- •3.2. Нормирование расчетных сопротивлений древесины и фанеры
- •Центрально-сжатые элементы
- •Сжато-изгибаемые элементы
- •Растянуто-изгибаемые элементы
- •Скалывание древесины
- •Скалывание древесины:
- •Краткие рекомендации по компоновке сечений деревянных элементов
- •Расчетная несущая способность т цилиндрического нагеля на один шов сплачивания (условный срез) в соединении элементов из сосны и ели, кН
- •Ряс. 4.10. Гвоздевые соединения:
- •Лекция «Сплошные плоскостные конструкции» Учебные вопросы.
- •Деревянные балки Общие сведения
- •Балки цельного сечения
- •Балки Деревягина
- •Двутавровые балки с перекрестной дощатой стенкой на гвоздях
- •Клееные деревянные балки
- •Особенности расчета армированных клееных деревянных балок:
- •Лекция: «Сквозные плоскостные конструкции» Учебные вопросы лекции:
- •Учебная литература.
- •Деревянные фермы Общие сведения
- •Лекция «Ограждающие конструкции с применением древесины и пространственные деревянные конструкции»
- •Учебная литература.
- •Настилы
- •Обеспечение
- •Пространственной устойчивости
- •Зданий и сооружений с применением
- •Деревянных конструкций
- •Общие сведения
- •Основные положения методики инженерного обследования строительных конструкций
- •Особенности инженерного обследования деревянных конструкций
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 4dгв (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 хм от опоры с меньшей высотой. При равномерно распределенной нагрузке по всему пролету хм находится по формулам:
а) для балок прямоугольного сечения
xм = lhоп /2hср (6.7)
г
l — расчетный пролет балки;
hоп— высота балки на опоре с меньшей высотой;
hср — высота балок в середине пролета;
б) для балок двутаврового сечения
xм = ( √γ (1 + γ) – γ) (6.8)
где γ = hоп /ltgα,
hоп – высота на опоре между осями поясов в двутавровых балках;
α – угол наклона верхнего пояса балки к горизонту.
>
αhоп
— высота на опоре между осями поясов
в двутавровых балках; а — угол наклона
верхнего пояса балки к горизонту.
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, hп ≈ (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:
Fпр = Fд + Fф (Еф /Ед), (6.11)
Jпр = Jд +Jф (Еф /Ед)), (6.12)
Sпр = Sд + Sф (Еф /Ед)), (6.13)
W = 2 Jпр / 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:
σр = M / Wпр ≤ Rр (6.15)
Верхний пояс клеефанерных балок проверяется по формуле:
σс = M /φ Wпр ≤ Rс (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):
τш = Q Sп / Jпрhп ≤ Rф.ск, (6.17)
где: Q – максимальная поперечная сила на опоре;
Sп - статический момент пояса относительно нейтральной оси,
Sп = Fп h0 /2, где h0 - расстояние между центрами поясов на опоре,
Fп – площадь сечения пояса балки;
Jпр – приведенный момент инерции балки на опоре;
п – суммарная ширина приклейки пояса к фанерной стенки с обеих сторон, п = nhп, где hп - высота пояса; n – число вертикальных швов;
Rф.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:
τш = Q Sпр / Jпрδ ≤ Rф.ср, (6.18)
где Sпр - приведенный статический момент половины сечения балки относительно нейтральной оси,
Sпр = Fп h0 /2 + δh2Eф / 8Eд ;
Jпр - приведенный момент инерции балки на опоре;
δ – суммарная толщина фанерных стенок;
Rф.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 hст /δ>50). При поперечном по отношению к оси элемента расположении волокон фанерной стенки (hст /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.
Фрезерование пазов (прямоугольного или полукруглого профиля) для арматуры по пластям заготовок производится одновременно с острожкой пластей.
Подготовка арматуры (резка или сращивание по длине, очистка от загрязнений и ржавчины, обезжиривание).
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 da . 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 %.