КОНСТРУКЦИИ
ИЗ ДЕРЕВА
И ПЛАСТМАСС
4-е издание
Строительство
ACAD EM A
УДК 624.07(075.8)
ББК 38.55я73
К725
А в тор ы :
Г. Н. Зубарев, Ф. А. Бойтемиров, В. М. Головина,
В. И. Ковликов, Э.М.Улицкая
Рецензенты:
акад. Международной академии энергоинформационных наук,
проф. Военно-инженерного университета, д-р техн. наук Ю. Н. Глазунов]
д-р техн. наук, проф. Л.М.Ковальчук (зав. сектором ЦНИИСК Госстроя России)
Конструкции из дерева и пластмасс : учеб. пособие для
К725 студ. вузов / Г. Н. Зубарев, Ф. А. Бойтемиров, В. М. Голо­
вина и др. ; под ред. Ю. Н. Хромца. — 4-е изд., стер. — М .:
Издательский центр «Академия», 2006. — 304 с.
ISBN 5-7695-3221-1
В пособии изложены основы расчета и проектирования конструкций
из дерева и пластмасс. Основное внимание обращено на расчеты и про­
ектирование современных клееных конструкций, нашедших широкое
применение в отечественной и зарубежной практике. Рассмотрены физико-механические свойства древесины и конструкционных пластмасс,
виды соединений, методы расчета ограждающих и несущих конструк­
ций — балок, стоек, арок, рам и ферм — с учетом новых норм и правил.
Освещены основы технологии изготовления, монтажа и восстановле­
ния конструкций.
Для студентов строительных специальностей вузов. Может быть ис­
пользовано студентами средних профессиональных учебных заведений,
а также инженерами-проектировщиками.
УДК 624.07(075.8)
ББК 38.55я73
Оригинал-макет данного издания является собственностью
Издательского центра «Академия», и его воспроизведение любым способом
без согласия правообладателя запрещается
ISBN 5-7695-3221-1
© Коллектив авторов, 2004
© Образовательно-издательский центр «Академия», 2004
© Оформление. Издательский центр «Академия», 2004
ПРЕДИСЛОВИЕ
В учебном пособии систематизированы материалы по основам
проектирования строительных конструкций из дерева и пластмасс,
которые включают и даже несколько расширяют программу курса
«Конструкции из дерева и пластмасс» для студентов высших учеб­
ных заведений, обучающихся по специальности «Промышленное
и гражданское строительство».
В книге рассмотрены физико-механические свойства древеси­
ны и конструкционных пластмасс, виды соединений. Приведены
основные данные по проектированию и расчету ограждающих
конструкций из дерева и пластмасс. Даны методы расчета и про­
ектирования несущих конструкций — балок, стоек, арок, рам,
ферм, а также наиболее распространенных пространственных кон­
струкций в соответствии со СНиП П-25-80 «Деревянные конст­
рукции. Нормы проектирования». Изложены основы технологии
изготовления, защиты, монтажа, усиления и реконструкции раз­
личных видов несущих конструкций. Рассмотрены вопросы расче­
та воздухоопорных, пневмокаркасных, тентовых и других пневма­
тических конструкций на различные виды нагрузок. Представле­
ны расчет и конструирование ограждающих и несущих конструк­
ций применительно к самостоятельному выполнению студентами
курсовых и дипломных проектов.
В учебном пособии нашли отражение научно-исследовательские
и проектно-конструкторские работы, проводимые различными
вузами и организациями (МИКХиС, МГСУ, ЦНИИСК и др.).
Книга представляет интерес для проектных и производствен­
ных организаций, связанных с решением вопроса снижения ме­
таллоемкости строительства путем внедрения легких индустриаль­
ных конструкций, обладающих повышенной долговечностью в
слабых агрессивных средах, а также отвечающих высоким требо­
ваниям экологической чистоты и энергоснабжения.
Авторы признательны рецензентам — акад. Международной
академии энергоинформационных наук, проф. Военно-инженер­
ного университета, д-ру техн. наук Ю. Н. Глазунову, а также зав.
сектором ЦНИИСК Госстроя России заслуженному деятелю на­
уки РФ, проф., д-ру техн. наук Л.М. Ковальчуку.
Замечания и предложения просим присылать в Издательский
центр «Академия» по адресу: 129085, Москва, просп. Мира, д. 101в,
стр. 1, а/я 48.
ВВЕДЕНИЕ
Конструкции из дерева и пластмасс относятся к классу легких
строительных конструкций, применение которых в строительстве
является одним из важных направлений на пути повышения эф­
фективности и ускорения строительного производства.
Деревянные конструкции являются надежными, легкими и
долговечными. На основе клееных деревянных конструкций со­
оружают здания с покрытиями как малых, так и больших проле­
тов. Из цельных лесоматериалов строят небольшие жилые дома,
общественные и производственные здания. Из конструкционных
пластмасс можно создавать ограждающие конструкции обществен­
ных и производственных зданий. Они являются очень легкими и
могут быть прозрачными. Эти конструкции водостойки и не под­
вержены опасности загнивания.
Деревянные конструкции люди начали применять еще в глубо­
кой древности. Древесина — это единственный легкодоступный
самовозобновляющийся строительный материал. Огромные пло­
щади нашей страны покрыты лесами особенно ценных хвойных
пород. Однако использование этих лесных богатств развивалось
долгие годы по неправильному пути. В наиболее доступных райо­
нах леса вырубались в объемах, намного превышающих их есте­
ственный прирост, и без принятия мер по их восстановлению.
При этом много срубленного леса не вывозилось и сгнивало на
месте. Это привело к истощению лесных запасов в большинстве
областей европейской части нашей страны и возникновению се­
рьезного дефицита древесины.
В настоящее время необходима коренная перестройка восста­
новления лесов. Должно быть обеспечено превышение естествен­
ного прироста древесины над ее заготовками, вывоз всей заготов­
ленной древесины и совершенствование лесной и бумажной про­
мышленности для ее безотходного использования. При этом запа­
сы древесины должны возрастать, а ее использование — увеличи­
ваться.
Древесина — относительно легкий и прочный материал, осо­
бенно в направлении вдоль ее волокон, где действуют наиболь­
шие усилия от внешних нагрузок. Плотность сухой сосновой и
еловой древесины составляет 500 кг/м3, что позволяет возводить
деревянные конструкции пролетом до 100 м и более. Древесина —
микропористый материал с хорошими теплоизоляционными и
4
санитарно-гигиеническими свойствами. Это важно для стен и по­
крытий жилых малоэтажных домов.
Древесина — легкообрабатываемый материал, что облегчает и
упрощает изготовление деревянных конструкций. Древесина стойко
сопротивляется разрушительному воздействию слабых химичес­
ких агрессивных сред и поэтому деревянные конструкции успеш­
но эксплуатируются в зданиях химической промышленности, где
быстро разрушаются металлические конструкции. Древесина вы­
держивает ударные и циклические нагрузки, поэтому деревянные
конструкции достаточно надежны в зданиях и сооружениях, рас­
положенных в сейсмоопасных районах.
Древесина надежно склеивается водостойкими синтетически­
ми клеями. Благодаря этому изготовляют клеедеревянные эле­
менты крупных сечений, больших длин, измеряемых десятками
метров, и разных форм — гнутых, ломаных и др. Из таких эле­
ментов делают конструкции больших пролетов. Из древесины
путем склеивания листов получают водостойкую строительную
фанеру, из которой изготовляют легкие клеефанерные конст­
рукции.
Деревянные конструкции имеют также существенные недостат­
ки. При неправильном применении и эксплуатации, в результате
длительного увлажнения они разрушаются. Однако современные
конструктивные и химические методы защиты от гниения обес­
печивают их сохранность при многолетней эксплуатации. Дере­
вянные конструкции являются сгораемыми. Однако современные
деревянные конструкции из элементов крупных сечений имеют
предел огнестойкости выше, чем у некоторых других конструк­
ций. Они могут быть дополнительно защищены от возгорания спе­
циальными покрытиями.
История применения деревянных конструкций насчитывает
много веков и теряется в глубине тысячелетий. Первобытные люди
строили из деревянных стволов каменными топорами небольшие
примитивные жилища на земле и на сваях, небольшие ограды и
мосты. В Древнем Риме строили деревянные дома, храмы и мосты
через крупные реки. Например, легионами Цезаря был в I в. пост­
роен крупный мост через р. Рейн. До наших дней сохранились вы­
дающиеся деревянные храмы, построенные в средние века в Ки­
тае и Японии с использованием бамбуковой древесины. В средне­
вековой Европе широко использовались деревянные стропила
крыш. В XVI в. итальянский архитектор Паладио использовал подкосные конструкции и стропильные фермы.
Особенно широко применялись деревянные конструкции в
нашей, богатой лесами стране. В средние века практически все
жилые дома, дворцы, большинство храмов и крепостей строи­
лись деревянными со стенами из круглых бревен. В X в. в Новгоро­
де была возведена дубовая 13-главая церковь святой Софии.
5
а
I
г
в
I
61 м
I
Рис. В.1. Схемы выдающихся древних деревянных конструкций, создан­
ных в России:
а — проект моста через р. Неву в Санкт-Петербурге (авт. И. П.Кулибин); б —
ферма покрытия Московского Манежа (авт. А.А. Бетанкур); в — ферма моста
через р. Мету на Московско-Петербургской железной дороге (авт. Д.И.Журавский); г — сетчатая башня в г. Орске (авт. В. Г. Шухов)
Первые башни Московского Кремля и соединяющие их стены
были построены из дубовой древесины в XIII в. До наших дней
сохранилась маленькая церковь воскрешения Лазаря в г. Муроме,
возведенная в XIV в.
В XVI—XVIII вв. в основном на севере и востоке страны про­
должалось интенсивное строительство жилых домов и церквей со
стенами из круглых бревен.
В конце XVII в. под Москвой в селе Коломенское был построен
великолепный загородный дворец царя Алексея Михайловича.
Модель этого дворца находится в музее Коломенского заповедни­
ка. В 1714 г. была возведена и сохранилась до наших дней замеча­
тельная 22-главая деревянная Преображенская церковь в селе Кижи.
В 1738 г. был построен деревянный шпиль башни высотой 72 м
здания Адмиралтейства в Петербурге. В XVIII в. началось широкое
строительство деревянных стержневых конструкций из брусьев,
бревен и досок.
В конце XVIII в. И. П. Кулибиным был разработан оригиналь­
ный проект деревянного моста через р. Неву в Петербурге проле­
том 300 м (рис. В.1, а). Мост имел комбинированную систему и
состоял из ряда гибких арок и жестких арочных ферм. Была пост­
роена модель этого моста в 1/10 натуральной величины и ее ис­
пытания показали правильность решения и достаточную проч­
ность конструкции. В натуральную величину такой мост не мог
быть возведен ввиду отсутствия в то время способов сооружения
таких крупных конструкций. Идея комбинированных конструкций
И. П. Кулибина нашла применение в дальнейшем в решениях круп­
ных строительных конструкций.
В начале XIX в. в России при строительстве Московского Ма­
нежа А. А. Бетанкуром были разработаны и впервые использова­
ны в покрытии большепролетные деревянные брусчатые тре­
угольные стропильные фермы пролетом 50 м (рис. В.1, б). В сере­
дине XIX в. Д. И. Журавский спроектировал и руководил строи­
тельством ряда деревянных мостов Московско-Петербургской
железной дороги. Крупнейший из них мост через р. Мету имел
девять пролетов длиной по 61 м каждый. Фермы этого моста имели
деревянные брусчатые перекрестные раскосы и стойки в виде
стальных тяжей (рис. В.1, в). Он также создал метод расчета де­
ревянных элементов на скалывание при изгибе и метод опре­
деления допускаемых напряжений древесины эксперименталь­
ным путем.
В начале XX в. В. Г. Шухов разработал первые деревянные
пространственные конструкции. В Нижнем Новгороде был пост­
роен под его руководством первый предложенный им деревян­
ный свод пролетом 21 м из трех слоев досок, соединенных гвоздя­
ми. В г. Орске была построена разработанная им башня-градирня
высотой 36 м сетчатой конструкции из стержней, расположенных
перекрестно по поверхности гиперболоида вращения и соединен­
ных болтами в местах пересечений (рис. В.1, г).
В 30-х годах XX в. в связи с дефицитом стали и цемента значи­
тельно расширилось применение деревянных конструкций, осо­
бенно в промышленном строительстве. Началось использование
дощато-гвоздевых балок и рам, брусчатых и дощато-гвоздевых сег­
ментных ферм и брусчатых балок на деревянных пластинках, пред­
ложенных В.С.Деревягиным. Был разработан и построен ряд кружально-сетчатых сводов и дощато-гвоздевых сводов-оболочек про­
летом до 50 м. В Москве были построены из дерева большинство
павильонов ВДНХ (ныне — ВВЦ).
Широко применялись деревянные конструкции в промышлен­
ном строительстве в годы первых пятилеток и во время Второй
мировой войны. Большое значение в развитии этих конструкций
имели труды Г. Г. Карлсена. В 50-е годы началось производство кле­
еных деревянных конструкций. Развитие этих прогрессивных кон­
струкций оказалось возможным благодаря производству клеев на
основе синтетических полимерных смол высокой прочности, во­
достойких и не подверженных гниению. Сначала применялись
фенолформальдегидные клеи, в дальнейшем более надежные ре­
зорциновые клеи при склеивании древесины и эпоксидные клеи
при склеивании древесины с металлами. Появилась клееная водо­
стойкая фанера.
Были разработаны и начали изготовляться первые клеедере­
вянные балки, стойки, рамы, клеефанерные плиты и панели. За
создание и внедрение клеедеревянных конструкций А. С. Белозе­
ровой, А. Б. Губенко и Г. Г. Карлсену была присуждена Государ­
7
ственная премия. При участии Г. Н. Зубарева были разработаны
первые типовые конструкции — клеедеревянные фермы со сталь­
ными нижними поясами, а в 40-х годах разработано и построено
первое крупное деревянное сооружение склада калийной соли. Ос­
новными несущими конструкциями покрытия этого склада явля­
ются клеедеревянные стрельчатые арки без затяжек. Эти арки про­
летом 45 м и сечением 30 х 105 см показали высокую надежность и
долговечность в условиях химически агрессивной среды.
В дальнейшем в нашей стране были расширены и построены
заводы и комбинаты по изготовлению деревянных строительных
изделий и сборных малоэтажных жилых домов. В составе ряда из
них появились цеха по изготовлению клееных деревянных конст­
рукций. Были возведены первые крупные производственные и
общественные здания с несущими клеедеревянными конструк­
циями. В Архангельске при участии М.Ю.Заполя был построен
Дворец спорта с сегментными клеедеревянными арками без затя­
жек пролетом 63 м.
В 2002 г. в морском порту Санкт-Петербурга построен универ­
сальный перегрузочный комплекс для экспорта минеральных удоб­
рений. Несущие клееные конструкции каркаса, разработанные под
руководством и с участием С. Б.Турковского, представляют со­
бой трехшарнирные сборные рамы высотой 45 м и пролетом 63 м,
опертые на железобетонные фундаменты (рис. В.2, а). Каждая полурама длиной 57 м по условиям изготовления и перевозки состо-
Рис. В.2. Схемы крупных клеедеревянных конструкций, построенных
в России
8
ит из трех блоков сечением 3(14 х 157) см. Их собирали непосред­
ственно на строительной площадке с помощью двух жестких рав­
нопрочных стыков системы ЦНИИСК.
В Москве построено круглое в плане складское сооружение в
виде ребристо-кольцевого купола диаметром по карнизу 70 м и
высотой 23 м (рис. В.2, б). Купол образован 20 меридиональными
ребрами с максимальным поперечным сечением 2(14x130) см.
Проект несущего каркаса из клееной древесины разработан
ЦНИИСК совместно с Союздорпроектом.
Клеедеревянные элементы применялись в конструкциях ма­
лоэтажных жилых домов, небольших промышленных и общест­
венных зданий, автодорожных мостов. В это же время были соз­
даны и исследованы новые типы соединений клеедеревянных
конструкций — на стальных стержнях, вклеенных в древесину.
Они показали значительный эффект при стыковании растяну­
тых клеедеревянных стержней, в решениях жестких соединений
элементов под углами и при креплении сжатых стержней под
прямым углом, благодаря чему исключается поперечное смятие
древесины. Начали применяться предложенные за рубежом сталь­
ные зубчатые пластинки для соединения элементов дощатых кон­
струкций.
За рубежом широко использовали небольшие конструкции из
цельных деревянных элементов и большепролетные клеедеревян­
ные конструкции главным образом арочных и пространственных
типов. В качестве примера можно привести спортивный зал с три­
бунами в г. Пуатье во Франции, который имеет овальную форму в
плане. Основной несущей конструкцией покрытия этого зала яв­
ляется клеедеревянная арка пролетом 75 м, расположенная по
продольной оси здания. На нее опирается ряд поперечных клееде­
ревянных балок с разными пролетами, имеющих обратные выги­
бы (как бы искусственное провисание), созданные при их изго­
товлении. Наружными концами они опираются на железобетон­
ные колонны.
Спортивный зал в г. Бозмане в США имеет покрытие в форме
сферического купола пролетом 91,5 м и высотой 15 м с арочными
концентрическими клеедеревянными ребрами, которые опираются
на многоугольное опорное кольцо. Спортивный зал в г. Солт-ЛейкСити в США имеет покрытие в виде клеедеревянного сетчатого
купола с треугольными ячейками. Этот купол диаметром 150 м и
высотой 38 м опирается на стальное опорное кольцо.
Основным направлением развития конструкций из дерева в
нашей стране является разработка, производство и применение
новых клеедеревянных конструкций. Типы конструкций должны
быть унифицированы. Заводское производство должно обеспечи­
вать массовое изготовление клеедеревянных конструкций любых
требуемых форм и размеров. Такое производство должно быть ме­
9
ханизировано, автоматизировано и малотрудоемко. В данных кон­
струкциях могут использоваться пиломатериалы ограниченных
размеров сечений и длин. Сорт материалов повышают путем вы­
резки участков с пороками, с последующим стыкованием их зуб­
чатыми шипами. Строгий лабораторный и технологический конт­
роль должен обеспечивать высокое качество и надежность кон­
струкций.
Клеедеревянные конструкции достаточно стойки против гние­
ния и горения, поэтому они должны шире применяться при стро­
ительстве сельскохозяйственных складских, производственных и
животноводческих зданий, промышленных зданий со слабой хи­
мически агрессивной средой, общественных зданий крупных раз­
меров (спортивные, зрелищные, торговые) и автодорожных мос­
тов.
Намечается тенденция по расширению применения простей­
ших клеедеревянных балок и арок. Находят рациональное исполь­
зование клеедеревянные рамы и фермы, ребристые и сетчатые
купола, клеефанерные балки, плиты и панели.
Кроме того, увеличивается изготовление и применение дере­
вянных конструкций из цельной неклееной древесины — досок,
брусьев и бревен. Они могут использоваться'в балках, стойках и
стропилах малоэтажных жилых домов, а также в фермах, арочных
и кружально-сетчатых сводах, производственных, сельскохозяй­
ственных и общественных зданиях, пролетных строениях малых
мостов и других специальных конструкций, особенно в районах,
богатых лесами и не имеющих предприятий по изготовлению кле­
еных деревянных конструкций.
Пластмассовые конструкции, называемые также конструкция­
ми с применением пластмасс, начали разрабатываться, изготов­
ляться и применяться в нашей стране и за рубежом примерно с
середины XX в. Незадолго до этого были созданы конструкцион­
ные пластмассовые строительные материалы на основе полимер­
ных синтетических смол и началось быстрое развитие их промыш­
ленного производства, а также добавок и наполнителей, придаю­
щих им необходимые строительные свойства.
Основными конструкционными строительными материалами
являются высокопрочный стеклопластик из непрозрачной поли­
мерной термореактивной смолы и взаимно пересекающихся ря­
дов непрерывных стекловолокон; прозрачный менее прочный стек­
лопластик из термореактивной прозрачной смолы и хаотически
расположенных коротких стекловолокон; прозрачное оргстекло
(органическое стекло) из термопластичной полимерной смолы;
винипласт из термопластичной полимерной смолы, он бывает
непрозрачным и прозрачным, отличается высокой стойкостью
против химически агрессивных сред; пенопласты из твердых пу­
зырьков воздуха или безвредного газа со стенками из термоплас­
10
тичных или термореактивных смол, они отличаются предельно
малой собственной массой, прочностью и жесткостью.
Воздухонепроницаемые ткани имеют значительную прочность.
Они состоят из основы в виде тканей из полимерных волокон и
покрытий из синтетических резин или эластичных полимерных
смол; из пленок, армированных синтетическими волокнами. По­
чти все конструкционные пластмассовые материалы имеют не­
большую толщину, измеряемую миллиметрами, и выпускаются
в основном в виде плоских или волнистых листов и тканевых
рулонов. Пенопласты изготовляют только в виде плит толщи­
ной, измеряемой сантиметрами, а высокопрочные стеклоплас­
тики выпускают еще и в виде различных профилей и труб. Пласт­
массы как конструкционные строительные материалы имеют су­
щественные достоинства. Они легкие, их плотность примерно в
два раза больше плотности древесины. Однако плотность наибо­
лее часто применяемых видов пенопластов очень мала и не пре­
вышает 50 кг/м3. В процессе твердения синтетических смол изде­
лиям из стеклопластиков, винипласта и оргстекла можно прида­
вать необходимую форму, не требующую дальнейшей обра­
ботки.
Конструкционные пластмассы как строительные материалы
имеют и существенные недостатки. Они являются сгораемыми и
имеют невысокие пределы огнестойкости. Их жесткость невелика
и, за исключением высокопрочного стеклопластика, значительно
ниже, чем у древесины. Они подвержены старению от атмосфер­
ных воздействий, пока дороги и дефицитны. В связи с этим конст­
рукционные строительные пластмассы рационально применять в
основном для ограждающих строительных конструкций. Это наи­
более легкие плиты и панели покрытий и стен, прозрачные учас­
тки ограждений зданий, конструкции зданий с химически агрес­
сивной средой и др.
Значительное распространение в нашей стране получили трех­
слойные плиты и панели покрытий и стен промышленных зданий.
Они состоят из среднего пенопластового слоя и наружных слоев
из листового материала — металла, асбестоцемента или фанеры.
Наиболее эффективны плиты и панели с наружными слоями из
тонких алюминиевых листов толщиной порядка 1 мм, поверхнос­
тная плотность которых не превышает 20 кг/м2. Они особенно
эффективны при строительстве в отдаленных районах, куда их
можно доставлять воздушным транспортом из районов изготовле­
ния. Светопроницаемые участки из волнистого прозрачного стек­
лопластика использовались в асбестоцементных стенах неотапли­
ваемых складских зданий. Светопроницаемые ограждения из гну­
тых плит, выполненных из волнистого прозрачного стеклоплас­
тика, обклеенных плоскими листами из такого же материала и
уложенных по клеедеревянным аркам, были применены в покры­
11
тии отапливаемого плавательного бассейна в Подмосковье. Пер­
вые зенитные фонари из прозрачного оргстекла были включены в
состав покрытия Дворца пионеров в Москве. В 1959 г. был постро­
ен сферический купол диаметром 43 м из стеклопластика.
Пневматические конструкции представляют собой замкнутые
оболочки из воздухонепроницаемой ткани или пленки, внутри
которых воздух находится под постоянным избыточным давлени­
ем. Они бывают в виде воздухоопорных пневмооболочек, пневмовантовых и пневмокаркасных пневмоэлементов. Воздухоопорная
пневмооболочка состоит из тканевой оболочки, опорного конту­
ра, входного шлюза и воздуходувной установки. Эти пневмообо­
лочки имеют цилиндрическую сводчатую или сферическую ку­
польную форму и могут образовывать покрытия пролетом до 60 м.
Они имеют небольшую поверхностную плотность (около 1 кг/м2),
могут перевозиться любым видом транспорта в сложенном виде и
устанавливаться на опорный контур в считанные дни. Такие обо­
лочки образуют легкие временные сборно-разборные покрытия
складских, спортивных, выставочных, зрелищных и небольших
производственных помещений, которые в холодное время года
обогреваются нагретым воздухом калорифера,-включенного в воз­
духодувную установку. Эти конструкции сейсмостойки.
Пневмовантовые конструкции представляет собой воздухоопор­
ные оболочки, в состав которых включены стальные тросы — ванты.
Ванты воспринимают основную часть усилий, действующих в обо­
лочке, и поэтому пролеты пневмовантовых конструкций могут
быть значительно больше и достигать 100 м. Пневмовантовые кон­
струкции могут состоять также из системы перекрестных горизон­
тальных тросов и почти плоской оболочки. Такие оболочки в бес­
снежных районах могут иметь очень большие пролеты.
Пневмокаркасные конструкции (пневмостойки, пневмобалки
и пневмоарки) состоят из пневмоэлементов, которые представ­
ляют собой герметически замкнутые баллоны из особо прочной
воздухонепроницаемой ткани с резиновыми камерами внутри, где
постоянно действует значительное избыточное воздушное давле­
ние. Они могут служить стойками, балками и арками небольших
сборно-разборных тканевых покрытий пролетом не более 12 м.
Внутри таких покрытий действует нормальное давление воздуха и
они не нуждаются в шлюзах. Небольшое количество воздуха внутрь
пневмоэлементов может подаваться автомобильным насосом.
Тентовые конструкции — это легкие сборно-разборные конст­
рукции из водонепроницаемых тканевых оболочек, которые под­
держиваются жесткими деревянными или металлическими карка­
сами или стоечно-вантовыми системами. Они применяются в виде
временных покрытий различного назначения. Для их изготовле­
ния не требуются воздухонепроницаемые ткани и не надо посто­
янно поддерживать избыточное давление воздуха.
12
Вопросы для самопроверки
1. Какие деревянные строительные конструкции существуют? Каковы
их основные достоинства и недостатки?
2. В каких областях промышленности наиболее рационально примене­
ние деревянных конструкций?
3. Какие уникальные деревянные конструкции были возведены в на­
шей стране в прошлом и за последние годы?
4. На какие основные два класса делят деревянные конструкции по
методам изготовления?
5. Каковы основные направления прогресса в изготовлении и приме­
нении деревянных конструкций?
6. Какие конструкционные пластмассовые строительные материалы
существуют?
7. Какие пластмассовые строительные конструкции существуют? Ка­
ковы их основные достоинства и недостатки?
8. В каких областях экономики страны наиболее рационально приме­
нение пластмассовых конструкций?
ГЛАВА 1
КОНСТРУКЦИОННЫЕ ДРЕВЕСИНА И ПЛАСТМАССЫ
1.1. Конструкционная древесина
Древесина — ценный конструкционный строительный мате­
риал, продукт лесов, запасы которого могут возобновляться пос­
ле его рациональных заготовок. Обширные леса занимают почти
половину территории России. Таким образом, по площади лесов
наша страна находится на первом месте в мире. Основная масса
лесов, около 3/4, расположена в районах Сибири, Дальнего
Востока и в северных областях европейской части страны. Почти
3/4 наших лесов состоят из наиболее ценных для строительства
хвойных пород. Из них 2/5 лесов занимает лиственница, 1/6 —
сосна, 1/8 — ель, меньше — пихта и кедр. Лиственные породы
составляют около 1/4 площади лесов. Наиболее распространенной
лиственной породой является береза, занимающая около 1/6 пло­
щади лесов. Дуб, бук и осина распространены меньше.
Запасы древесины в наших лесах составляют около 80 млрд м3.
Ежегодно заготовляется около 130 млн м3 деловой древесины,
пригодной для изготовления строительных конструкций и изде­
лий. Однако до настоящего времени заготовки древесины значи­
тельно превышают ее естественный прирост. Восстановление ле­
сов на месте вырубленных производится в недостаточных объемах.
Лесное хозяйство нашей страны требует коренной перестройки.
Перерубы выше естественного прироста должны быть прекраще­
ны, и на месте вырубленных лесов должны выращиваться новые.
Заготовленный лес в виде отрезков стандартной длины достав­
ляют автомобильным, железнодорожным и водным транспортом
или путем сплава по рекам и озерам на деревообрабатывающие
предприятия. Там из него изготовляют пиленые материалы, фане­
ру, древесные плиты, деревянные конструкции и строительные
детали. Экономически целесообразно снабжать строительные объек­
ты пиломатериалами, готовыми изделиями и конструкциями, а
не круглым лесом.
Количество древесины, заготовляемой в нашей стране, обес­
печивает потребности в деревянных строительных конструкциях
и деталях. При лесозаготовках и обработке древесины образуется
14
большое количество отходов, эффективное использование кото­
рых имеет большое хозяйственное значение. Изготовление из от­
ходов древесины изоляционных древесноволокнистых, древесно­
стружечных плит, широко применяемых в строительстве, позво­
ляет экономить большое количество деловой древесины.
Хвойную древесину используют для изготовления основных
элементов деревянных конструкций и строительных деталей. Из
прямых высоких стволов хвойных деревьев с небольшим количе­
ством сучков относительно небольшой величины можно получить
прямослойные пиломатериалы с ограниченным количеством по­
роков. Хвойная древесина содержит смолы, благодаря чему она
лучше сопротивляется увлажнению и загниванию, чем листвен­
ная. Наиболее высоким качеством отличается сосновая древеси­
на, особенно из северных районов страны, где деревья растут
медленно и дают более прочную древесину. Еловая древесина близка
по качеству к сосне, пихтовая и кедровая имеет несколько мень­
шую прочность. Древесина лиственницы по прочности и стойкос­
ти против загнивания превосходит сосновую, но имеет понижен­
ную прочность на скалывание.
Лиственная древесина большинства пород имеет больше суч­
ков и более подвержена загниванию, чем хвойная. Она почти не
применяется для изготовления основных элементов деревянных
строительных конструкций. Дубовая древесина выделяется среди
лиственных пород повышенной прочностью и стойкостью против
загнивания. Однако ввиду большей дефицитности и стоимости ее
используют в строительных конструкциях только для небольших
соединительных деталей. Березовая древесина относится тоже к
твердым лиственным породам. Ее используют главным образом
для изготовления строительной фанеры (нуждается в защите от
загнивания). Осиновая, тополевая и другая древесина мягких ли­
ственных пород имеет пониженную прочность и стойкость против
загнивания и используется для изготовления малонагруженных
элементов временных зданий и сооружений.
Лесоматериалы, предназначенные для строительства, делят на
круглые и пиленые (рис. 1.1).
Круглые лесоматериалы (бревна) представляют собой части
древесных стволов с гладко опиленными концами — торцами,
очищенные от сучьев. Они имеют стандартные длины, равные 4,0;
4,5; 5,0; 5,5; 6,0 и 6,5 м. Более длинные бревна выпиливают только
для опор линий электропередач и связи, а также по особым зака­
зам. Бревна имеют естественную усеченно-коническую форму.
Уменьшение их толщины по длине называется сбегом. В среднем
сбег составляет 0,8 см на 1 м длины бревна. Толщина бревна опре­
деляется диаметром его тонкого верхнего торца d. Средние бревна
имеют толщину 14—24 см, а крупные — 26 см и более с градаци­
ей размеров через 2 см. Толщина бревна dcp в середине его длины
15
а
б
1
13-25
t~ t
d ♦ 0,051
f t УфУф
UO
Tf
16-32
ft
2
(Ц |ц
5-10
tf
8
11-26
I
I
1U-26
ЩЩ
12-24
Рис. 1.1. Лесоматериалы:
a — пиленые; б — круглые; 1 — пласть; 2 — торец; 3 — кромка; 4 — брус; 5 ■
толстая доска; 6 — тонкая доска; 7 — брусок; 8 — бревно; 9 — пластина; 10 ■
бревно окантованное
/ с учетом сбега может быть определена из выражения dcp = d +
+ 0,4/. Бревна толщиной 13 см и менее называют также подтовар­
ником и применяют их для временных построечных сооружений.
Круглые лесоматериалы используют в основном при построечном
изготовлении деревянных конструкций.
Пиленые лесоматериалы (пиломатериалы) получают в резуль­
тате продольной распиловки бревен на лесопильных рамах или
круглопильных станках. Они имеют прямоугольное или квадрат­
ное сечение. Более широкие стороны пиломатериалов называют
пластями, а узкие — кромками. Пиломатериалы с поверхностями,
опиленными по всей длине, называют обрезными. Если часть по­
верхности не опилена в результате сбега бревна, материал назы­
вают обзольным. Если не опилены две поверхности пиломатериала
при однократной распиловке бревна, его называют необрезным.
Пиломатериалы имеют стандартные длины от 1 до 6,5 м с гра­
дацией размеров через каждые 0,25 м. Их разделяют на доски, брус­
ки и брусья. Рекомендуемые для несущих конструкций доски име­
ют ширину 60—250 мм, толщину — 11 —100 мм; бруски — шири­
ну 100—175 мм, толщину — 50—100 мм. Брусья имеют ширину,
не превышающую полуторной толщины. Их толщина и ширина
составляют 125 —250 мм.
Пиломатериалы шириной или толщиной более 150 мм в цент­
ральных районах страны являются дефицитными, поэтому при­
меняются ограниченно. Деревянные конструкции и строительные
детали изготовляют, как правило, из пиломатериалов. Рекомен­
дуемый сортамент пиломатериалов для несущих деревянных кон­
струкций приведен в приложении 2.
Строение, пороки и качество древесины определяются ее про­
исхождением. В результате растительно! о происхождения и усло­
16
вий произрастания дерева древесина имеет трубчатое слоисто-волокнистое строение. Основную массу древесины составляют дре­
весные волокна, расположенные вдоль ствола. Они состоят из уд­
линенных пустотелых оболочек отмерших клеток — трахеидов —
почти прямоугольной формы, средней шириной 50 мкм и длиной
3 мм из органических веществ (целлюлозы и лигнина).
Древесные волокна располагаются концентрическими слоями
вокруг оси ствола, которые называют годичными слоями, потому
что каждый слой нарастает в течение года. Они хорошо заметны в
виде ряда колец на поперечных разрезах стволов, особенно хвой­
ных деревьев, и по их количеству можно определить возраст дере­
ва. Каждый годичный слой состоит из двух частей. Внутренний
более широкий и светлый слой образуется из мягкой ранней дре­
весины весной, когда дерево растет быстро. Клетки ранней древе­
сины имеют более тонкие стенки и широкие полости. Наружный
узкий темный слой состоит из более твердой поздней древесины,
образующейся летом. Клетки поздней древесины имеют более тол­
стые стенки и узкие полости. Плотность и прочность древесины
зависят от относительного содержания в ней поздней древесины,
которое у сосны, например, ко­
леблется от 10 до 30 % (рис. 1.2).
Средняя часть стволов сосны,
кедра и лиственницы имеет бо­
лее темный цвет, содержит боль­
ше смолы и называется ядром.
Вокруг ядра расположена менее
смолистая, но более прочная дре­
весина, называемая заболонью.
Кроме этих основных частей в
древесине имеются горизонталь­
СjjOс1о В
ные сердцевинные лучи, мягкая
□ipcIQя
шIsis
сердцевина, смоляные ходы, суч­
gj OQ
ки и снаружи она покрыта рых­
оо q од
лой корой.
с ООоо
- Качество лесоматериалов оп­ Я
□б а □ О
ределяется в основном степенью
с 3 о оо
однородности строения древеси­
ны, от которой зависит ее проч­
Рис. 1.2. Строение хвойной дре­
ность. Неоднородность строения
весины:
древесины возникает в процессе
а — поперечное сечение ствола;
роста дерева, хранения лесомате­
б — пласть доски; в — микрострук­
риалов на складах, сушки, обра­
тура; 1 — волокна древесины; 2 —
ботки и в процессе эксплуатации
ядро; 3 — заболонь; 4 — сердцеви­
конструкций. Степень однородно­
на; 5 — ранние годовые слои; 6 —
поздние годовые слои; 7 — клетсти древесины определяется раз­
Б ИБ 'йи'Ут^Ахеиды
мерами и количеством участков,
8В
где однородность ее строения нарушена и прочность снижена. Та­
кие участки называют пороками. Основными недопустимыми по­
роками древесины являются гниль, червоточина и трещины в зоне
скалывания в соединениях. Наиболее распространенными и неиз­
бежными пороками древесины являются сучки — заросшие ос­
татки бывших ветвей дерева. Основные волокна древесного ство­
ла, ранее образовавшие сучок, затем обходят его, отклоняясь в
этом месте от своего продольного направления и образуя так на­
зываемый завиток. Сучки являются допускаемыми пороками, но
их размеры строго ограничены.
Наклон волокон относительно оси элемента, называемый иног­
да косослоем, тоже является распространенным и допускаемым (с
ограничениями) пороком. Он образуется в результате иногда воз­
никающего природного винтообразного расположения волокон в
стволе, а также при распиловке конусообразной формы стволов,
так называемого сбега. Трещины, возникающие при высыхании
древесины, тоже относятся к числу ограниченно допускаемых
пороков. К порокам относятся также мягкая сердцевина, выпада­
ющие сучки и другие менее распространенные нарушения одно­
родности строения древесины.
Качество конструкционных лесоматериалов определяется сор­
тами (1, 2 и 3). Требования к древесине каждого сорта содержатся
в ГОСТах. Основными факторами, определяющими сорт и соот­
ветственно прочность древесины, являются величина и располо­
жение пороков, главным образом сучков и наклона волокон в
элементе. Например, в наиболее прочной древесине 1-го сорта
допускаются сучки общим диаметром на длине 20 см, не более
четверти ширины пласти доски — d < 1/46 и наклон волокон не
более 7 %.
В древесине средней прочности 2-го сорта допускается относи­
тельно большая общая ширина сучков — d< 1/3 b и наклон воло­
кон не более 10 % к оси. В наименее прочной древесине 3-го сорта
допускаются сучки еще большей ширины — d < 1/2 Ь и наклон
волокон не более 15 % (рис. 1.3).
Кроме того, в конструкционной древесине ширина годовых
слоев должна быть не более 5 мм и поздняя наиболее прочная
древесина должна составлять не менее 1/5 их ширины. В досках,
работающих на ребро при изгибе, не допускается рыхлая сердцевина. В зонах соединений не должно быть трещин.
Древесину 1-го сорта, наиболее прочную, рекомендуется при­
менять для изготовления ответственных элементов конструкций,
работающих на растяжения, и растянутых зон высоких клеедере­
вянных балок, древесину средней прочности 2-го сорта — для
прочих элементов несущих строительных конструкций, наименее
прочную древесину 3-го сорта — в малонапряженных настилах и
обшивках.
18
Рис. 1.3. Сорта пиломате­
риалов по качеству дре­
весины, определяемому
основными пороками:
а, б, в — 1, 2 и 3-й сорта;
1 — наклон волокон; 2 —
сучки
Свойства древесины определяются в основном ее строением.
Древесина по своей массе относится к классу легких конструкци­
онных материалов. Ее малая масса объясняется трубчато-волокни­
стым строением и зависит от относительного объема отверстий и
содержания в них влаги, кроме воздуха. Плотность древесины оп­
ределяется при относительной влажности 12 %. Она различна в
пределах одной породы и одного ствола.
Свежесрубленная древесина сосны и ели имеет плотность
850 кг/м3. Расчетная плотность этой древесины в составе конст­
рукций, эксплуатируемых в помещениях с нормальной влажно­
стью воздуха, принимается равной 500 кг/м3, в помещениях с влаж­
ностью воздуха более 75 % и на открытом воздухе — 600 кг/м3 (см.
приложение 3).
Древесина является среднепрочным анизотропным конструк­
ционным материалом, однако ее относительная прочность с уче­
том малой собственной массы позволяет применять ее в несущих
конструкциях больших пролетов. Прочность древесины определя­
ется ее трубчато-волокнистым анизотропным строением и зави­
сит от породы, расположения в стволе и процентного содержа­
ния наиболее прочной поздней древесины.
Прочность древесины в значительной степени зависит от на­
правления действия усилий по отношению к направлению воло­
кон. При действии усилий вдоль волокон оболочки клеток работа­
ют в самых благоприятных условиях и древесина имеет наиболь­
шую прочность. Например, средний предел прочности древесины
сосны без пороков составляет при растяжении 100 МПа, при из­
гибе — 75 МПа и при сжатии — 40 МПа.
При действии же усилий поперек волокон они легко сплющи­
ваются или расслаиваются, поэтому прочность древесины при
растяжении, сжатии и скалывании в этом случае не превышает
6,5 МПа. Неоднородность строения, наличие пороков значитель­
19
но (примерно на 30 %) снижают прочность древесины при сжа­
тии и изгибе, а особенно (примерно на 70 %) при растяжении.
Длительность действия нагрузки существенно влияет на проч­
ность древесины. При неограниченно длительном нагружении ее
прочность, характеризуемая пределом длительного сопротивле­
ния, составляет только 0,5 от предела прочности при стандартном
кратковременном нагружении. Наибольшую прочность, в 1,5 раза
превышающую кратковременную, древесина имеет при кратчай­
ших ударных и взрывных нагрузках.
Вибрационные нагрузки, вызывающие в древесине перемен­
ные по знаку напряжения, тоже снижают ее прочность. Предел
выносливости, при котором древесина может выдерживать нео­
граниченное количество циклов таких нагрузок, составляет 0,2 от
предела прочности.
Жесткость и твердость древесины относительно невелики ввиду
ее трубчато-волокнистого строения. Жесткость — степень деформативности древесины при действии нагрузок — существенно за­
висит от направления этих нагрузок по отношению к волокнам и
их длительности, а также от влажности древесины. Деформации дре­
весины бывают упругие (от кратковременных нагрузок), эластич­
ные и остаточные (от длительных нагрузок). Упругие деформации
исчезают вскоре после разгружения, эластичные тоже исчезают
через некоторый период времени, а остаточные остаются навсег­
да. Например, балки, прогнувшиеся во время длительной эксплу­
атации, не могут быть выпрямлены полностью при разгружении.
Жесткость древесины определяется модулем упругости Е. Его ве­
личина колеблется в значительных пределах и у лабораторных об­
разцов древесины хвойных пород вдоль волокон достигает 15 ОООМПа.
Модуль упругости реальной древесины любой породы в 1,5 раза
ниже и принимается для конструкций, эксплуатируемых в нор­
мальных температурно-влажностных условиях, равным 104 МПа.
При повышенной влажности и на открытом воздухе он снижается
коэффициентами от 0,9 до 0,75 в соответствии с табл. 15 СНиП
11-25 —80. Жесткость древесины при действии нагрузок поперек и
под углом к волокнам в 50 раз ниже.
Соответственно мала и твердость древесины, которая выража­
ется в ньютонах нагрузки, требуемой для вдавливания стальной
полусферы радиусом 5,64 мм. Для древесины сосны поперек го­
дичных слоев она равна только 1000 Н. Это свойство облегчает
обработку древесины, но делает ее поверхность легко повреждае­
мой. Малая твердость и волокнистое строение дают возможность
относительно легко забивать гвозди в древесину, которые прочно
удерживаются окружающими волокнами, раздвинутыми острием
гвоздей.
Влажность древесины оказывает значительное влияние на ее
свойства. Влажность древесины w — это процентное содержание
20
свободной воды в полостях и гигроскопической воды в порах дре­
весины. Наибольшую влажность (до 200 %), набранную в период
пребывания в воде, имеет сплавная древесина. Влажность до 100 %
имеет свежесрубленная древесина. В процессе хранения на скла­
дах, естественной и искусственной сушки влажность древесины
снижается до 40, 25, 20 и 10 %. Степень влажности значительно
влияет на качество деревянных конструкций и строго ограничи­
вается в зависимости от условий их изготовления и эксплуатации.
Древесину неограниченно высокой влажности можно исполь­
зовать только для конструкций, постоянно соприкасающихся с
водой. Из древесины влажностью до 40 % можно изготовлять кон­
струкции, эксплуатируемые на открытом воздухе, влажностью до
25 % — конструкции, эксплуатируемые в помещениях с повы­
шенной влажностью и соприкасающиеся с грунтом. Из древесины
влажностью до 20 % можно изготовлять также неклееные конст­
рукции, эксплуатируемые в любых условиях, а влажностью 8—
12 % — любые конструкции, в том числе клееные.
В процессе уменьшения или увеличения влажности до 30 % за
счет гигроскопической влаги в оболочках клеток размеры дере­
вянных элементов уменьшаются или увеличиваются. Происходит
усушка или разбухание, которые тем больше, чем больше плот­
ность древесины. Наибольшие усушка и разбухание происходят
поперек волокон перпендикулярно годичным слоям и достигают
4%, а в тангентальном направлении — параллельно годичным
слоям и достигают 10 %. Наименьшие усушка и разбухание, не
превышающие 0,3 %, происходят вдоль волокон. При дальнейшем
увеличении влажности более 30 % за счет свободной влаги усушка
и разбухание не наблюдаются.
Высыхание деревянного элемента и развитие деформаций усуш­
ки происходят неравномерно от поверхности к центру. Этот факт,
а также разница величин радиальной и тангентальной усушки
приводят к возникновению значительных остаточных напряже­
ний растяжения в наружных и сжатия во внутренних частях эле­
мента поперек волокон и в результате происходят коробление и
растрескивание древесины (рис. 1.4).
Коробление бывает продольным и поперечным. Поперечное
коробление проявляется в форме превращения квадратного сече­
ния бруса в прямоугольное или ромбическое, а прямоугольного
сечения доски — в желобчатое, изогнутое в сторону наружных
годовых колец. Продольное коробление проявляется в форме вы­
гиба досок по длине, а наличие наклона волокон по длине в дос­
ке приводит к тому, что она принимает винтообразную форму.
Растрескивание древесины происходит в том случае, когда внут­
ренние напряжения превышают малый предел прочности на рас­
тяжение поперек волокон и появляются наружные и внутренние
трещины радиального направления.
21
Рис. 1.4. Деформации лесоматериалов при усушке:
1 —уменьшение размеров сечений; 2 — растрескивание; 3 — поперечное короб­
ление; 4 — продольное коробление
Изменение влажности в пределах от 0 до 30% существенно
влияет на прочность и жесткость древесины. При увеличении влаж­
ности в этих пределах прочность древесины снижается до 30 % от
максимальной. Дальнейшее увеличение влажности не приводит к
снижению прочности древесины.
Для сравнения показателей прочности и жесткости древесины
независимо от ее влажности установлено значение стандартной
влажности, равное 12%. При испытании образцов древесины,
имеющих нестандартную влажность w= 8 —23 %, предел их проч­
ности или другой показатель Вшдолжен быть приведен к его зна­
чению при стандартной влажности Вп с учетом коэффициента а,
равного для сжатия и изгиба 0,04, по формуле
Вп = Bw[\ + a ( w - 12)].
Влияние температуры на древесину и ее теплопроводность раз­
личны. При повышении температуры предел прочности и модуль
упругости снижаются и повышается хрупкость древесины. Напри­
мер, предел прочности при сжатии древесины сосны, нагретой
от 20 до 50 °С, уменьшается в среднем до 70 %, а при нагревании
до 100 °С — до 30 % от начального.
Предел прочности древесины а, при температуре t в пределах
от 10 до 50 °С можно определить, исходя из ее начальной прочно­
сти <т2о при температуре 20 "С с учетом поправочного коэффици­
ента р, равного, например, для сосновой древесины при сжатии
3,5 МПа, по формуле
ст, = а 20 - Р О - 20).
При отрицательных температурах влага в древесине превраща­
ется в лед и прочность ее при сжатии возрастает, например, до
25 %, однако она становится более хрупкой и в ней развиваются
трещины.
22
Температурные деформации древесины определяются ко­
эффициентом линейного расширения а. Вдоль волокон дре­
весины этот коэффициент очень мал и не превышает 5 • 10~6,
что позволяет строить деревянные здания без температурных
швов. Поперек волокон древесины этот коэффициент больше в
7—10 раз.
Теплопроводность древесины благодаря ее трубчато-пористо­
му строению очень мала, особенно поперек волокон. Коэффици­
ент теплопроводности сухой древесины поперек волокон равен в
среднем X= 0,14 Вт/(м • °С). Малая теплопроводность делает древе­
сину эффективным материалом для легких ограждающих конст­
рукций зданий. Теплоемкость древесины значительна, и для сухой
древесины в среднем ее коэффициент С= 1,6 кДжДкг- °С).
Строительная фанера является листовым древесным строитель­
ным конструкционным материалом. Она состоит из нечетного числа
тонких слоев — шпонов — толщиной около 1 мм из древесины
березы или лиственницы. Волокна соседних шпонов располагают­
ся во взаимно перпендикулярных направлениях. Наружные шпо­
ны —рубашки — имеют взаимно параллельное направление воло­
кон, вдоль которого измеряют длину листов. Средние шпоны на­
зывают срединками. В строительных конструкциях применяют фа­
неру клееную и бакелизированную.
К л е е н а я ф а н е р а (рис. 1.5) состоит из слоев древесины
(шпонов), которые склеивают между собой водостойкими клея­
ми, например фенолформальдегидным. Получается водостойкая
фанера марки ФСФ. При склеивании шпонов клеями типа карбамидных получается средневодостойкая фанера марки ФК, исполь­
зование которой допускается только в помещениях без повышен­
ной влажности воздуха. Водостойкую фанеру применяют в конст­
рукциях зданий всех групп влажности воздуха. Листы клееной фа­
неры имеют толщину 6—12 мм. Наибольшее распространение в
конструкциях находят листы семислойной фанеры толщиной 8,
9, 10 и 12 мм. Листы имеют длину 2440, 2135, 1525, 1220 мм и
ширину 1525, 1220 и 725 мм.
Листовая форма является одним из главных преимуществ фа­
неры по сравнению с другими лесома­
териалами. Благодаря этому ее с успе­
1
2
хом применяют для изготовления лег­
ких эффективных покрытий и стен, а
также емкостей и опалубки. Перекрест­
ное расположение волокон слоев при­
дает фанере меньшую анизотропию
свойств в плоскости листов, чем у дре­ Рис. 1.5. Строительная фа­
весины, малую усушку и разбухание при
нера (деталь сечения):
колебаниях влажности, как у древеси­ 1 , 2 — соответственно про­
дольные и поперечные слои
ны вдоль волокон.
23
Прочность клееной фанеры вдоль волокон наружных слоев су­
щественно выше, чем поперек, так как слоев с продольным на­
правлением волокон на один больше, и наружные слои распола­
гаются в зоне максимальных напряжений при изгибе. Прочность
клееной фанеры при срезе по плоскостям сечений в 2,5 раза пре­
вышает прочность древесины при скалывании вдоль волокон, что
является ее большим преимуществом. Прочность клеевых соеди­
нений фанеры при скалывании мала и не превышает 2/3 прочно­
сти хвойной древесины при скалывании поперек волокон. Влия­
ние пороков на прочность фанеры относительно ниже, чем в дре­
весине, так как совпадение пороков, расположенных в отдельных
слоях, маловероятно.
Влажность фанеры повышенной водостойкости не превышает
12 %, а средней — 15 %. Жесткость фанеры, характеризуемая мо­
дулем упругости, определяется главным образом слоями, работа­
ющими вдоль волокон, и составляет для фанеры толщиной 8 мм
и более около 90 % от жесткости древесины вдоль и 70 % поперек
волокон.
Б а к е л и з и р о в а н н а я ф а н е р а имеет такое же строение,
как и клееная, однако ее наружные слои не только склеивают со
средними, но и пропитывают водостойкими синтетическими спирторасгворимыми смолами. Листы фанеры имеют толщину 5—18 мм,
длину 1500—7700 мм и ширину 1200—1500 мм. Она отличается от
клееной фанеры более высокой водостойкостью и прочностью и
применяется в конструкциях, работающих в особо неблагоприят­
ных влажностных условиях. Прочность бакелизированной фанеры
при нормальных напряжениях вдоль листов более чем в 2,5 раза, а
поперек почти в 2 раза превышает прочность хвойной древесины
вдоль волокон. Ее сопротивление срезу в 4,5 раза, а скалыванию в
1,5 раза выше сопротивления скалыванию древесины вдоль воло­
кон. Жесткость бакелизированной фанеры поперек волокон на­
ружных слоев близка к жесткости древесины вдоль волокон, а
вдоль волокон наружных слоев в 1,5 раза выше.
В настоящее время в нашей стране фанеру производят не толь­
ко из древесины березы, но и хвойных пород.
Защита деревянных конструкций от гниения имеет важное зна­
чение для обеспечения их необходимой долговечности в любых
условиях эксплуатации.
Гниение — это разрушение древесины простейшими раститель­
ными организмами — древоразрушающими грибами, для кото­
рых она является питательной средой. Некоторые лесные грибы
поражают еще растущие и высыхающие в лесу деревья. Складские
грибы разрушают лесоматериалы во время хранения их на складах.
Домовые грибы — мерулиус, кониофора, пория и др. — разруша­
ют древесину строительных конструкций в процессе их эксплуа­
тации.
24
Грибы развиваются из зародышевых клеток-спор микроскопи­
ческих размеров, которые легко переносятся движением воздуха.
Прорастая, споры в виде тонких нитей-гифов, которые сплета­
ются в шнуры и пленки-грибницы, образуют плодовое тело гри­
ба — источник новых спор. Гифы древоразрушающих грибов, про­
никая в древесину, образуют отверстия в клеточных оболочках и
затем растворяют их выделяемыми ферментами — разрушителями
целлюлозы. При этом древесина окрашивается в бурый цвет, по­
крывается трещинами и распадается на призматические кусочки,
полностью теряя свою прочность.
Гниение как результат жизнедеятельности растительных орга­
низмов невозможно без определенных благоприятных условий.
Температура должна быть умеренно положительной, не выше 50 °С.
При отрицательной темпера'гуре жизнь грибов замирает, но мо­
жет возобновиться вновь при потеплении. Прекращается рост гри­
бов при температуре более 50 °С, а при температуре более 80 °С
плодовые тела, грибница и споры грибов погибают. Наименьшая
влажность древесины, на которой могут расти грибы, составляет
20 %. В более сухой древесине жизнь грибов прекращается.
Присутствие воздуха также необходимо для роста грибов. Дре­
весина, полностью насыщенная водой или находящаяся в воде
без доступа воздуха, гниению не подвергается. Невозможна жиз­
недеятельность грибов также в среде ядовитых для них веществ.
Защита от гниения имеет важнейшее значение для обеспече­
ния долголетней службы деревянных конструкций. Она состоит в
том, что исключается одно из перечисленных выше условий, не­
обходимых для жизнедеятельности грибов. Изолировать древесину
от попадания в нее спор, от окружающего воздуха и положитель­
ной температуры в большинстве случаев практически невозмож­
но. Можно только уничтожить грибы и их споры высокой темпе­
ратурой, не допустить повышения ее влажности до опасного уровня
или пропитать ее ядовитыми для грибов веществами. Это и дости­
гается путем стерилизации, конструктивной и химической защи­
ты древесины от гниения.
Стерилизация древесины происходит естественно в процессе
искусственной, особенно высокотемпературной, сушки. Прогрев
древесины при температуре выше 80 °С приводит к гибели всех
присутствующих в ней спор домовых грибов. Такая древесина го­
раздо дольше сопротивляется загниванию и должна в первую оче­
редь применяться в конструкциях.
Конструктивная защита древесины от гниения (рис. 1.6) обес­
печивает такой режим эксплуатации конструкций, при котором
ее влажность не превышает благоприятного для загнивания уров­
ня. Защита древесины закрытых помещений от увлажнения атмос­
ферными осадками достигается полной водонепроницаемостью
кровли, выполненной из высококачественных материалов. Кров25
///////////////////////
///////////////////////
Рис. 1.6. Конструктивная защита древесины от гниения:
а — бесчердачное утепленное покрытие; 6 — чердачное утепленное перекрытие;
в- — защита от конденсационной влаги; г — то же, от атмосферных осадков; д —
тоэ же, от капиллярной влаги; 1 — конструкции; 2 — теплоизоляция; 3 — кровля;
4 — продух; 5 — пароизоляция; 6 — гидроизоляция
ля должна иметь необходимые уклоны, и в ней не должно быть
внутренних водостоков и ендов. Защита древесины от увлажнения
капиллярной влагой осуществляется отделением ее от бетонных,
каменных или металлических конструкций слоями гидроизоля­
ции. Деревянные конструкции должны опираться на фундаменты
выше уровней пола на 15 см и грунта на 50 см. Защита древесины
от увлажнения парами воздуха достигается тем, что в помещени­
ях с влажностью более 60 % поверхность ее изолируется водостой­
кими лакокрасочными материалами, например П Ф -115, УР-175
и др.
Защита древесины от конденсационной влаги имеет очень важ­
ное значение. Эта влага возникает в холодное время года в толще
теплоизоляционного слоя ограждающих конструкций отаплива­
емых помещений в результате конденсации водяных паров. Та­
кое увлажнение происходит длительное время и не всегда может
быть обнаружено. Для защиты от проникновения в конструкцию
водяных паров со стороны помещения укладывается слой пароизоляции. Основные несущие конструкции помещаются вне зоны
перепада температур или полностью внутри помещения ниже
слоя теплоизоляции или вне его, например в холодном помеще­
нии чердака выше утепленного чердачного перекрытия. Хорошее
проветривание древесины благоприятно для ее естественного вы­
сыхания в процессе эксплуатации. Для этого делают осушающие
продухи в толще конструкций, сообщающиеся с наружным воз­
духом. Естественные продухи образуются между листами асбесто­
цементной кровли. Элементы основных конструкций следует про­
ектировать без зазоров и щелей, где может застаиваться влажный
воздух.
Химическая защита древесины необходима в тех случаях, ког­
да ее увлажнение в процессе эксплуатации неизбежно. Конструк­
ции, эксплуатируемые на открытом воздухе, в земле, в толще
ограждающих конструкций зданий и в других случаях, например
конструкции мостов, мачт, свай, неизбежно увлажняются атмос­
ферной, грунтовой или конденсационной влагой. Химическая за­
щита таких конструкций от загнивания заключается в пропитке
или покрытии их ядовитыми для грибов веществами — антисеп­
тиками. Они бывают водорастворимыми и маслянистыми.
Водорастворимые антисептики — это вещества, не имеющие
цвета и запаха, безвредные для людей, например фтористый и
кремнефтористый натрий. Их используют для защиты древесины
в закрытых помещениях, где возможно пребывание людей и нет
опасности вымывания антисептиков водой. Существуют и другие
виды водорастворимых антисептиков, некоторые из них ядовиты
и для людей.
Маслянистые антисептики представляют собой некоторые ми­
неральные масла — каменноугольное, антраценовое, сланцевое,
древесный креозот и др. Они не растворяются в воде, очень ядо­
виты для грибов, однако имеют сильный неприятный запах и вред­
ны для здоровья людей. Эти антисептики не вымываются водой и
применяются для защиты от гниения конструкций, эксплуатиру­
емых на открытом воздухе, в земле и над водой. Защищенные мас­
лянистыми антисептиками конструкции успешно служат десятки
лет в условиях, где незащищенные конструкции разрушаются гни­
лостными грибами за два-три года. Внесение в древесину антисеп­
тиков производят различными методами.
Пропитка древесины под давлением наиболее эффективна. При
этом древесина влажностью не более 25 % выдерживается в ра­
створе антисептика внутри стального автоклава под высоким (до
14 МПа) давлением, в результате чего антисептик проникает в
нее на достаточную глубину. Пропитка древесины в горячехолод­
ных ваннах тоже дает достаточный эффект при меньшей стоимо­
сти. При этом древесина выдерживается сначала в горячей, а за­
тем в холодной ванне с раствором антисептика без повышенного
давления. Поверхностное антисептирование заключается в нане­
27
сении на поверхность древесины эксплуатируемых конструкций
горячего антисептического раствора или густой антисептической
пасты. Подробные указания по защите древесины от загнивания
содержатся в специальной инструкции. Применение древесины,
не защищенной от гниения, в благоприятных для загнивания ус­
ловиях недопустимо.
Поражение насекомыми может тоже служить причиной разру­
шения древесины. Для деревянных конструкций наиболее опасны
жуки-точильщики. Их личинки, питаясь главным образом древе­
синой, прогрызают в ней многочисленные отверстия, соответ­
ственно снижая ее прочность. Для защиты от жуков-точилыциков
эффективны только температурный и химический способы. На­
грев древесины до температуры выше 80 °С приводит к гибели этих
вредителей. Химическая защита древесины от загнивания, осо­
бенно маслянистыми антисептиками, одновременно надежно за­
щищает ее и от жуков-точилыциков. Для истребления жуков и их
личинок в древесине эксплуатируемых конструкций применяется
окуривание ее ядовитыми газами и вспрыскивание в ходы жуков
растворов ядовитых веществ, например гексахлорана или ДЦТ.
Защита деревянных конструкций от возгорания, горения и по­
жаров имеет общегосударственное значение.
Возгорание и горение древесины происходит в результате ее
нагрева до температуры, при которой начинается ее термическое
разложение с образованием горючих газов, содержащих углерод.
Таким образом, древесина как органический материал сгораема.
Однако благодаря малой теплопроводности горение крупных эле­
ментов долго ограничивается наружными слоями и они имеют
достаточный предел огнестойкости — очень важный показатель
для успешного тушения пожара. Он определяется временем, при
котором нагруженный элемент сохраняет несущую способность
при температуре пожара. Деревянные элементы крупных сечений
имеют более высокие пределы огнестойкости, чем остальные.
Например, брусчатая балка сечением 17 х 17 см, нагруженная до
напряжения 10 МПа, имеет предел огнестойкости 40 мин, в те­
чение которых могут быть приняты меры для тушения огня.
