asd

asd

ДЕРЕВО КАК КОНСТРУКЦИОННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ МАТЕРИАЛ, ЕГО СВОЙСТВА, ДОСТОИНСТВА И НЕДОСТАТКИ

 

1.1. Применения древесины в строительстве

 

Научно-технический прогресс вызывает непрерывный рост потребления сырьевых ресурсов. Реальной стала угроза исчерпания ряда природных ресурсов и актуальной - необходимость пересмотра структуры их потребления. Этим продиктована направленность современной экономической политики на рациональное и бережное использование сырьевых ресурсов.

Лесные (органические) ресурсы в отличие от природных (минеральных) – нефти, угля, руды, щебня, гравия и др., при соблюдении определенных условий их использования, восстановимы. Этим в значительной степени объясняется их ценность для строительства. Леса – одно из ценнейших природных богатств нашей страны. Преобладающими породами являются хвойные: лиственница, сосна, ель, пихта, кедр.

Россия, Канада, США - три державы, наиболее богатые хвойной древесиной. Однако использование ими дерева в строительстве различно. Если в США при широкой номенклатуре материалов, заменяющих дерево, доля применения древесины в структуре строительных материалов составляет 13 %, то в России применение дерева в строительных конструкциях не превышает 5 % (т.е. в 2,6 раза меньше). Даже в сельскохозяйственном строительстве, где использованию дерева благоприятствует отсутствие значительных нагрузок, лесоматериалы, как правило, применения не находят, хотя основной контингент зданий – холодные с влажностью воздуха в помещениях не более 60 %, что предохраняет древесину от заражения и гибели. К ним относятся склады для хранения зерна, химикатов, сельскохозяйственной техники и др. Подсчитано, что применение лесоматериалов и эффективных конструкционных материалов на основе древесины позволит снизить расход сборного железобетона и стали в сельскохозяйственном производственном строительстве на 30-40 %, что в четыре раза сократит объем перевозок в расчете на 1 м3 железобетона.

Проблема возвращения дерева в число ведущих конструкционных материалов в строительстве является комплексной. Решать ее следует, начиная с изменения психологического подхода к использованию древесины и, вообще, отношения к лесу.

Дерево в качестве строительного материала применялось с древнейших времен. Этому способствовало наличие лесов, легкость обработки и транспортировки деревянных элементов к месту строительства, кроме того, древесина обладает хорошими конструкционными качествами: значительной прочностью и упругостью при сравнительно небольшой массе. С давних пор основной конструктивной формой деревянных сооружений стал сруб, который выполняется из горизонтально расположенных бревен, соединенных врубками, шипами и другими видами соединений, что требовало большой квалификации плотников.

В строительстве сооружений, выполняемых в виде сруба, русские мастера достигли большого совершенства. Примерами таких сооружений являются Успенский шатровый храм в Кондопоге высотой 42 м, построенный в 1774 г., и Преображенский 22-главый храм в Кижах на Онежском озере, построенный в 1714 г. В 1861 г. в с. Коломенском под Москвой для царя Алексея Михайловича был построен деревянный рубленый дворец. Этот выдающийся образец дворцового деревянного зодчества называли восьмым чудом света. Русские плотники отличались не только конструкторским мастерством, они также владели искусством передовых методов строительства, обеспечивающих высокие темпы возведения сооружений.

В конце XVII века появилась возможность вначале ручной, а затем механической продольной распиловки бревен, что способствовало созданию стержневых систем в виде брусчатых и дощатых конструкций. Однако для изготовления их по-прежнему требовались высококвалифицированные мастера-плотники, т.к. соединения этих конструкций по длине и в узлах выполнялись в виде сложных врубок.

В 20е годы ХХ века в России, когда в стране создавались и получили большое развитие многие отрасли промышленности при еще малом производстве цемента и стали, была поставлена задача создать новые формы деревянных конструкций построечного изготовления, не требующих квалифицированных плотников, которых при резком увеличении объемов строительства было явно недостаточно. Были предложены и широко внедрены так называемые дощато-гвоздевые конструкции, где основным соединением деревянных элементов были гвозди, забивка которых не требовала высокой квалификации. Формы дощато-гвоздевых конструкций были весьма разнообразны. Они применялись как в виде плоскостных конструкций (балки, арки, рамы, фермы), так и пространственных (своды-оболочки, склады, купола, башни-градирни, башни-оболочки). Перекрываемые ими пролеты зданий доходили до 100 м, а автодорожных мостов – до 50 м.

В период Великой Отечественной войны древесина широко применялась при восстановлении и строительстве автодорожных мостов. Де­ревянные конструкции использовались также на Урале и в Западной Сибири для строительства зданий и сооружений эвакуированных предприятий.

После войны все силы страны были направлены на восстановление в первую очередь заводов тяжелой промышленности с кранами большой грузоподъемности, где преобладали металлические несущие конструк­ции, а несколько позднее с 1954 г. началось массовое многоэтажное строительство. Оно решалось на основе крупных железобетонных элементов заводского изготовления. Все это резко сократило объем деревянного строительства в стране. К тому же несовершенная организация производства деревянных конструкций заводского изготовления, отсутствие качественных клеев, дефицит квалифицированных специалистов и рабочих по клейке древесины привели к необходимости замены или усиления многих конструкций. В связи с этим временно было запрещено массовое производство клееных конструкций.

Возрождение производства и применения деревянных конструкций на новой качественной основе произошло во второй половине 60 годов. Были разработаны водостойкие прочные синтетические клеи – фенолформальдегидный, резорциновый и др.

За последние годы из клееных элементов были построены склады минеральных удобрений пролетом 45 м, дворец спорта в г. Архангельске с покрытием арками пролетом 63 м, крытый каток в г. Калинине пролетом 57 м и другие крупные объекты, а также значительное количество производственных зданий сельскохозяйственного назначения.

Перед современным производством деревянных конструкций стоят задачи повышения уровня заводской готовности и экономии древесины. При этом используются три пути экономии древесины:

  • производство деревянных конструкций и, прежде всего, клееных, сводящее к минимуму потери древесины при ее обработке при полном использовании отходов для изготовления древесных плит;
  • производство прогрессивных форм клеефанерных конструкций, которое позволяет целесообразно отбирать и экономично использовать лесоматериалы различных пород;
  • производство с необходимыми конструктивными и химическими мероприятиями по защите древесины от гниения и пожарной опасности с существенным повышением капитальности деревянных конструкций.

Ценные строительные свойства древесины определяют и область ее эффективного использования. Малая плотность сухой древесины при сравнительно большой прочности и жесткости (вдоль волокон) делает целесообразным применение деревянных конструкций в покрытиях общественных, промышленных и сельскохозяйственных зданий, поскольку в них удобнее всего осуществить конструктивные меры борьбы с гниением. Использование в ограждающих частях отапливаемых зданий ведется с учетом малой теплопроводности сухой древесины. Химическая стойкость сухой древесины оправдывает преимущественное применение безметальных и особенно клееных деревянных конструкций для покрытия сухих химических цехов и складов. Применение деревянных конструкций целесообразно в однопролетных покрытиях одноэтажных зданий, а также в сельских производственных и складских зданиях. Разработанные высокоэффективные способы защиты древесины от гниения позволяют применять деревянные конструкции в сооружениях, не защищенных от атмосферного увлажнения – в мостах, эстакадах, мачтах, башнях различного назначения.

Мнение о недостаточной долговечности деревянных конструкций опровергается опытом их эксплуатации. Наиболее яркий пример длительной эксплуатации деревянных конструкций в химически агрессивной среде – здания для добычи и переработки поваренной соли на Урале, они служат 250 лет. О надежной эксплуатации деревянных конструкций свидетельствует состояние зданий и сооружений промышленных предприятий, построенных в 20-30 годах XX века.

В современном строительстве конструкции из различных материалов – дерева, металла, железобетона, – должны не противопоставляться друг другу, а применяться в сочетаниях, обеспечивающих наиболее полное использование свойств каждого из материалов. Вместе с тем за последние 40 лет применение дерева значительно сократилось. Доля применения железобетона и бетона на 13 % выше, чем в США. Это свидетельствует о некотором перенасыщении объектов строительства железобетоном. В США деревянные конструкции получили широкое применение для строительства производственных сельскохозяйственных зданий (32% зданий). Дальнейшее прогрессивное развитие производственной базы заводского изготовления деревянных строительных конструкций в нашей стране должно быть ориентировано на повышение их эксплуатационных качеств и капитальности, на ускорение темпов строительства.

В отличие от дерева, столетиями используемого в строительных конструкциях, пластмассу и другие синтетические полимерные материалы начали применять в строительстве лишь несколько десятилетий назад. Развитие коксохимической промышленности и теоретической химии привели в начале XX века к возникновению промышленного производства синтетических высокомолекулярных соединений – смол. Начиная с 30 годов, количество синтетических смол и пластмасс, выпускаемых химической промышленностью, значительно расширилось, чему способствовал ряд их достоинств – высокая прочность при относительно малой массе, стойкость к агрессивной химической среде и гниению. Было организовано производство конструкционных пластмасс (различных видов стеклопластика, древесно-слоистых пластиков и др., а также изделий из них, используемых в строительстве) и пластмасс для теплоизоляции (пенопласты, сотопласты и др.). Новым прогрессивным видом конструкций из пластмасс при возведении сборно-разборных построек (складских, спортивных, зрелищных) являются пневматические конструкции, состоящие из воздухонепроницаемых оболочек, из прорезиненной ткани или армированной пленки, внутри ко­торых поддерживается постоянное давление воздуха. Экспериментальное строительство с применением пластмасс сейчас проводится параллельно с исследовательской работой по изучению их физико-механических свойств, разработкой методов расчета и технологии их изготовления.

Применение пластмасс в строительных конструкциях при увеличении выпуска пластических масс и синтетических смол рационально в случаях, когда необходимо:

а)    уменьшить массу конструкций;

б)    уменьшить мощность подъемно-транспортного оборудования;

в)    повысить надежность зданий и сооружений;

г)     применить безметальные конструкции (в условиях агрессивной среды).

Целесообразными с технической и экономической точек зрения конструктивными формами применения пластмасс в ближайшие годы будут панели стен и малопролетные покрытия, пространственные конструкции из сборных элементов. Широкое применение найдут пневматические конструкции пролетом более 100 м при малом расходе синтетических материалов.

 

1.2.  Макроструктура древесины

 

На поперечном сечении ствола дерева раз­личают следующие части: в центре сечения ствола (рис.1) расположена сердцевина 1, имеющая форму небольшого круглого пятнышка, диаметром 2 - 5 мм, содержит меньше влаги, чем остальные части (рыхлые умершие клетки). Вся основная древесина состоит из двух частей – внутренняя зона, более темная, называется ядром 2 – наиболее прочная часть (нерастущая спелая древесина) и более светлая – заболонь 3 – слабая растущая часть, быстро сохнет и легко увлажняется, больше подвергается загниванию. С возрастом размеры ядра увеличиваются за счет перехода части заболонной древесины в ядровую. Под корой 5 расположен тонкий слой камбия 4.

Нa поперечном сечении ствола можно увидеть концентрические слои, окружающие сердцевину. Каждое такое кольцо 6 представляет собой ежегодный прирост древесины и называется годичным слоем.

Также на поперечном сечении можно   увидеть сердцевидные лучи 7 –  светлые полосы по своей прочности слабей древесины, чем объясняется появление по ним  – усушенных трещин. Микроскопическое строение древесины характеризуется большим числом разнообразной формы клеток, окружённых оболочками.

 

 

 

 

1.3.  Влага в древесине

 

Различают два вида влаги, содержащейся в древесине:

—  связанную (гигроскопическую), пропитывающую оболочку клеток;

—  свободную (капиллярную), заполняющую каналы, полости клеток, межклеточные пространства. Свободная влага зависит от породы и определяется объемом находящихся в ней пустот. У лиственных пород увеличение влажности от центра к периферии незначительное. У хвойных пород оно более существенно, особенно у сосны (по некоторым данным влажность ядра сосны меньше, чем заболони в три раза).

Минимальная влажность древесины растущего дерева бывает зимой, а максимальная – ранней весной. В июне и августе влажность дерева также уменьшается, а к позд­ней осени возрастает. Заготовку поделочной дре­весины, кроме осины, выгоднее делать в период, когда она меньше обременена соком, чтобы сократить последующий цикл сушки, уменьшить растрескивание и коробление пиломатериалов. В свежесрубленной древесине влажность составляет 80-100 %, а для конструкций из неклееной древесины влажность, в зависимости от условий эксплуатации, не должна превышать 20-25 %. Для конструкций из клееной древесины – 10-15 %.

При высыхании происходит сначала удаление свободной влаги с одновременным перемещением ее из внутренних слоев в наружные до тех пор, пока влажность в древесине не станет соответствовать температуре и влажности окружающей среды. Такая влажность называется равновесной. Этот процесс сушки происходит сравнительно быстро и без изменения линейных размеров и объема. Меняется лишь плотность. При дальнейшей сушке в результате удаления связанной влаги изменяются линейные размеры и объем древесины. Изменения линейных размеров по различным направлениям (L, R и T) резко отличаются.

Так для сосны: в направлении вдоль волокон L = 0,1-0,3 %; в радиальном направлении R = 3-6 %; в тангенциальном направлении    Т = 6-12 %. Неравномерная усушка в радиальном и тангенциальном направлениях приводит к возникновению сжимающих напряжений во внутренних слоях и растягивающих – в наружных. Резкая неравномерность деформаций в процессе усушки приводит к возникновению радиальных трещин.

1.4. Физические, химические и механические свойства древесины

 

1) Плотность. Древесина имеет трубчато-волокнистое строение. Плотность ее зависит от породы, количества пустот, толщины стенок, клеток и содержания влаги, она может быть различна даже в пределах одной и той же породы. Плотность свежесрубленной древесины колеблется от 850 до 1000 кг/м3.

2) Температурное расширение. Линейное расширение при нагревании, характеризуется коэффициентом линейного расширения. В древесине вдоль волокон этот коэффициент в 7-10 раз меньше, чем поперек волокон и в 2-3 раза меньше, чем у стали. Незначительное линейное расширение от тепла вдоль волокон позволяет в деревянных зданиях и сооружениях отказаться от температурных швов.

3) Теплопроводность. Трубчатое строение клеток древесины превращает ее в плохой проводник тепла. Малая теплопроводность древесины является основой широкого применения ее в ограждающих конструкциях отапливаемых зданий (брус Ø 15 см эквивалентен по теплопроводности кирпичной стене толщиной 1,5 кирпича).

4) Химическая стойкость. Древесина является химически более стойким материалом, чем металл и железобетон, поэтому деревянные конструкции можно рекомендовать для применения в зданиях с химически агрессивной средой - при строительстве складов для таких агрессивных сыпучих материалов, как калийные и натриевые соли, минеральные удобрения, разрушающие сталь и бетон.

Древесина по разному реагирует на действие химических веществ. При обычной температуре фосфорная и соляная (низкой концентрации) кислоты не разрушают древесину, а серная и особенно азотная кислоты разрушают древесину и при низких температурах.

Большинство органических кислот (уксусная, муравьиная) при обычной температуре не ослабляют древесину.

Для зданий с химически агрессивной средой следует применять главным образом сплошные, монолитно склеенные безметальные конструкции, не имеющие зазоров и щелей. Для покрытий лучше всего подходят клеефанерные панели, имеющие гладкую поверхность без выступающих частей. 

В зависимости от вида химической агрессии древесину можно использовать без дополнительной защиты или защищая ее покраской или поверхностной пропиткой.

5) Механические свойства. Древесина обладает ярко выраженной анизотропией. Ее упругие свойства резко отличаются вдоль и поперек волокон почти в 20 раз, а предел прочности – в 40 раз. Это объясняется совокупностью волокон, расположенных в основном лишь в одном направлении.

Механические свойства древесины характеризуются прочностью, жесткостью, упругостью и твердостью. Все эти свойства проявляются при воздействии на древесину внешних нагрузок. К основным видам работы древесины относятся: растяжение, сжатие с продольным изгибом, поперечный изгиб, внецентренное сжатие и растяжение, скалывание. При этом необходимо учитывать направление действия усилий по отношению к волокнам.

Даже при небольших нагрузках в древесине наблюдается нали­чие остаточных деформаций, причем остаточные деформации являются необратимой частью общих деформаций и остаются после снятия нагрузки. Это указывает на нарушение строгой пропорциональности между напряжением и деформацией. Поэтому для древесины очень трудно установить предел пропорциональности. При небольших нагрузках эти нарушения незначительны, и, для получения возможности использования общих расчетных формул сопротивления материалов, пределы пропорциональности принимаются условно.

Для обоснованного расчета элементов деревянных конструкций прочность древесины при различных видах напряженного состояния определяется испытанием стандартных образцов, выполняемых из чистой без пороков древесины. Испытания показывают значительный разброс показателей прочности для одной и той же породы древесины. Это объясняется неоднородностью древесины. Так у хвойных пород, прочность поздней древесины в 3-5 раз выше прочности ранней древесины.

6) Длительное сопротивление древесины. Сопротивление древесины, находящейся под нагрузкой, с течением времени не остается постоянным, а сильно меняется в зависимости от длительности действия на нее нагрузок. Изменение прочности древесины во времени можно иллюстрировать графиком зависимости предела прочности от времени действия нагрузки (рис. 2).

