы, шайбы шпоночного типа, нагельные пластинки и металлические зубчатые пластинки.
Несущая способность и деформативность деревянных конструкций зависит в большей мере от способа соединения их отдельных элементов. Соединения растянутых деревянных элементов как правило связано с их местным ослаблением. В ослабленном сечении растянутых деревянных элементов наблюдается концентрация опасных, не учитываемых расчетом местных напряжений. Наибольшую опасность в стыковых и узловых соединениях растянутых деревянных элементов представляют сдвигающие и раскалывающие напряжения. Она усугубляется в случае наложения этих напряжений на напряжения, которые возникают в древесине вследствие ее усушки.
Скалывание и разрыв вдоль и поперек волокон относятся к хрупким видам работы древесины. В отличие от работы строительной стали в древесине не происходит в этих случаях пластического выравнивания напряжений. Для того, чтобы уменьшить опасность последовательного, по частям, хрупкого разрушения от скалывания или разрыва в растянутых элементах деревянных конструкций, приходится обезвреживать природную хрупкость древесины вязкой податливостью работы их соединений. К наиболее вязким видам работы древесины, характеризуемой наибольшим количеством работы прочного сопротивления, относится смятие. Другими словами, требование вязкости, предъявляемое к соединениям всех видов элементов деревянных конструкций, сводится к требованию обеспечения выравнивания напряжений в параллельно работающих брусьях или досках, использованием вязкой податливости работы древесины на смятие, прежде чем могло бы произойти хрупкое разрушение от разрыва или скалывания.
Для придания вязкости соединениям растянутых деревянных элементов как правило используют принцип дробности, позволяющий избежать опасности скалывания древесины увеличением площади скалывания (нарисовать соединение с одним болтом и с несколькими меньшего диаметра).
Контактные соединения деревянных элементов. Лобовая врубка.
При контактных соединениях деревянных элементов подразумевают соединения, в которых усилия от одного элемента к другому передаются через их обработанные и опиленные контактные поверхности. Дополнительно поставленные в таких соединениях рабочие связи несут функцию фиксации отдельных элементов и служат аварийными связями. При контактных соединениях решающим оказывается работа древесины на смятие. Преимуществом соединения простым опиранием является незначительное влияние на их работу деформаций древесины при колебаниях температурно-влажностного режима, особенно если силы сжатия соединенных элементов направлены вдоль волокон. Контактные соединения с сжатием перпендикулярно к волокнам встречаются в соединениях стоек в местах примыкания к горизонтальным ригелям, опираний прогонов, балок, ферм на стены. В этих случаях расчет сводится к определению проверки напряжений смятия по контактным поверхностям и сравнению их с расчетным сопротивлением. Сопротивление древесины поперек волокон мало, то при действии больших усилий приходится увеличивать опорные площади или контактные поверхности соединяемых элементов. Способы показаны на рисунке.
При отсутствии возможности увеличения площади контакта, применяют накладки с боковых сторон из фанеры на нагелях или клею, которые распределяют нагрузку на большую глубину элемента. Ещё один метод усиления клееных балок в опорной части, разработанный в нашей стране, заключается в выпиливании угла опирания под углом 45º, его разворот на 90º и его вклеивания. Этим достигается максимальное сопротивление древесины смятию (вдоль волокон).
Контактные соединения деревянных элементов с действием сил вдоль волокон встречаются при наращивании стоек по длине. В этом случае сопротивление смятию максимально, но возникает опасность взаимопроникновения деревянных элементов из-за того, что более плотные слои одного элемента могут совпасть с менее плотными другого. Чтобы предотвратить смещение концов устанавливают цилиндрические нагели в торцах или боковые накладки. Расчет на смятие в этом случае не проводят, ограничиваясь расчетом на продольный изгиб.
Работа древесины на смятие под углом возникает при соединении наклонных элементов (см рис. верхний пояс ферм). Проверяют на смятие под углом.
Лобовая врубка. Врубка – соединение, в котором усилие элемента, работающего на сжатие, передается другому элементу непосредственно без вкладышей или рабочих связей. Основной областью применения являются узловые соединения в брусчатых и бревенчатых фермах, в том числе в опорных узлах примыкания сжатого верхнего пояса растянутому нижнему. Соединяемые элементы должны быть скреплены вспомогательными связями – болтами, хомутами, скобами, которые рассчитывают на монтажные нагрузки.
Лобовая врубка может утратить несущую способность при достижении одного из 3 предельных состояний:1) по смятию площадки упора,2) по скалыванию площадки упора,3) по разрыву ослабленного врубкой нижнего пояса.
Площадь смятия определяется глубиной врубки, которая может быть не более1/3 высоты растянутого элемента. Решающее значение, как правило, имеет несущая способность врубки из условия скалывания. Согласно СНиП II-25-80,лобовую врубку на скалывание для угла 45º рассчитывают определением среднего по длине площадки скалывания напряжения сдвига по формуле: 
, где - расчетное сопротивление древесины скалыванию, - расчетная длина площади скалывания, е –плечо сил сдвига, -=0,25 коэффициент. Для угла в 30º: .
Соединения на шпонках и шайбах шпоночного типа.
Шпонки – это вкладыши из твердых пород древесины, стали или из пластмасс, которые устанавливаются между сплачиваемыми элементами и препятствуют сдвигу. Различают призматические деревянные продольные шпонки, когда направления волокон древесины шпонок и соединяемых элементов совпадают, и поперечные, когда направление волокон перпендикулярны. Призматические шпонки работают на смятие и скалывание. Возможно применение металлических тавровых шпонок. Отличительный признак шпонок – появление опрокидывающего момента и как результат этого возникновение распора между соединяемыми элементами. Для восприятия распора необходимо устанавливать стяжные болты. Длину шпонки принимают не менее . Глубину врезки шпонок в брусья следует принимать не менее 2 см и не более 1/5 высоты бруса, а бревна – не менее 3 см и не более ¼ диаметра бревна.
Расчет соединений на шпонках сводится к проверке несущей способности по смятию и скалыванию. При расчете в многорядовых соединениях вводят коэффициент 0,7, из-за неравномерного распределения усилий.
Для соединения деревянных конструкций под различными углами в узлах ставят круглые центровые шпонки со стяжным болтом в центре.
Наибольшее распространение нашли шайбы шпоночного типа. Соединения на зубчатых шпонках характеризуются высокой несущей способностью и вязкостью. Их вдавливают в тело древесины ударным способом или специальными зажимами. К недостаткам относится: образование трещин в сопрягаемых элементах, уменьшение несущей способности из-за неравномерности запрессовки шпонок в многорядовых соединениях.
Соединения на нагелях цилиндрических (стальные, дубовые, пластиковые, алюминиевые, гвозди, шурупы, глухари) и пластинчатых.
Нагельные соединения со вставками в узлах и на металлических зубчатых (гвоздевых) пластинках.
Нагельные соединения со вставками в узлах
Когда в узлах действуют большие усилия или соединяются несколько элементов, обеспечить передачу усилий через контактные поверхности всех сопрягаемых элементов сложно. В таких случаях целесообразно использовать различные вставки в виде узловых пластин, которые увеличивают площадь узла и одновременно создают многосрезность рабочих связей. В качестве узловых вставок чаще всего применяют пластинки из стали и фанеры. Они могут располагаться снаружи (накладки) и присоединяться снаружи к древесине соединяемых элементов с помощью односрезных нагелей или располагаться внутри деревянного элемента (прокладки) в специальных разрезах с тем, чтобы рабочие связи могли работать как многосрезные нагели.
Соединения с накладками и прокладками на болтах или глухих цилиндрических нагелях допускаются в тех случаях, когда обеспечена необходимая плотность постановки нагелей. Глухие стальные цилиндрические нагели должны иметь заглубление не менее 5 диаметров нагеля. Передача усилий от одного деревянного элемента другому происходит последовательно через нагели, пластинку и нагели другого деревянного элемента. Сечение пластинок назначают из условия расчета на растяжение по ослабленному сечению и обеспечения прочности на смятие в гнезде под нагелем. В нагельных соединениях обычно применяют стальные пластинки толщиной не менее 5 мм. Отверстия гнезда под нагели сверлят как правило одновременно в дереве и в пластинке. При этом если прокладки стальные, первый раз делают отверстие сверлом с d, соответствующим гнезду нагеля в деревянном элементе (на 0.2 –0.5 мм меньше d нагеля), затем металлическую пластинку вынимают из разреза и отверстия в ней рассверливают до размера диаметра нагеля.
Технология изготовления этих соединений относительно трудоемка, но оправдана тем, что при размещении металлических элементов внутри древесины (концы нагеля и болтов оставляют ниже поверхности элемента на 2 см и заклеивают сверху деревянной вставкой) повышается огнестойкость деревянных конструкций и их стойкость к действию химически агрессивных сред. Как правило, нагельные соединения со стальными прокладками применяют в узлах клееных элементов большого сечения.
На много проще изготовление соединений на узловых пластинках толщиной не более 2 мм, которые без предварительного просверливания могут быть пробиты на сквозь гвоздями. К таким соединениям относится система «Грейм». Здесь в тонкие прорези вставляются металлические пластики толщиной 1-1.75 мм и пробиваются на сквозь гвоздями.
Соединения деревянных элементов на тонких пластинках системы «Грейм»: а – с трапециевидными пластинками; б – с треугольными пластинками.
Пластинка, находящаяся в разрезе внутри деревянного элемента, при восприятии узловых сжимающих усилий работает на продольный изгиб со свободной длиной, равной расстоянию между рабочими связями, которые скрепляют пластинки с деревянным элементом. Чтобы предупредить выпучивание пластинки, необходимо обеспечить ее плотное прилегание к боковым граням разреза и установить рабочие связи с шагом, при котором не происходит выпучивания пластинки.
Нагельные соединения со стальными накладками и прокладками следует рассматривать также, как и обычные нагельные соединения деревянных элементов, определяя несущую способность нагелей из условия изгиба нагеля и смятия древесины в нагельном гнезде. При этом в расчете из условия изгиба следует принимать наибольшее значение несущей способности нагеля. Стальные накладки и прокладки надо проверять на растяжение по ослабленному сечению и на смятие под нагелем.
Узловые пластинки можно изготавливать и из других, в частности, слоистых материалов. Наибольшее распространение получили соединения деревянных элементов на пластинках из бакелизированной фанеры. Их преимущественно применяют для связевых и других соединений, которые изготавливают непосредственно на строительной площадке. Соединения на фанерных накладках и прокладках осуществляют на цилиндрических нагелях из твердых пород древесины, стали и др., на гвоздях или шурупах. Если фанерные пластинки располагаются снаружи деревянных элементов, то они соединяются односрезными нагелями.
Возможны также многосрезные соединения, если пластинки устанавливают в прорези в деревянных элементах или между их отдельными ветвями. Клеем на основе синтетических смол обрабатывают кромки фанерных листов. Толщину их выбирают в зависимости от диаметра нагеля и из условий работы фанеры на смятие в гнезде. Последние располагают обычно так, чтобы направление волокон наружных слоев фанеры совпадало с направлением волокон соединяемого элемента, в котором действуют большие усилия, или этот угол составляет 45°.
Развитие нагельных соединений с пластинками в узлах привело к появлению нагельных пластин. Одними из первых стали применяться для узловых соединений конструкций с одной или двумя ветвями нагельные пластинки системы «Мениг». Пластинки этой системы изготавливают из пенопласта толщиной 3 мм и слоя синтетической смолы, усиленной стекловолокном толщиной 2 мм. В этой пластинке закреплены сквозные обоюдоострые нагели диаметром от 1.6 мм и длиной по каждую сторону пластинки о 25 мм и более. Толщина соединяемых деревянных элементов может достигать 80 мм.
