Двутавровые балки с перекрестной дощатой стенкой на гвоздях

Двутавровые балки с двойной перекрестной дощатой стенкой на гвоз­дях относятся к конструкциям построечного изготовления. Они состоят из дощатых или брусчатых поясов, стенки из двух слоев досок и ребер жест­кости. Основные типы таких балок показаны на рис. 6.7. Благодаря про­стоте изготовления и надежности в работе, такие конструкции широко применялись в строительстве в 30-х годах XX века, в годы Великой Отече­ственной войны — при восстановлении мостов, в послевоенный период — в покрытиях производственных зданий и во многих случаях успешно экс­плуатируются до настоящего времени.

По очертанию верхнего пояса балки подразделяются на балки с парал­лельными поясами, односкатные и двускатные.

Основные правила конструирования балок:

• рекомендуемые пролеты балок 9... 15 м;

• полная высота балок с параллельными поясами, односкатных в середине пролета и двускатных в четвертях пролета h₁ должна прини­маться не менее 1/9 l;

• высота односкатных и двускатных балок на опоре должна быть не менее 0,4 h₁

• стенка выполняется из досок толщиной 25...40 мм, шириной 150.. .200 мм, наклоненных к нижнему поясу под углом 30.. .45°;

• пояса изготавливаются из досок толщиной 40.. .60 мм или из брусь­ев (мосты);

• доски поясов прибиваются к стенке гвоздями таким образом, чтобы защемление конца гвоздя во второй поясной доске было не менее 4d_гв (за вычетом 6 мм на щели);

• при брусчатых поясах каждая полубалка изготавливается отдельно, а затем пояса скрепляются болтами, а стенки — гвоздями;

• для обеспечения устойчивости стенки по длине балки ставятся ребра жесткости из досок через 1/10/;

• при изготовлении балок им придается строительный подъем 1/200 пролета;

• стыки поясов устраиваются в сечении, где поперечная сила равна нулю;

• на опорах и в местах расположения прогонов кровли рекомендуется ставить, помимо ребер жесткости, вертикальные накладки на всю высоту балки.

Особенности расчета балок. В статическом отношении балка с пере­крестной дощатой стенкой является фермой многорешетчатой системы с растянутыми нисходящими от опор и сжатыми восходящими раскосами, которые образуют дощатую стенку. Нормальные усилия воспринимаются только поясами, а стенка работает на сдвигающие усилия, возникающие между поясами и стенкой при изгибе балки. Эпюры действующих усилий и зоны гвоздевого забоя показаны на рис. 6.8. Подробный расчет таких ба­лок дан в учебниках [9,12]. Для односкатных и двускатных балок опасное сечение определяется так же, как для клееных балок [см. формулу (6.8)].

Клееные деревянные балки

Основные типы клееных деревянных балок (постоянного по длине сече­ния, односкатные, двускатные, ломаного очертания и криволинейные) и их поперечные сечения показаны на рис. 6.9. Основным типом поперечного се­чения является прямоугольное сечение постоянной высоты, другие типы се­чений применяются при технико-экономическом обосновании. Примеры применения клееных деревянных балок в покрытиях современных зданий показаны на рис. 6.10.

Расчет клееных деревянных балок ведется по известным формулам для изгибаемых элементов (см. подразд. 3.5) с введением поправочных коэф­фициентов к моменту сопротивления сечения и расчетному сопротивле­нию древесины на изгиб, учитывающих толщину слоев, высоту сечения, наличие ослаблений и другие факторы для клееных элементов. Оценку плоского напряженного состояния клееных балок на действие главных растягивающих напряжений в приопорных зонах рекомендуется произво­дить по рекомендациям пособий [8,12]. В односкатных и двускатных бал­ках опасное сечение (с максимальными напряжениями от изгиба) не сов­падает с сечением, в котором возникает максимальный изгибающий момент, и находится на расстоянии х_м от опоры с меньшей высотой. При равномерно распределенной нагрузке по всему пролету х_м находится по формулам:

а) для балок прямоугольного сечения

x_м = lh_оп /2h_ср (6.7)

г

l — расчетный пролет балки;

h_оп— высота балки на опоре с меньшей высотой;

h_ср — высота балок в середине пролета;

б) для балок двутаврового сечения

x_м = ( √γ (1 + γ) – γ) (6.8)

где γ = h_{оп /}ltgα,

h_оп – высота на опоре между осями поясов в двутавровых балках;

α – угол наклона верхнего пояса балки к горизонту.

> αh_оп — высота на опоре между осями поясов в двутавровых балках; а — угол наклона верхнего пояса балки к го­ризонту.

В тех случаях, когда по конструктивным соображениям необходимо уст­раивать подрезки у опор изгибаемых элементов (например, при опирании вспомогательных балок на главные, раскреплении прогонами верхних поя­сов ферм и т. д.), надо соблюдать следующее условие (см. рис. 6.2, в):

A / bh ≤ 0,4 MПа (6.9)

где A — опорная реакция балки от расчетной нагрузки;

b и h — ширина и полная высота сечения балки без подрезки.