Эта зависимость выражается кривой линией, называемой кривой длительного сопротивления, асимптотически приближающегося к постоянной величине – δдл, называемой пределом длительного сопротивления.

Предел длительного сопротивления характеризует то предельное (максимальное) значение напряжения (или нагрузки), под действием которого образец не разрушится, как бы долго нагрузка не действовала. Влияние фактора времени на древесину вносит существенную поправку при определении расчетного сопротивления.

Значение расчетно­го сопротивления определяется умножением предела прочности, полученного при лабораторном испытании, на коэффициент длительности сопротивления, равный отношению предела длительного сопротивления к пределу прочности.

По опытным данным коэффициент длительности соп­ротивления принимается 0,5-0,6.

 

1.5. Влияние температуры и влаги на физико-механические свойства древесины

 

При повышении влажности древесины от нулевой точки до насыщения волокон (примерно до 30 %) ее прочность, в том числе и длительная, уменьшается, деформативность увеличивается, и модуль упругости снижается.

Для сравнения прочности древесины надо показатели прочности приводить к одной влажности.

В настоящее время принята стандартная влажность 12 %.

Приведение к ней производится по формуле:

 

В12 = В w [1+a (W-12)],

где B12 – предел прочности при влажности 12 %;

W – влажность  в момент испытания;

В w – предел прочности в момент испытания;

a – поправочный коэффициент.

Опыты показывают, что предел прочности при любой влажности зависит от температуры: с ее повышением прочность уменьшается, с понижением – увеличивается. Предел прочности при данной температуре к прочности при стандартной температуре 20 °С, можно пересчитывать по формуле:

σ20т+β(Т-20),

где    σ20 – искомая прочность при температуре 20 °С;

σт – прочность при данной температуре;

T – температура в момент испытания;

β – поправочный коэффициент.

Пересчет к температуре 20 °С должен производиться после пересчета к влажности 12 %.

 

1.6. Требования к качеству и отбор лесоматериалов для элементов несущих конструкций

 

При наличии значительных пороков, в особенности – сучков, прочность исходного материала из дерева может быть настолько низкой, что он не может быть применен для элементов несущих конструкций, поэтому размеры пороков необходимо ограничивать.

Лесоматериалы разделяются на сорта в зависимости от размера и вида пороков согласно [1], а также [2]:

а)     ширина годичных слоев в древесине должна быть не более
5 мм, а содержание в них поздней древесины – не менее 20 %;

б)     в заготовках 1-го и 2-го сортов для крайней растянутой
зоны клееных изгибаемых элементов и в досках 1-3 сортов
толщиной 60 мм и менее не допускается сердцевина.

В зависимости от вида и характера нагрузки в древесине возникают трещины. Эти трещины независимо от размеров могут быть опасными (по плоскости скалывания) и не представляющие особой опасности (при сжатии). Для уменьшения числа и размеров трещин устраиваются пропилы (искусственные трещины) в местах, где они не влияют на несущую способность. Хорошими средствами для устранения распространения трещин служит сверление отверстий в конце трещин.

Пороки по-разному сказываются в зависимости от вида загружения.

Лесные материалы (лесоматериалы), применяемые в строительстве, разделяют на круглые и пиленые (рис. 3).


Круглые лесоматериалы (бревна) имеют естественную усеченную коническую форму, т. е. сбег. В среднем для сосны и ели сбег составляет 0,8 см на   1 м длины. Толщину бревна определя­ют по диаметру его тонкого конца. Круглый лесоматериал по диаметру подразделяют на мелкий (8-13 см), средний (14-24 см) и крупный (26 см и более) с градацией через 2 см.

В промышленном и гражданском строительстве используют в основном бревна среднего диаметра, в гидротехническом – крупного диаметра. Круглые лесоматериалы имеют стандартные длины 4,0-6,5 м с градацией через 0,5 м. Для конструкций гидросооружений и по специальным заказам поставляют бревна длиной до 9,5 м.

Пиленые лесоматериалы (пиломатериалы) подразделяют на доски, брусья и бруски. Доски, рекомендуемые для инженерных конструкций, имеют ширину 60-250 мм и толщину до 100 мм, при отношении ширины к толщине более 2. Брусья имеют ширину и толщину от 100 до 250 мм, бруски – не более 100 мм при отношении ширины к толщине менее 2.

Длина пиломатериалов составляет 1,0-6,5 м, а  для гидросооружений – до 9,5 м. В конструкциях зданий и сооружений широко применяют листовые материалы, полученные на основе  древесины – строительную и бакелизированную фанеру, древесноволокнистые, древесностружечные и цементностружечные плиты и др.

Для клееных фанерных конструкций используют строительную фанеру марки ФСФ по ГОСТ 3916.1-96,  ГОСТ 3916.2-96 (Ф – фанера, СФ – склеенная на смоляном фенолоформальдегидном клее) толщиной 6-12 мм и бакелизированную фанеру марки ФБС ГОСТ 11539-83* (Б – бакелизированная, С – с пропиткой внешних слоев и склеиванием средних слоев спирторастворимыми смолами) толщиной 5-16 мм. Бакелизированная фанера отличается от клееной строительной более высокой водостойкостью и прочностью.

 

1.7.  Работа древесины на растяжение, сжатие, поперечный изгиб, смятие и скалывание

 

Растяжение. Предел прочности древесины при растяжении вдоль волокон в стандартных чистых образцах при кратковременной нагрузке для сосны составляет в среднем 100 МПа. Модуль упругости – 11-14 ГПа. Наличие сучков, особенно выходящих на кромку, значительно снижает сопротивление к растяжению. При размере сучков 1/4 стороны элемента предел прочности составляет 27 % предела прочности образцов без сучков. Отсюда видно, насколько важен правильный отбор древесины по размерам сучков для растянутых элементов. Прочность при растяжении зависит от размеров и масштабности элементов. У более крупных образцов за счет большей неоднородности их строения предел прочности меньше.

При разрыве поперек волокон, вследствие анизотропности строения древесины, предел прочности в 12-17 раз меньше, чем при растяжении вдоль волокон. Следствием этого является большое влияние косослоя, при котором направление усилия не совпадает с направлением волокон. Косослой – второй по значимости порок, величина которого в растянутых элементах должна строго ограничиваться.

Диаграмма работы сосны на растяжение (рис.4), в которой – по оси абсцисс откладывается относительная деформация ε, а по оси ординат относительное напряжение φр, выраженное в долях от предела прочности, при φр0,5 в расчетах может приниматься прямолинейной.

 Значение φр=0,5 рассматривается при этом как предел пропорциональности. Из диаграммы растяжения видно, что деформации возрастают пропорционально напряжениям почти до момента разрушения, который наступает при очень малой относительной деформации 8 %. Это показывает, что работа на растяжение является хрупкой работой.

Сжатие. Испытание стандартных образцов на сжатие вдоль волокон дает значение предела прочности в 2 - 2,5 раза меньше, чем при растяжении. Для сосны и ели предел прочности на сжатие 40 МПа, а модуль упругости примерно такой же, как при растяжении. Влияние пороков (сучков) меньше, чем при растяжении. При размере сучков составляющих 1/3 стороны сжатого элемента, прочность при сжатии будет составлять 60 - 70 % прочности элемента без сучков. В деревянных конструкциях размеры сжатых элементов обычно назначаются из расчета на продольный изгиб (расчет на устойчивость, а не на прочность), т.е. при пониженном напряжении. Работа сжатых элементов в конструкциях поэтому более надежна, чем растянутых. Приведенная диаграмма сжатия (рис. 4) более криволинейна, чем при растяжении.

Поперечный изгиб. При поперечном изгибе значение предела прочности принимает промежуточное значение между прочностью на растяжение и сжатие и равно 75 МПа, модуль упругости примерно такой же. Так как при изгибе имеется растянутая зона, влияние сучков и косослоя значительно. При размере сучков в 1/3 стороны сечения предел прочности составляет 0,45-0,5 от прочности образцов без сучков. В брусьях и, особенно в бревнах, это отношение выше и доходит до 0,6-0,8. Влияние пороков в бревнах меньше, чем в брусьях, так как отсутствует выход на кромку перерезанных при распиловке волокон.

Изменение нормальных напряжений по высоте сечения изменяется по линейному закону при небольших нагрузках. При дальнейшем росте нагрузки и увеличении кривизны эпюра сжимающих напряжений принимает криволинейный характер, одновременно нейтральная ось сдвигается в сторону растянутой кромки сечения. При этом фактическое краевое напряжение сжатия меньше, а напряжение растяжения больше вычисленных по формуле σ=M/W. В растянутых волокнах напряжения быстро растут и достигают предела прочности, приводя к разрушению. Опыты показывают, что условный предел прочности при изгибе зависит от формы поперечного сечения, также с увеличением высоты предел прочности снижается.

Все эти факторы учитываются введением соответствующих коэффициентов к расчетным сопротивлениям.

Смятие. Древесина может работать на смятие вдоль волокон, поперек волокон и под углом к ним. Прочность древесины на смятие вдоль волокон, например, в стыках сжатых элементов мало отличается от прочности на сжатие вдоль волокон.

Поперек волокон на смятие древесина работает плохо. В связи с трубчатой формой волокон смятие характеризуется значительными деформациями сминаемого элемента.

При расчете на смятие поперек волокон различают три вида сопряжения: смятие по всей поверхности, смятие на части длины, смятие на части длины и ширины (рис. 5).

 Нормируемый предел на смятие имеет наименьшее значение при смятии по всей поверхности, среднее значение – при смятии на части длины и максимальное – при смятии на части длины и ширины. В двух последних случаях деформация уменьшается благодаря поддержке сминаемой площади соседними незагруженными участками древесины.


При смятии под углом a значение σпр возрастает с уменьшением угла, и опытные точки хорошо укладываются на эмпирическую кривую (рис. 6), которую можно выразить также аналитическим выражением.

 

 

Скалывание. В конструкциях древесина на скалывание работает чаще всего вдоль волокон. Сопротивление скалыванию поперек волокон и под углом значительно больше, чем вдоль волокон. При малейших пороках сопротивление скалыванию заметно снижается.


Различают два вида скалывания: одностороннее и промежуточное (рис.7).

При внецентренном приложении силы скалывание сопровождается расщеплением или отдиранием волокон с перпендикулярным к ним направлениям – в этом случае благоприятно сказывается действие прижимающей силы.

Скалывание при поперечном изгибе по нейтральной оси характеризуется равномерным распределением усилий, которые определяются формулой Журавского.

 

 

 

    1. ЗАЩИТА ДЕРЕВЯННЫХ КОНСТРУКЦИЙ ОТ ВОЗГОРАНИЯ, ГНИЕНИЯ И ПОВРЕЖДЕНИЯ ДРЕВОТОЧЦАМИ

     

    2.1. Защита деревянных конструкций от возгорания

     

     Горение представляет собой реакцию соединения горючих компонентов древесины с кислородом воздуха, сопровождающуюся вы­делением тепла и дыма, появлением пламени и тления. Возгорание древесины может возникнуть в результате кратковременного нагрева ее до температуры 250 °С или длительного воздействия более низких температур. При горении происходит химическая деструкция (пиролиз) древесины. Вначале, в результате повышения температуры, из древесины испаряется влага, и, пока влага не испарится, температура древесины остается 100 °С. С повышением температуры 150-210 °С древесина высыхает, желтеет, появляются первые признаки химической деструкции – обугливание ее.

    Пиролиз древесины сопровождается выделением летучих веществ, содержащих углерод.

    При нагревании древесины до температуры пожаров (800-900 °С) происходит ее термическое разложение с образованием смеси газообразных продуктов и твердого остатка в виде угля.

    Различают две фазы горения древесины. Первая фаза – пламенная сгорание газообразных продуктов в воздухе, вторая – тление угля, который при температуре 200 °С не обладает свойством летучести и способен окисляться только в результате притока к нему кислорода воздуха. Тление прекращается, если на поверхности угля образуется тончайшая пленка золы. При температуре 1100-1200 °С уголь приобретает свойство летучести и способен гореть пламенем, повышая при этом теплопроводную способность древесины.

    Интенсивность горения зависит от подачи и количества кислорода воздуха, от поверхностной активности и взаимного обогрева горящих поверхностей. Для полного сгорания 1 м3 древесины требуется около 3000 м3 воздуха. Чем больше омываемая воздухом поверхность данного объема древесины и чем интенсивнее движение воздуха (тяга), тем больше скорость горения.

    В пожарном отношении деревянные конструкции часто неправомерно рассматриваются более опасными, чем металл и железобетон. Во время пожара незащищенные металлические конструкции и железобетон быстро теряют прочность и внезапно ломаются, в то время как массивные деревянные конструкции очень медленно теряют свою несущую способность.

    В течение 20 мин, когда температура пожара достигнет 800 °С, деревянный элемент 50x100 мм, сохраняет 40 % своей начальной прочности, в то время как металлический элемент – всего лишь 10 %. Чем больше размеры деревянного элемента, тем выше его огнестойкость.

    Расчет по прочности и устойчивости положения деревянных конструкций при заданной огнестойкости производится на действие нормативных нагрузок с учетом сечения, которое осталось после поверхностного сгорания.

    Повысить предел огнестойкости можно конструктивными и химическими мерами.

    К химическим мерам защиты деревянных конструкций от возгорания относится применение пропитки огнезащитными составами или нанесение защитных красок. Защитные вещества, предохраняющие древесину от возгорания, называются антипиренами. Назначение их - прекратить доступ воздуха. Поведение антипиренов при повышении температуры различно: одни плавятся, покрывая поверхность стекловидной пленкой и задерживая доступ к ней кислорода, другие разлагаются, образуя возле поверхности значительное количество инертных газов, которые также препятствуют доступу кислорода, третьи выделяют сильные кислоты, отбирающие из древесины кислород и водород. Как правило, огнезащитные составы включают в себя смесь нескольких веществ, и наносятся в виде водных растворов в зависимости от условий эксплуатации и вида конструкции и степени защищенности (глубины пропитки).

    Для конструкций из цельной древесины можно использовать менее эффективный, но более простой метод поверхностной пропитки путем погружения древесины на 2-З часа в водный раствор огнезащитных солей (фосфорно-кислый аммоний, серно-кислый аммоний, борная кислота). Применяется также для клееных конструкций окраска поверхности огнезащитными крас­ками (силикатными), а также обмазка суперфосфатом.

    К конструктивным мерам защиты деревянных конструкций относятся:

    1) В ограждающих частях деревянных зданий не должно быть пустот, а если они неизбежны, то их нужно расчленить так, чтобы не образовалась тяга.

    2) Сквозные несущие конструкции следует выполнять из массивных элементов, отдавая предпочтение клееным.

    3) Элементы конструкций необходимо делать сечением с меньшим периметром, избегая острых углов (имеет большой предел огнестойкости). Поверхности элементов должны иметь гладкую острожку в целях уменьшения поверхности нагрева.

    4) Нанесение на поверхность слоя термоизоляционной штукатурки 1-5 см, а также обшивка и облицовка огнезащитным материалом (асбокартон, кровельная сталь по войлоку, смоченному в глине).

    5) Деревянные конструкции должны быть разделены на части про­тивопожарными преградами из несгораемых материалов (противопожарные диафрагмы устанавливают вдоль несущих конструкций с шагом не более 6 м).

     

    2.2. Защита деревянных конструкций от гниения

     

    Разрушение древесины вследствие жизнедеятельности грибов называется гниением. Оно протекает при температуре от +3 до +45 °С при средней влажности не ниже 18-20 %. Для возникновения гниения необходимо начальное увлажнение древесины. Древесина содержит органические вещества, которые служат пищей для грибов. Некоторые грибы используют для своего питания клетчатку (целлюлозу), нарушая механическую прочность и превращая древесину в труху.

    Грибы, разрушающие древесину, могут быть слаборазрушающими и агрессивно разрушающими. К слаборазрушающим грибам относятся плесени, которые окрашивают древесину в серо-синеватый цвет или образуют пушистый налет.

    К агрессивно разрушающим грибам относят: лесные, биржевые (складские) и домовые.

    К наиболее опасным грибам, являющимся источником поражения для всей окружающей древесины, относятся четыре вида домовых грибов: настоящий домовый, белый домовый, пленчатый домовый, шахтный (пластинчатый). Характерным признаком разрушения древесины этими грибами является появление трещин вдоль и поперек волокон. Деструктивная гниль приводит в конечной стадии развития, к распаду древесины.

    Гниение древесины связано с биохимическим процессом разрушения целлюлозы – основного скелета древесины под воздействием простейших организмов. Биохимический процесс разрушения древесины состоит из двух этапов:

    1 этап – осахаривание целлюлозы под действием кислых ферментов, выделяемых дереворазрушающими грибами с получением раствора глюкозы:

    С6Н10O5 + Н2O —> С6Н12O6

    2 этап – окисление глюкозы в результате жизнедеятельности гриба:

    С6Н12O6 +  6O2 —> 6С02 + 6Н2О

    Таким образом, для 1-го этапа требуется некоторое начальное количество воды. На 2-ом этапе из воздуха потребляется кислород, а выделяется вода и углекислый газ, причем воды выделяется в шесть раз больше, чем требуется на 1-ом этапе, т.е. происходит самоувлажнение.