Нагельные пластинки устанавливают между соединяемыми деревянными элементами. При запрессовке слой пенопласта сжимается и служит контролем для равномерной запрессовки нагелей в оба соединяемых элемента.
По своей работе соединения на нагельных пластинах могут быть сравнены с работой гвоздевых соединений. Несущая способность соединений на пластинах типа «Мениг» составляет 0.75-1.5 Н на 1 мм 2 контактной поверхности.
Соединения для брусчатых деревянных элементов большого сечения на нагельных пластинках большой несущей способности представляют собой металлические пластины с прикрепленными нагелями диаметром 3-4 мм. Нагели могут быть сквозными, запрессованными в отверстиях пластинки, или состоять из двух половин, прикрепляемых к обеим сторонам пластинки точечной сваркой.
Применение соединений на нагельных пластинах требует тщательности изготовления, отбора материала и запрессовки в специальных гидравлических прессах при строгом контроле качества.
Соединения на металлических зубчатых платстинках.
Наибольшее распространения в зарубежной практике строительства получили МЗП системы «Ганг-Нейл».
МЗП представляют собой стальные пластинки толщиной 1-2 мм, на одной стороне которых после штамповки на специальных прессах получаются зубья различной формы и длины. МЗП ставят попарно по обе стороны соединяемы элементов таким образом, чтобы ряды МЗП располагались в направлении волокон присоединяемого деревянного элемента, в котором действуют наибольшие усилия.
Дощатые конструкции с соединениями на металлических зубчатых пластинках следует применять в зданиях V степени огнестойкости без подвесного подъемно-транспортного оборудования с температурно-влажностными условиями эксплуатации А1, А2, Б1 и Б2. Изготовление конструкций должно производиться на специализированных предприятиях или в деревообрабатывающих цехах, оснащенных оборудованием для сборки конструкций, запрессовки МЗП и контрольных испытаний конструкций. Ручная запрессовка МЗП недопустима.
Несущую способность деревянных конструкций на МЗП определяют по условиям смятия древесины в гнездах и изгиба зубьев пластин, а также по условиям прочности пластин при работе на растяжение, сжатие срез.
Материалом для изготовления конструкций служит древесина сосны и ели шириной 100-200 мм, толщиной 40-60 мм. качество древесины должно удовлетворять требованиям СНиП II-25-80, предъявляемых материалам деревянных конструкций.
МЗП рекомендуется изготавливать из листовой углеродистой стали марок 08кп или 10кп по ГОСТ 1050-74 толщиной 1.2 и 2 мм. Антикоррозионную защту МЗП выполняют оцинковкой по ГОСТ 14623-69 или покрытиями на основе алюминия в соответствие с рекомендациями по антикоррозионной защите стальных закладных деталей и сварных соединений сборных ж.б. и бетонных конструкций.
Деревянные конструкции на соединениях с МЗП рассчитывают на усилия, возникающие в период эксплуатации зданий от постоянных и временных нагрузок, а также на усилия, возникающие при транспортировке и монтаже конструкций. Сквозные конструкции рассчитывают с учетом неразрезности поясов и в предположении шарнирного крепления к ним элементов решетки.
Несущая способность соединения на МЗП N c , кН, по условиям смятия древесины и изгиба зубьев пр растяжении, сдвиге и сжатии, когда элементы воспринимают усилия под углом к волокнам древесины, определяют по формуле:
где R – расчетная несущая способность на 1 см 2 рабочей площади соединения, F p – расчетная площадь поверхности МЗП на стыковом элементе, определяемая за вычетом площадей участков пластины в виде полос шириной 10 мм, примыкающих к линиям сопряжения элементов и участков пластины, которые находятся за пределами зоны рационального расположения МЗП, которая ограничивается линиями, параллельными линии стыка, проходящими по обе стороны от нее на расстоянии половины длины линии стыка.
Учет эксцентриситета приложения усилий к МЗП при расчете опорных узлов треугольных ферм осуществляется снижением расчетной несущей способности соединения умножением на коэффициент h, определяемый в зависимости от величины уклона верхнего пояса. Кроме того проверяют саму пластинку на растяжение и срез.
Несущую способность МЗП N p при растяжении находят по формуле:
где b – размер пластины в направлении, перпендикулярном направлению усилия, см, R p – расчетная несущая способность пластины на растяжение, кН/м.
Несущую способность МЗП Q ср при срезе определяют по формуле:
Q ср = 2l ср R cp ,
где l ср – длина среза сечения пластины без учета ослаблений, см, R ср – расчетная несущая способность пластины на срез, кН/м.
При совместном действии на пластину усилий среза и растяжения должно выполняться условие:
(N p /2bR p) 2 + (Q ср /2l ср R cp) 2 £ 1.
При проектировании конструкций на МЗП следует стремиться к унификации типоразмеров МЗП и сечений пиломатериала в одной конструкции. На обеих сторонах узлового соединения должны располагаться МЗП одного типоразмера. Площадь соединения на каждом элементе (с одной стороны от плоскости соединения) должна быть для конструкций пролетом до 12 м не менее 50 см 2 , а для конструкций пролетом до 18 м не менее 75 см 2 . Минимальное расстояние от плоскости соединения элементов должно быть не менее 60 мм. МЗП следует располагать таким образом, чтобы расстояния от боковых кромок деревянных элементов до крайних зубьев были не менее 10 мм.
Соединения на растянутых связях.
К растянутым связям относят гвозди, винты (шурупы и глухари), работающие на выдергивание, скобы, хомуты, стяжные болты и тяжи. Различают связи натяжные и ненатяжные, временные (монтажные) и постоянные. Все виды связей должны быть защищены от коррозии.
Гвозди сопротивляются выдергиванию только усилиями поверхностного трения между ними и древесиной гнезда. Силы трения могут уменьшиться при образовании в древесине трещин, которые снижают силу сжатия гвоздя, поэтому для гвоздей, работающих на выдергивание, обязательно соблюдение тех же норм расстановки, которые приняты для гвоздей, работающих как нагели на изгиб (S 1 = 15d, S 2,3 = 4d).
При статическом приложении нагрузки расчетную несущую способность на выдергивание одного гвоздя, забитого поперек волокон с соблюдением норм расстановки, определяют по формуле:
Т выд £ R выд pd гв l защ,
где R выд – расчетное сопротивление выдергиванию на единицу поверхности соприкосания гвоздя с древесиной, d гв – диаметр гвоздя, l защ – расчетная длина защемленной, сопротивляющейся выдергиванию части гвоздя, м.
В деревянных конструкциях (для временных сооружений) R выд,. При определении Т выд расчетный диаметр гвоздя принимают не более 5 мм, даже в случае использования гвоздей большей толщины.
Расчетная длина защемления гвоздя l защ (без учета острия 1.5d) должна быть не менее 10d и не менее чем две толщины прибиваемой доски. В свою очередь толщина прибиваемой доски должна быть не менее 4d.
Шурупы (винты, завинчиваемые отверткой) и глухари (винты диаметром 12-20 см, завинчиваемые ключом) удерживаются в древесине не только силами трения, но и упором винтовой нарезки в прорезаемые ею в древесине винтовые желобки.
Расстановка шурупов и глухарей и размеры просверленных гнезд должны обеспечивать плотный обжим стержня глухаря древесиной без ее раскалывания. S 1 = 10d, S 2,3 = 5d. Диаметр прилегающей к шву части гнезда должен точно соответствовать диаметру ненарезной части стержня глухаря. Для надежного упора винтовой нарезки выдергиваемого шурупами глухаря диаметр заглубленной части гнезда по всей длине нарезной части глухаря должен быть на 2-4 мм меньше полного его диаметра.
Если при конструировании можно допустить разреженную расстановку шурупов и глухарей диаметром не более 8-16 мм, то сверлят гнезда уменьшенного на 2-3 мм диаметра на всю длину защемления.
При соблюдении указанных требований расчетную несущую способность на выдергивание шурупа или глухаря определяют по формуле:
Т выд £ R выд pd винт l защ,
где R выд – расчетное сопротивление выдергиванию неразрезной части шурупа или глухаря, d винт – наружный диаметр нарезной части, м, l защ –длина нарезной части шурупа или глухаря, м.
Все поправочные коэффициенты к R выд вводят в соответствии с поправками на сопротивление смятию поперек волокон.
Глухари и шурупы лучше всего использовать для крепления к деревянным брусьям и доскам металлических накладок, хомутов, шайб и т.д. При этом глухари и шурупы заменяют не только нагели, но и стяжные болты. Если с помощью глухарей или шурупов присоединяют деревянные или фанерные элементы, работающие на отрыв, решающее значение приобретает не сопротивление выдергиванию нарезной части, а сопротивление смятию древесины головкой глухаря или шурупа. В таком случае необходимо под головку подкладывать металлическую шайбу размером 3.5d x 3.5d x 0.25d.
Скобы из круглой (или квадратной) стали толщиной 10-18 мм применяют в качестве вспомогательных растянутых или фиксирующих связей в сооружениях из круглого леса или брусьев, в мостовых опорах, лесах, бревенчатых фермах и т.п. В дощатых деревянных конструкциях скобы не применяют, так как они раскалывают доски. Скобы как правило забивают концами в цельную древесину без сверления гнезд. Несущая способность одной скобы, даже при соблюдении увеличенных норм не определенна.
Экспериментальные исследования выявили эффективность забивки без сверления скоб из проката крестового профиля d ск = 15 мм. При достаточной длине шипа (6-7 d ск) несущая способность таких скоб приблизительно равна несущей способности нагеля из круглой стали диаметром 15 мм.
Хомуты , так же, как и скобы относятся к растянутым связям. Отличительной особенностью хомутов является охватывающее их положение по отношению к соединяемым деревянным элементам.
Рабочие болты и тяжи , т.е. растянутые металлические элементы, применяют в качестве анкеров, подвесок, растянутых элементов металлодеревянных конструкций, затяжек арочных и сводчатых конструкций и т.п. Все элементы тяжей и рабочих болтов следует проверять расчетом по нормам для стальных конструкций и принимать диаметром не менее 12 мм.
При определении несущей способности растянутых стальных черных болтов, ослабленных нарезкой учитывают уменьшенную площадь F нт и местную концентрацию напряжений s р; поэтому принимают пониженные расчетные сопротивления. Расчетные сопротивления стали в параллельно работающих двойных и более тяжах и болтах снижают умножением на коэффициент 0.85, учитывая неравномерность распределения усилий. В металлических тяжах следует избегать местного ослабления рабочего сечения.
Рабочие болтовые связи и стяжные муфты применяют лишь в тех случаях, когда требуется монтажное или эксплуатационное регулирование их длины. Располагают их в наиболее доступных местах металлодеревянных арок и ферм. Ненатяжное стыковое соединение затяжки из круглой стали, позволяющее транспортировать ее без разборки.
Необходимые лишь в редких случаях натяжные стыки затяжек из круглой стали осуществляют с помощью натяжных муфт с разносторонней резьбой. При отсутствии муфт заводского производства можно изготовить сварные муфты из двух (или лучше 4-х) квадратных гаек левой и правой резьбы, скрепленных на сварке двумя стальными планками.