Возгорание древесины и распространение огня невозможно без
определенных благоприятных условий. Длительное нагревание при
температуре 150 °С или быстрое при более высокой температуре
гёЪжет привести к воспламенению древесины. Окружающий воз­
дух обогащает процесс горения кислородом и способствует рас­
пространению пламени. Элементы конструкций, состоящие из
отдельных досок с зазорами между ними, быстрее нагреваются до
опасного предела, чем монолитные, имеют большие поверхности
соприкосновения с воздухом и смежные поверхности, взаимно
обогреваемые лучистым нагревом. В результате их предел огнестой­
кости значительно ниже, чем у монолитных элементов.
28
Целью защиты от возгорания является повышение предела ог­
нестойкости деревянных конструкций, с тем чтобы они дольше
сопротивлялись возгоранию и в процессе горения не создавали и
не распространяли открытого пламени. Это достигается меропри­
ятиями конструктивной и химической защиты деревянных конст­
рукций от возгорания.
Конструктивная защита древесины от возгорания заключается
в ликвидации условий, благоприятных для возникновения и рас­
пространения огня. В конструкциях производственных зданий с
горячими процессами применение древесины недопустимо. Дере­
вянные конструкции должны быть отделены от печей и нагрева­
тельных приборов достаточными расстояниями или огнестойки­
ми материалами. Для предотвращения распространения огня де­
ревянные строения должны быть разделены на части противопо­
жарными преградами и зонами из огнестойких конструкций. Де­
ревянные ограждающие конструкции не должны иметь сообщаю­
щихся полостей с тягой воздуха, по которым может распростра­
няться пламя, не доступное для тушения. Элементы деревянных
конструкций должны быть массивными клееными или брусчаты­
ми, имеющими большие пределы огнестойкости, чем дощатые.
Обыкновенная штукатурка значительно повышает сопротивление
деревянных стен и потолков возгоранию.
Химическая защита от возгорания производится в тех случаях,
когда от ограждающих деревянных конструкций требуется повы­
шенная степень огнестойкости, например в помещениях, где на­
ходятся легковоспламеняющиеся материалы. Она заключается в
противопожарных пропитках и окраске. Для огнезащитной про­
питки древесины применяют вещества, называемые антипирена­
ми. Эти вещества, введенные в древесину, при опасном нагреве
плавятся или разлагаются, покрывая ее огнезащитными пленка­
ми или газовыми оболочками, препятствующими доступу кисло­
рода к древесине, которая при этом может только медленно раз­
лагаться и тлеть, не создавая открытого пламени и не распростра­
няя огня. Пропитка древесины производится с одновременной
пропиткой антисептиками. Защитные краски на основе жидкого
стекла, суперфосфата и других веществ наносятся на поверхность
древесины. При нагревании во время пожара пленки их вздувают­
ся от выделяемых газов и создают воздушную прослойку, времен­
но препятствующую возгоранию.
Защита деревянных конструкций зданий с химически агрес­
сивной средой имеет большое значение для обеспечения необхо­
димого срока их нормальной эксплуатации. При воздействии хи­
мически агрессивных веществ — кислот, щелочей, солей — в
жидком, твердом или газообразном состоянии происходит кор­
розия древесины и ее разрушение. Жидкие и твердые вещества
действуют на древесину непосредственно, а газообразные — лишь
29
на влажную поверхность древесины, образуя на ней химически
агрессивные растворы. Пыль некоторых веществ, например калий­
ных солей, осаждается в порах и щелях древесины, расширяется
при увлажнении и ослабляет связи между ее волокнами.
Активность процесса коррозии древесины зависит от степени
концентрации агрессивной среды и ее температуры. Слабая агрес­
сивная среда, например минеральные кислоты концентрации до
5 % и пыль калийных солей, оказывает лишь незначительное по­
верхностное агрессивное воздействие на древесину и практически
не снижает прочности деревянных конструкций. В таких средах
древесина является химически стойким материалом, гораздо бо­
лее долговечным, чем металл, бетон и железобетон, для которых
эти среды химически агрессивны. Средние и сильные агрессивные
среды, например минеральные кислоты концентрации выше 5 %,
оказывают разрушительное воздействие на древесину тем более
активное, чем выше их концентрация и температура. При этом
древесина приобретает сначала цветную, затем темную окраску,
растворяются целлюлоза и лигнин, нарушаются связи между во­
локнами и прочность древесины резко уменьшается.
Защита древесины от коррозии заключается в устранении раз­
рушающего влияния этого процесса путем конструктивных и за­
щитных мероприятий.
Конструктивная защита от коррозии является в большинстве
случаев достаточной для конструкций, эксплуатируемых в слабых
химически агрессивных средах. Деревянные конструкции в этих
условиях должны изготовляться из смолистой хвойной древеси­
ны, лучше сопротивляющейся проникновению агрессивных ве­
ществ. Элементы конструкций должны иметь крупные клееные или
брусчатые сечения с минимальной поверхностью контакта с ок­
ружающей средой. Они должны иметь минимальное количество
узловых соединений и металлических креплений. Там, где агрес­
сивные вещества присутствуют в виде пыли, например в складах
калийных удобрений, конструкции не должны иметь пазов и го­
ризонтальных поверхностей, удобных для оседания пыли. Этим
требованиям отвечают в первую очередь сплошные клееные дере­
вянные конструкции.
Защитные покрытия используют в дополнение к указанным
конструктивным мероприятиям. Деревянные конструкции, эксп­
луатируемые в условиях слабой химически агрессивной среды,
дополнительно защищают лакокрасочными покрытиями, изоли­
рующими древесину от окружающей среды. Для этого используют
краски, лаки и эмали, стойкие к данной агрессивной среде. Дере­
вянные конструкции, эксплуатируемые в средних и сильных аг­
рессивных средах, должны быть изолированы от соприкоснове­
ния с ними герметичными оболочками из химически стойких
материалов.
30
1.2. Конструкционные пластмассы
Конструкционные пластмассы в строительстве применяют в
составе элементов несущих и ограждающих строительных конст­
рукций. Основой этих материалов являются синтетические поли­
мерные смолы — продукты промышленности химических орга­
нических материалов. К ним относятся стеклопластики, пенопласты, оргстекло, винипласт, воздухо- и водонепроницаемые тка­
ни и пленки и древесные пластики, синтетические клеи.
Из наиболее прочных стеклопластиков, расчетное сопротивле­
ние сжатию и растяжению которых достигает 100 МПа, выполня­
ют основные элементы несущих строительных конструкций. Про­
зрачные стеклопластики используют в качестве светопрозрачных
элементов ограждающих конструкций зданий. Из особо прозрач­
ного оргстекла и прозрачного винипласта изготовляют прозрач­
ные части ограждений, пропускающие все части солнечного спек­
тра. Сверхлегкие пенопласты применяют в средних слоях легких
ограждений покрытий и стен. Прочные, тонкие воздухо- и водо­
непроницаемые ткани используют в пневматических и тентовых
покрытиях. Из полимерных пленок осуществляют временные по­
крытия закрытого грунта. Древесные пластики могут служить ма­
териалом для конструкций, работающих на открытом воздухе.
К положительным свойствам этих материалов относятся: ма­
лая плотность, не превышающая 1500 кг/м3, химическая стой­
кость в некоторых агрессивных средах; влагостойкость и непод­
верженность гниению. В процессе изготовления им можно придать
ряд требуемых свойств и сделать элементы конструкций любой
требуемой формы.
Основными недостатками конструкционных пластмасс явля­
ется их малая жесткость (модуль упругости не превышает 104 МПа)
и, следовательно, повышенная деформативность, не позволяю­
щая полностью использовать их прочность. Сгораемость данных
материалов ограничивает их применение в основных несущих кон­
струкциях. Малая поверхностная твердость ведет к легкой повреж­
даемости конструкций. Ползучесть и старение в процессе эксплу­
атации приводит к повышению прогибов и уменьшению прозрач­
ности ограждающих конструкций.
В состав конструкционных пластмасс входит ряд компонентов.
Синтетические смолы являются основными компонентами пла­
стмасс. Они образуют основную массу материалов, служат связу­
ющими аналогично цементному раствору в бетоне и делятся на
два основных класса — термопластичные и термореактивные.
Термопластичные смолы (полиметилметакрилат, поливинил­
хлорид, полистирол, полиэтилен и др.) после завершения про­
цесса синтеза и превращения в твердую стеклообразную массу
способны под действием нагрева размягчаться, переходя в вязко­
31
текучее состояние, а при охлаждении вновь возвращаться к твер­
дому состоянию. Термопластичные смолы используют для изго­
товления листовых материалов (органическое стекло, винипласт),
клеев для их склеивания, пенопластов, пленок.
Термореактивные смолы переходят из вязкотекучего в твердое
состояние только один раз — в процессе отверждения. Этот про­
цесс происходит под воздействием отвердителя или при нагреве
или одновременно того и другого. После завершения процесса
отверждения термореактивный материал не размягчается при пос­
ледующем нагреве, а лишь незначительно теряет прочность и же­
сткость. В конструкционных пластмассах строительного назначе­
ния применяют следующие термореактивные смолы: фенолформальдегидные, полиэфирные, эпоксидные, мочевиноформальдегидные. Термореактивные смолы широко используют для изго­
товления фанеры, стеклопластиков, пенопластов, клеев, древес­
ных пластиков, различных фасонных деталей.
При формировании полимера применяют и такие материалы,
как отвердители, ускорители (вещества, ускоряющие отвержде­
ние), катализаторы (вещества, не участвующие в отверждении,
но присутствие которых необходимо для протекания процесса
отверждения), пластификаторы (вещества, уменьшающие хруп­
кость готового материала), ингибиторы (вещества, замедляющие
процесс отверждения) и др.
Для улучшения механических и технологических свойств, по­
вышения теплостойкости, снижения стоимости в пластмассовые
материалы вводят наполнители неорганического и органического
происхождения в виде порошков, волокон, листов (древесная
мука, цемент, стеклянные и асбестовые волокна, бумага, хлоп­
чатобумажные и стеклянные ткани и т.п.).
Пластмассовые материалы окрашивают путем введения краси­
телей в массу материала. Для того чтобы получить нужный рису­
нок и цвет, необходимо предварительно нанести их на наружный
слой листового наполнителя (бумагу, ткань).
Порообразователи служат добавками для получения газонапол­
ненных материалов — пенопластов.
Наряду с пластмассами в конструкциях широко используют
такие неорганические материалы, как алюминий, плакирован­
ную (защищенную) сталь, асбестоцемент.
Стеклопластик представляет собой материал, состоящий из двух
основных компонентов: синтетического связующего и стеклянно­
го волокна (наполнителя). Сущность изготовления стеклопласти­
ка состоит в том, что в неотвержденную смолу вводят стеклово­
локно, а затем смолу подвергают отверждению. Синтетическое
связующее придает монолитность и обеспечивает стабильность
формы готового стеклопластика; обеспечивает использование вы­
сокой прочности стекловолокна путем равномерного распределе­
32
ния усилий между волокнами и обеспечения их устойчивости,
защиту волокон от атмосферных и других внешних воздействий;
воспринимает часть усилий, возникающих в эксплуатационных
условиях.
В стеклопластиках чаще всего используют термореактивные
смолы (полиэфирную, эпоксидную, фенолформальдегидную) с
различными модифицирующими добавками, улучшающими тех­
нологические и эксплуатационные свойства стеклопластика.
Стеклянное волокно, или стекловолокно, — это армирующий
элемент, который обеспечивает стеклопластикам большую проч­
ность и стойкость против ударов. Стекловолокно получается из
расплавленной стеклянной массы специального состава, протя­
нутой через мельчайшие отверстия — фильеры. Оно имеет микро­
скопический диаметр около 10 мкм, очень высокую прочность,
достигающую 2000 МПа, и применяется в рубленом или непре­
рывном виде (см. приложение 4).
Рубленое стекловолокно — это масса коротких (до 50 мм) на­
рубленных из непрерывных, хаотически расположенных стекло­
волокон. Непрерывное стекловолокно — это волокна и нити, жгу­
ты и ткани из него неограниченной длины.
Стойкость стеклопластиков против старения в атмосфере —
появления трещин, снижения прочности и светопроницаемо­
сти — является вполне достаточной. После 20 лет эксплуатации на
открытом воздухе никаких изменений в них не отмечается.
Стеклопластики бывают сгораемыми и трудносгораемыми. Спе­
циальные добавки в смолу придают им свойство самозатухания.
Они могут быть светопроницаемыми и светонепроницаемыми.
Стеклопластики разделяют на две группы: на основе рубленого
или непрерывного волокна.
Стеклопластики на основе рубленого стекловолокна явля­
ются изотропными материалами, одинаково прочными во всех
направлениях благодаря хаотичному расположению коротких
стекловолокон в их массе. Они имеют плотность до 1500 кг/м3,
прочность при растяжении 150 МПа. Такая невысокая прочность
по сравнению с высокой прочностью стекловолокна объясня­
ется тем, что параллельно действию растягивающего усилия в
нем располагается только незначительная часть наиболее на­
пряженных коротких стекловолокон, а остальные направлены
под разными углами и напряжены меньше. Кроме того, в рабо­
те на растяжение принимает участие менее прочная смола, че­
рез которую передается напряжение от одних волокон к дру­
гим.
Положительными качествами стеклопластиков на основе руб­
леных волокон являются простота их изготовления благодаря хао­
тичному расположению стекловолокна, относительно низкая сто­
имость, прозрачность.
2
Хромец Ю. Н.
33
Прозрачный стеклопластик, выпускаемый в нашей стране,
состоит из прозрачной полиэфирной термореактивной смолы и
рубленого стекловолокна в количестве около 25 % по массе. Он
имеет высокий коэффициент светопропускания (0,85), что дос­
тигается примерно одинаковыми значениями коэффициентов
преломления света полиэфирной смолы и стекловолокна. Свет при
этом пропускается рассеянно, обеспечивая равномерную освещен­
ность помещений. Такой стеклопластик может быть бесцветным
или иметь любую требуемую окраску.
Прозрачный стеклопластик выпускают в форме волнистых и
плоских листов толщиной 8 = 1,5 —2,5 мм, шириной до 1,5 м и
длиной до 6 м. Волны имеют шаг Ьв = 60—200 мм, высоту Ав= 14—
54 мм и могут располагаться вдоль или поперек листа (рис. 1.7).
В последнем случае лист может иметь длину, достигающую десят­
ков метров, и свертываться в рулон. Эти размеры волн увязаны с
размерами волн асбестоцементных и алюминиевых волнистых ли­
стов, что обеспечивает возможность их совместного применения.
Основным преимуществом прозрачного стеклопластика по срав­
нению с прочими листовыми материалами является его свето­
проницаемость, а по сравнению с листовым стеклом — отсут­
ствие хрупкости и большая простота крепления. Его используют в
виде отдельных волнистых листов, ребристых плит и панелей для
Рис. 1.7. Стеклопластики:
а, б — плоский; в — волнистый; 1 — непрерывное стекловолокно; 2 — рубленое
стекловолокно; 3 — поперечные волны; 4 — продольные волны; 5 — сечение
волны
34
создания светопроницаемых участков холодных и полутеплых по­
крытий и стен зданий.
Стеклопластик на основе непрерывных стекловолокон непроз­
рачен. Он состоит из термореактивных фенолформальдегидных и
других смол и стекловолокон в виде отдельных волокон, стекло­
нитей или стекложгутов непрерывной длины. Стекловолокна рас­
полагаются в одном или двух взаимно перпендикулярных направ­
лениях в количестве до 70 % по массе. Наиболее высокими меха­
ническими свойствами обладают стеклопластики, армированные
прямыми непрерывными волокнами, например стекложгутами.
Если все стекложгуты расположены только в одном направлении,
то прочность стеклопластика при растяжении в этом направлении
вдоль волокон является максимальной и может достигать 1000 МПа,
а модуль упругости — 40 000 МПа. Однако в направлении, попе­
речном направлению стекложгутов, прочность стеклопластика
невелика и приближается к прочности неармированного связую­
щего. Если стекложгуты уложены по двум взаимно перпендику­
лярным направлениям, то прочность и жесткость стеклопластика
будет выше в том направлении, по которому уложена большая
часть стекложгутов.
В нашей стране выпускают стеклопластик марки АГ-4С, арми­
рованный непрерывными стекловолокнами. Он имеет плотность
примерно 1900 кг/м3, прочность при растяжении до 500 МПа и
модуль упругости до 18 500 МПа. Этот стеклопластик используют
для изготовления небольших болтов, фасонок, профильных и дру­
гих деталей, конструкций, эксплуатируемых в химически агрес­
сивной среде. Из него могут изготовляться и несущие конструк­
ции.
Пенопласты — это сверхлегкие газонаполненные конструкци­
онные пластмассы. Они представляют собой твердую пену, состо­
ящую из массы замкнутых ячеек, заполненных воздухом или без­
вредным газом со стенками из затвердевшей полимерной смолы.
Синтетическим связующим в пенопластах служат термопластич­
ные или термореактивные смолы. Из термопластичных полистирольных и поливинилхлоридных смол изготовляют пенополистиролы ПС-1, ПС-4 и ПСБ. Из термореактивных полиуретановых и
фенолформальдегидных смол получают пенополиуретан ПУ-101
и пенополифенолформальдегид Ф РП -1. Наполнителями являют­
ся газы, образующиеся в процессе пенообразования.
Пенопласты образуются путем горячего вспенивания термо­
пластичных смол или введения в состав термореактивных смол
отвердителей и пенообразователей в процессе их твердения. Прес­
совые пенопласты изготовляются в установках высокого давления.
Они имеют повышенную прочность и стоимость. Беспрессовые
пенопласты вспениваются при обычном атмосферном давлении,
являются менее прочными и более дешевыми. Особенно эффек­
35
тивно изготовление термопластичных пенопластов непосредствен­
но в полостях ограждающих конструкций, например при форми­
ровании среднего слоя трехслойных плит и панелей.
Плотность пенопластов очень мала и находится у конструкци­
онных видов в пределах 30—100 кг/м3. У поверхности блоков она
несколько выше, чем в середине, благодаря меньшим размерам
газосодержащих ячеек (рис. 1.8). Это наиболее легкий конструкци­
онный материал в практике мирового строительства. Прочность
пенопластов соответствует их плотности и тоже очень мала: при
сжатии — 0,2 —0,5 МПа, а при сдвиге — 0,1 —0,7 МПа.
Пенопласты — очень эффективный теплоизоляционный мате­
риал. Теплопроводность, соответствующая их малой плотности,
очень низкая. Теплостойкость их ограничена и у термопластичных
видов составляет всего 60 “С и лишь вдвое выше у термореактив­
ных. Пенопласты бывают сгораемые — ПС-1 и ПС-4, трудносго­
раемые и самозатухающие — ПСБ и ФРП. Благодаря малой мас­
се, низкой теплопроводности и относительно достаточной проч­
ности их используют как эффективный материал для слоистых
плит и панелей покрытий и стен зданий различного назначе­
ния, отличающихся легкостью и высокими теплозащитными свой­
ствами.
Органическое стекло, или оргстекло, — это конструкционная
пластмасса, состоящая полностью из термопластичной полимер­
ной смолы—полиметилметакрилата, без каких-либо наполните­
лей. Его изготовляют в виде листов и плит размерами до 170 см и
толщиной до 40 мм. Оргстекло имеет достаточную (до 10 МПа)
прочность при изгибе, но ограниченную жесткость и твердость.
Модуль упругости составляет 3000 МПа, поверхность легко по­
вреждается, теплостойкость ограничена 60 °С, оно сгораемо.
Главное достоинство оргстекла — высокая степень прозрачно­
сти (до 95 %). Существенным преимуществом оргстекла перед окон­
ным стеклом является отсутствие хрупкости и светопрозрачность.
В строительстве его используют для создания светопрозрачных
участков в покрытиях и стенах зданий, в помещениях которых
необходимо создание оздоровительного для людей внутреннего
а
б
Рис. 1.8. Пенопласт:
а — блок; б — эпюра измене­
ния плотности и прочности по
толщине блока
36
микроклимата. Малая теплостойкость оргстекла позволяет формо­
вать из нагретых листов гнутые поверхности зенитных фонарей.
Винипласт, как и оргстекло, состоит полностью из термоплас­
тичной смолы без наполнителей. Его изготовляют в виде плоских
или волнистых листов толщиной до 2 мм и шириной до 120 см.
Может быть прозрачным. Свойства винипласта близки к свойствам
оргстекла. Основными преимуществами являются самозатухаемость, высокая стойкость в химически агрессивных средах и от­
носительно низкая стоимость. Применяют в конструкциях, рабо­
тающих в химически агрессивных средах.
Воздухонепроницаемые ткани — новый конструкционный ма­
териал, состоящий из текстиля и эластичных покрытий. Техни­
ческий текстиль является прочностной основой воздухонепрони­
цаемых тканей. Его изготовляют из высокопрочных синтетических
волокон. Полиамидные волокна типа «капрон» применяют наибо­
лее широко. Они имеют высокую прочность, значительную растя­
жимость и малую стойкость против старения. Полиэфирные во­
локна типа «лавсан» менее растяжимы и более стойки против ста­
рения. Текстиль имеет полотняное переплетение. Более прочные
нити располагаются вдоль рулона (основа), а менее прочные —
поперек него (уток). Синтетические волокна не подвержены заг­
ниванию, но сгораемы.
Покрытия обеспечивают необходимую воздухонепроницаемость
тканей, служат для плотной связи нитей и слоев текстиля между
собой и защищают их от активного атмосферного старения. В ка­
честве покрытий применяют главным образом резину на основе
синтетических каучуков, а также эластичный пластифицирован­
ный поливинилхлорид.
Воздухонепроницаемые ткани изготовляют заводы резинотехни­
ческих изделий в виде рулонов шириной до 1 м, длиной до 20 м,
толщиной 1—2 мм и поверхностной плотностью 0,5—1,5 кг/м2.
По числу слоев текстиля они бывают одно- и многослойными (не
более трех слоев). Многослойные ткани бывают параллельно дуб­
лированными, в которых нити слоев располагаются параллельно,
и диагонально дублированными, когда они находятся под углом
45° друг к другу. Для изготовления пневматических конструкций
наша промышленность выпускает следующие воздухонепроница­
емые ткани: однослойная У-93 и двуслойная У-92, параллельно
дублированная для воздухоопорных конструкций; двуслойная
№ 109Ф и трехслойная № 110Ф, параллельно дублированная для
изготовления более напряженных пневмокаркасных конструкций.
Резину из натурального каучука толщиной 1 мм применяют
для изготовления камер пневмокаркасных конструкций. Для не­
больших воздухоопорных конструкций со сроками службы, изме­
ряемыми месяцами, применяют малопрочные и нестойкие к ат­
мосферным воздействиям, особенно в свету, синтетические пленки.
37
Свойства воздухонепроницаемых тканей определяются свойства­
ми составляющих их текстилей и покрытий.
Прочность воздухонепроницаемых тканей зависит не от их тол­
щины, а только от прочности нитей текстиля, направленных вдоль
действующего в ткани растягивающего усилия. Вдоль основы проч­
ность ткани значительно выше, чем вдоль утка, что соответствует
их относительной прочности. Прочность параллельно дублирован­
ных тканей близка к общей прочности составляющих их слоев.
Деформативность воздухонепроницаемых тканей весьма зна­
чительна и может достигать при одноосном растяжении 30 %. Мо­
дуль упругости однослойных тканей составляет около 90 кг/см по
основе и около 45 кг/см по утку (соответственно 90 и 45 кН/м).
Старение воздухонепроницаемых тканей происходит в резуль­
тате длительного воздействия на них в процессе эксплуатации
кислорода и озона воздуха, солнечного света, переменной влаж­
ности и температуры. Покрытия тканей при этом снижают свою
эластичность и воздухонепроницаемость, а нити текстиля умень­
шают свою прочность.
Морозостойкость воздухонепроницаемых тканей является дос­
таточной и они сохраняют свои свойства при отрицательной тем­
пературе до -50 °С. Теплостойкость их тоже достаточно высока и
их можно эксплуатировать при температуре до +50 °С. К недостат­
кам воздухонепроницаемых тканей относят их сгораемость и лег­
кую повреждаемость. Синтетические ткани только с водонепро­
ницаемыми покрытиями, или пропитками, применяют для тен­
товых покрытий.
Неорганические конструкционные материалы. В конструкциях из дере­
ва и пластмасс применяют также следующие неорганические конструк­
ционные строительные материалы.
1. Сталь малоуглеродистая средней прочности, плотность 7850 кг/м3,
предел текучести 275 МПа, модуль продольной упругости Е - 2,1-105
МПа. Сталь изготовляют в виде листов, прокатных и гнутых профилей,
прутков и применяют для изготовления металлических элементов и со­
единений конструкций.
2. Алюминий, деформируемый и поддающийся обработке давлени­
ем, марок АМц, АМг, АВ и др. Плотность алюминия значительно мень­
ше, чем у стали, и равна 2640 кг/м3, модуль упругости Е= 7,1 • 104 МПа,
а средняя прочность 150 МПа. Из алюминия изготовляют плоские и гоф­
рированные листы, прокатные и гнутые профили. Алюминий намного
более стоек, чем сталь, против коррозии во влажной среде и его приме­
няют для обшивок легких трехслойных плит и панелей покрытий и стен
различных зданий, а также для изготовления элементов и соединений
конструкций.
3. Асбестоцемент, который состоит из смеси асбестовых волокон с
цементным камнем. Изготовляют в виде волнистых и плоских листов тол­
щиной 6 —10 см и длиной 1,5; 3,0; 1,7 и 3,3 м и гнутых профилей. Сред­
няя плотность 1800 кг/м3, средняя прочность при сжатии невелика и рав­
38
на 1,5 МПа, а при растяжении еще ниже, модуль упругости £=600 МПа.
Асбестоцемент несгораем, однако хрупок и гигроскопичен. Применяют
в основном в качестве листов кровли и обшивок трехслойных ограждаю­
щих конструкций.
Вопросы для самопроверки
1. Расскажите о лесных богатствах нашей страны.
2. Какие породы древесины применяют в деревянных конструкциях и
как они сортируются по качеству?
3. В чем преимущества древесины как конструкционного строитель­
ного материала?
4. Каково строение древесины? Что такое пороки и анизотропия дре­
весины и как они влияют на ее прочность?
5. Как влияет влажность на плотность, прочность и жесткость древе­
сины?
6. При каких условиях гниет древесина и какие методы ее защиты от
гниения?
7. При каких условиях древесина горит и какие методы ее защиты от
горения?
8. Что такое строительная фанера и каковы ее строение и достоинства
как конструкционного материала?
9. Какие конструкционные пластмассы применяют для строительных
конструкций и каковы их общие достоинства и недостатки?
10. Что такое стеклопластики, каковы их строение, прочность и об­
ласть применения?
11. Что такое пенопласты, каковы их структура, плотность и область
применения?
12. Что такое оргстекло, его основное достоинство и применение?
13. Что такое воздухонепроницаемые ткани, каково их строение и где
их применяют?
14. Что такое винипласт, каково его основное достоинство и где его
используют?
15. Что такое древесные пластики, их строение, свойства и примене­
ние?
16. Какие неорганические конструкционные материалы используют в
конструкциях из дерева и пластмасс?
ГЛАВА 2
ДЕРЕВЯННЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ
2.1. Расчеты по предельным состояниям
Предельные состояния — это такие состояния, при которых
конструкция не может больше использоваться в результате дей­
ствия внешних нагрузок и внутренних напряжений. В конструкци­
ях из дерева и пластмасс могут возникать две группы предельных
состояний.
Первая группа наиболее опасна. Она определяется непригодно­
стью к эксплуатации, когда конструкция теряет несущую способ­
ность в результате разрушения или потери устойчивости. Этого не
происходит, пока максимальные нормальные а или скалываю­
щие х напряжения в ее элементах не превосходят расчетных (ми­
нимальных) сопротивлений материалов, из которых они изго­
товлены. Это условие записывается формулой
а, х < R.
( 2 . 1)
Вторая группа менее опасна. Она определяется непригоднос­
тью конструкции к нормальной эксплуатации, когда она проги­
бается до недопустимой величины. Этого не происходит, пока
максимальный относительный прогиб ее f / l не превышает пре­
дельно допускаемых значений. Это условие записывается форму­
лой
( 2.2)
Цель расчета — не допустить ни первого, ни второго предель­
ного состояний в процессах перевозки, сборки и эксплуатации
конструкции. Это выполняется на основании учета нормативных
и расчетных нагрузок и сопротивлений материалов.
Нагрузки, действующие на конструкции, определяются Стро­
ительными нормами и правилами — СНиП 2.01.07 — 85 «Нагруз­
ки и воздействия». При расчете конструкций из дерева и пласт­
масс учитываются главным образом постоянная нагрузка от соб­
ственного веса конструкций и других элементов зданий g и на­
грузки от веса снега s, давления и отсоса ветра и>. Учитываются
также нагрузки от веса людей и оборудования. Каждая нагрузка
40
имеет нормативное и расчетное значения. Нормативное значение
удобно обозначать индексом «н».
Нормативные нагрузки являются исходными значениями на­
грузок. Временные нагрузки определяют в результате обработки
данных многолетних наблюдений и измерений. Постоянные на­
грузки вычисляют по значениям собственного веса и объема кон­
струкций, прочих элементов здания и оборудования. Норматив­
ные нагрузки учитывают при расчете конструкций по второй группе
предельных состояний — по прогибам.
Расчетные нагрузки определяют на основании нормативных с
учетом их возможной переменчивости, особенно в большую сто­
рону. Для этого значения нормативных нагрузок умножают на ко­
эффициент надежности по нагрузке у, значения которого различ­
ны для разных нагрузок, но все они больше единицы. Значения
распределенных нагрузок приведены в нормах в килопаскалях
(кПа), что соответствует килоньютонам на квадратный метр
(кН/м2). В большинстве расчетов применяют линейные значения
нагрузок (кН/м). Расчетные нагрузки учитывают при расчете кон­
струкций по первой группе предельных состояний, по прочности
и устойчивости.
Постоянная нормативная нагрузка gH, действующая на конст­
рукцию, состоит из двух частей: первая часть — нагрузка от всех
элементов ограждающих конструкций и материалов, поддержи­
ваемых данной конструкцией. Нагрузку от каждого элемента оп­
ределяют путем умножения его объема на плотность материала и
на шаг расстановки конструкций; вторая часть — нагрузка от соб­
ственного веса основной несущей конструкции.
При предварительном расчете нагрузку от собственного веса
основной несущей конструкции можно определить приближен­
но, задаваясь реальными размерами сечений и объемами элемен­
тов конструкции. Для этого можно также воспользоваться эмпи­
рической формулой
gH + 5 н
gc"B = 1000/ [ ( * „ / ) - ! ] ’
где g H— постоянная нагрузка от веса поддерживаемых элементов;
5Н— временная снеговая нагрузка; в— коэффициент собствен­
ного веса.
В состав этой формулы включаются и другие значительные по­
стоянные нагрузки.
Постоянная расчетная нагрузка g равна произведению норма­
тивной на коэффициент надежности по нагрузке у. Для нагрузки
от собственного веса конструкций у = 1,1, а для нагрузок от утеп­
лителя, кровли, пароизоляции и т.д. у= 1,3. Постоянную нагрузку
от обычных скатных покрытий с углом наклона а удобно относить
к их горизонтальной проекции путем деления ее на cos а.
41
Нормативная снеговая нагрузка sHопределяется исходя из нор­
мативного веса снегового покрова % который дается в нормах на­
грузок (кН/м2) горизонтальной проекции покрытия в зависимости
от снегового района страны. Эту величину умножают на коэффи­
циент ц, учитывающий уклон и другие особенности формы по­
крытия. Тогда нормативная нагрузка sH= i0(i. При двускатных по­
крытиях, имеющих а < 25°, ц= 1, при а > 60° ц= 0, а при промежу­
точных углах наклона 60° > а > 25° ц = (60° - а°)/35°. Эта нагрузка
является равномерной и может быть дву- или односторонней.
При сводчатых покрытиях по сегментным фермам или аркам
равномерную снеговую нагрузку определяют с учетом коэффици­
ента ц, который зависит от отношения длины пролета / к высоте
свода/: ц= //(8/ ) .
При отношении высоты свода к пролету f / l > 1/8 снеговая на­
грузка может быть треугольной с максимальным значением на
одной опоре 5й и 0,5 s" на другой и нулевым значением в коньке.
Коэффициенты ц, определяющие значения максимальной снего­
вой нагрузки при отношениях f / l = 1/8, 1/6 и 1/5, соответственно
равны 1,8; 2,0 и 2,2.
Снеговая нагрузка на покрытия стрельчатой формы может оп­
ределяться как на двускатные, считая условно покрытие двускат­
ным по плоскостям, проходящим через хорды осей полуарок.
Расчетная снеговая нагрузка равна произведению норматив­
ной нагрузки на коэффициент надежности по нагрузке у. Для боль­
шинства легких деревянных и пластмассовых конструкций
при отношении нормативных постоянной и снеговой нагрузок
gH/s H< 0,8 коэффициент у = 1,6. При больших отношениях этих
нагрузок у= 1,4.
Нагрузка от веса человека с грузом принимается равной: нор­
мативная Рн = 1 кН и расчетная Р =
= 1• 1,2 = 1,2 кН.
Пример 2.1. Определить значения нормативной и расчетной снего­
вых нагрузок на двускатное покрытие здания в Московской области.
Покрытие имеет угол наклона скатов а = 14° и выдерживает норматив­
ную нагрузку от собственного веса g = 0,6 кН/м2.
Р е ш е н и е . Здание находится в III снеговом районе. Вес снегового
покрова s0 = 1,1 кН /м2. Коэффициент формы покрытия при сх= 14° < 25°
ц=1. Нормативная снеговая sH= s0H= 1,0 кН/м2. Отношение нормативных
нагрузок от собственного веса и снега gH/s H= 0,6/1,0 = 0,6 < 0,8. Следова­
тельно, коэффициент надежности по нагрузке у = 1,6. Расчетная снеговая
нагрузка на 1 м2 горизонтальной проекции покрытия s = sHy= 1,0-1,6 =
= 1,6 кН/м2.
Нормативная ветровая нагрузка w состоит из давления w* и
отсоса wH
_ ветра. Исходными данными при определении ветровой
нагрузки являются значения давления ветра, направленного пер­
пендикулярно поверхностям покрытия и стен зданий wt (МПа),
42
зависящие от ветрового района и принимаемые по нормам на­
грузок и воздействий. Нормативные ветровые нагрузки wHопре­
деляют умножением нормального давления ветра на коэффици­
ент к, учитывающий высоту зданий, и аэродинамический коэф­
фициент с, учитывающий его форму. Для большинства зданий из
дерева и пластмасс, высота которых не превышает 10 м, к = 1.
Таким образом, нормативная ветровая нагрузка на такие здания
wH= WjC.
Аэродинамический коэффициент с зависит от формы здания,
его абсолютных и относительных размеров, уклонов, относитель­
ных высот покрытий и направления ветра. На большинство скат­
ных покрытий, угол наклона которых не превышает а = 14°, вет­
ровая нагрузка действует в виде отсоса w_. При этом она в основ­
ном не увеличивает, а уменьшает усилия в конструкциях от по­
стоянных и снеговых нагрузок и при расчете может не учитывать­
ся в запас прочности. Ветровая нагрузка должна обязательно учи­
тываться при расчете стоек и стен зданий, а также конструкций
треугольной и стрельчатой формы.
Расчетная ветровая нагрузка равна нормативной, умноженной
на коэффициент надежности у= 1,4. Таким образом, w = wHy.
Нормативные сопротивления древесины R H (МПа) являются
основными характеристиками прочности древесины чистых от
пороков участков. Их определяют по результатам многочисленных
лабораторных кратковременных испытаний малых стандартных
образцов сухой древесины влажностью 12 % на растяжение, сжа­
тие, изгиб, смятие и скалывание (например, образец на сжатие
сечением 2x2 см и длиной 3 см). Результаты этих испытаний име­
ют большой разброс. Их обрабатывают статистически и с учетом
коэффициента изменчивости сг нормативное сопротивление вы­
числяют по формуле
R н = Лвр(1 - 2,25с,).
(2-3)
Например, при сжатии /?“ = 33(1 - 2,25-0,105) = 25 МПа. Сле­
довательно, 95 % испытанных образцов древесины будут при сжа­
тии иметь прочность RBp, равную или большую, чем ее норматив­
ное значение.
Значения нормативных сопротивлений используют при ла­
бораторном контроле прочности древесины в процессе изготов­
ления деревянных конструкций и при определении несущей спо­
собности эксплуатируемых несущих конструкций при их обсле­
дованиях.
Расчетные сопротивления древесины R (МПа) — это основные
характеристики прочности реальной древесины элементов реаль­
ных конструкций. Эта древесина имеет естественные допускаемые
пороки и работает под нагрузками в течение многих лет. Расчет­
ные сопротивления получают на основании нормативных сопро­
43
тивлений с учетом коэффициента надежности по материалу у и
коэффициента длительности нагружения тт по формуле
R = R Hman/y.
Коэффициент у значительно больше единицы. Он учитывает
снижение прочности реальной древесины в результате неодно­
родности строения и наличия различных пороков, которых не
бывает в лабораторных образцах. В основном прочность древесины
снижают сучки. Они уменьшают рабочую площадь сечения, пере­
резая и раздвигая ее продольные волокна, создают эксцентриси­
тет продольных сил и наклон волокон вокруг сучка. Наклон воло­
кон вызывает растяжение древесины поперек и под углом к во­
локнам, прочность которой в этих направлениях значительно ниже,
чем вдоль волокон. Пороки древесины почти в два раза снижают
ее прочность при растяжении и примерно в полтора раза при сжа­
тии. Трещины наиболее опасны в зонах работы древесины на ска­
лывание. С увеличением размеров сечений элементов напряжения
при их разрушении уменьшаются за счет большей неоднороднос­
ти распределения напряжений по сечениям, что тоже учитывает­
ся при определении расчетных сопротивлений.
Коэффициент длительности нагружения тдл« 1. Он учитыва­
ет, что древесина без пороков может неограниченно долго выдер­
живать лишь около половины той нагрузки, которую она выдер­
живает при кратковременном нагружении в процессе испытаний.
Следовательно, ее длительное сопротивление RM почти вдвое ниже
кратковременного.
Это иллюстрируется кривой длительного сопротивления, по­
лученной в результате многолетних испытаний (рис. 2.1). Она по­
казывает, что отношение Rm/R Bp, вначале равное единице, умень­
шается по мере увеличения длительности действия нагрузки до
того времени, когда это отношение становится постоянным. Эта
величина и называется пределом длительного сопротивления дре­
весины. Для реальной древеси­
ны с допускаемыми пороками
предел длительного сопротив­
ления с учетом того, что вре­
менные нагрузки действуют не
постоянно и длительное сопро­
тивление древесины несколько
выше, достигает 0,66. При этом
затухает и деформация ползуче­
сти, которая была максималь­
ной в начале нагружения.
Качество древесины есте­
Рис. 2.1. Характеристики прочности ственно влияет на значения ее
расчетных сопротивлений. Дре­
древесины вдоль волокон
44
весина 1-го сорта с наименьшими пороками имеет наибольшие
расчетные сопротивления. Расчетные сопротивления древесины 2го и 3-го сортов соответственно ниже. Например, расчетное со­
противление древесины сосны и ели 2-го сорта сжатию получает­
ся из выражения
Лс =
25-0,66/1,25 = 13 МПа.
Расчетные сопротивления древесины сосны и ели сжатию, ра­
стяжению, изгибу, скалыванию и смятию приведены в приложе­
нии 5.
Коэффициенты условий работы т к расчетным сопротивлени­
ям древесины учитывают условия, в которых изготовляются и
работают деревянные конструкции. Коэффициент породы тп учи­
тывает различную прочность древесины разных пород, отличаю­
щихся от прочности древесины сосны и ели. Коэффициент на­
грузки т „ учитывает кратковременность действия ветровой и мон­
тажных нагрузок. При смятии тн = 1,4, при остальных видах на­
пряжений т„ = 1,2. Коэффициент высоты сечений при изгибе дре­
весины клеедеревянных балок с высотой сечения более 50 см т б
снижается от 1 до 0,8, а при высоте сечения 120 см — еще больше.
Коэффициент толщины слоев клеедеревянных элементов тсл учи­
тывает повышение их прочности при сжатии и изгибе по мере
уменьшения толщины склеиваемых досок, в результате чего уве­
личивается однородность строения клееной древесины. Значения
его находятся в пределах 0,95 — 1,1. Коэффициент гнутья тт учи­
тывает дополнительные напряжения изгиба, возникающие при
выгибе досок в процессе изготовления гнутых клеедеревянных эле­
ментов. Он зависит от отношения радиуса выгиба к толщине до­
сок г/5 и имеет значения 1,0—0,8 при увеличении этого отноше­
ния от 150 до 250. Температурный коэффициент т учитывает сни­
жение прочности древесины конструкций, работающих при тем­
пературе от +35 до +50 °С. Он уменьшается от 1,0 до 0,8. Коэффи­
циент влажности /Пи учитывает снижение прочности древесины
конструкций, работающих во влажной среде. При влажности воз­
духа в помещениях от 75 до 95 %
= 0,9. На открытом воздухе в
сухой и нормальных зонах
= 0,85. При постоянном увлажне­
нии и в воде тт = 0,75. Коэффициент концентрации напряжения
тк = 0,8 учитывает местное снижение прочности древесины в зонах
врезками и отверстиями при растяжении. Коэффициент длитель­
ности нагрузок /Яд, = 0,8 учитывает снижение прочности древеси­
ны ввиду того, что длительные нагрузки составляют иногда более
80 % от общей суммы нагрузок, действующих на конструкцию.
Модуль упругости древесины, определенный при кратковре­
менных лабораторных испытаниях, Екр = 15-103 МПа. При учете
деформаций при длительном нагружении, при расчете по проги­
бам Е = 104 МПа.
45
Нормативные и расчетные сопротивления строительной фане­
ры были получены теми же способами, что и для древесины. При
этом учитывалась ее листовая форма и нечетное число слоев с
взаимно перпендикулярным направлением волокон. Поэтому проч­
ность фанеры по этим двум направлениям различна и вдоль на­
ружных волокон она несколько выше.
Наиболее широко применяют в конструкциях семислойную
фанеру марки ФСФ. Ее расчетные сопротивления вдоль волокон
наружных шпонов равны: растяжению ЁфР= 14 МПа, сжатию Лф.с =
= 12 МПа, изгибу из плоскости ЛфИ = 16 МПа, скалыванию в
плоскости ЛфСК= 0,8 МПа и срезу R$cp = 6 МПа. Поперек волокон
наружных шпонов эти величины соответственно равны: растяже­
нию /?фР = 9 МПа, сжатию R$c = 8,5 МПа, изгибу ЛфИ= 6,5 МПа,
скалыванию Дф ск = 0,8 МПа, срезу Лф Ср = 6 МПа. Модули упруго­
сти и сдвига вдоль наружных волокон равны соответственно
Еф = 9 - 103 МПа и (7ф = 750 МПа и поперек наружных волокон
Еф= 6 -103 МПа и <7ф = 750 МПа.
Бакелизированная фанера имеет значительно более высокие
расчетные сопротивления, достигающие при сжатии R$ с = 32 МПа.
Расчетные сопротивления, модули упругости, сдвига и коэффи­
циенты Пуассона ц приведены в приложении 7.
Нормативные и расчетные сопротивления конструкционных
пластмасс определяют по той же методике, что и для древесины
и фанеры, поскольку их прочности тоже имеют большой разброс
и на них также оказывают значительное влияние длительность
нагружения и условия работы. При этом необходимо учитывать
особенности этих материалов. В них нет пороков, как в древесине,
но есть дефекты изготовления. Свойства их могут изменяться по
толщине листов. Другие формы имеют лабораторные испытывае­
мые образцы.
Расчетные сопротивления конструкционных пластмасс, моду­
ли их упругости, сдвига, коэффициенты Пуассона и линейного
расширения приведены в приложении 8. Коэффициенты условий
работы, учитывающие колебания влажности и температуры, при­
ведены в приложении 9.
Порядок расчета конструкций из дерева и пластмасс является
таким же, как и для прочих конструкций, и заключается в следу­
ющем.
Определяют нормативные и расчетные нагрузки, линейно рас­
пределенные (кН/м) и сосредоточенные (кН). Затем методами
строительной механики вычисляют опорные реакции — верти­
кальные R и горизонтальные Н; расчетные усилия — изгибающие
моменты М, продольные N и поперечные Q силы.
Проверку напряжений нормальных а и скалывающих т произ­
водят по формулам строительной механики. Изгибаемые элемен­
ты проверяют по прогибам от нормальных нагрузок.
46
2.2. Расчет деревянных элементов
Элементами деревянных конструкций служат доски, брусья,
бруски, бревна цельных сечений с размерами, указанными в сор­
таментах пиленых и круглых лесоматериалов. Они могут быть са­
мостоятельными конструкциями, например балками или стойка­
ми, а также стержнями более сложных конструкций. Деревянные
элементы рассчитывают по методу предельных состояний, изло­
женному в 2.1, с учетом всех особенностей работы древесины и
условий работы конструкций. Усилия, действующие в элементах
конструкций, и их прогибы определяются общими методами стро­
ительной механики. В результате их расчета решается ряд практи­
ческих задач проектирования деревянных конструкций.
Проверка прочности и прогиба элемента заключается в опре­
делении напряжений в сечениях, которые не должны превышать
расчетных сопротивлений древесины, а также его прогибов, ко­
торые не должны быть больше предельных, допускаемых норма­
ми. Подбор сечений при проектировании новых деревянных кон­
струкций заключается в определении таких размеров элемента,
при которых его прочность и устойчивость будут достаточны для
восприятия действующих усилий, а прогибы будут не больше пре­
дельных. Несущую способность элемента определяют чаще всего
при обследовании конструкций во время их эксплуатации. Для
этого рассчитывают наибольшие нагрузки и усилия, которые мо­
жет выдерживать элемент принятых размеров, чтобы при этом
расчетные сопротивления древесины и предельные прогибы не
были превышены.
Деревянные элементы рассчитывают на растяжение, сжатие,
изгиб, растяжение или сжатие с изгибом, смятие и скалывание в
соответствии со СНиП 11-25—80 «Нормы проектирования. Дере­
вянные конструкции». Приводимые ниже расчетные сопротивле­
ния соответствуют древесине сосны и ели. В соответствии с этими
же нормами производится расчет деревянных изгибаемых элемен­
тов по прогибам.
Растянутые элементы — это нижние пояса ферм, затяжки арок
и некоторые стержни других сквозных конструкций. Растягиваю­
щие усилия N действуют вдоль оси элемента, и во всех точках его
поперечного сечения возникают растягивающие нормальные на­
пряжения о, которые с достаточной точностью считаются одина­
ковыми по значению.
Древесина работает на растяжение почти как упругий матери­
ал и имеет высокую прочность. Разрушение растянутых элементов
происходит хрупко, в виде почти мгновенного разрыва наименее
прочных волокон по пилообразной поверхности. На рис. 2.2 пока­
заны стандартный лабораторный образец и диаграмма деформа­
ций растяжения чистой без пороков древесины. Из нее видно, что
47
о
5
10 е, %
N
N
20 3
■7.е------
ч
Рис. 2.2. Растянутый элемент:
а — диаграмма деформаций и образец; б — схемы работы, разрушение и эпюра
напряжений
зависимость деформаций от напряжений близка к линейной, а
прочность отдельных образцов достигает 100 МПа. Однако проч­
ность реальной древесины при растяжении, в которой имеются
допускаемые пороки и которая работает длительное время, а не
несколько минут, как образец, при испытании значительно ниже.
Работа деревянных элементов при растяжении является наибо­
лее ответственной, поскольку они разрушаются почти мгновен­
но, без заметных предварительных деформаций.
Поэтому растянутые элементы надо изготовлять, как правило,
из наиболее прочной древесины 1-го сорта с нормативным со­
противлением Rp = 20 МПа и расчетным сопротивлением Rp = 10
МПа. Однако при отсутствии такого материала допускается в ма­
лонапряженных элементах применять древесину 2-го сорта с рас­
четным сопротивлением Rp = 7 МПа.
Прочность растянутых элементов в тех местах, где они ослаб­
лены отверстиями или врезками, снижается дополнительно в ре­
зультате концентрации напряжений у их краев. Это учитывается
снижающим коэффициентом условий работы тр = 0,8. При этом
расчетное сопротивление древесины растяжению Rp = 8 МПа.
48
При наличии ослаблений в пределах длины, равной 20 см в
разных сечениях, поверхность разрыва всегда проходит через них.
Поэтому при определении ослабленной площади сечения А все
ослабления на этой длине суммируются, как бы совмещаются в
одном сечении (см. рис. 2.2).
Расчет по прочности растянутых элементов производят на рас­
тягивающую силу N от расчетных нагрузок:
o = N /A < R p.
(2.4)
Для подбора сечений растянутых элементов пользуются этой
же формулой, написанной относительно требуемой площади се­
чения, учитывая, что N n Rp известны. При этом
= N/Rp. Наи­
большее растягивающее усилие, которое может выдерживать рас­
тянутый элемент принятых размеров, может определяться по этой
же формуле, написанной относительно усилия N= ARP. По дефор­
мациям растянутые элементы не проверяются.
Пример 2.2. Подобрать сечение растянутого стержня из древесины
1-го сорта, в котором действует растягивающее усилие N= 160 кН =
= 0,16 МН. Стержень имеет ослабления двумя рядами отверстий диамет­
ром </=1,8 см, выходящих на более широкие стороны стержня. В ослаб­
ленных сечениях совмещаются два отверстия (п = 2).
Р е ш е н и е . Расчетное сопротивление растяжению с учетом коэффи­
циента ослабления т = 0,8 Rp = 10 0,8 = 8 МПа. Требуемая площадь сече­
ния с учетом ослаблений Aw = N/Rp = 0,16/8 = 0,02 м2 = 200 см2. Принято
сечение b x h = 15х 17,5 см2.
Площадь сечения без ослаблений А = (А - dn)b = (17,5 - 1,8 -2)15 =
= 208 см2 = 0,0208 м2.
Действующее напряжение а = N/A = 0,16/0,0208 = 7,7 МПа < Rp.
Сжатые элементы. На сжатие работают стойки, подкосы, верх­
ние пояса и отдельные стержни ферм и других сквозных конст­
рукций. В сечениях сжатого элемента от сжимающего усилия N,
действующего вдоль его оси, возникают почти одинаковые по
величине нормальные сжимающие напряжения а. Древесина ра­
ботает на сжатие более надежно, чем на растяжение, но не впол­
не упруго. На рис. 2.3 показаны стандартный образец для испыта­
ния на сжатие и диаграмма его деформаций сжатия.
Примерно до половины предела прочности древесина работает
почти упруго и рост деформаций происходит по закону, близко­
му к линейному. При дальнейшем увеличении напряжений де­
формации растут все быстрее, чем напряжения, указывая на уп­
ругопластическую работу древесины. Разрушение образцов проис­
ходит при напряжениях, достигающих 40 МПа, пластично в ре­
зультате потери местной устойчивости стенок ряда волокон дре­
весины, о чем свидетельствует характерная складка на рис. 2.3.
Поэтому сжатые элементы работают более надежно, чем растяну­
тые, и разрушаются только после заметных деформаций.
49
а, МПа
N
N
Рис. 2.3. Сжатый элемент:
а — график деформаций и образец; б — схемы работы, разрушение и эпюра
напряжений; в — типы закрепления концов и расчетные длины; г — график
коэффициентов устойчивости ср в зависимости от гибкости X; 1 — складка при
разрушении сжатого элемента
Пороки реальной древесины меньше снижают прочность сжа­
тых элементов, поскольку сами воспринимают часть сжимающих
напряжений. Поэтому сжатые элементы рекомендуется изготов­
лять, как правило, из более доступной древесины 2-го сорта,
имеющей нормативное сопротивление сжатию R* = 25 МПа и
расчетное сопротивление сжатию R<.= 13 МПа.
Брусья с размерами сечений более 13 см работают еще более
надежно, так как процент перерезанных при распиловке волокон
у них относительно меньше, чем у тонких брусьев и досок. Поэто­
му расчетное сопротивление их древесины выше и Лс = 15 МПа.
Еще выше расчетное сопротивление древесины круглых сечений
бревен, где перерезанных волокон нет, и Д; = 16 МПа. В наиболее
ответственных сжатых элементах допускается применение древе­
сины 1-го сорта, а в малоответственных — 3-го сорта.
Сжатые элементы конструкций имеют, как правило, длину,
намного превышающую размеры поперечного сечения, и разру­
50
шаются не как малые стандартные образцы, а в результате потери
устойчивости, которая происходит раньше, чем напряжения сжа­
тия достигнут предела прочности. При потере устойчивости сжа­
тый элемент теряет несущую способность и выгибается в сторону.
При дальнейшем выгибе на вогнутой его стороне появляются
складки, свидетельствующие о разрушении древесины от сжатия,
а на выпуклой стороне древесина разрушается от растяжения. От­
носительно короткие редко применяемые элементы разрушаются
только от сжатия, как малые стандартные образцы, без потери
устойчивости.
Прочность стержня при сжатии и потеря устойчивости зависят
от площади А и формы его сечения, длины / и типа закрепления
его концов, что учитывается коэффициентом устойчивости <р, на­
зываемым иногда коэффициентом продольного изгиба. Сжатые де­
ревянные элементы рассчитывают по прочности и устойчивости
при действии продольных сил сжатия N от расчетных нагрузок:
a = N/((pA)<Rc.
(2.5)
Расчетная площадь сечения А принимается равной его полной
площади, если она не имеет ослаблений или их площадь не пре­
вышает 1/4 площади сечения и ослабления не выходят на кром­
ки, поскольку они не снижают устойчивости такого элемента. Боль­
шие внутренние ослабления снижают его несущую способность,
но меньше, чем их относительные размеры, и расчетная площадь
сечения (нетто) принимается при этом равной 4/3 неослаблен­
ной площади сечения. Симметричные наружные ослабления умень­
шают прочность элемента пропорционально их размерам, и пло­
щадь их исключается из расчета. При несимметричных ослаблени­
ях кроме сжатия возникает еще изгиб, о чем сказано ниже.
Коэффициент устойчивости элемента <р определяется в зави­
симости от его расчетной длины /0, радиуса инерции сечения г,
гибкости X = I J r и находится из выражений ф = 3000/X2 при Х>70
и ф = 1 - 0,8 (Х/100)2 при Х< 70.
Расчетная длина /0 учитывает влияние типа закрепления кон­
цов на устойчивость сжатого элемента. При обоих шарнирно зак­
репленных концах она равна геометрической длине /0= /. При ниж­
нем заделанном, а верхнем свободном конце /0 = 2,2/. При ниж­
нем заделанном, а верхнем шарнирном конце /0 = 0,8/, при обоих
заделанных концах /0 = 0,65/.
Радиус инерции сечения г зависит от площади А и момента
инерции сечения /, т.е. г = / А . Радиусы инерции прямоуголь­
ных сечений с размерами b n h (А — меньший размер сечения) и
круглых сечений диаметром d можно принимать равными 0,29h и
0,25 d.
Гибкость сжатых элементов ограничивается, с тем чтобы они
не получились недопустимо неустойчивыми и недостаточно на­
51
дежными. Основные элементы конструкций — отдельные стойки,
пояса и опорные раскосы ферм и др. — должны иметь гибкость не
более 120, прочие сжатые элементы основных несущих конструк­
ций — не более 150 и сжатые элементы связей — не более 200.
Коэффициент устойчивости ф, всегда меньший единицы, учи­
тывает влияние устойчивости на снижение несущей способнос­
ти сжатого стержня. При гибкостях более 70 сжатый элемент те­
ряет устойчивость, когда напряжения сжатия еще невелики и он
работает упруго. При этом коэффициент устойчивости, равный
отношению напряжения при потере устойчивости а кр к пределу
прочности при сжатии R„ п, был определен по формуле Эйлера.
При гибкостях X > 70 элемент теряет устойчивость, когда напря­
жения сжатия достигают упругопластичной стадии, и модуль уп­
ругости древесины снижается. Коэффициент устойчивости опре­
деляется при этом по формуле Эйлера с учетом переменности
модуля упругости древесины. Коэффициент ф в зависимости от
гибкости X можно также определять по графику, показанному на
рис. 2.3.
Несущую способность N сжатого элемента, все размеры кото­
рого и способ закрепления концов известны, можно определять
по формуле N =
При этом необходимо предварительно вы­
числить площадь сечения А, гибкость X и коэффициент устойчи­
вости ф.
Подобрать сечение сжатого элемента непосредственно по фор­
муле (2.5) нельзя, так как от его размеров зависит коэффициент
устойчивости. В этом случае можно предварительно приближенно
задаться величинами X и ф. Например, для основных стоек следует
принимать гибкость X = 80 и ф « 0,5, для неосновных элементов
гибкость X = 120 и ф = 0,2, для элементов связей гибкость X = 180 и
Ф=0,1. Требуемую площадь сечения А ^ можно определить по фор­
муле Атр = N/R,.ф и затем подобрать размеры сечения. Гибкость от­
дельных элементов прямоугольного сечения следует определять
наибольшую в направлении меньшего размера сечения и мень­
шего радиуса инерции, а при наличии связей — в направлении
обеих осей сечения и принимать наибольшую.
Относительно короткие элементы, длина которых не превы­
шает семикратной высоты сечения, работают на сжатие без поте­
ри устойчивости и рассчитываются по формуле
a = N /A < R c.
(2.6)
Площадь сечения определяется путем исключения из общей
площади площадей всех ослаблений, поскольку они снижают проч­
ность такого элемента пропорционально их величине. Сжатые эле­
менты, не имеющие промежуточных закреплений, выгодно при­
нимать квадратного сечения, одинаковой устойчивости относи­
тельно обеих осей их сечений.
52
Пример 2.3. Подобрать сечение брусчатой стойки из древесины ели
2-го сорта длиной / = 4,5 м с шарнирно закрепленными концами. Стойка
не имеет ослаблений сечений и нагружена продольными сжимающими
силами N= 270 кН = 0,27 МН.
Р е ш е н и е . Предварительно можно задаться гибкостью X= 80. Соот­
ветствующий коэффициент устойчивости равен <р= 3000/А.2 = 3000/802 =
= 0,47 (поскольку X > 70). Расчетное сопротивление древесины сжатию
при размерах сечения более 13 см Л,. = 15 МПа.
Требуемая площадь сечения стойки А^ = Л7(фЛс) = 0,27/(0,47-15) =
= 0,038 м2 = 380 см2.
Требуемые размеры квадратного сечения bw = hw = \р^р = -J380 =
= 19,5 см. Принимается b = h = 20 см.
Проверка. Площадь сечения bxh = 20x20 = 400 см2 = 0,04 м2. Радиус
инерции г, расчетная длина /, гибкость X и коэффициент устойчивости
Ф:г= 0,29Л = 0,29-20 = 5,8 см; /= 450 см; Х = ///-= 450/5,8 = 78 > 70; ср =
= 3000/Х2 = 3000/782 = 0,49. Напряжение о = АУ(<рЛ) = 0,27/(0,49-0,04) =
= 13,8 МПа < Л,.
Изгибаемые элементы — балки, доски настилов и обшивок —
наиболее распространенные элементы деревянных конструкций.
В изгибаемом элементе от нагрузок, действующих поперек его про­
дольной оси, возникают изгибающие моменты М и поперечные
силы Q, определяемые методами строительной механики. Напри­
мер, в середине пролета однопролетной шарнирно опертой балки
от равномерной нагрузки q возникает изгибающий момент М =
= <у/2/ 8, а от сосредоточенной в середине пролета силы Р изгиба­
ющий момент М = Р1/4. Поперечные силы равняются опорным
реакциям от этих нагрузок.
От действия изгибающего момента в сечениях элемента возни­
кают напряжения изгиба о, которые состоят из сжатия в верхней
половине сечения и растяжения в нижней. В результате элемент
изгибается.
На рис. 2.4 показаны стандартный малый образец древесины и
диаграмма его прогибов при испытании на изгиб. Эта диаграмма,
как и при сжатии, примерно до половины имеет линейные очер­
тания, затем изгибается, показывая ускоренный рост прогибов.
Разрушение образца начинается с появления складок крайних
сжатых волокон древесины и завершается разрывом крайних ниж­
них растянутых волокон, в результате чего образец ломается при
среднем напряжении изгиба <т= 75 МПа.
Нормальные напряжения в сечениях изгибаемого элемента рас­
пределяются неравномерно по высоте. В начальной расчетной ста­
дии древесина работает упруго и эпюра напряжений изображает­
ся прямой линией с максимумами у кромок и нулем у нейтраль­
ной оси сечения. При дальнейшем росте напряжений сжатая часть
сечения начинает работать упругоэластично, эпюра напряжений
сжатия изгибается и нейтральная ось смещается в сторону растя53
о
20
40 /
мм
б
Я
1
Рис. 2.4. Изгибаемый элемент:
а — диаграмма прогибов и образец; б — схема работы и эпюры изгибающих
моментов; в — схема разрушения и эпюры нормальных напряжений; г — схема
работы при косом изгибе и эпюра напряжений
нутой кромки. В стадии разрушения часть эпюры, показывающая
сжатие, изгибается еще больше, напряжения сжатия и растяже­
ния достигают пределов прочности, и элемент ломается.