    Из сказанного следует, что гниение невозможно, если конструкция выполнена из сухой древесины и защищена от всех видов увлажнения  (1 этап) и если конструкция находится в пресной воде или грунте без доступа воздуха (2 этап).

    Радикальной мерой борьбы с загниванием является применение сухих материалов. При применении недостаточно сухих материалов, необходимо предусматривать меры, обеспечивающие возможности вы­сыхания в процессе эксплуатации. Конструкции следует делать открытыми и хорошо проветриваемыми. Различают два вида увлажнения древесины: непосредственное и конденсационное. К источникам не­посредственного увлажнения относятся: грунтовые и поверхностные воды, атмосферные осадки и т.п. К конденсационным источникам от­носятся водяные пары, которые осаждаются на поверхности, имеющей температуру ниже точки росы паров воздуха.

    Предохранение древесины от непосредственного увлажнения осуществляется путем укладки гидроизоляционных прослоек в местах соприкасания деревянных элементов с кирпичной, бутовой или бетонной поверхностью (2-3 слоя рубероида на битумной мастике), а также устройства сливных досок и козырьков для защиты от атмосферных осадков, устранения протекания кровли. В деревянных покрытиях следует избегать устройства внутренних водостоков и ендов.

    Предохранение древесины от конденсационного увлажнения осуществляется путем устройства достаточной тепло- и пароизоляции ограждающих конструкций стен, чердачных перекрытий. Многослойные ограждающие строительные конструкции и их элементы должны иметь такой порядок расположения слоев, чтобы устранить возможность скопления конденсата.

    Кроме указанных мероприятий, все элементы несущих конструкций должны быть доступны осмотру, открытыми и хорошо проветриваемыми.

    К химическим мерам защиты относится антисептическая обработка. От антисептика требуется, чтобы он обладал наибольшей токсичностью к дереворазрушающим грибам, и, в то же время, был безвредным для людей, не разрушал металлических креплений. Антисептики делятся на две группы: водорастворимые (неорганические) и маслянистые (органические). К водным антисептикам относятся соли: фтористый натрий, кремнефтористый натрий. К масляным антисептикам относятся: каменноугольное, креозотовое и антраценовое масло, древесный деготь, сланцевое масло. Как правило, маслянистые вещества из-за специфического запаха используют для защиты деревянных конструкций, эксплуатирующихся на открытом воздухе или в воде.

     

    2.3. Повреждение древесины насекомыми

     

    Различают два вида вредителей: физиологические (поражают свежесрубленную древесину – жуки усачи, короеды, рогохвосты); технические (поражают мертвую древесину – жуки корабельщики, точильщики, усачи, термиты). В отличие от грибов насекомые способны разрушать как сырую, так и сухую древесину.

    Меры по защите древесины:

    1) Устранение возможности попадания вредителей на древесину:

    а) быстрое удаление коры с бревна и вывозка их из леса;

    б) герметическая обшивка свай, находящихся в морской воде.

    2) Дезинсекция зараженной древесины:

    а) тепловая (предварительная горячая сушка с прогревом до 80 °С );

    б) химическая (глубокая пропитка креозотовым маслом под давлением).

    3) Отравление древесины ядовитыми составами.

    Такие средства могут сохранить древесину два-три десятка лет.

     

     


    3  СОЕДИНЕНИЯ  ЭЛЕМЕНТОВ  ДЕРЕВЯННЫХ  КОНСТРУКЦИЙ

     

    3.1.  Основные виды соединений

     

    Вследствие ограниченности размеров дерева, создание из него строительных конструкций больших пролетов или высоты невозможно без соединений элементов. Соединения для увеличения поперечного сечения конструкций называют сплачиванием, а для увеличения их продольной длины – сращиванием. Наряду со сплачиванием и сращиванием деревянные элементы могут соединяться в узлах конструкций под различными углами. 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. Наиболее широко применяемы шпонки, нагели, болты, гвозди, шурупы, нагельные пластинки и металлические зубчатые пластинки. Использование металлических связей упрощает сборку клееных конструкций на строительной площадке. Соединения растянутых деревянных элементов, как правило, связано с их местным ослаблением, а также концентрацией опасных, не учитываемых расчетом, местных напряжений. Наибольшую опасность представляют сдвигающие и раскалывающие напряжения. Скалывание и разрыв вдоль и поперек волокон относится к хрупким видам работы древесины. Для уменьшения опасности хрупкого разрушения соединения приходится обезвреживать природную хрупкость древесины  вязкой податливостью работы соединений деревянных конструкций. К наиболее вязким видам работы древесины относится смятие. В растянутых элементах для обеспечения вязкости используется «принцип дробности». При применении одной жесткой связи остается недоиспользованным предел прочности стали на изгиб и древесины на смятие вследствие ранее наступившего хрупкого скалывания. Использование принципа дробности уменьшает опасность совпадения площадок скалывания с сердцевинной плоскостью и усушечными трещинами. Эффективность этого принципа заключается в равномерном распределении усилий между многими параллельными связями.

     

    3.2. Контактные соединения деревянных элементов

     

    Под контактными соединениями деревянных элементов подразумеваются соединения, в которых усилия от одного элемента другому передаются через их соответственно обработанные поверхности. Контактные соединения со сжатием перпендикулярно к волокнам встречаются в соединениях стоек в местах примыканий к горизонтальным ригелям, опиранием прогонов, балок, ферм на стены. В этом случае расчет соединения сводится к проверке напряжений смятия по контактным поверхностям. Поскольку сопротивление древесины на смятие поперек волокон незначительно, то при действии больших усилий часто приходится увеличивать контактные поверхности элементов с помощью подкладок из твердых пород дерева или из металла.

    Контактные соединения с действием сил вдоль волокон имеются, например, при наращивании стоек по длине. В этом случае сопротивление смятию вдоль волокон максимально и совпадает с сопротивлением сжатию вдоль волокон. Площади контактных поверхностей вполне бывает достаточно для восприятия напряжений смятия вдоль волокон, поэтому расчет торцов элементов в этом случае обычно не проводят. Фиксация сращиваемых элементов в рабочем положении достигается путем установки боковых накладок или устройства в торцах элементов цилиндрических нагелей.

     

    3.3. Соединения на врубках

     

    Врубки представляют собой соединения, в которых усилие передается от одного элемента на другой  непосредственно без промежуточных связей. Являясь одним из старейших способов соединения элементов деревянных конструкций, врубки применяют и в настоящее время благодаря простоте образуемых с их помощью узлов.

    Наиболее часто для соединения под углом стержней ферм и подкосных систем, в основном построечного изготовления, применяют лобовые врубки с одним зубом (рис.8).


    При конструировании соединений на лобовых врубках соблюдают следующие условия: узел центрируют, причем растянутые элементы – по оси ослабленного сечения, чтобы в них не возникли дополнительные напряжения изгиба; площадку смятия располагают перпендикулярно оси примыкающего сжатого элемента и центрируют по ней; глубину врубки hвр принимают  в опорных узлах не более 1/3, в промежуточных – не более 1/4 высоты hбр или диаметра D сечения элемента, но не менее 2 см в брусьях и 3 см в бревнах; длину площадки скалывания принимают в пределах 1,5hбр £ lск £ 10hвр. Соединяемые  элементы  стягивают аварийной связью – болтом, препятствующим их случайному смещению и предотвращающим обрушение конструкции при аварийном скалывании древесины.

    Лобовую врубку в опорном узле фермы из брусьев рассчитывают:

    а) на смятие (по площадке смятия) от действия усилия в сжатом врубаемом стержне по формуле:

     

    ,              (1)

     

    где  А площадь смятия;

    b – ширина примыкающего раскоса фермы;

    – сопротивление смятию древесины под углом α к волокнам.

    б) на скалывание (по площадке скалывания) от действия горизонтальной проекции этого усилия, равной растягивающей силе в крайней панели нижнего пояса фермы по формуле:

     

    ,                 (2)

     

    где  Nc расчетное усилие в сжатом врубаемом элементе; 

    А  –  площадь скалывания;

    b – ширина нижнего пояса фермы;

    a – угол между осями сжатого (верхнего) и растянутого (нижнего) элементов;

     – расчетное среднее по площадке скалывания сопротивление древесины скалыванию вдоль волокон;

    е – плечо сил скалывания; при расчете элементов с несимметричной врезкой без зазора между элементами . Отношение  должно быть не менее 3;

    b – коэффициент для данной схемы приложения сил в узле, b=0,25.

    Помимо основной проверки врубки на смятие и скалывание, рассчитывают стяжной болт при аварийной схеме работы, гвоздевое соединение подбалки с нижним поясом и настенный брус на смятие под действием вертикальной реакции фермы.

     

     3.4.  Нагельные соединения

     

    Нагелем называется гибкий стержень, который, соединяя элементы деревянных конструкций и препятствуя их взаимному сдвигу, сам в основном работает на изгиб.

    Нагели делятся на стальные (штыри, болты, гвозди) и деревянные (пластинчатые или круглые), изготавливаемые из дуба или березы.

    Нагельные соединения в зависимости от способов приложения сил и числа срезов могут быть симметричными и несимметричными. Работу нагеля можно рассмотреть на примере двух сдвигаемых элементов (рис.9).

    Силы, сдвигающие сплачиваемые элементы, стремятся опрокинуть нагель. Под действием этих сил нагель после некоторого поворота, упирается в древесину сначала по краям элементов, а затем начинает изгибаться. По всей длине нагеля появляются неравномерные напряжения, имеющие разные знаки и их равнодействующие образуют две пары взаимно уравновешенных продольных сил, препятствующих повороту нагеля T1l1 = T2l2.


    Таким образом, равновесие нагеля обеспечивается только продольными силами, параллельными направлению сдвига соединяемых элементов. Действующее в элементах усилие стремится сдвинуть элементы относительно друг друга, но нагель препятствует этому и в результате сам изгибается. Однако, его изгиб не свободен, он зависит от жесткости самого нагеля и смятия древесины нагельного гнезда. Нагель будет работать на изгиб как балка лежащая на сплошном упругопластическом основании, за которое может быть принята древесина нагельного гнезда.

    Работа в соединении весьма сложная. Точный расчет представляет большие трудности и не пригоден для практического проектирования.

    На практике пользуются простыми эмпирическими формулами.

    Цилиндрические нагели применяются для сопряжения растянутых элементов. Вставляются нагели в заранее просверленные отверстия, причем dотв=0,9dн. Применяются нагели в деревянных конструкциях диаметром от 12 до 22 мм. Нагели имеют правильную цилиндрическую форму, переднему концу придается коническая форма без заусениц. Длина нагеля на 1-2 см больше пакета сплачиваемых деревянных элементов. Для предотвращения расстройства соединения от усушки ставятся стяжные болты в количестве не менее 25 % от общего количества нагелей. В таблице 1 приведены формулы для определения несущей способности  стальных нагелей в симметричном соединении. Для других нагелей и других соединений формулы приведены в [1].

     

    Условия расчета

    Стальной нагель

    Изгиб нагеля в симметричных и несимметричных соединениях

    Смятие крайнего элемента в симметричных соединениях

    Смятие среднего элемента в симметричных соединениях

    Примечание. dн – диаметр нагеля, см; с – толщина среднего элемента, см;
    a – толщина крайнего элемента, см; К
    a – коэффициент, учитывающий снижение расчетного усилия нагеля при действии силы под углом к волокнам древесины.

    Таблица 1.  Формулы для определения несущей способности Тн одного среза цилиндрического нагеля [кH].

     

    Количество нагелей, которое должно быть поставлено для передачи усилия N :

    ,                                               (3)

    где n – число расчетных срезов одного нагеля;

    Тн – меньшее из трех значений несущей способности нагеля на один срез.

    Несущая способность нагеля зависит также от расстояния между нагелями (рис.10). Можно найти такое минимальное расстояние, при котором несущая способность по скалыванию и раскалыванию древесины будет заведомо превышать несущую способность нагеля по его изгибу и смятию древесины нагельного гнезда.

    Минимальное расстояние между осями нагелей приведены в таблице 2.

    Таблица 2.  Минимальные расстояния между нагелями

    Расстояния

    Болты, штыри

    Гвозди

    стальные

    алюмини-

    евые и

    стеклопла-

    стиковые

    дубовые

    для пробивания

    насквозь элементов

    для непро-

    биваемых

    насквозь

    элементов

    с³ 10dн*

    c = 4dн

    S1

    7dн

    (6dн)**

    6dн

    (6dн)

    5dн

    (4dн)

    15dн

    25dн

    15dн

    S2

    3,5dн

    (3dн)

    3,5dн

    (3dн)

    3dн

    (2,5dн)

    4dн

    4dн

    4dн

    S3

    3dн

    (2,5dн)

    3dн

    (2,5dн)

    2,5dн

    (2,5dн)

    4dн

    4dн

    4dн

    Примечание. dн – диаметр нагеля, с – толщина элемента.

    *Для промежуточных значений 10dн > c > 4dн расстояние между осями гвоздей принимается по интерполяции.

    ** В скобках указаны расстояния, допускаемые при толщине пакета  b£10см.


    Нагели ставят в четное количество рядов, стараются придавать симметричную расстановку. Нагели больших диаметров ставят в два ряда, меньших – в четыре ряда (более четырех рядов – нагели не ставят). Расстановка нагелей возможна либо в параллельном, либо в шахматном порядке.

     

    Пластинчатые нагели. Тонкие деревянные и пластмассовые пластинки, плотно закладываемые в предварительно подготовленные гнезда, называются пластинчатыми нагелями. Применяются  для сплачивания составных брусьев. При передаче усилий работают на изгиб и смятие. Пластинки изготавливают из дуба или березы (последние должны быть антисептированы). Пластинки всегда располагаются волокнами перпендикулярно плоскости сплачивания, иначе вместо изгиба нагель будет скалываться поперек волокон. Влажность древесины пластинок должна быть меньше влажности самих брусьев (8 - 10 %) с тем, чтобы при разбухании пластинок обеспечивалось плотное сопряжение. По ширине балки пластинки могут быть цельными или из отдельных дощечек (рис.11).

     


    Расстояние между осями пластинок S = 2lпл – что обеспечивает прочность при скалывании.

    В расчетном отношении соединения на пластинчатых нагелях являются односрезными кососимметричными соединениями. Расчетная несущая способность дубового нагеля на основании экспериментальных исследований:

    ,                             (4)

    где bпл – ширина пластинчатого нагеля, которую следует брать равной ширине сплачиваемых элементов bпл=b для сквозных пластинок, bпл=0,5b – для глухих.

     

    3.5. Соединения на шпонках

     

    Шпонками называются вкладыши из твердых пород древесины, стали или пластмасс, препятствующие взаимному сдвигу соединяемых элементов.

    По конструктивному решению шпонки могут быть призматическими – применяются для сплачивания брусьев составных балок (рис. 12), и круглыми центровыми – для соединения элементов деревянных конструкций под различными углами (рис. 13).

    Передача усилий в шпоночном соединении происходит в результате работы материала шпонок на смятие, а соединяемых элементов – на смятие и скалывание.


    Отличительной способностью шпоночных соединений является распор, для восприятия которого ставятся рабочие стяжные связи.

    Рассмотрев равновесие шпонки без учета сил трения можно приблизительно определить распор:

    ,                                               (5)

    где Т – сдвигающее усилие в шпонке.

     

    С учетом сил трения:

     .                                                 (6)

    Во избежание повышенной деформативности шпоночных соединений и уменьшения количества стяжных болтов длину шпонки принимают не менее . Глубину врезки шпонок в брусья принимают не менее 2 см и не более 1/5 высоты бруса, а бревна – не менее 3 см и не более 1/4 диаметра бревна.


    Расчет соединений на призматических шпонках подобно расчету соединений на лобовых врубках сводится к проверке несущей способности по смятию и скалыванию древесины шпонок, а также сплачиваемых брусьев и бревен.

     


    3.6. Соединения на клею

     

    Клей – вещество, способное в процессе перехода из вязкого состояния в твердое соединять элементы, прижатые друг к другу.

    Клей является эффективным средством соединения деревянных элементов. Склеивание дает возможность получать из отдельных маломерных досок и брусьев крупные и монолитные элементы необходимых размеров.

    Клееные деревянные конструкции характеризуются:

    — отсутствием сдвигов клеевого шва;

    — отсутствием рабочих металлических частей;

    — отсутствием ослаблений сечений;

    — монолитностью сечения с малой поверхностью нагрева и высокой огнестойкостью;

    — возможностью использования пиломатериалов пониженного качества путем установки их в менее напряженные зоны клеевого пакета и пиломатериалов высокого качества – в наиболее напряженных зонах пакета, что значительно повышает экономичность деревянных конструкций.

    Клеевой шов сохраняет прочность при изменении температурно-влажностного режима, обладает биостойкостью и грибоустойчивостью. Он обеспечивает прочность соединения, не уступающую  прочности цельной 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.

    Максимальная механизация изготовления, высокая транспортабельность клееных конструкций дают возможность считать клееные деревянные конструкции одним из основных типов индустриальных деревянных конструкций.