Стяжные болты , имеющие преимущественно монтажное значение и не рассчитываемые на восприятие определенного эксплуатационного усилия, применяют почти во всех видах соединений, в том числе в нагельных соединениях и врубках для обеспечения плотного прилегания сплачиваемых досок, брусьев или бревен. Сечение стяжных болтов определяют по монтажным соображениям; оно должно быть тем больше, чем толще элементы соединяемого узла, т.е. чем больше ожидаемое сопротивление спрямляющему выгибу покоробленных или перекошенных досок или брусьев. В случае разбухания древесины плотно стянутого болтом пакета досок стержень болта подвергается большим продольным растягивающим усилиям. Чтобы избежать при этом разрыва болта по сечению, ослабленному нарезкой, шайбы стяжных болтов назначают с уменьшенной площадью смятия древесины. Безопасное для соединения вмятие шайбы в древесину. В случае разбухания должно произойти раньше, чем напряжение стержня болта на разрыв достигнет опасного значения.
Сборно-разборный стык с двойным обжимом для растянутых клееных элементов. Клеевые стыки растянутых деревянных элементов были исследованы В.Г. Михайловым. Разрушение стыков происходило от раскалывания при низких напряжениях сдвига по плоскости разрушения. Наивысшее среднее напряжение сдвига при разрушении, равное 2.4 МПа, было достигнуто в стыке с обжимными клиньями.
Стык с двойным обжимом перекрывается накладками 1 из полосовой стали, к которым приварены уголки 2. Усилия от растянутых деревянных элементов передаются на стальные накладки через перекрестные болты 3 и 4 и коротыши с нарезкой 5. К стыкуемым элементам приклеивают на концах деревянные накладки 7 со скошенными торцами для упора уголков 6 с таким расчетом, чтобы плоскость скалывания, начинающаяся от уголка, не совпадала с клеевым швом.
Анализ испытаний растянутых стыков показывает, что сила, обжимающая элемент у начала плоскости разрушения при скалывании, противодействуя растягивающим напряжениям, одновременно создает дополнительные напряжения сдвига и тем самым увеличивает их концентрацию в опасной зоне. При создании на противоположном конце плоскости скалывания дополнительной силы обжима поперек волокон (как это имеет место в рассматриваемом стыке) напряжения сдвига выравниваются, уменьшаются их концентрация и возможность возникновения растягивающих поперек волокон напряжений.
Стык с двойным обжатием является натяжным сборно-разборным соединением, создающим начальную плотность и позволяющим поддерживать ее в дальнейшем в условиях эксплуатации (если произойдет некоторая усушка соединяемых элементов).
Стык на скалывание по древесине рассчитывают из условия:
Среднее значение расчетного сопротивления сдвигу определяют по формуле:
где b = 0.125; e = 0.125h.
Соединения на вклеенных стальных стержнях, работающих на выдергивание или продавливание. Применение соединений на вклеенных стержнях из арматуры периодического профиля диаметром 12-25 мм, работающих на выдергивание и продавливание, допускается в условиях эксплуатации конструкций при температуре окружающего воздуха, не более 35°С.
Предварительно очищенные и обезжиренные стержни вклеивают составми на основе эпоксидных смол в просверленные отверстия или в профрезерованные пазы. Диаметры отверстий или размеры пазов следует принимать на 5 мм больше диаметов вклеиваемых стержней.
Расчетную несущую способность такого стержня на выдергивание или продавливание вдоль и поперек волокон в растянутых и сжатых стыках элементов деревянных конструкций из сосны и ели следует определять по формуле:
Т = R ск ×p×(d + 0.005)×l×k с,
где d – диаметр вклеиваемого стержня, м; l – длина заделываемой части стержня, м, которую следует принимать по расчету, но не менее 10d и не более 30d; k с – коэффициент, учитывающий неравномерность распределения напряжений сдвига в зависимости от длины заделываемой части стержня, который определяют по формуле: k с = 1.2 – 0.02×(l/d); R ск – расчетное сопротивление древесины скалыванию.
Расстояние между осями вклеенных стержней, вдоль волокон принимать не менее S 2 = 3d, а до наружных граней – не менее S 3 = 2d.
Соединения элементов ДК на клеях.
Требования, предъявляемые к клеям для несущих конструкций.
Равнопрочность, монолитность и долговечность клеевых соединений в деревянных конструкциях могут быть достигнуты только применением водостойких конструкционных клеев. Долговечность и надежность клеевого соединения зависят от устойчивости адгезионных связей, вида клея, его качества, технологии склеивания, эксплуатационных условий и поверхностной обработки досок.
Клеевой шов должен обеспечивать прочность соединения, не уступающую прочности древесины, на скалывание вдоль волокон и на растяжение поперек волокон. Прочность клеевого шва, соответствующую прочности древесины на растяжение вдоль волокон, пока еще не удается получить, поэтому в растянутых стыках площадь склеиваемых поверхностей приходится увеличивать примерно в 10 раз косой срезкой торца на ус или на зубчатый шип.
Плотность контакта клеящего вещества со склеиваемыми поверхностями должна создаваться еще в вязкожидкой фазе конструкционного клея, заполняющего все углубления и шероховатости, благодаря способности смачивать склеиваемую поверхность. Чем ровнее и чище остроганы склеиваемые поверхности и чем плотнее они прилегают друг к другу, тем полнее монолитность склеивания, тем равномернее и тоньше клеевой шов. Деревянная конструкция, монолитно склеенная из сухих тонких досок, обладает значительным преимуществом перед брусом, вырезанным из цельного бревна, но для реализации этих преимуществ необходимо строгое соблюдение всех условий технологии индустриального производства клееных деревянных конструкций.
После отверждения конструкционного клея от сформировавшегося клеевого шва требуется не только равнопрочность и монолитность, но и водостойкость, теплостойкость и биостойкость. При испытаниях разрушение опытных образцов клеевых соединений должно происходить в основном по склеиваемой древесине, а не по клеевому шву (с разрушением внутренних, когезионных связей) и не в пограничном слое между клеевым швом и склеиваемым материалом (с разрушением пограничных, адгезионных связей).
Виды клеев.
Клеевые соединения применялись давно, главным образом в столярных изделиях. В начале XX века в Швейцарии, Швеции и Германии стали применять несущие деревянные конструкции на казеиновом клее. Однако белковые клеи животного происхождения и тем более растительного не удовлетворяли в полной мере требованиям к соединениям элементов несущих конструкций.
Большое значение имеет развитие химии полимерных материалов и производство синтетических клеев. Синтетические полимерные материалы с запланированными свойствами позволяют обеспечить требуемые прочность и долговечность клеевых соединений. Поиск оптимального ассортимента конструкционных клеев и соответствующих режимов поточного производства клееных конструкций продолжается, но уже сейчас имеется набор синтетических клеев, которые позволяют соединять деревянные строительные детали не только с деревом.
В отличие от казеиновых и других белковых клеев синтетические конструкционные клеи образуют прочный водостойкий клеевой шов в результате реакции полимеризации или поликонденсации. В настоящее время в основном применяют резорциновые, фенольно-резорциновые, алкилрезорциновые, фенольные клеи. Согласно СНиП II-22-80, выбор типа клея зависит от температурно-влажностных условий эксплуатации клееных конструкций.
Эластичность и вязкость клеевого шва особенно важна при соединении деревянных элементов с металлическими, фанерными, пластмассовыми и другими конструкционными элементами, имеющими температурные, усадочные и упругие характеристики. Однако использование эластичных каучуковых клеев в напряженных соединениях как правило недопустимо из-за недостаточной прочности таких соединений и чрезмерной ползучести их при длительном нагружении.
Чем суше и тоньше склеиваемые доски тем меньше опасность образования в них трещин. Если усушечное коробление недосушенных досок произойдет еще до отверждения клеевого шва, но после прекращения давления пресса, то склеивание будет необратимо нарушено.
Виды соединений на клею.
Растянутый стык клееных элементов в заводских условиях изготовляют на зубчатый шип с уклоном склеиваемых поверхностей примерно 1:10. Это унифицированное решение, по прочности не уступает решению стыка на ус (при том же уклоне), более экономично по затрате древесины и более технологично в производстве; поэтому оно должно полностью заменить при заводском изготовлении все остальные виды стыков.
Зубчатый шип одинаково хорошо работает на растяжение, изгиб, кручение и сжатие. Согласно испытаниям прочность такого стыка КБ_3 даже на разрыв не ниже прочности цельного бруска, ослабленного нормальным для 1 категории сучком размером ¼-1/6 ширины соответствующей стороны элемента.
На практике рекомендуется использовать наиболее технологичный вариант с нарезкой шипов перпендикулярно пласти. Этот вариант применим при любой ширине склеиваемых элементов, даже слегка покоробленных. При стыковании клееных блоков больших сечений приходится применять склеивание холодным (или теплым) способом.
Для сращивания фанерных листов в заводском производстве таким же унифицированным неразборным видом соединения служит стыковое соединение на ус; его применение в напряженных элементах конструкций требует соблюдения следующих условий длину уса принимают равной 10-12 толщинам фанеры, а направление волокон наружных шпонов (рубашек) должно совпадать с направлением действующих усилий. Ослабление обычной фанеры стыком на ус учитывают коэффициентом К осл = 0.6, а бакелизированной фанеры коэффициентом 0.8.
Клеевые и клеемеханические соединения элементов в конструкциях с применением пластмасс и принципы их расчета.
Клеевые соединения являются наиболее эффективными, универсальными и распространенными соединениями пластмасс. Дают возможность склеивать любые материалы си пластмассы. Недостаток клеевого соединения: малая прочность на поперечное растяжение – отрыв и ограниченная теплостойкость. Применяются термореактивные и термопластичные клеи.
Типы соединений смотри рис. Протяженность клеевого шва с каждой стороны стыка (длина нахлестки) определяется расчетом его на срез, но не менее 8 толщин листа для асбестоцемента, 50 толщин для металлов, 20 толщин листа для стеклопластиков. Клеевые соединения чаще всего работают на сдвиг, но в некоторых случаях соединение может испытывать усилия, вызывающие в нем растяжения, которое называется отрывом. В зависимости от характера распределения растягивающих напряжений по протяженности шва различают равномерный и неравномерный отрыв. Чаще прочность клеевой прослойки выше прочности склеиваемого материала, в этом случае расчетное сопротивление определяется по соединяемому материалу. Для клеевых соединений учитываются коэффициенты условия работы: температурный фактор; влажностные условия; атмосферные условия.
Клееметаллические соединения являются комбинированными, состоящими из точечных металлических соединений и клеевой прослойки, располагающейся вдоль всего шва. Различают клеесварные, клеевинтовые, клеезаклепочные. Они имеют более высокую прочность при неравномерном отрыве. При сдвиге более прочны, чем металлические соединения. Прочность клееметаллических соединений при сдвиге определяется как прочность заклепки, винта или сварной точки, умноженной на коэффициент 1,25-2, учитывающий работу клея. Прочность заклепки, винта определяется из условия смятия или среза, а прочность сварной точки из условия среза.
Сварные соединения элементов из пластмасс и принципы их расчета.
Сварные соединения пластмасс используются для соединения элементов из одного и того же термопластичного материала. Сварка осуществляется за счет одновременного действия высокой температуры и давления. Достоинства: высокая плотность шва, быстрота их осуществления, простота технологических операций. Различают два способа сварки: сварка в струе горячего воздуха (подобно газовой сварке металлов) и контактный способ (применяется при сварке оргстекла, винипласта, полиэтилена). 1) Материал и присадочный пруток размягчают в струе горячего воздуха, нагретого до 250º. В качестве источника теплого воздуха используют тепловой пистолет. 2) Для устройства сварного шва по одному из вариантов контактного способа места соприкосновения двух соединяемых деталей срезают на ус с уклоном 1:3…1:5, совмещают по площади контакта и в таком положении закрепляют. Затем шов сжимают и нагревают. Прочность сварного шва ниже прочности материала. Для винипласта снижение прочности 15-35% при сжатии, растяжении и изгибе, а при испытании на удельную ударную вязкость прочность уменьшается на 90%.