Пороки древесины, длительное действие нагрузок и наличие
перерезанных при распиловке волокон уменьшают прочность из­
гибаемых элементов из реальной древесины в той же степени, что
и при сжатии. Изгибаемые элементы работают еще более надеж­
но, чем сжатые, и предупреждают об опасности разрушения за­
ранее большими прогибами.
Изгибаемые элементы, как и сжатые, рекомендуется изготов­
лять из древесины среднего качества 2-го сорта с расчетными со­
противлениями R„ = 13 МПа. В брусьях с сечениями более 13 см
расчетное сопротивление изгибу /?„ = 15 МПа, а в бревнах R„ =
= 16 МПа. В малоответственных элементах можно применять дре­
весину 3-го сорта с расчетным сопротивлением /?„ = 8,5 МПа.
Расчет изгибаемых элементов по прочности поперечных сече­
ний производится на действие максимальных изгибающих момен­
тов М (МН •м) от расчетных нагрузок:
(2.7)
ст = М/ W < R„,
где W — момент сопротивления сечения.
54
У наиболее распространенных прямоугольных сечений ши­
риной Ъ и высотой h W = bh2/6, а для круглых сечений диамет­
ром d W= d3/ 10.
Подбор сечения изгибаемого элемента по прочности может
производиться также по формуле (2.7), переписанной относительно
требуемого момента сопротивления W^. После этого можно за­
даться одним из размеров прямоугольного сечения — b или h и
определить другой, например:
Ww = Л//ЛИ;
bw =
dTp = l J M ^ .
Предельная расчетная нагрузка, которую может выдерживать
изгибаемый элемент по прочности, когда все его размеры извес­
тны, может быть определена также с помощью формулы (2.7),
переписанной относительно изгибающего момента М. Например,
однопролетная шарнирно опертая балка пролетом / с размерами
сечения шириной b и высотой h может выдерживать равномер­
ную нагрузку q, определяемую в таком порядке:
W = bh2/ 6; M=WR„;
q= Z M /l2.
Расчет изгибаемого элемента по прогибам заключается в опре­
делении его наибольшего относительного прогиба f / l от норма­
тивных нагрузок и проверке условия, чтобы он не превышал пре­
дельно допускаемого нормами значения, что определяется усло­
вием f/l< \f/l\ (см. приложение 15).
Например, проверить относительный прогиб однопролетной
шарнирно опертой балки прямоугольного сечения b x h , проле­
том / при равномерной нормативной нагрузке qH(МН/м) можно
по формуле
f / l = (5/384)qHl3/(E I) < [f/l],
(2.8)
где момент инерции /= bh3/ 12 м4 и модуль упругости Е = 104 МПа.
Если относительный прогиб балки получается больше, то се­
чение должно быть увеличено и подобрано по прогибу. Для этого
формулу (2.8) следует переписать относительно требуемого мо­
мента инерции:
= 5/3S4/[EI(f/l)]. После этого можно задаться
одним размером прямоугольного сечения и определить другой,
например, из выражения h^ = ^/12/ / b .
При изгибе в сечениях изгибаемого элемента возникают и ска­
лывающие напряжения т, проверка которых излагается ниже.
Пример 2.4. Подобрать сечение однопролетной шарнирно опертой
балки из сосновой древесины 2-го сорта. Балка имеет пролет / = 4 м и
воспринимает равномерные линейные нагрузки — нормативную дн и
расчетную q: q" = 1,7 кН/м = 0,0017 МН/м; q = 2,2 кН/м.
Р е ш е н и е . Подберем сечения по прочности. Расчетное сопротивление
изгибу Ли = 13 МПа. Изгибающий момент от расчетной нагрузки М =
= ql2/ 8 = 2,2-42/8 = 4,4 кН м = 0,0044 МН-м.
55
Требуемый момент сопротивления
= M/R„ = 0,0044/13 = 338* 10_6м3=
= 338 см3.
Задаемся шириной сечения b = 10 см. Требуемая высота сечения
=
= y[6ivjb = д/6 *338/10 = 14,3 см. Принимаем сечение bxh = 10x15 см.
Момент сопротивления W= bh2/6 = 10-152/6 = 375 см3 = 375-10'6 м3.
Напряжение изгиба а = M /W = 0,0044/375-10'6 = 11,75 МПа < ЯнПроверка прогиба. Момент инерции / = ЬИг/ 12 = 10-153/12 = 2821 см4 =
= 2821-10'8 м4. Модуль упругости Е = 104 МПа. Относительный прогиб
/ / / = (5/384) q”l3/(E I) = (5/384) 0,0017 •43/( 104•2821 • 10-8) = 1/200 = [///].
Косоизгибаемые элементы — это балки и прогоны скатных
покрытий. Косой изгиб возникает в элементах, оси сечений кото­
рых расположены наклонно к направлению действия нагрузок
(см. рис. 2.4, г). Косой изгиб можно рассматривать как результат
изгибов относительно любой из осей сечения, каждый из кото­
рых происходит как прямой. При косом изгибе нормальные на­
пряжения в сечениях суммируются и достигают максимальных зна­
чений только напряжения сжатия в верхней, а растяжения — в
нижней точках сечений. В этих точках и начинается разрушение
косоизгибаемого элемента прямоугольного сечения. В элементах
круглого сечения косой изгиб возникнуть не может, поскольку
все его оси являются осями симметрии сечения. Косоизгибаемые
элементы изготовляют, как и изгибаемые, из древесины 2-го сор­
та, которая имеет расчетные сопротивления изгибу, приведен­
ные выше.
Вертикальная нагрузка, например, равномерная q, и изгибаю­
щий момент от нее Л/при косом изгибе элемента прямоугольного
сечения под углом а раскладываются на нормальные и скатные
составляющие вдоль осей сечений: qx - q cos a; qy = q sin а; Mx = А/х
xcosa; My = Л/sin a. Относительно этих же осей определяют мо­
менты сопротивления W и момент инерции / сечений. Проверку
прочности косоизгибаемых элементов производят по формуле
° - Mx/W x + My/Wy < Rn.
(2.9)
Подбор сечений косоизгибаемых элементов может производить­
ся методом попыток. При этом их следует устанавливать больши­
ми размерами прямоугольного сечения в направлении действия
больших составляющих действующих нагрузок. Расчет косоизги­
баемых элементов по прогибам производят с учетом геометриче­
ской суммы прогибов относительно каждой оси по формуле
/ / / = 7Л2 +Л2 / / < [ / / / ] ■
(2.10)
Сжато-изгибаемые элементы работают одновременно на сжа­
тие и изгиб. Так работают, например, верхние пояса ферм, в ко­
торых кроме сжатия действует еще изгиб от межузловой нагруз­
ки от веса покрытия. В элементах, где сжимающие силы действуют
56
с эксцентриситетом относительно их осей, тоже возникает сжа­
тие с изгибом, поэтому их еще называют внецентренно сжатыми.
В сечении сжато-изгибаемого элемента действуют продольные
сжимающие силы N. От этих сил возникают равномерные напря­
жения сжатия и изгибающий момент М, от которого появляются
и сжимающие, и растягивающие напряжения, максимальные в
крайних волокнах и нулевые на нейтральной оси прямоугольного
сечения. Напряжения сжатия складываются, а напряжения сжа­
тия и растяжения вычитаются (рис. 2.5). Максимальные сжимаю­
щие напряжения возникают в крайних волокнах сечения в месте
действия максимального изгибающего момента.
Разрушение сжато-изгибаемого элемента начинается с потери
устойчивости сжатых волокон, что обнаруживается появлением
складок и повышенными прогибами, после чего элемент ломает­
ся. Такое разрушение частично пластично. Поэтому сжато-изгибаемые элементы работают более надежно, чем растянутые, и их
рекомендуется изготовлять из древесины 2-го сорта с расчетными
сопротивлениями сжатию Д. = 13 или 15 МПа.
Расчет сжато-изгибаемого элемента производят на действие мак­
симальных продольных сжимающих сил TVи изгибающих момен­
тов М от расчетных нагрузок по формуле
o = N /A + M J W = R c,
(2.11)
где Мд = М/% — изгибающий момент с учетом дополнительного
изгибающего момента, который возникает в результате прогиба элеTTIГГПТ1ГТГГГ1ПГП1ТП!11II11ТП1fTIII11ГПТПП1ГГ!ГГПINIINIИ11111
f=
^
N
----------------V----- м
/
Ч-т
■рпри^
^ЩЦЦЩ
MN=Nf
С
cN
,
ь
СУ . .
сМ
'"Щ
щт
игппгшпчи
Рис. 2.5. Сжато-изгибаемый
элемент:
а —схема работы и эпюры из­
гибающих моментов; 6 —
эпюры нормальных напряже­
ний
G
к
G
cN f
А
с
Т
57
мента/ от внешней нагрузки [коэффициент %= 1 - NX2/ ( 3000 Ду4)].
При этом сжимающие продольные силы N начинают действовать
с эксцентриситетом, равным /, и возникает дополнительный мо­
мент М = Nf. Этот дополнительный момент и учитывается коэф­
фициентом %, который зависит от продольной силы N, гибкости
X, расчетного сопротивления сжатию Д и площади сечения А.
Сжато-изгибаемый элемент должен быть также проверен на
прочность и устойчивость только при сжатии продольной силой в
направлении из плоскости действия изгибающего момента по
формуле (2.5). Проверки устойчивости плоской формы деформи­
рования цельных сжато-изгибаемых элементов, как правило, не
требуется.
Пример 2.5. Проверить прочность и устойчивость сжато-изгибаемого
стержня из древесины 2-го сорта. Стержень длиной / = 3 м и сечением
bxh = 12,5x20 см не имеет ослаблений, и концы его закреплены шар­
нирно. На стержень от расчетных нагрузок действует продольная сжима­
ющая сила N = 80 кН = 0,08 МН и изгибающий момент М = 5 кН •м =
= 0,005 МН-м в направлении большего размера сечения.
Р е ш е н и е . Расчетное сопротивление древесины сжатию Rс = 13 МПа.
Площадь и момент сопротивления сечения определяют по формулам
А = bh = 12,5 •20 = 250 см2 = 0,025 м2; W= bh2/ 6 = 12,5 •202/6 = 833 см3 =
= 833 - 10-6 м3.
Расчетная длина /, радиус инерции г, гибкость X и коэффициент ус­
тойчивости ср:
/„ = / = 350 см; г= 0,29h = 0,29-20 = 5,8 см; Х = 10/г= 350/5,8 = 60,3 < 70;
Ф = 1 - M 2/(3000^y4) = 1 - 0,08-60,32/(3000-13-0,025) = 0,70.
Момент с учетом деформаций Мд = М/% = 0,005/0,7 = 0,0071 МН-м.
Напряжение сжатия о= N/A + M J IV = 0,08/0,025 + 0,0071/(833-10'6) =
= 12,6 МПа < Ле.
Проверка прочности и устойчивости из плоскости изгиба. Расчетная
длина, радиус инерции, гибкость и коэффициент устойчивости следую­
щие:
/0 = 350 см; г = 0,29 •Ъ = 0,29 ■12,5 = 3,6 см; X = 10/г = 350/3,6 = 97 > 70;
Ф = 3000/Х2 = 3000/972 = 0,32.
Напряжение а = N/($A) = 0,08/(0,32-0,025) = 10 МПа < Rс.
Растянуто-изгибаемые элементы работают одновременно на
растяжение и изгиб. Так работает, например, нижний пояс фер­
мы, в котором кроме растяжения действует еще и изгиб от междуузловой нагрузки от веса подвесного перекрытия. Так же рабо­
тает элемент, растягивающие силы в котором действуют с экс­
центриситетом относительно его оси. Такие элементы называют
еще внецентренно растянутыми. Схема работы, эпюры изгибаю­
щих моментов и напряжений в сечениях растянуто-изгибаемого
элемента показаны на рис. 2.6.
В сечениях растянуто-изгибаемого элемента от продольных ра­
стягивающих сил N возникают равномерные растягивающие на58
Рис. 2.6. Растянуто-изгибаемый элемент:
а — схема работы и эпюры
изгибающих моментов; б —
эпюры нормальных напря­
жений
N
ШШ
Ма= ^г
ТПТПТТТТПттт^
^ггтттШТТШГ
MN= - N f
и
к
¥
г
ь
Г
° p N
'1
V
1
/
G P
пряжения, а от изгибающего момента М — напряжения изгиба,
состоящие из сжатия на одной половине и растяжения на другой
половине сечения. Эти напряжения суммируются с учетом их зна­
ков, благодаря чему растягивающие напряжения увеличиваются,
а сжимающие уменьшаются. Наибольшие напряжения растяже­
ния действуют в крайних растянутых кромках сечения в месте дей­
ствия максимального изгибающего момента. Здесь и начинается
разрушение элемента от разрыва растянутых волокон древесины.
Растянуто-изгибаемые элементы — это такие же ответственные
элементы, как и растянутые, и их рекомендуется изготовлять из
древесины 1-го сорта с расчетным сопротивлением при растяже­
нии Rp = 10 МПа и при изгибе R„ = 14 МПа.
Расчет растянуто-изгибаемых элементов производят по проч­
ности на действие продольных растягивающих сил N и изгибаю­
щих моментов Мот действующих расчетных нагрузок по формуле
o=N/A + (M/W)Rp/Rn*Rr
(2-12)
Искривление оси растянуто-изгибаемого элемента при изгибе
несколько уменьшает изгибающий момент Мл от внешних нагру­
зок в результате возникающего эксцентриситета продольных сил
/ и соответствующего изгибающего момента со знаком, противо­
положным знаку момента от внешних нагрузок Ма. В запас проч­
ности этот обратный изгибающий момент не учитывается. Отно­
шение расчетных сопротивлений растяжению и изгибу Rp/R u по­
зволяет привести эти напряжения к общему значению, что необ­
59
ходимо для сравнения его с расчетным сопротивлением растяже­
нию.
Подбор сечений растянуто-изгибаемых элементов можно про­
изводить методом попыток, поскольку использовать для этого
формулу (2.12) невозможно. Дополнительную равномерную на­
грузку, выдерживающую растянутым элементом, растягивающие
напряжения в сечениях которого значительно меньше расчетных,
можно определить из выражения, основанного на формуле М =
= (Лр - N/A)WRV/R H- q = Ш Ц \
Пример 2.6. Проверить прочность растянуто-изгибаемого стержня из
древесины 1-го сорта. Стержень имеет длину / = 4 м и сечение с раз­
мерами bxh = 13x15 см. Он растягивается продольной силой N = 70 кН =
= 0,07 МН и изгибается одновременно изгибающим моментом М =
= 4 кН •м = 0,004 МН •м от расчетных нагрузок, действующих в направле­
нии большего размера сечения. Ослаблений сечений нет.
Р е ш е н и е . Расчетные сопротивления древесины растяжению Rp =
= 10 МПа и изгибу R„ = 14 МПа. Площадь сечения А = bxh= 13х 15 =
= 195 см2 = 0,0195 м2. Момент сопротивления W = bh2/6 = 13 х 152/6 =
= 487 см3 = 487-10'6 м3. Напряжения растяжения а = N/A + (M /W )RV/R K=
= 0,07/0,0195 + (0,004/487-10'6)10/14 = 9,6 МПа < Rp.
Смятие древесины происходит от сжимающих сил, действую­
щих перпендикулярно поверхности деревянного элемента. Они
вызывают в нем в большинстве случаев равномерные напряжения
смятия. Следовательно, смятие — это поверхностное сжатие, ко­
торое может быть общим и местным. Общее смятие возникает тог­
да, когда сжимающая сила действует на всю поверхность элемен­
та, местное — когда сила действует на часть поверхности элемента.
Прочность и деформативность элементов при смятии существен­
но зависят от угла смятия. Угол смятия а — это угол между на­
правлениями действия сминающей силы и волокон древесины.
При смятии вдоль волокон под углом а = 0° стенки клеток работа­
ют в наиболее благоприятных условиях и древесина имеет проч­
ность и деформативность, как и при сжатии вдоль волокон. Рас­
четное сопротивление древесины смятию в этом случае R<. = 13
или 15 МПа.
При смятии поперек волокон под углом смятия а = 90° стенки
клеток работают в наименее благоприятных условиях — они сплю­
щиваются за счет внутренних пустот, что приводит к значитель­
ным деформациям. На рис. 2.7 показаны испытательный образец и
диаграмма деформаций при его испытании на местное смятие
поперек волокон. Участок диаграммы 1 показывает почти упругую
работу древесины в начале нагружения. На участке 2 происходит
ускоренный рост деформаций в результате сплющивания клеток.
На участке 3 рост деформаций замедляется за счет уплотнения
древесины. Разрушение древесины при смятии заключается в на60
Рис. 2.7. Сминаемые элементы:
а — график деформаций и образец; 6 — схемы работы и эпюры напряжений смя­
тия; в — график расчетных напряжений смятия в зависимости от угла смятия а
рушении связей между волокнами и появлении трещин. При этом
расчетное сопротивление смятию установлено с целью ограни­
чить деформативность древесины при смятии поперек волокон и
под углом к ним в соединениях и не допустить провисания конст­
рукций.
При общем смятии (сжатии) древесины поперек волокон де­
формации смятия наиболее велики и расчетное сопротивление
поперечному смятию является наименьшим; Лем90 =1,8 МПа. Смя­
тие в опорных площадях не влияет на работу конструкций в це­
лом, расчетное сопротивление поперечному смятию увеличива­
ется коэффициентом работы т = 1,67 и /?сМ90 = 3 МПа.
При местном смятии поперек волокон соседние ненагруженные участки древесины тоже сминаются за счет изгиба волокон и
оказывают поддерживающее действие работе нагруженного учас­
тка тем больше, чем меньше его длина /. Расчетное сопротивление
смятию определяют по эмпирической формуле
Дс„90 = ^9о[1 + 8 /(/см+ 1,2)].
(2.13)
Длина соседних ненагруженных участков при этом должна быть
не менее длины площади смятия и толщины элемента. Расчетное
сопротивление местному смятию древесины под шайбами бол­
61
тов, работающих на растяжение, при углах смятия более 60° с
учетом поддерживающего действия окружающих участков древе­
сины тоже повышается коэффициентом условия работы т = 2,2 и
Лема = 4 МПа.
При наклонном смятии под углом смятия а к направлению во­
локон прочность и деформативность древесины имеют промежу­
точный характер между продольным и поперечным смятием и за­
висят от этого угла. Расчетное сопротивление смятию под углом а
определяют по формуле
= U № //U » - l)s in ’ 2a'
<2'М)
Такое сопротивление можно рассчитывать также по графику,
приведенному на рис. 2.7. Расчетные сопротивления смятию в со­
единениях находят по этим же формулам с учетом коэффициента
условий работы каждого соединения.
Расчет элементов на смятие производят на действие сжимаю­
щей силы N от расчетных нагрузок, площади смятия А и расчет­
ного сопротивления древесины
по формуле
<т= N/A < RcMa.
(2.15)
С помощью этой формулы можно подобрать требуемую пло­
щадь смятия, а также определить несущую способность сминае­
мой площади, переписав ее относительно искомых величин.
Пороки древесины в большинстве случаев не уменьшают ее
прочность при смятии и она не ограничивается.
Скалывание древесины происходит в продольных сечениях эле­
ментов, параллельных их осевым плоскостям, от действия скалы­
вающих усилий Т. Эти усилия действуют в большинстве случаев
вдоль волокон древесины и от них возникают скалывающие на­
пряжения т. Прочность древесины при скалывании очень мала ввиду
ее волокнистого строения. Волокна древесины имеют относитель­
но слабые связи между собой, которые легко разрываются при
скалывании. Элементы при скалывании разрушаются хрупко, по­
чти мгновенно, и распадаются на части без заметных предвари­
тельных деформаций при средних напряжениях скалывания т =
= 6,8 МПа.
Пороки древесины в разной степени влияют на прочность дре­
весины при скалывании. Основные пороки — сучки — не снижа­
ют ее прочности при скалывании. Трещины в зонах действия зна­
чительных скалывающих напряжений не допускаются. Прочность
древесины при скалывании поперек волокон более чем в два раза
ниже.
Скалывание при изгибе (рис. 2.8, а) возникает от парных сдви­
гающих сил Т, действующих в противоположных направлениях.
62
Рис. 2.8. Скалываемые элементы:
а — скалывание при изгибе; 6 — то же, при односторонних скалывающих силах;
в — то же, при двусторонних скалывающих силах
Эти силы вызываются поперечными силами Q и по длине эле­
мента изменяются аналогично. При действии равномерной нагрузки
q в однопролетной шарнирно опертой балке поперечные силы
достигают максимума у опор и имеют значение Q = ql/2. По высо­
те сечения скалывающие напряжения х распределяются неравно­
мерно. Максимальное значение в прямоугольных сечениях они
имеют на нейтральной оси в половине высоты сечения и снижа­
ются до нуля у его кромок. По ширине сечения они не изменяются.
Расчет изгибаемых элементов на скалывание при изгибе про­
изводят на действие максимальных поперечных сил Q (МН) от
расчетных нагрузок по формуле
т= Q S/(Ib)< ^
(2.16)
где S — статический момент скалываемой части сечения относи­
тельно его нейтральной оси, м3; у прямоугольного сечения с раз­
мерами b и h S = bh2/&; I = Ыгъ/\ 2 — момент инерции всего сече­
ния, м4; RcK — расчетное сопротивление скалыванию; принима­
ется максимальное Д.к = 1,6 МПа.
В большинстве цельных изгибаемых элементов напряжения ска­
лывания к моменту их разрушения от изгиба далеко не достигают
предела прочности при скалывании и расчетная проверка не тре­
буется. Только при расчете очень коротких балок и больших сосре­
доточенных близ опор нагрузках такая проверка необходима.
Скалывание в соединениях от двух скалывающих сил Т, дей­
ствующих в противоположных направлениях, в результате сжатия
или растяжения соединения показано на рис. 2.8, 6. В плоскости
скалывания при этом возникают скалывающие напряжения т. Если
обе скалывающие силы приложены к одной стороне плоскости
скалывания, то скалывающие напряжения по ее длине распреде­
ляются особенно неравномерно. Они имеют наибольшие значе­
ния в зоне приложения сил Т и наименьшие у свободной сторо­
ны. Если силы Т приложены к обеим сторонам плоскости скалы­
вания, то скалывающие напряжения распределяются более рав­
номерно, симметрично и имеют большие значения по краям и
меньшие в середине длины плоскости скалывания.
Силы скалывания Т действуют в соединениях всегда с эксцен­
триситетом е. В результате этого в площади скалывания длиной /
дополнительно возникает изгибающий момент М и от него на­
пряжения сжатия и растяжения а поперек волокон древесины,
которым она (особенно напряжениям растяжения) сопротивля­
ется очень плохо. Опасное растяжение уменьшается, когда кроме
скалывающих сил Т имеется еще сжимающая сила N, которая
уменьшает растягивающие напряжения.
Работа древесины на скалывание в соединениях является осо­
бенно ответственной, и разрушение здесь может привести к поте­
ре несущей способности всей конструкции. Поэтому качество дре­
весины соединений должно быть особенно высоким, а наличие
трещин недопустимо.
Расчет соединений деревянных элементов на скалывание про­
изводят на действие скалывающих усилий Т от расчетных нагру­
зок по формуле
х = Т / А < R%.
Площадь скалывания А равна произведению длины площади
скалывания на ее ширину А = 1СКЬ, м2. Расчетное (среднее по всей
площади скалывания) сопротивление древесины скалыванию
определяют по формуле
*сскр = Яск/(1 + р/ск/е),
где Rf.K = 2,1 МПа — расчетное максимальное сопротивление
древесины скалыванию; /ск — длина площади скалывания; е —
эксцентриситет скалывающих усилий; р —коэффициент, равный
0,25 — при одностороннем и 0,125 — при двустороннем приложе­
нии скалывающих усилий.
Расчет элементов пластмассовых конструкций содержится в 4.2.
Пример 2.7. Проверить прочность при скалывании древесины 2-го
сорта изгибаемого элемента, в котором действует максимальная попе­
речная сила Q = 21 кН = 0,021 МН. Элемент имеет размеры сечения b =
= 10 см = 0,1 м и Л = 20 см = 0,2 м.
Р е ш е н и е . Расчетное сопротивление скалыванию при изгибе Лск =
= 1,6 МПа. Статический момент S = bh2/8 = 10-202/8 = 500 см3 = 500-10"6 м3.
Момент инерции сечения /= bh3/ \ 2 = 10■ 203/ 12 = 6667 см4 = 6667-10"6 м4.
Напряжение скалывания т= QS/(Ib) = 0,021-500-10^/(6667• 10-6*0,1) =
= 1,57 МПа < Лек.
64
Вопросы для самопроверки
1. Как работают и рассчитываются растянутые деревянные элементы
и как учитываются ослабления их сечений?
2. Как работают и рассчитываются сжатые элементы и как учитывает­
ся их устойчивость?
3. Как работают и рассчитываются изгибаемые элементы и как под­
бираются их сечения?
4. Как работают и рассчитываются сжато-изгибаемые элементы и как
учитываются их прогибы?
5. Как работают и рассчитываются растянуто-изгибаемые элементы и
как влияют на их работу прогибы?
6. Как работают и рассчитываются сминаемые элементы?
7. Что такое угол смятия и как он влияет на их прочность и деформативность?
8. Как работают и рассчитываются на скалывание изгибаемые эле­
менты и где действуют максимальные напряжения скалывания?
9. Как работают и рассчитываются на скалывание соединения?
10. Какие предельные состояния имеются у конструкций из дерева и
пластмасс?
11. Что такое нормативные и расчетные нагрузки и как их определя­
ют?
12. Что такое нормативные сопротивления древесины и как их опре­
деляют?
13. Что такое коэффициенты условий работы и что они учитывают?
14. Какие особенности работы строительной фанеры?
15. Какие особенности работы конструкционных пластмасс?
16. Каков порядок расчета конструкций на прочность и устойчивость?
ГЛАВА 3
СОЕДИНЕНИЯ ДЕРЕВЯННЫХ И ПЛАСТМАССОВЫХ
КОНСТРУКЦИЙ
3.1. Соединения деревянных конструкций
Соединения являются наиболее ответственными частями дере­
вянных конструкций. Для создания большинства строительных
конструкций деревянные элементы должны быть прочно и на­
дежно соединены между собой. Соединение элементов по длине
называют сращиванием, по ширине — сплачиванием, под углом и
прикрепление к опорам — анкеровкой.
При изготовлении многих соединений в элементах конструк­
ций делаются отверстия и врезки, ослабляющие их сечения и по­
вышающие деформативность. Разрушения деревянных конструк­
ций в большинстве случаев начинаются в соединениях. Таким об­
разом, от правильного решения, расчета и изготовления соеди­
нений зависят прочность и деформативность конструкций в це­
лом. Анизотропия строения, малая прочность древесины при ска­
лывании, растяжении поперек волокон и смятии являются при­
чиной многообразия типов соединений деревянных конструкций.
Наиболее просто и надежно решаются конструкции соедине­
ний сжатых деревянных элементов, в которых усилия передаются
непосредственно от элемента к элементу и не требуется специ­
альных рабочих связей. Сложнее решаются соединения изгибае­
мых элементов, в которых для передачи усилий необходимы ра­
бочие связи. Наиболее сложно осуществляются соединения растя­
нутых элементов, так как в них имеется опасность хрупкого раз­
рушения древесины по ослабленным сечениям, а также возмож­
ность скалывания и растяжения поперек волокон. Применение в
соединениях растянутых элементов податливо работающих связей
уменьшает опасность их хрупкого разрушения. Сложность соеди­
нений растянутых деревянных элементов приводит в ряде конст­
рукций к замене их на стальные.
По характеру работы все основные соединения деревянных
конструкций могут быть разделены на группы: а) без специальных
связей, требующих расчета, — лобовые упоры и врубки; б) со
связями, работающими на сжатие, — шпонками и колодками;
в) со связями, работающими на изгиб, — болтами, стержнями,
66
гвоздями, винтами и пластинками; г) со связями, работающими
на растяжение, — болтами, винтами и хомутами; д) со связями,
работающими на сдвиг-скалывание, — клеевыми швами.
В связи с тем что одни и те же связи входят в разные группы,
удобно изучать соединения деревянных конструкций в следую­
щем порядке: соединения без специальных связей; с металличес­
кими связями; с клеевыми связями; с деревянными связями. Кле­
евые соединения, наиболее прогрессивные и технологичные, яв­
ляются основными соединениями при заводском изготовлении
клеедеревянных конструкций. Соединения, не требующие специ­
альных связей, и металлические могут быть использованы при
производстве деревянных конструкций в любых условиях как на
специальных заводах, так и в условиях строительных площадок.
Соединения с деревянными связями требуют значительных зат­
рат ручного труда, поэтому их применяют редко.
По характеру работы соединения деревянных конструкций де­
лят также на податливые и жесткие. Податливые соединения изго­
товляют без применения клеев. Деформации в них возникают в
результате неплотностей, образующихся при изготовлении, от
усушки и смятия древесины, особенно поперек волокон, и от
изгиба связей. Величина этих деформаций при длительном дей­
ствии нагрузок в соединениях, где древесина работает поперек
волокон, принимается равной 3 мм, в остальных случаях — 1,5 —
2 мм. Они учитываются при определении прогибов конструкций.
В большинстве соединений деревянных конструкций, кроме
клеевых, в результате действия сжимающих сил или начального
обжима, например при постановке болтов, возникают между со­
единяемыми элементами силы трения, которые уменьшают уси­
лия в связях. Однако эти силы в результате знакопеременности
усилий, усушки древесины и ослабления начальных натяжений
болтов могут снизиться до нуля и поэтому в расчет не принима­
ются. Они учитываются только при кратковременном действии сжа­
тия с коэффициентами трения пласти по пласти 0,2 и торца по
пласти 0,3 и когда они вызывают дополнительные напряжения с
коэффициентом трения 0,6. Жесткие клеевые соединения такой
податливости не имеют. Расчет соединений деревянных конст­
рукций по прочности производят на основе методики, изложен­
ной в гл. 2.
В соединениях без специальных связей действуют незначитель­
ные усилия или усилия передаются непосредственно от одного
элемента другому. Они не требуют специальных связей, работаю­
щих и подлежащих расчету. К таким соединениям относят конст­
руктивные врубки и лобовые упоры.
Конструктивные врубки (рис. 3.1) являются соединениями, в
которых возникают усилия, намного меньшие их несущей спо­
собности, и они не нуждаются в расчете. В деревянных конструк67
1
в
Рис. 3.1. Конструктивные врубки:
а — врубка в полдерева; 6 — косой прируб; в — сплачивание в четверть; г —
сплачивание в шпунт; 1 — строительная нога; 2 — нагельный болт
циях наибольшее применение находят конструктивные соедине­
ния в четверть, в шпунт, в поддерева и косой прируб.
Соединение в четверть — сплачивание досок кромками по
ширине. Для этого в них механически образуются односторонние
пазы глубиной, несколько большей их толщины, в которые вхо­
дят односторонние выступы соседних досок. Обшивки наружных
стен из досок, соединенных в четверть, препятствуют продува­
нию стен ветром и проникновению в них атмосферных осадков.
Сосредоточенные нагрузки в таких обшивках распределяются на
две соседние доски.
Соединение в шпунт — сплачивание досок или брусьев кром­
ками, в одной из которых вырезаны двусторонние пазы, а в дру­
гой — один средний паз — шпунт, равный примерно трети тол­
щины, в который входит образовавшийся выступ — гребень со­
седней доски или бруса. Настилы из досок, соединенных в шпунт
и гребень, препятствуют просыпанию засыпок перекрытий и обес­
печивают совместную работу досок или брусьев на изгиб.
Врубка в полдерева — соединение концов брусьев или бревен с
вырезками до половины их толщины, стянутое конструктивным
болтом. Так, например, соединяются концы стропильных ног в
коньке крыш.
Косой прируб — продольное сращивание брусьев или бревен, в
концах которых сделаны односторонние наклонные вырезки дли­
ной, равной удвоенной высоте сечения с торцами, и высотой,
равной 0,15 высоты сечения. Косые прирубы стягивают конструк­
тивными болтами и используют для соединения прогонов и балок
по длине.
68
Лобовые упоры (рис. 3.2) являются наиболее простыми и на­
дежными соединениями и применяются в большинстве видов де­
ревянных конструкций для крепления сжатых элементов. Они ра­
ботают и рассчитываются на смятие, возникающее в них от дей­
ствия продольных сжимающих усилий. На растяжение они рабо­
тать не могут.' Их определяют по формуле (2.15).
Продольный лобовой упор — соединение обрезанного под пря­
мым углом сжатого стержня с опорой или с диафрагмой опорно­
го башмака, или с таким же стержнем в сжатом стыке. В стыке
лобовой упор скрепляют двусторонними конструктивными дере­
вянными накладками толщиной не менее трети толщины стерж­
ней и длиной не менее трех высот сечения и стягивают конструк­
тивными болтами. В продольном лобовом упоре древесина работа­
ет на смятие вдоль волокон и имеет наиболее высокое расчетное
сопротивление смятию, равное расчетному сопротивлению сжа­
тия Rf.. В большинстве случаев напряжения смятия в продольных
з
1
Рис. 3.2. Лобовые упоры:
а — продольный вдоль волокон древесины; б — поперечный поперек волокон;
в — наклонный под углом к волокнам; / — элементы; 2 — стяжные болты; 3 —
накладки; 4 — стальные крепления; 5 — опора; 6 — штырь; 7 — эпюры напряже­
ний смятия; а — угол смятия
69
лобовых упорах достигают значительной величины и требуют про­
верки прочности по формуле (2.15) в тех случаях, когда на смя­
тие работает только часть площади торца элемента.
Поперечный лобовой упор — соединение двух стержней под пря­
мым углом, когда торец сжатого элемента упирается в пласть дру­
гого и закрепляется неработающими связями. Так, например, со­
единяются стойки с верхними и нижними горизонтальными эле­
ментами каркаса. В таком соединении древесина торца стойки ра­
ботает на смятие вдоль волокон, а древесина пласти горизонталь­
ного элемента — поперек волокон. Это соединение рассчитывают
только по меньшей прочности древесины поперек волокон по
формулам (2.13) и (2.15) в порядке, приведенном в примере 3.1.
Пример 3.1. Проверить прочность поперечного лобового упора при
смятии балки, опертой на стойку, сечения которых имеют размеры bxh =
= 15x15 см. В стойке действует продольная сжимающая сила N = 55 кН =
= 0,055 МН.
Р е ш е н и е . Длина площади смятия /см =15 см. Расчетное сопротивле­
ние местному смятию поперек волокон на части длины балки (рис. 3.2, б)
Дсм90 = Лс9о[1 + 8/(/см + 1,2)] = 1,8 [1 + 8/(15 + 1,2)] = 2,67 МПа.
Площадь смятия А = bxh = 15x15 = 225 см2 = 0,0225 м2.
Напряжение а = N/A = 0,055/0,0225 = 2,44 МПа < /?cM9o-
Наклонный лобовой упор представляет собой соединение кон­
цов двух сжатых элементов, оси которых расположены под углом
ос друг к другу. При этом торец одного элемента может быть пер­
пендикулярным его оси или торцы обоих элементов наклонены к
их осям (рис. 3.2, в). Так, например, соединяются стержни стро­
пил и подкосных рам. В этих соединениях необходимо проверять
прочность древесины при смятии торцов только расположенных
под углом к осям элементов. Расчет приводится в примере 3.2 по
формулам (2.14) и (2.15).
Пример 3.2. Проверить прочность при смятии наклонного лобового
упора торцов подкоса и ригеля из брусьев, имеющих площадь сечения
А = bxh = 15х 15 см из древесины 2-го сорта, соединенных под углом а =
= 45°. Конец подкоса обрезан под прямым углом к оси, и в нем действует
продольная сжимающая сила N = 135 кН = 0,135 МН. Опорный конец
ригеля обрезан под углом а = 45° к его оси.
Р е ш е н и е . Угол смятия древесины ригеля
= 45°, sin а = 0,707. Угол
смятия древесины подкоса а = 0. Расчетные сопротивления древесины
ригеля смятию вдоль волокон RCM= 1^.= 15 МПа, под углом 90° к волок­
нам древесины /^м9о = 3 МПа, под углом а = 45° к волокнам
= 1 + (Лем / /U o -1 ) sin3 а = 1 + (15 / 3 -1 )0 ,7073 = 6’2 МПа
Площадь смятия А - 15x15 = 225 см2 = 0,0225 м2.
Напряжение а = N/A = 0,135/0,0225 = 6,0 МПа < /^ма.
70
Торец подкоса проверки прочности при смятии не требует, посколь­
ку прочность его при смятии вдоль волокон выше.
Соединения стальными связями — соединения деревянных эле­
ментов, в которых действующие в них усилия передаются с помо­
щью стальных болтов, стержней, гвоздей, винтов, хомутов, зуб­
чатых пластинок и других изделий. Наиболее распространенными
стальными связями являются болты и гвозди.
Болты представляют собой стандартизованные изделия из ма­
лоуглеродистой стали марки С38/23. Болты, применяемые в дере­
вянных конструкциях, изготовляют без точной обработки и назы­
вают черными. Они отличаются большой длиной, соответствую­
щей значительным размерам сечений деревянных элементов, и
имеют толстые квадратные шайбы, необходимые для распределе­
ния усилия в болте на достаточную площадь древесины, работаю­
щую на смятие. Размеры сечений болтов приведены в приложе­
нии 10. Наибольшее распространение получили болты с диамет­
рами 12, 16 и 20 мм.
Для постановки болтов в соединяемых элементах просверлива­
ют отверстия такого же диаметра, что и болты. Для надежного со­
впадения отверстий при сборке конструкций сверлить отверстия
рекомендуется одним проходом сверла через соединяемые элемен­
ты или в отдельных элементах по шаблонам. Болтовые соединения
бывают со стяжными, растянутыми и изгибаемыми болтами.
Соединения на стяжных болтах служат для плотного соедине­
ния отдельных элементов при их поперечном сплачивании и в
некоторых узлах конструкций. В них могут возникать лишь незна­
чительные усилия, поэтому их расчет не требуется. Сечения стяж­
ных болтов устанавливаются по конструктивным соображениям.
Диаметр стяжных болтов должен быть не меньше 12 мм и не ме­
нее 1/20 общей толщины соединяемых элементов. Шайбы стяж­
ных болтов допускаются размерами не менее 3,5 их диаметра и
толщиной до 0,25 диаметра. В первые годы эксплуатации конст­
рукций в результате усушки древесины их натяжение нередко ос­
лабевает и они нуждаются в подтяжке.
Соединения на растянутых болтах применяют при анкерном
креплении деревянных конструкций к опорам, при подвеске к
конструкциям перекрытий и оборудования и в узловых соедине­
ниях. Они работают и рассчитываются на действующие в соедине­
ниях растягивающие силы от расчетных нагрузок (рис. 3.3). Болт
рассчитывается на растяжение по площади сечения ослабленной
нарезкой:
а = N/(0,8/4) < R,
(3.1)
где R = 235 МПа — расчетное сопротивление стали; 0,8 — коэф­
фициент, учитывающий концентрацию напряжений в зоне на­
резки.
71
N
М=
Рис. 3.3. С оединение на
растянутых болтах:
а — болт; 6 — схема рабо­
ты болта и древесины; в —
схема работы шайбы; / —
шайба; 2 — головка; 3 —
стержень; 4 — гайка; 5 —
эпюры напряжений
3.
i6
По этой же формуле, переписанной относительно требуемой
площади сечения болта, с помощью табличных данных можно
подобрать сечение болта.
Древесина под шайбами болта должна быть проверена по проч­
ности при местном смятии по формуле (2.15). По этой же форму­
ле, переписанной относительно требуемой площади шайбы А,
можно подобрать размеры сторон шайбы: А^ = Л7(Д.М90‘0,8). Рас­
четное сопротивление древесины местному смятию под шайба­
ми, учитывая поддерживающее действие древесины, окружаю­
щей шайбу, принимается ЯсМ9о = 4 МПа. Шайбы растянутых бол­
тов работают и рассчитываются на изгиб от реактивного давления
сминаемой древесины, как квадратные пластинки шириной Ь,
опертые в центре на гайки болтов. При этом наибольший изгиба­
ющий момент М в среднем сечении шайбы, ослабленном отвер­
стием диаметром d, и требуемую толщину шайбы 8^ можно при­
ближенно определить из выражений: М = Nb/16;
= M /R ;
5w = j 6 W j R .
Аналогично рассчитывают тяжи сквозных конструкций круг­
лого сечения с шайбами и гайками на концах, работающие на
растяжение. Их максимальная гибкость не должна превышать 400.
Если в соединении применено несколько тяжей, расчетное со­
противление стали снижается с учетом коэффициента 0,85. При
этом учитывается возможная неравномерность распределения уси­
лия между ними.
Пример 3.3. Рассчитать крепление прогонов подвесного перекрытия к
стропильным фермам с помощью растянутых болтов. В каждом соедине­
нии действует растягивающая сила N = 46 кН = 0,046 МН. Расчетное
сопротивление стали R = 235 МПа.
Р е ш е н и е . Требуемая площадь сечения болта по нарезке Атр =
= N /(0,8R ) = 0,046/(0,8-235) = 2,45* 10^ м2 = 2,45 см2. Принят болт диа­
метром d = 2 см. Площадь сечения болта по нарезке А = 2,49 см2 >
Расчетное сопротивление древесины местному смятию под шайбами
поперек волокон /?сМ9о = 4 МПа.
72
Требуемая площадь смятия под шайбой Aw = ЛУ/?см90 = 0,046/4 =
= 115 • 10~4 м2 = 115 см2. Принимается квадратная шайба с размерами сто­
рон Ъ= 11 см. Площадь смятия под шайбой А = Ь2 - nd2/A = 112 - 3,14• 22/4 =
= 118 см2 = 0,0118 м2.
Напряжение смятия о = N/A = 0,046/0,0118 = 3,9 МПа.
Максимальный изгибающий момент в сечении шайбы
М = М / 16 = 0,046-0,11/16 = 2 ,9 -10*4 М Н м .
Требуемые момент сопротивления и толщина шайбы
W.ф = M /R = 2,9- 10-7235 = 1,2-10"6 м3 = 1,2 см3;
8тр = V6W / ( b - d ) = 7 6 -1 ,2 /(1 1 -2 ) = 0,895 см.
Принимаем шайбу толщиной 5 = 9 мм.
Соединения на изгибаемых болтах относятся к классу так назы­
ваемых нагельных (рис. 3.4), в которых связи (в данном случае
болты) работают главным образом на изгиб и в незначительной
степени на срез. Эти соединения широко применяют в стыках и
узлах деревянных конструкций, препятствуя взаимным сдвигам
соединяемых элементов, причем усилия в них могут быть знако­
переменными, сжимающими и растягивающими. Шайбы этих бол­
тов не воспринимают расчетных усилий и могут иметь такие же
размеры, как и у стяжных болтов. От действия продольных сил в
таком соединении по площади контакта болта со стенками отвер­
стия в древесине возникают неравномерные по периметру и дли­
не напряжения смятия, а также растяжения поперек волокон между
отверстиями. В результате реактивного давления древесины в бол­
те возникают усилия изгиба и среза.
Расстановка болтов в соединении бывает прямая, шахматная и
производится по правилам, исключающим опасность преждевре­
менного разрушения древесины от скалывания и растяжения по­
перек волокон. Расстояния между осями болтов вдоль волокон
древесины и до торцов элемента должны быть не меньше Id, а
поперек волокон между осями — не более 3,5d и до кромок — 3d.
Болтовые соединения могут быть симметричными, когда про­
дольные силы действуют вдоль оси симметрии соединения, и
несимметричными, когда оси сил не совпадают с осями элементов.
Соединяемые элементы могут располагаться на одной оси вдоль
волокон древесины или под углом друг к другу. Швами, или сре­
зами, в болтовых соединениях называют плоскости сдвига между
элементами, от числа которых зависит несущая способность со­
единения. Однако напряжения среза в сечениях болтов незначи­
тельны и не определяют их несущей способности. Например, наи­
более распространенный болтовой стык растянутых элементов с
двусторонними деревянными накладками является симметрич­
ным двухсрезным соединением, а такой же стык с односторон73
,
?
*
f
- f 4 - f —
'5
— r
3,5d !
! ! 7d \ A
— T—t—f------ '
3,5d
>— •Ф -А2d
! 7d ! 7d
i
TV
t -----*----
Рис. 3.4. Соединения на изгибаемых болтах:
а — схемы расстановки; б — расчетные схемы; в — схема работы; 1 — прямая
расстановка; 2 — то же, шахматная; 3 — при стальных накладках; 4 — в соедине­
ниях под углом; 5 — симметричное двухсрезное соединение; 6 — несимметрич­
ное односрезное; 7 — эпюра напряжений смятия древесины
ней накладкой — несимметричным односрезным соединением
(см. рис. 3.4).
Расчет соединения на изгибаемых болтах производят на дей­
ствие продольных сил N от расчетных нагрузок:
птр = М/(Тпш),
(3.2)
где л-ф — требуемое число болтов на половине соединения; пш —
число срезов (швов); Т — наименьшая несущая способность болта
в одном шве, которая определяется с учетом диаметра болта d (см),
толщины среднего элемента с (см), толщины крайних элементов
а (см), симметричности и угла наклона между элементами, коэф­
фициентом ка из следующих выражений:
74
по прочности болта при изгибе при деревянных накладках Ти =
= (1, Sd2 + 0,02а2)
, кН;
по прочности болта при изгибе при стальных накладках Тк =
= 2,5а2^ , кН;
среднего элемента при смятии Тс = 0,5cdka, кН;
крайнего и более тонкого односрезного элемента при смятии
Га = 0,8adka, кН (см. приложение 15).
Коэффициент ка учитывает меньшую несущую способность бол­
тового соединения на изгибаемых болтах под углом в результате
меньшей прочности и большей податливости древесины при смя­
тии под углом к волокнам. Они зависят от величины угла а, диа­
метра болта d и принимаются по нормам. Например, при угле
между элементами а= 90° для болтов диаметрами d = 12, 16 и 20 мм
соответственно ка = 0,7; 0,6 и 0,55 (см. приложение 16).
Болтовые соединения со стальными накладками применяют в
узлах конструкций. Накладки делают обычно двусторонними из
листовой или уголковой стали. Расстояние от осей болтов до краев
накладок должно быть не менее двух диаметров болтов вдоль и
полутора диаметров — поперек направления действия сил. При
стальных накладках болты работают на изгиб лучше ввиду их час­
тичного защемления в отверстиях накладок.
Соединения с изгибаемыми стальными стержнями выполняют
с применением гладкой арматуры класса А-I. Эти соединения ра­
ботают и рассчитываются так же, как и соединения с изгибае­
мыми болтами. Их расставляют по тем же правилам, что и болты.
В болтовых соединениях с изгибаемыми болтами с целью сниже­
ния их стоимости 3/4 болтов могут заменяться такими стержнями.
Короткие стальные стержни в соединениях со стальными наклад­
ками вставляются в несквозные отверстия в древесине. Они рабо­
тают и рассчитываются как односрезные симметричные изгибае­
мые связи и называются глухими нагелями.
Подбор сечений болтов и стержней производится из условия,
что сумма допускаемых расстояний между ними и до кромок эле­
мента, зависящих от их диаметра d, не превышает высоты сече­
ния элемента h. Например, диаметр болтов d при расстановке их в
два продольных ряда в элементах с высотой сечения h должен
быть не более d < h / 9,5.
Изгибаемые болты в соединениях деревянных элементов, ра­
ботающих в химически агрессивных или влажных средах, могут
изготовляться также из алюминия Д-16 и стеклопластика АГ-4С.
Их расчетная несущая способность в одном срезе соединения со­
ответственно равна Ги = 1,6d 2 + 0,02а2 и Г„ = l,45<i2 + 0,02а2.
Пример 3.4. Подобрать сечение и определить необходимое число из­
гибаемых болтов в стыке двух брусьев сечением b x h = 15x20 см с дву­
75
сторонними деревянными накладками сечением Ьхх Л = 8 х 20 см. В бру­
сьях действуют продольные растягивающие силы N = 160 кН.
Р е ш е н и е . Диаметр болтов находим из условия их расстановки в два
продольных ряда d < А/9,5 = 20/9,5 = 2,1 см. Принимаем диаметр d = 2 см.
Соединение симметричное двухсрезное, пш = 2, вдоль волокон а = 0',
ка = 1. Толщина средних элементов с = Ь= 15 см, крайних (накладок) а =
= Z>i = 8 см.
Несущая способность болта в одном шве из условия изгиба болта
Ги = Ш 1 + 0,02а2 = 1,8-22 + 0,02 -82 = 8,5 кН.
Из условия смятия элементов Гс = 0,5 cd = 0,5-15-2 = 15 кН.
Из условия смятия накладок Га = 0,8ad = 0,8-8*2= 12,8 кН.
Расчетное минимальное значение Т = 8,5 кН.
Требуемое число болтов ятр = N /(T nm) = 16/(0,85 -2) = 9,4 шт.
Принимаем 10 болтов диаметром d = 20 мм на каждой половине сты­
ка. Из них по 6 болтов в средних зонах каждой половины стыка могут
быть заменены стержнями того же диаметра.
Гвоздевые соединения просты, но трудоемки и применяются в
основном при небольшом объеме изготовляемых конструкций.
Гвозди изготовляют из холоднотянутой стальной проволоки в со­
ответствии с ГОСТом. Острие гвоздя имеет четырехгранную фор­
му и длину, равную полутора диаметрам. Шляпка имеет диаметр,
равный двум диаметрам гвоздя. Рекомендуемый сортамент гвоз­
дей приведен в приложении 11. Наибольшее применение в дере­
вянных конструкциях находят гвозди диаметром 3, 4, 5 и 6 мм и
длиной соответственно 80, 100, 150 и 200 мм. Гвозди забивают в
цельную древесину ручным или пневматическим молотком.
Гвоздь при забивке частично раздвигает и разрывает волокна
древесины, образуя в ней отверстие с уплотненными стенками.
Благодаря этому он прочно зажимается в древесине и хорошо со­
противляется выдергиванию, однако по этой же причине в ней
возникают дополнительные напряжения растяжения поперек во­
локон. Кроме того, малая изгибная жесткость гвоздей приводит к
повышенной ползучести гвоздевых соединений. Поперечному рас­
хождению стыков препятствуют стяжные болты.
Правила расстановки гвоздей в соединениях исключают опас­
ность раскалывания древесины соединяемых элементов, которая
повышается по мере уменьшения их толщины, и поэтому диа­
метр гвоздей должен быть не более четверти толщины элементов.
Расстояние между осями гвоздей диаметром d вдоль волокон дре­
весины соединяемых элементов должно быть не менее: от тор­
цов — 15d, между осями в элементах толщиной, равной и боль­
шей 10rf—15d, между осями в элементах толщиной 4 d —25d, а в
элементах промежуточной толщины это расстояние принимается
по интерполяции. Расстояние между осями гвоздей поперек воло­
кон и до кромок элементов должно быть при прямой расстановке
не менее 4d, при шахматной и косой — не менее 3d (рис. 3.5).
76
Рис. 3.5. Соединения на изгибаемых гвоздях:
а — схемы расстановки; б — расчетные схемы; в — схема работы; I, 2 — прямая
и шахматная расстановка; 3 — в стальных накладках; 4 — в соединениях под
углом; 5 — симметричное двухсрезное соединение; 6 — несимметричное одно­
срезное; 7 — эпюра напряжений смятия древесины
Соединения на конструктивных гвоздях применяют для креп­
ления обшивок и настилов, в которых гвозди не несут расчетных
усилий и не рассчитываются.
Соединения на выдергиваемых гвоздях (рис. 3.6) относят к клас­
су соединений с растянутыми связями. Их применяют для крепле­
ния досок подшивок потолков, щитов перекрытий и опалубки
железобетона. От действия нагрузок в них возникают растягиваю­
щие силы N, стремящиеся выдернуть гвозди из древесины эле­
мента, к которому прибиты доски. Этому усилию сопротивляются
силы трения между поверхностью гвоздей и окружающей древе­
синой.
Расчет гвоздя на выдергивание производится на действие рас­
тягивающей силы от расчетных нагрузок по формуле
тв.Г= К М 1 и
(3.3)
77
а
в
б
d
Nj
|
Рис. 3.6. Соединение на выдергиваемых гвоздях:
а — гвоздь; 6 — схема работы и эпюра напряжений трения; в — деформация
древесины
где Тьт — несущая способность гвоздя при выдергивании, МН;
^в.г = 0,3 МПа — расчетное сопротивление сухой древесины вы­
дергиванию из нее гвоздя поперек волокон; RBS = 0,1 МПа — при
сырой древесине, учитывая опасность появления трещин усушки
в зоне гвоздя; d —диаметр гвоздя, м; 1Х— расчетная длина гвоздя,
равная его общей длине /, из которой исключены толщина при­
биваемых досок 5 (м), длина острия, равная 1,5^ (м), и ширина
возможной щели, равная 0,2 см, между соединяемыми элемента­
ми, м.
Требуемое число выдергиваемых гвоздей п^, необходимых для
восприятия растягивающей силы N (МН) от расчетных нагрузок,
определяется из выражения
= N /TBS. Размеры выдергиваемых
гвоздей подбирают из условий, чтобы расчетная длина гвоздя была
не меньше 10^ и не меньше двойной толщины прибиваемых до­
сок 25.
Пример 3.5. Определить расчетную несущую способность гвоздя диа­
метром d = 0,5 см = 0,005 м и длиной / = 10 см, забитого в сухую древеси­
ну на глубину Л = 8 см.
Р е ш е н и е . Расчетное сопротивление гвоздя, забитого в сухую древе­
сину поперек волокон, Ras = 0,3 МПа. Расчетная длина гвоздя за вычетом
длины острия l\ = I - 1,5*/ = 8 - 1,5 •0,5 = 7,25 см = 0,0725 м.
Расчетная несущая способность гвоздя при выдергивании Твг = RBTndl\ =
= 0,3-3,14-0,005-0,0725 = 0,34-10'3 МН = 0,34 кН.
Соединения на изгибаемых гвоздях (см. рис. 3.5) относятся к
тому же классу соединений с изгибаемыми связями, что и болто­
вые соединения на изгибаемых болтах. Их применяют в стыках и
узлах дощатых конструкций, препятствуя взаимным смещениям
соединяемых элементов. Соединения на изгибаемых гвоздях рабо­
тают и рассчитываются аналогично соединениям на изгибаемых
болтах — гвозди работают на изгиб, а окружающая древесина —
на смятие, но с некоторыми особенностями.
78
Гвозди имеют повышенную по сравнению с болтами прочность,
поскольку холоднотянутая проволока, из которой они изготовле­
ны, имеет более высокий предел текучести. Ввиду малой толщи­
ны и плотного защемления в древесине несущая способность гвоз­
девых соединений не зависит от угла действия усилий по отноше­
нию к направлению волокон древесины соединяемых элементов
и при расчете не учитывается. Если гвоздь пробивает все элементы
насквозь, расчетная длина его при забивке элемента уменьшается
на 1,5 см, создавая опасность отщепления крайних волокон при
выходе острия. Если гвоздь не пробивает соединения насквозь,
учитывается только глубина его защемления /, в последнем эле­
менте, определяемая так же, как и 1{ у выдергиваемых гвоздей
при условии, что она не менее 4d. Несущую способность гвоздя в
одном срезе по прочности при изгибе определяют из выражения
Тк = 2,5d 2 + 0,01а2 кН, но не менее 4d2.
Несущую способность одного среза гвоздя по прочности дре­
весины при смятии с среднего и а крайних элементов рассчиты­
вают по тем же формулам, как и соединения на изгибаемых бол­
тах. Несущая способность гвоздя в одном срезе Т является наи­
меньшей из вычисленных.
Соединения на изгибаемых гвоздях и со стальными накладка­
ми применяют в узлах некоторых конструкций. Гвозди при этом
забивают через отверстия, просверленные в стальных накладках.
Это соединение по отношению к работе гвоздей является несим­
метричным и односрезным. Несущую способность гвоздя в одном
срезе определяют из соответствующего выражения для болтовых
соединений с учетом глубины его защемления в древесине а, а по
его изгибу — с учетом его частичного защемления в отверстии
накладки из выражения Ги = 4d 2.
Пример 3.6. Подобрать размер и число гвоздей, требуемых для креп­
ления вертикальной доски сечением bxh = 5x15 см, в которой действует
продольная растягивающая сила N = 12 кН, к двум горизонтальным дос­
кам такого же сечения.
Р е ш е н и е . Конец вертикальной доски пропускается между горизон­
тальными досками и соединяется гвоздями диаметром d = 0,5 см и дли­
ной /= 1 5 см. Соединение двухсрезное (пш= 2), симметричное. Толщина
элемента с = 5 см. Длина защемленной части гвоздя в крайней доске с
учетом длины острия /0 = 1,5d = 1,5 0,5 = 0,75 см и возможных щелей
между досками щ = 0,2 см определится по формуле а - I - 2с - /0 - 2щ =
= 15 - 2-5 - 0,75 - 2-0,2 = 3,8 см.
Несущая способность гвоздя в одном шве:
по изгибу гвоздя Ти = 2,5 d 2 + 0,01а2 = 2,5-0,52 + 0,01-3,852 = 0,77 кН;
по смятию средней доски Тс = 0,5а/ = 0,5-5 0,5 = 1,25 кН;
по смятию крайней доски Та - 0,8 ad = 0,8• 3,8 -0,5 = 1,54 кН.
Расчетная несущая способность гвоздя Т = Т„ = 0,77 кН. Требуемое
число гвоздей
= N /( 7яш) = 12/(0,77- 2) = 7,8 шт.
79
Ставят 8 гвоздей диаметром d = 5 мм и длиной / = 150 мм, по 4 гвоздя
с каждой стороны стыка и один стяжной болт диаметром d6 = 12 мм
конструктивно, без расчета.
Соединения на винтах (рис. 3.7). Винты представляют собой стан­
дартизованные стальные изделия и состоят из головки, гладкой
и нарезанной частей. Их диаметр d измеряется по гладкой части.
Винты диаметром менее 12 мм называют шурупами. Они имеют
сферические или плоские головки с прорезями для завертывания
их в древесину отвертками. Винты диаметром 12 мм и более назы­
вают глухарями. Они имеют квадратные или шестигранные голов­
ки и завертываются в древесину ключами.
Винты применяют для крепления стальных накладок и деталей
к деревянным элементам в узлах конструкций. Они завертываются
через отверстия в стальных деталях в отверстие в древесине. Диа­
метр отверстия в древесине должен быть равным 0,8 диаметра глад­
кой части винта, для того чтобы нарезка полностью врезалась в
древесину.
В соединениях винты расставляют на больших расстояниях, чем
болты. Вдоль волокон расстояния между их осями должны быть не
менее десяти их диаметров — 10d, поперек волокон — не менее
5d, поскольку меньший диаметр отверстия вызывает дополнитель­
но напряжения растяжения древесины поперек волокон. Глубина
защемления гладкой части винта должна быть не менее 4d.
Соединения на выдергиваемых винтах относят к классу соеди­
нений с растянутыми связями. Винты здесь препятствуют отрыву
от древесины стальных деталей, в которых действуют растягиваю­
щие силы. Выдергиванию винта сопротивляется главным образом
древесина стенок винтовых желобков, образованных нарезанной
Рис. 3.7. Соединения на винтах:
а — глухарь; б — шуруп; в — схема работы винтов на изгиб; г — то же, на
выдергивание
80
частью винта длиной /,, работающих на смятие. Благодаря этому
расчетное сопротивление выдергиванию винтов выше, чем гвоз­
дей, и составляет RBB = 1 МПа. Несущую способность винтов при
выдергивании определяют по формуле (3.3).
Соединения на изгибаемых винтах относят к классу соедине­
ний с изгибаемыми связями. Винты препятствуют смещению по
поверхности деревянных элементов стальных накладок и деталей
при действии продольных сил N. При этом винты работают на
изгиб, а древесина вокруг них — на смятие, как в несимметрич­
ных односрезных болтовых соединениях со стальными накладка­
ми. Несущая способность винта определяется, как изгибаемого
болта при стальной накладке.
Соединения на хомутах относят к классу соединений с растя­
нутыми связями. Они соединяют элементы, в которых действуют
поперечные растягивающие силы N. При этом они могут иметь
прямоугольную, полугнутую и гнутую формы. Поперечные эле­
менты хомутов соединяются болтами и могут быть выполнены из
листовой или профильной стали. Болты хомутов работают и рас­
считываются на растяжение, а поперечные элементы — на изгиб.
На растяжение рассчитывают также и гнутые хомуты. Древесина
под хомутами работает и рассчитывается на смятие.
Соединения на гвоздевых пластинах выполняют с помощью
стальных пластин прямоугольной формы толщиной 1—2 мм. Эти
пластины имеют многочисленные односторонние острия, назы­
ваемые условно гвоздями (иногда когтями), которые образуются
методом штамповки. Они впрессовываются одновременно с обеих
сторон соединяемых элементов при изготовлении конструкций,
причем элементы могут располагаться параллельно или под углом.
Преимуществами этих соединений являются быстрота и малая
трудоемкость изготовления, а основным недостатком — невысо­
кая несущая способность. Эти соединения воспринимают продоль­
ные растягивающие и сжимающие силы. При этом гвозди пластин
работают на изгиб, древесина вокруг них — на смятие, а сама
пластина — на растяжение или сжатие. Несущая способность гвоз­
девых пластин определяется экспериментально. Гвоздевые плас­
тины применяют в основном в малопролетных конструкциях из
досок.