    Для склеивания элементов деревянных конструкций применяют водостойкие клеи: КБ-3 и СП-2 – на основе фенолформальдегидной смолы. Эти клеи изготовляют перед склейкой, так как их жизнеспособность составляет три часа. Пары фенола ядовиты, поэтому при склейке должна быть обеспечена хорошая вентиляция. После твердения клей становится безвредным. К нетоксичным водостойким клеям относится клей ФР-12 на основе резорциновой смолы.

    Для склеивания неответственных элементов можно применять средневодостойкие клеи: мочевиноформальдегидный, казеиноцементный, казеиновый. Деревянные конструкции, склеенные на этих клеях, покрываются водостойкой краской.

    Основным видом клеевого сопряжения является продольная склейка параллельно уложенных в пакет досок по пластям или по пластям и кромкам (рис. 14а). Продольные стыки досок в пакете устраивают:

    а) «впритык» – с плотной приторцовкой и посадкой на клею (рис.14б);  

    б) «на ус» – стык  более надежный, хорошо работающий на растяжение. Используется для сращивания фанерных листов в заводском производстве (рис.14в);

    в) «на зуб» – самый хороший стык (достигается само запрессовка и экономия древесины) (рис.14г).

    Зубчатый шип одинаково хорошо работает на растяжение, изгиб, кручение или сжатие. На практике рекомендуется использовать наиболее технологичный вариант, с нарезкой шипов перпендикулярно пласта. Этот вариант применяется для любой ширины досок, даже слегка покоробленных.

    Склеивание деревянных элементов производится под давлением 0,5-1 МПа клеевого шва. Выдержка в зависимости от формы элемента и температуры 4 - 24 часа.

    Прижим, необходимый для полного сплачивания пакета обеспечивается с помощью специальных прессов. При изготовлении простых деревянных конструкций (двутавровых балок) допускается применение гвоздевой запрессовки, при этом древесина должна быть тщательно высушена, иначе гвозди будут являться распорками на отрыв клеевого шва.

    Необходимо обеспечить непрерывность и равномерность клеевого шва, малую его толщину в пределах 0,1-0,3 мм. При массовом изготовлении клеевых деревянных конструкций на фенолформальдегидных клеях элементы подогревают до 600 °С – это позволяет снизить выдержку под давлением до 1-3 часов. Прогрев клеевого шва в поле токов высокой частоты снижает сроки полимеризации клея до нескольких минут.

    Для склейки применяют пиломатериалы толщиной не более 4 см с влажностью не более 15 %. При компоновке сечения следует принимать меры для предотвращения возникновения отдирающих напряжений в случае усушечного коробления, для этого доски в составе пакета располагают так, чтобы направление годовых слоев в них было согласовано.


    Клееные конструкции должны изготовляться согласно действующих инструкций и норм и только в заводских условиях. Расчет клееных элементов не отличается от расчета монолитных деревянных конструкций цельного сечения.


    3.7. Соединения на вклеенных стержнях

     

    Применение соединений на вклеенных стержнях из арматуры периодического профиля Æ 12 - 25 мм, работающих на выдергивание и продавливание, допускается при эксплуатации конструкций при температуре окружающего воздуха не превышающей 35 °С. Предварительно очищенные и обезжиренные стержни вклеивают составами на основе эпоксидных смол в просверленные отверстия или в профрезерованные пазы. Диаметры отверстий или размеры пазов следует принимать на 5 мм больше диаметров вклеиваемых стержней (рис.15).


    Расчетная несущая способность определяется по формуле:

     

    ,                             (7)

     

    где d – диаметр вклеенного стержня;

    Rск – расчетное сопротивление древесины скалыванию;

    l – длина заделываемой части стержня, принимают по расчету, но не менее 10d и не более 30d;

     – коэффициент, учитывающий неравномерность распределение напряжений сдвига, в зависимости от длины заделываемой части l.

    Расстояние между осями вклеенных стержней, вдоль волокон следует принимать не менее S2=3d, а до наружных граней – не менее S3=2d.

     


    1. РАСЧЕТ ЭЛЕМЕНТОВ ДЕРЕВЯННЫХ КОНСТРУКЦИЙ

     

    4.1.  Общие положения по проектированию и расчету

     

    Несущие и ограждающие деревянные конструкции покрытий, перекрытий и каркасов зданий, как правило, проектируют однопролетными разрезными. Для некоторых конструкций (прогоны, плиты покрытий, панели стен), в том числе клееных несущих, длина которых допускает транспортирование, можно применять неразрезные схемы.

    Усилия в элементах и соединениях, деформации их или конструкций в целом определяют по правилам строительной механики в предположении упругой работы материалов и, при необходимости, с учетом податливости соединений. В отдельных конструкциях, например, фермах с неразрезными верхними поясами, усилия определяют по деформированной схеме также с учетом податливости узловых соединений. Расчёт деревянных конструкций выполняется по методу предельных состояний. Предельными называют состояния при которых конструкция теряет способность сопротивлятся внешним нагрузкам и воздействиям или получает недопустимые деформации или местные повреждения. Для конструкций из дерева имеют значение два вида предельных состояний:

    • по несущей способности (прочности, устойчивости);
    • по деформациям (прогибам, перемещениям).

    Высоту поперечного сечения h задают по таблицам характеристик конструкций в зависимости от их пролета l. Для клееных неармированных балок . Из условий монтажной жесткости ширину  поперечных сечений элементов конструкций (балок, арок, ферм с неразрезным верхним поясом и гнутоклееных рам) принимают при пролете не менее:

    l = 18 м …………12 см

    l = 21…24 м ……14 см

    l = 27…30 м…….17 см

    l = 33…36 м ……21 см

     Размеры сечений элементов из клееной древесины устанавливают с учетом сортамента досок после их острожки.

    Основные нормируемые характеристики прочности конструкционных строительных материалов при расчете элементов – расчетные сопротивления, значения которых для древесины приведены в [1, табл. 3], для фанеры в [1, табл. 10], для пластмасс в [11, табл. 14].

    По принятым размерам проверяют напряжения в сечениях элементов, деформации конструкций и рассчитывают узловые соединения на действие эксплуатационных нагрузок. Кроме того, конструкции проверяют на монтажные нагрузки, возникающие при кантовке, подъеме и установке на опоры. В отдельных случаях деревянные конструкции рассчитывают с учетом обеспечения требуемой огнестойкости. При проектировании необходимо предусматривать меры по обеспечению неизменяемости и устойчивости элементов, конструкций и всего здания или сооружения в целом во время монтажа и последующей эксплуатации.

     

    4.2.  Расчет элементов деревянных конструкций цельного сечения

     

    Центрально-растянутые элементы.  Рассчитывают на прочность вдоль волокон:

    ,                                                  (8)

    где N – расчетная продольная сила;

    Fнт – площадь «нетто» рассматриваемого (наиболее ослабленного) поперечного сечения элемента;

    Rр – расчетное сопротивление древесины растяжению вдоль волокон.

    При определении Fнт все ослабления, расположенные на участке длиной до 20 см, принимают совмещенными в одном сечении. Наибольшая площадь ослабления должна быть не более 50 % площади Fбp.

    Центрально-сжатые элементы. Древесина хорошо сопротивляется сжатию. Центрально-сжатые стержни менее чувствительны к порокам древесины, чем растянутые. Концентрация напряжений менее опасна, поскольку при сжатии древесина пластично перераспределяет напряжения. Центрально-сжатые стержни рассчитывают на прочность:

    ,                                                  (9)

    и на устойчивость:

    ,                                          (10)

    где N – расчетная продольная сила;

    Fнт – площадь поперечного сечения «нетто» элемента;

    Rс – расчетное сопротивление, древесины сжатию вдоль волокон;

    Fрасч – расчётная площадь поперечного сечения элемента:

    1) Fрасч=Fбр – при расчете на устойчивость, отсутствии ослаблений, а также при ослаблениях, не выходящих на кромки (рис.16, а), если площадь ослаблений, не превышает 0,25Fбр;

    2) Fрасч = 4/3Fнт – если площадь ослабления превышает 0,25Fбр;

    3) Fрасч=Fнт – при симметричных ослаблениях, выходящих на кромку (рис.16, в).

    При несимметричных ослаблениях сечений, выходящих на кромки (рис.16, б), элементы рассчитывают как внецентренно-сжатые.

    в)

     

    б)

     

    а)

     

    Коэффициент продольного изгиба φ – отношение критического напряжения σкр при потере стержнем устойчивости к пределу прочности древесины на сжатие вдоль волокон Rс, определяют по выражению:

                      

    где Е – модуль упругости древесины;

    λ – гибкость элемента.

    Критическое напряжение σкр определяют по формуле Эйлера

    .                         

    Критическое напряжение должно быть не выше предела пропорциональности,  что для сосны и ели равно примерно 50 % от предела прочности, т. е.  0,5R = 16,5 МПа.

    Так как , то формула Эйлера применима при λ >70.

    По исследованиям ЦНИИСКа, отношение E/R можно считать постоянным и равным для древесины Е/R = 302, тогда коэффициент продольного изгиба при λ>70:

     

    ,                             (11)

    или в общем виде φ = А/λ2, где коэффициент А=3000 для древесины и А=2500 для фанеры.

    За пределом пропорциональности модуль упругости древесины Е уменьшается, отношение E/R становится переменным. На основании исследований ЦНИИСКа коэффициент φ за пределом упругости при λ ≤ 70:

    ,                                         (12)

    где коэффициент а=0,8 для древесины и а=1 для фанеры.

    Гибкость цельных элементов:

    ,                                       (13)

    где l0 – расчетная длина элемента;

     Jбр и Fбр – момент инерции и площадь поперечного сечения элемента «брутто»;

    r – радиус инерции сечения; для круглых сечений r = 0,25d, для прямоугольных r = 0,289h,

    где d – диаметр круглого сечения,

    h – сторона прямоугольного сечения.

    Расчетная длина стержня l0 зависит от способа закрепления его концов:

    ,                                          (14)

    где l – геометрическая длина стержня;

    μ – коэффициент приведения, принимаемый равным:

    μ=1 – при шарнирных закреплениях обоих концов стержня;

    μ=0,8 – при одном закрепленном и другом шарнирном концах;

    μ=2,2 – при одном закреплённом и другом свободном концах;

    μ=0,65 – при обоих защемлённых концах.

    Гибкость сжатых элементов конструкций ограничивается нормами во избежание больших прогибов от собственного веса или вибрации элементов. Гибкость λ не должна превышать: для основных элементов конструкций (пояса, опорные раскосы, опорные стойки ферм, колонны) – 120; для прочих элементов – 150; для связей – 200.

    Изгибаемые элементы. Элементы, работающие на изгиб, менее чувствительны к порокам древесины, чем растянутые, и более чувствительны, чем сжатые элементы. Прочность изгибаемых элементов снижают сучки, расположенные вблизи растянутой кромки сечения.

    Расчет цельных элементов, обеспеченных от потери устойчивости формы деформирования, на прочность при изгибе в направлении одной из главных осей инерции сечения (рис.17,б) производят по формуле:

    ,                                               (15)

    а при косом изгибе (рис.17, в):

    ,                                                  (16)


    где Μ – расчетный изгибающий момент;

    Wрасч – расчетный момент сопротивления рассматриваемого поперечного сечения, определяемый для цельных элементов по площади сечения нетто Wрасч = Wнт;

    Rи – расчетное сопротивление древесины изгибу;

    Μx, Му – составляющие расчетного изгибающего  момента относительно главных осей X и Υ.

    Изгибаемые элементы разрушаются от потери первоначальной формы сжатых волокон (вследствие чего резко смещается центральная ось в сторону растянутой зоны) и преодоления предела прочности на растяжение в крайних волокнах сечения.

    Влияние ослаблений сечений в изгибаемых элементах велико и зависит от их расположения, как по высоте сечения, так и местоположению относительно максимальной ординаты на эпюре моментов. При определении Wнт ослабления, расположенные на участке длиной 20 см, принимают совмещенными в одном сечении.

    Во избежание концентрации напряжений следует избегать ослабления крайних волокон балок подрезками в наиболее напряжённых на изгиб местах. Глубина а подрезок на опоре растянутых волокон изгибаемых элементов цельного сечения на основании опытных данных может быть a≤0,25h при условии V/(bh) ≤ 0,4 МПа, где V – опорная реакция от расчетной нагрузки, b и h – соответственно ширина и высота сечения (рис.18).

    Длина опорной площадки подрезки должна быть не больше высоты сечения h. Рекомендуется делать скошенную подрезку длиной с1≥2а, при этом запрещается производить подрезку в случае расположения вблизи опор значительных сосредоточенных грузов.

    Для изгибаемых элементов необходима проверка на скалывание древесины в местах наибольших поперечных сил (обычно возле опор), а также в местах изменения формы поперечного сечения – там, где толщина стенки значительно меньше ширины пояса балки. Проверка на скалывание имеет значение особенно для коротких балок (при b/h≤5) с большими нагрузками или для балок с сосредоточенными силами, близко расположенными у опор.

    Расчет изгибаемых элементов на прочность по скалыванию древесины производят по формуле Журавского:

     ,                                              (17)

    где Q – расчетная поперечная сила;

    Iбр, Sбр  момент инерции «брутто» всего сечения и статический момент «брутто» сдвигаемой части сечения относительно нейтральной оси;

    bраcч – расчетная ширина сечения;

    Rск – расчетное сопротивление древесины скалыванию вдоль волокон при изгибе.

    Расчет по предельному состоянию второй группы производят как проверку величины относительного прогиба изгибаемого элемента, определяемого при нормативной нагрузке в предположении упругой работы древесины по общим правилам строительной механики.

    Относительный прогиб элемента должен быть не более предельного прогиба (табл. 3):

    f/l ≤ [fпред/l],                                           (18)

    где  l – расчетный пролет;

    f – максимальный прогиб.

     

    Таблица 3. Предельные прогибы элементов конструкций

    Предельные прогибы элементов конструкций

    fпред /l

    Балки междуэтажных перекрытий

    1/250

    Балки чердачных  перекрытий

    1/200

    Обрешетки, настилы

    1/150

    Плиты покрытий

    1/250

    Прогоны, стропильные ноги

    1/200

    Клееные балки покрытий (кроме консольных), фермы

    1/300

    Консольные балки покрытий

    1/150

    Панели и элементы фахверка

    1/250

    Несущие элементы ендов

    1/400

    Примечания:

    1. При наличии штукатурки прогиб элементов перекрытий только от длительной временной нагрузки не должен превышать 1/350 пролета.

    2. При наличии строительного подъема предельный прогиб клееных балок допускается увеличивать до 1/200 пролета.

     

    Наибольший прогиб для шарнирно-опертых и консольных изгибаемых элементов постоянного и переменного сечений f определяется по формуле:

    ,                                   (19)

    где h – наибольшая высота сечения;

    f0 – прогиб элемента постоянного сечения высотой от действия только нормальных напряжений, определяемый по правилам строительной механики без учета деформаций сдвига;

    с – коэффициент, учитывающий влияние деформаций сдвига на прогиб элемента от поперечной силы,

    k – коэффициент, учитывающий влияние переменности высоты сечения, принимаемый равным 1 для балок постоянного сечения.

    Для элементов переменного сечения значения k и с приведены в таблице 4.

    При косом изгибе прогиб:

    ,                              (20)

    где fx и fy – соответственно прогибы от составляющих нагрузки по главным осям сечения элемента.

    Изгибаемые элементы прямоугольного поперечного сечения рассчитывают на устойчивость плоской формы деформирования:

    ,                                     (21)

    где М – максимальный изгибающий момент на рассматриваемом участке длиной lр;

    Wбр – максимальный момент сопротивления на том же участке;

    φм– коэффициент устойчивости изгибаемых элементов, шарнирно закрепленных от смещения из плоскости изгиба и закрепленных от поворота в опорных сечениях, определяемый по формуле:

    ,                               (22)

    где b и h – ширина и высота поперечного сечения элемента;

    lр – расстояние между опорами элемента или закрепленными точками по сжатой кромке, препятствующими смещению элемента из плоскости изгиба;

    kф – коэффициент, зависящий от формы эпюры изгибающих моментов на участке lр;

    kжM – коэффициент, учитывающий переменность высоты сечения по длине элемента, не закрепленного из плоскости по растянутой от момента М кромке или при числе подкрепленных точек растянутой кромки m менее четырех. При m≥4 kжM = 1. Значения коэффициентов  kф и kжM приведены в [1, табл. 2, прил. 4].

     

    Таблица 4.  Коэффициенты k и с

     Поперечное сечение балки

    Расчетная схема

    Значения

    k

    c

    Прямоугольное

    β

    0

    То же

    0,23 + 0,77β

    16,4 + 7,6β

    То же

    0,5α + (1– 0,5α)β

    [45 – 24α(1 – β) + +3β] · 1/(3 – 4α2)

    То же

    0,15 + 0,85β

    15,4 + 3,8β

    Двутавровое

     

    0,4 + 0,6β

    (45,3 – 6,9β)γ

    Прямоугольное

    0,23 + 0,77β +

    + 0,6α (1 – β)

    [8,2 + 2,4(1 – β)α+ + 3,8β] ·1/[(2 + α

      (1–α)]

    То же

    0,35 + 0,65β

    5,4 + 2,6β

    Примечание:   γ – отношение площади поясов к площади  стенки  двутавровой  балки, высоту которой принимают между центрами тяжести поясов.