Типы составных стержней и учет податливости связей при их расчете на центральное сжатие.
Податливость – способность связей при деформации конструкций давать возможность соединяемым брусьям или доскам сдвинуться один относительно другого.
Типы составных стержней: стержни-пакеты; стержни с короткими прокладками; стержни, часть ветвей которых не оперта по концам.
Стержни-пакеты. Все ветви таких стержней оперты по концам и воспринимают сжимающее усилие, а расстояния между связями по длине стержня малы и не превышают семи толщин ветви. Расчет относительно оси х-х, перпендикулярной швам между ветвями, производят как для цельного сечения, так как в этом случае гибкость составного стержня равна гибкости отдельной ветви. Расчет относительно оси у-у, параллельной швам, выполняют с учетом податливости связей. При малом расстоянии между связями по длине стержня, равном свободной длине ветви- площадь опертых ветвей;
Податливость связей ухудшает работу составного элемента по сравнению с таким же элементом цельного сечения. У составного элемента на податливых связях уменьшается несущая способность, увеличивается деформативность, изменяется характер распределения сдвигающих усилий по его длине, поэтому при расчете и проектировании составных элементов необходимо учитывать податливость связей.
Рассмотрим три деревянные балки, у которых нагрузки, пролеты и поперечные сечения одинаковы. Пусть нагрузка этих балок равномерно распределенная. Первая балка цельного сечения, т.е. состоит из одного бруса. Назовем эту балку Ц. Момент инерции поперечного сечения балки I ц = bh 3 /12; момент сопротивления W ц = bh 2 /6; прогиб
f ц = 5q н l 4 /384EI ц.
Вторая балка П составного сечения состоит из двух брусьев, соединенных с помощью податливых связей, например болтов. Моменты инерции и сопротивления ее соответственно будут I п и W п; прогиб f п.
Третья балка О составного сечения состоит их таких же брусьев, как вторая балка, но здесь связей не поставлено и поэтому оба бруса будут работать самостоятельно. Момент инерции третьей балки I о = bh 3 /48, что в 4 раза меньше, чем балки цельного сечения. Момент сопротивления W о = bh 2 /12, что в 2 раза меньше, чем балки цельного сечения. Прогиб f о = 5q н l 4 /384EI о, что в 4 раза больше, чем прогиб балки цельного сечения.
Рассмотрим, что будет происходить на левой опоре балки при деформации ее под нагрузкой. Левая опора балки цельного сечения повернется на угол j, а у балки составного сечения без связей кроме поворота на левой опоре произойдет сдвиг d о верхнего бруса относительно нижнего.
В составной балке на податливых связях сдвигу брусьев будут препятствовать болты, поэтому он здесь меньше, чем в балке без связей. Следовательно, составная балка на податливых связях занимает промежуточное положение между балкой цельного сечения и составной балкой без связей. Поэтому можно написать: I ц > I п > I о; W ц > W п > W о; f ц
Из этих неравенств следует, что геометрические характеристики составной балки на податливых связях I ц, W п можно выразить через геометрические характеристики балки цельного сечения, умноженные на коэффициенты меньше единицы, которые учитывают податливость связей: I п = k ж I ц и W п = k w W ц, где k ж и k w меняются в пределах соответственно от 1 до I о /I ц и от 1 до W о /W ц (при двух брусьях I о /I ц = 0,25, а W о /W ц = 0,5.
Прогиб балки увеличивается соответственно уменьшению момента инерции f п = f ц / k ж.
Расчет составной балки на податливых связях сводится, таким образом, к расчету балки цельного сечения с введением коэффициентов, учитывающих податливость связей. Нормальные напряжения определяют по формуле: s и = M/W ц k w £ R и, где W ц – момент сопротивления составной балки как цельной; k w – коэффициент, меньший единицы, учитывающий податливость связей.
Прогиб составной балки на податливых связях определяют по формуле: f п = 5q н l 4 /384EI ц k ж £ f пр, где I ц – момент сопротивления балки как цельной; k ж - коэффициент, меньший единицы, учитывающий податливость связей.
Значение коэффициентов k w и k ж приводятся в СНиП II-25-80 “Деревянные конструкции. Нормы проектирования”.
Количество связей определяют расчетом на сдвигающее усилия. Сдвигающее усилие Т по всей ширине балки, равное tb, вычисляют по формуле: Т = QS/I.
Распределение сдвигающих усилий по длине аналогично распределению касательных напряжений в виде прямой, проходящей под углом по горизонтали. Полное сдвигающее усилие балки на участке от опоры до точки, где Т = 0, будет геометрически равно площади треугольника. В нашем случае при равномерно распределенной нагрузке Т = 0, если x = l/2, и тогда полное сдвигающее усилие H = M max S/I.
В составной балке на податливых связях значение полного сдвигающего усилия остается постоянным. Однако из-за податливости связей изменится характер распределения сдвигающих усилий по длине балки. В результате сдвига брусьев треугольная эпюра превратится в криволинейную, близкую к косинусоиде. Если связи размещать по длине балки равномерно, то каждая связь может воспринимать сдвигающее усилие, равное ее несущей способности Т с, а все они должны воспринять полное сдвигающее усилие. Таким образом, n c T c = M max S/I.
Работа такого количества связей будет соответствовать прямоугольнику ADEC, т.е. связи, находящихся около опор, будут перегружены. Следовательно, при расчете количества связей должны быть соблюдены два условия:
· число равномерно поставленных связей на участке балки от опоры до сечения с максимальным моментом должно воспринять полное сдвигающее усилие
n c = M max S/IT c ;
· связи, поставленные около опор, не должны быть перегружены.
Связи около опор перегружены в 1,5 раза, поэтому для соблюдения второго условия надо увеличивать их число в 1,5 раза. Таким образом, требуемое количество связей на участке балки от опор до сечения с максимальным моментом будет n c = 1,5M max S/I бр T c .
Метод расчета сжато-изгибаемых элементов составного сечения на податливых связях остается таким же, как и элементов цельного сечения, но в формулах дополнительно учитывается податливость связей.
При расчете в плоскости изгиба составной элемент испытывает сложное сопротивление, и податливость связей учитывается дважды:
· введением коэффициента k w , такого же как при расчете составных элементов на поперечный изгиб;
· вычислением коэффициента x с учетом приведенной гибкости элемента.
Нормальное напряжение определяют по формуле:
s c = N/F нт + M д /W нт k w £ R c , где M д = M q /x и x = 1 - l п 2 N/3000F бр R c ; l п = ml ц;
где k c – коэффициент податливости соединений, полученный по опытным данным сдвиг связей; b – ширина составной части поперечного сечения, см; h – полная высота поперечного сечения, см; l расч - расчетная длина элемента, м; n ш - число швов сдвига; n c – число срезов связей в 1 м одного шва, при нескольких швах с различным числом срезов связей принимают среднее число связей.
Прогиб f п = 5q н l 4 /384EIk ж x £ f пр.
При определении количества связей, которое надо поставить на участке от опоры до сечения с максимальным моментом, учитывают возрастание поперечной силы при сжато-изгибаемом элементе n c = 1,5M max S/IT c x..
Сжато-изгибаемые элементы рассчитывают из плоскости изгиба приближенно без учета изгибающего момента, т.е. как центрально-сжатые составные стержни.
Все вещества, которые содержат углеродный атом, помимо карбонатов, карбидов, цианидов, тиоционатов и угольной кислоты, представляют собой органические соединения. Это значит, что они способны создаваться живыми организмами из атомов углерода посредством ферментативных или прочих реакций. На сегодняшний день многие органические вещества можно синтезировать искусственно, что позволяет развивать медицину и фармакологию, а также создавать высокопрочные полимерные и композитные материалы.
Классификация органических соединений
Органические соединения являются самым многочисленным классом веществ. Здесь присутствует порядка 20 видов веществ. Они различны по химическим свойствам, отличаются физическими качествами. Их температура плавления, масса, летучесть и растворимость, а также агрегатное состояние при нормальных условиях также различны. Среди них:
- углеводороды (алканы, алкины, алкены, алкадиены, циклоалканы, ароматические углеводороды);
- альдегиды;
- кетоны;
- спирты (двухатомные, одноатомные, многоатомные);
- простые эфиры;
- сложные эфиры;
- карбоновые кислоты;
- амины;
- аминокислоты;
- углеводы;
- жиры;
- белки;
- биополимеры и синтетические полимеры.
Данная классификация отражает особенности химического строения и наличие специфических атомных групп, определяющих разность свойств того или иного вещества. В общем виде классификация, в основе которой лежит конфигурация углеродного скелета, не учитывающая особенностей химических взаимодействий, выглядит по-другому. Соответственно ее положениям, органические соединения делятся на:
- алифатические соединения;
- ароматические вещества;
- гетероциклические вещества.
Данные классы органических соединений могут иметь изомеры в разных группах веществ. Свойства изомеров различны, хотя их атомный состав может быть одинаковым. Это вытекает из положений, заложенных А. М. Бутлеровым. Также теория строения органических соединений является руководящей основой при проведении всех исследований в органической химии. Ее ставят на один уровень с менделеевским Периодическим законом.
Само понятие о химическом строении ввел А. М. Бутлеров. В истории химии оно появилось 19 сентября 1861 года. Ранее в науке существовали различные мнения, а часть ученых вовсе отрицало наличие молекул и атомов. Потому в органической и неорганической химии не было никакого порядка. Более того, не существовало закономерностей, по которым можно было судить о свойствах конкретных веществ. При этом были и соединения, которые при одинаковом составе проявляли разные свойства.
Утверждения А. М. Бутлерова во многом направили развитие химии в нужное русло и создали для нее прочнейший фундамент. Посредством нее удалось систематизировать накопленные факты, а именно, химические или же физические свойства некоторых веществ, закономерности вступления их в реакции и прочее. Даже предсказание путей получения соединений и наличие некоторых общих свойств стало возможным благодаря данной теории. А главное, А. М. Бутлеров показал, что структуру молекулы вещества можно объяснить с точки зрения электрических взаимодействий.
Логика теории строения органических веществ
Поскольку до 1861 года в химии многие отвергали существование атома или же молекулы, то теория органических соединений стала революционным предложением для ученого мира. И поскольку сам Бутлеров А. М. исходит лишь из материалистических умозаключений, то ему удалось опровергнуть философские представления об органике.
Ему удалось показать, что молекулярное строение можно распознать опытным путем посредством химических реакций. К примеру, состав любого углевода можно выяснить посредством сжигания его определенного количества и подсчета образовавшейся воды и углекислого газа. Количество азота в молекуле амина подсчитывается также при сжигании путем измерения объема газов и выделения химического количества молекулярного азота.
Если рассматривать суждения Бутлерова о химическом строении, зависящем от структуры, в обратном направлении, то напрашивается новый вывод. А именно: зная химическое строение и состав вещества, можно эмпирически предположить его свойства. Но самое главное - Бутлеров объяснил, что в органике встречается огромное количество веществ, проявляющих разные свойства, но имеющие одинаковый состав.
Общие положения теории
Рассматривая и исследуя органические соединения, Бутлеров А. М. вывел некоторые важнейшие закономерности. Он объединил их в положения теории, объясняющей строение химических веществ органического происхождения. Положения теории таковы:
- в молекулах органических веществ атомы соединены между собой в строго определенной последовательности, которая зависит от валентности;
- химическое строение - это непосредственный порядок, согласно которому соединены атомы в органических молекулах;
- химическое строение обуславливает наличие свойств органического соединения;
- в зависимости от строения молекул с одинаковым количественным составом возможно появление различных свойств вещества;
- все атомные группы, участвующие в образовании химического соединения, имеют взаимное влияние друг на друга.