Соединения на скобах относят к классу конструктивных со­
единений. Скобы изготовляют из прутковой стали диаметром 8 —
16 мм и имеют П-образную форму с заостренными и зазубренны­
ми концами. Они забиваются в цельную древесину и обеспечива­
ют проектное положение соединяемых элементов из брусьев или
бревен при сборке конструкций близ места их установки.
Клеевые соединения — это наиболее прогрессивные виды со­
единений при заводском изготовлении клееных деревянных кон­
струкций. Их основой являются конструкционные синтетические
81
клеи. Эти соединения имеют ряд важных достоинств. Склеивание
дает возможность из досок ограниченных размеров сечений и длин
изготовлять клеедеревянные элементы несущих конструкций прак­
тически любых размеров и форм. Они могут быть прямыми и изог­
нутыми, постоянного, переменного и профильного сечений, вы­
сотой, измеряемой метрами, а длиной — десятками метров.
Клеевые соединения являются не менее прочными, чем реаль­
ная древесина, монолитными и имеют столь малую податливость,
что ее можно не учитывать при расчетах и считать клеедеревян­
ные элементы как цельные. Клеевые соединения являются водо­
стойкими. Они не подвержены загниванию и стойки против воз­
действия ряда химически агрессивных сред, что обеспечивает дол­
говечность клеедеревянных элементов. Эти соединения техноло­
гичны и их изготовление без особых затруднений механизируется
и автоматизируется. При склеивании можно использовать древе­
сину маломерную и пониженного качества путем удаления значи­
тельных пороков с последующим стыкованием. Клеевые соедине­
ния являются безметальными, что важно для конструкций, эксп­
луатируемых в помещениях с химически агрессивными средами.
Однако изготовление клеедеревянных конструкций допускает­
ся только в специально оборудованных цехах, отапливаемых, с
кондиционированием воздуха и приточно-вытяжной вентиляци­
ей для удаления вредностей, возникающих при приготовлении и
применении клеевых растворов, и под строгим лабораторным кон­
тролем.
Клеевые соединения применяют также для изготовления фа­
неры и склеивания древесины со стальными элементами. При скле­
ивании клеедеревянных элементов несущих конструкций в насто­
ящее время у нас в стране применяют клеи на основе термореак­
тивных синтетических смол (фенолформальдегидной и резорци­
новой, а для склеивания древесины со сталью — эпоксидной).
Клеевые стыки по их расположению и особенностям работы могут
быть разделены на поперечные, продольные и угловые (рис. 3.8).
Стык по пластям (поперечный) представляет собой клеевое со­
единение досок пластями. Применяется для создания клеедере­
вянных элементов требуемой высоты сечения и для обеспечения
их изогнутой формы по длине, поскольку препятствует распрям­
лению изогнутых досок в элементе, воспринимая скалывающие
напряжения, а также при изгибе от нагрузок. Стык по кромкам
представляет собой клеевое соединение досок кромками. Приме­
няется при изготовлении клеедеревянных элементов с шириной
сечений, большей, чем ширина отдельных досок. По высоте сече­
ния эти стыки располагаются обычно вразбежку. В этих стыках не
возникает значительных скалывающих напряжений. Стык по пла­
стям и кромкам представляет собой клеевое соединение пласти
одной доски с кромкой другой. Его применяют при изготовлении
82
, 1=32
Рис. 3.8. Клеевые соединения:
а — поперечные стыки; 6 — продольные стыки; в — усовой стык; г — угловой
стык; 1 — стыки по пластям; 2 — то же, по кромкам; 3 — то же, по пласти и
кромке; 4 — зубчатый шип; 5 — усовой стык фанеры; 6 — угловой зубчатый шип
клеедеревянных элементов тавровой, двутавровой и рельсовид­
ной форм малых сечений со стенками из досок на ребро. В нем
тоже возникают напряжения скалывания при изгибе.
Зубчатый шип представляет собой клеевое соединение концов
досок по зубчатой поверхности в виде ряда острых клиньев, вы­
ходящих на пласти или кромки досок. Такая форма придается кон­
цам досок наборной зубчатой фрезой на фрезерном станке. Зубча­
тый шип характеризуется тремя параметрами — длиной зубьев /,
шириной их у основания t и шириной у вершины — затуплением
Ь. Длина зубьев обычно не превышает толщины досок, а другие
параметры обеспечивают необходимый уклон зубьев по отноше­
нию к оси досок не более 1:8 и затупление не более 1 мм. Только
такие параметры обеспечивают необходимую прочность стыка в
элементах несущих конструкций. Параметры зубчатого шипа, при­
меняемого в большинстве случаев, приведены на рис. 3.8, б. Зуб­
чатый шип экономически эффективен, поскольку имеет малую
длину, позволяет соединять короткие доски и его изготовление
легко автоматизируется.
От действующих растягивающих сил N в зубчатой поверхности
стыка возникают основные скалывающие напряжения т, действу­
ющие под небольшими углами к направлению волокон древеси­
ны, и дополнительные растягивающие напряжения с, действую­
щие почти поперек волокон древесины. Эти напряжения не пре­
вышают напряжений, возникающих при расчетной несущей спо­
собности стыка, поскольку площадь зубчатой поверхности его до­
статочно велика.
83
Разрушение зубчатого шипа происходит мгновенно от главных
растягивающих напряжений а гл. Эти напряжения имеют макси­
мальную величину у концов зубьев, где остаются небольшие пря­
моугольные отверстия после изготовления шипа и поверхность
разрыва всегда проходит через эти отверстия. Однако ослабление
сечения этими отверстиями значительно меньше, чем ослабление
сечений досок 1-го сорта пороками, которые вообще не допуска­
ются в зоне шипов. Поэтому ослабление сечений этими отверсти­
ями может не учитываться. При действии продольных сжимающих
сил зубчатый шип имеет большую прочность, так как при этом в
нем не возникает поперечных растягивающих напряжений.
Угловой зубчатый шип имеет ту же форму, что и прямой, и
применяется главным образом при изготовлении ломаноклееных
полурам (см. гл. 7). Элементы этих рам располагаются под углом
более 120°. Зубья шипа должны выходить только на верхние и ниж­
ние кромки соединяемых элементов в зоне их упора, срезанных
под углом концов. Такой зубчатый шип работает на сжатие с изги­
бом как цельнодеревянное наклонное сечение. Соединение досок
по пластям под углом представляет собой клеевое соединение досок
пластями по площади их пересечения. Так могут соединяться дос­
ки шириной до 10 см при угле 90° и шириной до 15 см при углах
до 45° между ними. От продольных сил в этом соединении возни­
кают скалывающие и дополнительно поперечные растягивающие
напряжения ввиду эксцентричного действия сил.
Клеевые соединения фанеры и фанеры с древесиной применя­
ют при изготовлении клеефанерных конструкций. Усовое соеди­
нение фанерных листов имеет уклон кромок 1/12 и применяется
для клеевого соединения кромками по длине и ширине. У него
пониженная по сравнению с цельными листами прочность ввиду
неполного совпадения соответствующих шпонов фанерного лис­
та, которая принимается равной всего 0,6 от прочности нестыко­
ванных участков. В некоторых случаях применяют также клеевые
соединения фанеры с двусторонними накладками шириной не
менее 30 толщин соединяемых листов.
В случае клеевого соединения с досками при перпендикуляр­
ном направлении волокон досок к волокнам наружных шпонов
фанеры ширина досок должна быть не более 10 см, чтобы при их
большей ширине не возникла опасность перенапряжения клеевых
швов в результате коробления досок при колебании их влажности.
Все клеевые швы должны иметь минимальную толщину, изме­
ряемую долями миллиметра, и высокую прочность, превосходя­
щую прочность древесины при сжатии и скалывании. Прочность
клеевых швов при растяжении ввиду их хрупкости невелика и со­
ответствует примерно малой прочности древесины при растяже­
нии поперек волокон. Адгезионные и когезионные связи клеевых
швов должны быть выше прочности древесины, и клеевые соеди­
84
нения должны разрушаться при нагружении выше предела проч­
ности не по клеевым швам и не по пограничным слоям, а по
цельной древесине.
Расчет клеевых соединений, ввиду того что они имеют проч­
ность выше прочности древесины 1-го сорта, не требуется.
Соединения на вклеенных стальных стержнях представляют со­
бой клеевые соединения клеедеревянных элементов с помощью
коротких стержней из арматуры периодического профиля классов
A-II и A-III диаметром 12—25 мм. Они вклеиваются в прямо­
угольные пазы с накладками или в круглые отверстия клеем (на­
пример, эпоксидно-цементным), обеспечивающим надежное со­
единение древесины со сталью (рис. 3.9).
Глубина вклеивания / должна быть не менее 10 и не более 30
диаметров d стержня, ширина паза или диаметр отверстия вы­
полняется на 5 мм больше диаметра стержня. Расстояние между
осями стержней принимают не менее 3d, а до краев сечения — не
менее 2d. Вклеенные стержни применяют для продольного и угло­
вого соединений клеедеревянных элементов, работающих на про­
дольные силы или изгибающие моменты. Они воспринимают рас­
тягивающие продольные силы N (выдергивание) или сжимаю­
щие (вдавливание). Скрытые в толще древесины стальные стерж-
. /
. /
Рис. 3.9. Соединения на стержнях:
а — продольно вклеенных; б — наклонно вклеенных; в — схема работы; 1 —
арматурный стержень; 2 — отверстие; 3 — рейка; 4 — паз
85
ни защищены от химически агрессивной среды и быстрого нагре­
вания при пожаре, что повышает стойкость соединения против
коррозии и предел огнестойкости конструкции.
Соединения на продольно вклеенных стержнях работают на ска­
лывание древесины вдоль волокон. Разрушаются они почти мгно­
венно без заметных деформаций в основном от скалывания древе­
сины по площади внутренней поверхности бывших отверстий. На­
пряжения скалывания по длине площади скалывания распределя­
ются неравномерно и значительно увеличиваются у ее наружных
концов, что учитывается коэффициентом неравномерности к.
Расчет соединения на продольно вклеенных стержнях произ­
водится на действие максимальных сжимающих или растягиваю­
щих сил N от расчетных нагрузок в следующем порядке.
Расчетную несущую способность продольно вклеенного стер­
жня Т (МН) при выдергивании или вдавливании находят по фор­
муле, предложенной авторами:
T = n l ( d + 0,005) RcKkCK,
(3.4)
где / — глубина вклеивания, м; d — диаметр стержня, м; Д.к =
= 2,1 МПа — расчетное максимальное сопротивление древесины
местному скалыванию вдоль волокон в соединениях; кСК= (1,2 - 0,02)l/d — коэффициент, учитывающий неравномерности рас­
пределения напряжений скалывания по длине вклеивания.
Требуемое число продольно вклеенных стержней в соедине­
нии, на которое действуют растягивающие или сжимающие силы
N от расчетных нагрузок, определяют по формуле
«тр = N/T.
(3.5)
Сами стальные вклеенные стержни работают в этом соедине­
нии на растяжение обычно с большими запасами прочности.
Соединения на поперечно вклеенных стержнях работают ана­
логично, но более надежно, чем на продольно вклеенных, на сдвиг
и смятие поперек волокон древесины близ поверхности отверстия.
Работают они вначале упруго, затем пластично и разрушаются
после больших деформаций, как при местном смятии древесины.
Несущая способность такого соединения выше, чем продольно
работающего, и коэффициент неравномерности напряжений тоже
выше. Расчет несущей способности такого соединения может про­
изводиться в запас прочности по формуле (3.4). Для определения
несущей способности таких стержней Т (МН) можно рекомендо­
вать более точную эмпирическую формулу
Т = я l(d + 0 ,0 0 5 )^ 9 0 ^ ,
(3.6)
где /?сМ9 о= 3 МПа — расчетное сопротивление поперечному мест­
ному смятию в узловых соединениях конструкций; ксы = (1 86
- 0,025)l/d — коэффициент неравномерности напряжений смя­
тия.
Соединения на поперечно вклеенных стальных стержнях ши­
роко применяют в опорных и промежуточных узлах конструкций.
При этом исключается работа древесины элемента на смятие по­
перек волокон и размеры соединений существенно уменьшаются.
Соединения на наклонно вклеенных стальных стержнях рабо­
тают так же, как и на поперечно вклеенных на растяжение стерж­
нях и на смятие древесины, и могут рассчитываться аналогично с
учетом угла смятия.
Исследования С.Б.Турковского показали, что наклонно вкле­
енные стержни имеют достаточную прочность и могут эффектив­
но применяться в соединениях клеедеревянных конструкций круп­
ных сечений для восприятия продольных сил, например в жест­
ких креплениях стоек, стыках растянутых элементов, жестких уз­
лах рам и других конструкциях.
Пример 3.7. Подобрать число, сечение и глубину вклеивания про­
дольно вклеенных стержней в соединении двух брусьев сечением bxh =
= 15x15 см, в которых действуют продольные растягивающие силы от
расчетных нагрузок N = 12 кН = 0,12 МН.
Р е ш е н и е . Максимальный диаметр попарно поставленных стержней
d = Ь/1 = 15/7 = 2,14 см. Принимаем стержни диаметром d - 2 см. Глубина
вклеивания /= 10d = 10-2 = 20 см. Коэффициент неравномерности напря­
жений скалывания кс = 1,2 - 0,02 l/d = 1,2 - 0,02*20/2 = 1.
Расчетное сопротивление древесины скалыванию ДсК= 2,1 МПа.
Расчетная несущая способность одного стержня при выдергивании
Т = n l/(d + 0,005)/?сЛк = 3,14-0,2(0,02 + 0,005)2,1 • 1 = 0,033 МН.
Требуемое число стержней nw = N /T = 0,12/0,033 = 3,64 шт. Принима­
ем 4 стержня диаметром d = 2 см класса A-II, R = 295 МПа.
Проверка прочности стержней при выдергивании ( растяжении). Пло­
щадь сечения четырех стержней Л = 3,14*4 = 12,5 см2. Напряжение о =
= N/A = 0,12/0,00125 = 96 МПа < R.
Соединения с деревянными связями применяют для сплачива­
ния двух или трех брусьев, составных балок, совместно работаю­
щих на изгиб. Связями служат небольшие деревянные вкладыши
(пластинки, шпонки, стержни). Они плотно вставляются в соот­
ветствующие гнезда или отверстия и воспринимают сдвигающие
силы, возникающие при изгибе.
Пластинки дубовые или березовые, называемые пластинчаты­
ми нагелями, имеют толщину 5 = 1,2 см, длину / = 5,8 см и ширину
Ь, равную ширине сечений соединяемых брусьев. Пластинки встав­
ляются в пазы соответствующих размеров, выбранные в соседних
кромках соединяемых брусьев. Направление волокон древесины
пластинок должно быть перпендикулярным направлению воло­
кон древесины брусьев.
87
Пластинки работают на изгиб и смятие поперек волокон от
действия сдвигающих сил Т, возникающих при изгибе состав­
ных балок от расчетных нагрузок, и не создают поперечного рас­
пора брусьев. Расчетная несущая способность пластинки указан­
ных выше размеров Т„л = 0,75Ь, кН. Соединения на пластинках
применяют в некоторых случаях при изготовлении составных
брусчатых балок.
Стержни дубовые или березовые круглого сечения, называе­
мые деревянными нагелями, вставляются в круглые отверстия в
соединяемых элементах и работают на изгиб и смятие поперек
волокон древесины. Их рассчитывают по формулам, аналогичным
формулам для расчета изгибаемых болтов, но с другими коэффи­
циентами. Деревянные стержни применяют в конструкциях не­
больших гидротехнических сооружений.
Шпонки и колодки — призматические бруски из хвойной дре­
весины — плотно вставляются в гнезда, вырезанные в кромках
соседних брусьев составных брусчатых балок. Направление воло­
кон древесины шпонок должно совпадать с направлением древе­
сины соединяемых брусьев. Колодки — это шпонки большей тол­
щины, чем высота гнезда, благодаря чему между брусьями возни­
кает вентиляционный осушающий зазор. Эти соединения требуют
точности изготовления, для того чтобы все шпонки участвовали в
работе соединения.
Шпонки и колодки работают на сдвигающие силы при изгибе и
рассчитываются по прочности при смятии и скалывании древеси­
ны вдоль волокон. В этих соединениях возникает также поперечный
распор в результате эксцентричного действия сдвигающих сил,
который воспринимается болтами, работающими и рассчитывае­
мыми на растяжение. Эти соединения применяют в некоторых слу­
чаях при полевом изготовлении мостовых составных балок.
3.2. Соединения пластмассовых конструкций
В конструкциях из пластмасс используют клеевые, клееметал­
лические, заклепочные, винтовые, сварные и шитые соединения.
Клеевые соединения являются наиболее эффективными, уни­
версальными и распространенными соединениями пластмасс. Они
дают возможность склеивать пластмассы и сопутствующие конст­
рукционные материалы, прочность, деформативность и форма
которых колеблются в широких пределах, что делает иногда не­
возможным применение других соединений. Например, можно
склеивать пенопласты с металлами, прочность и деформативность
которых отличаются в тысячи раз. Можно склеивать листовые ма­
териалы и воздухонепроницаемые ткани, толщина которых не пре­
вышает 2 мм. При этом получаются прочные, сплошные, воздухо­
непроницаемые соединения, жесткие или эластичные. Основны­
ми недостатками клеевых соединений являются малая прочность
на поперечное растяжение — отрыв и ограниченная теплостой­
кость.
Для склеивания пластмассовых конструкций применяют тер­
мореактивные и термопластичные клеи в соответствии с физико­
механическими свойствами и химическим составом склеиваемых
материалов. Термореактивные клеи, как наиболее прочные и бо­
лее теплостойкие и водостойкие, используют главным образом
для склеивания термореактивных пластмасс и прочих сопутству­
ющих материалов. Резорциновые клеи, безвредные и не содержа­
щие кислот, являются наиболее рациональными для склеивания
древесных пластиков с древесиной. Наибольшую прочность из них
имеет клей ФР-12. Эпоксидные клеи на основе полимерной смо­
лы ЭД-5 отличаются особо высокой прочностью и универсально­
стью. Они твердеют без подогрева, лучше работают на отрыв и не
дают усадки при твердении. В клеевой раствор нередко добавляют
цемент, повышающий вязкость и снижающий стоимость клея.
Такие клеи называют эпоксидно-цементными. Их применяют для
склеивания термореактивных пластмасс, металлов и асбестоце­
мента. Полиэфирные клеи отличаются прозрачностью и исполь­
зуются для склеивания прозрачных полиэфирных стеклопласти­
ков между собой и с другими материалами. Фенолформальдегидные клеи отличаются доступностью и малой стоимостью, однако
они ядовиты при твердении и имеют в составе кислоту, действу­
ющую на склеиваемые материалы. Их используют для склеивания
древесных пластиков и фенольных пенопластов.
Термопластичные клеи имеют меньшую прочность и тепло­
стойкость, чем термореактивные, и применяются в основном для
склеивания термопластичных пластмасс.
Полиметилакрилатные клеи отличаются особенно высокой
прозрачностью и используются для склеивания прозрачного орга­
нического стекла. Перхлорвиниловые клеи применяются для скле­
ивания винипласта и воздухонепроницаемых тканей с полихлорвиниловыми покрытиями.
Каучуковые клеи, например, марки 88Н состоят из каучуков
или их смеси с полимерными смолами. Они отличаются высокой
эластичностью и сопротивлением отдирающим усилиям, отсут­
ствием хрупкости. Им не требуется отвердитель и большое давле­
ние при использовании. Эти клеи используют для склеивания ме­
таллов, пластмасс и воздухонепроницаемых тканей с резиновы­
ми покрытиями.
При устройстве клеевых соединений листовых материалов, в
частности при стыковании обшивок и ребер панелей, применяют
различные типы соединений внахлестку (рис. 3.10), с одно- или
двусторонними накладками. Протяженность клеевого шва с каж89
Рис. 3.10. Клеевые соединения пластмасс и сопутствующих материалов:
а — типы соединений: 1 — внахлестку; 2 — с одной накладкой; 3 — с двумя
накладками; б — работа соединений: 4 — на сдвиг; 5 — на отрыв; 6 — на нерав­
номерный отрыв; с — клеевые швы
дой стороны стыка (длина нахлестки /) определяется расчетом
его на срез. Однако в любом случае длина нахлестки должна быть
не меньше 8 толщин листа для асбестоцемента, 50 толщин листа
для металлов и 20 толщин листа для стеклопластиков.
Клеевые соединения в пластмассовых конструкциях чаще ра­
ботают на сдвиг, однако в некоторых случаях соединение может
испытывать усилия, вызывающие в нем растяжение, которое при­
менительно к клеевым швам называют отрывом. В зависимости от
характера распределения растягивающих напряжений по протя­
женности шва различают равномерный и неравномерный отрыв.
Прочность клеевых соединений и их расчетные характеристи­
ки зависят от марки клея, вида напряженного состояния (сдвиг,
растяжение), природы соединяемых материалов. Во многих случа­
ях прочность клеевой прослойки оказывается выше, чем проч­
ность одного (или обоих) соединяемого материала. В таких случаях
расчетное сопротивление соединения определяют не по клеевому
соединению, а по одному из соединяемых материалов. Например,
по пенопласту ПС4 при склеивании его с металлом или с асбес­
тоцементом расчетные сопротивления среза равны RcP= 0,04 МПа
и Лер = 0,075 МПа.
Методика назначения расчетных характеристик клеевых соеди­
нений аналогична методике, принятой для конструкционных пла­
стмасс. Значения коэффициентов изменчивости для клеевых со­
единений лежат в широких пределах — от 0,1 до 0,30, а коэффи­
циент безопасности по материалу у с учетом длительной прочно­
сти составляет 1,9—7,7. Значения расчетных сопротивлений клее­
вых соединений приведены в приложении 11.
Так же как и для конструкционных пластмасс, для клеевых
соединений при соответствующих эксплуатационных условиях
учитываются коэффициенты условия работы; т, — учитывающий
температурный фактор; mw — то же, влажностные условия; mf —
то же, атмосферные условия.
Клееметаллические соединения являются комбинированными,
состоящими из точечных металлических соединений и клеевой
прослойки, располагающейся вдоль всего шва. В зависимости от
вида металлической связи различают соединения: клеесварные
(точечная сварка однородных металлов + клеевая прослойка); клее­
винтовые (металлические винты + клеевая прослойка); клеезакле­
почные (металлические заклепки + клеевая прослойка). Клееме­
таллические соединения применяют для соединения элементов
из однородных и разнородных высокопрочных материалов (ме­
таллы, стеклопластики, древесные материалы) в трехслойных
панелях и других подобных конструкциях.
Клееметаллические соединения имеют более высокую проч­
ность при неравномерном отрыве, чем клеевые, повышенную теп­
лостойкость и огнестойкость. Кроме того, при сдвиге они более
прочны, чем соответствующие чисто металлические соединения.
Эти соединения находят применение главным образом в трех­
слойных плитах и панелях, где заклепки, винты или сварные точ­
ки работают совместно с клеевым швом. Клееметаллические со­
единения рассчитывают и конструируют с учетом следующих осо­
бенностей.
Прочность клееметаллических соединений при сдвиге опреде­
ляется как прочность заклепки, винта или сварной точки, умно­
женной на коэффициент, равный 1,25 —2, который учитывает ра­
боту клея. При этом прочность заклепки и винта вычисляется из
условий смятия или среза стержня заклепки (винта) или смятия
металла соединяемых элементов, а прочность сварной точки — из
условия среза. Данные для расчета заклепок, винтов и сварных
точек принимают по нормам проектирования стальных и алюми­
ниевых конструкций. При этом винты рассчитывают по нормам
для болтовых соединений на чистых и получистых болтах.
Заклепки, винты и сварные точки размещают в соответствии с
требованиями норм проектирования стальных и алюминиевых кон­
струкций. Для обеспечения плотности клеевого шва шаг сварных
точек, винтов и заклепок принимают не более 35—150 мм в зави­
симости от толщины соединяемых листов и вида соединения. Кроме
того, каждый вид клееметаллического соединения имеет свои осо­
бенности и области применения.
Сварные соединения пластмасс используют для соединения
элементов из одного и того же термопластичного материала. При
сварке соединение элементов осуществляется за счет одновремен­
ного действия высокой температуры и давления. К достоинствам
сварных соединений относят высокую плотность шва, быстроту
их осуществления, простоту технологических операций. Вместе с
91
тем у сварных соединений более низкая прочность и ухудшаются
некоторые другие свойства материала шва по сравнению с основ­
ным материалом; ограниченная область применения (только для
термопластов); температура нагрева при сварке лежит между тем­
пературами текучести и его разрушения.
Различают два способа получения сварных соединений термо­
пластов: сварка в струе горячего воздуха и контактный способ
(рис. 3.11).
Сварка в струе горячего воздуха подобна газовой сварке метал­
лов. Материалы соединяемых деталей и присадочного прутка раз­
мягчают в струе горячего воздуха, нагретого до 250—270 °С, ма­
териал присадочного прутка легко заполняет зазор между деталя­
ми, а после остывания образуется плотный герметичный шов.
В качестве источника теплого воздуха используют сварочный
пистолет, к которому подводится сжатый воздух, подогреваемый
вмонтированным в пистолет электронагревателем. Сварка таким
методом является эффективным и высокопроизводительным спо­
собом соединения термопластов. Сварной шов в сечении может
иметь различный профиль.
Контактный способ (рис. 3.11, б) применяют для соединения
органического стекла, винипласта, полиэтилена, полистирола. Для
устройства сварного шва по одному из вариантов контактного
способа места соприкосновения двух соединяемых деталей среза­
ют на ус с уклоном 1:3 — 1:5, совмещают по площади контакта и
в таком положении закрепляют. Затем шов сжимают и нагревают.
Для органического стекла давление составляет 1 МПа, а темпе­
ратура нагрева 140—145 °С. Возможна контактная сварка впритык.
В этом случае давление прикладывается в плоскости листа и его
интенсивность составляет 3 —5 МПа, а температура нагрева 180—
190 °С. Продолжительность запрессовки 10—15 мин.
t= t= k
Рис. 3.11. Сварные соединения термопластических пластмасс:
а — типы сварных швов: 1 — валиковый; 2 — V-образный; 3 — угловые; 4 — Xобразный; б — контактное сварное соединение
92
Следует, однако, иметь в виду, что прочность сварного шва,
как правило, меньше прочности основного материала. Так, для
винипласта это снижение составляет 15 —35% при сжатии, рас­
тяжении и изгибе, а при испытании на удельную ударную вяз­
кость прочность уменьшается на 90 %. Поэтому в случаях, когда
эта характеристика является существенной, вместо сварки лучше
применить склеивание.
Клеесварные соединения (рис. 3.12, а) состоят из сварных то­
чек, полученных контактной точечной сваркой и сплошного кле­
евого шва между точками. Расчетное сопротивление одной точки
Rj зависит от толщины и марки металла соединяемых элементов,
качества подготовки их поверхности, диаметра ядра сварной точ­
ки, типа контактной точечной машины и режима сварки. Нормы
проектирования алюминиевых конструкций предусматривают со­
единение точечной сваркой элементов толщиной 0,3—4 мм. В кле­
есварных соединениях точечную сварку производят при неотвержденном клее. Клеесварные соединения применяют для соедине­
ния только двух элементов из однородного металла.
Клеезаклепочные соединения (рис. 3.12, б) с обыкновенными
заклепками используют для соединения металлических (алюми­
ниевых, стальных) обшивок с металлическим обрамлением и для
стыкования металлических обшивок в трехслойных панелях. При
толщине соединяемого пакета 3 мм и менее диаметр заклепки
должен быть не меньше толщины пакета. Длина стержня заклепки
/3должна быть больше толщины пакета на 1,3 d3, где d3 — диаметр
заклепки. При соединении асбестоцементных обшивок с обрам­
лением рекомендуется применять трубчатые заклепки из малоуг­
леродистой стали. Ее наружный диаметр составляет 10—16 мм,
толщина стенки 0,8 —1,0 мм, длина заклепки должна быть боль­
ше общей толщины соединяемых элементов на 8 мм, максималь­
ный шаг трубок 350 мм. После установки полость трубок заполня­
ют раствором на расширяющемся цементе.
Рис. 3.12. Клееметаллические соединения алюминиевых листов:
а — клеесварное; 6 — клеезаклепочное; в — клеевинтовое; I — клеевой шов; 2 —
сварная точка; 3 — заклепка; 4 — винт
93
Клеевинтовые соединения (рис. 3.12, в) применяют в трехслой­
ных панелях для стыкования обшивок из металлов, асбестоце­
мента, древесных листовых материалов. Для клеевинтовых соеди­
нений металлических элементов используют самонарезающие вин­
ты. При толщине соединяемых элементов 0,5—1,0 мм диаметр вин­
тов должен быть 3 —3,5 мм, при толщине 1—3 мм — 4—5 мм.
Для соединения асбестоцементных листов диаметр винтов при­
нимают 5 —6 мм, а максимальный шаг винтов 250 мм.
Шитые и клеешитые соединения — соединенные между собой
полотна воздухонепроницаемых тканей с прикрепленными к ним
различными тканевыми деталями. Для сшивания применяют вы­
сокопрочные капроновые нитки и каучуковые клеи. Шитые со­
единения выполняют на промышленных швейных машинах. Эти
соединения не полностью герметичны, но достаточно прочны и
менее трудоемки в изготовлении. Клеешитые соединения имеют в
своей конструкции кроме ниток еще клеевые швы. Они более гер­
метичны, но и более трудоемки в изготовлении.
В шитых соединениях нитки работают на растяжение, а клее­
вые швы — на срез.
Соединения металлических элементов профильных сечений
выполняют также с помощью болтов, винтов, заклепок и сварки.
Вопросы для самопроверки
1. Каковы преимущества и недостатки клеевых соединений пластмасс
и сопутствующих материалов?
2. Что такое термореактивные клеи и какие материалы ими склеива­
ют?
3. Что такое термопластичные клеи и какие материалы ими склеива­
ют?
4. Как работают и рассчитываются клеевые соединения пластмасс и
сопутствующих материалов?
5. Что такое клееметаллические соединения и в чем их преимущества?
6. Как работают и рассчитываются клееметаллические соединения?
7. Что такое сварные соединения пластмасс и как они работают?
8. Что такое шитые и клеешитые соединения и как они работают?
ГЛАВА 4
ДЕРЕВЯННЫЕ И ПЛАСТМАССОВЫЕ НАСТИЛЫ
4.1. Деревянные настилы
Деревянные настилы являются несущими элементами деревян­
ных ограждающих покрытий. На их изготовление расходуется боль­
шая часть древесины, используемой при сооружении деревянных
покрытий. Экономное проектирование деревянных настилов во
многом определяет экономическую эффективность покрытия в
целом. Настилы служат основанием водо- и теплоизоляционных
слоев покрытия. Они принимают участие в обеспечении устойчи­
вости основных несущих конструкций в целом и в восприятии
основных вертикальных и ветровых нагрузок.
Конструкция настила зависит от типа кровли и теплоизоляци­
онных свойств покрытия (рис. 4.1). При рулонной кровле настил
должен иметь сплошную ровную дощатую или фанерную поверх­
ность, на которую непосредственно можно наклеивать рулонный
ковер. Утеплитель при этом может быть жестким и располагаться
поверх настила под кровлей или быть мягким и размещаться в
полостях, как в клеефанерных плитах.
При чешуйчатой кровле в виде волнистых листов асбестоце­
мента, стеклопластика или черепичных плиток настил должен
иметь для них отдельные опоры в виде досок или брусьев обре­
шетки или открытых ребер клеефанерных плит. Утеплитель при
этом может быть мягким и располагаться между брусками обре­
шетки или между ребрами клеефанерных плит. С чешуйчатой кров­
лей особенно эффективно применение деревянных покрытий, так
как она паропроницаема, способствует высыханию древесины и
препятствует ее загниванию.
Деревянные настилы делят на два основных вида —дощатые и
клеефанерные.
Дощатые настилы являются наиболее распространенным ви­
дом деревянных настилов. Они могут изготовляться как в цехах
деревообрабатывающих предприятий, так и в небольших мастер­
ских строительных площадок. Для них может быть использована
древесина 2-го и 3-го сортов, поскольку местные дефекты насти­
лов не снижают прочности покрытия в целом. Поэтому такие на95
Рис. 4.1. Дощатые покрытия:
а — неутепленное под рулонную кровлю; 6 — то же, утепленное; в — неутеплен­
ное, обрешетка под асбестоцементную кровлю; г — то же, утепленное; 1 —
настил; 2 — рулонная кровля; 3 — пароизоляция; 4 — утеплитель; 5 — асбесто­
цементная кровля
стилы имеют относительно невысокую стоимость. Основными не­
достатками этих настилов являются трудоемкость изготовления и
ограниченная несущая способность. Дощатые настилы изготовля­
ют из досок на гвоздях и укладывают на прогоны или основные
несущие конструкции покрытий при расстоянии между ними не
более 3 м. Рабочие доски настилов должны иметь длину, достаточ­
ную для опирания их не менее чем на три опоры, с целью увели­
чения их изгибной жесткости по сравнению с однопролетным
опиранием. Основными типами дощатых настилов являются раз­
реженный и двойной перекрестный.
Разреженный настил, или обрешетка, представляет собой не­
сплошной ряд досок, уложенных с шагом, определяемым типом
кровли и расчетом. Зазоры между кромками досок для их лучшего
проветривания должны быть не менее 2 см. Для ускорения сборки
этот настил целесообразно собирать из заранее изготовленных
плит, щитов, соединенных снизу поперечинами и раскосами, с
габаритными размерами, увязанными с расстановкой опорных
конструкций с учетом условий транспортирования.
Двойной перекрестный настил (рис. 4.2, а) состоит из двух сло­
ев: нижнего — рабочего и верхнего — защитного. Рабочий настил
представляет собой разреженный или сплошной ряд более тол­
стых досок и несет на себе все нагрузки, действующие на покры­
тие. Защитный настил представляет собой сплошной ряд досок
минимальной толщиной 16 мм и шириной 100 мм. Их укладывают
на рабочий настил под углом 45 —60° и крепят к нему гвоздями.
Защитный настил образует необходимую сплошную поверхность,
обеспечивает совместную работу всех досок настила, распределя­
ет сосредоточенные нагрузки на полосу рабочего настила шири96
Рис. 4.2. Дощато-гвоздевые щиты настилов покрытий:
а — щит двойного перекрестного настила; 6 — то же, однослойного раскосного
настила; 1 — доски; 2 — гвозди; 3 — косой защитный настил; 4 — разреженный
рабочий настил; J — раскосы; 6 — поперечины
ной 50 см и защищает кровельный ковер от разрывов при короб­
лении и растрескивании более толстых и широких досок рабочего
настила. Двойной перекрестный настил имеет значительную жес­
ткость в своей плоскости и служит надежной связью между про­
гонами и основными несущими конструкциями покрытия. Этот
настил целесообразно собирать из заранее изготовленных круп­
ных плит и щитов.
Применяют также настилы из сплошных однослойных щитов,
соединенных снизу раскосами и поперечинами, имеющие мень­
шую жесткость, чем двойные (рис. 4.2, б).
Расчет дощатых настилов. Расчет производят по прочности и
прогибам при изгибе при действии нормативных и расчетных зна­
чений линейных распределенных и сосредоточенных нагрузок. По­
стоянная нагрузка от собственного веса настила, утеплителя и
кровли определяется с учетом толщины и плотности всех элемен­
тов покрытия и является равномерно распределенной по площа­
ди поверхности настила.
При расчете настила скатных покрытий, имеющих угол накло­
на а, удобно нагрузку от собственного веса ga относить к горизон­
тальной проекции этой площади, при этом ga = g/ cos а.
Снеговую нагрузку s принимают по нормам на площадь гори­
зонтальной проекции и определяют с учетом климатического сне­
гового района и угла наклона покрытия а. Сосредоточенную на­
грузку от веса человека с грузом принимают равной 1 кН. Расчет­
ные значения этих нагрузок определяют с учетом различных ко­
эффициентов надежности у. Для собственного веса настила у = 1, 1,
для веса утеплителя и кровли у = 1,3 и для веса снега при g/s < 0,8
Y = 1,6.
Расчетная схема дощатого настила (рис. 4.3) представляет со­
бой двухпролетную шарнирно опертую балку с пролетом /. В каче­
стве условной длины пролетов удобно принимать горизонтальные
проекции расстояний между его опорами L. При скатных покры4
Хромец Ю . Н.
97
о
в
q = (g + s) cos a
Рис. 4.3. Расчетные схемы настилов:
а — схемы нагрузок равномерных; б — то же, сосредоточенных; в — схемы
усилий; 1 — первое сочетание нагрузок; 2 — второе сочетание нагрузок; 3 —
доски разреженного настила; 4 — доски рабочего настила
тиях с углом наклона а расчетные пролеты настила будут равны
/ = Lcosa. Расчетную ширину настила принимают условно В = 1 м.
Дощатый настил покрытия рассчитывают на два сочетания на­
грузок. Первое сочетание — это общая нагрузка от собственного
веса g и веса снега s, расположенного на всей длине плиты насти­
ла q = g + s. На расчетное значение этой нагрузки настил проверя­
ется по несущей способности при изгибе. При этом максималь­
ный изгибающий момент, возникающий в сечении над средней
опорой, М = ql2/S. Момент сопротивления сечений всех досок на­
стила на расчетной ширине W= Bh2/6. Действующие в них напря­
жения а = M / W < КИ, где расчетное сопротивление изгибу древе­
сины 3-го и 2-го сортов Ли = 13 МПа.
На нормативные значения нагрузок проверяют максимальный
относительный прогиб настила:
f / l = (2,13/384)[qP/(EI)] < [f/l] = 1/150.
(4.1)
Второе сочетание — это общее действие равномерной нагрузки
от собственного веса q = g и сосредоточенной силы Р, приложен­
ной на расстоянии 0,43 /. В этом сечении возникает максимальный
изгибающий момент М = 0,07ql2 + 0,21 PI. На этот изгибающий
98
момент сечение настила проверяют только по несущей способно­
сти при изгибе по формуле а = M /W < R„, где R„ — расчетное
сопротивление древесины изгибу; с учетом коэффициента усло­
вия работы при временной силе ти = 1,2 R„ = 13-1,2 = 15,6 МПа.
В некоторых случаях применяют однопролетные настилы и на­
стилы с числом опор более двух.
Расчет разреженного настила, расположенного поперек ската
скатной кровли, производят на косой изгиб по формулам (2.9) и
(2.10). Расчетная ширина настила принимается равной шагу рас­
становки досок с учетом сечения только одной доски или равной
1 м, но при этом учитываются сечения всех досок, расположен­
ных на этой ширине. Сосредоточенный груз Р = 1,2 кН считается
приложенным к каждой доске полностью при шаге досок более
15 см, а при шаге менее 15 см к каждой доске прикладывается
груз, равный Р/2 ■cos а.
Двойной перекрестный настил рассчитывается на изгиб толь­
ко рабочего настила и только от нормальных составляющих на­
грузок, поскольку скатные составляющие воспринимаются с по­
мощью защитного настила. Расчетная ширина настила принима­
ется В = 1 м с учетом всех входящих в нее досок, количество кото­
рых при шаге а п = 1/й. Сосредоточенные грузы распределяются
здесь на ширину 0,5 м, поэтому в расчетную ширину входят уд­
военные величины Р= 2,4 кН. При подборе сечения настила удоб­
но задаваться сечением досок bxh (см), затем определять требуе­
мый момент сопротивления W.ф = M/R, требуемую общую шири­
ну досок В-гр = W-rp/h2, затем шаг их расстановки а = 100b/ В (м).
Соединительные гвозди слоев настила или настила с раскоса­
ми часто работают со значительными запасами прочности. При
больших уклонах и нагрузках их рассчитывают на скатные состав­
ляющие нагрузок по условной схеме балки, образованной двумя
соседними прогонами и настилом.
Пример 4.1. Подобрать и проверить сечение двойного перекрестного
дощатого настила утепленной кровли, имеющей уклон / = 1:4, а = 14°,
sin а = 0,25, cos а = 0,97. Щиты настила длиной / = 3 м опираются на
прогоны, расположенные с шагом L = 1,5 м. Сплошной косой защитный
настил из досок сечением bxh = 10x16 см прибит под углом 45° к рабо­
чему настилу гвоздями. Определить сечение и шаг досок рабочего на­
стила. На настил действуют линейные и сосредоточенная нагрузки, от­
несенные к его горизонтальной проекции со следующими норматив­
ными и расчетными значениями: от собственного веса g H= 0,7 кН/м, g =
= 0,8 кН/м; от веса снега s H= 1,5 кН/м, s = 2,4 кН/м; от веса человека с
грузом Р = 1,2 кН.
Р е ш е н и е . Расчетная ширина полосы рабочего настила В = 1 м. Рас­
четная схема щита настила — двухпролетная шарнирно опертая неразрез­
ная балка с горизонтальными проекциями пролетов /= L cosa= 1,5 0,97 =
= 1,45 м.
99
Подбор сечения рабочего настила при первом сочетании расчетных
нагрузок от собственного веса и веса снега, распределенного по всей
длине щита: q = g + s = 0,8 + 2,4 = 3,2 кН/м. Принимается древесина 2-го
сорта. Расчетное сопротивление ее изгибу R„ = 13 МПа.
Расчетный изгибающий момент в сечении над средней опорой
М = q l2/Z = 3 ,2 -1,452/8 = 0,84 кН м = 0,00084 МН-м.
Требуемый момент сопротивления W^ = M/R„ = 0,00084/13 = 65 - 10~6 м3 = 65 см3. Принимаются доски сечением bxh = 10x2,5 см.
Требуемая общая ширина досок на полосе шириной 1 м
= 6 W /h2 =
= 6-65/2,52 = 62,5 см. Шаг расстановки досок а = 1006/Ягр = 100-10/62,5 =
= 16 см.
Проверка несущей способности настила при втором сочетании расчет­
ных нагрузок от собственного веса q = g = 0,8 кН/м и веса двух человек с
грузами Р = 1,2*2 = 2,4 кН, приложенного на расстоянии а = 0,43/ =
= 0,43* 1,45 = 0,625 м от крайней опоры. Максимальный изгибающий мо­
мент, возникающий в сечении под грузом, М = 0,07#/2 + 0,21 Р1 =
= 0,07-0,8-1,452 + 0,21-2,4-1,45 = 0,86 кН м = 0,00086 МН-м.
Расчетное сопротивление изгибу с учетом кратковременного действия
сосредоточенной силы Ли = RKmK = 13-1,2 = 15,6 МПа.
Напряжение а = M /W = 0,00086/65-10'6 = 14,9 МПа < Ди.
Проверка прогиба при первом сочетании нормативных нагрузок от
собственного веса и веса снега:
qH= g H+ s H= 0,7 + 1,5 = 2,2 кН/м = 0,0022 МН/м.
Момент инерции /= bh 3/ 12 = 62,5-2,53/12 = 81 см4 = 81 • 10-8 м4. Модуль
упругости фанеры Еф = 9000 МПа.
Относительный прогиб настила f / l = (2,13/384) ^h/3/(jE'/) = (2,13/384) х
х 0,0022-1,45 3/(9000 *81 • 10"8) = 1/197 < 1/150.
Клеефанерные настилы покрытий собираются из крупных кле­
ефанерных плит заводского изготовления и отвечают /условиям
сборного строительства. Они имеют длину /= 3 —6 м, ширину В =
= 1—1,5 м, соответствующую размерам фанерных листов, и укла­
дываются непосредственно на основные несущие конструкции по­
крытий. Плиты состоят из дощатого каркаса и фанерных обши­
вок, соединенных клеем (рис. 4.4).
Клеефанерные плиты выполняют функции настила и прого­
нов. Они характеризуются малым весом при значительной несу­
щей способности благодаря расположению несущих элементов
(обшивок) в зонах действия максимальных нормальных напряже­
ний при изгибе. В своей плоскости они имеют большую жесткость.
Поверхности плит, обращенные внутрь помещения, следует по­
крывать огнезащитными составами для повышения предела их
огнестойкости. Каркас плит состоит из продольных и поперечных
досок — ребер, толщиной не менее 2,5 см. Продольные — рабочие
сплошные по длине ребра ставят на расстоянии не более 50 см
друг от друга из условий работы обшивок на изгиб от сосредото­
ченных грузов. Поперечные ребра жесткости устанавливают на рас100
Рис. 4.4. Клеефанерные ребристые плиты настилов:
а — плита (вид сверху); 6 — сечения плит; в — расчетные схемы и сечения; 1, 2 —
продольные и поперечные дощатые ребра; 3 — вентиляционные отверстия; 4 —
строительная фанера; 5 — коробчатая плита с двумя обшивками; 6 — пароизоляция; 7 — утеплитель; 8 — ребристая плита с верхней обшивкой; 9 — то же, с
нижней обшивкой
стоянии не более 1,5 м, как правило, в местах расположения сты­
ков фанеры и прерывают в местах пересечений с продольными
ребрами.
Обшивка состоит из листов фанеры повышенной водостойко­
сти марки ФСФ толщиной не менее 8 мм, состыкованных по дли­
не соединениями на ус. Для того чтобы фанера работала в направ­
лении своей большей прочности и жесткости, обшивки склеива­
ются с каркасом в таком положении, при котором направления
наружных волокон фанеры и древесины продольных ребер совпа­
дают.
Клеефанерные плиты опираются на основные несущие конст­
рукции при ширине опорных площадок не менее 5,5 см. Они при­
крепляются к опорам и соединяются кромками между собой шу­
рупами или гвоздями для обеспечения их совместных прогибов
при нагружении. Плиты подразделяют на коробчатые, ребристые
обшивкой вверх и ребристые обшивкой вниз.
101
Коробчатые клеефанерные плиты применяют в утепленных
покрытиях с рулонной кровлей и гладким потолком. Они имеют
двусторонние обшивки, образующие вместе с ребрами ряд поло­
стей, в которые по слою пароизоляции укладывается утеплитель.
Полости всех плит настила соединяются отверстиями в единую
вентилируемую прослойку, сообщающуюся с наружным возду­
хом в карнизах и коньке покрытия, которая обеспечивает осуша­
ющий режим работы настила. Первый нижний слой рулонного
ковра наклеивают на верхнюю обшивку при изготовлении для пре­
дохранения плит от увлажнения при транспортировании и монта­
же, а верхние слои — после сборки покрытия.
Ребристые клеефанерные плиты с одной верхней обшивкой
применяют в холодных и утепленных покрытиях с рулонной кров­
лей без гладкого потолка. Жесткий утеплитель и рулонный ковер
укладывают поверх обшивки или любой утеплитель прикрепляют
снизу.
Ребристые клеефанерные плиты с одной нижней обшивкой
вниз используют в утепленных и холодных покрытиях с чешуйча­
той кровлей, например, из волнистых асбестоцементных листов.
Листы кровли укладывают по продольным ребрам, а утеплитель
размещают по обшивке между ребрами.
Расчет клеефанерных плит производят по прочности и проги­
бам при изгибе по схеме однопролетной шарнирно опертой балки
на нормальные составляющие нагрузок от собственного веса g и
снега s, отнесенных к их полной ширине: q = g + s. От суммы этих
двух нагрузок определяют изгибающие моменты, поперечные силы
и максимальные прогибы. Обшивка на местный изгиб между про­
дольными ребрами рассчитывается на нормальную составляющую
сосредоточенной нагрузки от веса человека Р, условно распреде­
ленную на ширине 1 м по схеме балки пролетом /,, жестко заде­
ланной на опорах, где фанера приклеена к ребрам. Максималь­
ный изгибающий момент при этом Мх = P/i/8.
Фанерные обшивки и продольные ребра каркаса работают на
изгиб совместно благодаря жесткости клеевых соединений. Рас­
четное поперечное сечение коробчатой плиты считается условно
двутавровым, а ребристых — тавровым, полкой вверх или вниз.
При этом ширина стенки равна сумме ширин ребер, а расчетная
ширина обшивок b принимается равной 0,9 ширины панели, учи­
тывая концентрацию напряжений в них в зоне соединений с реб­
рами.
Расчет клеефанерных плит. Геометрические характеристики
расчетных сечений клеефанерных плит определяются с учетом того,
что они имеют симметричную двутавровую или несимметричную
тавровую форму. При этом необходимо сначала определить рас­
стояние нейтральной оси z от кромки сечения. При двутавровом
сечении высотой h z = h/2, при тавровом сечении расстояние от
102
кромки сечения z = S/A, где S — статический момент стенки и
полки сечения относительно его кромки; А — площадь сечения.
Момент инерции сечения равен сумме моментов инерции его
частей, каждый из которых /, = /0 + А а 2, где /0 = bh3/ 12 — соб­
ственный момент инерции; а — расстояние от его оси до нейт­
ральной оси. При этом собственным моментом инерции фанер­
ных обшивок ввиду его малой величины можно пренебречь.
Для двутаврового сечения коробчатых плит момент инерции
(см. рис. 4.4, в) /= bJ&Z 12 + 2b8(h - 5/2)2.
Момент сопротивления сечения равен: для двутаврового сече­
ния W = 21/h, а для тавровых Жф = /Д ф и
I/(h - za)Статический момент обшивки относительно нейтральной оси
S = b&(h - 5/2) или S = bS(z - 5/2).
При более точном расчете надо учитывать, что модули упруго­
сти древесины Ей = 10000 МПа и фанеры Еф = 9000 МПа различ­
ны. При этом момент инерции, приведенный к фанере /прф = /ф +
+ /д£дАЕф, а приведенный к древесине /прд = /д + 1фЕф/Еа.
Сечения клеефанерных плит можно подбирать методом попы­
ток, причем предварительно задаваться сечениями, а затем про­
изводить необходимые проверки по прочности, прогибу и опре­
делять несущую способность плит. Высоту сечения h следует при­
нимать примерно 1/30 пролета. Требуемую толщину фанерных
обшивок 5 коробчатой плиты можно приближенно определить из
выражения, выведенного из условия несущей способности сжа­
той обшивки с учетом устойчивости
5тр = M/(0,6bhR*J,
где М — изгибающий момент; b — расчетная ширина обшивки;
h — высота сечения; R$ c — расчетное сопротивление фанеры сжа­
тию.
Верхнюю обшивку проверяют на сжатие и устойчивость при
изгибе по формуле
а = Л //(ФфИ О < % с,
(4.2)
где ЛфС = 12 МПа — расчетное сопротивление фанеры сжатию
вдоль наружных волокон; фф — коэффициент устойчивости фане­
ры, определяемый в зависимости от ее толщины 5 и расстояния
между продольными ребрами а из выражений срф = 1250/(а/5)2
при а / 5 > 50 и фф = 1 - (а/5)2/5000 при а/5 < 50.
Проверку нижней обшивки на растяжение при изгибе произ­
водят по формуле
M/(Wm^) < Лф.р,
(4.3)
где тф = 0,6 — коэффициент, учитывающий ослабление сечения
обшивки соединениями листов фанеры на ус; ЛфР = 14 МПа —
расчетное сопротивление фанеры растяжению вдоль наружных во­
локон.
103
Обшивку проверяют на местный изгиб между продольными
ребрами от сосредоточенного груза. При этом изгибающий мо­
мент М = Р11/ 8 , где Р - 1,2 кН, а 1Х равно расстоянию между
кромками продольных ребер. Расчетное сопротивление фанеры
поперек наружных волокон принимают с учетом коэффициен­
тов, вводимых при расчете настилов,
= 6,5 -1,2 = 7,8 МПа, а
момент сопротивления W = Ь82/6, м3.
Проверку ребер на изгиб осуществляют только при расчете реб­
ристых плит, так как в коробчатых плитах напряжения в ребрах
менее опасны, чем в обшивках. Расчет производят по общей фор­
муле изгиба, в которой принимается момент сопротивления сече­
ния только относительно открытых кромок ребер.
Клеевые швы проверяют только между слоями фанеры, бли­
жайшими к ребрам, по общей формуле скалывания при изгибе:
т = QSfy/(Ib) < Дф.ск, в которой принимается расчетное сопротив­
ление скалыванию ,ск = 0,8 МПа, ширина равна общей ширине
ребер, учитывается момент инерции сечения / и статический мо­
мент обшивки 5ф.
Проверку плит по прогибам производят по общей формуле для
определения прогиба свободно опертых балок (2 .8 ) с учетом мо­
дуля упругости фанеры. Пониженная жесткость сечения плит учи­
тывается коэффициентом 0,7. Относительный прогиб от норма­
тивных нагрузок не должен превышать 1/250 пролета.
Пример 4.2. Подобрать и проверить сечение коробчатой клеефанер­
ной плиты утепленного настила покрытия. Плита имеет длину L = 6 м,
ширину В = 1,5 м, две фанерные обшивки, четыре продольных и пять
поперечных ребер. Плита опирается концами на клеедеревянные балки и
воспринимает равномерно распределенные и сосредоточенные нагруз­
ки, нормальные к ее поверхности, следующих нормативных и расчетных
значений: от собственного веса и веса снега q н= 2,6 кН/м, q = 4 кН/м; от
веса человека с грузом Рн = 1,0 кН, Р= 1,2 кН.
Р е ш е н и е . Принимаем предварительно сечение продольных ребер
b\X.h\ = 4x17 см из досок сечением 4x17,5 см, остроганных по кромкам.
Расчетная схема плиты — однопролетная шарнирно опертая балка про­
летом 1= 6 - 0,05 = 5,95 м. Расчетная схема верхней обшивки — однопро­
летная заделанная на опорах балка пролетом, равным расстояниям между
пластями соседних продольных ребер; /( = (В - 4/>,)/3 = (1,5 - 4-0,04)/3 =
= 0,45 м.
Расчетные усилия в сечениях плиты:
изгибающий момент М = q l2/8 = 4-5,952/8 = 17,7 кН-м = 0,0177 МН-м;
поперечная сила Q = ql/2 = 4-5,95/2 = 11,9 кН = 0,0119 МН.
Местный изгибающий момент в верхней обшивке
М, = P IJ 8 = 1,2-0,45/8 = 0,0675 кН-м = 0,0675-10’3 МН м.
Требуемая толщина фанерной обшивки
5^ = Л //(0,65 Л 0/гф.с) = 0 ,0 1 7 7 /(0 ,6 -1 ,5 -0 ,1 8 12) = 0,009 м = 0,9 см, где
Л0 = Л) + 8.
104
Принимаем фанерные обшивки одинаковой толщины 5 = 1 см.
Геометрические характеристики сечения плиты:
расчетная ширина обшивок b = 0,9i? = 0,9* 150 = 135 см;
общее сечение продольных ребер bphp = 4 b\hx = 16-17 = 272 см2;
полная высота сечения h = И\ + 25 =17 + 2-1 = 19 см.
Положение нейтральной оси сечения z = h/2 = 19/2 = 9,5 см.
Момент инерции сечения /= /ф+ /д= £ 5(z-5/2)2 + bph \/\2 = 135-1(9,5 - 1/2)2 + 16-173/ 12 = 28 450 см4 = 0,0002845 м4.
Момент сопротивления сечения W = //(0,5Л) = 0,0002845/0,095 =
= 0,003 м3.
Статический момент обшивки относительно нейтральной оси S = b & (z- 8 /2 ) = 135-1(9,5 - 1/2) = 1200 см3 = 0,0012 м3.
Момент сопротивления сечения обшивки расчетной шириной b = 1 м:
1УФ= £52/8 = 100-12/8 = 12,5 см3 = 12,5-10'6 м3.
Расчетные сопротивления фанеры сжатию, растяжению вдоль наруж­
ных волокон, изгибу поперек волокон и скалыванию: ЛфС = 12 МПа;
У?Фр = 14 МПа, ЕфМ = 6,5 МПа и
ск = 0,8 МПа.
Проверки несущей способности плиты. Проверка несущей способности
верхней обшивки при сжатии и устойчивости при изгибе: отношение
д/5 = 45/1 = 45.
Коэффициент устойчивости (р = 1 - (я/5)2/5000 = 1 - 452/5000 = 0,6.
Напряжение а = Л//(Жф) = 0,0177/(0,003-0,6) = 9,8 МПа < R $c.
Проверка несущей способности нижней обшивки при растяжении от
изгиба с учетом ее ослабления стыками на ус: /яф = 0,6.
Напряжение с = M /(W m £ = 0,0177/(0,003-0,6) = 9,8 МПа < Лф.р.
Проверка обшивок при скалывании от изгиба: ширина площади ска­
лывания b = Ьр = 16 см = 0,16 м; т = QS/(Ib) = 0,0119- 0,0012/(0,0002845 х
х0,16) = 0,31 МПа < ЛфСК.
Проверка обшивки при местном изгибе: напряжение а = M x/W $ =
= 0,0000675/(12,5-10-6) = 4 МПа < Дф.и.
Проверка относительного прогиба плиты от нормативной нагрузки
q H= 2,6 кН/м = 0,0026 МН/м. Модуль упругости фанеры Еф = 9000 МПа;
/ / / = (5/384) [ян/3/(0 ,7 £ ф/)] = (5/384) [0,0026- 5,953/(0 , 1 *9000-0,0002845)] =
= 1/250 = [///].
Следовательно, клеефанерная плита имеет прогибы от нормативных
нагрузок, не превышающие допускаемых, и ее несущая способность по
отношению к расчетным нагрузкам имеет дополнительные запасы несу­
щей способности.
Плиты с каркасом и плоскими асбестоцементными обшивками
имеют такие же размеры, как и клеефанерные плиты. Их приме­
няют в холодных и утепленных покрытиях помещений с асбесто­
цементной и рулонной кровлей, потолок которых должен быть
несгораемым. Обшивки соединяются в этих панелях с каркасом
шурупами, которые обладают податливостью, необходимой при
соединении разнородных материалов. Эти плиты работают и рас­
считываются по прочности асбестоцементной обшивки на растя­
жение при изгибе, по прочности соединений и по прогибам, как
балки составного сечения на податливых связях (см. гл. 5).
105
Коэффициенты податливости соединений на шурупах прини­
мают равными: при проверке прочности Кш= 0,4, при проверке
прогиба Кж= 0,35; расчетное сопротивление асбестоцементных
листов растяжению Лр = 4 МПа, а предельный относительный
прогиб равен 1/300 пролета.
Соединительные шурупы рассчитывают по несущей способно­
сти при изгибе и по смятию древесины, как в односрезных не­
симметричных соединениях на изгибаемых винтах, на сдвигаю­
щие усилия при изгибе на половине длины пролета.
Расчет асбестоцементных обшивок по прочности при изгибе
на сосредоточенную нагрузку не требуется, поскольку при реко­
мендуемых расстояниях между продольными ребрами не более
50 см они работают с достаточными запасами прочности.
Настилы перекрытий представляют собой сплошные ряды до­
сок, служащие основанием чистого пола или самим чистым по­
лом. Их укладывают по промежуточным брускам — лагам — или
по балкам и прибивают гвоздями. Доски настила чистого пола со­
единяют кромками в шпунт для обеспечения их совместной рабо­
ты на изгиб от сосредоточенных грузов и исключения сквозных
щелей между ними. Настилы перекрытий работают и рассчитыва­
ются на изгиб от действия собственного веса полезных нагрузок,
равных 1,5 кН/м2 в жилых и не менее 2,0 кН/м2 в производствен­
ных зданиях, и сосредоточенных грузов, равных 1,5 кН. Макси­
мальный относительный прогиб настила не должен превышать
1/250 пролета. Дополнительная проверка зыбкости настила зак­
лючается в том, что прогиб от его сосредоточенного груза 0,6 кН
не должен превышать 1 мм.
К настилам относятся также накаты перекрытий, расположен­
ные между балками. Они несут нагрузки от собственного веса и
веса изоляционных слоев и работают на изгиб, как правило, с
избыточными запасами прочности.
Подшивки потолков представляют собой сплошные ряды тон­
ких досок, прибитых к балкам снизу гвоздями. При отсутствии
штукатурки доски соединяются кромками в шпунт для исключе­
ния сквозных щелей. Подшивки работают на изгиб, а гвозди — на
выдергивание, как правило, с избыточными запасами прочности
при нагрузке от собственного веса.
Обшивки стен представляют собой сплошные вертикальные ряды
тонких досок, расположенных горизонтально и соединенных кром­
ками в четверть или в шпунт, или листов фанеры, прибитых к
каркасу гвоздями. Сборные обшивки состоят из крупных клеефа­
нерных панелей, описанных выше. Обшивки стен работают на изгиб
от давления и отсоса ветра, как правило, с избыточными запаса­
ми прочности. Клеефанерные плиты стен рассчитывают на изгиб,
на нагрузки от ветра и собственного веса. Предельный относи­
тельный их прогиб не должен превышать 1/250 пролета.
106
4.2. Пластмассовые настилы
Пластмассовые настилы состоят из крупных сборных плит за­
водского изготовления. Они укладываются на прогоны или основ­
ные несущие конструкции, образуя утепленное покрытие. Насти­
лы используются также в качестве утепленных панелей стен сбор­
ных зданий.
Пластмассовые плиты бывают трехслойными сплошными и
ребристыми, двуслойными и светопрозрачными. Основным ти­
пом утепленных настилов являются трехслойные сплошные и реб­
ристые.