     

    Для элементов из круглых лесоматериалов момент сопротивления в формулах (15), (21) принимают в сечении, расположенном в середине расчетной длины элемента.

    Внецентренно сжатые и внецентренно растянутые элементы. Внецентренное сжатие или растяжение наблюдается при внецентренном нагружении элемента  (рис.19,а), несимметричных ослаблениях  элемента   (рис.19,б),  наличии  начальной кривизны элемента при одновременном действии в сечении продольной силы и изгибающего момента (рис.19,в).

    Внецентренно растянутые элементы обладают высокой чувствительностью к порокам древесины и местным ослаблениям сечения элементов врезками и отверстиями. Во избежание возникновения изгибающих моментов в ослабленных сечениях растянутых элементов, усилия целесообразно центрировать по ослабленному сечению.

    При внецентренном сжатии элемента момент образуется из двyx частей:

    Mд = M + N×f,                                       (23)

    где Мд – изгибающий момент от действия поперечных и продольных нагрузок, определяемый из расчета по деформированной схеме;

    М – момент от поперечной нагрузки или внецентренного приложения продольной силы вычисляемый, как для изгибаемого элемента без учета дополнительного момента от продольной силы;

    N×f – дополнительный момент от продольной силы N, возникающий вследствие прогиба элемента на величину f.

    Полный прогиб согласно формуле сопротивления  материалов:

    где f0 = M/Nкр – прогиб, вызываемый моментом М;

    Nкр – критическая сила по Эйлеру:

    .

    Подставляя эти величины в выражение (23), получим для шарнирноопертых элементов:

    .      (24)

    Коэффициент ξ можно преобразовать согласно теории краевых напряжений:

    Nкр = φ·Rc×Fбр,

     

    φ = 3000/λ2,

     

    .      (25)

     

    Коэффициент ξ (изменяющийся в пределах от 1 до 0) учиты­вает влияние дополнительного момента от продольной силы при деформации элемента.

    Проверку прочности внецентренно сжатого элемента произво­дят, исходя из условий, что наибольшее сжимающее краевое напряжение сечения не должно превышать расчетного сопротив­ления на сжатие:

     

    N/Fрасч+M/( ξWpacч) Rc.                            (26)

     

    При малых напряжениях изгиба M/Wбр, не превышающих 10 % от напряжения сжатия N/Fбр, внецентренно сжатые элементы также необходимо проверять на устойчивость без учета изгибающего момента.

    Проверяют элементы по касательным напряжениям по формуле (17), подставляя вместо Q значение Qвн:

     

    Qвн = Q/ ξ                                               (27)

     

    Прогиб проверяют по формуле (18), подставляя вместо f значение fвн:

     

    fвн = f / ξ fпред.                                     (28)

    Сжато изгибаемые элементы прямоугольного поперечного сечения рассчитывают на устойчивость плоской формы деформирования:

                            (29)

    где Fбр и Wбp – максимальные значения соответственно площади и момента сопротивления поперечного сечения на рассматриваемом участке lр элемента;

    φ – коэффициент продольного изгиба для гибкости участка элемента расчетной длиной lр в плоскости, перпендикулярной плоскости деформирования;

    φм – по формуле (22); 

    n=2 – для элементов без закрепления растянутой кромки  из плоскости деформирования,

    n=1 – для элементов с закрепленной растянутой кромкой.

    Растянутая продольная сила уменьшает значение изгибающего момента, поэтому при расчете растянуто-изгибаемых элементов влиянием её пренебрегаем. Расчётная формула с учётом неравенства расчетных сопротивлений:

    .                          (30)

    Не учитывается уменьшение прогиба от дополнительного момента также при проверке растянуто-изгибаемого элемента по второму предельному состоянию.


    4.3.  Расчет составных элементов деревянных конструкций на податливых связях

     

    Многие деревянные конструкции (балки, арки, рамы) в связи с ограниченностью пиломатериалов делают составными. Отдельные брусья и доски соединяют с помощью связей, которые могут быть жесткими (соединёнными на клею) и податливыми (нагели, шпонки и т.д.) (рис 20).

    Податливостью называют способность связей при деформации конструкции давать возможность соединяемым брусьям или доскам сдвинуться друг относительно друга.

    Податливость связей ухудшает работу составного элемента по сравнению с таким же элементом цельного сечения. У составного элемента уменьшается несущая способность, увеличивается деформативность, изменяется характер распределения сдвигающих усилий по его длине. Решение задачи может быть приближённым или точным. В [1] приведены приближённые формулы, получаемые из точных решений при обоснованно выбранных допущениях. Эти формулы удобны для практического пользования и дают результаты, близкие к результатам, получаемым по точным решениям.

    Расчёт составных элементов опертых всем сечением на центральное сжатие проводится по формулам (9), (10), при этом Fнт, Fрасч определяются как суммарные площади всех ветвей. Коэффициент продольного изгиба φ при проверке устойчивости относительно оси X определяют по гибкости, как для элемента цельного сечения, а относительно оси Y – по приведенной гибкости  (рис. 20, а).

    Приведенную гибкость определяют по формуле:

     

    ,                     (31)

     

    где λy – гибкость сжатого элемента относительно оси y без учета податливости при расчетной длине l0;

    λ1 – гибкость отдельной ветви относительно оси 1-1 при расчетной длине l1, равной расстоянию между связями (при l17а,   λ1 = 0);

     

     

    μy – коэффициент приведения гибкости, определяется по формуле:

    ,                           (32)

     

    где kc – коэффициент податливости, определяемый по табл. 5;

    nш – расчетное количество швов в элементе, по которым суммируют взаимный сдвиг элементов составного сечения;

    nс –  расчетное количество условных срезов связей в одном шве на 1 м длины элемента;

    l0 – расчетная длина элемента, м;

    b и h – размеры поперечного сечения элемента, см.

     

    Гибкость составного элемента, вычисленную по формуле (31), принимают не более суммарной гибкости отдельных ветвей:

    ,                                     (33)

    где ΣJбр – сумма моментов инерции брутто поперечных сечений отдельных ветвей относительно осей 1-1; 

    Aбр – площадь поперечного сечения брутто элемента.

    Таблица 5. Коэффициент  kс

    Вид связей

    Коэффициент kc при

    центральном сжатии

    сжатии с изгибом

    1. Гвозди

    2. Стальные цилиндрические нагели

    а) диаметром d £ 1/7 толщины соединяемых элементов a

    б) диаметром d > 1/7 толщины соединяемых элементов a

    3. Дубовые цилиндрические нагели

    4. Клей

    0

    0

    Примечание. Диаметры гвоздей и нагелей d, толщину элементов а следует принимать в сантиметрах.

    Составные элементы на податливых соединениях, часть ветвей которых не оперта по концам (рис 20, б) допускается рассчитывать на прочность и устойчивость по формулам (9), (10) при соблюдении следующих условий:

    а) площади поперечного сечения элемента Fнт и Fрас следует определять по сечению опертых ветвей;

    б) гибкость элемента относительно оси Y (см. рис. 20) определяется по формуле (31); при этом момент инерции принимается с учетом всех ветвей, а площадь – только опертых;

    в) при определении гибкости относительно оси Х момент инерции следует определять по формуле:

    I = Iо + 0,5Iно ,

    где Iо и Iно – моменты инерции поперечных сечений соответственно опертых и неопертых ветвей.

    Составные элементы, работающие на изгиб, рассчитывают по формулам (15), (17), в которых Wрасч=kwWц  и Jбр=kж Jц. 3начения коэффициентов kw и kж приведены в таблице 6. Wц и Jц – соответственно момент сопротивления и момент инерции элемента цельного сечения.

     

     

    Таблица 6. Коэффициенты  kw и kж

    Коэффициент

    Число слоев в элементе

    Значение коэффициентов при длине пролета, м

    2

    4

    6

    9 и более

    kw

    2

    3

    10

    0,7

    0,6

    0,4

    0,85

    0,8

    0,7

    0,9

    0,85

    0,8

    0,9

    0,9

    0,85

    kж

    2

    3

    10

    0,45

    0,25

    0,07

    0,65

    0,5

    0,2

    0,75

    0,6

    0,3

    0,8

    0,7

    0,4

    Примечание. Для промежуточных значений коэффициенты определяют по интерполяции.

     

    Количество условных срезов связей nc при равномерной их расстановке в каждом шве по длине элемента на участке с однозначной эпюрой поперечных сил:

    ,                          (34)

    где МА и МБ – изгибающие моменты соответственно в начальном и конечном сечениях рассматриваемого участка;

    Т – расчетная несущая способность связи в рассматриваемом шве.

    В составном элементе с одинаковым закреплением по концам целесообразно ставить четное количество связей. При их нечетном количестве связь, поставленная в середину пакета (где сдвига не происходит), работать не будет.


    1. ПЛОСКИЕ НЕСУЩИЕ КОНСТРУКЦИИ ПОКРЫТИЙ

    5.1. Деревянные и фанерные балки

     

    Основные положения и классификация. Балки выполняют цельного либо составного сечения. Цельные применяют в качестве несущих элементов междуэтажных и чердачных перекрытий зданий. Пролеты их не превышают 6 м, что определяется ограниченной длиной цельной древесины. Такие балки рекомендуют изготовлять из древесины второго сорта хвойных пород.

    Значительно более экономичны составные балки. Их широкое применение обусловлено рядом преимуществ, связанных с возможностью использования маломерных материалов различных сортов и пород, отсутствием ослабления, возможностью создания более широкого ассортимента поперечных сечений и простотой изготовления. Большей частью это клееные конструкции. Менее распространены составные балки на пластинчатых нагелях, а также на металлических или стеклопластиковых вклеенных стержнях. По конструктивным решениям и материалам, используемым для их компоновки, составные балки разделяют на дощатые клееные, фанерные клееные и брусчатые. Их применяют в покрытиях и перекрытиях зданий различного назначения, в агрессивных средах и по технологическим требованиям (диэлектричности и радиопрозрачности).

    Дощатоклееные балки. Многослойные дощатые клееные балки образуют склеиванием стандартных остроганных досок по пласти водостойкими клеями (рис. 21). Длина досок, составляющих пакет, лимитируется наличием пиломатериала необходимого сорта. В сечениях балок (при λ < 60), составленных из древесины одной породы, используют два ее сорта, располагая в средней зоне более низкий, а в наиболее напряженных участках высотой не менее 0,15h и не менее двух досок — более высокий сорт, по которому и назначают расчетные сопротивления. При λ > 60 балки проектируют из одного сорта одной породы древесины. Дощатоклееные балки обладают рядом преимуществ перед другими составными балками:

    • они работают как монолитные;
    • их можно изготовить с поперечным сечением большой высоты;
    • в балках длиной более 6 м отдельные доски стыкуют по длине с помощью зубчатого шипа и, следовательно, балки не будут иметь стыка, ослабляющего сечение.

    Опыт применения дощатоклееных балок показывает, что их надежность зависит от качества склейки и тщательного соблюдения технологического процесса изготовления. Это возможно только в заводских условиях и специальных цехах с необходимым оборудованием при качественной сушке пиломатериалов. Работы по изготовлению балок следует выполнять специально обученным персоналом. Для пролетов 6–24 м в качестве основных несущих конструкций применяют балки, склеиваемые из досок плашмя. Высоту балок принимают в пределах от 1/8 до 1/12 l. Ширину балок целесообразно, как правило, брать минимальной и определенной из условия опирания панелей покрытия и обеспечения монтажной жесткости. Уклон верхней грани двускатных балок принимают в пределах от 2,5 до 10 %.

    Дощатоклееные балки рассчитывают как балки цельного сечения.

    Влияние на несущую способность балок размеров, формы поперечного сечения и толщины слоев учитывают коэффициентами условия работы к расчетным сопротивлениям согласно [1, п. 3.2.].

    Нормальные напряжения в крайних волокнах балки определяют по формуле:

     

    σи = Мmax/ WнтRи×mб×mсл,                         (35)

     

    где коэффициент условия работы mб учитывает влияние поперечного сечения, mсл – толщину слоев.

    В двускатных балках при равномерно распределенной нагрузке q сечение с максимальным нормальным напряжением не совпадает с положением максимального момента. Это сечение находится из общего выражения для нормальных напряжений:

     

    ,

     

    где α – угол наклона верхнего пояса к горизонту,

    b – ширина балки,

    hоп  – высота балки на опоре.

    Приравняв к нулю выражение, полученное после дифференцирования, и, сделав необходимые преобразования, найдем, что указанное сечение отстоит от опоры на расстоянии:

    ,                                                  (36)

    где hоп  – высота балки на опоре;

    hср – высота балки в середине пролета;

    l – пролет балки.

    Скалывающие напряжения проверяют в сечении с максимальной поперечной силой Q по формуле Журавского:

     

    ,                                            (37)

     

    где b – ширина балки, а при двутавровом сечении – толщина стенки bст;

    Rcк – расчетное сопротивление скалыванию при изгибе для клееных элементов.

    Если нагрузка приложена к нижнему поясу балок таврового или двутаврового сечения, обязательно делают проверку на отрыв нижней полки по эмпирической формуле:

     

    ,                                    (38)

    где  – толщина стенки; 

    с – ширина опирания нагрузки.

    Для балок прямоугольного сечения из пакета досок необходимо производить расчет на устойчивость плоской формы деформирования с учетом поправочных коэффициентов mб и mсл, учитывающих высоту сечения и толщину слоев:

     

    ,                                (39)

     

    где М – максимальный изгибающий момент на рассматриваемом участке lр;

    Wбр – максимальный момент сопротивления брутто на рассматриваемом участке lр.

    Коэффициент φм для балок, шарнирно закрепленных от смещения из плоскости изгиба и закрепленных от поворота вокруг продольной оси, определяют по формуле (22):

    ,

    где lр – расстояние между опорными сечениями балки, а при закреплении сжатой кромки балки в промежуточных точках от смещения из плоскости (прогонами, ребрами панелей) расстояние между этими точками;

    b – ширина поперечного сечения;

    h – максимальная высота поперечного сечения на участке lp;

    kф – коэффициент, зависящий от формы эпюры изгибающих моментов на участке lр.

    Устойчивость плоской формы деформирования балок двутаврового сечения следует рассчитывать в тех случаях, когда lР>7b,где b – ширина сжатого пояса поперечного сечения.

    Расчет следует производить по формуле:

     

    ,                              (40)

     

    где φ – коэффициент продольного изгиба из плоскости изгиба сжатого пояса;

    Wбр – момент сопротивления брутто поперечного сечения; в случае фанерных стенок – приведенный момент сопротивления в плоскости изгиба элемента.

    Кроме расчета на прочность, балки должны быть проверены на прогиб от нормативной нагрузки.

    Полный прогиб балок может быть получен из общей формулы перемещений. Так как в балке, работающей на изгиб, нормальная сила отсутствует (N = 0), прогиб будет определятся по формуле:

     

    .

     

    При равномерно распределенной нагрузке первый интеграл равен , а второй . Для балок малой высоты, когда l/h>20, второй интеграл, учитывающий влияние на прогиб касательных напряжений, не имеет большого значения и не учитывается. Однако, когда l/h <20, что всегда имеет место в главных балках, для которых это отношение находится в пределах 8-12, второй интеграл дает значительное увеличение прогиба и его следует учитывать. Особенно это относится к балкам двутаврового сечения.

    Прогиб двускатных балок определяют с учетом переменного по длине момента инерции балок. Наибольший прогиб шарнирно опертых и консольных балок постоянного и переменного сечений с учетом влияния касательных напряжений вычисляют по формуле (19).

    Дощатоклееные армированные балки. Применяют при необходимости сокращения расхода древесины, уменьшения высоты сечения, снижения монтажной массы и деформативности, повышения несущей способности, а также использования древесины более низкого качества и уменьшения стоимости. Эффективность армирования повышается при больших пролетах и значительных нагрузках. Наиболее пригодны для армирования стали классов A-II (А300) и A-III (А400), а также стеклопластики в виде тяжей или полосы. Арматуру в балках можно ставить в сжатой и растянутой зонах (симметричное армирование), либо только в растянутой (несимметричное). Армирование выполняют или по всей длине балки, или на части длины.

    В последнем случае несущая способность балки сохраняется при незначительном уменьшении жесткости. Рекомендуемый процент армирования стальными стержнями  μ=1-3 %, а стеклопластиковыми – 1-5%. При необходимости увеличения процента армирования для получения балок с минимальной высотой сечения, необходима проверка балки на скалывание. Наиболее удобны и технологичны прямоугольные сечения с симметричным армированием стальными стержнями.

    Армирование не требует специального оборудования и может осуществляться на любом заводе клееных деревянных конструкций. Пазы для арматуры фрезеруют в досках, которые при сборке укладывают в крайние зоны. Пазы делают овальными либо прямоугольными, размерами на 1-1,5 мм больше диаметра стержня. Арматуру вклеивают эпоксидными клеями марок ЭД-20, ЭД-22, ЭД-24 с наполнителями.

    Рассчитывают армированные балки по приведенным к модулю упругости древесины характеристикам. Для упрощения расчетных формул считают, что ось арматуры расположена на крайних фибрах балки.


    Расчёт армированных балок аналогичен клееным дощатым и выполняется в такой же последовательности.