Все классы органических соединений построены согласно принципам данной теории. Заложив основы, Бутлеров А. М. смог расширить химию как область науки. Он пояснил, что благодаря тому, что в органических веществах углерод проявляет валентность равную четырем, обуславливается многообразие данные соединений. Наличие множества активных атомных групп определяет принадлежность вещества к определенному классу. И именно за счет наличия специфических атомных групп (радикалов) появляются физические и химические свойства.
Углеводороды и их производные
Данные органические соединения углерода и водорода являются самыми простыми по составу среди всех веществ группы. Они представлены подклассом алканов и циклоалканов (насыщенных углеводородов), алкенов, алкадиенов и алкатриенов, алкинов (непредельных углеводородов), а также подклассом ароматических веществ. В алканах все атомы углерода соединены только одинарной С-С связью, из-за чего в состав углеводорода уже не может быть встроен ни один атом Н.
В непредельных углеводородах водород может встраиваться по месту наличия двойной С=С связи. Также С-С связь может быть тройной (алкины). Это позволяет данным веществам вступать во множество реакций, связанных с восстановлением или присоединением радикалов. Все остальные вещества для удобства изучения их способности вступать в реакции рассматриваются как производные одного из классов углеводородов.
Спирты
Спиртами называются более сложные, чем углеводороды органические химические соединения. Они синтезируются в результате протекания ферментативных реакций в живых клетках. Самым типичным примером является синтез этанола из глюкозы в результате брожения.
В промышленности спирты получают из галогеновых производных углеводородов. В результате замещения галогенового атома на гидроксильную группу и образуются спирты. Одноатомные спирты содержат лишь одну гидроксильную групп, многоатомные - две и более. Примером двухатомного спирта является этиленгликоль. Многоатомный спирт - это глицерин. Общая формула спиртов R-OH (R - углеродная цепь).
Альдегиды и кетоны
После того как спирты вступают в реакции органических соединений, связанные с отщеплением водорода от спиртовой (гидроксильной) группы, замыкается двойная связь между кислородом и углеродом. Если данная реакция проходит по спиртовой группе, расположенной у концевого углеродного атома, то в результате ее образуется альдегид. Если углеродный атом со спиртовой расположен не на конце углеродной цепи, то результатом реакции дегидратации является получение кетона. Общая формула кетонов - R-CO-R, альдегидов R-COH (R - углеводородный радикал цепи).
Эфиры (простые и сложные)
Химическое строение органических соединений данного класса усложненное. Простые эфиры рассматриваются как продукты реакции между двумя молекулами спиртов. При отщеплении воды от них образуется соединение образца R-O-R. Механизм реакции: отщепление протона водорода от одного спирта и гидроксильной группы от другого спирта.
Сложные эфиры - продукты реакции между спиртом и органической карбоновой кислотой. Механизм реакции: отщепление воды от спиртовой и карбоновой группы обеих молекул. Водород отщепляется от кислоты (по гидроксильной группе), а сама ОН-группа отделяется от спирта. Полученное соединение изображается как R-CO-O-R, где буковой R обозначены радикалы - остальные участки углеродной цепи.
Карбоновые кислоты и амины
Карбоновыми кислотами называются особенные вещества, играющие важную роль в функционировании клетки. Химическое строение органических соединений такое: углеводородный радикал (R) с присоединенной к нему карбоксильной группой (-СООН). Карбоксильная группа может располагаться только у крайнего атома углерода, потому как валентность С в группе (-СООН) равна 4.
Амины - это более простые соединения, которые являются производными углеводородов. Здесь у любого атома углерода располагается аминный радикал (-NH2). Существуют первичные амины, у которых группа (-NH2) присоединяется к одному углероду (общая формула R-NH2). У вторичных аминов азот соединяется с двумя углеродными атомами (формула R-NH-R). У третичных аминов азот соединен с тремя углеродными атомами (R3N), где р - радикал, углеродная цепь.
Аминокислоты
Аминокислоты - комплексные соединения, которые проявляют свойства и аминов, и кислот органического происхождения. Существует несколько их видов в зависимости от расположения аминной группы по отношению к карбоксильной. Наиболее важны альфа-аминокислоты. Здесь аминная группа расположена у атома углерода, к которому присоединена карбоксильная. Это позволяет создавать пептидную связь и синтезировать белки.
Углеводы и жиры
Углеводы являются альдегидоспиртами или кетоспиртами. Это соединения с линейной или циклической структурой, а также полимеры (крахмал, целлюлоза и прочие). Их важнейшая роль в клетке - структурная и энергетическая. Жиры, а точнее липиды, выполняют те же функции, только участвуют в других биохимических процессах. С точки зрения химического строения жир является сложным эфиром органических кислот и глицерина.
Переходные d-элементы и их соединения широко применяются в лабораторной практике, промышленности и технике. Они также играют важную роль в биологических системах. В предыдущем разделе и разд. 10.2 уже упоминалось, что ионы таких d-элементов, как железо, хром и марганец, играют важную роль в окислительновосстановительном титровании и других лабораторных методиках. Здесь мы коснемся только применений этих металлов в промышленности и технике, а также их роли в биологических процессах.
Применения в качестве конструкционных материалов. Сплавы железа
Некоторые d-элементы широко используются для изготовления конструкционных материалов, главным образом в виде сплавов. Сплав - это смесь (или раствор) какого-либо металла с одним или несколькими другими элементами.
Сплавы, главной составной частью которых служит железо, называются сталями. Выше мы уже говорили, что все стали подразделяются на два типа: углеродистые и легированные.
Углеродистые стали. По содержанию углерода эти стали в свою очередь подразделяются на низкоуглеродистую, среднеуглеродистую и высокоуглеродистую стали. Твердость углеродистых сталей возрастает с повышением содержания углерода. Например, низкоуглеродистая сталь является тягучей и ковкой. Ее используют в тех случаях, когда механическая нагрузка не имеет решающего значения. Различные применения углеродистых сталей указаны в табл. 14.10. На долю углеродистых сталей приходится до 90% всего объема производства стали.
Легированные стали. Такие стали содержат до 50% примеси одного или нескольких металлов, чаще всего алюминия, хрома, кобальта, молибдена, никеля, титана, вольфрама и ванадия.
Нержавеющие стали содержат в качестве примесей к железу хром и никель. Эти примеси повышают твердость стали и делают ее устойчивой к коррозии. Последнее свойство обусловлено образованием тонкого слоя оксида хрома (III) на поверхности стали.
Инструментальные стали подразделяются на вольфрамовые и марганцовистые. Добавление этих металлов повышает твердость, прочность и устойчивость при
Таблица 14.10. Углеродистые стали
высоких температурах (жаропрочность) стали. Такие стали используются для бурения скважин, изготовления режущих кромок металлообрабатывающих инструментов и тех деталей машин, которые подвергаются большой механической нагрузке.
Кремнистые стали используются для изготовления различного электрооборудования: моторов, электрогенераторов и трансформаторов.
Другие сплавы
Кроме сплавов железа, существуют также сплавы на основе других d-металлов.
Сплавы титана. Титан легко сплавляется с такими металлами, как олово, алюминий, никель и кобальт. Сплавы титана характеризуются легкостью, коррозионной устойчивостью и прочностью при высоких температурах. Они используются в авиастроении для изготовления лопастей турбин в турбореактивных двигателях. Их используют также в медицинской промышленности для изготовления электронных устройств, имплантируемых в грудную стенку пациента для нормализации аномального ритма сердца.
Сплавы никеля. Одним из важнейших сплавов никеля является монель. Этот сплав содержит 65% никеля, 32% меди и небольшие количества железа и марганца. Он используется для изготовления конденсаторных трубок холодильников, пропеллерных осей, а также в химической, пищевой и фармацевтической промышленности. Другим важным сплавом никеля является нихром. Этот сплав содержит 60% никеля, 15% хрома и 25% железа. Сплав алюминия, кобальта и никеля, называемый альнико, используется для изготовления очень сильных постоянных магнитов.
Сплавы меди. Медь используется для изготовления самых разнообразных сплавов. Наиболее важные из них указаны в табл. 14.11.
Таблица 14.11. Сплавы меди
Промышленные катализаторы
d-Элементы и их соединения находят широкое применение в качестве промышленных катализаторов. Приведенные ниже примеры относятся только к d-элементам первого переходного ряда.
Хлорид титана . Это соединение используется в качестве катализатора полимеризации алкенов по методу Циглера (см. гл. 20):
Оксид . Этот катализатор используется на следующей стадии контактного процесса получения серной кислоты (см. гл. 7):
Железо или оксид . Эти катализаторы используются в процессе Габера для синтеза аммиака (см. гл. 7):
Никель. Этот катализатор используется для отверждения растительных масел в процессе гидрирования, например в производстве маргарина:
Медь или оксид меди(II). Эти катализаторы используются для дегидрирования этанола в процессе получения этаналя (уксусного альдегида):
В качестве промышленных катализаторов применяются также родий (-элемент второго переходного ряда) и платина (-элемент третьего переходного ряда). Оба они используются, например, в процессе Оствальда получения азотной кислоты (см. гл. 15).
Пигменты
Мы уже упоминали о том, что одной из важнейших отличительных особенностей d-злементов является их способность образовывать окрашенные соединения. Например, окраска многих драгоценных камней обусловлена присутствием в них небольшого количества примесей d-металлов (см. табл. 14.6). Оксиды d-элементов применяются для изготовления цветных стекол. Например, оксид кобальта (II) придает стеклу темно-синюю окраску. Целый ряд соединений d-металлов используется в различных отраслях промышленности в качестве пигментов.
Оксид титана . Мировое производство оксида титана превышает 2 млн. т. в год. Он применяется главным образом в качестве белого пигмента в производстве красок и, кроме того, в бумажной, полимерной и текстильной промышленности.
Соединения хрома. Хромовые квасцы (додекагидрат сульфата хрома имеют фиолетовую окраску. Они используются для крашения в текстильной промышленности. Оксид хрома используется в качестве зеленого пигмента. На основе хромата свинца (IV) изготовляются такие пигменты, как хромовый зеленый, хромовый желтый и хромовый красный.
Гексацианоферрат(Ш) калия . Это соединение применяется в крашении, травлении и для изготовления светокопировальной бумаги («синьки»).
Соединения кобальта. Пигмент кобальтовый синий состоит из алюмината кобальта. Пурпурный и фиолетовый пигменты кобальта получают, осаждая соли кобальта с помощью фосфатов щелочноземельных элементов.
Другие промышленные применения
До сих пор мы рассматривали применения -элементов в качестве конструкционных сплавов, промышленных катализаторов и пигментов. Эти элементы имеют, кроме того, множество других применений.
Хром используется для нанесения хромового покрытия на стальных предметах, например на деталях автомашин.
Чугун. Это не сплав, а неочищенное железо. Его используют для изготовления разнообразных предметов, например сковородок, крышек канализационных люков и газовых плит.
Кобальт. Изотоп используется в качестве источника гамма-излучения для лечения онкологических заболеваний.
Медь широко используется в электротехнической промышленности для изготовления проволоки, кабелей и других проводников. Она используется также для изготовления медных канализационных труб.
d-Элементы в биологических системах
d-Элементы играют важную роль во многих биологических системах. Например, организм взрослого человека содержит около 4 г железа. Примерно две трети этого количества приходится на долю гемоглобина, красного пигмента крови (см. рис. 14.11). Железо также входит в состав мышечного белка миоглобина и, кроме того, накапливается в таких органах, как печень.
Элементы, обнаруживаемые в биологических системах в очень небольших количествах, называются микроэлементами. В табл. 14.12 указана масса различных минеральных
Таблица 14.12. Среднее содержание макро- и микроэлементов в организме взрослого человека
Марганец - незаменимый компонент пищи домашней птицы.