Сплошные трехслойные плиты (рис. 4.5) — это плиты со сплош­
ным безреберным средним слоем. В зарубежном строительстве их
называют «сэндвичи». Плиты имеют толщину 10—20 см, ширину
до 1,5 м, длину, соответствующую шагу поддерживающих конст­
рукций. Они предназначены для перекрытия одного или двух про­
летов длиной до 3 м. Плита состоит из тонких наружных слоев —
обшивок из прочных листовых конструкционных материалов, рас­
положенных в зонах максимальных нормальных напряжений, и
толстого среднего слоя из малопрочного и очень легкого пласт­
массового материала, обладающего высокими теплоизоляцион­
ными свойствами. Эти три слоя соединяются между собой клеем,
обеспечивающим их совместную работу на изгиб.
Такое рациональное размещение и использование прочност­
ных и изоляционных свойств очень разных конструкционных ма­
териалов позволило получить совмещенные несущие и ограждаю-
штшшнт
^V.CV.C^.CV.CV.CV.CV.CV.CV.CIV/
;v
ь
'
м)\\<
Рис. 4.5. Сплошные трехслойные пластмассовые плиты сечения:
а — с асбестоцементными обшивками; б — с алюминиевыми обшивками; в —
схемы работы; 1 — пенопласт; 2 — асбестоцемент; 3 — гофрированный алюми­
ниевый лист; 4 — плоский алюминиевый лист
107
щие конструкции, имеющие наименьшую из всех известных жес­
тких совмещенных конструкций поверхностную плотность, изме­
ряемую десятками кг/м2. Эти плиты относительно несложны в из­
готовлении, однако малая жесткость среднего слоя приводит к
дополнительным прогибам, что ограничивает длину пролетов, не
позволяя их укладывать непосредственно на основные несущие
конструкции, располагаемые с шагом более 3 м.
Обшивки сплошных трехслойных плит могут изготовляться из
металлических или неметаллических листовых материалов. Метал­
лические обшивки выполняют, как правило, из алюминиевых
листов плоских, крупно- или мелкогофрированных толщиной
около 1 мм. Гофры могут располагаться вдоль или поперек плиты.
Применяют также плоские стальные плакированные листы, по­
крытые антикоррозионной пленкой. Гофрированные листы явля­
ются более жесткими и устойчивыми при работе, что позволяет
увеличивать пролеты трехслойных плит.
Из неметаллических обшивок применяют плоские асбестоце­
ментные листы толщиной до 10 мм и листы водостойкой строи­
тельной фанеры.
Обшивки защищают средний нежесткий слой от механичес­
ких повреждений и климатических воздействий и воспринимают
сжимающие и растягивающие напряжения, возникающие при
изгибе плиты. Металлические обшивки являются также гидро­
пароизоляционными слоями. Асбестоцементные обшивки при
малых уклонах кровли не обеспечивают надежную гидроизоля­
цию покрытия.
Средний слой сплошных трехслойных плит изготовляют глав­
ным образом из пенопластов. Наиболее эффективно применение
пенополиуретана или пенополистирола, вспениваемого из гра­
нул непосредственно в процессе их изготовления. Можно также
изготовлять средний слой из заранее изготовленных пенопласто­
вых плит, но этот процесс более трудоемок.
Средний основной звуко- и теплоизоляционный слой является
связующим элементом между обшивками, воспринимает скалы­
вающие напряжения, возникающие при изгибе плиты, обеспечи­
вает совместно с клеем устойчивую работу тонкой сжатой обшив­
ки и воспринимает вместе с ней местные сосредоточенные на­
грузки.
Сплошные трехслойные плиты с алюминиевыми обшивками
имеют наименьшую поверхностную плотность, не превышающую
20 кг/м2. Они выполняют одновременно несущие и ограждающие
функции и не требуют дополнительной укладки рулонного ковра.
Эти плиты несколько дороже, чем железобетонные, а алюминий
и пенопласт более дефицитны. Однако трудоемкость и стоимость
их транспортирования и монтажа значительно ниже и они оказы­
вают меньшее давление на нижележащие конструкции, чем же­
108
лезобетонные на фундаменты и основания. Благодаря этому такие
плиты наиболее эффективны в зданиях, возводимых в отдален­
ных северных, труднодоступных и сейсмических районах, куда их
можно доставлять даже воздушным транспортом.
Сплошные трехслойные плиты с обшивками из асбестоцемен­
та имеют значительную поверхностную плотность до 70 кг/м2 и
требуют укладки рулонного кровельного ковра, однако стоимость
их ниже, чем с алюминиевыми обшивками, и асбестоцемент ме­
нее дефицитен, поэтому их применение перспективно во многих
районах страны.
Работа и расчет сплошных трехслойных плит. Расчетной схе­
мой трехслойной сплошной плиты является шарнирно опертая
балка. Она может быть однопролетной, двух- и трехпролетной не­
разрезной, нагруженной равномерной нагрузкой от собственного
веса и веса снега. Учитывается также временная сосредоточенная
нагрузка от веса человека с грузом, расчетное значение которой
Р= 1,2 кН. От равномерной нагрузки в сечениях плиты возникают
изгибающие моменты, максимальное значение которых при однои двухпролетной схемах вычисляется по формуле М = ql2/8. Мак­
симальные поперечные силы, возникающие в однопролетной пли­
те, Q = ql/2, в двухпролетной Q = 5ql/S.
Прочность и жесткость обшивок трехслойных плит значитель­
но выше, чем у среднего пенопластового слоя, поэтому основная
часть нормальных напряжений растяжения и сжатия возникает в
обшивках. Скалывающие напряжения в плитах, как правило, от­
носительно малы и их может воспринимать средний слой, проч­
ность которого при скалывании достаточна. Прочность клеевых
соединений, работающих на скалывание и обеспечение устойчи­
вости обшивок, тоже достаточна.
Разрушение плит с тонкими плоскими и прочными алюмини­
евыми обшивками происходит, как правило, от местной потери
устойчивости сжатой обшивки в зоне действия максимального
изгибающего момента. Обшивка отрывается в этом месте от пено­
пластового среднего слоя, который разрывается, образует склад­
ку и плита в целом теряет несущую способность.
Плиты с гофрированными алюминиевыми, фанерными и ас­
бестоцементными обшивками при высоте гофра не менее 5 мм
разрушаются обычно от разрыва пенопластового среднего слоя у
опор в зоне действия максимальных поперечных сил. При этом
возникает разрыв в пенопласте, направленный под углом к гори­
зонтали, и плита теряет несущую способность.
Разрушение плит с менее прочными асбестоцементными об­
шивками может происходить также от разрыва нижних растяну­
тых обшивок в середине пролета в зоне действия максимальных
изгибающих моментов. При этом разрывается и пенопласт, а пли­
та теряет несущую способность.
109
Расчет сплошных трехслойных плит производят на изгиб с ис­
пользованием общих формул строительной механики с учетом
особенностей работы обшивок и внутренних слоев. Поскольку
прочность обшивок велика, можно считать, что все нормальные
напряжения ст от растяжения и сжатия воспринимаются только
обшивками, и работу среднего слоя на эти напряжения можно не
учитывать. Также можно не учитывать работу относительно тон­
ких обшивок на скалывание и считать, что все скалывающие на­
пряжения т воспринимаются только средним слоем. Можно пре­
небречь также собственной жесткостью тонких обшивок и счи­
тать, что нормальные напряжения по их толщине распределяются
равномерно. При этом плечо пары внутренних сил Л0 равно рас­
стоянию между осями обшивок толщиной 6; Л0 = А- 5 и внутрен­
ние нормальные силы сжатия Ncx и растяжения jYp будут равны
Ncx = N P = M/h0.
Геометрические характеристики сечения сплошной трехслой­
ной плиты толщиной h и шириной Ь с обшивками толщиной 8
могут с достаточной точностью определяться с учетом особенно­
стей ее работы и допущения, что нормальные напряжения посто­
янны по толщине обшивок, по формулам:
момент инерции
/ = Ш § / 2;
момент сопротивления
W = Ш 0;
(4.4)
момент статический
S=b 5h 0/ 2.
Геометрические характеристики плит с крупногофрированными обшивками следует определять с учетом того, что длина гофра
больше расчетной ширины плиты. При мелком гофре этим (в не­
большой запас прочности) можно пренебрегать.
Расчет сплошных трехслойных плит производят по формулам
(2.7).
Прочность и устойчивость сжатой тонкой плоской алюминие­
вой обшивки и прочность ее соединения со средним слоем прове­
ряют по формуле
а = M/($W) < Д.,
(4.5)
где ф — коэффициент устойчивости сжатой обшивки, принимае­
мый меньшим из двух: ф, — из условия устойчивости обшивки и
Ф2 — из условия прочности соединения обшивки со средним сло­
ем из пенопласта. Методика определения этих коэффициентов
указана в Рекомендациях*.
* Рекомендации по проектированию и расчету конструкций с применением
пластмасс. - М.: ЦНИИСК, 1969.
110
Для плит с обшивками из фанеры, асбестоцемента и гофриро­
ванных алюминиевых листов основной является проверка средне­
го пенопластового слоя на скалывание. При этом, например, рас­
четное сопротивление пенополиуретана с плотностью 60 кг/м3при
скалывании R<.K= 0,025 МПа. Для плит с асбестоцементными об­
шивками необходима проверка растянутой обшивки на растяже­
ние. При этом расчетное сопротивление плоских асбестоцемент­
ных листов марки М-250 при растяжении Rp = 4,2 МПа.
Для плит с тонкими плоскими алюминиевыми обшивками ос­
новной является проверка прочности и устойчивости сжатой об­
шивки по формуле (4.5). В этом случае принимается А0 = h и рас­
четное сопротивление алюминия марки АМГ-2П R = 150 МПа.
Проверку трехслойных плит по прогибам производят на нор­
мативные нагрузки по формуле, аналогичной формуле прогиба
изгибаемых стержней:
f / l = (5/384)[дн13К/(El)] < [f/l] = 1/125,
(4.6)
где К — коэффициент сдвиговой податливости, учитывающий
дополнительный прогиб плиты в результате деформаций сдвига
среднего слоя: К = 1 + 9,6EI/[G(h0 + 8)Ы2], где Е = 71 • 103 МПа —
модуль упругости алюминия обшивок; G = 7 МПа — модуль сдви­
га пенопласта среднего слоя.
Плита с металлическими обшивками должна быть также про­
верена с учетом дополнительных напряжений и прогибов, вызы­
ваемых разницей между температурами наружного и внутреннего
воздуха в помещениях в наиболее холодное и жаркое время года.
В холодное время года температура наружной обшивки понижает­
ся до температуры наружного воздуха, в то время как в отапливае­
мых помещениях она меняется незначительно. При этом длина
верхней обшивки сокращается, плита получает дополнительный
прогиб и в ее сечениях возникают дополнительные нормальные и
скалывающие напряжения. В особо жаркое время года в результате
солнечного нагрева температура верхней обшивки может значи­
тельно превысить температуру нижней. В этом случае могут воз­
никнуть обратный выгиб и напряжения плиты с обратным зна­
ком по отношению к напряжениям от собственного веса.
Прогиб от перепада температур между внутренней и внешней
обшивками определяют по формуле
f , = /2а(/, - /2)/(8000Л0),
где / — пролет плиты, м; а = 0,023 — коэффициент линейного
расширения алюминия; tu t2 — температуры внутренней и наруж­
ной обшивки, °С; Л0 — высота плиты, м.
Значение прогиба в холодное время года суммируют со значе­
нием прогиба от нагрузки, которое определяется по формуле (4.6)
с заменой величины /3 на / 4. Полный прогиб при этом будетf = f q+
+ f, и относительный —f / l < [f/l] < 1/125.
Ill
Прочность плоской металлической верхней обшивки следует
также проверять на действие местной сосредоточенной нагрузки
от людей с грузом Р = 1,2 кН на площади 10х 10 см.
Ребристые трехслойные плиты (рис. 4.6) имеют длину до 6 м,
ширину до 1,5 м и их можно устанавливать на основные несущие
конструкции стандартных каркасов производственных зданий, од­
нако они более трудоемки при изготовлении.
Ребристые плиты имеют такие же тонкие и прочные обшивки
и пенопластовый средний слой, как и сплошные трехслойные
плиты. Для повышения прочности и уменьшения деформативности в их среднем слое предусматривают жесткие ребра. Эти ребра,
как правило, являются обрамляющими и располагаются по боко­
вым кромкам плиты. Однако возможны и промежуточные допол­
нительные ребра.
При асбестоцементных обшивках ребра выполняют из асбесто­
цементных гнутых швеллеров. При металлических алюминиевых
обшивках ребра обрамления имеют составное сечение. Они пред­
ставляют собой два алюминиевых уголка, соединенных с обшив­
ками и стенами из низкотеплопроводного материала, например
из бакелизированной фанеры, которая препятствует возникнове­
нию мостиков холода в зимнее время года.
Расчетной схемой ребристых плит является однопролетная
шарнирно опертая балка. Основными несущими элементами яв­
ляются обшивки, работающие совместно с ребрами, образующи­
ми условно коробчатое сечение. Они воспринимают полностью и
нормальные, и касательные напряжения, возникающие от дей­
ствия изгибающих моментов и поперечных сил.
Геометрические характеристики расчетного сечения ребристой
плиты: момент инерции I, момент сопротивления W, статичеО
1
2
3
4
6
6
Рис. 4.6. Ребристые трехслойные пластмассовые плиты (разрезы):
а — с алюминиевыми обшивками; б — с асбестоцементными обшивками; в —
расчетные схемы; 1 — пенопласт; 2 — гофрированный алюминиевый лист; 3 —
плоский алюминиевый лист; 4 — алюминиевые уголки; 5 — бакелизированная
фанера; 6 — асбестоцемент плоский; 7 — асбестоцементный швеллер
112
ский момент S определяются общими методами строительной ме­
ханики. В алюминиевых ребристых плитах эти характеристики яв­
ляются приведенными к материалу обшивок и уголков ребер —
алюминию. Стенки ребер из менее прочного материала учитыва­
ются понижающим коэффициентом, равным отношению модуля
упругости, например фанеры, к модулю упругости алюминия.
Средний пенопластовый слой в ребристых плитах в этом рас­
чете не учитывается, поэтому его обычно делают с пустотами. Он
только обеспечивает устойчивую работу сжатой обшивки и вос­
принимает давление сосредоточенных грузов.
Стыки трехслойных плит между собой должны обеспечивать
совместное перемещение двух смежных панелей в случаях, когда
они неодинаково нагружены. Такое перемещение обеспечивается
предусмотренными заранее соединительными элементами, рас­
полагаемыми не реже чем через 2,0 м, но не менее двух элементов
вдоль каждого продольного стыка плит. Для обеспечения влагонепроницаемости стыков металлических обшивок применяют свар­
ное или фланцевое соединение. По плитам с асбестоцементными
обшивками устраивают рулонную гидроизоляцию обычного типа.
Крепление плит к несущим конструкциям можно осуществ­
лять с помощью стальных элементов, захватывающих плиту за
обрамляющее ребро (или средний слой) и притягивающих ее с
помощью болта к элементам каркаса. Если ребро панели выше
толщины трехслойного пакета, то крепить к несущим конструк­
циям можно выступающую внутрь здания часть ребра.
Пример 4.3. Подобрать и проверить сечение трехслойной плиты по­
крытия из плоских асбестоцементных листов и пенопласта. Плита дли­
ной L = 2,95 м и шириной b = 1 м опирается концами на основные
несущие конструкции покрытия. На плиту нормально к ее поверхности
действуют равномерные нагрузки от собственного веса и веса снега: нор­
мативная нагрузка ф = 1,8 кН/м = 0,0018 МН/м; расчетная нагрузка q =
= 2,7 кН/м.
Р е ш е н и е . Статическая схема плиты — однопролетная шарнирно
опертая балка пролетом по осям опирания / = L - 0,05 = 2,95 - 0,05 =
= 2,9 м.
Расчетные максимальные усилия в плите — изгибающий момент и
поперечная сила: М = ql 2/ 8 = 2,7-2,92/8 = 2,84 кН-м = 0,00284 МН-м; Q =
= ql/ 2 = 2,7-2,9/2 = 3,9 кН = 0,0039 МН.
Принимаем для обшивок плоские листы из асбестоцемента марки
М250 толщиной 8 = 1 см. Его расчетное сопротивление растяжению Rp =
= 4,2 МПа и модуль упругости Е = 6250 МПа. Для среднего слоя прини­
маем пенопласт пенополиуретан марки ППУ-60 с плотностью 60 кг/м3,
расчетным сопротивлением скалыванию Я^к = 0,025 МПа и модулем сдвига
G = 7 МПа.
Требуемая высота сечения плиты между осями обшивок из условия
расчетного сопротивления пенопласта скалыванию Аотр = Q/(bR<.K) =
= 0,0039/(1 0,025) = 0,156 м = 15,6 см.
113
Принимаем плиту с общей высотой сечения И = 17 см, тогда h0 = h - 5 = 17 - 1 = 16 см.
Геометрические характеристики сечения плиты — моменты инерции,
сопротивления и статический — определяются по формулам / = bbhl/2 =
= 1-0,01-0,162/2 = 0,000128 м4; W = ЬЩ = 1-0,01-0,16 = 0,0016 м3; £ =
= Ш 0/ 2 = 1 *0,01 -0,16/2 = 0,0008 м3.
Проверка растягивающих напряжений в нижней обшивке: а = M /W =
= 0,00284/0,0016 = 1,78 МПа < Лр.
Проверка скалывающих напряжений в среднем слое: т = Q S/(Ib) =
= 0,0039-0,0008/(0,000128-1) = 0,024 МПа < Д.к.
Проверка прогиба плиты от нормативной нагрузки: qH= 0,0018 МН/м.
Коэффициент сдвиговой податливости среднего пенопластового слоя
9 ,6 £ /
+ (?(/% + 8)Ы2
9,6*6250 0,000128
+ 7(0,16 + 0 ,0 1)1 -2,92
’
'
Относительный прогибf / l = (5/384)[qHl 3K/(EI)] = (5/384) [0,0018*2,93х
x l , 77/(6250*0,000128)] = 1/790 < / / / = 1/225.
Проверка сжимающих напряжений в верхней обшивке не требуется,
так как расчетное сопротивление асбестоцемента сжатию выше, чем ра­
стяжению.
Пример 4.4. Подобрать и проверить сечение сплошной трехслойной
плиты из гофрированных алюминиевых листов и пенопласта.
Плита длиной L = 2,95 м и шириной b - 1м опирается на прогоны
покрытия. На плиту нормальной к ее поверхности действуют нагрузки от
собственного веса и веса снега следующих величин: нормативная на­
грузка q н = 1,1 кН/м = 0,0011 МН/м; расчетная нагрузка q - 1,7 кН/м.
Нормативные температуры в помещении под плитами tx= +18 °С. На­
ружная температура зимой t2 = - 5 °С.
Р е ш е н и е . Статическая схема плиты — однопролетная шарнирно
опертая балка пролетом / = L - 0,05 = 2,95 - 0,05 = 2,9 м.
Расчетные максимальные усилия в плите — изгибающий момент М и
поперечная сила Q \ M - ql2/8 = 1,7-2,92/8 = 1,8 кН-м = 0,0018 МН-м; Q =
= ql/2 = 1,7*2,9/2 = 2,5 кН = 0,0025 МН.
Принимаем для обшивок алюминиевые листы из металла марки
АМг-2П с размерами: толщина 5 = 1 мм, шаг волны Ьв = 5 мм, длина
волны /в = 30 мм, ширина полки Ьп = 10 мм, угол наклона волн а = 45°,
расчетное сопротивление алюминия R = 125 МПа, модуль упругости Е =
= 71 000 МПа, коэффициент линейного расширения а = 2 3 -10"6.
Принимаем для среднего слоя пенополиуретан марки ППУ-60 с плот­
ностью 60 кг/м3, расчетным сопротивлением скалыванию ^ = 0,025 МПа
и модулем сдвига G = 7 МПа.
Требуемая приближенная высота сечения плиты из условия рас­
четного сопротивления пенопласта скалыванию Лотр = Q /(bR CK) =
= 0,0025/(1-0,025) = 0,1 м = 10 см.
Принимаем Л0 = 10,5 см, b = 1 м. Тогда полная высота сечения h = h0 +
+ 5 = 10,5 + 0,1= 10,6 см. Толщина листа обшивки 5 = 1 мм. Длина гофра
более 1 м не учитывается в небольшой запас прочности.
114
Геометрические характеристики сечения плиты — моменты инерции
/, сопротивления W и статический момент S: 1= bbhl/2 = 1 -0,001 -0,1052/ 2 =
= 5 6 0 - 10-8 м4; W = bbh0 = 1-0,001 0,106 = 1 0 6 - 10'6 м3; S = ЬЪИУ2 =
= 1 -0,001 -0 ,1 0 6 2/ 2 = 5 6 - 10“7 м3.
Проверка сжимающих и растягивающих напряжений в обшивке при
изгибе: а = M / W = 0,0018/(105-10‘6) = 17,2 МПа < /^ = 125 МПа.
Учет дополнительных напряжений от температурных деформаций не
требуется ввиду большого недонапряжения обшивок.
Проверка скалывающих напряжений в среднем слое: т = QS/(Ib) =
= 0,0025-56-10-7(560-10'8- 1) = 0,0025 МПа < R^.
Проверка прогиба плиты. Коэффициент сдвиговой податливости сред­
него пенопластового слоя ^ = 1 + 9,6 EI/(Gh0bl2) = 1 + 9,6-71 000-560-10'8/
/(7-0,106-1-2,92) = 1,61.
Прогиб от нормативной нагрузки qH= 0,0011 МН/м: f q = (5/384) [qHl*K/
/ ( El ) ] = (5/384)[0,0011-2,94*1,61/(71 000-560-10"8)] = 0,0041 м = 0,41 см.
Прогиб от суммы температур обшивок /, = l 2a(t\ + /2)/(8000Л0) =
= 2,92-23-10_3( 18 + 5)/(8000•0,105) = 0,0053 м = 0,53 см.
Полный и относительный прогибы: f = f q + f = 0,41 + 0,53 = 0,93 см;
/ / / = 0,94/290 = 1/309 < [///] = 1/225.
Прозрачные настилы и стены из пластмасс выполняют из про­
зрачных и полупрозрачных пластмасс — полиэфирного стекло­
пластика на основе рубленых стекловолокон, органического стекла
и винипласта в виде волокнистых листов и трехслойных плит
(рис. 4.7). Эти конструкции имеют ряд преимуществ по сравнению
с фонарями и окнами из стекла. Они не разбиваются от ударов,
как стеклянные, обеспечивают равномерное, без бликов, осве­
щение помещения, не требуют переплетов и фонарных надстроек
и обеспечивают меньшие теплопотери. Они более долговечны, чем
стеклянные, однако стоимость их выше.
2
Рис. 4.7. Прозрачные пластмассовые настилы:
а — волнистые листы; б — плоская плита; 1 — волнистые стеклопластиковые
листы; 2 — крепления; 3 — деревянные прогоны; 4 — плоские стеклопластико­
вые листы; 5 — деревянные бруски
115
Прозрачные волнистые листы из стеклопластика могут быть бес­
цветными и окрашенными в любой цвет, размеры их волн увяза­
ны с размерами волн волнистых алюминиевых и асбестоцемент­
ных листов, для того чтобы обеспечить их совместное примене­
ние. Толщина листов 5 = 1,5 —2,5 мм, шаг волн Ьв = 60 —200 мм,
высота волн по осям листа Ав= 14—54 мм. Волнистые листы — это
готовые элементы неутепленных скатных прозрачных покрытий
зданий, а также прозрачных участков покрытий и стен из волни­
стых алюминиевых или асбестоцементных листов. Из них также
могут устраиваться прозрачные скатные крыши над утепленными
чердачными перекрытиями.
Волнистые листы укладывают в покрытиях вдоль ската на де­
ревянные или стальные прогоны с уклоном не менее 1:10 и кре­
пят к ним болтами или хомутами, как и асбестоцементные. Сты­
куют их внахлестку длиной не менее 20 см. Эти листы имеют не­
высокую прочность и жесткость, поэтому шаг прогонов не дол­
жен превышать 1,5 м, а каждый лист должен опираться на два
прогона или более, что значительно уменьшает их прогибы.
Волнистые прозрачные листы работают и рассчитываются на
изгиб от равномерной нагрузки от собственного веса и веса снега,
как одно- или двухпролетные шарнирно опертые балки.
Геометрические характеристики сечений волнистых листов удоб­
но определять при расчетной ширине b = 1 м по следующим фор­
мулам:
расчетное число волн пв = Ь/Ьв,
момент инерции сечения /= 0,15лвАв6вйв[1 + я2Ав/(86в)];
момент сопротивления W = 21/(hB+ 5В).
Проверка несущей способности и устойчивости волнистых ли­
стов при изгибе
а = М /(Фв^ ) ,
(4.7)
где М = ql 2/ 8 — изгибающий момент при одно- и двухпролетной
схемах работы; фв — коэффициент устойчивости листа при изгибе;
( Е / Я , ) 1.928А
<4Ai + *|)
'
(4'5)
Проверка несущей способности листа при скалывании
(4.9)
2лвЛц5в
где Q = ql/2 — поперечная сила при однопролетной и Q = 5ql/8
при двухпролетной схеме.
Проверка прогиба двухпролетного листа
///= (2,13/384)[<7н/7 (£ /)] < [///] = 1/75.
x = — ^ — <R CK,
116
При проверке прогиба однопролетной плиты значение коэф­
фициента 2,13 заменяется на 5.
Ребрист ые прозрачные плиты состоят из двойных обшивок и
средних ребристых слоев. Они могут считаться тоже трехслойны­
ми. Верхняя и нижняя обшивки плиты состоят из плоских про­
зрачных стеклопластиковых листов. Средний слой плиты может
иметь различную конструкцию — волнистый стеклопластиковый
лист или ряд стеклопластиковых полос, швеллеров или двутавров
из этого же материала. Средним слоем могут служить также ряды
тонких досок и фанерных полос. Обшивки и средний слой таких
плит соединяются синтетическими клеями.
Ребристые прозрачные плиты имеют замкнутые воздушные
полости. Благодаря этому у них увеличиваются теплоизоляцион­
ные свойства, сравнимые со свойствами двойных стеклянных ог­
раждений. Их могут применять в покрытиях и стенах отапливае­
мых зданий. Длина ребристых прозрачных плит достигает 3 м. Они
могут опираться на прогоны или основные несущие конструкции
покрытий или на соседние железобетонные плиты, образуя про­
зрачные участки настила или стены. Такие плиты работают на из­
гиб от расчетных нагрузок при расчетной схеме одно- или двух­
пролетной балки.
Сечение ребристой прозрачной плиты считается условно дву­
тавровым со стенкой из совмещенных по ширине ребер. Если об­
шивки и ребра состоят из разнотипных материалов, то при опре­
делении их геометрических характеристик следует учитывать раз­
личные модули упругости, как это делается при расчете ребри­
стых трехслойных плит.
Верхнюю обшивку этих плит проверяют при расчете по несу­
щей способности при сжатии и устойчивости при изгибе, ниж­
нюю обшивку — по несущей способности при растяжении при
изгибе, ребра среднего слоя — по несущей способности при ска­
лывании.
Пример 4.5. Подобрать и проверить сечение навеса из волнистых лис­
тов прозрачного стеклопластика. Листы имеют длину L = 2,2 м, ширину
b = 1 м и укладываются на деревянные прогоны с шагом / = 1 м. На
настил действует равномерная снеговая нагрузка: нормативная s H =
= 1 кН/м = 0,001 МН/м; расчетная s = 1,6 кН/м. Собственным весом
настила ввиду его малости можно пренебречь.
Р е ш е н и е . Расчетная схема настила — двухпролетная шарнирно опер­
тая неразрезная балка с пролетами / = 1 м.
Расчетные максимальные усилия в листе — изгибающий момент М и
поперечная сила Q в сечении над средней опорой: М = ql2/S = 1,6-12/8 =
= 0,2 к Н м = 0,0002 МН-м; Q=5ql / & = 5 - 1 ,6 -1 /8 = 1 кН = 0,001 МН.
Принимаем листы волнистого прозрачного стеклопластика толщи­
ной 5 = 2 мм с шагом волн Ьв = 20 см и высотой волн йв = 5,4 см. Число
волн на ширине bB= 1 м пв = Ь/Ьв = 100/20 = 5.
117
Расчетное сопротивление стеклопластика изгибу и скалыванию в ат­
мосферных условиях Ки = 15-0,75 = 11,25 МПа; ^ = 9 0,75 = 6,75 МПа.
Модуль упругости Е - 3000-0,65 = 1950 МПа.
Моменты инерции и сопротивления сечения листа: / = 0,15лв£в5вАв[1 +
+ n2h \ / ( U 2)] = 0,15-5-20-0,2-5,42[1 + 3,142-5,42/(8 -2 0 2)] = 95,3 см4 =
= 95,3-10-8 м4, W = 2l/(h B+ 5) = 2*95,3* 10~8/(5,4 + 0,2) = 34 см3 = 3 4 -10"6 м3.
К оэффициент устойчивости листа при изгибе срв = (E/RH)[ 1,955вЛв/(4/г2+
+ Ь2В)] = (1950/11,25)[1,9 5 -0 ,2 -5 ,4 /(4 -5 ,4 2 + 202)] = 0,7.
Проверка несущей способности и устойчивости листа при изгибе: а =
= М/срвИО = 0,0002/(0,7-34-10"6) = 8,4 МПа < Ли.
Проверка несущей способности листа при скалывании: т = (?/(2лвЛв8) =
= 0,001/(2-5-0,054-0,002) = 0,9 МПа < Л^.
Проверка прогиба листа от нормативной нагрузки s H= 0,001 МН/м:
/ / / = ( 2 ,1 3 /3 8 4 ) [ 5 н/ 3/ ( £ / ) ] = ( 2 ,1 3 /3 8 4 ) [0,001 - 13/ ( 1 9 5 0 - 9 5 , 3 - 10*8)] =
= 1/335 < \f/H = 1/75.
Вопросы для самопроверки
1. Что такое дощатые настилы, каковы их назначение и основные
преимущества?
2. Какую конструкцию имеет двойной перекрестный дощатый настил
и каково назначение его элементов?
3. Как работает и рассчитывается дощатый разреженный настил —
обрешетка?
4. Как работает и рассчитывается дощатый двойной перекрестный
настил?
5. Что такое клеефанерные настилы, каковы их назначение и преиму­
щества?
6. Какие существуют типы клеефанерных плит и каково их назначе­
ние?
7. Как работают и рассчитываются клеефанерные плиты каждого типа?
8. Какие проверки производят при расчете клеефанерных плит каждо­
го типа?
9. Что такое трехслойные пластмассовые настилы, каковы их преиму­
щества и области применения?
10. Какую конструкцию имеют сплошные трехслойные плиты и како­
во назначение их слоев?
11. Как работают и рассчитываются сплошные трехслойные плиты с
асбестоцементными обшивками?
12. Как работают и рассчитываются сплошные трехслойные плиты с
обшивками из плоских алюминиевых листов?
13. Как работают и рассчитываются сплошные трехслойные плиты с
обшивками из гофрированных алюминиевых листов?
ГЛАВА 5
ДЕРЕВЯННЫЕ БАЛКИ И СТОЙКИ
5.1. Деревянные балки
Цельнодеревянные балки представляют собой отдельные бру­
сья, толстые доски, устанавливаемые на кромки, и окантован­
ные бревна, имеющие необходимые сечения и длины. Их основ­
ные преимущества — малая трудоемкость изготовления и относи­
тельно низкая стоимость по сравнению с прочими деревянными
конструкциями. Ввиду ограниченности сечений и длин лесомате­
риалов цельнодеревянные балки применяют при пролетах, не
превышающих 6 м, и при относительно небольших нагрузках. Де­
ревянные балки используют в качестве несущих конструкций на­
стилов покрытий, междуэтажных перекрытий, рабочих площадок
платформ и в других деревянных конструкциях.
Балки покрытий применяют в зданиях с шириной помещений
не более 6 м. Их устанавливают наклонно вдоль скатов кровли с
шагом не более 3 м, опирая на стены и стропильные конструкции
покрытий. Деревянные балки покрытий работают и рассчитыва­
ются на изгиб как однопролетные балки, шарнирно опертые на
опоры разной высоты. При расчете таких балок удобно за длину
пролета / принимать проекцию расстояния между их опорами L.
При угле наклона ската покрытия а этот пролет будет равен / =
= Lcosa.
Нагрузка на балку покрытия обычно является равномерно рас­
пределенной. Эта нагрузка состоит из постоянной нагрузки g от
собственного веса всех элементов покрытия и снеговой нагрузки s.
Постоянную нагрузку удобно относить к горизонтальной проек­
ции покрытия с целью ее унификации со снеговой. Для этого ее
значение должно быть поделено на косинус угла наклона покры­
тия а.
При шаге балок В нагрузку на балку определяют из выражения
q = (g/cos a + s)B. От этой нагрузки в сечениях балки возникает
максимальный изгибающий момент М= ql2/8, а также небольшая
продольная сила N. Эта сила является сжимающей, если нижняя
опора шарнирно неподвижна, и растягивающей, если шарнирно
неподвижной является верхняя опора. При уклонах покрытий, не
119
превышающих / < 1/4, эти продольные силы настолько малы, что
почти не влияют на несущую способность балок и поэтому при
расчете не учитываются.
Проверку несущей способности балок по нормальным напря­
жениям при изгибе, подбор сечений и проверку прогиба прово­
дят по формулам расчета изгибаемых элементов (2.7) и (2.8).
Цельнодеревянные балки в основном не требуют проверки ска­
лывающих напряжений ввиду их незначительной величины. При
их расчете по прогибам нет необходимости учитывать прогиб от
скалывающих напряжений ввиду его малости и проверять устой­
чивость плоской формы деформирования, которая, как правило,
бывает обеспечена.
Однопролетные прогоны являются несущими конструкциями
скатных покрытий. Они представляют собой горизонтальные ряды
брусьев или бревен, расположенные вдоль скатов покрытия и
опертые на верхние кромки основных несущих конструкций по­
крытия торцовых и поперечных стен здания, наклонные под уг­
лом к горизонту.
Прогоны соединяются между собой по длине с помощью ко­
сого прируба или дощатых накладов и болтов (рис. 5.1). К опорам
прогоны крепят посредством бобышек — коротких отрезков тол­
стых досок или стальных уголковых коротышей и гвоздей или вин­
тов. Эти крепления препятствуют сползанию прогонов вниз по
скату опор.
Однопролетные прогоны работают и рассчитываются на изгиб
как однопролетные шарнирно опертые балки, оси сечений кото­
рых расположены наклонно к горизонтальной плоскости. Прого­
ны, не закрепленные в настиле от изгиба в плоскости скатов по-
Рис. 5.1. Брусчатые прогоны покрытий:
а — прогоны; б — расчетные схемы; / — брусья; 2 — стыки; 3 — болты; 4 —
основные несущие конструкции; 5 — бобышки; 6 — гвозди
120
крытия, работают и рассчитываются на косой изгиб как горизон­
тальные однопролетные шарнирно опертые балки пролетом /,
равным шагу основных несущих конструкций. Нагрузка на прого­
ны является, как правило, равномерно распределенной и состоит
из собственного веса всех элементов покрытия, отнесенного к
горизонтальной проекции покрытия, и веса снега s. При шаге
прогонов В эта нагрузка составляет q = (g/cosa + s)B. Максималь­
ный изгибающий момент М возникает в середине пролета прого­
на и определяется по формуле М= ql2/S. Этот изгибающий момент
делится геометрически на нормальную и скатную составляющие,
перпендикулярную и параллельную плоскости ската: Мх = М cos a
и Му = Л/sin а.
Проверку несущей способности такого прогона по нормальным
напряжениям и проверку прогиба производят по формулам (2.9) и
(2.10). Порядок расчета косоизгибаемого прогона приведен в при­
мере 5.1. Косой изгиб существенно увеличивает требуемые размеры
сечений прогонов, поэтому в некоторых случаях прогоны объеди­
няют в решетчатые щиты, соединенные дощатыми раскосами и
стойками. При этом прогоны в направлении скатов покрытия и
соответственно скатные составляющие изгибающих моментов и
размеры сечений прогонов существенно уменьшаются.
Крепление прогонов к основным несущим конструкциям рас­
считывают на действие скатных составляющих опорных давлений
Ry. При нагрузке на прогон q, пролете / и угле наклона покрытия
а составляющая опорного давления двух прогонов Ry = ql sin а. Если
прогоны закреплены в настиле покрытия от изгиба в плоскости
его скатов, они работают и рассчитываются на изгиб только в
плоскости, нормальной к плоскости скатов. Этот расчет произво­
дят так же, как и изгибаемых элементов на нормальные составля­
ющие нагрузок от собственного веса и веса снега.
Пример 5.1. Подобрать и проверить сечение однопролетного брусча­
того прогона из древесины 2-го сорта. Прогон расположен поперек ска­
тов покрытия, имеющего уклон / = 1:4, и опирается на основные несу­
щие конструкции, поставленные с шагом В = 4 м. На прогон действуют
изгибающие нагрузки от собственного веса покрытия и веса снега: нор­
мативная q H= 0,8 кН/м; расчетная q = 1,3 кН/м.
Р е ш е н и е . Расчетная схема работы прогона — однопролетная шар­
нирно опертая балка пролетом / = 4 м, работающая на косой изгиб при
наклоне горизонтальной оси сечения a = 14°; cosa = 0,97; sina= 0,24; tga =
= 0,25.
Подбираем сечения по несущей способности при изгибе.
Изгибающий момент М = q l 1/ 8 = 1,3 -42/8 = 2,6 кН -м.
Нормальная и скатная составляющие момента: Мх = Mcosa= 2,6 0,97 =
= 2,52 кН м = 2,52-10-3 МН м; Му = Msina = 2,6 0,24 = 0,62 кН м =
= 0,62-10-3 МН м.
Принимаем сечение прогона bxh = 10x12,5 см.
121
Моменты сопротивления сечения относительно осей (х — параллель­
ной н у — перпендикулярной скату): Wx = bh2/ 6 = 10-12,52/6 = 260 см3 =
= 260-10'6 м3; Wy = hb2/ 6 = 12,5-102/6 = 208 см3 = 208-10’6 м3.
Расчетное сопротивление древесины изгибу Rn = 13 МПа. Напря­
жение с = Mx/W x + MyIW y = 2,52 • 10'3/260 • 10'6 + 0,62 • 10'3/208 • 10'6 =
= 12,8 МПа < R„.
Проверка прогиба прогона.
Составляющие нормативной нагрузки: q" = <7Hcosa = 0,8-0,97 =
= 0,78 кН/м = 0,78• 10-3 МН/м; q" = ?Hsincc = 0,8-0,24 = 0,19 кН/м =
= 0,19-10~3 МН/м.
Модуль упругости древесины Е = Ю4 МПа.
Моменты инерции сечения: Ix = bh3/ l 2 = 10-12,53/1 2 = 1630 см4 =
= 1630-10-8 мц ; Iy = hb >/12 = 12,5* 103/12 = 1040 см4 = 1040-10-8 м4.
Составляющие прогиба: f x = (5/384)q"l4/(E Ix) = (5/384)0,78-10-3•44/
/(10М 630-10-8) = 0,015 м; f y = (5/384)qH
/ / ( E I y) = (5/384)0,19-10"3-44/
/(104- 1040-10'8) = 0,0025 м = 0,25 см.
Полный относительный прогиб / / / = ^ f 2 + f 2j l = \jh 52 + 0,252/ 4 =
= 1/263 < [///] = 1/200.
Дощато-гвоздевые спаренные прогоны (рис. 5.2) являются мно­
гопролетными неразрезными. Они состоят из двух рядов досок
толщиной не менее 4 см, соединенных пластями с помощью гвоз­
дей. Крайние пролеты этих прогонов, включая сечение над второй
опорой, где действуют большие, чем в среднем, изгибающие мо­
менты, усиливаются третьей доской. Они устанавливаются в скат­
ных покрытиях поперек скатов с шагом не более 1,5 м и опирают­
ся на наклонные верхние кромки основных несущих конструкций
и поперечных стен зданий так же, как и однопролетные брусча­
тые прогоны. Прогоны крепятся к опорам от перемещений вниз
по скатам покрытий.
Концы досок каждого ряда соединяются гвоздевыми расчет­
ными стыками. Стыки соседних рядов досок располагаются по
длине прогона вразбежку на расстояниях, равных 1/5 длин проле­
тов от опор там, где изгибающие моменты имеют значения, близ­
кие к нулевым. При этом накладкой в каждом стыке является со­
седняя цельная доска. Между стыками соседние доски соединяют­
ся гвоздями через каждые 0,5 м.
Дощато-гвоздевые прогоны применяют только в сочетании с
настилами, например перекрестными, воспринимающими скат­
ные составляющие нагрузок и предупреждающими возникнове­
ние косого изгиба, на который эти прогоны работают ненадежно.
Дощато-гвоздевые прогоны требуют меньшего расхода древеси­
ны, чем брусчатые, но их изготовление более трудоемко.
Дощато-гвоздевые спаренные прогоны работают и рассчиты­
ваются на изгиб от действия только нормальных к скату покрытия
равномерно распределенных нагрузок от собственного веса всех
элементов покрытия g и веса снега s. При шаге прогонов В и угле
122
“ ЕЙТ
тй г
т й :— 1
Ат,
т
лм*
"^дг-
Трг
1
V
-Г П
1
-
1
Qx - (g + s) В cos2a
шмимпмш jt f l l l l l l l l l l N j IIIIIIIIIIIIIII pill III
Ш , тт
/ тШ
М 2
i Шш
<ki2
XI
Рис. 5.2. Дощато-гвоздевые прогоны покрытий:
а — общий вид; б — стыки; в — расчетная схема; 1 — доски; 2 — гвозди
наклона покрытия а эта нагрузка определяется из выражения q = (g/cos a + 5 )cos2 a.
Расчетной схемой дощато-гвоздевого прогона является гори­
зонтальная многопролетная неразрезная шарнирно опертая балка
с равными пролетами. Максимальные изгибающие моменты в ней
возникают в сечениях над средними опорами, они принимаются
равными М = ql2/ 12 и над вторыми от концов прогона опорами
М\ = ql2/ 10. Подбор сечения и проверку нормальных напряжений
при изгибе производят по максимальному моменту на промежу­
точных опорах с использованием формулы (2.7). Сечение над вто­
рыми от концов опорами усиливается третьей доской, и там, как
правило, возникают напряжения значительно меньшие, чем рас­
четные.
По прогибам от нормативных значений нагрузок qHпроверяют
только первые от концов пролета прогоны, в которых относи­
тельный прогиб является наибольшим. Его проверяют по формуле
/ / / = (2,5/384)<7н/7 ( £ / ) < [///] = 1/200,
где / — момент инерции, определяемый по размерам сечений с
учетом трех досок.
123
Порядок расчета дощато-гвоздевого спаренного прогона при­
веден в примере 5.2.
Пример 5.2. Подобрать и проверить сечения и соединения многопро­
летного неразрезного дощато-гвоздевого прогона из древесины 2-го сор­
та, состоящего из двух слоев досок, скрепленных гвоздями. Прогон уста­
навливается на наклонные верхние кромки основных несущих конст­
рукций покрытия, расстояние между осями которых равно 4,5 м, и зак­
реплен от косого изгиба перекрестным дощатым настилом. Прогон на­
гружен равномерно распределенной нагрузкой, составляющие которой —
нормальные к скату покрытия — имеют значения: нормативная ф = 3 кН/м; расчетная q = 3,8 кН/м.
Р е ш е н и е . Расчетная схема прогона — многопролетная неразрезная
шарнирно опертая балка с пролетами / = 4,5 м.
Подбираем сечения по несущей способности. Изгибающий момент
на средних опорах М= ql 2/ 12 = 3,8 •4,52/12 = 6,4 кН-м = 0,0064 МН м.
Расчетное сопротивление древесины изгибу RK= 13 МПа.
Требуемый момент сопротивления сечения Ww = М/Яи = 0,0064/13 =
= 490* 10~6 м3 = 490 см3. Принимаем две доски толщиной по 5 см.
Требуемая высота сечения
= ^6 W ^/b = ^/490 /(2 • 5) = 17,2 см.
Принимаем сечение из двух досок bxh = 10х 17,5 см2.
Проверяем напряжение изгиба. Момент сопротивления W - bh2/6 =
= 10-17,52/6 = 510 см3 = 0,00051 м3.
Напряжение а = M /W = 0,0064/0,00051 = 12,6 МПа < R„.
Крайние пролеты, включая сечение над второй опорой, где изгибаю­
щий момент больше, увеличиваются за счет третьей доски.
Проверяем максимальный относительный прогиб в крайних пролетах
прогона. Нормальная нагрузка qH= 3 кН/м = 0,003 МН/м. Модуль упруго­
сти древесины Е = 104 МПа.
Сечение прогона в крайних пролетах bxh = 15х 17,5 см2.
Момент инерции / = bh3/ 12 = 15* 17,53/12 = 6700 см4 = 67-10"6 м4.
Относительный прогиб f / l = (2,5/384)qHl3/(E I) = (2,5/384)0,003-4,53/
/(104 67* 10-6) = 1/370 < [///] = 1/200.
Расчет гвоздевого стыка (см. рис. 5.2). Расстояние от опор до гвоздей
стыка а = 1/5 - 0,1 = 4,5/5 - 0,1 = 0,8 м, где 0,1 м — шаг гвоздей. Попереч­
ная сила, действующая на гвозди, Qn = М/2а - 6,4/2 *0,8 = 4 кН.
Принимаем гвозди диаметром d = 0,45 см, длиной / = 12,5 см, работа­
ющие несимметрично при одном шве между досками пш = 1. Несущая
способность одного гвоздя при а = с = 5 см: по изгибу гвоздя Ги = 2,5d 2 +
+ 0,01я2 = 2,5-0,452 + 0,01 *52 = 0,79 кН; по смятию древесины Тс =
= 0,35а/= 0,35-5*0,45 = 0,76 кН.
Требуемое число гвоздей п = QTJ ( T ctiш) = 4/(0,76-1) = 5,3 шт.
Принимаем по шесть гвоздей в конце каждой доски.
Консольно-балочные прогоны представляют собой продольные
ряды брусьев или бревен со встречным расположением стыков за
пределами опор. При этом более длинные брусья образуют в про­
межуточных пролетах две консоли, а в крайних — одну, на кото­
рые опираются более короткие брусья с помощью косого приру­
124
ба, стянутого болтом. Такие прогоны применяют в покрытиях при
шаге основных несущих конструкций не более 4,5 м, допускаю­
щем использование лесоматериалов стандартной длины.
Расчет консольно-балочных прогонов производят по схеме
многопролетной статически определимой балки с пролетами / на
нормальные составляющие нагрузок. Прогоны в зависимости от
расположения стыков могут быть равномоментными и равнопрогибными.
В равномоментных прогонах стыки располагаются на расстоя­
нии 0,15/ от опор, а крайние пролеты уменьшаются до 0,85/. Из­
гибающие моменты на опорах и в пролетах М = ql2/\6 , а макси­
мальные относительные прогибы f / l = (2/384)qHP/(EI).
В равнопрогибных прогонах стыки располагаются на расстоянии
0,2/, а крайние пролеты уменьшаются до 0,8 /. При этом на опорах
возникают максимальные изгибающие моменты М - ql2/\2 , а от­
носительные прогибы во всех пролетах f / l = (2/384)qtili/(E I).
Скатная составляющая нагрузки может вызвать сдвиги в сты­
ках и должна быть воспринята настилом. При всех пролетах одина­
ковой длины изгибающие моменты на вторых опорах и прогибы
первых пролетов будут такими же, как и в спаренных многопро­
летных прогонах.
Балки перекрытий являются опорами настилов междуэтажных,
чердачных перекрытий и рабочих площадок. В большинстве случа­
ев — это однопролетные балки, свободно опертые на стены, стойки
или перегородки здания. Эти балки работают на изгиб от соб­
ственного веса перекрытия и временной полезной нагрузки. Они
рассчитываются по прочности и прогибам при изгибе по форму­
лам (5.6) и (5.7). Предельный прогиб балок междуэтажных пере­
крытий f / l = 1/250.
С целью экономии древесины эти балки выполняют из цель­
ных или окантованных бревен. Размеры прямоугольного сечения
при подборе его по прочности следует принимать из соотноше­
определять из выра­
ния b = 0,7h и требуемую высоту сечения
жения hjp = ZJ6W0J.
Междуэтажные перекрытия с деревянными балками должны
быть дополнительно проверены на зыбкость. Их прогиб от сосре­
доточенного в середине пролета груза Р = 0,6 кН не должен пре­
вышать 0,5 см:
/ = Р1г/(4Е1) < 0,5 см.
В этих балках нередко делают подрезки концов на опорах. Такие
подрезки разрешается применять строго ограниченного размера,
с тем чтобы не вызвать опасной концентрации напряжений. Глу­
бина подрезки должна быть не более 1/4 высоты сечения, длина —
не более высоты и длина скоса — не менее 1/2 высоты. При этом
125
среднее условное напряжение скалывания древесины на опоре от
действия опорной реакции R ограничивается выражением
т = R/(bh) < 0,4 МПа,
где b и h — размеры сечения.
Клеедеревянные балки из досок, склеенных синтетическим во­
достойким клеем, являются основным видом составных балок за­
водского изготовления. Размеры и форма сечений клеедеревянных
балок могут быть практически любыми, независимо от ограниче­
ний сортамента пиломатериалов. Древесина клеедеревянных ба­
лок после искусственной сушки дольше сопротивляется загнива­
нию, чем древесина, не прошедшая сушки. Клеевые соединения,
жесткие и стойкие против увлажнения, обеспечивают монолит­
ность балок. Клеедеревянные сплошные балки имеют, как прави­
ло, повышенный по сравнению с неклееными деревянными эле­
ментами предел огнестойкости.
Клеедеревянные балки прямоугольных сечений, склеиваемые из
досок плашмя, получили наибольшее распространение в строи­
тельстве. Их применяют главным образом в качестве основных не­
сущих конструкций производственных, сельскохозяйственных,
промышленных и общественных зданий. Балки используют также в
качестве прогонов, пролеты и нагрузки которых не позволяют при­
менять цельнодеревянные прогоны, а также в качестве главных балок
междуэтажных перекрытий, балок мостов и в других деревянных
конструкциях. В отечественном строительстве применяют клееде­
ревянные балки пролетом до 24 м. В зарубежном строительстве
имеются примеры клеедеревянных балок при пролетах до 30 м.
Клеедеревянные балки изготовляют из сосновой и еловой дре­
весины и в меньших объемах — из лиственничной. В настоящее
время исследуются клеедеревянные балки комбинированной кон­
струкции. В таких балках наиболее прочная древесина, например
лиственницы, располагается в крайних, самых напряженных зо­
нах сечений, а в средних менее напряженных зонах размещается
менее прочная древесина (например, кедр, пихта или даже оси­
на). Такие балки имеют не меньшую несущую способность, но
существенно меньшую стоимость.
Сечения клеедеревянных балок принимают в большинстве слу­
чаев шириной не более 16,5 см, что позволяет изготовлять их из
цельных по ширине досок. Балки большей ширины выполняют из
менее широких досок, склеенных между собой кромками, с рас­
положением этих стыков вразбежку по высоте, что увеличивает
трудоемкость их изготовления. Ширина сечения этих балок обыч­
но принимается не менее 1/6 их высоты для большей устойчиво­
сти из плоскости изгиба. Высота сечения балок определяется рас­
четом и находится в пределах от 1/10 до 1/15 пролета, она увязы­
вается с толщиной досок после фрезерования.
126
Форма дощато-клееных балок по длине (рис. 5.3) может быть
прямоугольной односкатной, сегментной и двускатной, постоян­
ной и переменной высоты. Прямоугольные и сегментные балки
имеют, как правило, постоянную по длине высоту. Двускатные
трапециевидные балки имеют переменную высоту, получаемую
при склеивании досок уменьшающейся к верху длины. Двускат­
ные ломаные балки собирают из двух прямых элементов, соеди­
ненных в коньке зубчатым соединением. Двускатные гнутые бал­
ки имеют выгиб в зоне конька и двускатную коньковую наклейку.
Они могут быть постоянного и переменного сечения. Высота ба­
лок переменного сечения на опорах должна быть не менее 0,4
высоты сечения в середине длины.
Балки склеивают из досок толщиной не более 42 мм. Примене­
ние более тонких досок несколько увеличивает несущую способ­
ность балок за счет меньшего влияния их коробления, но приво­
дит к повышению трудоемкости изготовления и расхода клея. Доски
перед склеиванием фрезеруют по пластям на 2,5 —3,5 мм, а после
склеивания кромки балок фрезеруют в среднем на 5 мм.
Доски располагают по высоте сечения балок таким образом,
чтобы древесина самого высокого качества размещалась в наибо­
лее напряженных нижней и верхней зонах. В балках с высотой
б
5
П
с
г а
%
0,75/)
~^0,15Ь
5
~0,15h (Ь > 50 см)
Рис. 5.3. Клеедеревянные балки:
а — типы балок; б — типы сечений; в — размещение досок по высоте (1 — 3 —
сорта качества древесины); 1 — балка односкатная; 2 — то же, двускатная; 3 —
то же, зубчато-стыкованная; 4 — то же, гнутоклееная; 5 — сечение прямоуголь­
ное; 6 — то же, двутавровое; 7 — то же, рельсовидное
127
сечения более 50 см доски растянутой нижней зоны (0,15 высоты
сечения балки) относятся к 1-му сорту, доски сжатой и следую­
щей по высоте растянутой и сжатой зон такой же толщины отно­
сятся ко 2-му сорту и доски средней зоны — к 3-му сорту. В балках
высотой до 50 см доски растянутой и сжатой зон относятся ко 2-му
сорту, так как эти зоны имеют относительно меньшую высоту.
По длине все доски клеедеревянных балок стыкуются на зубча­
тое соединение, имеющее равную прочность с древесиной 1-го
сорта. Стыки должны располагаться по длине и вразбежку — в
соседних слоях. Практически при заводском изготовлении балок
все эти требования соблюдаются автоматически.
Расчет клеедеревянных балок покрытий производится в боль­
шинстве случаев на изгиб как однопролетных шарнирно опертых
балок на равномерно распределенную нагрузку q от собственного
веса всех элементов покрытия g и веса снега s. Расчет по нормаль­
ным напряжениям производят по формуле
а = M /W < Ли/ибт сл,
(5.1)
где М — максимальный изгибающий момент в балках постоянно­
го сечения; М = ql2/&.
В балках переменной высоты сечения, например трапециевид­
ной, расчетные сечения, где действуют максимальные нормаль­
ные напряжения, не совпадают, как в балках постоянной высоты
сечения с серединой пролета, где действует максимальный изги­
бающий момент. Это объясняется тем, что момент сопротивления
сечения здесь уменьшается от середины пролета к опорам быст­
рее, чем изгибающий момент М. Расстояние х сечения, где дей­
ствуют максимальные нормальные напряжения, определяется из
выражений х = lh0/(2h); Мх = qx{l - х)/2.
Момент сопротивления сечения балки определяется как цель­
нодеревянной, поскольку жесткость клеевых соединений обеспе­
чивает монолитность клеедеревянных балок.
Расчетное сопротивление изгибу клееной древесины принима­
ется с учетом большей надежности балок с сечением шириной
более 13 см. Для таких балок /?и =15 МПа.
Коэффициент условий работы т6 учитывает, что несущая спо­
собность балки после увеличения высоты ее сечения сверх 50 см
растет медленнее, чем момент сопротивления W, так как при этом
увеличивается высота зон максимальных нормальных напряже­
ний. В зависимости от высоты сечения Асмкоэффициент т5 изме­
няется в следующих пределах:
^СМ
щ
128
50 и менее
60
70
80
100
120 и более
1
0,96
0,93
0,9
0,85
0,8
Коэффициент условий работы тсл учитывает повышение не­
сущей способности клеедеревянной балки. По мере уменьшения
толщины склеиваемых досок 8 снижается влияние пороков древе­
сины. При толщинах досок 5, равных 19; 26; 39 и 42 мм, соответ­
ственно /Ми, равно 1,1; 1,05; 1,0 и 0,95.
Расчет клеедеревянных балок на скалывание производят на дей­
ствие в сечениях над опорами максимальных поперечных сил Q =
= ql/ 2 по формуле (2.16) т = QS/{Ib) < R^K, где расчетное сопро­
тивление скалыванию клееной древесины RCK= 1,5 МПа.
Сечения клеедеревянных балок относительно большой высоты
и переменного сечения определяются на опорах расчетом древе­
сины на скалывание. Требуемую высоту сечения таких балок на
опорах Аотр можно определить по формуле (2.16), преобразован­
ной относительно йотр, с заменой их статического момента и мо­
мента инерции выражениями для прямоугольного сечения, т.е.
ЙО.ТР = 1,50/(ЛЛск).
В гнутоклееных балках с радиусом выгиба г возникают растя­
гивающие напряжения поперек волокон древесины. Они опреде­
ляются по методике СНиПа и не должны превышать расчетного
значения сопротивления древесины растяжению поперек воло­
кон Лр90 = 0,3 МПа.
Расчет клеедеревянных балок по прогибам от нормативных на­
грузок производят как цельнодеревянных балок по формуле (2.11),
когда их относительная высота не превышает 1/20 пролета. При
большей относительной и переменной высотах сечения, харак­
терных для балок покрытий, необходимо учитывать дополнитель­
ные прогибы от действия скалывающих напряжений и перемен­
ности сечения.
Относительный прогиб в середине пролета клеедеревянной тра­
пециевидной однопролетной шарнирно опертой балки с высотой
сечения в середине пролета h и над опорами h0 при равномерно
распределенной нормативной нагрузке qHпроверяют по формуле
f / l = m i + c(h/l)Vl\ < [f/l] = 1/300,
(5.2)
где^о = (5/384)<7н/4/(£7) — прогиб без учета деформаций сдвига от
скалывающих напряжений при максимальной высоте А; к - 0,15 +
+ 0,85h jh — коэффициент, учитывающий переменность сечения;
с = 15,4 + 3,8 й0/А — коэффициент, учитывающий деформации
сдвига.
При других схемах работы и нагрузок балки прогиб fa имеет
иные значения и коэффициенты к и с определяются по СНиПам.
Клеедеревянные балки с относительно высокими сечениями,
недостаточно надежно закрепленные от потери устойчивости плос­
кой формы деформирования из плоскости прогонами и настилом
покрытия, могут выгнуться в сторону и потерять несущую спо­
собность до исчерпания их несущей способности по изгибу.
5 Хромец Ю.
Н.
129
Если точки закрепления верхней сжатой зоны балок в покры­
тии находятся на незначительном расстоянии /р друг от друга,
определяемом в зависимости от высоты h и ширины b сечения из
выражения /р < 70(b2/h), то поперечная устойчивость балок обес­
печена. Если /р > 70(b2/h), то балки могут выйти из вертикальной
плоскости и должны быть рассчитаны на устойчивость плоской
формы изгиба по формуле
а = М/( Ж ф6) < R„m6mcn,
(5 .3 )
где фб — коэффициент устойчивости однопролетных свободно
опертых балок при равномерной нагрузке; фб = 16062/(А/).
При фб > 2 проверка устойчивости не требуется.
Дощатоклееным балкам в процессе изготовления задается стро­
ительный подъем, выгиб в сторону, противоположную действию
нагрузки, равный 1/200 пролета. В некоторых случаях этим бал­
кам, по архитектурным требованиям, задается значительный на­
чальный прогиб в сторону действия нагрузки и их опоры распола­
гают на разной высоте. При расчете таких балок следует учитывать
возникающие в них дополнительно продольные силы.
Пример 5.3. Подобрать сечение клеедеревянной трапециевидной дву­
скатной балки пролетом / =12 м утепленного покрытия, имеющего ук­
лон / = 1:12. На балку действует равномерная нагрузка от собственного
веса покрытия, балки и снега со следующими значениями: нормативная
qH= 8 кН/м; расчетная q = 13 кН/м.
Р е ш е н и е . Принимаем для крайних зон сечения балки древесину
2-го сорта в виде досок сечением после фрезерования пластей и кромок
b{xh{ = 16,5x2,6 см2. Расчетные сопротивления древесины при этом рав­
ны Ли = 15 МПа и RqK= 1,5 МПа.
Подбираем опорное сечение из условия прочности при скалывании.
Поперечная сила Q = ql/2 = 13* 12/2 = 78 кН = 0,078 МН.
Требуемая высота Иотр = 3Q/(2biRCK) = 3*0,078/(2 *0,165* 1,5) = 0,47 м.
Принимаем Нолр = 0,5 м.
Высота в середине пролета h = hOTp + //(2* 12) = 0,5 + 12/(2* 12) = 1 м.
Проверяем нормальные напряжения при изгибе. Положение расчет­
ного сечения х = lhOTp/(2h) = 12*0,5/(2* 1) = 3 м.
Изгибающий момент в расчетном сечении М= qx(l - х)/2 = 13 *3(12 —
- 3)/2 = 175 кН*м = 0,175 МН*м.
Высота расчетного сечения hx = h0Tp + (h - h0Tp)2x/l = 0,5 + (1 - 0,5)2х
хЗ/12 = 0,75 м.
Момент сопротивления IV = bhx2/ 6 = 0,165*0,752/6 = 0,0155 м3.
Коэффициент высоты сечения /яб = 0,915 и толщины слоев mCJl = 1,05.
Расчетное сопротивление R = R^mbmC]X= 15*0,915* 1,05 = 14,4 МПа.
Напряжение а = M/W= 0,175/0,0155 = 11,3 МПа < R.