    Клеефанерные балки. Клеефанерные балки состоят из фанерных стенок и дощатых поясов. Поперечное сечение клеефанерной балки может быть двутавровым или коробчатым. Так как при этом пояса удалены от нейтральной оси, то материал в таких балках используется более эффективно по сравнению с балками прямоугольного сечения.

    Фанерные клееные балки применяют с плоской или волнистой фанерной стенкой. В зависимости от профиля здания их изготавливают с параллельными кромками (рис.22, а) или двускатными с уклоном верхнего пояса не более 25 % (рис.22, б). Можно применять балки с криволинейным верхним поясом (рис.22, в).

    Балки с плоской фанерной стенкой. Проектируют двутаврового поперечного сечения с одной стенкой (при пролетах более 12 м – с двумя), а также коробчатого сечения (рис. 22). Пояса балок, как правило, выполняют из вертикально поставленных досок толщиной не более 33 мм (после острожки), а при криволинейном поясе – из гнутых горизонтально расположенных досок. При высоте поясов более 100 мм в наружных досках делают прорези шириной не менее 5 мм, или применяют узкие доски. Высоту поясов принимают hпh/6, согласуя ее с сортаментом досок.

    Для стенок используют водостойкую фанеру марки ФСФ по ГОСТ 3916.1-96, ГОСТ 3916.2-96 или бакелизированную марки ФБС по ГОСТ 11539-83* толщиной не менее 10 мм.

    В опорных узлах балки устанавливают опорные ребра, ширину которых принимают равной ширине поясов. В пролете балки ставят поперечные ребра с интервалами от 1/8 до 1/10 длины пролета.

    Дополнительно, для уменьшения расчетных размеров листа фанерной стенки, в опорных панелях устанавливают диагональные либо промежуточные поперечные ребра. Волокна рубашек фанеры располагают, как правило, в продольном направлении, стыкуя листы фанеры «на ус». При значительных поперечных нагрузках волокна рубашек направляют перпендикулярно поясам. При этом стыки фанерных листов выполняют «впритык» с накладками.

    Балки, составленные из двух материалов, рассчитывают по геометрическим характеристикам, приведенным к тому материалу, проверка которого выполняется. При приведении к древесине:

     

    Fпр = F + Fф Eф /E,

    Jпр = J +Jф Eф /E,                                  (41)

    Sпр = S +Sф Eф /E,

    где F, J, S – площадь, момент инерции и статический момент поясов;

    Fф, Jф, Sф – площадь, момент инерции и статический момент фанерной стенки;

    Еф, Е – модуль упругости фанерной стенки и поясов.

    Изгибающий момент в балках с параллельными поясами будет равен  M=Mmax, а в двускатных балках ординату x с максимальным изгибающим моментом находят из выражения (36).

    Определяют требуемый момент сопротивления сечения балки:

     

    .                                             (42)

     

    Затем вычисляют требуемый момент инерции по формуле:

     

                                   (43)

     

    где hх – высота балки в расчетном сечении; 

    – моменты инерции соответственно поясов и стенки:

     

    ,                   (44)

     

    где δф – суммарная толщина стенки.

    Учитывая и пренебрегая собственным   моментом инерции пояса J0, определяют , по которой подбирают размеры досок. Здесь h1,x – расстояние между осями поясов в расчетном сечении с ординатой х. Затем окончательно компонуют балки и определяют их действительные приведенные геометрические характеристики.

    Проводят проверку:

    — нижнего пояса

     

    σp = M/Wпр ≤ Rр;                                   (45)

     

    — верхнего пояса  

     

    σ = M/(Wпрφy) Rc;                               (46)

     

    — фанерной стенки

     

                         σр.ф = M/Wпр(Eф/E) ≤ Rфрα  тф,                          (47)

     

    где  φу – коэффициент продольного изгиба пояса из плоскости изгиба, определяемый по формулам (11), (12) в зависимости от l0 – расстояния между закрепленными точками из плоскости балки и rу – радиуса инерции пояса;

    Rфрα – расчетное сопротивление фанеры растяжению под углом a;

    тф коэффициент, учитывающий снижение расчетного сопротивления в стыках фанерной обшивки, принимаемый равным при усовом соединении или с двусторонними накладками: mф = 0,6 для фанеры обычной и mф = 0,8 для фанеры бакелизированной.

    Прочность стенки в опасном сечении на действие главных растягивающих напряжений в зоне первого от опоры стыка фанеры либо под первой от опоры сосредоточенной нагрузкой:

     

                  (48)

     

    где σст и τст – соответственно   нормальные и касательные  напряжения сечения на стыке стенки и поясов;

    – расчетное сопротивление фанеры растяжению под углом α, определяется по графику, приведенному на рис. 17 [1, прил. 5];  

    α угол определяемый из выражения:

     

    2tgα = 2τст/σст.

     

    Проверяют местную устойчивость стенки  в середине  первой  от опоры панели при  hст /δф > 50:

     

    ,                        (49)

     

    где ,  ­– нормальные и касательные напряжения в середине расчетной панели;

    kи, kτ – находят по графикам [1, прил. 5];

    hрасч – меньший размер панели  стенки;  

     – высота фанерной стенки в свету.

    Выполняют проверку фанерной стенки на срез:

     

    ,                                   (50)

     

    где Rср.ф – расчётное сопротивление фанеры при работе её на срез.

    Выполняют проверку прочности клеевого шва между шпонами фанеры в опорном сечении:

     

    ,                                 (51)

     

    где Rскф – расчётное сопротивление фанеры при работе её на скалывание;

     – статический момент пояса относительно нейтральной оси поперечного сечения балки;

    hш –  общая  длина клеевого шва, равная суммарной ширине приклеенных к фанере деревянных элементов.

    Балки с волнистой фанерной стенкой.  Работа клеефанерных балок с волнистой стенкой отличается от работы балок с плоской стенкой тем, что волнистая стенка не может воспринимать нормальных напряжений, т.е. обладает податливостью. При этом пояса балки получают возможность упруго сдвигаться друг относительно друга, и балка рассчитывается как составная на податливых связях.

    Коэффициент податливости вычисляется по формуле:

     

    ,                                                      (52)

     

    где Sп – статический момент пояса относительно оси балки;

    Eдр – модуль упругости древесины пояса;

    Gф – модуль сдвига фанеры;

    l – пролет балки;

    dф – толщина фанерной стенки;

    k0 – коэффициент равный отношению длины дуги волны к длине волны, по значению близок к единице, поэтому им часто пренебрегают.

    Момент инерции балки как цельного элемента определяется без учета работы стенки:

     

    ,                                 (53)

     

    где bп, hп – ширина и высота пояса;

    H0 – высота стенки.

    Коэффициент, учитывающий податливость волнистой фанерной стенки при расчете на прочность:

     

    ,                                    (54)

     

    где H – высота балки.

    Коэффициент, уменьшающий жесткость балки:

     

    .                                         (55)

     

    Проводят проверку балки на прочность:

    — нижнего пояса

     

    σp = M/kwW0 ≤ Rр;                                  (56)

     

    — верхнего пояса  

     

    σ = M/( kwW0·φ) ≤ Rc,                                   (57)

     

    где φ – коэффициент продольного изгиба для верхнего пояса из плоскости;

    W0 = 2J/H0 – момент сопротивления сечения балки.

     

     

     

    Фанерную стенку проверяют на устойчивость:

     

    ,                                  (58)

     

    где Rср.ф – расчётное сопротивление фанеры при работе её на срез;

    φВ – коэффициент устойчивости волнистой фанерной стенки;

    Sп – статический момент полки относительно нейтральной оси балки.

    Проверяют балку на действие наибольших касательных напряжений в опорном сечении в месте соединения стенки с полками:

     

    ,                                    (59)

     

    где Rск.ф – расчётное сопротивление скалыванию клеевых швов между шпонами фанеры;

    bрасч =2а,  где а – глубина паза.

    При определении прогиба балки учитывается коэффициент, уменьшающий жесткость балки вследствие податливости стенки, а также влияние на прогиб скалывающих напряжений.


    5.2.  Дощатоклееные колонны

     

    Дощатоклееные колонны для зданий с напольным транспортом и подвесными кранами проектируют, как правило, постоянного по высоте сечения (рис.23, а). Для зданий с мостовыми кранами характерно применение колонн с уступом для укладки подкрановых балок (рис.23, в).

    Колонны рассчитывают: на вертикальные постоянные нагрузки от веса покрытия, стенового ограждения и соб­ственного веса; на вертикальные временные снеговые нагрузки, нагрузки от кранов и различных коммуникаций, размещаемых в плоскости покрытия; на горизонтальные временные ветровые нагрузки и нагрузки, возникающие при торможении мостовых и подвесных кранов.

    Поперечная рама, состоящая из двух колонн, защемленных в фундаментах и шарнирно связанных с ригелем (балкой, фермой, аркой), представляет собой однажды статически неопределимую систему. Расчетная схема рамы приведена на рисунке 24, где  Рп – нагрузка от собственного веса покрытия; Рс – снеговая нагрузка; Рст – нагрузка от стенового ограждения; Рк – от собственного веса колонны;  – линейные и сосредоточенные нагрузки от действия ветра на стены. Эксцентриситет приложения нагрузки от стенового ограждения е находится как расстояние от оси колонны до оси панели с учетом толщины опорного бруса.

    За неизвестное удобно принимать продольное усилие в ригеле, который считается абсолютно жестким. Величина X находится как сумма Xi, определенных из канонических уравнений метода сил для каждого вида загружения отдельно:

    .                                    (61)

     


    Для загружений, вызывающих усилия в ригеле получены следующие выражения для Хi:

    а) ветровая линейная нагрузка:

    ;                             (60)

    б) ветровая сосредоточенная нагрузка: 

    ;                                      (61)

    в) нагрузка от стеновых панелей, приложенных с эксцентриситетом е:

    .                                        (62)

    Анализируя результаты статического расчета рамы можно сделать вывод о том, что опасным сечением, в котором возникают максимальные сила N, изгибающий момент M и поперечная сила Q, является сечение на уровне обреза фундамента (в заделке). Так, если рассмотреть стойку отдельно от ригеля, то можно видеть, что она представляет собой консольную балку, а в такой балке опасным сечением является сечение в заделке. Для определения усилий в опасном сечении, из двухшарнирной рамы вырезаем стойку, к ней прикладываем местную нагрузку, действие отброшенных связей заменяем соответствующими реакциями как показано на рисунке 25.


    Определение внутренних силовых факторов M, N, Q ведем как консольной балки. Для определения расчетных сочетаний усилий, усилия от двух одновременно действующих кратковременных нагрузок (снеговой и ветровой) учитываем с коэффициентом сочетания .

    Усилия определяем для левой и правой стоек.

    Максимальные усилия возникают в нижнем сечении колонн у заделки в фундамент. Изгибающие моменты в левой и правой стойке определяются из выражения:

           (63)

     

    Поперечные силы в стойках:

                      (64)

    Продольное усилие сжатия:

    .                               (65)

    Изгибающий момент в основании колонны от стеновых панелей:

    .

    Определив усилия M, N, Q в опасном сечении стойки, переходим к подбору сечения стойки. Предварительно, на основании опыта проектирования подобных элементов, задаемся сечением стойки (рис.26). Высоту и ширину стойки принимаем в пределах:

    ;  .

    Сечение стойки должно быть развито в плоскости рамы. Набирается сечение стойки из досок уложенных плашмя. Толщина доски не более 40 мм, после двухсторонней острожки  толщина доски  Высота сечения стойки увязывается соответственно с толщиной доски.

    Для принятого сечения стойки определяется геометрические характеристики сечения и гибкость  и .

    Площадь сечения:

    .

    Моменты сопротивления:

    Моменты инерции:

    ; .

    Гибкость стойки относительно оси X определяется из выражения:

    где  – расчетная длина стойки, при жестком защемлении в фундаменте,

    – радиус инерции для прямоугольного сечения, равен ,

    Гибкость  должна быть не более . При большей гибкости необходимо изменить размеры поперечного сечения стойки.

    Гибкость стойки относительно оси Y  будет равна:

    ,

    где  – расчетная длина стойки относительно оси Y, которая зависит от наличия связей и распорок по стойкам. В каждом конкретном случае решается индивидуально. В общем случае  – это расстояние между узлами вертикальных связей, поставленных по колоннам в плоскости продольных стен. При отсутствии распорок по высоте колонны .

    Относительно оси Y гибкость также не должна превышать предельного значения . При большей гибкости необходимо увеличить размеры поперечного сечения стойки, либо изменить систему связей.

    Определив приведенные выше характеристики, выполняем проверки по прочности и устойчивости.

    Проверка на прочность относительно оси Х производится по формуле:

    ,                                  (66)

    где N, M – расчетные усилия в заделке колонны;

    Fнт – расчетная площадь сечения нетто;

    Wнт – расчетный момент сопротивления нетто относительно оси X;

    ,

    где ;

     – расчетное сопротивление древесины при работе на сжатие;

    Относительно оси Y прочность стойки проверяем как центрально-сжатого элемента по формуле (10):

    ,                                      (67)

    где  – коэффициент продольного изгиба определяется по формулам (11), (12) в зависимости от гибкости .

    Проверка устойчивости плоской формы деформирования производится по формуле (29):

    .

    Проверка клеевого шва на скалывание:

                                  (68)

    где ;

    Qвн – определяется по формуле (27).

     

    Расчет и конструирование узлов сопряжения стойки с несущей конструкцией и стойки с фундаментом

    Расчет узла сопряжения стойки с несущей конструкцией начинают с проверки обвязочного бруса на смятие по формуле:

    ,                                          (69)

    где  – расчетное сопротивление древесины бруса смятию под углом 90°.

    Требуемая ширина обвязочного бруса bбр:

    ,

    где  – ширина несущей конструкции (рис. 27).

     

    Анкерные болты в узле сопряжения стойки с фундаментом (рис.28) работают на растяжение. Поэтому при расчете анкерных болтов должна быть взята такая комбинация нагрузок, при которой в анкерных болтах будет действовать максимальное растягивающее усилие. Такой комбинацией будет постоянная нагрузка и ветровая. От этих нагрузок будем иметь:

    ,

    ,

    где  – высота ступеней (минимум 3 доски ).

    Определяем напряжения на поверхности фундамента по формуле:

                                        (70)

    Вычисляем размеры участков эпюры:

    Применяя уравнение статики, определяем усилие, возникающее в анкерных болтах. Моментную точку берем в точке О, на линии равнодействующей в сжатой зоне (рис.28).

    ,    

                                         (71)

    где Z – усилие в анкерных болтах. Зная усилие, определяем требуемую площадь анкерных болтов:

                                             (72)

    где – количество поставленных болтов с одной стороны колонны,

    – расчетное сопротивление растяжению болта.

    По площади подбираем диаметр анкерных болтов  по сортаменту.

    Из условия размещения анкерных болтов принимаем траверсы из уголков. Принятые траверсы рассчитываем как металлические элементы, работающие на изгиб (рис. 29). Расчетная длина траверсы :

    ,

    где b – ширина колонны,

    dб – диаметр анкерного болта.


    Со стороны опорной части колонны на траверсу действует нагрузка .

    Расчетный момент траверсы:

                                     (73)

    Требуемый момент сопротивления сечения получаем из условия обеспечения прочности:

    .                                    (74)

     

     


    5.3.  Дощатоклееные арки

     

    Клееные многослойные дощатые арки применяют наиболее широко. Они легки, красивы, перекрывают большие пролёты. Клееные дощато-фанерные арки применяют значительно реже, вследствие большой трудоёмкости их изготовления, меньшей огнестойкости и дефицитности высокопрочной фанеры. Схемы арок выбирают в зависимости от назначения здания, его пролёта, материала кровли и условий изготовления.

    Арки рекомендуется применять в качестве несущих конструкций покрытий при значительных пролетах. Опираются арки на фундаменты или контрфорсы стен. Применение арок с затяжками значительно увеличивает металлоемкость конструкции, но позволяет снизить расчетные усилия.

    По внешнему очертанию арки бывают пологие, очерченные по окружности с соотношением стрелки арки к перекрываемому пролету f/l=1/4-1/6, высокие стрельчатые из элементов кругового или ломаного очертания с f/l=1/2-1/3  (рис. 30).

    По статической схеме арки разделяют на трех- и двухшарнирные, а по схеме опирания  – на опирающиеся на фундаменты без затяжек и с затяжками, которые воспринимают распор. Арки с затяжками могут опираться как на фундаменты, так и на колонны или стены здания. Двухшарнирные арки по расходу материалов более экономичны, но в связи с трудностью перевозки при­меняются при пролетах до 30 м. Трехшарнирные можно применять при пролетах 60 м и больших. Арки обычно изготовляют с постоянным по длине прямоугольным поперечным сечением, а иногда, с целью экономии древесины,– двутаврового сечения и очень редко – с переменным по длине поперечным сечением. Для уменьшения высоты поперечного сечения или увеличения несущей способности арки армируют стальной арматурой.

    Гнутоклееные арки изготовляют из строганых досок толщиной не более 33 мм с отношением радиуса кривизны арки к толщине досок. При больших пролетах арок, когда ширина сечения больше ширины досок по сортаменту, возникает необходимость склеивания досок по ширине, а также применения монтажных стыков, если размеры полуарок превышают допустимые габариты перевозимых транспортом конструкций.