К числу микроэлементов, играющих жизненно важную роль для здорового роста сельскохозяйственных растений, относятся многие d-металлы.
элементов и некоторых микроэлементов в организме взрослого человека. Следует обратить внимание на то, что пять из этих элементов принадлежат к числу d-металлов первого переходного рада. Эти и другие микроэлементы из числа d-металлов выполняют разнообразные важные функции в биологических системах.
Хром принимает участие в процессе усвоения глюкозы в человеческом организме.
Марганец входит в состав различных ферментов. Он необходим растениям и является существенным компонентом пищи птиц, хотя не столь важен для овец и крупного рогатого скота. Марганец обнаружен и в человеческом организме, но пока не установлено, насколько он необходим нам. Много марганца содержится в . Хорошими источниками этого элемента служат орехи, специи и крупы.
Кобальт необходим для овец, крупного рогатого скота и человека. Он содержится, например, в витамине Этот витамин используется для лечения злокачественной пернициозной анемии; он необходим также для образования ДНК и РНК (см. гл. 20).
Никель обнаружен в тканях человеческого организма, однако его роль пока не установлена.
Медь является важной составной частью ряда ферментов и необходима для синтеза гемоглобина. Она нужна растениям, а овцы и крупный рогатый скот особенно чувствительны к дефициту меди в рационе питания. При недостатке меди в пище овец появляются ягнята с врожденными уродствами, в частности параличом задних конечностей. В рационе человека единственным продуктом, который содержит значительные количества меди, является печень. Небольшие количества меди содержатся в морепродуктах, бобовых, сушеных фруктах и крупах.
Цинк входит в состав ряда ферментов. Он необходим для выработки инсулина и является составной частью фермента ангидразы, который играет важную роль в процессе дыхания.
Заболеиаиия, связанные с недостатком циика
В начале 1960-х гг. д-р А. С. Прасад открыл в Иране и Индии заболевание, связанное с дефицитом цинка в пище, которое проявляется в замедлении роста детей и анемии. С тех пор недостаток цинка в диете считается главной причиной замедленного развития детей, страдающих от сильного недоедания. Цинк необходим для действия Т-лимфоцитов, без которого иммунная система человеческого организма не может бороться с инфекциями.
Препараты цинка помогают при сильных отравлениях металлами, а также при некоторых наследственных заболеваниях, например при серповидноклеточной анемии. Серповидноклеточная анемия-врожденный дефект эритроцитов, обнаруживаемый у коренного населения Африки. У больных серповидноклеточной анемией эритроциты имеют аномальную (серповидную) форму и поэтому неспособны переносить кислород. Это происходит из-за пересыщения эритроцитов кальцием, который изменяет распределение зарядов на поверхности клеток. Добавление цинка в диету приводит к тому, что цинк конкурирует с кальцием и уменьшает аномалию формы клеточной мембраны.
Препараты цинка помогают также в лечении анорексии (потери аппетита) вызванной нарушениями нервной системы.
Итак, повторим еще раз!
1. Наиболее распространенным на Земле -элементом является железо, за ним следует титан.
2. d-Элементы обнаруживаются в виде микропримесей в растениях, организмах животных и в драгоценных камнях.
3. Для промышленного получения железа используются две руды: гематит и магнетит
4. Железо получают в доменной печи путем восстановления железной руды оксидом углерода. Для удаления примесей в виде шлака в руду добавляют известняк.
5. Углеродистые стали получают главным образом при помощи кислородноконвертерного процесса (процесс Линца-Донавица).
6. Для получения высококачественных легированных сталей используется электроплавильном печь.
7. Титан получают из ильменитовой руды с помощью процесса Кролля. При этом оксид который содержится в руде, сначала превращают в
8. Никель получают из пентландитовой руды. Содержащийся в ней сульфид никеля сначала превращают в оксид который затем восстанавливают углеродом (коксом) до металлического никеля.
9. Для получения меди используется халькопиритовая руда (медный колчедан). Содержащийся в ней сульфид восстанавливают нагреванием в условиях ограниченного доступа воздуха.
10. Сплав - это смесь (или раствор) какого-либо металла с одним или несколькими другими элементами.
11. Стали - это сплавы железа, которое является в них главным компонентом.
12. Твердость углеродистых сталей тем больше, чем больше в них содержание углерода.
13. Нержавеющая сталь, инструментальная сталь и кремнистая сталь - это разновидности легированных сталей.
14. Сплавы титана и никеля широко используются в технике. Сплавы меди используются для изготовления монет.
15. Хлорид оксид оксид оксиды никеля и используются как промышленные катализаторы.
16. Оксиды -металлов используются для изготовления цветных стекол, другие соединения -металлов используются в качестве пигментов.
17. d-Металлы играют важную роль в биологических системах. Например, гемоглобин, который является красным пигментом крови, содержит железо.
8. Привлекает дополнительный материал. 2 балла.
9. Выходит за рамки вопроса, давая дополнительные сведения о художнике и истории создания работы. Максимально 4 балла.
10. Текст обладает единством и логикой построения. 2 балла.
11. Грамотность. 2 балла. (За каждую ошибку снимается 1 балл, при ошибке в написании имени или названии – 2 балла).
10 класс
Задание второго типа. Вариант 2
Задание 2.2. Рассмотрите картину Б.М. Неменского, анализируя, опишите её и оформите свои рассуждения в виде литературного текста.
Что я чувствую?
Что я знаю?
Что я вижу?
Что хотел сказать художник?
«Солдаты-отцы». Б.М. Неменский.
Одна из главных тем, к которой постоянно возвращается в своём творчестве Б.М. Неменский, - тема отцовства: «Незащищенность, доверчивость, открытость детства - и сила, право и труднейшая обязанность отца решать и отвечать». Память чувств возвращается к первым дням войны, когда в практически стёртом отступающими фашистами с лица земли промёрзшем городе бойцы нашли чудом уцелевшую девочку. Она была вся в морщинках, как старушка, и не могла даже плакать. «Я помню, сколько было заботы и боли во всех действиях солдат по отношению к девочке. Сколько неловкой нежности…и едва сдерживаемой ненависти: виновники бедствия были не за горами», - напишет в своих воспоминаниях художник. В картине реальная история приобретает символическое звучание: солдат - спаситель жизни, чувства солдата, как чувства отца, - стремление защитить. На фоне разрушенных печей и воронок от снарядов крошечная девочка, окружённая солдатами, как огонёк спасённой жизни в плотном защищающем кольце. Свет исходит от маленькой фигурки, освещая лица солдат, именно он «согревает их сердца, даёт силу продолжать свою миссию».
Анализ ответа. Оценка.
1. Участник передаёт настроение работы. 2 балла.
4. Участник верно раскрывает смысл произведения искусства. Максимально 4 балла.
5. Глубина раскрытия идеи произведения. Максимально 4 балла.
6. Участник использует образную и выразительную лексику для передачи смысла и настроения работы. Максимально 4 балла.
7. В ответе содержится личная эмоциональная оценка. 2 балла.
Максимальная оценка 30 баллов.
11 класс
Задание второго типа. Вариант 2.
Задание 2.2. Рассмотрите картину Б.М. Неменского (1945), проанализируйте её и оформите рассуждения в виде литературного текста.
Примерные вопросы для анализа художественного произведения:
Что я чувствую?
Какое впечатление производит произведение искусства? Какое ощущение может испытывать зритель? Как помогают эмоциональному впечатлению от произведения его масштаб, формат, использование определённых форм, цветов?
Что я знаю?
Есть ли в картине сюжет? Что изображено? В какой среде располагаются изображённые персонажи, предметы? Вывод о жанре произведения.
Что я вижу?
Как в произведении скомпонованы предметы (предметная композиция)? Как в произведении сопоставляются цвета (цветовая композиция)? Есть ли в произведении предметы, которые что-либо символизируют? Носит ли символический характер композиция произведения и её основные элементы?
Кто главный герой произведения?
Выделите главное из того, что вы видите. Объясните, почему именно это кажется вам главным? Какими средствами это выделил художник?
Что хотел сказать художник?
Каково название произведения? Как оно соотносится с сюжетом и символикой? Что, по-вашему, хотел передать людям автор произведения? Одинаковы ли ваше первое впечатление от произведения и полученные выводы?
Предполагаемый вариант ответа: «Мать» (1945). Б.М. Неменский.
Эта картина сразу никого не оставила равнодушным, ни критиков, ни зрителей, выплеснув тоску по дому, тихую нежность к матери и сыновьям, разлучённым войной. Обычный для того времени мотив: спящие на полу в крестьянской избе бойцы. Но он прозвучал по-новому под кистью молодого художника. Желание написать картину о простых русских женщинах, по-матерински встречавших солдат в каждом селе, в каждом городе, желание написать о своей матери, также окружавшей заботой художников-грековцев в своей московской квартире до или после поездок на фронт, вылилось в выражение благодарности к женщине-матери, «великой благодарности к простым русским женщинам, согревшим нас материнской лаской, женщинам, чье горе и чьи заслуги перед Родиной не могут быть ни измерены, ни вознаграждены». Не случайно в образе юного солдата, заботливо укрытого теплым платком, угадываются черты автора. Экспонированная на Всесоюзной выставке картина сразу стала знаменитой и была приобретена Третьяковской галереей.
Для справки. Работы Б.М. Неменского - это картины-раздумья, наполненные полифоническим содержанием. Процесс их создания всегда долог, но это не значит, что долго пишется сам холст, его художник как раз стремится «писать быстро, на одном дыхании». Многосложным и порой мучительным является именно процесс - от зарождения замысла до его созревания: многочисленные наброски, этюды, эскизы, сомнения.
Анализ ответа. Оценка.
1. Участник передает настроение работы. 2 балла.
2. Участник называет жанр работы. 2 балла.
3. Участник анализирует композицию работы. 2 балла.
4. Участник верно раскрывает смысл произведения искусства. Максимально 4 балла.
5. Глубина раскрытия идеи произведения. Максимально 4 балла.
6. Участник использует образную и выразительную лексику для передачи смысла и настроения работы. Максимально 4 балла.
7. В ответе содержится личная эмоциональная оценка. 2 балла.
8. Привлекает дополнительный материал. По 2 балла за каждое расширение. Максимально 4 балла.
9. Выходит за рамки вопроса, давая дополнительные сведения о художнике и истории создания работы. Максимально 4 балла.
10. Грамотность. 2 балла. (За каждую ошибку снимается 1 балл, при ошибке в написании имени или названии – 2 балла).
Максимальная оценка 30 баллов.
Задания третьего типа
9 класс
Задание третьего типа. Вариант 1
Задание 3.1.
3. Какую часть в композиции занимает представленный фрагмент?
4. Опишите общую композицию работы и укажите количество изображенных на ней фигур, назовите значимые запоминающиеся детали.
5. Сформулируйте и запишите тему и идею произведения.
6. Укажите известные работы этого же художника.
«Богатыри» В.М. Васнецова, автора «Алёнушки», «Ивана Царевича на Сером Волке». На полотне изображены три самых известных былинных богатыря – Добрыня Никитич, Илья Муромец и Алёша Попович в дозоре. Фрагмент представляет собой левую часть полотна – Добрыню Никитича на белом коне. Он вынимает меч из ножен. Посередине на вороном коне изображён самый мощный из них – Илья Муромец. Он смотрит вдаль из-под ладони, держа в одной руке копьё, в другой булатную палицу. Справа на коне гнедой масти Алёша Попович, держит в руках лук со стрелами. В сравнении со своими товарищами он молод и строен. На боку у Алёши Поповича гусли. Трое богатырей стоят на широкой равнине, переходящей в невысокие холмы, посреди пожухлой травы и изредка проглядывающих маленьких ёлочек. Небо пасмурное и тревожное. Работа передаёт мысль о том, что у Руси есть надежные защитники.