Проверяем прогиб балки. Нормативная нагрузка q H = 8 кН/м =
= 0,008 МН/м. Сечение в середине пролета bxh = 0,165x1 м. Высота на
опорах И0 = 0,5 м. Пролет балки / = 12 м. Момент инерции / = bh 2/ 12 =
0,165* 13/12 = 0,014 м4.
130
Коэффициент, учитывающий переменность сечения, к = 0,15 + 0,85Ао/
/И = 0,15 + 0,85-0,5/1 = 0,57.
Коэффициент, учитывающий деформации сдвига, с = 15,4 + 3,8А0/А =
= 15,4 + 3,8-0,5/1 = 17,3.
Прогиб без учета переменности сечения и деформаций сдвига f 0 =
= (5/384)?н/4/(£7) = (5/384)0,008-124/( 104-0,014) = 0,0155 м = 1,55 см.
Относительный прогиб f / l = f 0/k [ 1 + c (h /l)2]/l = 0,0155/0,57 [1 +
+ 17,3(1/12)2]/12 = 1/394 < [///] = 1/300.
Проверяем устойчивость плоской формы деформирования. Расстоя­
ние между закреплениями верха балки прогонами и настилом покрытия
(шаг прогонов) /р = 1,5 м. Устойчивость плоской формы деформирования
обеспечена, так как соблюдено условие /р < 70b2/h = 1,5 < 70-0,1652/1 =
= 1,9 м.
Сечение балки подобрано из условия расчетного сопротивления кле­
еной древесины при скалывании и имеет дополнительные запасы проч­
ности по нормальным напряжениям и жесткости.
Клеедеревянные балки двутаврового и рельсовидного сечения из
досок плашмя состоят из стенки шириной не менее 80 мм и двух
полок шириной не более двойной ширины стенки. Их применяют
при тех же пролетах, что и балки прямоугольного сечения. По
условиям технологии изготовления они имеют постоянное по длине
сечение.
Малогабаритные клееные балки состоят из стенки из одной
или двух досок на ребро и двух полок одинаковой или разной
ширины из досок плашмя. Их применяют при пролетах до 7 м.
Расчет двутавровых балок производят с учетом влияния дву­
тавровой формы сечения на их несущую способность и жесткость.
При расчете на прочность момент сопротивления их сечения W
снижается дополнительно коэффициентом формы сечения тф,
который зависит от отношения ширины стенки Ь„ к ширине пол­
ки Ьп и колеблется от 0,9 (при отношении 0,5) до 0,75 (при отно­
шении 0,25).
Применение клеедеревянных балок двутаврового сечения ог­
раничено в связи с тем, что технология их изготовления суще­
ственно сложнее, чем балок прямоугольного сечения, и получае­
мая некоторая экономия материалов себя не оправдывает.
Клеефанерные балки состоят из фанерных стенок, дощатых по­
лок и ребер, склеенных между собой. Они имеют ту же область
применения, что и клеедеревянные балки, но отличаются от них
значительно меньшими массой и расходом древесины, требуе­
мым при их изготовлении, благодаря тому что древесина скон­
центрирована в зонах действия максимальных нормальных напря­
жений при изгибе. Фанерные стенки этих балок работают на срез
надежнее, чем древесина на скалывание. Однако применение этих
балок иногда сдерживается дефицитностью строительной фанеры
и, кроме того, большей трудоемкостью их изготовления и мень­
131
шим пределом огнестойкости тонких фанерных стенок. По типу
конструкции клеефанерные балки разделяют на ребристые и с
волнистыми стенками.
Клеефанерные ребристые балки (рис. 5.4) бывают коробчатого и
двутаврового сечений. Первые отличаются от вторых повышенной
жесткостью из плоскости изгиба и гладкими боковыми поверхно­
стями. Двутавровые балки имеют обычно одинарные фанерные стен­
ки и не обладают преимуществами коробчатых, но требуют вдвое
меньшего расхода фанеры. По длине клеефанерные балки бывают
постоянного и переменного сечений. Основным типом таких балок
являются трапециевидные двускатные. Их высоту в середине про­
лета определяют расчетом на изгиб, и она составляет 1/10—1/12
пролета. Высоту сечения на опорах определяют расчетом стенок
на срез и устойчивость, и она должна быть не меньше 0,4 высоты.
Балки переменного сечения сегментной формы требуют изго­
товления гнутого верхнего пояса, который не нуждается в уст­
ройстве стыка в середине длины. Односкатные прямоугольные
балки являются наименее трудоемкими в изготовлении, но об­
ласть их применения ограничена.
Стенки клеефанерных ребристых балок изготовляют из водо­
стойкой строительной фанеры толщиной 10—12 мм. Направление
наружных волокон фанеры должно быть параллельно волокнам
а
6
Ь„
5
Ь
Рис. 5.4. Клеефанерная ребристая балка:
а — вид спереди; б, в — коробчатое и двутавровое сечения; / — клеедеревянные
пояса; 2 — фанерные стенки; 3 — дощатые ребра; 4 — стык пояса; 5 — стык
стенки
132
поясов и продольным осям балки. При этом стенки работают на
изгиб в направлении наибольшей прочности и жесткости их сече­
ний и имеется возможность их предварительно соединять по дли­
не усовым соединением. При поперечном по отношению к по­
ясам расположении наружных волокон фанерных стенок их со­
единение по длине более трудоемко и осуществляется с помощью
стыковых накладок.
Пояса клеефанерных балок изготовляют прямоугольной фор­
мы из досок. Пояса коробчатых балок представляют собой оди­
ночные клееные брусья, расположенные между двумя фанерны­
ми стенками. Пояса двутавровых балок состоят из двух клееных
брусьев, расположенных по обе стороны стенки. Доски поясов могут
располагаться как горизонтально, так и вертикально. По плоско­
стям склеивания с фанерными стенками пояса должны иметь про­
рези, для того чтобы ширина клеевых швов не превышала 10 см
для предотвращения перенапряжения швов в результате различ­
ных деформаций древесины поперек волокон и фанеры при коле­
баниях влажности.
По длине доски поясов соединяются зубчатым шипом. В месте
перелома двускатных балок в коньке верхний пояс соединяется
по длине угловым зубчатым шипом. Нижние растянутые пояса
балок должны быть изготовлены из досок 1-го сорта, а верхние
сжатые пояса и ребра клеефанерных балок — из досок 2-го сорта.
В коробчатых балках ребра располагаются в полости между дву­
мя фанерными стенками, а в двутавровых — по обе стороны стен­
ки. Их рекомендуется совмещать со стыками стенок и опорами
прогонов. По длине ребра ставятся с шагом, равным 1/8—1/10
пролета.
Расчет ребристых клеефанерных балок производят на изгиб с
учетом совместной работы дощатых поясов и фанерных стенок
без учета податливости соединений. В трапециевидных балках пе­
ременной высоты сечения, где при равномерной нагрузке дей­
ствуют максимальные напряжения изгиба, расчетное сечение на­
ходится не в середине пролета, а на расстоянии х от опоры и
определяется в зависимости от пролета /, высоты опорного сече­
ния между осями поясов А' и уклона пояса / по формуле
х = л/[у (1 + Y) - YV,
(5 .4 )
где у = h'Jli.
В этом сечении изгибающий момент М = 0,5qx(l - х).
Геометрические характеристики сечения балки определяются
с учетом того, что модуль упругости фанеры меньше, чем древе­
сины, и составляет Еф = 0,9Ед = 9000 МПа.
Проверку нормальных напряжений в поясах балки производят
в сечениях, где они достигают максимального значения. Верхний
133
пояс балки проверяют при сжатии от изгиба с учетом его устой­
чивости из плоскости балки при ширине сечения Ь и расстояниях
между закреплениями в покрытии /р по формуле
ст = М /{Щ ) < Лс,
(5.5)
где <р = 1 - 0,8(Л/Ю0)2 — коэффициент устойчивости пояса из
плоскости при гибкости X = /р/(0,296) < 70; Д, = 15 МПа — расчет­
ное сопротивление сжатию клееной древесины.
Нижний пояс балки проверяют при растяжении от изгиба по
формуле
о = M /W < Rp,
(5.6)
где Rp = 10 МПа — расчетное сопротивление древесины растяже­
нию.
Прочность фанерных стенок проверяют при срезе и скалыва­
нии в сечениях над опорами, где действуют максимальные попе­
речные силы Q = ql/2 по формуле (2.20) для расчета деревянных
элементов, работающих на скалывание. Стенки проверяют на срез
по нейтральной оси сечения по формуле
т = QSKIb) < JV«,
(5-7)
где b — суммарная толщина стенки; R$ CK = 6 МПа — расчетное
сопротивление фанеры срезу.
По этой же формуле проверяют прочность фанеры по клеевым
швам, соединяющим стенки с поясами. При этом ширину площа­
ди скалывания принимают равной двойной высоте сечения по­
ясов.
Устойчивость стенок в продольном направлении обеспечива­
ется при условии, что их толщина 6 не меньше определяемой из
выражения 5 < Лст/ 50. При меньшей толщине стенки должны про­
верять на устойчивость при действии нормальных и касательных
напряжений по СНиПу. Прочность стенки в опасном сечении при
действии главных растягивающих напряжений проверяют также
по СНиПу.
Расчет по прогибам клеефанерных балок от нормативных на­
грузок производят с использованием тех же формул и выраже­
ний, что и клеедеревянных, но с учетом дополнительных проги­
бов в результате переменности высоты сечения и действия скалы­
вающих напряжений. При этом принимаются во внимание разные
значения модулей упругости и сдвига древесины и фанеры. Коэф­
фициент учета прогиба с от скалывающих напряжений х опреде­
ляют с учетом двутавровой схемы сечения из выражения
с = (45,3 - 6,9ЛбЛ)у,
где у = Ап/А „ — отношение площади сечения поясов к площади
сечения стенки в середине пролета балки.
134
Для обеспечения устойчивости формы деформирования балки
ее верхний сжатый пояс шириной сечений Ьп и высотой hn дол­
жен быть закреплен из плоскости в покрытии в точках, расстоя­
ние между которыми должно быть не более чем / < 70/(b n)2/h n.
Клеефанерные балки с волнистой стенкой (рис. 5.5) относятся к
классу малогабаритных балок. Они имеют двутавровое сечение,
постоянное по длине. Пояса их состоят из одиночных досок 2-го
сорта. Они располагаются горизонтально плашмя, и в их пластях
образуются волнистые по длине пазы клиновидного сечения. Фа­
нерная стенка имеет волнистую по длине форму, которая прида­
ется ей в процессе изготовления. Волокна наружных слоев фанеры
располагаются вдоль стенки. Стенка вклеивается краями в пазы
поясов. Благодаря волнистой форме стенка лучше сопротивляется
потере устойчивости, чем плоская, и не нуждается в усилении ее
ребрами жесткости.
Расчет балок с волнистой стенкой производят с учетом того,
что стенка практически не работает на нормальные напряжения
при изгибе, и эти напряжения воспринимаются только поясами.
Кроме того, она благодаря своей форме является податливой,
поэтому расчет таких балок по прочности и прогибам при изгибе
производят как составных балок с податливой стенкой. Клеевые
соединения стенки с поясами рассчитывают на скалывание меж­
ду шпонами фанеры с учетом ширины швов, равной двойной
глубине пазов.
Рис. 5.5. Клеефанерная балка с волнистой стенкой:
а — вид спереди; б — сечения; 1 — дощатые пояса; 2 — волнистая фанерная
стенка; 3 — соединение в паз; 4 — то же, по кромкам
135
Клееармированные балки (рис. 5.6) представляют собой дере­
вянные клееные балки, в крайние, наиболее напряженные зоны
которых вклеиваются стержни стальной арматуры. Такие балки име­
ют значительно большую несущую способность и жесткость, чем
неармированные такого же сечения, и их целесообразно приме­
нять в тех покрытиях, где требуются балки минимальной строи­
тельной высоты, или с целью экономии досок 1-го сорта. Однако
эти балки более трудоемки в изготовлении, чем неармирован­
ные, и требуют расхода стали.
Клееармированные балки имеют прямоугольное сечение ши­
риной, необходимой для размещения не менее двух арматурных
стержней, и склеиваются из досок 2-го сорта плашмя. Расчетные
сопротивления древесины этих досок изгибу ввиду меньшего вли­
яния пороков принимаются повышенными до 15 МПа. Кроме того,
от кромок досок прорезаются прямоугольные или полукруглые
пазы на 5 мм шире диаметра арматуры. Крайние доски приклеива­
ются после вклеивания арматуры. По длине эти балки имеют, как
правило, постоянное сечение и строительный подъем.
Для армирования балок применяют двойную арматуру классов
A-II и A-III с расчетными сопротивлениями 235 и 295 МПа. Оди­
ночное армирование дает незначительный эффект и нецелесооб­
разно. Процент армирования находится в пределах 2—4. Арматуру
в большинстве случаев применяют без предварительного напря­
жения, однако возможно и применение предварительно напря­
женной арматуры.
Для вклеивания арматуры применяют в основном эпоксидно­
цементные клеи, надежно соединяющие стальную арматуру с кле­
еной древесиной. Арматурные стержни вклеивают в прямоуголь­
ные пазы шириной на 5 мм больше, чем диаметр арматуры, кото­
рые затем заклеивают деревянными планками. Клеедеревянные
Рис. 5.6. Клееармированная
балка:
а — вид спереди; б — сечение;
1 — клеедеревянная балка; 2 —
стальная арматура; 3 — рейка;
4 — паз
136
балки работают на изгиб. Потеря их несущей способности проис­
ходит при испытаниях в результате разрушения древесины от нор­
мальных или скалывающих напряжений.
Клееармированные балки рассчитывают на изгиб с учетом совме­
стной работы клееной древесины и стальной арматуры методом
приведенных к древесине сечений, учитывающим различные мо­
дули упругости древесины Еа = 104 МПа и стали Е„ = 21 • 104 МПа.
Расчет производят по прочности клееной древесины при изгибе
по формулам (2.7) и (2.8).
Геометрические характеристики прямоугольного сечения клееармированной балки с размерами А = bxh, армированной двой­
ной симметричной арматурой площадью Аа на глубине а от кро­
мок сечения, приводятся к древесине. Момент инерции, момент
сопротивления и статический момент определяют по формулам:
/пр= (Mq/ 12)(1 + Злц);
^пР = (М8/6)(1 + Зиц);
Snp =
(bhl/m
+ 2/iji),
где h0 = h - 2a — рабочая высота сечения; п = E„/Ea = 21 • 104/104 =
= 21 — отношение модулей упругости стали и древесины; ц =
= AJA„ — отношение площадей сечения арматуры и балки.
Клеевые соединения арматуры с древесиной работают на ска­
лывание с избыточным запасом прочности и не рассчитываются.
Расчет клееармированных балок по прогибам производят по
формуле (2.8) как цельнодеревянных изгибаемых элементов с
учетом модуля упругости древесины и приведенного к древесине
момента инерции сечения.
Составные балки на деревянных соединениях состоят из брусь­
ев или бревен без продольных стыков, скрепленных по высоте
деревянными вкладышами (рис. 5.7). Они имеют длину до 6 м и
применяются в некоторых случаях в качестве однопролетных ба­
лок покрытий небольших зданий и в малопролетных мостах. Их
обычно изготовляют вблизи места установки.
Составные балки на пластинках, предложенные В.С.Деревягиным, состоят из двух или трех брусьев по высоте, соединенных
вкладышами — пластинками из твердой дубовой или березовой
древесины, которые вставляются в пазы в сомкнутых кромках бру­
сьев (см. подразд. 3.3). При изготовлении этих балок им придают
небольшой выгиб, благодаря чему пластинки прочно защемляют­
ся в пазах. Пластинки работают на изгиб и смятие поперек воло­
кон.
Составные балки на шпонках и колодках состоят из брусьев или
бревен, соединенных по высоте короткими деревянными вклады­
шами из такой же древесины, что и сами балки (см. подразд. 3.3).
137
1
1
1-1
J-
-fl—О—О—О—0------ D—0-
Рис. 5.7. Составные брусчатые балки на податливых соединениях:
а — на пластинках; б — на шпонках; в — схема работы; 1 —брусья; 2 — пластин­
ки дубовые или березовые; 3 — шпонки из древесины брусьев; 4 — болты
Колодки являются более толстыми, чем шпонки, и обеспечивают
возникновение между элементами балки естественно вентилиру­
емых зазоров. Волокна древесины шпонок и колодок имеют то же
направление, что и волокна древесины элементов балки. Шпонки
и колодки работают и рассчитываются на скалывание и смятие
вдоль волокон. Поперечный распор в этих балках, возникающий в
результате эксцентриситета сдвигающих сил, воспринимается бол­
тами, которые работают и рассчитываются на растяжение.
Составные балки из брусьев и бревен рассчитывают по несу­
щей способности при изгибе с учетом податливости их соедине­
ний, в результате которой их несущая способность уменьшается
по сравнению с цельнодеревянными и клеедеревянными балками.
Проверку нормальных напряжений в балках при изгибе произво­
дят по формуле
а = M/(WKw) < RK,
(5.8)
где W = bh2/6 — момент сопротивления условно цельного сечения
балки полной высоты; Кш— коэффициент податливости соеди­
нений, как правило, имеет значения, меньшие единицы, зависит
от числа соединяемых элементов, пролета балки и принимается
по СНиПу. Например, при балке из двух брусьев пролетом 6 м
Kw = 0,9.
Расчет соединений составных брусчатых балок производят на
действие сдвигающих сил Т!/2, которые возникают от поперечных
сил Q в плоскостях между элементами балок и действующих в
противоположных направлениях в каждой половине длины про­
лета балки.
Сумму этих сдвигающих сил определяют по формуле
Т//2 = U5MS/I.
(5.9)
138
Формула (5.9) получена преобразованием исходного выраже­
ния T1/2 = тЫ/4. При этом учитывалось, что эпюра скалывающих
напряжений в результате податливости соединений имеет не тре­
угольную, а изогнутую форму, а соединения ставятся равномерно
по длине балки, а не в соответствии с напряжениями скалывания.
Число соединений на половине длины балки определяют из выра­
жения п = Т1/2/ Т, где Т — несущая способность одного соединения.
Расчет составных брусчатых балок по прогибам производят по
той же формуле, что и цельных изгибаемых элементов. Увеличе­
ние их прогибов в результате податливости соединений учитыва­
ется коэффициентом снижения их жесткости Кжк моменту инер­
ции сечения /, который принимается по СНиПу. Например, для
балки из двух брусьев пролетом / = 6 м Кж= 0,75.
Дощато-гвоздевые балки с перекрестной стенкой имеют по­
стоянные или переменные сечения и пролеты до 12 м. Они состо­
ят из поясов парного сечения из толстых досок и перекрестной
стенки из двух слоев вдвое более тонких досок, наклоненных под
углом 45° к горизонту. Стенка вводится в зазоры между досками
поясов и соединяется с ними гвоздями. Эти балки применяли при
сооружении временных мостов и некоторых покрытий. Они про­
сты в изготовлении, но трудоемки. Расчет балок производят на
изгиб. При этом верхний пояс проверяют на сжатие и устойчи­
вость, нижний — на растяжение, а гвозди — на сдвигающие силы
от поперечных сил.
5.2. Деревянные стойки
Деревянные стойки могут быть цельнодеревянными, состав­
ными, клеедеревянными и решетчатыми.
Цельнодеревянные стойки представляют собой деревянные эле­
менты — брусья, толстые доски или бревна круглого или оканто­
ванного сечения. Их применяют в виде опор покрытий, навесов,
рабочих площадок, платформ, элементов каркаса деревянных стен
ограждений, вертикальных стержней сквозных конструкций, опор
линий электропередач и связи. Эти малотрудоемкие элементы кон­
струкций, имеющие относительно невысокую стоимость, широ­
ко распространены в строительстве.
Размеры цельнодеревянных стоек и их несущая способность
ограничены сортаментом лесоматериалов. Длина их должна быть
не более 6,4 м, а размеры сечений не превышать 20 см. Большие
длины и сечения имеют стойки линий электропередач, изготов­
ляемые из лесоматериалов, специально предназначенных для них.
Стойки из брусьев квадратного сечения и из круглых бревен
применяют в основном в тех случаях, когда их концы закрепля­
ются шарнирно и на них действуют только сжимающие нагрузки.
139
Стойки из брусьев прямоугольного сечения и из толстых досок с
шарнирно закрепленными концами используют в случаях, если
на них действуют не только вертикальные сжимающие нагрузки,
но и горизонтальные, например ветровая, вызывающая в них из­
гиб, в направлении которой их устанавливают большими разме­
рами сечений. Шарнирно закрепленные стойки применяют также
в сквозных конструкциях.
Стойки из бревен круглого сечения, широко используемые в
качестве невысоких опор линий электропередач, имеют заделан­
ные опорные и свободные концы и на них действуют вертикаль­
ные и горизонтальные нагрузки.
Крепления цельнодеревянных стоек к опорам имеют различ­
ную конструкцию. Они могут крепиться к бетонным или железо­
бетонным конструкциям с помощью стальных закладных частей.
Крепление заделанных опорных концов стоек линий электропе­
редач и связи, которые эксплуатируются на открытом воздухе,
обычно выполняют с помощью коротких железобетонных стерж­
ней, называемых «пасынками», заглубленных в грунт. Стойку кре­
пят к пасынкам так, что ее нижний конец оказывается над повер­
хностью земли, не контактирует с грунтовой сыростью и дольше
сопротивляется загниванию. Стойки, надежно защищенные от заг­
нивания пропиткой маслянистыми антисептиками, могут непос­
редственно заглубляться в грунт.
Расчет цельнодеревянных стоек производят методами и по фор­
мулам расчета деревянных элементов. Шарнирно опертые стойки,
нагруженные только вертикальной сжимающей нагрузкой, рас­
считывают по формулам (2.5) для сжатых элементов на сжатие и
устойчивость. Шарнирно опертые стойки, нагруженные вертикаль­
ной сжимающей и горизонтальной изгибающей нагрузками, рас­
считывают в направлении действия изгибающей нагрузки на сжа­
тие с изгибом по формуле (2.11), а в другом направлении прове­
ряют на сжатие и устойчивость.
Заделанные на опорах стойки со свободным верхним концом,
на которые действуют вертикальные и горизонтальные нагрузки,
также рассчитывают на сжатие с изгибом. Крепления стоек рас­
считывают на действующие в них силы в соответствии с их конст­
рукцией.
Составные стойки состоят из цельных брусьев или из толстых
досок, соединенных по длине болтами или гвоздями. Стержни
составных стоек соединяются пластями вплотную или имеют между
ними зазоры, выполняемые с помощью коротких дощатых или
брусчатых прокладок. Длины составных стоек, как и цельнодере­
вянных, не превышают 6,4 м (рис. 5.8).
Составные стойки применяют в том случае, когда несущая спо­
собность цельнодеревянных стоек недостаточна для восприятия
действующих нагрузок. Эти стойки обычно имеют шарнирно за140
в
V
2 -2
2i
*ь
У
2'
Рис. 5.8. Составные брусчатые стойки:
ts
а — сплошная; 6 —сквозная с прокладками; в — схема работы; 1 — брусья; 2 —
болты; 3 — прокладки
крепленные концы и работают, как правило, только на продоль­
ные сжимающие силы от вертикальных нагрузок. В направлении
относительно материальной оси составные стойки могут работать
также на сжатие с изгибом и воспринимать дополнительно гори­
зонтальные изгибающие нагрузки.
Составные стойки рассчитывают на сжатие и устойчивость по
формуле (2.5) в двух плоскостях. Расчет относительно материаль­
ной оси, которая проходит через центры сечений обоих элемен­
тов стойки, производят как стойки цельного сечения шириной,
равной ширине сечения обоих брусьев. Податливость соединений
при этом на несущую способность стойки не влияет и не учиты­
вается.
Расчет стойки относительно свободной оси, проходящей вне
сечений брусьев, производят с учетом того, что ее гибкость суще­
ственно выше, а несущая способность ниже, чем стойки цельно­
го сечения двойной высоты. Это объясняется тем, что гибкость
увеличивается в результате податливости соединений и гибкости
отдельных брусьев между соединениями.
Повышенную гибкость стойки относительно свободной оси
называют приведенной гибкостью Лпр и определяют по формуле
Хпр = ^(цуХу )2 + Х1
(5.10)
где
+ Kcbhnm/( l2nc) — коэффициент приведения гибкости;
Кс — коэффициент податливости соединений, зависящий от от141
ношения диаметра болта d к толщине бруса hx\ при отношении
d/hx < 1/7 Кс = 0,2 /d 2, при d/hx > 1,7 Кс = l,5/(hxd)\ при гвоздевых
соединениях Кс = 0, Id 2 ; пш— число швов плоскостей сдвига; для
стойки из двух брусьев без зазоров пш = 1; для стойки из двух
брусьев с прокладками и зазорами пш = 2; / — длина стойки, м;
пс — число связей — болтов или гвоздей на длине 1 м; Ху = 1/г —
гибкость стойки без учета податливости соединений ( г = yJl/A );
Хх — гибкость одного бруса, как шарнирно закрепленного болто­
выми соединениями на длине, равной шагу /х болтов.
Коэффициент устойчивости
определяют в зависимости от
гибкости Хпр по формулам сру = 3000/Л2 или (ру = 1 - 0,8(Л/Ю0)2.
Подбор сечения составных брусчатых стоек производят из усло­
вия принятой гибкости относительно материальной оси сечения,
которая не должна превышать допускаемого значения [X] <120.
При этом требуемую высоту прямоугольного сечения h^ при дли­
не стойки / определяют из выражения hTр = //(0,29Л).
Порядок расчета приведен в примере 5.4.
Пример 5.4. Подобрать и проверить сечение составной стойки длиной
/ = 3 м с шарнирно закрепленными концами. Стойка состоит из двух
брусьев прямоугольного сечения, соединенных без прокладок и зазора
болтами (см. рис. 5.8). На стойку действует сжимающая сила N= 180 кН =
= 0,18 МН.
Р е ш е н и е . Принимаем древесину 2-го сорта с расчетным сопротив­
лением сжатию /?с = 13 МПа и гибкость стойки относительно материаль­
ной оси X = 80 < 120. Соответствующий коэффициент устойчивости =
= 3000Д2 = 3000/802 = 0,47.
Принимаем брусья шириной сечения Ъ = 15 см.
Требуемая высота сечения брусьев
= //(0,29Л) = 300/(0,29*80) =
= 13 см.
Принимаем два бруса сечением bxh{ = 15x10 см. Брусья соединяются
болтами диаметром d = 2 см, расположенными с шагом = 50 см.
Проверяем прочность и устойчивость стойки относительно матери­
альной оси сечений х - х.
Общую площадь сечения А, радиус инерции гх, гибкость Хх и коэффи­
циент устойчивости фх определяем по формулам
А = 2bhx = 2* 15* 10 = 300 см2; гх = 0,296 = 0,29* 15 = 4,35 см; Хх = 1/гх =
= 300/4,35 = 69 < 70; Фх = 1 - 0,8(Лх/100)2 = 1 - 0,8(69/100)2 = 0,62.
Напряжение а = N /(qxA) = 0,18/(0,62 -0,03) = 9,7 МПа.
Проверяем прочность и устойчивость стойки относительно свобод­
ной оси у-—у с учетом податливости соединений.
Сечение одного бруса, расстояние его оси до оси у —у и момент инер­
ции сечения: Ах = bhx - 15*10 = 150 см; а - hx/2 = 10/2 = 5 см; 1У =
= 2(bh]/\2 + Аха2) = 2(15-103/12 + 150*5) = 104 см4.
Радиус инерции ry = y /l/A = л/ю4/300 = 5,76 см.
Гибкость стойки без учета податливости соединений Ху = 1/гу =
= 300/5,76 = 52. Коэффициент податливости соединений — болтов диа­
142
метром d - 2 см при d/h x = 2/10 = 1/5 > 1/7 находят по формуле Кс =
= 1,5/(</*,) = 1,5/(2 10) = 0,075.
Число связей псъ = 2 шт/м. Число швов пшв = 1.
Коэффициент приведения гибкости
= yJ]-^Kcbhnul/(12псъ) =
= y]l + 0,075 -15-20 /(3002 •2) = 1,5 Радиус инерции сечения одного бруса г, расстояние между болтами
/j и его гибкость Ху определяют по формулам: г = 0,29hx = 0,29* 10 = 2,9 см,
1\ = 50 см, Ху = 1х/г = 50/2,9 = 17 < 24. При этом считается X = 0.
Приведенная гибкость: /= Z>(/z3 - Л])/12 = 0,14* 0,803 - 0,503/12 = 0,045;
Кр = V ^ A ) 2 + ^ 2 = 1*Л = 1>5-52 = 78 > 70.
Коэффициент устойчивости
= 3000ДпР = 3000/782 = 0,49.
Напряжение о = N/(tpyA) = 0,18/(0,49 *0,03) = 12,25 МПа.
Клеедеревянные стойки (рис. 5.9) являются конструкциями ис­
ключительно заводского изготовления. Их формы и размеры оп­
ределяются только назначением, величинами действующих на­
грузок, расчетом и не зависят от ограничений сортамента досок,
применяемых для их склеивания. Размеры сечений могут превы­
шать 1 м, а их длины достигать 10 м. Клеедеревянные стойки могут
иметь сечения квадратные и прямоугольные постоянные, перемен­
ные и ступенчатые по длине. Возможно также изготовление клее­
деревянных стоек круглого сечения. Трудоемкость изготовления и
стоимость этих стоек значительно выше, чем цельнодеревянных,
но они могут обладать большей несущей способностью.
3?
ан
e
\n
s?
1
1/N
CD
□
t*
н
Рис. 5.9. Клеедеревянные стойки:
а — постоянного квадратного сечения; б — постоянного прямоугольного сече­
ния; в — переменного прямоугольного сечения
143
Клеедеревянные стойки постоянного квадратного сечения (рис.
5.9, а) имеют размеры сечения, значительно превышающие ре­
альную ширину досок, и поэтому при их изготовлении доски дол­
жны стыковаться не только по пластям, но и по кромках. В боль­
шинстве случаев их применяют в качестве внутренних отдельно
стоящих элементов каркаса зданий, несущих значительные нагруз­
ки. Эти стойки имеют, как правило, шарнирные закрепления кон­
цов. Они работают и рассчитываются на действие только продоль­
ных сжимающих сил N от расчетных нагрузок по формуле (2.5),
на сжатие и устойчивость — с учетом коэффициентов условий
работы т6 и тсл. Крепление этих стоек к опорам осуществляется с
помощью закладных частей бетона или железобетона, а крепление
к ним деревянных перекрытий — с помощью стальных креплений.
Клеедеревянные стойки постоянного прямоугольного сечения (рис.
5.9, б) применяют в большинстве случаев в качестве вертикаль­
ных стоек деревянных наружных стен значительной высоты, на­
пример торцевых фахверков. Высота их сечений обычно значи­
тельно превышает ширину, которая, как правило, принимается
не больше ширины склеиваемых досок, чтобы избежать склеива­
ния их по кромкам. Стойки обычно имеют шарнирно закреплен­
ные концы и располагаются большими размерами сечений в на­
правлении из плоскости стен. Эти стойки работают и рассчитыва­
ются в направлении большего размера сечения h на сжатие с из­
гибом от действия сжимающих сил N от вертикальных нагрузок и
изгибающего момента М от горизонтальной ветровой нагрузки.
Проверку их несущей способности в этом направлении произво­
дят по формуле (2.11), как цельных деревянных элементов.
В направлении меньшего размера сечения А0 эти стойки рабо­
тают и рассчитываются только на сжатие и устойчивость по фор­
муле (2.5) при их расчетной длине, равной расстоянию между их
закреплениями вертикальными связями каркаса стен. Крепление
этих стоек к опорам и несущим конструкциям выполняется ана­
логично креплению стоек квадратного сечения, однако они дол­
жны быть рассчитаны также на действие горизонтального ветро­
вого давления.
Клеедеревянные стойки переменного прямоугольного сечения (рис.
5.9, в) обычно служат опорами основных несущих конструкций
покрытий производственных однопролетных зданий значительной
высоты. Они имеют жесткое соединение с фундаментом и шар­
нирное с опорными узлами конструкций покрытия. Сечения этих
стоек имеют постоянную по длине ширину b и переменную высо­
ту: максимальную h — у нижнего опорного конца, где действуют
наибольшие усилия, и минимальную И0 — у верхнего конца, где
изгибающие моменты отсутствуют.
Высота сечения верхнего конца стойки определяется в основ­
ном требованиями прочности и удобства опирания на него несу­
144
щих конструкций покрытия. Высота сечения нижнего опорного
конца зависит от условий предельной допускаемой гибкости стой­
ки, ее несущей способности и конструкции ее жесткого крепле­
ния к фундаменту.
В средней части торца нижнего конца стойки рекомендуется
делать треугольный вырез. При этом нормальные напряжения сжа­
тия при изгибе концентрируются в крайних зонах торца стойки,
увеличивается плечо пары внутренних сил при изгибе и уменьша­
ются усилия в опорных креплениях. Такие стойки работают на
вертикальную сжимающую силу N, равную опорному давлению
несущей конструкции от собственного веса, веса снега и веса са­
мой стойки. Кроме того, на стойку действуют горизонтальные рав­
номерно распределенные нагрузки от давления w+ или отсоса ги_
ветра. Максимальный изгибающий момент М возникает в опор­
ном сечении стойки. Он определяется с учетом того, что сила N
действует вдоль условной вертикальной оси стойки с эксцентри­
ситетом относительно опорного сечения е = (А - А0)/2 и что изги­
бающий момент того же знака возникает от отсоса ветра w_. При
этом суммарный изгибающий момент
М = Ne + w.l2/2 + HI.
Поперечная сила, максимальная на опоре, возникает от по­
ложительного давления ветра и поэтому Q = w j. Отсос ветра на
покрытии может не учитываться, поскольку он уменьшает про­
дольную силу в стойке. При конструкциях покрытия в виде балок
или ферм с жесткими нижними поясами следует учитывать до­
полнительное горизонтальное сосредоточенное давление на верх
стойки от различной величины ветрового давления и отсоса, рав­
ное # = 3/16(u>+- и>_)/1. Расчет такой стойки в направлении боль­
шей высоты сечений в плоскости действия ветровых нагрузок про­
изводят на сжатие с изгибом по формуле (2.11). Расчетную длину
стойки, как заделанной на опоре и имеющей свободный верхний
конец, принимают /р = 2,2/. Если свободный конец стойки шар­
нирно закреплен в плоскости покрытий от горизонтальных сме­
щений, то ее расчетная длина /р = 0,8/. Радиус инерции опорного
сечения стойки определяют из выражения г = yjljA , где /= А(А3- а3)/12 — момент инерции, а — высота выреза. Коэффициент,
учитывающий переменность высоты сечения, КжМ= 0,07 + 0,93А0/А.
Коэффициент устойчивости ф = 3000KxN/X2. Коэффициент учета
деформаций изгиба стойки при вычислении изгибающего момен­
та Мя = М/%, где % = 1 - N k2/(300QRCA) определяется с учетом
полного опорного сечения, так как вырез не влияет на деформа­
ции стойки.
Расчетное сопротивление древесины 2-го сорта сжатию при
ширине сечения Ъ > 13 см принимается R<. = 15 МПа, причем
145
учитываются коэффициенты условий работы /яб и тсл. Коэффици­
ент тн = 1,2 учитывает кратковременность действия ветровой на­
грузки.
Стойку проверяют на устойчивость плоской формы деформи­
рования, как сжато-изгибаемый элемент переменного сечения по
методике СНиПа. При этом ее расчетную длину принимают рав­
ной расстояниям между ее креплениями вертикальными связями.
Расчетная длина 1Хравна расстоянию между закреплениями стой­
ки в этом направлении вертикальными связями.
Проверку опорного конца стойки на скалывание от попереч­
ной силы производят по формуле (2.16).
Жесткие крепления опорного конца стойки к фундаменту осу­
ществляют с применением вклеенных анкерных столиков или
наклонно вклеенных стержней, клеедеревянных накладок или
других соединений.
Жесткое крепление с анкерными столиками (рис. 5.10) состо­
ит из четырех стальных столиков, прикрепленных к крайним зо­
нам стойки болтами, и четырех анкеров из прутковой стали, замоноличенных в бетоне фундамента, притягивающих к нему сто­
лики. Это соединение позволяет подтягивать гайки анкеров в про­
цессе эксплуатации здания и при необходимости менять стойки.
Жесткое крепление стойки с вклеенными стальными стержня­
ми к фундаменту осуществляется с помощью двух групп коротких
арматурных стержней, вклеенных в древесину крайних зон сече­
ния стойки и замоноличенных внешними концами в анкерных
гнездах фундамента. Это соединение отличается простотой, не­
Рис. 5.10. Жесткие опирания клеедеревянных стоек переменного сечения:
а — крепление с анкерными столиками; б — то же, с вклеенными стальными
стержнями; 1 — анкерные столики; 2 — анкеры; 3 — болты; 4 — вклеенные
арматурные стержни
146
большой трудоемкостью и жесткостью, но оно не дает возможно­
сти для замены стойки.
Расчет жестких креплений стойки к фундаменту производят на
действие максимальной растягивающей силы Np. Она возникает
от действия максимального изгибающего момента в опорном се­
чении Мд и определяется с учетом продольной силы N по фор­
муле Np = MjJe - N/2, где е = h - А0 — плечо пары внутренних сил.
В противоположном креплении при этом возникает сжимающая
сила, которая воспринимается лобовым упором торца стойки в
фундамент.
Расчет жесткого крепления стойки к фундаменту с анкерными
столиками заключается в следующем. Требуемое число болтов креп­
ления двух столиков к стойке с учетом их симметричной двух­
срезной работы между металлическими накладками вычисляют
по формуле (3.2). Необходимое сечение анкеров по нарезке, со­
единяющих стойку с фундаментом и работающих на растяжение,
определяют по формуле (3.1).
Расчет жесткого крепления стойки к фундаменту вклеенными
стержнями заключается в определении числа стержней, работаю­
щих на выдергивание растягивающей силой. При этом несущую
способность стержня определяют в зависимости от его диаметра
d , глубины вклеивания в древесину / и расчетного сопротивления
скалыванию ^ по формуле (3.4).
Пример 5.5. Подобрать и проверить сечение клеедеревянной стойки
переменного сечения из древесины 2-го сорта, решить и рассчитать ее
жесткое крепление к фундаменту. Стойка имеет высоту / = 8 м, на нее
шарнирно опирается опорный узел арки с гибкой затяжкой. Из плоскости
стойка закреплена вертикальными связями на концах и в середине. На
стойку действуют нагрузки: вертикальная сосредоточенная нагрузка от
собственного веса конструкций и веса снега на покрытии N = 100 кН;
горизонтальные равномерные нагрузки от давления w+ = 2,6 кН/м или
отсоса w_ = 1,6 кН/м ветра.
Р е ш е н и е . Гибкость стойки в направлении действия ветровых нагру­
зок X = 80 < 120. Стойка с жестким креплением к опоре и свободным
верхним концом имеет расчетную длину /р = 2,2/ = 2,2-8 = 17,6 м. Требу­
емая высота опорного сечения
= /р/(0,29А) = 17,6/(0,29*80) = 0,76 м.
Принимаем доски для склеивания сечением после фрезерования
ЬхЪ = 14x3,5 см, сечение опорного торца b x h = 14x80 см. В середине
торца делаем треугольный вырез длиной а = 50 см. Сечение крайних пло­
щадей, опирающихся на фундамент, b x h { = 14x15 см. Расстояние между
их осями l \ ~ h —h\ —80 —15 = 65 см. Эксцентриситет действия продольных
сил в опорном сечении е = (к - И0)/2 = (80 - 20)/2 = 30 см.
Проверка напряжения в опорном сечении стойки при сжатии с изгибом.
Изгибающий момент М = w j 2/ 2 + N1 = 1,6 *82/2 + 100*0,3 = 94 кН м =
= 0,094 МН м.
Продольная сила N = 100 кН = 0,1 МН.
147
Расчетное сопротивление сжатию с учетом ширины сечения b > 13 см,
действия ветра тн = 1,2, высоты сечения т6 = 0,9 и толщины слоев т ^ =
= 1,0; /?с = 15 -1,2 0,9 0,1 = 16 МПа.
Площади полного А и ослабленного Л\ сечений, момент инерции /,
момент сопротивления W , радиус инерции г и гибкость X:
А = bh = 0,14*0,80 = 0,112 м2; А х = bh{-2 = 0,14-0,15-2 = 0,042 м2; / =
= Ь(кг - h\)/ 12 = 0,14-0,803 - 0,503/12 = 0,045 м4;
21/h = 2-0,45/0,80 =
= 0,113 м3; г = 0,29/1 = 0,29/0,80 = 0,23 м; X = 10/ г = 17,6/0,23 =77.
Коэффициенты учета переменности сечения К ж устойчивости ср и
влияния деформаций изгиба
Кж„= 0,07 + 0,93/г0/Л = 0,07 + 0,93-0,20/0,80 = 0,3;
Ф = ЗО О О ^ Д 2=
3000 * 0,3/772 = 0,15;
£ = 1 - NX2/(300QR cAK x N) = 0,1-772/(3000* 16-0,112-0,3) = 0,63.
Изгибающий момент с учетом деформаций Л/д =
= 0,094/0,63 =
= 0,143 МН-м.
Напряжения сжатия а = N / A { + M J W = 0,1/0,042 + 0,143/0,113 =
= 15,1 МПа.
Проверка устойчивости плоской формы деформирования стойки не
требуется, поскольку при закреплении ее вертикальными связями через
каждые 2 м она обеспечена.
Проверку опорного сечения стойки на скалывание не производят ввиду
небольшой величины поперечной силы.
Расчет жесткого крепления стойки к фундаменту. Расстояние между
осями опорных площадей е = 65 см = 0,65 м. Максимальная растягиваю­
щая сила N = M Je - N/2 = 0,143/0,65 - 0,1/2 = 0,17 МН = 170 кН.
Расчет крепления с помощью анкерных столиков. Принимаем для креп­
ления столиков к стойке болты диаметром d = 2 см, двухсрезные пш = 2,
симметрично работающие при с = b =14 см. Несущая способность болта в
одном срезе при учете ветровой нагрузки тн = 1,2.
По изгибу Ги = mH-2,5d2 = 1,2*2,5• 22 = 12кН = Т. По смятию древеси­
ны Тсм = /ян-0,5 cd = 1,2-0,5-14-2 = 16,8 кН.
Требуемое число болтов для крепления двух столиков п^ = N /(T n m) =
= 170/(12-2) = 7,1 шт. Принимаем 8 болтов.
Требуемое сечение анкерных тяжей по нарезке Aw = #/(/?• 0,8) =
= 0,17/(235-0,8) = 9,1 *Ю"4 м = 9,1 см2.
Принимаем два тяжа диаметром d = 3 см, площадью сечения по на­
резке А = 5,06-2 = 10,12 см2 > ЛрРасчет крепления с помощью вклеенных стальных стержней. Растя­
гивающая сила N = 0,17 МН. Принимаем стержни из арматуры диа­
метром d = 2 см = 0,02 м класса A-II с расчетным сопротивлением R =
= 235 МПа. Стержни вклеиваем в опорный конец стойки на глубину / =
= 25 см = 0,25 м. Расчетное сопротивление древесины скалыванию RcKmH=
= 2,1-1,2 = 2,5 МПа. Коэффициент неравномерности напряжений скалы­
вания Кск = 1,2 - 0,02l/d = 1,2 - 0,02-25/2 = 0,95.
Несущая способность стержня при выдергивании Т = RcKn ( d + 0,005) х
х1Кс = 2,5 -3,14 (0,02 + 0,005) 0,25 •0,95 = 0,047 МН. Требуемое число стер­
148
жней птр = N /T = 0,17/0,047 = 3,6 шт. Принимаем по 4 стержня в каждой
опорной площади.
Решетчатые стойки (см. рис. 5.11) служат опорами несущих конструк­
ций покрытий и стен деревянных производственных зданий, где нет воз­
можности изготовить клеедеревянные стойки. Их высота может достигать
10 м. Они состоят из брусьев, соединенных в узлах болтами. Стойки могут
иметь прямоугольную или треугольную форму. Высота сечения прямоу­
гольных стоек должна быть не менее 1/6 их длины. Высота опорного се­
чения треугольных стоек должна быть не менее 1/4 их длины. Прямоу­
гольные стойки проще в изготовлении, поскольку длины стержней их
решетки не меняются.
Рассчитаем крепление с помощью вклеенных стальных стержней. Ра­
стягивающая сила Np = 0,14 МН. Принимаем стержни из арматуры диа­
метром d - 2 см класса A-II с расчетным сопротивлением R = 235 МПа.
Стержни вклеиваем в опорный конец стойки на глубину / = 25 см.
Расчетное сопротивление древесины скалыванию /?сК= 2,1 МПа. Коэф­
фициент неравномерности напряжений скалывания Кск = 1,2 - 0,02l/d =
= 1,2 - 0,02-25/2 = 0,95.
Несущая способность стержня при выдергивании Т = RcKn(d + 0,005)/А^к=
= 2,1-3,14(2 - 0,005)0,25-0,95 = 0,039 МН.
Требуемое число стержней nw = N /T = 0,14/0,039 = 3,6 шт.
Принимаем по четыре стержня в каждой опорной площади.
Решетчатые стойки (рис. 5.11) применяют в качестве опор не­
сущих конструкций покрытий и стен деревянных производствен­
ных зданий в районах, где нет возможности изготовить клеедере­
вянные стойки. Их высота может достигать 10 м и более. Они со­
стоят обычно из брусьев, соединяемых в узлах болтами. Такие стой­
ки могут иметь прямоугольную форму с двумя вертикальными
поясами или треугольную с одним вертикальным и другим на­
клонным поясами.
Рис. 5.11. Решетчатые стойки:
а — треугольная; б — прямоугольная; в — виды сечений
149
Высота сечения прямоугольных стоек должна быть не менее
1/6 их длины. Высота максимального опорного сечения треуголь­
ных стоек должна быть не менее четверти их длины. Прямоуголь­
ные стойки проще в изготовлении, поскольку размеры стержней
их решетки не меняются по длине, но они имеют два верхних
узла, требующих закрепления из плоскости стойки. Треугольные
стойки более экономичны по расходу древесины и имеют только
один верхний узел, но более трудоемки в изготовлении, так как
размеры элементов решетки изменяются по их длине.
Пояса решетчатых стоек могут быть двух- и однобрусчатыми.
Двухбрусчатые пояса с короткими прокладками имеют большую
жесткость в направлении из плоскостей стойки, а также зазоры,
что упрощает крепление к ним решетки из брусьев или толстых
досок. Однобрусчатые пояса менее трудоемки в изготовлении,
но для крепления к ним стержней решетки требуются стальные
накладки. Решетка этих стоек имеет обычно раскосно-стоечную
схему.
Узловые соединения стержней решетки с двухбрусчатыми по­
ясами выполняются обычно путем введения их концов в зазоры
между брусьями поясов и соединения их болтами (рис. 5.12). Усло­
вия расстановки болтов требуют некоторого смещения осей стер­
жней с центра узлов. При этом возникает незначительный экс­
центриситет усилий, действующих в стержнях решетки, и неболь­
шой изгибающий момент в стойках, которым можно при расчете
пренебречь.
Верхний конец прямоугольной стойки выполняется обычно с
помощью горизонтальной балки из стальных профилей, которая
стальными фасовками и болтами крепится к поясам стойки, на
середину длины этой балки опирается несущая конструкция по­
крытия. Верхний узел треугольной стойки крепится болтовым со­
единением концов вертикального и наклонного поясов стойки.
При этом опорный узел основной несущей конструкции опира­
ется непосредственно на торец вертикального пояса. Опорные узлы
этих стоек могут также решаться с помощью стальных накладок,
анкеруемых в бетоне фундамента.
Расчет решетчатых стоек основывается на том, что они несут
как вертикальные N, так и горизонтальные w нагрузки и являют­
ся вертикально стоящими консольными фермами, шарнирно при­
крепленными к фундаменту. Стойки меньшей высоты, чем реко­
мендуемая, должны рассчитываться как сжато-изгибаемые эле­
менты, жестко прикрепленные к фундаментам и имеющие сво­
бодный или шарнирно закрепленный конец.
На эти стойки действует вертикальная сосредоточенная нагрузка
от собственного веса вышележащих конструкций и веса снега s и
горизонтальные нагрузки от давления w+ и отсоса и>_ ветра, ана­
логичные нагрузкам на клеедеревянные стойки переменного се150
1
j,
44~ - 1,
□□
4^ \ □ □
111
—
111
I I
Рис. 5.12. Узлы решетчатых стоек:
а — верхние; б — опорные; в — промежуточные; 1 — пояса; 2 — болты; 3 —
стальная балка; 4 — анкеры; 5 — стальной уголок; 6 — стержни решетки; 7 —
стальные накладки
чения, которые условно сосредотачиваются в узлах. От этих на­
грузок в стержнях стоек возникают растягивающие или сжимаю­
щие силы, которые определяются общими методами строитель­
ной механики, например с помощью построения диаграммы Макс­
велла—Кремона. Максимальные усилия возникают в поясах и стер­
жнях решетки, примыкающих к опорному узлу. Усилия в стерж­
нях решетки возникают только от действия горизонтальных вет­
ровых нагрузок.
Пояс стойки работает и рассчитывается по прочности и устой­
чивости при сжатии в двух плоскостях. В плоскости стойки его
расчетную длину принимают равной расстоянию между узлами, а
из плоскости стойки — расстоянию между его горизонтальными
связями. При этом учитывают податливость связей двухбрусчатого
пояса, как при расчете двухбрусчатой составной стойки. Проч­
ность пояса дополнительно проверяют при максимальной растя­
гивающей силе от ветровой нагрузки.
151
Стержни решетки стойки рассчитывают по прочности и устой­
чивости при сжатии или по прочности при растяжении с учетом
их длины и шарнирного крепления в узлах. Верхнюю балку пря­
моугольной стойки рассчитывают на изгиб от действия сосредо­
точенной нагрузки в середине ее пролета.
Опорные крепления стойки к фундаменту рассчитывают на дей­
ствие максимальных растягивающих усилий в поясах, примыкаю­
щих к опорам. При двухбрусчатых поясах определяют требуемое
число двухсрезных симметрично работающих болтов, крепящих
прокладку к брусьям пояса. Уголковую траверсу, опирающуюся
на прокладку, рассчитывают на изгиб как балку, опирающуюся
на гайки анкерных тяжей и нагруженную реактивным давлением
торца прокладки. Однобрусчатые пояса могут крепиться к фунда­
менту с помощью стальных башмаков, болтов и анкеров.
Вопросы для самопроверки
1. Как работают и рассчитываются брусчатые прогоны?
2. Как работают и рассчитываются дощато-гвоздевые прогоны?
3. Какие формы и сечения имеют клеедеревянные балки?
4. Как работают и рассчитываются клеедеревянные балки?
5. Какую конструкцию имеют клеефанерные балки и в чем особенно­
сти их работы и расчета?
6. Как работают и рассчитываются брусчатые балки на податливых
соединениях?
7. Что такое балки на пластинках, на шпонках и в чем принцип их
работы и расчета?
8. Что такое дощато-гвоздевые балки и как работают их элементы?
9. Как работают и рассчитываются цельнодеревянные стойки?
10. Как работают и рассчитываются стойки составного сечения?
11. Как работают и рассчитываются клеедеревянные стойки квадрат­
ного и прямоугольного сечений?
12. Как работают клеедеревянные стойки переменного сечения?
ГЛАВА 6
ДЕРЕВЯННЫЕ АРКИ
6.1. Конструкции арок
В настоящее время деревянные арки являются наиболее рас­
пространенными основными несущими конструкциями деревян­
ных покрытий зданий различного назначения. Их применяют в
покрытиях производственных, промышленных, сельскохозяй­
ственных и общественных зданий, имеющих пролеты 12—80 м.
В практике зарубежного строительства применяют деревянные арки
с пролетами до 100 м и более. Их изготовляют путем склеивания
надежными синтетическими клеями гнутых и прямых клеедере­
вянных элементов значительных длин и сечений требуемой несу­
щей способности. Конструкции клеедеревянных арок являются
простыми и состоят из минимального числа элементов. Существен­
ное значение имеет также архитектурная выразительность дере­
вянных арочных покрытий. К достоинствам деревянных арок из
клеедеревянных элементов следует также отнести их повышен­
ный предел огнестойкости и достаточно длительное сопротивле­
ние загниванию и разрушению в химически агрессивных средах.
По статическим схемам деревянные арки подразделяют на трех­
шарнирные, имеющие два опорных и один коньковый или иног­
да так называемый ключевой шарнир, и двухшарнирные, имею­
щие только два опорных шарнира. По особенностям опирания на
опоры арки делят на две основные группы: без затяжек и с затяж­
ками, или с нижними поясами. По форме осей арки подразделя­
ют на следующие типы: сегментные, имеющие верхние пояса,
оси которых располагаются на общей части окружности; стрель­
чатые, состоящие из двух полуарок, оси которых располагаются
на двух одинаковых частях окружности, стыкующихся под углом в
коньковом шарнире; треугольные, состоящие из двух одинаковых
прямых полуарок, смыкающихся в коньковом шарнире под углом.
Треугольные арки называют иногда треугольными распорными
системами, а когда они имеют затяжки — безраскосными тре­
угольными фермами. Однако эти конструкции работают и рассчи­
тываются так же, как и арки с другими формами осей. Существу­
ют также арки, состоящие из полуарок с ломаными осями.
153
Трехшарнирные арки являются наиболее распространенными.
Они статически определимы, и усилия в их сечениях не зависят
от осадок опор и деформаций затяжек. Наличие конькового шар­
нира позволяет предусматривать в нем монтажный стык и перево­
зить арки к месту установки в виде транспортабельных полуарок.
Двухшарнирные арки применяют реже. Усилия в их сечениях
зависят от осадок опор, деформаций затяжек и их сложно делить
на более транспортабельные элементы.
Арки без затяжек опираются на фундаменты или соседние кон­
струкции и являются наиболее простыми. Однако их опоры долж­
ны рассчитываться не только на вертикальные, но и на горизон­
тальные (распор) опорные давления. Арки с затяжками несколь­
ко сложнее предыдущих по конструкции, но их опоры рассчиты­
ваются только на вертикальные опорные давления.
Клеедеревянные арки из клееных элементов заводского изго­
товления имеют наиболее широкую область применения. Их фор­
мы, размеры и несущая способность могут отвечать требованиям
сооружения покрытий самого различного назначения, в том чис­
ле уникальных по своим размерам и формам. Склеенные из досок
плашмя в условиях заводского изготовления эти арки имеют по­
вышенную стойкость против загнивания, химической коррозии и
значительный предел огнестойкости. Элементы арок могут иметь
любую из указанных выше форм оси в покрытиях с пролетами
12—80 м.
Сегментные клеедеревянные арки в условиях отечественного
строительства имеют, как правило, трехшарнирную схему. Двух­
шарнирными выполняются только некоторые малопролетные сег­
ментные арки, которые могут изготовляться и доставляться к ме­
сту установки в собранном виде. Двухшарнирные арки особо боль­
ших пролетов, верхний пояс которых из условий изготовления и
транспортирования должен быть расчленен на несколько транс­
портабельных элементов жесткими стыками, в отечественном стро­
ительстве пока не применялись.
Сегментные клеедеревянные арки без затяжек (рис. 6.1, а, поз. 1),
имеющие значительную высоту, достигающую половины длины
их пролета, опираются обычно непосредственно на фундаменты
и применяются в покрытиях общественных однопролетных зда­
ний без стен. Невысокие сегментные клеедеревянные арки без за­
тяжек, имеющие высоту, равную около 1/6 длины пролета, ис­
пользуют преимущественно в покрытиях среднего наибольшего
пролета трехпролетных общественных зданий. Они опираются на
элементы несущего каркаса боковых пролетов, которые воспри­
нимают их вертикальные и горизонтальные опорные давления.
Большепролетные сегментные клеедеревянные арки применялись
в отечественном строительстве, например, в покрытии среднего
пролета Дворца спорта в Архангельске. Арки без затяжек опира154
t , ,
и 8
I I
Рис. 6.1. Клеедеревянные арки:
а — сегментные; 6 — треугольные; в — стрельчатые; г — ломаного очертания; 1 —
без затяжек; 2 — с затяжками
ются на железобетонный каркас боковых пролетов. Они имеют
пролет 63 м, высоту 11 м и сечение ЗОх 105 см, состоящее из слоев
досок, склеенных поперечными стыками по кромкам.
Сегментные клеедеревянные арки с затяжками (рис. 6.1, б, поз. 2)
имеют обычно небольшие пролеты и высоты порядка 1/6 длины
пролета. В большинстве случаев они имеют трехшарнирные схемы.
При малых пролетах эти арки выполняются двухшарнирными, что
уменьшает трудоемкость их изготовления и упрощает транспор­
тирование в полносборном виде. Сечения верхних поясов этих арок
обычно имеют ширину, не превышающую 17 см, и изготовляют
без поперечных стыков досок по кромкам.
Затяжки этих арок в большинстве случаев изготовляют из сталь­
ных уголков или арматурных стержней, которые во избежание
провисания поддерживаются стальными прутковыми подвесками.
Нижние пояса арок могут быть также клеедеревянными, что зна­
чительно повышает жесткость их при транспортировании и уста­
новке в полносборном виде.
Сегментные клеедеревянные арки с затяжками применяют в
качестве основных несущих конструкций обычных деревянных
покрытий зданий со стенами, на каркас которых они передают
155
только вертикальные опорные давления, так как эти арки не име­
ют распора. К аркам может крепиться легкий подвесной потолок.
При этом скрываются затяжки, уменьшается объем и улучшается
архитектурная выразительность покрываемых помещений.
Стрельчатые клеедеревянные арки (рис. 6.1, в) всегда имеют
трехшарнирные схемы, как правило, без затяжек. Они состоят из
двух полуарок кругового очертания осей и имеют пролеты 18 —80 м.
Высота стрельчатых арок обычно близка к половине длины их
пролетов. При меньших пролетах эти арки имеют сечения шири­
ной не более 17 см без поперечных стыков досок, а при больших
пролетах их сечения имеют большую ширину и состоят из досок,
стыкуемых по ширине.
Стрельчатые арки чаще применяют в качестве основных несу­
щих конструкций деревянных покрытий производственных зда­
ний значительной высоты без стеновых ограждений. Они опира­
ются непосредственно на фундаменты, передавая им и вертикаль­
ные, и горизонтальные опорные давления. Наиболее рационально
использование стрельчатых клеедеревянных арок без затяжек в по­
крытиях зданий, где кроме обычных распределенных нагрузок дей­
ствуют еще сосредоточенные в зоне конька нагрузки от подвесно­
го технологического оборудования, например от веса тельфера с
грузом или веса транспортерной галереи.
Усилия в сечениях стрельчатых арок в большой мере зависят от
величины, характера и соотношения значений действующих на
эти арки нагрузок. Чем больше относительная величина сосредо­
точенных в зоне конька арки нагрузок, тем ближе рациональная
форма оси арки должна приближаться к треугольной, при кото­
рой от этих нагрузок возникают минимальные отрицательные из­
гибающие моменты. Чем больше относительные величины рас­
пределенных нагрузок, тем больше форма оси арки должна при­
ближаться к круговой или параболической, при которой изгиба­
ющие моменты являются положительными и тоже приближаются
к минимальным значениям.
При действии как распределенных, так и сосредоточенных в
зоне конькового узла нагрузок оптимальной формой оси арки
является стрельчатая — промежуточная. При этом кривизна полу­
арок может быть принята такой, при которой наибольшие поло­
жительные и отрицательные изгибающие моменты будут мини­
мальными и близкими по значению (см. ниже).
В нашей стране имеется многолетний опыт применения клее­
деревянных стрельчатых арок в деревянных покрытиях складов
минеральных удобрений. Покрытие первого склада минеральных
удобрений было сооружено с применением стрельчатых клееде­
ревянных арок пролетом 45 м, высотой 22,5 и радиусом кривизны
их полуарок 31 м. Эти арки имеют сечение 35x120 см, которое
склеено из досок, стыкованных кромками по ширине. Кроме рас­
156
пределенных они несут также сосредоточенные нагрузки в зоне
конька от веса транспортерной галереи и тельфера с грузом.
В настоящее время расширяется применение стрельчатых клее­
деревянных арок пролетом 18 и 24 м для покрытий прирельсовых
и глубинных складов минеральных удобрений.
Аналогичная область применения у арок, состоящих из полу­
арок с осями, имеющими один или два излома. Полуарки состоят
из прямых участков, соединенных в местах переломов оси наклон­
ными зубчатыми шипами. Эти арки более трудоемки в изготовле­
нии, однако их преимуществом является то, что они могут быть
основой плоских участков настила и кровли.
Треугольные клеедеревянные арки могут быть только трехшар­
нирными с затяжками или без них. Длина пролета этих арок обычно
не превышает 30 м. Они проще в изготовлении, чем сегментные,
так как состоят из прямых полуарок. Такие арки могут служить
основой плоских настилов двускатной асбестоцементной кровли,
наиболее рациональной для деревянных покрытий. Основным не­
достатком треугольных арок является возникновение в их сечени­
ях значительно больших изгибающих моментов от основных рас­
пределенных нагрузок, чем в сечениях сегментных арок, что ог­
раничивает рациональные длины их пролетов.