    Затяжки арок изготавливают из круглой стали (при небольших пролетах) или из двух стальных профилей. Для предотвращения провисания затяжки подвешивают к аркам с помощью тяжей, поставленных на таком расстоянии, чтобы гибкость затяжек была не более 400. Неизменяемость  положения и устойчивость арок обеспечивают установкой системы связей.

    Для арок пролетом до 30 м сопряжение в ключевом шарнире и опирание на фундамент или стену осуществляют лобовым упором, закрепляя арки между собой деревянными накладками на болтах или с помощью стальных профилей – башмаков  (рис. 31).

    При пролетах арок более 30 м в опорных и ключевых узлах устраивают стальные башмаки с плиточными или валиковыми шарнирами (рис. 32). Конструктивных решений шарниров арок много и их выбор зависит от конкретных условий проектируемых арок и возможности их изготовления. Усилия в арках определяют методами строительной механики при загружении их наиболее невыгодным сочетанием нагрузок. При этом распределение снеговой и ветровой нагрузок по поверхности арок необходимо учитывать согласно [3, прил. 3, 4].

     В общем случае при расчете арок определяют опорные реакции для каждого вида нагрузки, разбивают арку по длине на ряд сечений и находят их координаты и направляющие косинусы и синусы, а затем вычисляют усилия Mx, Nx, Qx. Для ускорения статического расчёта используют пакеты прикладных программ. Опасным сечением для арки является то, в котором действует максимальный изгибающий момент и соответствующие силы Nc и Qc. Определяют геометрические характеристики сечения, проверяют прочность и устойчивость арки в плоскости кривизны при наиболее невыгодных сочетаниях нагрузок как сжато-изогнутого элемента. При этом расчетную длину элементов l0  принимают равной:

    — для трехшарнирных арок при симметричной и несимметричной             нагрузках  l0=0,58S;

    — для двухшарнирной при симметричной нагрузке  l0=0,35S;

    — для двух шарнирной при несимметричной нагрузке  l0=0,58S,

    где S – полная длина дуги арки.


     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     

     



    Нормальные напряжения в арках вычисляют по обычной формуле для сжато-изгибаемого стержня в сечении с максимальным изгибающим моментом и соответствующей ему нормальной силой:

     

    σ=N/Fнт+Mд/( ξWнт) Rc,                            (75)

     

    Mд=Mc/ξc+ Mк.с/ξк.c,                              (76)

     

    ξ=1-(λ2×N0/3000×Fбр×Rс),                                (77)

     

    где N0 – значение сжимающей силы в ключевом сечении арки.

    При отношении напряжений от изгиба к напряжениям от сжатия менее 0,1 производят расчет на устойчивость в плоскости кривизны арки по формуле:

    σc=N/j×Fрасч Rc.                                  (78)

     

    Расчет арок на устойчивость плоской формы дефор­мирования производят по формуле:

     

                                (79)

     

    Клеевые швы проверяют на скалывание по формуле:

     

    t=Q×S/(J×b×ξ) ≤ Rск,                                         (80)

     

    где Q – расчетная поперечная сила в арке;

    S – статический момент;

    J – момент инерции;

    b – ширина арки;

    Rск – расчетное сопротив­ление скалыванию для клееных элементов.

    Накладки в коньковом узле рассчитывают на попереч­ную силу при несимметричном загружении арки. Наклад­ки работают на поперечный изгиб. Изгибающий момент накладки определяется по формуле:

     

    Ми = Q ×e1/2,                                  (81)

     

    где Q – максимальная поперечная сила в коньковом сечении арки.

    Усилия, действующие на болты:

     

    R1 = Q/(1–e1/e2),                                    (82)

     

    R2 = Q/(e2/e1–1),      

     

    где е1 и е2 – расстояния между осями болтов накладки (см. рис. 31).

    Несущую способность болтов определяют с учетом направления сил под углом к волокнам древесины; она должна быть больше действующих усилий R1, R2.


    5.4.  Дощатые трехшарнирные рамы

     

    Рамные конструкции отличаются от арочных своим очертанием, которое сильно влияет на распределение изгибающих моментов в пролете. При ломаном очертании рамы в жестком карнизном узле при загружении как левой, так и правой половины рамы возникают моменты одного знака. В результате при загружении рамы по всему пролету угловые моменты сильно увеличиваются, что ограничивает длину пролетов, перекрываемых рамами, до 18–30 м. Рамы могут воспринимать горизонтальные нагрузки, обеспечивая поперечную устойчивость здания без защемления стоек и без устройства жестких поперечных стен. Рекомендуется делать рамы трехшарнирными, так как в статически определимых системах не происходит пеpeраспределения усилий при деформировании под длительно действующей нагрузкой, что обеспечивает соответствие их расчетным усилиям. Трехшарнирные рамы (рис. 33) выполняют, как правило, дощатоклееными прямоугольного преимущественно переменного по длине стоек и ригелей поперечного сечения. Уклон внутренней кромки относительно наружной принимают не более 15 %.

    Соединяют стойки и ригели в карнизном узле разными способами в зависимости от условий изготовления рам. Наиболее широко распространено соединение по биссектрисе карнизного узла с помощью зубчатого стыка, осуществляемого фрезерованием готовых элементов стоек и ригелей и последующим склеиванием их в заводских условиях. В этом случае изготовляют прямолинейные клееные элементы стоек и ригелей в виде балок из досок толщиной 33 мм с последующей распиловкой их для получения двух элементов переменного по длине сечения. Рекомендуется высоту ригеля в коньке принимать не менее 0,3, а стойки в опорном узле ­­– не менее 0,4 наибольшей высоты их в карнизном узле.

    Для экономии древесины карнизный узел выполняют с вклеенной вставкой длиной 40-60 см, соединяемой со стойкой и ригелем зубчатым стыком. При этом напряжения в карнизном узле от действия наибольшего изгибающего момента воспринимаются цельным сечением вставки вдоль волокон древесины в отличие от узла без вставки, где напряжения действуют под углом к волокнам.

    Ригели со стойками можно соединять с помощью болтов, располагаемых в узле по окружности.

    В этом случае ригель выполняют более узким, чем стойка и устанавливают в прорезь верхней части стойки. Существуют и другие способы крепления стоек и ригелей с помощью стальных деталей, наклеенных листов бакелизированной фанеры и др. (рис. 34).


    Дощатоклееные гнутые рамы. В гнутоклееных рамах полурамы изготовляют гнутьем тонких досок толщиной не более 1/150 радиуса кривизны. По длине ригель и стойки могут быть переменного сечения, достигнутого устройством по его высоте уступа и увеличивающегося плавно от шарнира до начала закругления. Уступы рекомендуется опиливать изнутри рамы по наклонной к ее оси линии.

    В связи с переменностью высоты сечения нормальные напряжения следует проверять в различных местах рамы по длине. Нормальные напряжения при расчете гнутоклееных рам находят по формулам для сжато-изгибаемого стержня:

     

    σc=Ni/Fiнт +Mдi/Wiнт×krвRc,                    (83)

     

    Mдi=Mi/ξi,                                       (84)

     

     ξi=1–(λ2×Ni/3000×Fiбр×Rс),                          (85)

     

    где Ni, Mi – нормальная сила и изгибающий момент в рассматриваемом сечении;

    Fiнт, Wiнт – площадь и момент сопротивления рамы в рассматриваемом сечении;

    λ – гибкость рамы, постоянная для всех сечений рамы;

    krв –  коэффициент к расчетному сопротивлению, учитывающий криволинейносгь эпюры напряжений.

    Коэффициент krв определяют по формулам:

    а) при проверке напряжений по внутренней кромке:

     

    ;                                         (86)

     

    б) при проверке напряжений по наружной кромке:

     

    ,                                         (87)

     

    где h – высота сечения,

    r – радиус кривизны оси рамы.

    При переменной высоте прямоугольного сечения рамы ее гибкость можно вычислить приближенно:

     

    λ=lрасч/0,289hср.вз ,                                    (88)

     

    где lрасч –  расчетная длина, равная длине полурамы по осевой линии;

    hср.вз –  средневзвешенная высота сечения рамы.

    Дощатоклееные рамы из прямолинейных элементов. Рамы из прямолинейных элементов более технологичны чем гнутоклееные, т.к. на заводе их собирают и склеивают из прямолинейных досок (рис. 34). Наиболее ответственной частью таких рам является карнизный узел (место соединения стойки с ригелем), в этом месте действует наибольший изгибающий момент.

    Статический расчет рам выполняют по общим правилам строительной механики при загружении их наиболее невыгодным сочетанием нагрузок в соответствии с нормативными рекомендациями [3].

    Расчет рам из прямолинейных клееных элементов производят на прочность и устойчивость плоской формы деформирования. При проверке напряжений по биссектрисному сечению, в котором элементы соединяются на зубчатый шип, учитывают как технологическое ослабление, так и криволинейность эпюры напряжений:

     

    σc=N/(kт×Fнт)+Mд/( kт×h×Wнт) ≤ R,                  (89)

    ,

    где kт – коэффициент технологического ослабления сечения, принимаемый для элементов постоянного сечения 0,8 и для элементов переменного сечения 0,9;

    hб высота биссектрисного сечения;

    h – коэффициент, учитывающий криволинейность эпюры напряжений;   

    α – угол между биссектрисой и нормалью к оси стойки;

    .                                (90)

    В растянутой зоне биссектрисного сечения должны быть проверены напряжения растяжения по формуле:

    ,                    (91)

    где k – безразмерный коэффициент;

    Rp, Rи – соответственно расчетные сопротивления древесины растяжению и изгибу вдоль волокон;

    Rpα – расчетное сопротивление древесины растяжению под углом α.

    Получили распространение в строительстве рамы из прямоугольных элементов с ригелем, имеющим консоли и опирающимся шарнирно на стойки и раскосы (рис. 34 е, д). Такие рамы выполняют из отдельных заранее заготовленных элементов – стоек, подкосов и ригелей со сборкой их на месте строительства. Ригели проектируют клееными переменного по длине сечения в соответствии с действующими на разных участках усилиями. При необходимости они могут иметь большой вынос консоли. Крепление стоек и подкосов к ригелю и фундаменту осуществляют с помощью накладок и болтов.

    Клеефанерные рамы выполняют двутаврового или коробчатого поперечного сечения. Наибольшее распространение получили рамы с карнизным узлом из стальных накладок. Применяются также рамы со специальными гнутоклееными фанерными вставками в карнизном узле. Волокна рубашек фанеры необходимо располагать таким образом, чтобы они были параллельны оси рамы. Клеефанерные рамы рассчитываются аналогично клеефанерным балкам по приведенным геометрическим характеристикам. Расчет рам необходимо проводить не только по прочности, но и по деформациям.


     


    5.5.  Балочные фермы

     


    Основные положения по проектированию. Балочные фермы представляют собой систему стержней, как правило, шарнирно соединенных в узлах и работающих, в основном, на продольные усилия.

    Они могут иметь различное количество панелей в зависимости от размера пролета и схемы. По очертанию стропильные фермы делят на треугольные, прямоугольные, многоугольные, трапециевидные, сегментные и шпренгельные. Треугольные наименее эффективны, поскольку усилия в поясах резко уменьшаются по длине от опоры к середине пролета, а в решетке — наоборот, поэтому фермы этого типа наиболее материалоемки. Применяют их только при кровлях с большими уклонами. Наиболее рациональны сегментные и многоугольные фермы, очертание которых приближается по форме к эпюре моментов. Поэтому усилия в поясах близки по значению, а элементы решетки нагружены незначительно.

    Сегментные, многоугольные и трапециевидные фермы применяют при рулонной кровле. В фермах прямоугольного очертания усилия в поясах при равномерно распределенной нагрузке возрастают от опор к середине пролета, а в решетке соответственно уменьшаются. Трапециевидные фермы по распределению усилий занимают промежуточное положение между треугольными и прямоугольными.

    Окончательно схему фермы принимают после учета эксплуатационно-технологических, архитектурно-строительных требований, трудоемкости изготовления, расхода материала и стоимости.

    Фермы выполняют большей частью металлодеревянными. Верхние пояса в них, а также сжатые элементы решетки выполняют из древесины. Для ниж­них поясов и растянутых элементов решетки применяют стальные профили, чаще всего угловые, а при незначительной высоте ферм и малых пролетах – круглого сечения. Решетка треугольная или раскосная. Стержни, как правило, центрируют в узлах. Внецентренное крепление решетки к поясам допустимо лишь в сегментных и многоугольных фермах, т.к. усилия в них незначительны.

    При наличии агрессивных сред либо по технологическим требованиям эксплуатации, фермы могут быть цельнодеревянными. В этом случае в нижнем поясе необходимо использовать высококачественную древесину первого сорта.

    Отбор древесины при ее применении для растянутых элементов должен быть тщательным, так как ее пороки отрицательно влияют на прочность при растяжении. Не­сколько в лучшем положении находятся растянутые эле­менты из клееной древесины, поскольку в склеиваемых досках предварительно можно вырезать места с пороками, а их соединения, выполненные на зубчатый шип, расположить в разбежку. Это объясняет оправданное использование в качестве нижних поясов ферм клееной древесины, особенно с точки зрения повышения огнестойкости конструкции по сравнению с фермами с металлическим нижним поясом.

    Усилия в элементах ферм определяют обычным способом.

    Треугольные фермы из брусьев и бревен на лобовых врубках. Фермы представляют собой конструкции построечного изготовления: пояса и раскосы деревянные из бревен или брусьев, а стойки – тяжи из круглой стали (рис. 35). Фермы надежны, просты, не требуют высокой механизации производственных процессов. В них допускается применение воздушно-сухой древесины, поскольку в процессе эксплуатации при усушке ее возможно регулярное подтягивание тяжей. Однако для изготовления требуются высококвалифицированные плотники. Поскольку врубки могут передавать только сжимающие усилия, существенное значение имеет направление раскосов, которые должны работать на сжатие. Поэтому в фермах треугольного очертания их проектируют нисходящими. При таких решениях стойки решетки работают на растяжение во всех панелях. Такие фермы применяют для устройства подвесных чердачных перекрытий, прикрепленных к узлам их нижних по­ясов хомутами.

    Для поясов и раскосов рекомендуют применять обзольные либо чисто  обрезные брусья, а также бревна. В последнем случае комли бревен располагают в направлении больших усилий. Длину панели верхнего пояса рекомендуют принимать от 1,5 до 2,5 м. Стойки (по возможности) изготавливают из одного тяжа, поскольку парные тяжи не гарантируют одинакового натяжения. Для улучшения доступа к концам тяжей при наличии подвесного перекрытия предусматривают зазор не менее 150 мм между нижним поясом и верхним прогоном перекрытия.

    В бревенчатых фермах все узлы центрируют по оси бревен, а в брусчатых – по ослабленному сечению пояса. Раскосы устанавливают так, чтобы оси их проходили через центр площадки смятия лобовой врубки. В стыках растянутых поясов с помощью цилиндрических наге­лей устанавливаются парные накладки, количество которых определяют расчетом. Стык сжатых поясов, осуществляемый лобовым упором с тщательной приторцовкой поверхностей, располагают вблизи узлов средних панелей и перекрывают парными накладками, закрепленными двумя болтами с каждой его стороны. Толщины накладок по конструктивным требова­ниям должны быть не менее трети ширины бруса или диаметра бревна. Опорные узлы выполняют либо с помощью врубок, либо лобовым упором и стальными натяжны­ми хомутами. Во всех вариантах опорного узла ставят подбалку. Коньковый узел решают с помощью лобового упора с накладками на болтах. Внеузловое  приложение нагрузки не рекомендуется.

    При расчете фермы определяют геометрические размеры, нагрузки и усилия во всех элементах по правилам строительной механики или используя пакеты прикладных программ.

     При приложении нагрузки в узлах фермы назначают предварительные размеры сечения верхнего и нижнего поясов по формуле:

     

    Fпред=N/[(0,6-0,8)R],                                      (92)

     

    где N – усилие в поясах;

    R – расчетное сопротивление сжатию или растяжению.

    В случае расположения нагрузки между узлами расчет элементов верхнего пояса фермы производим как сжато-изгибаемых стержней:

     

    σc=N/Fрасч +Mд/WрасчRc,                           (93)

     

    где Мд=М/ξ – изгибающий момент в стержне, определенный из расчета по деформированной схеме.

    В брусчатых фермах ширина поясов и раскосов одинакова. Рассчитывают и проектируют  опорный узел фермы, в котором вначале определяют глубину врубки, и в зависимости от нее принимают тип узла. Если глубина врубки больше 1/3 высоты нижнего пояса, то опорный узел решают с помощью натяжных стальных хомутов.


    Конструкции сегментных ферм. Верхний пояс  клееных сегментных ферм очерчен по дуге и разбит на панели крупных размеров. В современном строительстве применяют главным образом металлодеревянные сегментные фермы с клееным верхним поясом и с прямолинейным нижним поясом из профильной или круглой стали (рис. 36). Пролеты клееных ферм рекомендуется принимать до 36 м.

    Фермы с криволинейным верхним поясом – индустриальные конструкции, выгодно отличающиеся от других ферм. Они легки, имеют небольшое число монтажных элементов, просто решенные узлы и т. п. Недостатком таких ферм является сложность устройства крыши, что ограничивает их применение.