Анализ ответа. Оценка.
Участник правильно определяет имя художника. 2 балла.
2. Участник правильно определяет название полотна 2 балла.
3. Правильно определяет место фрагмента в композиции. 2 балла.
4. Правильно называет 12 других объектов и их композиционное положение. Максимально 12 баллов за эту часть задания.
5. Описывает общую композицию работы. 2 балла.
6. Верно указывает количество фигур. 2 балла.
7. Называет тему произведения. 2 балла.
8. Вскрывает идею произведения. 2 балла.
9. Грамотно и связно излагает ответ. 2 балла.
10. Выходит за пределы вопроса и передаёт настроение картины, её смысловую нагрузку. 2 балла.
Максимальная оценка 30 баллов.
Максимальная оценка третьего типа задания 30 баллов
10 класс
Задание третьего типа. Вариант 1
Задание 3.1. Определите произведения по фрагменту:
1. Напишите названия трёх работ.
3. Напишите, по каким характерным признакам манеры письма вы узнаёте автора.
4. Напишите общие художественные характеристики трёх представленных работ.
5. Укажите известные работы этого же художника.
6. Укажите время, когда работал художник.
7. Назовите черты, характерные для этого периода развития искусства.
Предполагаемый вариант ответа.
Представлены фрагменты работ М.Врубеля «Демон», «Пан», «Портрет Саввы Мамонтова». Художественная манера Врубеля узнаваема по крупным и смелым мазкам, характерным для этого художника, которыми он передает объём и фактуру изображаемого, а также достаточно тёмному колориту. Обе черты прочитываются во всех трёх работах. Творчество художника связано с концом XIX века, для которого характерны настроения предчувствия конца свети и поиска новых средств изобразительности. Д ругие известные работы Врубеля - «Царевна- лебедь», «Сирень», «Гадалка», «Жемчужина», «Принцесса Грёза».
Анализ ответа. Оценка.
2. Указывает точное название каждого произведения – по 2 балла (за неточное название выставляется 1 балл) = 6 баллов.
3. Верно указывает на 2 черты манеры письма – по 2 балла за каждую =4 балла.
4. Верно находит названные черты в представленных трёх работах – 2 балла.
5. Дополнительно указывает на функцию одной из черт – 2 балла.
6. Верно указывает время творчества художника – 2 балла.
7. Верно указывает на две черты, характерные для этого периода развития искусства – по 2 балла за каждую = 4 балла.
8. Верно называет известную работу художника – 2 балла.
9. Грамотно оформляет работу – 2 балла.
Комментарий: Уже в задании школьного этапа участник может продемонстрировать более высокую осведомлённость, чем предусмотрено программой и получить более высокий балл.
11 класс
Задание третьего типа. Вариант 1
Задание 3.1. Определите художественное полотно по фрагменту:
1. Напишите, что на нём изображено.
3.Какую часть в композиции занимает представленный фрагмент?
4.Опишите общую композицию работы и укажите количество изображенных на ней фигур.
5.Назовите значимые запоминающиеся детали.
6.Назовите основной жанр, в котором работал художник.
7.Укажите известные работы этого же художника.
Предполагаемый вариант ответа.
Фрагмент известной работы Валентина Серова «Девочка с персиками» представляет собой передний план картины (вар. илл. 1), на которой изображена девочка в нежно-розовой блузке, контрастирующей со смуглым цветом кожи, сидящая за столом, покрытом белой скатертью, на котором лежит нож и персики безо всякой посуды, прямо на листьях, что создает впечатление свежести и чистоты, подкрепленное солнечным светом из окна за спиной девочки. Один из персиков находится в руках девочки, что заставляет зрителя вспомнить ощущение бархатистости при касании к поверхности этого фрукта. В числе других известных работ мастера «Похищение Европы», «Портрет М.Н. Ермоловой», «Портрет Шаляпина». Серов был блестящим портретистом.
Анализ ответа. Оценка.
1.Участник правильно определяет имя художника. 2 балла.
2. Участник правильно определяет название полотна 2 балла.
3. Правильно определяет место фрагмента в композиции. 2 балла.
4. Правильно называет детали, их композиционное значение и положение. Максимально 8 баллов за эту часть задания.
5. Описывает общую композицию работы. 2 балла.
6. Верно указывает количество фигур. 2 балла.
7. Называет основной жанр, в котором работает художник. 2 балла.
8.Называет 3 известные работы художника. По 2 балла за каждую = 6 баллов.
9. Грамотно и связно излагает ответ. 2 балла.
10. Выходит за пределы вопроса и дает анализ композиции картины. 2 балла.
Максимальная оценка 30 баллов.
\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\\
Задания четвёртого типа
9 класс
Задание четвёртого типа. Вариант 1
Задание 4.1. Что или кто является ЛИШНИМ в ряду? Лишнее слово подчеркните, впишите в таблицу и кратко объясните свой выбор.
1. Эсхил, Софокл, Еврипид, Аристофан.
2. Ямб, сонет, амфибрахий, хорей, анапест.
3. Живопись, графика, скульптура, музыка, архитектура.
4. Иероглиф, буква, руна, графика, цифра.
5. Скань, витраж, батик, мозаика, пейзаж.
6. Сюртук, ботфорты, тога, туника, хитон.
Ответ:
|
Номер ряда |
Лишнее слово |
Краткое обоснование выбора |
|
Аристофан |
Комедиограф, а не трагик |
|
|
Стихотворный жанр, а не размер. |
||
|
Временной, а не пространственный вид искусства. |
||
|
Вид искусства, а не знак. |
||
|
Жанр, а не техника. |
||
|
Ботфорты |
Обувь, а не одежда |
Анализ ответа. Оценка.
1. Участник верно выделяет 6 имён и понятий. По одному баллу за каждое верное выделение. 6 баллов.
2. Участник верно обосновывает выбор. По 2 балла за каждое верное обоснование. 12 баллов.
3. Участник грамотно и аккуратно оформляет ответ. 2 балла.
10 класс
Задание четвёртого типа. Вариант 1
Задание 4.1. Что или кто является ЛИШНИМ в ряду? Лишнее слово подчеркните, впишите в таблицу и кратко объясните свой выбор.
1. Классицизм, романтизм, психологизм, модернизм, сентиментализм.
2. Пятиглавие, одноглавие, луковичная и шлемовидная главы, шпиль, шатёр.
3. Вивальди, Бах, Гайдн, Верди, Моцарт, Гендель.
4. Схена, орхестра, котурны, протагонист, софиты.
5. «Свадьба Фигаро», «Севильский цирюльник», «Дон-Жуан», «Волшебная флейта».
Ответ:
|
Номер ряда |
Лишнее слово |
Краткое обоснование выбора |
|
Психологизм |
не является стилем искусства |
|
|
не является архитектурной деталью русского храмового зодчества |
||
|
композитор XIX, а не XVIII века |
||
|
не использовались в античном театре |
||
|
«Севильский цирюльник» |
опера Россини, а не Моцарта |
Анализ ответа. Оценка.
1. Участник верно выделяет 5 имен и понятий. По два бала за каждое верное выделение. 10 баллов.
2. Участник верно обосновывает выбор. По 2 балла за каждое обоснование 10 баллов.
Максимальная оценка 20 баллов.
11 класс
Задание четвёртого типа. Вариант 2
Задание 4.1. Соотнесите понятие с его определением. Вставьте соответствующие буквы в таблицу. Дайте определения оставшимся понятиям.
1 - Адажио. 2 - Горельеф. 3 - Житие. 4 - Импасто. 5 - Контрфорс. 6 - Метафора. 7 - Перформанс. 8 - Пленэр. 9 - Синкопа. 10 - Эклектика.
А. смещение ритмической опоры в музыке с сильной долей такта на слабую, то есть несовпадение ритмического акцента с метрическим.
Б. густое, сочное наложение красок, нередко употребляемое в живописи масляными красками, в особенности для усиления светового эффекта.
В. дополнительная опора, принимающая на себя тяжесть перекрытия. Вертикальный устой внутри или снаружи здания.
Г. медленный темп; музыкальная пьеса или часть её, исполненная в этом темпе, - обычно одна из средних частей симфонии, квартета, сонаты и т.п.
Д. живописная техника изображения объектов при естественном свете и в естественных условиях.
Е. жанр церковной литературы, в котором описывается жизнь и деяния святых.
Ж. вид художественного тропа (греч. tropos - "оборот"), один из способов художественного формообразования, заключающийся в сближении и соединении отдельных образов, не связанных между собой в действительной жизни в целое.
З. форма современного искусства, в которой произведение составляют действия художника или группы в определённом месте и в определённое время.
И. искусственное соединение элементов содержания и формы, имеющих различное происхождение.
Ответ:
|
2. Горельеф – вид скульптуры, в котором выпуклое изображение выступает над плоскостью фона более чем на половину объема. |
|||||||||
Анализ ответа, оценка.
1. Участник верно соотносит 9 понятий с определениями. По 2 балла за каждое верное соотнесение. 18 баллов.
2. Участник дает верное определение оставшемуся понятию. 2 балл.
Максимальная оценка 20 баллов.
Максимальная оценка первого тура - 124 баллов.
**************************************************************************************************************************************************************************************************
ПРИМЕРНАЯ ТЕМАТИКА ЗАДАНИЙ ВТОРОГО ТУРА
9 класс
1. Представьте в форме презентации план телевизионной передачи, посвящённой 115-летию Государственного Русского музея (открыт для посетителей в 1898). Предложите, как можно популяризировать информацию о его коллекции, используя репродукции в городской среде.
2. Представьте в форме презентации сценарий вечера, посвящённого 200-летию со дня рождения А. С. Даргомыжского (1813-1869). Определите масштаб мероприятия: будет ли этот вечер школьным или общегородским.
3. Представьте в форме презентации концепцию выставки, посвящённой 135-летию со дня рождения Б. Кустодиева (1878-1927). Предложите, как можно популяризировать информацию о его работах, используя репродукции в городской среде.
4. Представьте в форме презентации программу вечера-концерта, посвящённого 140-летию со дня рождения С.В. Рахманинова. Используйте аудиофайлы. Предложите, как можно популяризировать информацию о его произведениях, используя репродукции и аудиофайлы в городской среде.
10 класс
Представьте в форме презентации план музейной экспозиции, посвящённой первым печатным книгам:
К 450-летию первой российской типографии Ивана Фёдорова и Петра Мстиславца в Москве (1563);
К 435-летию «Азбуки» Ивана Фёдорова (1578) - первой книги мирского назначения (русский букварь «Азбука»);
К 310-летию «Арифметики» Леонтия Магницкого, впервые заменившего буквы арабскими цифрами (1703);
К 50-летию Государственной публичной исторической библиотеки в Москве (1863).
Раскройте основные этапы в истории иллюстрирования книг. Предложите, как можно популяризировать собранную Вами информацию, используя репродукции в городской среде.
Представьте в форме презентации архитектурные особенности первых зданий, в которых располагалась Российская Академия наук:
К 230-летию со времени учреждения Российской Академии (1783);
К 270-летию со дня рождения княгини Екатерины Романовны Дашковой (1743-1810).
Предложите, как можно популяризировать собранную Вами информацию, используя репродукции в городской среде.
7. Представьте в форме презентации план выставки, посвящённой 165-летию со дня рождения В.И. Сурикова (1848-1916). Объясните подбор картин и логику их расположения. Предложите, как можно популяризировать информацию о его жизни и творчестве, используя репродукции в городской среде.