Треугольные клеедеревянные арки без затяжек (рис. 6.1, б, поз. 1)
имеют в большинстве случаев высоту, близкую к половине длины
их пролета. Особенно рационально применение этих арок в по­
крытиях складских зданий треугольного профиля без стен, где
арки опираются непосредственно на фундаменты. В этих зданиях
обычно имеется технологическое оборудование, подвешенное к
коньковым узлам арок, например монорельс тельфера. При этом
изгибающие моменты в сечениях арки возникают только от рас­
пределенных нагрузок. Сосредоточенные в коньке нагрузки вызы­
вают в сечениях арки только продольные сжимающие силы, ко­
торые мало влияют на размеры сечений полуарок. Полуарки этих
арок крепятся в узлах так, что между осями продольных сил от
распределенных нагрузок и осями полуарок образуется эксцент­
риситет и соответствующий изгибающий отрицательный момент,
который уменьшает момент от распределенных нагрузок.
Треугольные клеедеревянные арки с затяжками (рис. 6.1, б, поз. 2)
имеют высоту порядка 1/6 длины пролета. Сечения их верхнего
пояса обычно имеют ширину, не превышающую 17 см. Затяжки
этих арок в большинстве случаев изготовляются из уголковой или
арматурной стали и поддерживаются от провисания прутковыми
стальными подвесками. Нижние пояса малопролетных клеедере­
вянных арок целесообразно выполнять тоже клеедеревянными. При
этом значительно повышается жесткость арок в процессе их транс­
портирования и установки, а также предел их огнестойкости и
стойкости в химически агрессивных средах. В этих арках использу­
157
ется эффект эксцентричного крепления полуарок в узлах для умень­
шения изгибающих моментов от распределенных нагрузок, как и
в арках без затяжек. В отечественном сельскохозяйственном строи­
тельстве чаще применяют треугольные клеедеревянные арки с
затяжками из арматурной стали пролетами 12 и 18 м.
Треугольные трехшарнирные арки из брусьев с соединениями
из деревянных пластинок и затяжками из стальной арматуры про­
летом до 12 м, опирающиеся на конструкции стен, могут приме­
няться в деревянных покрытиях зданий, возводимых в районах,
где отсутствует заводское изготовление клеедеревянных конструк­
ций.
Арки из цельнодеревянных элементов могут быть сегментными и
треугольными. Сегментные кружально-дощатые арки имеют двух­
шарнирную схему пролетом до 12 м и высоту от 1/6 до 1/2 длины
пролета. Такая арка состоит в большинстве случаев из двух слоев
косяков. Косяк представляет собой короткую толстую доску пере­
менной высоты сечения, верхняя кромка которой обрезается по
дуге окружности радиуса, равного радиусу оси арки. Стыки кося­
ков располагаются в шахматном порядке. Косяки плотно притор­
цовываются по длине и соединяются с серединами соседних ко­
сяков болтами или гвоздями. Распор таких арок воспринимается
затяжками или фундаментами. Эти арки имеют небольшую несу­
щую способность и ставятся с шагом, не превышающим 2 м. Их
изготовляют в небольших деревообрабатывающих мастерских и
применяют в деревянных покрытиях временных зданий.
Треугольные цельнодеревянные арки имеют трехшарнирную
схему и затяжки. Их пролеты не превышают 12 м, а высота равна
около 1/6 длины пролета. Верхние пояса этих арок состоят из цель­
ных брусьев или бревен, а затяжки обычно из стальной арматуры.
Они имеют невысокую несущую способность и применяются во
временных зданиях, опираясь на их наружные стены.
Дощатые цельнодеревянные арки имеют трехшарнирную схе­
му, треугольную форму оси и дощатые нижние пояса. Их приме­
няют в двускатных покрытиях временных зданий при пролетах до
12 м и высоте порядка 1/6 пролета. Нижний пояс этих арок состо­
ит, как правило, из двух досок, соединенных продольным сты­
ком в середине пролета, верхний пояс — из двух толстых досок с
прокладками и зазором, равным их толщине.
Узловые соединения деревянных арок состоят из опорных и конь­
ковых узлов.
Опорные узлы клеедеревянных арок без затяжек (рис. 6.2) вы­
полняют в большинстве случаев с помощью стальных сварных баш­
маков. Опорный башмак арок малых и средних пролетов включает
опорный лист с отверстиями для анкерных болтов и две верти­
кальные фасонки с отверстиями для болтов крепления опорного
конца полуарки, которые упираются лобовыми упорами в опор158
Рис. 6.2. Опорные узлы клеедеревянных арок без затяжек:
а —сегментной; 6 — треугольной; в — большепролетной; 1 —арка; 2 —стальной
башмак; 3 — болт; 4 — сварной шов; 5 — анкер; 6 — шарнир
ный лист. Зазор между фасонками равен ширине сечения полуар­
ки. Для уменьшения сдвигающих усилий в анкерных болтах опор­
ный башмак устанавливают на наклонную поверхность фундамен­
та, параллельную опорному сечению сегментных арок.
Опорные узлы сегментных и стрельчатых арок, в сечениях ко­
торых могут действовать изгибающие моменты разного знака и
незначительные поперечные силы, центрируются по осям полу­
арок, и опорный лист располагается перпендикулярно им. Узлы
треугольных арок, в сечениях которых действуют в основном по­
ложительные изгибающие моменты и значительные поперечные
силы, центрируются по расчетным осям, расположенным с экс­
центриситетом относительно оси полуарок, а опорный лист баш­
мака располагается перпендикулярно равнодействующей верти­
кальной и горизонтальной опорных реакций или продольной и
поперечной силам в узле. При этом уменьшаются изгибающие
моменты в арке и сдвигающие усилия в узле. Концы полуарок для
облегчения их шарнирных поворотов в опорных узлах имеют одноили двусторонние срезки. Опорные узлы большепролетных сег­
ментных арок без затяжек выполняют с применением стальных
шарниров качающегося или поворачивающегося типа. Стальные
поверхности башмаков отделяют от древесины арок слоем гидро­
изоляции для предупреждения опасности ее конденсационного
увлажнения.
Опорные узлы клеедеревянных арок с затяжками (рис. 6.3) вы­
полняют, как правило, с применением стальных башмаков, кон­
струкция которых учитывает, что эти арки опираются на гори­
зонтальные поверхности опор и имеют стальные затяжки. Напри­
мер, опорный башмак сегментной или треугольной клеедеревян­
ной арки с затяжкой из стальных уголков может состоять из гори­
зонтального опорного листа с отверстиями для анкерных болтов,
двух вертикальных фасонок с зазором между ними, равным ши159
Рис. 6.3. Опорные узлы арок с затяжками:
а — с вертикальной диафрагмой; б — то же, с наклонной; 1 — башмак; 2 —
арка; 3 — затяжка; 4 — анкер; 5 — диафрагма; 6 — болт; 7 — сварной шов; 8 —
опорный лист
рине сечения верхнего пояса арки и вертикальной диафрагмы
между ними (рис. 6.3, а). Опорный конец полуарки, имеющий
горизонтальную и вертикальную площади срезок, вводится в за­
зор между боковыми фасонками, опирается на опорный лист и
упирается в диафрагму, образуя наклонные лобовые упоры, ко­
торые воспринимают вертикальную и горизонтальную опорные
реакции арки. К фасонкам башмака крепятся снаружи сварными
швами стальные полосовые накладки, соединяющие с башмаком
уголки затяжки. Конец верхнего пояса крепится к фасонкам баш­
мака конструктивными монтажными болтами. Оси верхнего пояса
затяжки и опорного листа башмака сегментной арки центрируют­
ся, а верхний пояс треугольной арки крепится в башмаке с экс­
центриситетом. При опирании арки непосредственно на клееде­
ревянные стойки каркаса стен боковые фасонки башмака удобно
удлинять ниже опорного листа и делать в них отверстия для бол­
тов крепления башмака к стойке. Опорный башмак может иметь
также диафрагму листового сечения, перпендикулярную оси по­
луарки (рис. 6.3, б).
Опорные узлы клеедеревянных арок небольших пролетов с кле­
едеревянными нижними поясами могут выполняться также без
стальных башмаков. Пояса арок в опорном узле могут быть соеди­
нены с помощью вклеенных стержней из стальной арматуры. Эти
стержни вклеиваются в нижний пояс арки вдоль волокон древе­
сины. При полносборном изготовлении арок вторые концы стер­
жней вклеиваются также в конец верхнего пояса полуарки под
углом к волокнам древесины, равным углу наклона касательной к
оси арки в опорном сечении. При сборке арки на месте установки
160
из отдельно доставляемых поясов удобно стержни вклеивать толь­
ко в концы нижнего пояса, а к концам верхнего пояса крепить
концы стержней, пропущенные через соответствующие отверстия
в древесине и стальных накладках, гайками.
Коньковые узлы клеедеревянных трехшарнирных арок (рис. 6.4)
выполняют с применением стальных креплений или деревянных
накладок и болтов. Стальное крепление конькового узла (рис. 6.4, а)
состоит из упорного листа и двух фасонок. Вертикальный упор­
ный лист имеет ширину, равную ширине лобового упора полу­
арок, и длину, необходимую для постановки двух монтажных бол­
тов, соединяющих полуарки при сборке. Фасонки имеют зазор,
равный ширине сечения полуарок, и отверстия для болтов креп­
ления к концу полуарки. В коньковом узле полуарки сегментных и
стрельчатых арок соединяются центрированно, а концы треуголь­
ных арок — с эксцентриситетами. Для облегчения шарнирных
поворотов полуарок в этом узле можно предусмотреть между упор­
ными листами стальную шайбу.
Клеедеревянные накладки в коньковых узлах арок (рис. 6.4, б)
имеют толщину порядка 10 см и крепятся к концу каждой полу­
арки двойными болтами, ближайшими к центру узла, и одиноч­
ными болтами у концов накладок. Коньковые узлы арок, работа­
ющих в химически агрессивной среде, могут выполняться с по1
1
Рис. 6.4. Коньковые узлы клеедеревянных трехшарнирных арок:
а — со стальными креплениями; 6 — с деревянными накладками; в — с шарни­
ром; 1 — полуарка; 2 — стальное крепление; 3 — болт; 4 — деревянная накладка;
5 — шарнир
6 Хромец Ю. Н.
161
а
А
6
6
/
Рис. 6.5. Опорные узлы брусчатых арок:
а — узел с шайбой; б — то же, с серьгой; 1 — верхний пояс; 2 — затяжка; 3 —
подкладка; 4 — шайба; 5 — траверса; 6 — серьга
мощью вклеенных стальных стержней. Коньковые узлы больше­
пролетных трехшарнирных клеедеревянных арок выполняют в виде
стальных шарниров качающегося или поворотного типа.
Опорные узлы арок из брусьев или бревен (рис. 6.5) при аналогич­
ных нижних поясах могут выполняться с помощью лобовых вру­
бок (см. гл. 8). При затяжках из арматурной стали опорный узел
арок выполняется, как правило, упрощенно. Конец затяжки, име­
ющий нарезку, пропускается через отверстие в конце полуарки и
закрепляется гайкой на шайбе, опертой на вертикальный срез торца.
Горизонтальный срез торца арки ставится на антисептированную
и гидроизолированную подкладку опоры. Несколько более слож­
ным является опорный узел с хомутом из арматурной стали. Этот
хомут соединяется с затяжкой с помощью серьги с нарезанными
концами и крепится к швеллерной упорной траверсе, передаю­
щей усилие в затяжке на вертикальный срез конца полуарки. Конь­
ковые узлы арок обычно выполняют с помощью дощатых двусто­
ронних накладок и болтов. Опорные узлы дощатых арок выполня­
ют путем введения доски нижнего пояса в зазор между двумя дос­
ками верхнего пояса и соединения их болтами или гвоздями. Конь­
ковый узел этих арок решается с помощью дощатых прокладок,
накладок и болтов или гвоздей.
6.2. Расчет деревянных арок
Геометрический расчет арки заключается в определении всех
необходимых для статического расчета размеров углов наклона и
их геометрических функций. Ввиду того что арки имеют симмет162
Рис. 6.6. Геометрические схемы полуарок:
а — сегментной; б — стрельчатой
ричные схемы, такой расчет достаточно произвести только для
одной, обычно левой половины схемы. Рассчитывать удобно в
прямоугольной системе координат с началом в центре левого опор­
ного узла (рис. 6.6, а). Однако возможно использование для этой
цели и полярной системы координат. Основными исходными ве­
личинами являются ее пролет / и высота /, а в стрельчатой арке
также радиус полуарок г.
Геометрический расчет треугольной арки заключается в опре­
делении угла наклона оси арки а, длины оси полуарки s и коор­
динат сечений числом п, равных х и у, которые находятся из вы­
ражений
tga = 2\f/l\ s = f / sina; x = l / ( 2 n - 2 ); y = x tga.
(6.1)
Геометрический расчет сегментной арки заключается в опре­
делении радиуса ее оси г, центрального угла дуги полуарки ср,
длины оси полуарки s, координат (0—6, см. рис. 6.6) сечений х
и у и углов наклона касательных а п к оси в этих сечениях, кото­
рые находят из выражений
Г = (/2 + 4 /2)/(8/); sina = //(2r>; s = /чрр; х = //(2и - 2);
у = ^г2 - ( l / 2 - x f - r + f \ sina„= ( l / 2 - x ) / r .
(6.2)
Геометрический расчет стрельчатой арки заключается в опре­
делении следующих величин: угла наклона хорды а, длины хорды
1Х, центрального угла оси ср, длины оси s, угла наклона первого
радиуса cp0, координат центра b и с, координат сечений х н у ,
координат сечений по хорде z, углов наклона касательных к оси
а„, расстояния ее от среднего радиуса до центра правой опоры е.
Эти величины определяют из выражений:
163
tga = 2///;
4 = //sin a ;
sincp/2 = /x/(2/);
5 = гф0; ф0 = 90° - a - <p/2; 6 = r s n ^ 0;
с = гсо8ф0; y = Jr2- ( c - x f - b;
z = -\/x2 + y2;
sina„ = (c - x)/r;
e = I c o s a - l x/2.
(6.3)
Статический расчет арок (рис. 6.7) производят в следующем
порядке. Определяют действующие на арку расчетные нагрузки.
Вычисляют опорные реакции — вертикальную R и горизонталь­
ную Н — и действующие в сечениях арки усилия — изгибающие
моменты М, продольные N и поперечные Q силы. После этого
подбирают сечения арки — ее верхнего и нижнего поясов и про­
веряют действующие в них нормальные а и скалывающие т на­
пряжения, которые не должны превышать расчетных сопротивле­
ний древесины при сжатии
растяжении Rp, скалывании R^ и
расчетного сопротивления стали R. В заключение рассчитывают
узловые соединения.
Расчетные нагрузки, действующие на арки, включают в себя
нагрузки постоянные от собственного веса всех элементов покры­
тия, веса арки и стационарного подвесного оборудования, вре­
менные распределенные от веса снега, давления и отсоса ветра и
временные сосредоточенные от веса подвижного оборудования. Их
определяют в соответствии со СНиП 2.01.07 —85 «Нагрузки и воз­
действия» (см. подразд. 1.2).
Распределенные нагрузки рассчитывают с учетом шага расста­
новки арок В. Они являются линейными, и их удобно вычислять в
кН/м, сосредоточенные нагрузки — в кН.
Постоянная нагрузка g условно, в небольшой запас прочнос­
ти, считается равномерно распределенной по длине пролета арки,
для чего ее фактическое значение увеличивается на отношение
длины арки к ее пролету, т. е. 2s/1. Снеговая нагрузка s на треуголь­
ные и стрельчатые арки дается в нормах условно равномерно рас­
пределенной по длине пролета арки, расположенной на всем про­
лете или на полупролетах. Снеговая нагрузка на сегментные арки
может быть равномерно распределенной по всему пролету или его
половинам и зависит от отношения длины пролета к его высоте —
//(8/). Эта нагрузка 5, может быть также треугольной с максималь­
ными значениями над опорными узлами и нулевыми в коньке в
зависимости от отношения высоты арки к пролету f/l.
Ветровая нагрузка сдается нормами равномерно распределен­
ной по длине верхнего пояса арки. На пологие треугольные и сег­
ментальные арки она действует в виде ветрового отсоса w_ и, как
правило, не учитывается в расчете, так как она почти не увеличи­
вает усилий, действующих в сечениях этих арок. На относительно
высокие сегментные треугольные и стрельчатые арки ветровая
164
Рис. 6.7. Схемы работы и эпюры изгибающих моментов в сечениях
арок:
а — схемы работы; б — моменты в сегментных арках; в — моменты в стрельчатых
арках
165
нагрузка действует в виде давления w+ на подветренную сторону и
отсоса w. на заветренную, обычно близких по значению. На стрель­
чатые арки ветровая нагрузка может приниматься условно равно­
мерно распределенной по длине хорд полуарок. При расчете этих
арок ветровая нагрузка обязательно учитывается, так как она су­
щественно увеличивает усилия в их сечениях. Сосредоточенные
нагрузки от подвесного оборудования с грузами Р принимаются в
соответствии с данными технологической части расчета.
Усилия в сечениях арок рассчитывают с учетом того, что трех­
шарнирные арки являются статически определимыми конструк­
циями. Двухшарнирные арки однажды статически не определимы.
Однако расчет их как трехшарнирных дает в большинстве случаев
результаты, достаточно близкие к расчету, с учетом их статичес­
кой неопределимости.
Опорные реакции трехшарнирной арки без затяжки, опираю­
щиеся прямо на фундаменты, имеют вертикальные и горизон­
тальные составляющие. Вертикальную опорную реакцию арки R
определяют из условия равенства нулю изгибающего момента в
противоположном опорном шарнире. Горизонтальную опорную
реакцию Н, численно равную распору арки без затяжки, рассчи­
тывают из условия равенства нулю изгибающего момента в конь­
ковом шарнире. В арке с затяжкой горизонтальная опорная реак­
ция отсутствует. В такой арке возникает продольная растягиваю­
щая сила в затяжке, численно равная горизонтальной опорной
реакции арки без затяжки. Например, при равномерной снеговой
нагрузке на левом полупролете арки без затяжки вертикальная
опорная реакция левой опоры R = 3s//8, а при этой нагрузке на
правом полупролете R = si/ 8. В обоих случаях горизонтальная опор­
ная реакция Н = sl2/ ( l 6f ) .
При треугольной снеговой нагрузке 5! на левом полупролете
арки с максимальным значением на опоре вертикальная опорная
реакция левой опоры R = 5.^//24. При такой же нагрузке на правом
полупролете вертикальная опорная реакция левой опоры R = s//24.
В обоих случаях горизонтальная опорная реакция Н = s/2/(48/).
Опорные реакции от двусторонней равномерной нагрузки будут
равны сумме реакций от нагрузок на левом и правом полупролетах, т. е. R = ql/2 и Н = ql2/(Sf).
Усилия в сечениях арок — изгибающие моменты М, продоль­
ные N и поперечные Q силы — определяют в зависимости от на­
грузок, координат сечений х и у и углов наклона а, касательных к
оси в этих сечениях. Например, при равномерной снеговой на­
грузке s на левом полупролете арки Мх, Nx и Qx определяют по
формулам
Мх= R x - Ну - sx2/ 2; NX= ( R - s.x)sina + #cosa;
(6.4)
QX= ( R - 5x)cosa - /fsina.
При равномерной снеговой нагрузке на правой полуарке эти
усилия рассчитывают по тем же формулам без членов, содержа­
щих нагрузку s. При треугольной нагрузке на левом полупролете с
максимальным значением над опорой st и промежуточными зна­
чениями sx = (1 - 2x/l)sx усилия в верхнем поясе сегментной арки
определяют по формулам
Мх = R x - Н у - sxx 2/2 + sx?/(3l); Nx = ( R -
+ ^xVOsina + #cosa;
Qx = ( R - s {x + s lx 2/ l ) c o s a - #sina.
(6.5)
При треугольной снеговой нагрузке на правом полупролете
усилия в левой полуарке сегментной арки рассчитывают по этим
же формулам без членов, содержащих нагрузку 5|. Опорные реак­
ции и усилия в сечениях удобно определять в одной, например
левой, полуарке в следующем порядке: сначала от снеговой рав­
номерно распределенной и треугольной нагрузки на левом и да­
лее на правом полупролете арки, затем от ветровой нагрузки при
ветре слева и справа и далее от подвесного оборудования.
Изгибающие моменты следует рассчитывать во всех сечениях
левой полуарки и иллюстрировать их эпюрами моментов (см. рис.
6.7). Продольные и поперечные силы можно определять только в
опорном и коньковом шарнирах сегментных арок, где они дости­
гают наибольших значений. Усилия от двусторонней снеговой рав­
номерно распределенной нагрузки рассчитывают путем суммиро­
вания усилий от снеговых нагрузок на левом и правом полупролетах арки, а усилия от постоянной равномерно распределенной
нагрузки определяют путем умножения усилий от равномерно рас­
пределенной нагрузки на всем пролете арки на отношение посто­
янной и снеговой равномерно распределенных нагрузок g/s. Полу­
ченные значения сводят в таблицу усилий в сечениях арки. Затем
с помощью этой таблицы находят максимальные положительные
и отрицательные изгибающие моменты, продольные и попереч­
ные силы в сечениях арки и опорные реакции при расчетных со­
четаниях действующих нагрузок. При этом усилия от двух и более
временных нагрузок уменьшаются коэффициентом сочетаний
к = 0,9. Форма расчетной таблицы приведена в примерах 6.1 и 6.2.
Максимальные изгибающие моменты возникают обычно в се­
чениях близ четверти пролета арки. Положительные изгибающие
моменты в левой полуарке появляются при сочетании постоян­
ной, снеговой на левом полупролете и ветровой нагрузки при
ветре слева. Отрицательные изгибающие моменты возникают в этой
полуарке при сочетании постоянной нагрузки, снеговой нагрузки
на правом полупролете и сосредоточенных нагрузок близ конька
арки.
Наибольшие продольные и поперечные силы появляются в се­
чениях арок в опорных и коньковом узлах. Максимальные опор-
ные реакции и растягивающие силы в затяжках возникают при
действии постоянных и временных нагрузок, распределенных по
всему пролету, и сосредоточенных нагрузок в коньковом узле арки.
Расчетные изгибающие моменты при проверке напряжений в се­
чениях треугольных арок определяют с учетом эксцентриситета е
крепления их полуарок в узлах и возникающего при этом изгиба­
ющего момента от продольной силы Л^из выражения М = Mq - MN=
= Mq - Ne.
Подбор сечений деревянных арок производят на действие в
них максимальных усилий — изгибающих моментов М, продоль­
ных N и поперечных Q сил, при наиболее неблагоприятных со­
четаниях расчетных нагрузок. Верхние пояса арок рассчитывают
на сжатие с изгибом и скалывание, а нижние пояса — на растя­
жение.
Подбор сечения верхнего пояса клеедеревянной арки можно
осуществлять в следующем порядке. Сначала задаются шириной
прямоугольного сечения b в соответствии с шириной досок сор­
тамента пиломатериалов и с учетом их острожки по кромкам. За­
тем, учитывая, что размеры сжато-изгибаемого элемента в наи­
большей степени зависят от изгибающего момента, можно опре­
делить требуемый момент сопротивления
и требуемую высоту
сечения hw, исходя из формулы изгиба, в которой влияние про­
дольной силы можно учитывать коэффициентом 0,8:
w w = M K 0,8ЛИ); K - J w Q b .
После этого высоту сечения следует увязать с толщиной досок
8, из которых склеивается арка после их острожки.
Нормальные сжимающие напряжения в сечениях арки прове­
ряют по формуле (2.11):
а = N/A + M J W < Rc,
где Мд = М/%\ %= 1 - NX2/(3000RCA).
Здесь N — продольная сила, которую можно принять действу­
ющей в коньке сегментной арки и в четверти пролета треуголь­
ной или стрельчатой арки. При расчете сегментной арки расчет­
ная длина /р = 0,58 -2s= 1,16s; при расчете треугольной и стрельча­
той арок /р = s, где s — длина полуарок.
Расчетное сопротивление сжатию должно приниматься с уче­
том высоты сечения /яб, ветра тп и толщины досок тсп.
Скалывающие напряжения проверяют в концах полуарки по
формуле (2.16). При эксцентричном опирании прямой полуарки
частью торца в числитель этой формулы вводится коэффициент,
учитывающий концентрацию скалывающих напряжений Кск. При
высоте торца полуарки /ц, равном половине высоты сечения арки,
Кск = 2. Подбор сечения нижнего пояса или затяжки и проверку
168
напряжений в их сечениях производят по формулам расчета на
растяжение деревянных или стальных элементов.
Расчет на устойчивость плоской формы деформирования верх­
него пояса особенно необходим при расчете клеедеревянных арок,
которые имеют сечения пояса значительной высоты А при отно­
сительно малой его ширине Ь. Этот расчет должен исключать опас­
ность выхода пояса из вертикальной плоскости до момента поте­
ри им несущей способности по прочности. Верхние пояса арок
закрепляются от выхода из вертикальной плоскости скатными
связями в точках, равные расстояния между которыми называют
расчетными длинами /р. Эти связи, как правило, располагаются
близ верхних кромок арок.
При действии отрицательных изгибающих моментов верхняя
зона арки оказывается растянутой и закрепленной связями, а
нижняя — сжатой и не закрепленной. В этом случае опасность по­
тери устойчивости в плоской форме деформирования выше, чем
при положительных изгибающих моментах, когда закрепленной
связями оказывается сжатая зона арки, и ее проверка более необ­
ходима.
Устойчивость плоской формы деформирования верхнего пояса
сегментной клеедеревянной арки, имеющего площадь сечения
А = bh, момент сопротивления W= bh2/ 6, длину полуарки s, цен­
тральный угол ее оси — <Хр (рад) и закрепленного из плоскости
скатными связями поверху с шагом /р, на которую действует про­
дольная сила N и отрицательный изгибающий момент МД, опре­
деляют по формуле
ЛГ/(<ру К ^ А ) + Мд/(Фм/ГпЛЛ Ж ) < 1,
(6.6)
где (ру, <рм — коэффициенты устойчивости; сру = 3000/Х^; Ху =
= s/(0,29Ь); <рм = Ш Ь2/(1рИ)Кф при К$ = 1,13; KnN, КпМ— коэффи­
циенты; KnN = 0,75 + 0,06(/р/А)2 + 0,6Ор/р/А; КпМ = 0,142(/р/А) +
+ 1,76(А//Р) + 1,40,.
Расчетной длиной полуарки из ее плоскости является длина ее
оси s.
Если условие формулы (6.6) не соблюдается, шаг скатных свя­
зей должен быть уменьшен или необходимы дополнительные свя­
зи, закрепляющие из плоскости нижнюю зону полуарки.
Расчет узлов арок производят на максимальные действующие
в них продольные N и поперечные Q силы, а также при наличии
нижних поясов или затяжек и на действие усилий в них и опор­
ных реакций Л и Я.
Опорный узел клеедеревянной арки без затяжки проверяют по
прочности древесины при смятии по формуле (2.15). В опорном
узле сегментной или стрельчатой арки торец полуарки перпенди­
кулярен ее оси, продольная сила ^действует вдоль волокон дре­
весины при угле смятия а = 0, и расчетное сопротивление смятию
169
является максимальным, равным расчетному сопротивлению сжа­
тия Rc. В опорном узле треугольной арки торец полуарки обычно
перпендикулярен продольной и поперечной силе, и сминающая
сила N CM= t] N 2 + Q 2 . Эта продольная сила действует под углом к
волокнам древесины, определяемым из выражения tga = Q/N, и
поэтому расчетное сопротивление смятию Л,;ма несколько ниже и
его определяют по формуле (2.14).
Число болтов крепления конца сегментной и стрельчатой арок
к боковым фасонкам башмака определяют по величине попереч­
ной силы Q, как двухсрезных, работающих симметрично при сталь­
ных накладках под углом a = 90° к волокнам древесины. В опорном
узле треугольной арки, где равнодействующая сил N и Q прило­
жена перпендикулярно торцу полуарки, сдвигающая сила отсут­
ствует и болты крепления являются не расчетными, а конструк­
тивными.
Опорный лист башмаКа работает на изгиб как балка на упру­
гом основании. Максимальный изгибающий момент в его сечении
при расчетной ширине b = 1 см определяют по приближенной
формуле
M = ( qil ] - q 2l22)/S,
(6.7)
где qx и q2 равны давлению торца полуарки и реактивному давле­
нию фундамента, а /, и /2 равны соответственно длине листа и
ширине сечения арки.
Требуемую толщину опорного листа определяют из выражения
5^, = yj6M/R. Анкерные болты рассчитывают на срез и смятие
при действии поперечных сил по нормам проектирования сталь­
ных конструкций. Поверхность опор рассчитывают на смятие от
действия продольных сил N.
Расчет опорного узла сегментной или треугольной клеедеревян­
ной арки с затяжкой из двух стальных уголков (см. рис. 6.3, а)
производят по прочности при смятии двух наклонных лобовых
упоров торца полуарки в элементы башмака. Нижнюю горизон­
тальную площадь упора АГрассчитывают на смятие от действия на
нее через опорный лист вертикальной опорной реакции R по фор­
муле ст = R/Ar < Rcua, где расчетное сопротивление смятию опре­
деляют при угле наклона касательной оси арки а = щ. Вертикаль­
ную площадь упора Ав рассчитывают на смятие диафрагмой от
горизонтального усилия в затяжке по a = R/AT < RCMa, где угол
смятия a = 90° - Oq. Расчетные сопротивления смятию определяют
в соответствии со значениями этих углов по формуле (2.14).
Опорный лист этого башмака работает на изгиб как стальная
пластинка, опертая по трем сторонам с консолями на реактивное
давление опоры и вертикальное давление торца полуарки. Диаф­
рагма работает и рассчитывается на изгиб как стальная пластин­
170
ка, опертая по трем сторонам на горизонтальное давление торца
полуарки.
В опорном узле с наклонной ребристой диафрагмой (см. рис.
6.3, б) торец полуарки проверяют на смятие силой N вдоль воло­
кон древесины. Число двухсрезных болтов определяют по величи­
не поперечной силы Q, а диафрагму рассчитывают на изгиб от
давления торца полуарки, как балку пролетом, равным расстоя­
нию между боковыми фасонками башмака.
Длины сварных швов, соединяющих элементы башмака, креп­
ление к нему накладок затяжки определяют с учетом растягиваю­
щей силы в затяжке по нормам проектирования стальных конст­
рукций. Анкерные болты арок с затяжками не воспринимают рас­
пора и являются конструктивными.
Опорный узел арки с клеедеревянной затяжкой и соединения­
ми на вклеенных стальных стержнях рассчитывают на усилие рас­
тяжения в затяжке в соответствии с несущей способностью вкле­
енных стальных стержней, которую определяют по формуле (3.10).
Опорную площадь горизонтального торца конца полуарки рас­
считывают на смятие под углом а = 90° - Oq (ocq — угол наклона
касательной к оси полуарки в центре узла) и на давление опор­
ной реакции. При сборной конструкции этого узла вертикальную
площадь конца полуарки проверяют на смятие, стальную шайбу —
на изгиб от давления усилия в нижнем поясе арки, а концы сво­
бодных стержней с нарезками проверяют на растяжение.
При расчете конькового узла сегментной клеедеревянной арки
со стальными узловыми креплениями проверяют прочность лобо­
вых упоров торцов полуарок в упорные листы креплений на смя­
тие продольными силами, действующими вдоль волокон древеси­
ны. Число двухсрезных симметрично работающих болтов, соеди­
няющих концы полуарок с фасонками креплений, рассчитывают
по величине поперечной силы Q, действующей в узле, с учетом
того, что эта сила давит на болты под углом смятия а = 90° к
волокнам древесины, поэтому при определении несущей способ­
ности болтов надо вводить коэффициент К^. Монтажные болты,
соединяющие упорные листы, рассчитывают на действие попе­
речной силы. Стальные листы крепления не требуют расчета, так
как обычно работают со значительными запасами прочности.
Расчет коньковых узлов треугольных и стрельчатых клеедере­
вянных арок производят аналогично с учетом того, что продоль­
ная и поперечная силы действуют здесь под углами к волокнам
древесины, равными а и 90° - а (а — угол наклона касательной к
оси полуарки в этом узле).
Расчет коньковых узлов клеедеревянных и брусчатых малопро­
летных арок с накладками из досок и с болтовыми креплениями
(см. рис. 6.4, б) производят на смятие торцов полуарок продоль­
ными силами N. Требуемое число соединительных болтов опреде­
171
ляют при действии поперечной силы Q. При этом каждая полови­
на накладки условно считается консольной балкой пролетом /,
равным расстоянию между рядами болтов, и консолью а, равной
расстоянию крайнего ряда болтов от оси узла, где действует по­
перечная сила Q. При этом в ближайшем к оси узла ряду болтов
возникает усилие Rt = Q(l + а)/1, а в дальнем ряду — R2 = Qa/l. По
этим усилиям определяют требуемое количество болтов с учетом
того, что они работают под углами к волокнам древесины как
двухсрезные и симметричные. В ближайшем к оси узла ряду ставят
обычно два болта, а в более дальнем — один болт. Сами накладки
обычно работают на изгиб с избыточным запасом прочности.
Определяем рациональную кривизну полуарок стрельчатых арок.
Стрельчатая форма дает возможность принимать такую кривизну
полуарок, при которой изгибающие в них моменты и соответственно
сечения будут близки к минимальным. Этого можно достичь мето­
дом выравнивания положительных и отрицательных изгибающих
моментов, действующих в арке. Статические расчеты показывают,
что при сочетаниях равномерно распределенных и сосредоточен­
ных в зоне конька расчетных нагрузок в этих арках возникают как
положительные М+, так и отрицательные М. изгибающие моменты.
Эти моменты, особенно от сосредоточенных нагрузок, существен­
но зависят от кривизны полуарок. При увеличении радиуса кривиз­
ны растут положительные изгибающие моменты. При уменьшении
этого радиуса увеличиваются отрицательные моменты в полуарках.
Меняя величину радиуса кривизны полуарок, можно опреде­
лить и принять такой радиус кривизны, при котором положи­
тельные и отрицательные моменты будут близки по величине или
даже равны. При этом расчетный изгибающий момент будет наи­
меньшим. Соответственно требуемые размеры сечений будут тоже
близки к минимальным, так как они намного больше зависят от
изгибающих моментов, чем от продольных сил. Решение этой за­
дачи может быть получено с разной степенью точности.
Приближенное решение. Принимается стрельчатая арка пролетом / и
высотой h с полуарками, оси которых очерчены по части дуг окружнос­
ти. На эту арку действуют следующие основные расчетные нагрузки: по­
стоянная g, условно равномерно распределенная по длине пролета от
собственного веса всех элементов покрытия и арки; временная равно­
мерная снеговая нагрузка s на левой или правой половине пролета арки;
временные сосредоточенные силы 2 Р от веса подвижного оборудования,
приложенные в виде двух сил на расстояниях а от конька. Ветровой на­
грузкой, усилия от которой меньше зависят от кривизны полуарок, и
коэффициентом сочетания нагрузок пока можно пренебречь.
Принимаем прямоугольную систему координат с началом в центре
левой опоры арки. Задаем точку близ середины левой полуарки с абсцис­
сой JC//4 = 1/4, равной четверти пролета арки, в зоне которой возникают
максимальные изгибающие моменты. Ищем ординату этой точки х ;/4 при
172
условии, чтобы максимальные положительные и отрицательные изгиба­
ющие моменты были численно равны и соответственно близки к мини­
мальному расчетному изгибающему моменту.
Составляем общие выражения этих моментов — положительного А/+
от g и s на левом полупролете арки и отрицательного Л/_ от g , s на правом
полупролете арки и подвесного оборудования 2Р: М+ = 3g/2/32 - (gl2/S f)y +
+ si 2/ 16 - (sl2/ \ 6 f ) y ; М. = 3g/2/32 - (g/2/8/).V + ^ 2/32 - (sl2/ \6 f) y + Pl/4 - [P(l/2 - a)/4]y.
Эти выражения суммируем и сумму приравниваем нулю. В результате
простых преобразований получаем искомое значение ординаты точки
Уif4 в функции от высоты арки /:
У"*
0,75(2g + s)l + 2P
,
(2g + s )l + 4 Р (1 - 2а//)
В случае если действует не две, а одна сила Р, сосредоточенная в
коньке арки, эта формула приобретает вид
0,75(2g + 5 )/ + 2Р
(2g + s )i + 2P
J'
Таким образом, получены координаты третьей точки оси левой полу­
арки х = //4, у = у{/4 в дополнение к двум известным — на опоре х = 0,
у = 0 и в коньке х = 1/2, у = /, по которым можно графически или анали­
тически получить величину радиуса кривизны полуарки, близкую к ра­
циональной, и уравнение ее оси.
Более точно определить оптимальную кривизну осей полуарок стрель­
чатой арки можно с помощью ЭВМ. Например, можно задаться коорди­
натами не одного сечения, а трех сечений в средней зоне полуарки с
абсциссами х х - 1/6, х2 = I/ 4 и х3 = 1/3 и определить радиус кривизны
полуарки, при котором разница между максимальными положительны­
ми и отрицательными моментами в каждом из этих сечений не превы­
шала бы заданной величины, например 5 %.
С помощью ЭВМ задача оптимизации кривизны полуарок
стрельчатых арок решается с любой степенью точности. При этом
можно учитывать также ветровую и любую другую действующую
на арку нагрузку. Может быть определен такой радиус кривизны
полуарок, при котором положительные и отрицательные момен­
ты будут равны не в одних и тех же сечениях, а в двух различных
сечениях с разными координатами.
Пример 6.1. Подобрать и проверить сечение клеедеревянной сегмент­
ной трехшарнирной арки с затяжкой из стальных уголков пролетом 24 м
и высотой 4 м. Решить и рассчитать ее узлы. На арку действуют следую­
щие расчетные нагрузки, отнесенные к длине ее пролета: условно рав­
номерно распределенная нагрузка от собственного веса покрытия и арки
g = 3 кН/м; равномерно распределенная снеговая нагрузка s = 6 кН/м на
левом, правом полупролетах и на всем пролете; треугольная снеговая на­
173
грузка sb максимальная на опорах s{ = щ /\лх = 6-2/0,75 = 16 кН/м, на
левом или правом полупролете.
Р е ш е н и е . Геометрический расчет оси левой полуарки в прямоуголь­
ных координатах с началом в центре опорного узла. Пролет / = 24 м,
высота/ = 4 м. Радиус кривизны г = (/2 + 4/ 2)/(8/) = (24 + 4-42)/(8-4) =
= 20 м. Центральный угол sincp = l/(2r) = 24/2-20 = 0,6, ср = 36° 52'= 0,64 рад.
Длина оси s* = г<р = 20-0,64 = 12,8 м. Проекцию оси разбиваем на семь
сечений от Xq = 0 до % = 12 м с шагом 2 м.
Координаты сечений
у = ^г2 - (//2 - х)2 - r + f = J 202-(24/2-jc)2 -20+4.
Углы наклона касательных к оси sinaj = ( 1/2 - х )/г = (24/2 - jc)/20.
Например, х3= 6 м, у3 = ^202 -(24/2 - 6 )2 - 20 + 4 = 3,08 м. Тогда sina3=
= (24/2 - 6)/20 = 0,30; а 3 = 17°28'; cosa3 = 0,95.
Промежуточные вычисления опускаем. Результаты сводим в табл. 6.1.
Статический расчет . Определим опорные реакции R, усилия в за­
тяжке Я, изгибающие моменты М, продольные Q и поперечные А^силы.
Усилия от равномерно распределенной снеговой нагрузки s = 6 кН на
левом полупролете арки:
R = 3s//8 = 3-6-24/8 = 54 кН; Я = */2/(16/) = 6-242/(l6-4) = 54 кН;
Мъ = R x - Ну - sx2/2 = 5 4 -6 - 54-3,08 - 6 - 6 2/2 = 50 кН-м; Ar0 = /?sina +
+ # c o sa = 54*0,6 + 54-0,8 = 75,5 кН; N6= Н - 54 кН; Q0 = /^cosa- tfsina =
= 54*0,8 - 54-0,6 = 10,8 кН; Q6 = R - si/2 = 54 - 6*24/2 = -18 кН.
Усилия от равномерно распределенной снеговой нагрузки s на пра­
вом полупролете:
R = si/ 8 = 6*24/8 = 18 кН; Я = sl2/(\6f) = 6*242/(16*4) = 54 кН;
Мъ = Rx - Ну = 18*6 - 54*3,08 = -58,3 кН*м; N0 = ^sin a + R cosa =
= 18*0,6 + 54*0,8 = 54 кН; Я6 = Н - 54 кН; Q0 = 7?cosa - Я з т а = 18*0,8 - 54*0,6 =-18 кН; Q6 = R= 18 кН.
Усилия от треугольной снеговой нагрузки на левом полупролете, рав­
ной на опоре 5= 16 кН/м:
R= 5^,//24 = 5* 16*24/24 = 80 кН; Я = 51/2/(48/) = 16*242/(48-4) = 48 кН;
Мъ= R x - H y - s £ / 2 + « 7 (3 0 = 80*6 - 48*3,08 + l6*62/2 + 16*67(3*24) =
Т а б л и ц а 6.1
Координаты сечений и углы наклона касательных к оси
Сечение
0
1
2
3
4
5
6
174
X
У
0
2
4
6
8
10
12
0
1,32
2,33
3,08
3,60
3,90
4,0
а*
35°52'
—
23°35'
17° 28'
—
—
0
sina„
0,60
—
0,40
0,30
cosa„
0,80
—
0,92
0,95
—
—
—
0
—
1
= 92,2 кН-м; N0 = R sina + # c o s a = 80-0,6 + 48-0,8 = 84,4 кН; N6 =
= H —48 кН; Q0 = /?cosa - # sin a = 80-0,8 - 48-0,6 = 35,2 кН; Q6 = R - S\l/4 =
= 80 - 16-24/4 = 16 кН.
Усилия от треугольной снеговой нагрузки на правом полупролете арки
= 16 кН/м:
R = *,//24 = 16-24/24 = 16 кН; Я = *,/2/(48/) = 16-24/(48-4) = 48 кН;
Л/3 = R x - Ну = 16*6 —48-3,06 = 51,8 кН-м; N0 = /?sina + # c o sa = 16 0,6 - 48-0,8 = 48 кН; N6 = H= 48 кН; 0о = *cosa - tfs in a = 16-0,8 - 48-0,6 =
= -16 кН; <26 = R = 16 кН.
Усилия от двусторонней снеговой равномерно распределенной на­
грузки получают путем сложения усилий от равномерно распределенной
снеговой нагрузки на левом и правом полупролетах. Усилия от собствен­
ного веса получают путем умножения снеговой равномерной нагрузки
на всем пролете на отношение этих нагрузок, равное 3/6 = 0,5. Получен­
ные усилия сводят в табл. 6.2. Промежуточные вычисления опускают.
Подбор сечений и проверка напряжений в сечениях арки. Максимальный
изгибающий момент М= 88,6 кН-м = 0,0866 МН-м. Продольная сжима­
ющая сила N = 102,0 кН = 0,102 МН. Принимается древесина 2-го сорта
в виде досок сечением после острожки 2,4x14 см, резорциновый клей
марки ФР-12. Расчетное сопротивление древесины при сжатии и изгибе
при ширине Ъ > 13 см R^ = R„ = 15 МПа.
Приближенно требуемый момент сопротивления W.ф = Л//0,8ЛИ =
= 0,0886/(0,8-15) = 7380-10"6 м3 = 7380 см3.
Требуемая высота сечения
= ^6 W ^jb = <^6-7380/14 = 56,2 см.
Принимаем 25 досок по высоте h = 2,4-25 = 60 см >
сечение bxh =
= 14x60 см.
Проверка нормальных напряжений при сжатии с изгибом. Расчетное
сопротивление древесины при сжатии с учетом коэффициентов условий
работы при высоте сечения тб = 0,96 и толщине слоев тсл = 1,05 R* =
= R^mbmcn = 15-0,96-1,05 = 15,1 МПа.
Площадь сечения А , момент сопротивления W\ расчетная длина /р,
радиус инерции г и гибкость X:
А = bh = 0,14-0,6 = 0,084 м2; W= bh2/ 6 = 0,14-0,62/6 = 0,0084 м3; /р =
= 1,16** = 1,16-1280 = 1484 см; г = 0,29Л = 0,29*60 = 17,4 см; X = /р/г =
= 1484/17,4 = 85 < 120; X > 70.
Коэффициент учета дополнительного момента при деформации £ и
изгибающий момент с учетом деформаций Л/д:
%= 1 - NX2/(m O R*cA) = 1 - 0,102*857(3000* 15,1*0,084) = 0,81; Мд =
= ЛГ/£ = 0,0886/0,81 = 0,11 МН *м.
Максимальное напряжение сжатия a = N/A + M J W = 0,102/0,084 +
+ 0,11/0,0084 = 14,5 МПа < R*.
Проверка скалывающих напряжений при максимальной поперечной силе
Q = 0,049 МН и расчетном сопротивлении скалыванию
= 1,5 МПа.
Статический момент и момент инерции сечения арки:
S = b h 2/ 8 = 0,14 0,62/8 = 0,063 м3;
/ = bh3/ 12 = 0,14-0,63/12 = 0,00216 м4.
Максимальное напряжение скалывания т = QS/(Ib) = 0,049 0,063/
/(0,00216*0,14) = 1,0 МПа < R^.
175
Т а б л и ц а 6.2
Усилия в сечениях левой полуарки
Усилия
от снеговой
от снеговой равномерно
треугольной
распределенной нагрузки
нагрузки
Сече­ от собст­
5=6 кН/м
5=16 кН/м
ние венного
веса g =
на
на
на
на
= 3 кН/м левом правом на всем левом правом
полу- полу- пролете полу- полупролете пролете
пролете пролете
расчетные
Изгибающие моменты М, кН м
гр. 2 + гр. 2 +
+ гр. 6 + гр. 4
1
-5,3
+24,7
-32,5
-10,6
+66,5
-31,4
+61,2
-40,4
2
-5,8
+42,2
-53,8
-11,6
+94,4
-47,8
+88,6
-59,4
3
-4,4
+50,0
-58,3
-8,7
+92,2
-51,8
+86,0
-62,7
4
-2,4
+45,6
-50,4
-4,8
+69,0
-44,8
+66,6
-52,8
5
-0,6
+29,4
-30,6
-1,2
+35,0
Продольные силы N , кН
-27,2
+34,4
-31,2
2
64,8
75,6
54,0
129,5
86,4
48,0
3
54,0
54,0
54,0
108,0
48,0
48,0
(гр. 2 + гр. 5) =
=194,3
102,0 108,0
(гр. 2 + гр. 5) =
= 162,0
Поперечные силы Q, кН
0
13,8
10,8
16,8
27,6
35,2
-16,0
гр. 2 + гр. 6 =
= 49,0
6
0
-18,0
+18,0
0
-16,0
+16,0
гр. 3, 4± 18
Проверка устойчивости плоской формы деформирования при максималь­
ном отрицательном изгибающем моменте М = 0,0627 М Н м и продоль­
ной силе N = 0,108 МН.
Верхняя кромка полуарки растянута и закреплена скатными свя­
зями через каждые /р = 320 см, а нижняя кромка сжата и не закрепле­
на из плоскости. Такое закрепление при проверке устойчивости счи­
тается сплошным, так как соблюдается условие 140b2/h = 140* 142/60 =
= 457 см > 320 см.
Расчетная длина нижней кромки полуарки из плоскости при сжатии
считается равной ее длине: /р = S = 1280 см.
Гибкость полуарки из ее плоскости Ху, коэффициент устойчивости
при сжатии
и коэффициент устойчивости при изгибе q>M:
176
ХУ = /р/ r = 1280/(0,29-14) = 315; ф, = 3000/Xj = 3000/3152 = 0,03; Фл/ =
= \ 40 bKp/(lph) = 140* 14-1,13/(1280-60) = 0,4.
Коэффициенты KnNn КпМ при центральном угле оси полуарки а = 36° =
= 0,63 рад:
KnN = 0,75 + 0,06(/р/Л)2 + 0,6ар(/р/Л) = 0,75 + 0,06(1280/60)2 + 0,6 х
х 0,63(1280/60) = 32,96;
^ пЛ/= 0,142(/р/Л) + 1,76(Л//Р) + 1,4ар = 0,142(1980/60) + 1,76(60/1280) +
+ 1,4-0,63 = 4,26.
Проверка: N / i ^ K ^ A ) +
= 0,108/(0,03-32,96-15,lx
х0,084) + 0,0814/(0,4*4,26* 15,1 *0,0084) = 0,97 < 1. Следовательно, ус­
тойчивость плоской формы деформирования при отрицательном изги­
бающем моменте обеспечена.
Проверка устойчивости плоской формы деформирования при поло­
жительном изгибающем моменте, когда закрепляется сжатая кромка
полуарки, не требуется, поскольку при этом она более обеспечена, чем
при отрицательном моменте.
Подбираем сечение затяжки. Продольная растягивающая сила N =
= 0,162 МН, расчетное сопротивление стали R = 240 МПа, требуемая
площадь сечения Aw = N /R = 0,162/240 = 6,75 -10^ м2= 6,75 см2. Принимает­
ся сечение из двух уголков 2Z 50x5. Площадь сечения уголков А = 4,8 •2 =
= 9,6 см2 > Атр.
Конструкция и расчет узлов. Опорный узел, соединяющий конец арки
с затяжкой и опорой, решается с помощью стального башмака, состоя­
щего из горизонтального опорного листа, двух вертикальных боковых
фасонок и упорной диафрагмы между ними. Опорный узел рассчитыва­
ют на действие максимальной опорной реакции R и наибольшего уси­
лия в затяжке Н при действии собственного веса g и двусторонней сне­
говой нагрузки s :
R = (g + s)l/2 = (3 + 6)24/2 = 108 кН; H = N 6 = 162,8 кН = 0,1628 МН.
Подбираем площадь сечения опорного горизонтального торца полу­
арки.
Расчетное сопротивление древесины смятию под углом смятия — а =
= 90° - «о = 90° - 35°52' = 54°08'; sincc = 0,81; ЛсМа = /^/[1 + (Лс/Л^о - l)sin3cc] = 15,1/[ 1 + (15,1/3 - 1)0,813] = 4,77 МПа.
Требуемая площадь смятия Лоп/гр = R/RcMa = 0,108/4,77 = 0,023 м3.
Принимаемая площадь смятия Аоп = b xh on = 14x20 = 280 см2 = 0,028 м2.
Напряжение смятия а = R/Aon = 0,108/0,028 = 3,9 МПа < RcMa.
Проверка напряжения смятия в вертикальной плоскости сечения тор­
ца полуарки, упирающегося в вертикальную диафрагму башмака. Угол
наклона оси полуарки в узле ocq = 35° 52', tga<) = 0,72.
Высота диафрагмы ha = h on/tg<Xo = 20/0,72 = 28 см = 0,28 м.
Площадь диафрагмы Ад = bxha = 0,14x0,28 = 0,039 м3.
Расчетное сопротивление древесины смятию под углом ocq = 35° 52';
sincto = 0,60; /?сМа = 15,1/[1 - (15,1/3 - 1)0,603] = 8,1 МПа.
Напряжение смятия а = Н/АЛ = 0,1628/0,039 = 4,2 МПа < Rcua.
Опорный лист и диафрагма башмака работают на нагрузки от давле­
ния торцовых площадей конца полуарки, равного по величине напряже­
нию смятия древесины, а опорный лист работает еще и на равномерное
давление опоры. Их рассчитывают как стальные пластинки, опертые по
177
трем сторонам, в соответствии с нормами проектирования стальных кон­
струкций. Стальную затяжку крепят к башмаку с помощью полосовых
накладок сварными швами, длина которых определяется по нормам про­
ектирования стальных конструкций.
Коньковый узел, соединяющий концы полуарок, содержит два сталь­
ных крепления и болты. Каждое крепление состоит из вертикального
упорного листа и двух боковых фасонок, соединенных сварными швами.
Расчет конькового узла производится на действие максимальной про­
дольной силы А'б = 162 кН и поперечной силы Q6 =18 кН.
Проверка торцевых сечений полуарок производится на смятие вдоль
волокон древесины при расчетном сопротивлении /^ = 15,1 МПа.
Высота торцевого сечения в узле Луз = h0J coscxq = 0,20/0,80 = 0,25 м.
Площадь сечения Луз = bxh ^ = 0,14x0,25 = 0,035 м2. Напряжение смятия
асм = N/Ayt = 0,0162/0,035 = 4,6 МПа <
Определение числа болтов крепления полуарки. Принимаются болты ди­
аметром d = 2 см. Они работают как симметричные двухсрезные пш = 2
при толщине сечения полуарки Ъ - с = 14 см под углом а = 90° к волокнам
древесины. При этом коэффициент Ка = 0,55. Несущая способность болта
в одном срезе: по изгибу Ги = 2,5d 2jK^, = 2,5 •22yj0,55 = 7,4кН = Т\ по
смятию древесины Тш = 0,5а/А^ = 0,5 • 14 •2 •0,55 = 7,7 кН. Требуемое число
болтов пд = Q/Tnm = 18/(7,4-2) = 1,2 шт.
Принимаем два болта диаметром d =20 мм.
Пример 6.2, Определить рациональное очертание оси, подобрать и
проверить сечение, подобрать и рассчитать узлы клеедеревянной стрель­
чатой трехшарнирной арки без затяжки, опертой на фундаменты. Арка
имеет пролет 24 м и высоту 10 м.
На арку действуют расчетные нагрузки: постоянная нагрузка g =
= 3 кН/м от собственного веса кровли, настила, арки и стационарных
подвесных конструкций, условно распределенная по длине пролета арки;
снеговая 5 = 6 кН/м, условно равномерно распределенная по длине
пролета по левому или правому полупролету; ветровая при давлении w+=
= 0,8 кН/м и отсосе
= 0,8 кН/м, условно равномерно распределенная
по длине хорд полуарок. Временная нагрузка от веса подвижного обору­
дования с грузом в виде двух сил 2Р = 2*25 кН, сосредоточенных на
расстояниях а = 2 м от конька арки.
Р е ш е н и е . Геометрический расчет. Начало прямоугольных координат
принимают в центре левого опорного узла арки. Пролет арки / = 24 м,
высота/= 10 м. Очертание осей полуарки принимают по дугам окружно­
сти. Высоту оси полуарки рационального очертания в четверти пролета
арки определяют приближенно по формуле
y v4 = [0,75 (2g + s) I + 2 P] f/[(2g + s) I + 4(1 - 2a/l)P] =
= [0,75(2-3 + 6)24 + 2-25] 10/[(2*3 + 6)24 + 4(1 - 2*2/24)25] = 7 м.
Этой высоте приближенно соответствует часть дуги окружности с
радиусом около 19 м. Принимаем радиус оси полуарки г= 20 м.
Рассчитаем геометрические величины и функции оси левой полуар­
ки. Угол наклона хорды а, длина хорды /х, центральный угол дуги ср,
178
длина оси 5*, угол наклона первого радиуса ф0, координаты центра дуги
b и с, координаты сечений оси х и у, координаты сечений по хорде z ,
углы наклона касательных к оси а„:
tgcc = 2/7/=2-10/24 = 0,83; а = 39°42'; sina = 0,64; cosa = 0,77; lx = f/ sina =
= 10/0,64 = 15,62 м; sii^ /2 = /х/(2г) = 15,62/(2*20) = 0,39; ф/2 = 23°; ф =
= 46° = 0,83 (рад); s* = гфр = 20*0,83 = 16,06 м; ф0 = 90° - a - ф/2 = 90° - 39°42' - 23° = 27° 18'; соБфо = 0,89; 5Шф0 = 0,46; b = гбшфо = 20-0,46 =
= 9,2 м; с = г cos ф0 = 20-0,89 = 17,8 м; у = yjr2 - (с - x f - b =
= yjw 2 - (17,8 - х ) 2 -9,2; z = x / cosa; sina^= (с - x )/r = (17,8 - х)/20; a 0 =
= 90° - a = 90° - 27° 18' = 62° 42'; a* = Oq - <p = 62° 42' - 46° = 16° 42'.
Полупролет арки делят на шесть равных частей, образующих семь
сечений от х = 0 до jc = 12 м. По приведенным формулам определяют
координаты сечений, углы наклона касательных к оси полуарки в этих
сечениях и необходимые тригонометрические функции.
Например, х3 = 6 м; у3 = ^202 —(17,8 —6)2 -9 ,2 = 6,95 м; z = 6/0,77 =
= 7,80.
Полученные величины сводят в табл. 6.3.
Статический расчет. Опорные реакции R n Н, изгибающие моменты
М9 продольные N и поперечные Q силы в сечениях левой полуарки. Вы­
числения усилий приводят только в основных расчетных сечениях. Про­
межуточные вычисления опущены.
Равномерно распределенная снеговая нагрузка 5 = 6 кН/м на левом
полупролете R = 3j//8 = 3-6*24/8 = 54 кН; Я = sl2/( \ 6 f ) = 6-242/(1 6 -10) =
= 21,6 кН; M3 = Rx3 - Нуъ - sx\/2 = 54-6 - 21,6-6,95 - 6-62/2 = 66,1 кН-м;
# 3 = /?sina3+ # c o sa 3-5 x 3sina3 = 54-0,59 + 21,6*0,81 - 6-6*0,59 = 28,4 кН;
N6 = N = 21,6 кН; 0o = ^coscto - tfsincco = 54-0,46 - 21,6-0,89 = 56 кН;
Q6 = R - sl/2 = 54 - 6-24/2 = 18 кН; N q = 54-0,89 + 21,6-0,46 = 57,8 кН.
Снеговая нагрузка на правом полупролете 5 = 6 кН/м; R = si/ 8 = 6-24/8 =
= 18 кН; Н = 21,6 кН; Мъ = R x 3 - Нуъ = 18-6 - 21,6*6,95 = 41,9 кН-м;
А'о = 18-0,89 + 21,6-0,46 = 25,8 кН; N3 = /?sina3 + /?cosa3 = 18-0,59 +
+ 21,6-0,81 = 28,1 кН; А^6 = Я = 21,6 кН; Q0 = R coso q - Я я п о о = 18-0,46 - 21,6-0,89 = 10,9 кН; Q6 = R = 18 кН.
Таблица 6.3
Геометрические величины оси левой полуарки
Сечение
х„
Уп
Zn
0
1
2
3
4
5
б
0
2
4
6
8
10
12
0
3,06
5,28
6,95
8,23
9,21
10,0
0
2,60
5,20
7,80
10,40
13,00
15,62
a„
62°42'
—
43°38'
3640'
—
—
1642'
sina„
0,89
—
0,69
0,59
—
—
0,29
cosa.
0,46
—
0,72
0,81
—
—
0,98
179
Нагрузка от подвижного оборудования с грузом 2Р = 2 •25 кН; R = Р =
= 25 кН; Я = R(l/2 - a)/f= 25(24/2 - 2)/10 = 25 кН; М= Rx3 - Я^3 = 25 *6 - 25-6,95 = 23,5 кН-м; N0 = 25-0,89 + 25-0,46 = 33,8 кН; N3 = /fcina3 +
+ Ясобссз = 21-0,59 + 25-0,81 = 35,0 кН; N6 = Н = 25 кН; Q0 = /?cosa0 - Hsinoo = 25-0,46 - 25-0,89 = -10,7 кН; Q6 = 0.
Нагрузка от ветра слева w+ = w. = 0,8 кН/м;
М= w+x3(lx - x 3)/2 = 0,8-6(15,62 - 6)/2 = 23,1 кН-м.
Усилия от снеговой нагрузки на всем пролете равны сумме усилий
от этой нагрузки на полупролетах. Усилия от собственного веса равны
усилиям от снега на всем пролете, умноженным на отношение этих
нагрузок, равное g/s = 3/6 = 0,5. Усилия от правостороннего ветра имеют
те же величины, что и от левостороннего, но с обратным знаком. Ма­
лыми продольными силами и поперечными силами от ветровой нагруз­
ки можно пренебречь. Опуская промежуточные вычисления, получен­
ные значения сводят в табл. 6.4. Максимальные усилия определяют с уче­
том коэффициента сочетания двух и более временных нагрузок К = 0,9.
Подбор сечений и проверка напряжений в арке при сжатии с изгибом.
Максимальный изгибающий момент М - 93,6 кН-м = 0,936 МН м. Соот­
ветствующая продольная сила N = 56,7 кН = 0,0567 МН.
Принимаем древесину 2-го сорта в виде досок сечением после ост­
рожки 5x6 = 2,4x14 см и резорциновый клей ФР-12. Расчетное сопро­
тивление древесины при сжатии и изгибе с учетом ширины сечения b >
> 13 см и ветровой нагрузки Rc = RK= 15* 1,2 = 18 МПа. Требуемый прибли­
женно момент сопротивления сечения W^ = М/0,8/?и = 0,0936/(0,8-18) =
= 6500* 10-6 м3 = 6500 см3. Требуемая высота сечения
= j6 W w /b =
= >/6- 6500/14 =52,8 см. Принимаем сечение из 23 слоев досок bh =
= 23-14*2,4 = 770 см.