При этом глубина врезки не должна превышать 0,25 высоты сечения, длина опорной площадки — не более высоты сечения, длина скошенной части — более двух величин глубины врезки: а < 0,25h, с < h, с₁ > 2а. Если среднее скалывающее напряжение получается более 0,4 МПа, подрезки на опоре балок не допускаются.

В двутавровых и тавровых балках в случаях, когда нагрузка приложена к нижнему поясу балок, делается проверка на отрыв нижней полки по эм­пирической формуле (см. рис. 6.2, г)

N ≤ 0,04b₁ c (6.10)

где N— суммарная расчетная двусторонняя нагрузка на полку от опорных

планок, кН;

b₁— ширина стенки балки или ее половина при односторонней нагрузке, см;

с — ширина опорной планки, см.

Клеефанерные балки

Общие сведения

Одним из путей снижения массы деревянных балок является применение клеефанерных балок. Вместе с тем клеефанерные балки имеют пониженную огнестойкость. Основные типы клеефанерных балок и их попе­речные сечения даны на рис. 6.11. Области применения клеефанерных ба­лок те же, что и клееных деревянных балок: прогоны покрытий, ребра клеефанерных панелей и т. д. Клеефанерные балки состоят из дощатых поясов и фанерной стенки. Для изготовления таких балок используются пиломатериалы хвойных пород 1-го и 2-го сортов и водостойкая фанера марок ФСФ и ФБС (см. подразд. 2.9). Требования к качеству изготовления клеефанерных конструкций аналогичны требованиям к изготовление КДК (см. главу 13).

Основные правила конструирования клеефанерных балок:

• рекомендуемые пролеты 9... 12 м (за рубежом до 40 м);

• размерами поперечного сечения предварительно задаются исходя из проектируемых нагрузок: h ≈ (1/10... 1/12)l, h_п ≈ (1/6... 1/10)h;

• пояса балок выполняются из досок δ ≤ 50 мм и шириной не более 100 мм, при большей ширине в поясах делаются пропилы для сни­жения напряжений в клеевом шве между древесиной и фанерой;

• фанерная стенка должна быть толщиной более 8 мм, стыки фанер­ной стенки по длине выполняются на усилие впритык с накладками;

• для лучшего использования несущей способности фанерной стенки листы фанеры располагаются так, чтобы волокна ее рубашек были направлены вдоль оси балки;

• устойчивость вертикальной стенки обеспечивается постановкой ре­бер жесткости через 1/10 l, в крайних панелях сечение усиливается дополнительным листом фанеры и подкосом жесткости;

- внутренние полости коробчатых сечений обрабатываются комбини­рованными составами антисептиков и антипиренов.

Порядок расчета клеефанерных балок тот же, что и клееных деревян­ных балок.

Особенности расчета клеефанерных балок с плоской стенкой

Ввиду неодинаковых модулей упругости древесины и фанеры в рас­четные формулы вводятся геометрические характеристики сечения, при­веденные к наиболее напряженному материалу — древесине:

F_пр = F_д + F_ф (Е_ф /Е_д), (6.11)

J_пр = J_д +J_ф (Е_ф /Е_д)), (6.12)

S_пр = S_д + S_ф (Е_ф /Е_д)), (6.13)

W = 2 J_пр / h (6.14)

где h— высота балок в расчетном сечении.

Расчет клеефанерных балок с плоской стенкой (см. рис. 6.11, а) ведется с учетом работы фанерной стенки на нормальные напряжения, однако основ­ная доля нормальных напряжений в клеефанерных балках воспринимается древесиной поясов, поэтому нижний пояс балок проверяется по формуле:

σ_р = M / W_пр ≤ R_р (6.15)

Верхний пояс клеефанерных балок проверяется по формуле:

σ_с = M /φ W_пр ≤ R_с (6.16)

где φ — коэффициент продольного изгиба из плоскости изгиба для верх­него пояса.

Проверка прочности клеевого шва между шпонами фанеры на скалы­вание (в пределах ширины пояса балки) или проверка клеевого шва между фанерной стенкой и поясами производится по формуле (см. рис. 6.11, а):

τ_ш = Q S_п / J_прh_п ≤ R_ф.ск, (6.17)

где: Q – максимальная поперечная сила на опоре;

S_п - статический момент пояса относительно нейтральной оси,

S_{п =} F_п h₀ /2, где h₀ - расстояние между центрами поясов на опоре,

F_п – площадь сечения пояса балки;

J_пр – приведенный момент инерции балки на опоре;

_п – суммарная ширина приклейки пояса к фанерной стенки с обеих сторон, _{п =} nh_п, где h_п - высота пояса; n – число вертикальных швов;

R_ф.ск, - расчетное сопротивление скалыванию фанеры вдоль волокон наружных слоев, для фанеры марки ФБС – 1,8 МПа, для фанеры марки ФСФ – 0,8 МПА.