    Усилия в верхнем поясе примерно одинаковы по всей длине, что позволяет рационально использовать древесину при одинаковом сечении пояса.

    Отношение высоты ферм к пролету рекомендуется принимать не менее 1/6 в случае прямолинейного клееного и не менее 1/7 в случае металлического нижнего пояса.

    Верхний пояс сегментных ферм рекомендуется изготовлять неразрезным на весь пролет, однако в некоторых случаях это невозможно осуществить по условиям транспортирования или заводской технологии. Тогда верхний пояс может быть изготовлен неразрезным на его половину или состоящим из отдельных блоков, соединяемых в узлах. Стыки гнутоклееных блоков выполняют непосредственным упором торцов или через сварные вкладыши в узлах, закрепленных от выхода из плоскости фермы.

    В конструктивном отношении верхний пояс представляет собой пакет, склеенный из досок плашмя, имеющий прямоугольное сечение шириной b и высотой h. Поясам сегментных ферм следует придавать строительный подъем, равный 1/200 пролета.

    Элементы решетки сегментных ферм изготовляют либо из брусьев, либо из клееной древесины. В сквозных конструкциях наибольшие трудности вызывает решение узлов. Чем меньше элементов сходится в узле и чем меньше усилия в этих элементах, тем проще конструкции узлов. В этом  отношении сегментные фермы явля­ются выгодной конструкцией, так как в ней применяется треугольная решетка и в узлах сходится не более двух элементов решетки, которые центрируют в этих узлах. Очертание верхнего пояса близко к кривой давления от нагрузки, равномерно распределенной по всему пролету, и усилия в решетке сравнительно малы. Число панелей верхнего и нижнего пояса, а, следовательно, и число раскосов зависит от размера пролета. Следует стремиться использовать минимальное число панелей  и принимать длину панелей верхнего пояса не менее 6 м.

    Конструкция узлов верхнего пояса различна при разрезном и неразрезном поясе. В обоих случаях к концам раскосов  прикрепляют на болтах металлические пластинки – наконечники, имеющие в свободном конце отверстие для узлового болта.

    При разрезном верхнем поясе в его стыке помещают металлический вкладыш, зажатый между сходящимися в узле торцами элементов верхнего пояса. Узловой болт расположен в центре вкладыша. Усилия от раскосов через пластинки-наконечники воспринимаются узловым болтом, который передает их равнодействующую на металлический вкладыш, а последний – на верхний пояс. Стык верхнего пояса перекрывается деревянными накладками на болтах.

    В случае сегментных ферм с неразрезным верхним поясом рекомендуется нижний пояс разбивать на панели одинаковой длины. Верхний пояс таких ферм следует разбивать так, чтобы первые от узла панели не превышали 0,7 длины остальных панелей одинаковой длины.

    При неразрезном верхнем поясе конструкция его узлов несколько меняется, хотя основной принцип решения остается неизменным. Узловой болт проходит через отверстие в металлических пластинках – накладках, прикрепленных к верхнему поясу с обеих сторон в месте узла с помощью стальных нагелей.

    Элементы решетки к верхнему поясу обычно прикрепляют с помощью стальных пластинок-наконечников. Последние соединяются с элементами решетки глухими стальными нагелями. В этом случае отверстия в металлических пластинках-наконечниках могут быть про­сверлены заранее. При использовании сквозных нагелей отверстия для них надо одновременно сверлить в металлических пластинках-наконечниках и в деревянном верхнем поясе, что вызывает известные затруднения. При раздельном сверлении отверстия в металле и дереве могут не совпадать.

    Как и при разрезном верхнем поясе, равнодействующая усилий, сходящихся в данном узле раскосов, передается металлическими пластинками-наконечниками на узловой болт, от него – на узловые металлические накладки, а от них рассредоточено металлическими нагеля­ми на верхний пояс. Нагели эти работают под углом к волокнам верхнего пояса, что должно учитываться в расчете.

    При решении опорного узла возможен вариант, который заключается в следующем: торец клееного верхнего пояса упирается в упорный элемент (упорная пластинка из листовой стали, усиленная ребрами жесткости или швеллер) сварного башмака. Боковые фасонки сварного башмака передают усилия на опорную плиту. К боковым фасонкам приваривают снаружи или внутри баш­мака стальные элементы нижнего пояса. Верхний пояс соединяют со сварным башмаком болтами (глухарями), причем болты (глухари) пропускают либо через боковые фасонки, либо через приваренные к упорной плите специально предназначенные для этой цели накладки из листовой стали.

    В опорных узлах, где сходятся элементы, имеющие большие усилия, должно быть осуществлено строгое центрирование всех элементов. Центром узла является точка пересечения усилий в верхнем и нижнем поясах и опорной реакции.

    При расчете фермы определяют геометрические размеры, нагрузки и усилия во всех элементах. Назначают предварительные размеры сечения верхнего и нижнего поясов по формуле (92).

    Вследствие криволинейности верхнего пояса и расположения нагрузки между узлами он работает как сжато-изгибаемый стержень. Принятое сечение проверяют по формуле (93).

    При проверке сечения неразрезного верхнего пояса по формуле для сжато изгибаемого стержня его расчетную длину при определении гибкости и коэффициента x принимают, в частном случае при равных панелях и равномерно распределенной нагрузке в пролете крайней (опорной) панели, 0,8 длины хорды, а в средних панелях – 0,6 длины хорды.

    Расчетный момент М в панели верхнего пояса вычисляют как сумму моментов от поперечной нагрузки M0 и момента MN от продольной силы N, возникающего за счет выгиба панели:

     

    М=М0± МN .                                             (94)

     

    В случае разрезного верхнего    пояса, загруженного равномерно распределенной нагрузкой  (рис. 37):

    М=(ql2/8)-Nf,                                          (95)

     

    где l проекция длины панели l0;

    f – стрела выгиба панели, приближенно определяемая по формуле ;

    R – радиус кривизны верхнего пояса.

    В фермах с неразрезным верхним поясом моменты в нем от действия поперечной нагрузки М0 определяют как для многопролетной неразрезной балки с равными или неравными пролетами. Моменты М0 можно находить с использованием соответствующих справочников или решением уравнений трех моментов. Моменты MN от продольных сил, возникающие вследствие выгиба пане­лей верхнего пояса, определяют исходя из предположения, что каждая панель представляет собой однопролетную балку, причем крайние панели, расположенные у опор фермы, рассматривают как однопролетные балки, шарнирно опертые с одного конца и с жестко закрепленным другим концом, а средние панели – как однопролетные балки с жестко закрепленными концами.

    Сегментные фермы с отношением высоты к пролету меньше 1/7 следует рассчитывать с учетом дополнительных напряжений, возникающих в неразрезных поясах в результате прогиба ферм с учетом деформаций податливых соединений.

    Металлический нижний пояс проверяют на растяжение по площади нетто, т.е. с учетом ослаблений от отверстий для узловых болтов. В случае эксцентричного крепления решетки в узлах нижнего пояса необходимо в расчетах учесть влияние возникающего при этом дополнительного изгибающего момента в нижнем поясе. Сжатые раскосы рассчитывают на продольный изгиб с расчетной длиной, равной дли­не раскоса между центрами узлов фермы; растянутые — на растяжение с учетом имеющихся ослаблений.

    Металлические пластинки-наконечники рассчитывают на продольный изгиб. Их расчетную длину принимают равной расстоянию от узлового болта до ближайшего болта в пластинке. Для уменьшения продольного изгиба пластинок-наконечников их стягивают дополнительным болтом, который ставят у торца деревянной части раскоса со стороны пояса.

    Узловой болт, на который надевают пластинки-нако­нечники раскосов, рассчитывают на восприятие силы R, равной равнодействующей усилий сходящихся в узле раскосов.

    Многоугольные брусчатые фермы. Высокая стоимость клееной древесины и конструкций из них, а также необходимость мощной индустриальной базы для производства клееных деревянных конструкций делает целесообразным во многих случаях использование брусчатых сквозных конструкций со сравнительно большими сечениями брусьев (рис. 38).

     Многоугольные брусчатые фермы относятся к металлодеревянным сборным конструкциям заводского изготовления.


    В этих фермах верхний пояс представляет собой многоугольник, вписанный в окружность или описанный около нее. Отношение высоты фермы к пролету принимают таким же, как в сегментных фермах, т.е. от 1/6 до 1/7. Нижний пояс делают, как правило, металлическим из профильной стали. Решетку принимают треугольной со стойками. Длина панели верхнего пояса значительно меньше, чем в клееных сегментных фермах, так как несущая способность панели ограничена размерами сечения бруса и его длиной.

    Как видно из этих схем, брус верхнего пояса перекрывает две панели и является двухпролетной неразрезной балкой, за исключением опорных панелей, имеющих вдвое меньшую длину.

    Решение узлов в многоугольных фермах во многом аналогично решению узлов в сегментных клееных фермах. Раскосы и стойки решетки имеют по концам металлические пластинки – наконечники, прикрепленные болтами к деревянному элементу и выполненные из полосовой стали.

    В узлы верхнего пояса, там, где находится его стык, закладывают металлические вкладыши. В центре проходит узловой болт, на который при сборке надевают пластинки-наконечники.

    Аналогично с сегментными фермами узловой вкладыш имеет клиновидную форму в соответствии с переломом верхнего пояса в месте узла. Стойки к верхнему поясу (стойки сжаты) присоединяют также с помощью пластинок, но так как пояс в этом месте не имеет стыка, то узловые пластинки-наконечники надевают на болт, вставляемый в проушины пластинки, которая передает усилия от стойки на верхний пояс. Стыки верхнего пояса перекрывают жесткими деревянными накладками на болтах. Стык нижнего пояса выполняют в любом удобном месте. Он перекрывается или уголками, или пластинками из полосовой стали. Опорный узел может быть решен так же, как в сегментных фермах.

    Верхний пояс в многоугольных фермах выполняют из брусьев, длина которых вдвое превышает длину панели. Таким образом, брус верхнего пояса представляет собой двухпролетную балку со средней опорой на стойке решетки. Если нагрузка приложена не только в узлах, но и между ними (обычный случай), то на средней опоре возникает изгибающий момент, значение которого зависит от просадки опоры, т. е. от просадки бруса верхнего пояса на стойке. Значение этой просадки в общем случае не известно — оно зависит от точности сборки фермы, качества древесины и пр. Поэтому в расчете рассматривают два крайних случая (рис. 39):

    1) средняя опора не имеет просадки, и брус верхнего пояса представляет собой двухпролетную неразрезную балку;

    2) средняя опора имеет такую просадку, что изгибающий момент на средней опоре равен нулю, и брус верхнего пояса представляет собой, следовательно, разрезную балку с пролетом равным длине панели.

    Для уменьшения расчетных изгибающих моментов от межузловой нагрузки в верхнем поясе искусственно соз­дают изгибающий момент обратного знака, для чего в промежуточных узлах верхнего пояса фермы применяют внецентренное стыкование брусьев, осуществляя упор только нижних частей поперечного сечения брусьев. Тот же прием применяют и в опорных узлах. Верхний пояс, являющийся в любом варианте сжато-изгибаемым стержнем, рассчитывают следующим образом:

    1. Расчет ведут как для двухпролетной неразрезной балки. Момент на средней опоре при равномерно распределенной нагрузке:

     

    Mq=-ql2/8,                                               (96)

     


    где l – проекция длины панелей.

    Нормальная сила N приложена на крайней опоре с эксцентриситетом  е, тогда:

     

    MN=N×e.                                          (97)

     

    Момент на средней опоре:

    MN=0,5N×e.                                     (98)

    Расчетный момент на средней опоре (рис. 39):

     

    M=Mq+ MN =-ql2/8+0,5N×e.                          (99)

     

    Внецентренное приложение силы N уменьшило расчетный момент. Положительный момент в половине длины панели:

     

    M=-ql2/16– N×e/4.                                 (100)

     

    Расчетным моментом обычно является момент на средней опоре.

    Проверка сечения:

     

    σc=N/Fрасч +Mд/WрасчRc,                  (101)

     

    где Мд=М/ξ.

     Коэффициент ξ определяют при гибкости верхнего пояса, подсчитанной по полной длине панели, что идет в запас прочности, так как при неразрезном верхнем поясе возможно определение гибкости по длине между нулевыми точками эпюры моментов.

    1. Рассчитывают как разрезную балку с пролетом, равным длине панели. Момент посередине длины панели от поперечной нагрузки при равномерно распределенной нагрузке:

     

    Mq=ql2/8.                                       (102)

     

    где l проекция длины панели.

    Момент от эксцентричного приложения нормальной силы:

     

    MN=N×e.                                          (103)

     

    Расчетный момент:

     

    M=Mq+ MN .                                   (104)

     

    Проверку сечения производят так же, как в предыдущем случае, причем гибкость определяют по полной длине панели.

    Раскосы к нижнему поясу прикрепляют с небольшим эксцентриситетом, равным расстоянию от центра узлового болта до оси уголка пояса (рис. 38). Изгибающий момент в нижнем поясе при этом равен произведению разности усилий в соседних панелях нижнего пояса на значение эксцентриситета. Для всех трех случаев подсчитывают изгибающий момент и растягивающее усилие и проверяют напряжение в нижнем поясе по формуле сложного сопротивления как для растянуто-изгибаемого стального стержня, рассчитываемого согласно [2].

    Сжатые элементы решетки проверяют на продольный изгиб так же, как в сегментных фермах, а растянутые – на растяжение по площади нетто с учетом ослаблений.


    5.6. Обеспечение пространственной жесткости элементов конструкций

     

    Плоскостные конструкции (балки, арки, рамы, фермы и т.д.) предназначены для восприятия нагрузок, действующих в их плоскости. В зданиях или сооружениях различные плоскостные конструкции при взаимном соединении образуют пространственную конструкцию, которая должна обеспечить надежное восприятие внешних сил любого направления при наиневыгоднейшем сочетании их в соответствии с условиями эксплуатации. При этом передача усилий от одних частей сооружения на другие вплоть до его основания должна проходить без какого-либо нарушения пространственной неизменяемости, устойчивости, жесткости и прочности всей пространственной конструкции в целом и отдельных ее частей.

    Поперечную устойчивость здания на  действие ветровой нагрузки обеспечивают путем защемления стойки в фундаменте. Продольная устойчивость здания может быть создана постановкой связей по продольным линиям стоек.

    Коэффициент линейного расширения древесины меньше чем стали и бетона. Поэтому температурных швов в зданиях с деревянным каркасом не устраивают.


    Связи по колоннам размещают в торцах зданиях и по его длине на расстоянии 25-30 м. Конструктивно связи рекомендуется решать на лобовых врубках. Врубка – это одностороннее соединение, поэтому усилия в элементах соединенных лобовой врубкой должны иметь постоянные по знаку значения: раскос работает на сжатие, пояс – на растяжение. Для обеспечения этого условия раскосы связей необходимо ориентировать как показано на рисунке 40. В этом случае ветровое давление, действующее на левый торец здания включает в работу связи на лобовых врубках .

    Для обеспечения устойчивости сжатых элементов связей необходимо ограничивать их длину (не более 6 м). Конструктивно это решается постановкой колонн фахверка с шагом 2-3 м и закреплением на них с шагом 2-3 м ригелей. При этом необходимо стремиться к тому, чтобы угол раскоса был 35-55°, несущая способность связи при этом наибольшая.


    Аналогично решается вопрос постановки связей в торцах здания (рис. 41). Колонны торцевого фахверка имеют переменную высоту и доводятся до отметки верха несущей конструкции покрытия. Шаг торцевых фахверков 2-3 м.

    б)

     

    а)

     

    Для обеспечения проезда транспорта  в здание в его торцах  необходимо устраивать проемы с воротами. Раскосы связей ориентируются как показано на рисунке 41а. При этом в углах здания образуется «жесткий узел», способный воспринять ветровое давление любого направления (рис.  41б).

    Ветровое давление передается на деревянную торцевую стену каркасной конструкции небольшой высоты, распределяется между фундаментом и верхним покрытием с помощью работающих на изгиб вертикальных стоек каркаса. Конструкция покрытия в этом случае должна передавать ветровое давление продольным стенам. Для этого необходимо устройство в плоскости верхних поясов несущих конструкций горизонтальных связей, располагаемых в торцевых частях здания и по его длине на расстоянии 25-30 м. Размещение связей в покрытии производят в тех же отсеках здания, что и связи по стойкам. Один из вариантов постановки связей покрытия показан на рисунке 42. Здесь распорки – элементы, работающие на сжатие, выполнены из дерева. Шаг распорок приблизительно равен шагу несущих конструкций 3, в сквозных конструкциях покрытия крепление


    связей осуществляется в узлах.


    Для обеспечения геометрической неизменяемости распорки 1 соединяются тяжами 2, установленными крестообразно и работающими на растяжение. Такие элементы целесообразно выполнять из стали. Связи такого типа называются скатными и применяются в конструкциях покрытий любого типа. В конструкциях зданий со стрельчатыми арками скатные связи устанавливаются с шагом 25-30 м от фундамента до ключевого шарнира.

    При использовании в качестве несущих конструкций покрытия балочных ферм необходимо устройство вертикальных связей и распорок в покрытии, шаг связей определяется расчетом и принимается 6-12 м.