8. Составьте слайд-фильм (презентацию) о Ф.И. Шаляпине (к 140-летию со дня рождения). Предложите, как можно популяризировать информацию о его произведениях, используя репродукции и аудиофайлы в городской среде.
9. Представьте в форме презентации план экскурсии по заповеднику «Михайловское». Расскажите о садово-парковой культуре и характере построек (к 110-летию со дня рождения С.С. Гейченко). Предложите, как можно популяризировать собранную Вами информацию, используя репродукции в городской среде.
11 класс
10. Представьте в форме презентации материал по истории создания и первых годах деятельности Московского художественного театра. Раскройте художественные принципы, отличающие новый театр от других (к 150-летию со дня рождения К.С.Станиславского). Предложите, как можно популяризировать собранную Вами информацию, используя репродукции, кинофрагменты и аудиофайлы в городской среде.
11. Представьте в форме презентации телевизионную программу, посвящённую Малому театру:
К 190-летию со дня рождения А.Н. Островского (1823-1886);
К 85-летию со дня рождения Элины Быстрицкой (1928).
Предложите, как можно популяризировать собранную Вами информацию, используя репродукции, кинофрагменты и аудиофайлы в городской среде.
12. Составьте и представьте в форме презентации викторину по истории русского театра. Продумайте и представьте форму её проведения в масштабах Вашего населённого пункта и способ определения победителей.
13. Представьте в форме презентации рассказ о деятельности С.М. Эйзенштейна (1898-1948) (к 115-летию со дня рождения). Завершите презентацию викториной, разработанной по её материалам. Предложите, как можно популяризировать собранную Вами информацию, используя репродукции, кинофрагменты и аудиофайлы в городской среде.
14. Представьте в форме презентации рассказ о художественном своеобразии творчества А.А. Пластова (1893-1972) (к 120-летию со дня рождения). Завершите презентацию предложением творческих заданий. Предложите, как можно популяризировать собранную Вами информацию, используя репродукции в городской среде.
Критерии оценки второго тура (домашнего задания)
Умение сформулировать тему, проблему и цель высказывания – 4 балла.
2. Знание истории вопроса, использование культурологического и искусствоведческого материала – по 4 балла за каждую цитату или изложение точки зрения искусствоведа или историка (не более 16 баллов).
3. Обоснованно привлечённые иллюстрации – по 1 баллу за каждую (не более 18 баллов);
4. Оригинальность подхода к структурированию материала – 2 балла.
5. Осмысленное и логичное использование иллюстративного материала – 2 балла.
6. Грамотная речь – 2 балла.
7. Убедительность изложения – 2 балла.
8. Ясность изложения – 2 балла.
9. Свобода изложения – 2 балла.
10. Самостоятельность разработки – 2 балла.
11. Умение понимать заданные вопросы, находить ответы, вести дискуссию 4 балла.
12. Волевые качества (готовность к диалогу, доброжелательность, контактность) 4 балла.
ЗаданияДокумент
... КЛ делала на анализе грамматических структур текстов , которые рассматривались как ... Дейк представил абсолютно узнаваемые черты , которые можно обнаружить в российской... которого идеологии включаются в социальную коммуникацию и таким образом помогают ...
К d-блоку относятся 32 элемента периодической системы. d-Элементы входят в 4--7-й большие периоды. У атомов IIIБ-группы появляется первый электрон на d-орбитали. В последующих Б-группах происходит заполнение d-подуровня до 10 электронов (отсюда название d-элементы). Строение внешних электронных оболочек атомов d-блока описывается общей формулой (n-1)d a ns b , где а = 1--10, b = 1--2.
Особенностью элементов этих периодов является непропорционально медленное возрастание атомного радиуса с возрастанием числа электронов. Такое относительно медленное изменение радиусов объясняется так называемым лантаноидным сжатием вследствие проникновения ns-электронов под d-электронный слой. В результате наблюдается незначительное изменение атомных и химических свойств d-элементов с увеличением атомного номера. Сходство химических свойств проявляется в характерной особенности d-элементов образовывать комплексные соединения с разнообразными лигандами.
Важным свойством d-элементов является переменная валентность и, соответственно, разнообразие степеней окисления. Эта особенность связана главным образом с незавершенностью предвнешнего d-электронного слоя (кроме элементов IБ- и IIБ-групп). Возможность существования d-элементов в разных степенях окисления определяет широкий диапазон окислительно-восстановительных свойств элементов. В низших степенях окисления d-элементы проявляют свойства металлов. С увеличением атомного номера в группах Б металлические свойства закономерно уменьшаются.
В растворах кислородсодержащие анионы d-элементов с высшей степенью окисления проявляют кислотные и окислительные свойства. Катионные формы низших степеней окисления характеризуются основными и восстановительными свойствами.
d-элементы в промежуточной степени окисления проявляют амфотерные свойства. Эти закономерности можно рассмотреть на примере соединений молибдена:
С изменением свойств меняется окраска комплексов молибдена в различных степенях окисления (VI -- II):
В периоде с увеличением заряда ядра наблюдается уменьшение устойчивости соединений элементов в высших степенях окисления. Параллельно возрастают окислительно-восстановительные потенциалы этих соединений. Наибольшая окислительная способность наблюдается у феррат-ионов и перманганат-ионов. Следует отметить, что у d-элементов при нарастании относительной электроотрицательности усиливаются кислотные и неметаллические свойства.
С увеличением устойчивости соединений при движении сверху вниз в Б-группах одновременно уменьшаются их окислительные свойства.
Можно предположить, что в ходе биологической эволюции отбирались соединения элементов в промежуточных степенях окисления, которые характеризуются мягкими окислительно-восстановительными свойствами. Преимущества такого отбора очевидны: они способствуют плавному протеканию биохимических реакций. Уменьшение ОВ потенциала создает предпосылки для более тонкой «регулировки» биологических процессов, что обеспечивает выигрыш энергии. Функционирование организма становится менее энергоемким, а значит более экономичным по потреблению пищевых продуктов.
С точки зрения эволюции для организма становится оправданным существование d-элементов в низших степенях окисления. Известно, что ионы Мn 2+ , Fе 2+ , Со 2+ при физиологических условиях не являются сильными восстановителями, а ионы Сu 2+ и Fе 2+ практически не проявляют в организме восстановительных свойств. Дополнительное снижение реакционной способности происходит при взаимодействии этих ионов с биоорганическими лигандами.
Может показаться, что вышесказанному противоречит важная роль биоорганических комплексов молибдена(V) и (VI) в различных организмах. Однако и это согласуется с общей закономерностью. Несмотря на высшую степень окисления такие соединения проявляют слабые окислительные свойства.
Необходимо отметить высокие комплексообразующие способности d-элементов, которые обычно значительно выше, чем у s- и p-элементов. Это прежде всего объясняется возможностями d-элементов быть как донорами, так и акцепторами пары электронов, образующих координационное соединение.
В случае гидроксокомплекса хрома [Сr(ОН) 6 ] 3- ион металла является акцептором пары электронов. Гибридизация 3d 2 4sp 3 -орбиталей хрома обеспечивает более устойчивое энергетическое состояние, чем при расположении электронов хрома на орбиталях гидроксогрупп.
Соединение [СrСl 4 ] 2- образуется, наоборот, в результате того, что неподеленные d-электроны металла занимают свободные d-орбитали лигандов, поскольку в данном случае энергия этих орбиталей ниже.
Свойства катиона Сr 3+ показывают непостоянство координационных чисел d-элементов. Чаще всего, это четные числа от 4 до 8, реже встречаются числа 10 и 12. Необходимо отметить, что существуют не только одноядерные комплексы. Известны многочисленные ди-, три- и тетра-ядерные координационные соединения d-элементов.
Примером может служить биядерный комплекс кобальта [Со 2 (NН 3) 10 (О 2)](NО 3) 5 , который может служить моделью переносчика кислорода.
Более 1/3 всех микроэлементов организма составляют d-элементы. В организмах они существуют в виде комплексных соединений или гидратированных ионов со среднем временем обмена гидратной оболочки от 10 -1 до 10 -10 с. Поэтому можно утверждать, что «свободные» ионы металлов в организме не существуют: это либо их гидраты, либо продукты гидролиза.
В биохимических реакциях d-элементы наиболее часто проявляют себя как металлы-комплексообразователи. Лигандами при этом выступают биологически активные вещества, как правило, органического характера или анионы неорганических кислот.
Белковые молекулы образуют с d-элементами бионеорганические комплексы -- кластеры или биокластеры. Ион металла (металл-комплексо-образователь) располагается внутри полости кластера, взаимодействуя с электроотрицательными атомами связывающих групп белка: гидроксильных (--ОН), сульфгидрильных (--SН), карбоксильных (--СООН) и аминогрупп белков (Н 2 N -). Для проникновения иона металла в полость кластера необходимо, чтобы диаметр иона был соизмерим с размером полости. Таким образом, природа регулирует формирование биокластеров с ионами d-элементов определенных размеров.
Наиболее известные металлоферменты: карбоангидраза, ксантиноксидаза, сукцинатдегидрогеназа, цитохромы, рубредоксин. Они представляют собой биокластеры, полости которых образуют центры связывания субстратов с ионами металла.
Биокластеры (белковые комплексы) выполняют различные функции.
Транспортные белковые комплексы доставляют к органам кислород и необходимые элементы. Координация металла идет через кислород карбоксильных групп и азот аминогрупп белка. При этом образуется устойчивое хелатное соединение.
В качестве координирующего металла выступают d-элементы (кобальт, никель, железо). Пример железосодержащего транспортного белкового комплекса -- трансферрин.
Другие биокластеры могут выполнять аккумуляторную (накопительную) роль -- это железосодержащие белки: гемоглобин, миоглобин, ферритин. Они будут рассмотрены при описании свойства группы VIIIБ.
Элементы Zn, Fе, Со, Мо, Сu -- жизненно необходимы, входят в состав металлоферментов. Они катализируют реакции, которые можно разделить на три группы:
Кислотно-основные взаимодействия. Участвует ион цинка, входящий в состав фермента карбоангидразы, катализирующего обратимую гидратацию СО 2 в биосистемах.
Окислительно-восстановительные взаимодействия. Участвуют ионы Fе, Со, Сr, Мо. Железо входит в состав цито-хрома, в ходе процесса происходит перенос электрона:
Fе 3+ > Fе 2+ + е -
3. Перенос кислорода. Участвуют Fе, Сu. Железо входит в состав гемоглобина, медь -- в состав гемоцианина. Предполагается, что эти элементы связываются с кислородом, но не окисляются им.
Соединения d-элементов избирательно поглощают свет с разными длинами волн. Это приводит к появлению окраски. Квантовая теория объясняет избирательность поглощения расщеплением d-подуровней ионов металлов под действием поля лигандов.
Хорошо известны следующие цветные реакции на d-элементы:
Мn 2+ + S 2- = МnSv (осадок телесного цвета)
Нg 2+ + 2I - = НgI 2 v(желтый или красный осадок)
К 2 Сr 2 О 7 + Н 2 SО 4 (конц.) = К 2 SО 4 + Н 2 О + 2СrО 3 v
(кристаллы оранжевого цвета)
Приведенные выше реакции используются в аналитической химии для качественного определения соответствующих ионов. Уравнение реакции с дихроматом показывает, что происходит при приготовлении «хромовой смеси» для мытья химической посуды. Эта смесь необходима для удаления как неорганических, так и органических отложений с поверхности химических склянок. Например, жировых загрязнений, которые всегда остаются на стекле после прикосновения пальцев.
Необходимо обратить внимание на то, что d-элементы в организме обеспечивают запуск большинства биохимических процессов, обеспечивающих нормальную жизнедеятельность.