Проверка прочности фанерной стенки на срез выполняется по формуле:

τ_ш = Q S_пр / J_прδ ≤ R_ф.ср, (6.18)

где S_пр - приведенный статический момент половины сечения балки относительно нейтральной оси,

S_{пр =} F_п h₀ /2 + δh²E_ф / 8E_д ;

J_пр - приведенный момент инерции балки на опоре;

δ – суммарная толщина фанерных стенок;

R_ф.ср – расчетное сопротивление фанеры на срез перпендикулярно плоскости листа, для фанеры марки ФБС – 12 МПа, для фанеры марки ФСФ – 6 МПа.

В необходимых случаях в клеефанерных балках двутаврового и коробчатого сечений прочность фанерной стенки в опасном сечении проверяется на действие главных растягивающих напряжений.

Устойчивость фанерной стенки с продольным по отношению к оси балки расположением волокон наружных слоев следует проверять на действие касательных и нормальных напряжений (при h_ст /δ>50). При поперечном по отношению к оси элемента расположении волокон фанерной стенки (h_ст /δ>80) проверка устойчивости производится только на действие касательных напряжений. Прогиб клеефанерных балок рассчитывается по формуле:

f = f₀ / k [1 + c(h/l)²].

Армированные клееные деревянные балки

В целях рационального использования высокосортной древесины, по­вышения жесткости изгибаемых элементов, а также в тех случаях, когда есть ограничения по высоте сечения конструкций, рекомендуется приме­нять армированные клееные деревянные балки. Исследования в области армированных клееных деревянных конструкций (балок, рам, арок) ве­дутся: в России — в Москве (ЦНИИСК им. Кучеренко), Владимире, Ир­кутске и Новосибирске; за рубежом — в Финляндии, Швеции, Германии, США. В качестве арматуры в основном используется стальная (в экспери­ментальном порядке стеклопластиковая типа АГ-4С) арматура периоди­ческого профиля класса А400 диаметром 12.. .25 мм.

Достоинства армированных балок: повышение несущей способности и жесткости балок, уменьшение высоты сечения конструкций, экономия качественной древесины (до 15 %). К недостаткам таких конструкций относится: возрастание трудоемкости и стоимости изготовления. Основ­ные схемы армирования балок и их поперечные сечения даны на рис. 6.12.

Технология изготовления армированных КДК отличается от технологии изготовления обычных КДК появлением дополнительных операций вклеива­ния арматурных стержней.

Процесс вклеивания арматуры включает в себя:

1. Приготовление клеевой композиции для склеивания арматуры с древесиной. В настоящее время лучшими композициями являются со­ставы на основе эпоксидных смол. Состав эпоксидного клея, массовых частей:

эпоксидно-диановая смола ЭД20 100

отвердитель (полиэтиленполиамин) 10..12

наполнитель (песок речной) или портландцемент 200

пластификатор (дибутилфталат) 20...25

Жизнеспособность состава 45.. .80 мин. Расход q = 0,2.. .0,4 кг/м пог. при диаметре арматуры 12...25 мм.

2. Фрезерование пазов (прямоугольного или полукруглого профиля) для арматуры по пластям заготовок производится одновременно с острожкой пластей.

3. Подготовка арматуры (резка или сращивание по длине, очистка от загрязнений и ржавчины, обезжиривание).

4. Укладка и запрессовка арматуры выполняется на отдельных элемен­тах (заготовках), что позволяет выделить эту операцию и производить ее на специальном участке параллельно другим операциям. Нанесение клея в пазы производится с помощью шприца или шпателя. При вклеивании арматуры необходимо создать лишь минимальное (контактное) давление запрессовки 0,5...1 кг/см² (0,05...0,1 МПа), которое создается с помощью вайм, прижимами в точках, расположенных по длине арматуры на рас­стоянии а = 25 d_a . Продолжительность склеивания составляет 12-24 ч при температуре t= 20 °С и 2-4 ч при t = 50.. .60 °С. Затем при наборе клееного пакета армированные заготовки укладываются в крайние зоны по высоте сечения конструкций. После выгрузки из пресса конструкции готовы к применению через 7- 10 дней.

Основные правила конструирования армированных балок:

• поперечное сечение балок конструируется, как правило, прямо­угольным постоянной высотой, при экономическом обосновании - двутавровым или коробчатым;

• высота поперечного сечения назначается в пределах (1/15... 1/20)/, ширина сечения принимается с учетом существующего сортамента пиломатериалов;

- рекомендуется симметричное армирование в сжатой и растянутой зонах;

-рациональный процент армирования μ = 1,5...3,0 %.