Проверка нормальных напряжений при сжатии с изгибом. Расчетное со­
противление сжатию и изгибу с учетом коэффициентов условия рабо­
ты — ветровой нагрузки mw = 1,2, высоты сечения ть = 0,98 и толщины
слоев тсл = 1,05 R£ = RK= 15* 1,2-0,98-1,05 = 18,5 МПа. Определяем пло­
щадь А и момент сопротивления сечения W, расчетную длину /р, радиус
инерции г, гибкость X, коэффициент устойчивости ср и коэффициент
учета дополнительного момента при деформации
А = bh = 0,14-0,55 = 0,77 м2; W= bh2/6 = 0,14-0,552/6 = 0,00706 м3; /р =
= 5 = 1606 см; г = 0,29h = 0,29*55 « 16 см; X = /р/г = 1606/16 = 100 > 70;
Ф = ЗОООД2 = 3000/1002 = 0,3; § = 1 - Aft2/(3 0 0 0 /^ ) = 1 - 0,0567- ЮОДЗОООх
х 18,5-77) = 0,87; Мд = М/% = 0,0936/0,87 = 0,108 МН-м; напряжение
a = N/A + MR/W = 0,0567/0,077 + 0,108/0,0706 = 16,0 МПа < R£.
Проверка скалывающих напряжений. Максимальная поперечная сила
Q = 36 кН = 0,036 МН. Расчетное сопротивление скалыванию с учетом
его значения из норм, равного 1,5 МПа, и коэффициента условий рабо­
ты при ветровой нагрузке R<.K= 1,5* 1,2 = 1,8 МПа. Статический момент и
момент инерции сечения на опоре, имеющего размеры Z>xh = 0,14x0,3 м.
Ветровая нагрузка и момент инерции:
5= bh2/ 8 = 0,14*0,32/8 = 0,00158 м3; /= bh3/ 12 = 0,14*0,33/12 = 0,00315 м4.
Напряжение т = QS(Ib) = 0,036 -0,00158/(0,000315 0,14) = 1,5 МПа.
180
Т а б л и ц а 6.4
Усилия в сечениях арки
Нагруз­
ка от
Сече­ собст­
ние венного
веса g =
= 3 кН/м
Усилия
от
от ветровой
от снеговой равно­
мерно распределенной подви­ нагрузки и>=
нагрузки s = 6 кН/м жного = 0,8 кН/м
обору­
дова­
на
на
ния с
на
при
левом правом всем грузом при ветре
полу­ полу­ проле­ 2Р= ветре спра­
проле­ проле­ те
= 2-25 слева ва
те
те
кН
расчетные
гр. 2 + гр. 2 +
+ гр. 3 + + ip. 4 +
+ гр. 7 + ip. 6 +
+ гр. 8
Изгибающие моменты, кН*м
1
-0,1
+29,9 -30,1
-25,5 +18,9 -18,9
+43,9
-67,1
2
+8,4
+59,9 -37,1 +16,8 -32,0 +21,7 -21,7
+81,9
-73,3
3
+12,1
+66,1 -41,9 +24,2 -24,2 +24,6 -24,6 +193,6
-69,6
4
+13,2
+62,2 -35,8 +26,4
+21,7 -21,7
+88,6
-43,5
5
+11,1
441,1 -18,9 +22,2 -22,5 +13,1 -13,1
+59,9
-17,7
-0,2
-5,8
Продольные силы, кН
0
41,8
57,8
25,8
83,6
33,8
—
—
147,5
3
28,3
28,4
28,1
56,6
38,0
—
—
56,7*
6
21,6
21,6
21,6
43,2
5,0
—
—
82,0
21,1
36,0
87,8*
Поперечные силы, кН
0
-2,7
+5,6
6
+18,0
+18,0 -18,0
-10,9
-5,3
-10,7
—
—
0
0
—
—
* Продольные силы N, возникающие при тех же сочетаниях нагрузок, что и
максимальные положительные А/+ и отрицательные Л/_ изгибающие моменты.
Проверка устойчивости плоской формы деформирования при мак­
симальном отрицательном изгибающем моменте М = 69,6 к Н м =
= 0,0696 М Н м и соответствующей продольной силе N = 87,8 кН =
= 0,0878 МН.
Размеры сечения bxh = 14x55 см. Площадь А = 0,077 м2. Момент со­
противления W - 0,00706 м3. Коэффициент учета дополнительного мо­
мента при деформировании £ = 1 - N/(q>R*A) = 1 - 0,0878/(0,3* 18,5 0,077) =
= 0,79. Изгибающий момент Мл = М /£ = 0,0696/0,79 = 0,088 МН м. Верх­
няя кромка полуарки при отрицательном изгибающем моменте растяну-
181
та и закреплена скатными связями через каждые /р = s/4 = 1606/4 = 401 см.
Такое закрепление считается сплошным, поскольку соблюдается усло­
вие 140b2/h = 140*14/55 = 490 см > 401 см. Нижняя кромка полуарки
сжата и из плоскости не закреплена. Расчетная длина полуарки из плос­
кости при сжатии /р = s = 1606 см. Гибкость из плоскости арки Ху = 1$/г =
= /р/(0,296) = 1605/(0,29*0,14) = 395. Коэффициент устойчивости ф =
= 3000/X2 = 3000/3952 = 0,02. Коэффициент устойчивости при изгибе (рм =
= \40Ь2Кф/(1рИ) = 140* 142*1,13/(1605*0,55) = 0,35. Коэффициент Кф= 1,13
учитывает форму эпюры изгибающих моментов. Коэффициенты К ^ и КпМ:
KnN= 0,75 + 0,06(/рЛ)2 + 0,6оСр/р/Л = 0,75 + 0,06( 1606/55)2 + 0,6 *0,8* 1606/55 =
= 66,7; КпМ= 0,142(/рА) + \,76(h/lp) + 1,4сср = 0,142*1606/55 + 1,76*55/1606 +
+ 1,4* 0,8 = 5,3, где оСр = 0,8 — центральный угол оси полуарки, рад.
Проверка устойчивости. N /i^ y K ^ ^ A ) +
= 0,0878/
/(0,02*66,7* 18,5*0,077) + 0,088/(0,35*5,3* 18,5*0,00706) = 0,46 < 1. Таким
образом, устойчивость плоской формы деформирования обеспечена. При
положительном изгибающем моменте, когда закреплена связями сжатая
кромка полуарки, ее устойчивость больше и проверка не нужна.
Конструкция ирасчет узлов. Опорный узел решается с помощью стально­
го башмака из опорного листа и двусторонних фасонок с отверстиями для
болтов (см. рис. 6.2). Его крепят к поверхности опоры нормальной к оси
полуарки. Расчет узла производят на действие максимальных продольной
N = 147,3 кН = 0,1473 МН и поперечной £? = 21,1 кН = 0,0211 МН сил.
Проверка торца полуарки на смятие продольной силой. Площадь смятия
А = bh{ = 0,14*0,3 = 0,042 м2. Угол смятия а = 0. Расчетное сопротивление
смятию вдоль волокон древесины Rc = 18,5 МПа.
Напряжение с = N/A = 0,1473/0,042 = 3,5 МПа < 7^.
Определение числа болтов крепления конца полуарки к фасонкам. При­
нимаем болты d = 2 см. Они воспринимают поперечную силу и работают
симметрично при ширине сечения Ь - с = 14 см, при двух швах пш = 2 и
угле смятия а = 90°. Коэффициент Ка = 0,55.
Несущая способность болта в одном шве: по изгибу болта Ги= 2,5d 2j K ^ =
=2,5-2^0,55 = 7,4 кН =Г по смятию древесины Тс = 0,5cdK^ = 0,5* 14х
х 2*0,55 = 7,7 кН. Требуемое число болтов пq = Q/(Tnm) = 21,7/(7,4 2) =
= 1,46.
Принимаем два болта диаметром 20 мм.
Определение толщины опорного листа. Лист работает на изгиб от давле­
ния торца полуарки и реактивного давления фундамента. Длина торца
1Х= Ъ= 14 см. Длина листа / 2 = 30 см. Расчетная ширина сечения b = 1 см.
Давление торца q{ = асм = 3,5 МПа = 350 Н/см. Давление фундамента q2=
= qxlx/l2 = 350* 14/30 = 163 Н/см2.
Изгибающий момент М = (q2lj - Я\12\)/% = (163*302 - 350* 142)/8 =
= 7800 Н*см = 78* 10'6 МН м.
Расчетное сопротивление стали R = 240 МПа. Требуемый момент со­
противления Wjp = M /R = 78 *10"6/240 = 0,33 *Ю-6 м3 = 0,33 см3. Требуемая
толщина листа 5.Р = V6JF = V6 0,33 = 1,4 см.
Принимаем толщину листа б = 14 мм.
Коньковый узел решается с помощью двух стальных креплений из упор­
ного листа и двух фасонок с отверстиями для болтов (см. рис. 6.4, а). Конь­
182
ковый узел рассчитывают на действие максимальных продольной N6 =
= 82 кН = 0,082 МН и поперечной Q6 = 36,0 кН сил.
Проверка торцового сечения полуарки на смятие под углом а6 = 1б°42'
к волокнам древесины. Расчетное сопротивление смятию /?сМа = /?сМ/[1 +
+ Rc/(RcM90 - l)sin3cc] = 18,5/[ 1 + 18,5/(3 - 1)0,293] = 16,8 МПа. Площадь
смятия А = 0,14-0,30 = 0,042 м2. Напряжение а = N/A = 0,082/0,042 =
= 13,8 МПа < Д,ма.
Определение числа болтов крепления конца полуарки к фасонкам. При­
нимаем болты диаметром d = 2 см. Они работают симметрично при числе
швов пш = 2 и толщине сечения полуарки Ь = с - 14 см под углом смятия
а = 90° - 16°42' = 73° 18' к волокнам древесины. При этом Ка = 0,52 в
соответствии со СНиПом.
Несущая способность болта в одном срезе: при изгибе TJi= 2,5d2y[K^=
= 2,5 • 22>/0,52 = 7,2 = Т\ по смятию древесины Тс = 0,5а/А^ = 0,5 • 14 •2 •0,52 =
= 7,3 кН.
Требуемое число болтов п = Q (Tnm) = 36,0/(7,2-2) = 2,5 шт.
Принимаем три болта диаметром d = 20 мм.
Вопросы для самопроверки
1. Какие типы деревянных арок применяются и где?
2. На какие нагрузки и усилия рассчитывают арки и как их опреде­
ляют?
3. Как подбирают и проверяют сечения клеедеревянных арок?
4. В чем особенности расчета стрельчатых арок?
5. В чем особенности расчета сегментных арок с затяжками?
6. Как конструируют и рассчитывают опорные узлы арок?
7. Как конструируют и рассчитывают коньковые узлы арок?
8. Как определяют оптимальную кривизну осей полуарок стрельчатых
клеедеревянных арок?
ГЛАВА 7
ДЕРЕВЯННЫЕ РАМЫ
7.1. Конструкции деревянных рам
Рамы являются одним из основных классов несущих деревян­
ных конструкций. Их форма вполне соответствует большинству
производственных и общественных зданий. Вертикальные стойки
и наклонные ригели служат основами для настилов покрытий и
обшивок стен. Однако рамы требуют большего расхода древесины
на изготовление, чем арки, поскольку форма их осей меньше со­
ответствует закономерностям действующих в них распределенных
и особенно сосредоточенных нагрузок. В отечественном строитель­
стве в основном применяют однопролетные двускатные рамы при
пролетах 12—24 м, в зарубежном строительстве — рамы пролетом
до 60 м. Деревянные рамы можно разделить по ряду признаков.
По статическим схемам деревянные рамы могут быть статичес­
ки определимыми и однократно статически неопределимыми. Трех­
шарнирная рама (рис. 7.1, а) является статически определимой.
Преимуществом этой схемы является независимость действующих
в ее сечениях усилий от осадки фундаментов и относительная
простота решений шарнирных опорных узлов. К недостаткам от­
носится возникновение больших изгибающих моментов в карниз­
ных сечениях или узлах.
Двухшарнирная схема с жесткими опорными узлами (рис. 7.1,
б) является однажды статически неопределимой. Преимущества­
ми этой схемы являются отсутствие изгибающих моментов в шар­
нирных соединениях ригеля со стойками. Это упрощает их конст­
рукцию и дает возможность применения в качестве ригеля клее­
деревянных балок, арок с затяжками, сегментных и треугольных
ферм. Недостатками этой схемы являются наличие жестких опор­
ных узлов, в которых действуют изгибающие моменты и конст­
рукции которых сложнее шарнирных, а также зависимость вели­
чин усилий в таких рамах от осадок опор.
Двухшарнирная схема с шарнирными опорными узлами (рис.
7.1, в) тоже однажды статически неопределима. Преимуществом
этой рамы является отсутствие изгибающих моментов в шарнир­
ных опорных узлах, что позволяет просто решать их конструкцию
184
Рис. 7.1. Статические схемы деревянных рам:
а — трехшарнирная; б — двухшарнирная жестко опертая; в — двухшарнирная
шарнирно опертая
и применять в качестве ригеля клеедеревянные балки и фермы,
имеющие опорные стойки, например, пятиугольные. Недостат­
ком этой схемы является наличие жестких карнизных узлов, в
которых действуют изгибающие моменты, усложняющие реше­
ние их конструкций.
По конструкции деревянные рамы делят на трех- и двухшар­
нирные клеедеревянные, цельнодеревянные и клеефанерные.
Трехшарнирные клеедеревянные рамы заводского изготовле­
ния являются одним из основных видов деревянных рам. Они бы­
вают бесподкосными и могут иметь от двух до четырех подкосов
(рис. 7.2). Элементы этих рам имеют прямоугольные клеедеревян­
ные сечения постоянной и переменной ширины, а в подкосах
постоянной высоты.
Гнутоклееная трехшарнирная рама (рис. 7.2, а) состоит из двух
полурам Г-образной формы прямоугольного переменного по вы­
соте сечения, изогнутых при изготовлении в зоне будущего кар­
низа. Первым достоинством этой рамы является то, что она состо­
ит только из двух крупных элементов — полурам, которые соеди-
Рис. 7.2. Клеедеревянные трехшарнирные рамы:
а — гнутоклееная; б — ломаноклееная; в — четырехподкосная; г — двухподкосная; д — с внутренними опорными подкосами; е — с наружными опорными
раскосами
185
няются при сборке всего тремя узлами — двумя опорными и од­
ним коньковым. Это сводит к минимуму время и трудоемкость
сборки и установки таких рам. Второе достоинство — это пере­
менная высота сечений — максимальная в зоне выгиба, где дей­
ствуют максимальные изгибающие моменты, и минимальная в
узлах, где моменты отсутствуют. Это позволяет экономить древе­
сину и рационально использовать ее прочность.
Гнутоклееная рама имеет и существенные недостатки. Транс­
портирование крупных изогнутых полурам при значительных рас­
стояниях мест установки от завода-изготовителя встречается со
значительными габаритными затруднениями. Сжимающие напря­
жения в сечениях гнутых участков значительно выше, чем в пря­
мых, а расчетные сопротивления сжатию, которые зависят от от­
ношения радиуса выгиба к толщине изогнутых досок, существен­
но ниже, что приводит к повышенному расходу древесины и клея
и тем большему, чем меньше это отношение. Однако это отноше­
ние не должно быть меньше 150.
Технология изготовления гнутых клеедеревянных полурам пе­
ременного сечения более сложна и трудоемка, чем прямых эле­
ментов. При изготовлении полурам требуются тонкие доски, по­
зволяющие гнуть их по минимальному допускаемому радиусу
г > 1506. Это повышает трудоемкость изготовления, расход древе­
сины при острожке и клея. Кроме того, в зонах карниза для опирания на них настила покрытия требуются дополнительно наклон­
ные стержни.
Ломаноклееная рама (рис. 7.2, б), называемая также клеедере­
вянной рамой с жестким стыком на зубчатых шипах, состоит из
двух полурам. Каждая полурама имеет Г-образную форму с пере­
ломом оси в месте будущего карниза. Полурама состоит из двух
прямых элементов — стойки и полуригеля, имеющих переменные
сечения, максимальные в зоне перелома оси. Эти элементы со­
единяются под необходимым углом наклонным зубчатым шипом.
Ломаноклееная рама имеет существенные достоинства. Так же как
и гнутоклееная, она малотрудоемка при монтаже, но отличается
от нее большей простотой и меньшей трудоемкостью изготовле­
ния. Ломаноклееные полурамы изготовляют из прямых заготовок
постоянного сечения, которые склеивают из досок любой допус­
каемой толщины и затем распиливают по диагонали для получе­
ния сечения переменной высоты. Благодаря этому экономятся
древесина при острожке, а также клеи. Эти рамы не требуют до­
полнительных стержней для опирания настилов в карнизных узлах.
К недостаткам ломаноклееной рамы относятся сложность их
транспортировки; древесина в зоне перелома оси и зубчатого сты­
ка, где действуют максимальные изгибающие моменты, работает
на нормальные напряжения от сжатия с изгибом под значитель­
ным углом к направлению волокон. Ее расчетные сопротивления
186
при этом существенно снижаются и, следовательно, увеличива­
ются размеры этого сечения, повышается расход клееной древе­
сины на раму. Замена древесины в этих сечениях более прочным
материалом, например древесным пластиком, позволила бы по­
лучить значительную экономию материала.
Клеедеревянная трехшарнирная четырехподкосная рама (рис.
7.2, в) состоит из двух стоек, двух полуригелей переменной вы­
соты сечения и четырех подкосов постоянного сечения, соединя­
ющих стойки с ригелем. Подкосы создают дополнительные кроме
стоек опоры для ригеля, что приводит к уменьшению изгибаю­
щих моментов в ригеле по сравнению с бесподкосной рамой. Осо­
бенно уменьшаются при этом моменты в стойках. Эта рама явля­
ется сборно-разборной и состоит из прямых клеедеревянных эле­
ментов, простых в изготовлении, которые без затруднений могут
транспортироваться любым видом транспорта. Основным недостат­
ком рамы является большее, чем в бесподкосных рамах, число
элементов и узлов, что повышает трудоемкость изготовления и
сборки. Подкосы также сокращают свободное пространство поме­
щений, поэтому применение таких рам наиболее рационально в
покрытиях навесов.
Клеедеревянная трехшарнирная двухподкосная рама (рис. 7.2, г)
состоит из двух стоек, двух полуригелей переменного сечения и
двух подкосов постоянного сечения. К недостаткам этой рамы от­
носится наличие значительных растягивающих усилий в карниз­
ных узлах, для восприятия которых необходимо применение ме­
таллических креплений и винтов. Кроме того, изгибающие мо­
менты в стойках и ригелях этой рамы значительно больше, чем в
рамах с парными подкосами. Подкосы уменьшают свободное про­
странство помещения.
Клеедеревянная трехшарнирная рама с внутренними опорными
подкосами (рис. 7.2, д ) состоит из двух полуригелей переменного
сечения, двух подкосов и двух стоек постоянного сечения. Основ­
ные достоинства этой рамы те же, что и прочих подкосных рам.
Основные недостатки — работа стоек на растяжение и изгиб от
ветровой нагрузки, что усложняет конструкцию их узловых креп­
лений, и значительная длина сжатых подкосов, сечения кото­
рых определяются из условия предельно допускаемой гибкости.
Клеедеревянная трехшарнирная рама с наружными опорными рас­
косами (рис. 7.2, е) отличается от предыдущей только наружным
расположением раскосов. Достоинства ее и недостатки те же, что
и прочих подкосных рам. Наружные раскосы работают в этой раме
на растяжение и могут выполняться как из клееной древесины,
так и из стали, при этом они не уменьшают внутреннего простран­
ства помещения.
Клеедеревянная двухшарнирная рама (рис. 7.3) состоит из трех
конструктивных элементов — двух вертикальных стоек и горизон187
Рис. 7.3. Двухшарнирные клеедеревянные рамы:
а — с жесткими опорами и аркой; б — с жесткими опорами и фермой; в
с шарнирными опорами и клеедеревянной балкой
тального ригеля. Их основное достоинство — это относительная
простота изготовления и транспортирования прямых стоек и ба­
лочных конструкций ригелей по сравнению с гнутыми и ломаны­
ми полурамами. Кроме того, горизонтальные ригели удобны для
крепления к ним подвесного потолка. Недостатком их является
большая трудоемкость сборки и зависимость усилий в элементах
от возможных осадок опор.
Клеедеревянная двухшарнирная рама с жесткими опорными уз­
лами (рис. 7.3, а и б) может иметь две клеедеревянные стойки
постоянного, переменного или ступенчатого сечения. Стойки пе­
ременного сечения наиболее экономичны по расходу древесины,
так как в опорном сечении, где действуют максимальные момен­
ты, они имеют наибольшую высоту. Стойки постоянного сечения
проще в изготовлении, а стойки ступенчатой формы позволяют
опирать на их ступени клеедеревянные балки мостовых кранов
небольшой грузоподъемности.
Ригель этой рамы может представлять собой клеедеревянную
двускатную балку, арку с затяжкой, сегментную или треугольную
клеедеревянную ферму, шарнирно опирающуюся на стойки. Реше­
ние шарнирных узлов опирания этих конструкций на стойки не
представляет затруднений. Основным недостатком этой рамы яв­
ляется относительно большая сложность жестких опорных узлов
стоек по сравнению с шарнирными. Двухшарнирная рама с жест­
кими опорными узлами может иметь также комбинированную кон­
струкцию. При этом клеедеревянные конструкции ригеля шарнирно
опираются на сборные жестко опираемые железобетонные колонны.
Деревянные конструкции ригеля здесь менее подвержены опас­
ности загнивания и повреждения, а конструкции жестких опор­
ных узлов железобетонных колонн являются стандартными.
Клеедеревянная двухшарнирная рама с шарнирными опорными
узлами (рис. 7.3, в) может иметь две стойки постоянного или пе­
ременного клеедеревянного сечения наименьшей высоты в опор­
ных узлах, где нет изгибающих моментов. Ригелем рамы может
служить клеедеревянная двускатная балка или пятиугольная фер­
188
ма. Они крепятся к стойкам на разных высотах, образуя жесткое
рамное соединение. Достоинством этой рамы является простая кон­
струкция шарнирных опорных узлов, а недостатком — более слож­
ное решение жестких креплений ригеля к стойкам. Однако значи­
тельная жесткость ригелей позволяет не учитывать при решении
этих креплений изгибающих моментов от действующих на ригель
основных вертикальных нагрузок.
Трехшарнирная дощато-гвоздевая рама состоит из дощато-гвоз­
девых двутавровых стоек и полуригелей переменной высоты. По­
яса этих элементов состоят из двойных толстых досок, а стенка —
из двух перекрестных слоев тонких досок. Соединениями их слу­
жат гвозди и болты. Такие рамы являются простыми, но трудоем­
кими в изготовлении и в настоящее время применяются редко.
Трехшарнирная цельнодеревянная сквозная рама состоит из стоек
и полуригелей переменной высоты из брусьев или толстых досок,
соединенных болтами. Эти рамы являются трудоемкими в изго­
товлении и в настоящее время не применяются.
Узлы клеедеревянных рам (рис. 7.4). Конструкции опорных и конь­
ковых узлов гнутоклееных и ломаноклееных рам могут быть ана­
логичны конструкциям опорных и коньковых узлов клеедеревян­
ных арок. Опорные узлы рам выполняют с применением стальных
башмаков с опорными листами, двойными фасонками и диаф­
рагмами, передающими усилия в стойках на фундаменты. При этом
в гнутоклееной раме с постоянным сечением стойки диафрагма
может быть приварена к опорному листу (рис. 7.4, а), а в лома­
ноклееной раме со стойками переменной высоты между диафраг­
мой и опорным листом может быть оставлен зазор (рис. 7.4, б).
Коньковые узлы рам могут быть выполнены аналогично конь­
ковым узлам трехшарнирных арок с применением стальных креп­
лений или двусторонних клеедеревянных накладок и болтов.
Рис. 7.4. Опорные узлы клеедеревянных рам:
а — со стойкой постоянного сечения; б — то же, переменного сечения; 1 —
стойки; 2 — стальной башмак; 3 — болт; 4 — анкер; 5 — сварной шов
189
Карнизные стойки ломаноклееных рам решены с применени­
ем зубчатых шипов, иногда с использованием вставок из древес­
ного пластика повышенной прочности (рис. 7.5).
Узлы подкосных клеедеревянных рам конструируются в основ­
ном с применением наклонных лобовых упоров сжатых раскосов
в ригели и в стойки, а также накладок и болтов. При этом для
упора подкосов в стойках и ригелях делают соответствующие пло­
щадки путем изменения их сечений. Опорные и коньковые узлы
этих рам решаются аналогично таким же узлам гнутоклееных и
ломаноклееных рам. Карнизный узел подкосной рамы может быть
решен с помощью гнутой стальной накладки и винтов, соединя­
ющих наружные кромки стойки и ригеля, где действуют растяги­
вающие усилия. Опорный узел рамы с опорными подкосами мо­
жет быть осуществлен с применением сварного башмака с удли­
ненными боковыми фасонками, к которым болтами крепится
растянутая стойка. Сжатый раскос упирается в опорный лист и
крепится болтами. Растянутые стойки крепят к ригелю с помо­
щью П-образного стального хомута и болтов.
Узлы двухшарнирных клеедеревянных рам конструируются в
соответствии с их жесткой или шарнирной схемой. Жесткий опор­
ный узел решается аналогично жесткому опорному узлу клееде­
ревянной стойки, описанному в 5.2. Шарнирный опорный узел
такой рамы выполняется аналогично таким же узлам трехшар­
нирных клеедеревянных рам. Шарнирный карнизный узел двух­
шарнирной рамы решается аналогично опорным узлам конструк­
ций, служащих ригелями этих рам.
Жесткий карнизный узел двухшарнирной клеедеревянной рамы
может быть эффективно решен с применением стальных крепле­
ний и вклеенных стальных стержней. Крепления могут состоять из
листовых фасонок и приваренных к ним стержней из арматуры
периодического профиля. Стержни вклеиваются в древесину ри­
геля и стойки на разных уровнях. Листовые фасонки соединяют-
Рис. 7.5. Карнизные стыки ломаноклееных рам:
а — с зубчатым шипом; б — со вставкой из древесного пластика; 1 — стойка;
2 — ригель; 3 — зубчатые шипы; 4 — вставка
190
ся между собой при сборке рамы болтами. Эти крепления обес­
печивают передачу опорных реакций ригеля и изгибающих мо­
ментов.
Узлы подкосных рам из брусьев и бревен выполняют в виде
лобовых упоров и врубок. Опорные узлы рам могут иметь простей­
шие конструкции опорных узлов шарнирно опертых цельнодере­
вянных стоек.
Цельнодеревянные рамы из брусьев, бревен или толстых досок
имеют определенные достоинства. Они могут быть изготовлены не
только в заводских условиях, но и в пределах любой строительной
площадки в помещении или под навесом и в любое время года. Их
стоимость ниже клеедеревянных.
К недостаткам цельнодеревянных рам относится то, что их из­
готовление трудно механизируется, требует расхода дефицитных
лесоматериалов крупных сечений и больших затрат ручного труда
рабочих высокой квалификации. Пролеты этих рам невелики, обыч­
но до 15 м.
Основная область применения — небольшие здания, возводи­
мые в районах, где отсутствуют заводы по изготовлению деревян­
ных конструкций.
Подкосные рамы (подкосные системы) из брусьев или бревен
являются наиболее простыми по конструкции. Пролеты их в боль­
шинстве случаев не превышают 9 м (рис. 7.6). Подкосная трехшар­
нирная рама (рис. 7.6, а) состоит из двух стоек, двух полуригелей
и четырех подкосов. При малых пролетах и нагрузках рама может
иметь только два внутренних подкоса.
Подбалочно-подкосная трехшарнирная рама (рис. 7.6, б) име­
ет дополнительно две подбалки над стойками и повышенную не­
сущую способность.
Ригельно-подкосная двухшарнирная рама (рис. 7.6, в) имеет
дополнительный ригель между подкосами и большую несущую
способность. Подкосные цельнодеревянные рамы могут объеди­
няться в многопролетные конструкции, позволяющие перекры-
Рис. 7.6. Цельнодеревянные рамы из брусьев или бревен:
а — трехшарнирная подкосная; 6 — то же, подбалочно-подкосная; в — двухшар­
нирная ригельно-подкосная; / — стойка; 2 — ригель; 3 — подкос; 4 — подбалка;
5 — ригель
191
вать помещения с большими площадями. При этом степень их
статической неопределимости может быть значительной.
Трехшарнирная клеефанерная рама состоит из коробчатых кле­
ефанерных элементов переменной высоты, максимальной в кар­
низном узле. Она отличается относительно малой массой и не­
большим расходом клееной древесины. Однако она требует расхо­
да дефицитной строительной фанеры, является трудоемкой в из­
готовлении и имеет пониженный предел огнестойкости.
7.2. Расчет деревянных рам
Расчет деревянных рам производят в том же порядке, что и
деревянных арок (см. 6.2), с учетом формы конструкций. Нагруз­
ки, действующие на раму, в большинстве случаев являются рав­
номерно распределенными и определяются по нормам «Нагрузки
и воздействия». На раму они действуют в виде линейных нагру­
зок, определяемых с учетом шага расстановки рам В. Нагрузка от
собственного веса покрытия и рамы g определяется в соответ­
ствии с толщиной и плотностью материалов покрытия и ригеля
рамы, средним, условно постоянным сечением которого можно
задаваться предварительно.
Снеговую нагрузку s определяют в соответствии со снеговым
районом и углом наклона скатов покрытия а. Она может распола­
гаться по всему пролету и по полупролетам рамы. Ветровая на­
грузка w определяется в соответствии с ветровым районом и зави­
сит от профиля, размеров здания и направления ветра. На подвет­
ренную стойку рамы действует ветровое давление и>+. На заветрен­
ную стойку действует ветровой отсос и/_. На ригель рамы при угле
его наклона а < 30° действует отсос и>_, при угле а > 30° на подвет­
ренный полуригель действует давление w+, а на заветренный —
отсос w_. Коэффициенты надежности для собственного веса рамы
и настила у = 1,1, для других материалов у = 1,3, для снега у = 1,4
или 1,6 и для ветра у = 1,4.
Геометрический расчет рамы заключается в определении длин
расчетных осей ее элементов, координатных сечений и необходи­
мых углов наклона элементов. Для симметричных рам достаточно
определить эти величины для одной, например левой, половины
схемы рамы в прямоугольной системе координат с началом в цен­
тре левой опоры. Уклон верхней кромки ригеля рамы / принима­
ется с учетом требуемого уклона кровли. При кровле из волнистых
асбестоцементных листов / > 25%. При рулонной кровле / < 25 %.
Этот уклон соответствует углу наклона а = 14° 20'.
Расчетные оси элементов трехшарнирных рам, имеющих пере­
менное сечение, для упрощения расчета удобно принимать па­
раллельными их наружным кромкам и проходящими через цент­
ры их опорного и конькового узлов. Несовпадение этих осей с
192
осями сечений элементов рамы учитывается при статическом рас­
чете. Радиус кривизны гнутых участков гнутоклееной рамы г
рекомендуется принимать близким к наименее допускаемому,
равному 1508 (5 — толщина склеиваемых досок). Например, при
5 = 2 см г > 300 см. Увеличение этого радиуса нерационально, так
как уменьшается внутренний объем помещения.
Геометрический расчет полурамы гнутоклееной рамы с углом
наклона ригеля а, радиусом выгиба г и длиной прямых участков
стоек /ст можно производить с использованием следующих пара­
метров (рис. 7.7): центральный угол оси выгиба 2(3 = 90° - а; угол
наклона касательной оси середины выгиба к осям стойки и риге­
ля а, = (90° + а)/2; а 1р = а,л/180°; координаты характерных точек
оси полурамы:
начало выгиба х = 0; у = /ст;
cos a;
середина выгиба x = r{ 1 - sinai); y = lCI + г
конец выгиба х = r(l - sina); у = /ст + гcos а;
длина оси выгиба /гн = га 1р.
В ломаноклееной раме сечение, проходящее через точку пере­
лома оси полурамы, где располагается зубчатый шип, следует
проводить по направлению биссектрисы угла этой оси Р = (90 +
+ а)/2. При этом расчетные сопротивления древесины смятию под
углом будут одинаковыми и минимальными в стойке и ригеле.
Угол смятия между перпендикуляром к этому сечению, вдоль
которого действуют продольные силы N, и волокнами древесины
стойки и ригеля р = (90° - а)/2, как и угол между хордой гнутого
участка и осями стойки и ригеля гнутоклееной рамы. Координаты
сечений полуригеля этой рамы определяют из выражения уп= Аст+
Рис. 7.7. Геометрические схемы осей трехшарнирных рам:
а — гнутоклееной; б — ломаноклееной
7 Хромец Ю . H.
193
+ x„tga, где h„ — условная длина стойки, равная расстоянию от
опор до пересечения осей стойки и ригеля.
Статический расчет трехшарнирных гнутоклееных и ломано­
клееных рам заключается в определении вертикальных R и гори­
зонтальных Я опорных реакций и расчетных усилий в сечениях от
нагрузок от собственного веса и веса снега, изгибающих момен­
тов М, продольных N и поперечных Q сил. Усилия определяют
только в левой полураме. Этот расчет имеет много общего с расче­
том трехшарнирных арок и может производиться по формулам,
приведенным в 6.2 (рис. 7.8).
Опорные реакции и расчетные усилия от ветровой нагрузки в
сечениях этих рам определяют по упрощенной схеме. Для ригеля,
имеющего угол наклона менее 30°, учитывают действие только
вертикальных составляющих ветрового отсоса w_, а незначитель­
ными горизонтальными составляющими, действующими в про­
тивоположных направлениях, можно пренебречь. При этом аэро­
динамические коэффициенты отсоса на ригели можно принимать
одинаковыми: се1 = се2 = -0,4.
Расчетные изгибающие моменты от ветровой нагрузки в боль­
шинстве рам являются незначительными и не превышают 20%
усилий от основных постоянных нагрузок. При учете ветровой
нагрузки расчетные сопротивления сжатию и изгибу повышаются
также на 20 %. Таким образом, при расчете таких рам ветровая
нагрузка может не учитываться.
Продольные силы рассчитывают только в трех сечениях полурамы, где они необходимы для расчета, из выражений: в опор­
ном сечении N = R, в карнизном сечении N = Rsina + # co sa и в
коньке N = Н. Поперечные силы определяют только там, где они
необходимы для расчета, по формулам: в опорном узле Q = Н и в
коньке Q = R - si/2. При симметричных нагрузках от собственного
веса g и веса двустороннего снега s поперечные силы в коньке
отсутствуют, т. е. Q = 0.
В подкосных трехшарнирных рамах опорные реакции рассчи­
тывают так же, как и в безраскосных. Определение расчетных уси­
лий в их сечениях начинается с вычисления продольных сил в
подкосах Np. Их можно определять из условия равенства нулю иза
6
Рис. 7.8. Расчетные схемы и эпюры изгибающих моментов в сечениях рам:
а — гнутоклееной; б — ломаноклееной
194
гибающего момента в шарнирных креплениях стоек к ригелю. При
этом продольную силу в подкосе вычисляют с учетом горизон­
тальной опорной реакции Н, высоты стойки Аст и расстояния а от
карнизного узла до подкоса из выражения N„ = Hh„/a.
При определении изгибающих моментов в стойке и ригеле под­
кос условно заменяют двумя продольными силами Nn, действую­
щими в противоположных направлениях. Продольная сила во внут­
ренних подкосах сжимающая, а в наружных растягивающая. Про­
дольные силы в стойках получаются соответственно или сжимаю­
щими, или растягивающими. Двойные подкосы рам работают толь­
ко на сжатие, и в них определяют только сжимающие продоль­
ные силы.
Расчет двухшарнирных рам имеет свои особенности. Ригели рам
представляют собой балки, арки или фермы, шарнирно или жес­
тко соединенные со стойками, и имеют жесткость, теоретически
на порядок большую, чем стойки. Эти рамы являются однажды
статически неопределимыми и за лишнее неизвестное при их рас­
чете удобно принимать продольную сжимающую силу Np в ниж­
ней зоне конструкции ригеля. Такая сила возникает от действия
горизонтальных ветровых нагрузок — давления w+ на подветрен­
ную стойку и отсоса w. на заветренную. В ригеле рамы с жестким
креплением стоек к опорам и шарнирным креплением ригеля к
стойкам при длине стоек /ст эта сила Np = 3/16(w+ - w_)/l„. В ригеле
рамы с шарнирными опорами и жестким креплением ригеля к
стойкам эта же сила Np = 5/16(w+ - w_)l„. В жестком узле крепле­
ния ригеля рамы к стойке возникает изгибающий момент М =
= (t«f/CT“ NpVet ~ w+l^/2.
Усилия в конструкциях ригеля определяют от вертикальных на­
грузок без учета отсоса ветра на ригель и продольной в нем силы
N, поскольку они, как правило, не увеличивают этих усилий. Стойки
этих рам рассчитывают методами, изложенными в гл. 5.
Трехшарнирные подкосные рамы из брусьев и бревен рассчи­
тывают теми же методами, что и трехшарнирные клеедеревянные
подкосные рамы. Двухшарнирные подкосные и многопролетные
рамы из брусьев и бревен определяют по приближенным эмпири­
ческим формулам.
Полученные усилия в сечениях рамы сводят в таблицу усилий,
с помощью которой находят расчетные максимальные усилия с
учетом коэффициента сочетания временных снеговой и ветровой
нагрузок к = 0,9.
Подбор сечений и проверку напряжений в элементах рам про­
изводят на действие в них максимальных изгибающих моментов
М, продольных N и поперечных Q сил. Ширину сечений элемен­
тов рам принимают, как правило, одинаковой, обычно не более
20 см, чтобы избежать необходимости стыкования досок по ши­
рине при склеивании. Высоту сечений полурам в концах опреде­
195
ляют обычно по максимальным поперечным силам, которые, как
правило, действуют в опорном и коньковом сечениях из условия,
чтобы действующие там скалывающие напряжения в древесине не
превышали расчетного сопротивления скалыванию RCK= 1,5 МПа.
Требуемую высоту сечения hw определяют по формуле
=
= \,5Q/(bR ск). Эта формула получена из формулы (2.16) т = QS/(Ib),
в которую вместо моментов статического и инерции подставлены
их значения bh 2/ 8 и bh2/ 12, и она записана относительно иско­
мой величины Атр.
Высоту максимального сечения в переломах гнутоклееной и
ломаноклееной рам подбирают при действии максимального из­
гибающего момента М. Такой момент возникает в основном при
действии нагрузок от собственного веса g и веса снега s на всем
пролете рамы. Продольную силу при этом пока не учитывают, как
незначительно влияющую на требуемые размеры сечения. Для рас­
чета используют формулу для поперечного изгиба с учетом коэф­
фициента к = 0,8, приближенно учитывающего влияние продоль­
ной силы и расчетного сопротивления сжатию 1VW = М/(0,8Л).
После этого предварительно определяют требуемую высоту сече­
ния Атр = yj6W/Ь . Высота сечения гнутой части гнутоклееной рамы
должна быть кратной толщине составляющих его досок. Высоту
конькового и опорного сечений рамы следует принимать одина­
ковой.
Проверку прочности сечения гнутой части полурамы гнуто­
клееной рамы производят на действие изгибающего момента М и
продольной силы N, приложенных к геометрической оси этого
сечения в половине его высоты. Эти усилия рассчитывают путем
переноса соответствующих усилий, определяемых обычно отно­
сительно расчетной оси рамы на нейтральную ось сечения. Рас­
стояние между этими осями е вычисляют в зависимости от высо­
ты опорного и карнизного сечений из выражения е = (А - А0)/2.
При этом продольная сила ./Vсохраняет свое значение, а изгибаю­
щий момент А/о уменьшается до величины М = М0 - Ne0.
Эпюра нормальных напряжений в этом сечении, полученная в
результате испытаний, является криволинейной и напряжения
сжатия древесины ос значительно превышают напряжения растя­
жения древесины внешней кромки ар, что учитывается расчетом
(рис. 7.9). Проверку этого сечения при радиусе выгиба сжатых гс и
растянутых гр досок при сжатии с изгибом производят по прочно­
сти не только сжатых, но и растянутых крайних волокон по фор­
мулам
<тс = N/A + M JW C< Rc, ар = N/A - M JW p < Rp.
Здесь моменты сопротивления при определении напряжений
сжатия Wc и растяжения Wp определяются для учета особеннос­
тей работы этого сечения по формулам
196
Рис. 7.9. Напряжение состояния карнизных сечений трехшарнирных рам:
а — гнутоклееной; б — ломаноклееной
JVC= bh2/6 ( l - 0 ,5 Л Л с ) /(1 - 0 , 1 7 Л /г);
Wp = bh2/ 6 (1 + 0 ,5 Л Д с ) /(1 + 0 ,1 7 h/r).
Переменность высоты сечения рамы принимается во внима­
ние при определении значения изгибающего момента с учетом
деформации ее оси Ма = М/%, где коэффициенты ср = ЗОООЛ^А,
%= 1 - N/^ARc), а коэффициент учета переменности сечения К =
= 0,07 + 0,93h jh , где h0 — высота сечения в узлах, h — высота
сечения гнутой части полурамы. Расчетные сопротивления древе­
сины сжатию и растяжению определяют с учетом коэффициентов
работы — высоты /иб, радиуса выгиба тт и толщины слоев досок
/Поп, приведенных в 2.1.
Проверку напряжений в переломном сечении ломаноклееной
рамы осуществляют на действие максимального изгибающего мо­
мента М и продольной силы N, перенесенных на геометрическую
ось сечения, как и в гнутоклееной раме. Напряжения можно про­
верять по формуле сжатия с изгибом. При этом расчетное сопро­
тивление сжатию определяют с учетом угла смятия а, который
принимается равным углу между осью действия продольных сил,
перпендикулярной этому сечению, и осями стойки и ригеля. Бо­
лее точно проверка напряжений в этом сечении может быть про­
изведена в соответствии с указаниями «Пособия по проектирова­
нию деревянных конструкций ЦНИИСКа». Порядок расчета этих
рам приведен в примере 7.1.
Расчет узлов гнутоклееной и ломаноклееной рам заключается
в проверке напряжений смятия в площадях упора концов полурам
в узлах, проверке напряжений в элементах стальных башмаков и
определении числа болтов крепления деревянных накладок. Эти
проверки производят аналогично расчету узлов клеедеревянных
арок.
Подбор сечений и проверка напряжений в сечениях трехшарнир­
ных клеедеревянных подкосных рам. Ширина прямоугольных сече­
197
ний этих рам принимается, как правило, одинаковой. Высоту се­
чений в опорном и коньковом узлах выбирают из условия проч­
ности древесины при скалывании. Сечения стоек принимают пе­
ременной высоты при креплении к ним подкосов и постоянной,
когда подкосы опираются на фундаменты. Стойки проверяют по
прочности при сжатии с изгибом, а при внешних раскосах — при
сжатии с учетом устойчивости. Сечения ригелей принимают пере­
менными с учетом крепления к ним подкосов и проверяют при
сжатии с изгибом. Сечения сжатых подкосов принимают постоян­
ными и проверяют при сжатии с учетом устойчивости. Внешние
раскосы рассчитывают на растяжение.
Подбор сечений и проверка напряжений в сечениях двухшарнирных
клеедеревянных рам. Ригели двухшарнирных рам рассчитывают в
соответствии с их конструкцией. Расчеты клеедеревянных балок,
арок и ферм приведены соответственно в главах 5, 6 и 8. Сечения
стоек принимают переменными по высоте — максимальной в
жестких и минимальной в шарнирных узлах. В шарнирных опор­
ных узлах сечения принимают из условия максимальной прочно­
сти древесины при скалывании, а в жестких опорных узлах еще и
с учетом конструкции жестких креплений.
Подбор сечений и проверку напряжений в сечениях брусчатых
и бревенчатых подкосных рам производят с учетом реальных раз­
меров сечений лесоматериалов. Элементы этих рам проверяют по
прочности при сжатии или сжатии с изгибом.
Расчет узлов подкосных клеедеревянных рам — опорных и конь­
ковых — производят так же, как и аналогичных узлов бесподкосных рам. Крепления сжатых подкосов этих рам рассчитывают как
наклонных лобовых упоров при смятии под углом а к волокнам
древесины. Расчет карнизных узлов состоит в определении пло­
щади сечения стальных гнутых накладок при растяжении, а также
требуемого числа винтов.
Расчет крепления растянутой стойки рамы с опорными подко­
сами к опорному и карнизному узлам заключается в определении
требуемого числа двухсрезных изгибаемых болтов, крепящих стойку
к узлам. Стальной хомут крепления стойки к ригелю рассчитыва­
ют на растяжение и изгиб от усилия в стойке, а древесину ригеля
под хомутом проверяют на смятие под углом к волокнам. Крепле­
ние в узлах растянутого внешнего раскоса тоже рассчитывают на
растяжение.
Расчет узлов двухшарнирных клеедеревянных рам. Опорный шар­
нирный узел рассчитывают аналогично таким же узлам трехшар­
нирных рам. Жесткий опорный узел рассчитывают так же, как опор­
ный узел сжато-изгибаемой стойки переменного сечения при дей­
ствии продольной силы и изгибающего момента (см. подразд. 5.2).
Расчет жесткого карнизного узла двухшарнирной рамы произ­
водят на действующие в нем вертикальную продольную сжимаю­
198
щую силу от опорного давления ригеля и горизонтальные сжимаю­
щую и растягивающую силы от горизонтальной ветровой нагрузки.
Расчет узлов цельнодеревянных подкосных рам из брусьев и
бревен заключается в основном в расчете лобовых врубок и лобо­
вых упоров подкосов в стойке и ригеле этих рам. При этом вычис­
ляют их несущую способность из условия смятия древесины под
углом к волокнам и скалывания. Эта несущая способность должна
быть не менее действующих в них усилий сжатия.
Пример 7.1. Подобрать и проверить сечения гнутоклееной деревянной
трехшарнирной рамы пролетом 18 м, высотой в коньке 8 м при уклоне
ригеля i = 1/4. Решить и рассчитать ее узлы.
На раму действуют следующие равномерные расчетные нагрузки,
отнесенные к длине ее пролета: нагрузка от собственного веса покрытия
и веса рамы g = 1,0 кН/м; снеговая нагрузка s = 3,6 кН/м — левосторон­
няя, правосторонняя или полная. Ветровая нагрузка w при расчете дан­
ной рамы может не учитываться, поскольку благодаря отсосу ветра на
кровле она не увеличивает усилий в элементах рамы.
Р е ш е н и е . Геометрический расчет оси левой полурамы в прямоу­
гольных координатах с началом в центре опоры (см. рис. 7.7). Длина полупролета 1/2 = 18/2 = 9 м. Высота в коньке/ = 8 м. Радиус выгиба принима­
ется равным г = 3 м. Это больше минимального радиуса выгиба, опреде­
ляемого из выражения rmin = 1508 = 150-1,4 = 210 см, где 8 равно толщине
склеиваемых досок.
Угол наклона ригеля tga = 1/4 = 0,25; a = 14° 02', sina = 0,24; cosa = 0,97.
Углы между осями стойки и ригеля и касательной к средней точке
выгиба а! = (90е + а)/2 = (90° + 14°02')/2 = 52°; sina! = 0,79; cosa! = 0,62;
tgai = 1,28.
Центральный угол выгиба в градусах и радианах 2р = 90° - a = 90° - 14° 02' = 75°58' = я р /180 = 3,14 •75е58'/180° = 1,33.
Длина выгиба /гн = г2р = 3 -1,33 = 4 м.
Длина стойки /„ = / - ( / / 2)tga - rcosa + r(l - sina)tga = 8 - (18/2)0,25 - 3-0,97 + 3(1 - 0,24)0,25 = 3,42 м.
Условная длина стойки, равная расстоянию от центра опоры до пе­
ресечения прямых осей стойки и ригеля, /„ = / - (//2)tga = 8 - (10/2)0,25 =
= 5,75 м.
Длина полуригеля /р = (1/2 - г + rsina)/cosa = (9 - 3 + 3*0,24)/0,97 =
= 6,92 м.
Длина полурамы /пр = /ст + /гн + /р = 3,42 + 4 + 6,92 = 14,34 м.
Ось полурамы разбивается на 8 сечений от *ь = 0 до х7 = 9,0 м, вклю­
чая сечения, где смыкаются прямые участки с гнутым. Координаты и
сечения полурамы:
= 0,
Х\ = 0,
у 0 = 0;
У\ —3,0 м;
х2 = r( 1 - sina^ = 3(1 - 0,79) = 0,63 м,
У2 = 4т + rcosai = 3,42 + 3*0,62 = 5,28 м;
Ху = г(1 - sina) = 3(1 - 0,24) = 2,28м,
199
Уз = 4т + rcosai = 3,42 + 3-0,97 = 6,33 м;
х4 = 4,5 м,
уА= /сТ+ jc4tga = 5,75 + 4,5 - 0,25 = 6,87 м;
х5 = 6,0 м, у 5 = /ст +
х6 = 7,5 м,
у6 = /сТ+
х7 = 9,0 м,
- 5,75 + 6 •0,25 = 7,25 м;
= 5,75 + 7,5-0,25 = 7,63 м;
у 7 = 8 м.
Статический расчет. Опорные реакции — вертикальные R, горизон­
тальные Я, изгибающие моменты Л/, продольные и поперечные силы N
и Q. Усилия от левосторонней снеговой нагрузки s = 3,6 кН/м. Тогда
R = 3j//8 = 3-3,6*18/8 = 24,3 кН; Я = */2/(16/) = 3 ,6 -182/(16-8) =
= 9,1 кН; М2 = Rx2 - Н у2 - sx\/2 = 24,3*0,63 - 9,1-5,28 - 3,6*0,632/2 =
= —33,5 кН/м. .
Вычисления изгибающих моментов в прочих сечениях опускаются.
Расчетные усилия:
N0 = R = 24,3 кН; N7 = Я = 9,1 кН; N2 = Rsinfi + ЯсобР - sxsinp =
= 24,3*0,79 + 9,1*0,62 - 3,6*0,63 = 23,1 кН; N7 = Я = 9,1 кН; Q0 = Я =
= 9,1 кН; Q7 = R - sl/2 = 2 4 ,3 -3 ,6 * 18/2 = 8,1 кН.
Усилия от правосторонней снеговой нагрузки s = 3,6 кН/м.
Расчетные усилия:
R = s//8 = 3,6* 18/8 = 8,1 кН; Я = 9 ,1 кН; М2 = Rx2 - Ну2 = 8,1 *0,63 -9,1*5,28 = -43,0 кН-м.
Вычисления изгибающих моментов в прочих сечениях опускаем.
ЛЬ = R = 8 ,1 кН; N2 = /tana, + Hcosax= 8,1*0,79 + 9,1 •0,62 =12,1 кН;
N7 = H= 9,1 кН; Q0 = Я = 9,1 кН; <27 = Д = 8,1 кН.
Усилия от двусторонней снеговой нагрузки равны сумме усилий от
односторонних снеговых нагрузок. Усилия от собственного веса опреде­
ляем умножением усилий от двусторонней нагрузки на отношение этих
нагрузок g/s = 1,0/3 ,6 = 0,28.
Полученные значения сводим в табл. 7.1.
Подбор сечений и проверка напряжений. 1. С е ч е н и е в ы г и б а . Опре­
деляем максимальные усилия.
Изгибающий момент М = М2 = 98,0 кН-м = 0,098 МН-м.
Продольная сила N = N2 = 45,0 кН = 0,045 МН.
Расчетное сопротивление сжатию и изгибу при ширине сечения b =
= 14 см /?с = /?и = 15 МПа.
Требуемую высоту сечения hw определяем приближенно по величине
изгибающего момента, а наличие продольной силы учитываем коэффи­
циентом 0,8:
=7
6
=
V6 - 0,098 /(0,8- 0,14-15) = 0,59 м.
Принимаем высоту сечения из 45 слоев досок толщиной 5 = 1,4 см,
h = 468 = 46* 1,4 = 64 см. Сечение bxh = 14x64 см.
2.
О п о р н о е с е ч е н и е . Максимальная поперечная сила Q = 23,3 кН =
= 0,023 МН.
Принимаем доски сечением £х5 = 14x1,4 см после острожки в сред­
ней и сжатой части сечения 2 -го сорта.
Расчетное сопротивление скалыванию 7?^= 1,5 МПа, ширина Ь - 0,14 см.
Требуемую высоту сечения на опоре принимаем исходя из расчетного
сопротивления скалыванию: Лтр=1,5Q/(2bRCK)= \,5-0,023/(2-0,14-1,5) = 0,08 м.
200
Т а б л и ц а 7.1
Усилия в сечениях левой полурамы
Усилия
Сечение
от собст­
венного веса
g= 1 кН/м
от снеговой нагрузки s = 3,6 кН/м
на левой
полураме
на правой
полураме
на всей раме
расчетные
Изгибающие моменты М, кН-м
1
-15,2
-27,3
-27,3
-54,6
-69,8
2
-21,4
-33,5
-43,0
-76,5
-98,0
3
-14,2
-11,6
-39,1
-50,7
-64,9
4
-4,4
10,3
-26,1
-15,8
-20,2
5
-0,7
15,0
-17,5
-2,5
-3,2
6
0,8
11,5
-8,8
2,7
3,5
Продольные силы N, кН
0
9,1
24,3
8,1
32,4
41,5
2
9,2
20,8
12,2
33,0
42,2
7
5,1
9,1
9,1
18,2
23,3
Поперечные силы Q, кН
0
5Д
9,1
9,1
18,2
23,3
7
-0
-8,1
8,1
0
8,1
Принимаем высоту опорного сечения hon = 0,014-21 = 0,294 см =
* 0,3 м > hw .
Коньковое сечение принимаем конструктивно: bxh = 14x30 см.
Проверка напряжения при сжатии с изгибом. Изгибающий момент,
действующий в центре сечения, находящегося на расстоянии от расчет­
ной оси, равном е = (Л - hon)/2 = (0,64 - 0,30)/2 = 0,17 м, определяем по
формуле
М = М2 - Ne = 0,098 - 0,042-0,17 = 0,09 МН-м.
Расчетные сопротивления древесины 2-го сорта сжатой внутренней
кромки /?с определяем с учетом коэффициентов условий работы —* вы­
соты сечения т6 = 0,95, толщины слоев т^ = 1,1 и коэффициента гнутья
тт:
rBH= r - e - h / 2 = 300 - 17 - 64/2 = 251 см; гвн/ 5 = 251/1,4 = 179; тГН=
= 0,86; R * = Лс/Лб/Исл/Ирн = 15-0,95-1,1-0,86 = 13,5 МПа.
Расчетное сопротивление древесины 1-го сорта растянутой наружной
кромки Rp = 12 МПа.
Радиус гнутья гт = г - е + Л/2 = 300 - 17 + 64/2 = 315 см; гга/8 = 315/1,4 =
= 225; тгн = 0,75;
= ЯрШ^т^ =12-1,1-0,75 = 9,9 МПа.
201
Площадь сечения А, момент сопротивления W, расчетная длина /р,
радиус инерции г, гибкость X:
А = bh = 0,14-0,64 = 0,09 м2; W = bh2/6 = 0,14-0,642/6 = 0,0096 м3; /р =
= 1605 см; /•= 0,29h = 0,29-64 = 18,6 см; X = 1605/18,6 = 86.
Коэффициент, учитывающий переменность высоты сечения полурамы,
КжЫ= 0,07 + 0,93h0/h = 0,07 + 0,93-30/64 = 0,51.
Коэффициент учета дополнительного момента при деформации про­
гиба
I = 1 - NX2/{2>mR*cAK^N) = 1 - 0,042 - 862/(3000-13,5-0,09-0,51) = 0,83.
Изгибающий момент
Л/д =
= 0,09/0,83 = 0,108 МН-м.
Коэффициенты Кгв и Кгн к моменту сопротивления W при проверке
напряжений сжатия во внутренней и растяжения в наружной кромках
сечения:
Кп = (1 + 0,5А/г)/(1 + 0,17A/r) = (1 + 0,5 *64/300)/( 1 + 0,17-64/300) =
= 1,1; Кт = (1 - 0,5Л/г)/(1 - 0,17h/r) = (1 - 0,5-64/300)/(1 - 0,17-64/300) =
= 0,93.
Моменты сопротивления сечения с учетом влияния выгиба верхней
и нижней кромок:
WH= WKrH= 0,0096-0,93 = 0,008 м3; IVB= WKn = 0,0096-1,1 = 0,011 м3.
Напряжения сжатия и растяжения:
с с = N/A + M J W H= 0,042/0,09 + 0,10/0,008 = 13,0 МПа < Д,; ар = N/A - M J W b = 0,042/0,09 - 0,10/0,011 = 8,6 МПа < Rp.
Проверка устойчивости плоской формы деформирования рамы. Рама зак­
реплена из плоскости в покрытии по наружным кромкам сечений. Внут­
ренняя кромка ее сечений не закреплена. В сечениях рамы действуют в
основном отрицательные изгибающие моменты, максимальные в сере­
динах выгибов. При этом верхние наружные зоны сечений рамы являют­
ся растянутыми и закрепленными из плоскости, а нижние внутренние
зоны сжаты и не закреплены.
Проверка устойчивости плоской формы деформирования полурамы. Рас­
четная длина растянутой зоны равна полной длине полурамы /р.
Площадь сечения гнутой части A - b h - 0,14-0,64 = 0,09 м2.
Момент сопротивления сечения W = 0,0096 м3.
Радиус инерции ryi гибкость X и коэффициент устойчивости ср, из
плоскости при сжатии
гу = 0,296 = 0,29-14 = 4,06 см; X = у г, = 1605/4,06 = 395; <ру = 3000/Х2 =
= 3000/3952 = 0,019.
Коэффициент устойчивости при изгибе
<рм = 140^Аф//р/1 = 140-142-1,13/(1605*64) = 0,3, где Аф = 1,13 - коэф­
фициент формы эпюры изгибающих моментов.
Коэффициенты KnN и КпМ учитывают закрепление растянутой кром­
ки из плоскости. При числе креплений более четырех раскрепление сле­
дует считать сплошным:
KnN = 1 + 0,75 + 0,06(/р/Л)2 + 0,6оср(/Р/Л) = 1 + 0,75 + 0,06(1605/64)2 +
+ 0,6-1,33(1605/64) = 59,5; КпМ = 1 + 0,142(/р/Л) + 1,76(А//Р) + Mctp = 1 +
+ 0,142(1605/64) + 1,76(64/1605) + 1,4-1,33 = 6,5,
где ар = 1,33 рад — центральный угол гнутой части.
Коэффициенты устойчивости при изгибе с учетом закреплений:
202
Ь КпМ= 0,019-59,5 = 1,13; ФлДпл/ = 0,3-6,5 = 1,9 > 1.
Принимаем ц>м^пм= 1Проверка устойчивости полурамы.
N /to y K ^ R tA ) + M J { y MKnMRc W ) = 0,042/(0,019-59,5-13,5-0,09) +
+ 0,10/(0,3-6,5-13,5-0,0096) = 0,43 < 1.
Устойчивость плоской формы деформирования полурамы обеспечена.
Конструкции и расчет узлов. Опорный узел решаем с помощью сталь­
ного башмака, состоящего из опорного листа, двух боковых фасонок и
упорной диафрагмы между ними, который крепит стойку к опоре. Узел
расчитываем на действие максимальных продольной силы N = 0,041 МН
и поперечной силы Q = 0,023 МН. Площади смятия конца стойки вдоль и
поперек волокон древесины А = bh = 0,14-0,30 = 0,042 м2.
Расчетные сопротивления смятию древесины вдоль волокон
=
= 15 МПа и поперек волокон /^90 = 3 МПа. Напряжение смятия:
вдоль волокон а = N/A = 0,041/0,042 = 9,9 МПа;
поперек волокон а = Q/A - 0,023/0,042 = 0,6 МПа.
Опорный лист рассчитываем на изгиб от давления торца стойки и
реактивного давления фундамента, как это приведено в примере 6 .2 .
Упорную диафрагму рассчитываем на изгиб как пластинку, опертую по
двум или трем сторонам на давление пласти конца стойки.
Коньковый узел решаем с помощью стальных креплений или доща­
токлееных накладок и болтов и рассчитываем так же, как аналогичные
коньковые узлы трехшарнирных арок (см. гл. 6).
Вопросы для самопроверки
1. Что такое деревянные рамы?
2. Достоинства и области применения деревянных рам.
3. Какие конструкции имеют безраскосные, подкосные и клеедере­
вянные рамы?
4. Какие конструкции имеют цельнодеревянные рамы?
5. Как работают и рассчитываются гнутоклееные рамы?
6 . Как работают и рассчитываются подкосные и двухшарнирные клее­
деревянные рамы?
ГЛАВА 8
ДЕРЕВЯННЫЕ ФЕРМЫ
8.1. Конструкции деревянных ферм
Деревянные фермы — это сквозные решетчатые конструкции
балочного типа, применяемые в строительстве. Они служат ос­
новными несущими конструкциями деревянных покрытий зда­
ний различного назначения и сооружений, имеющих малые и сред­
ние длины пролетов. Основное достоинство деревянных ферм —
возможность их использования в качестве опор не только насти­
лов покрытий, но и чердачных перекрытий, подвесных потолков,
а также легкого производственного оборудования. При этом в се­
чениях элементов ферм не возникает изгибающих моментов, ко­
торые могли бы значительно увеличить их размеры, как это быва­
ет в гнутых арках и рамах.
Древесина и сталь в деревянных фермах концентрируются в
стержнях поясов и решетки, где действуют в основном продоль­
ные силы, и несущая способность этих материалов используется в
наибольшей степени. В связи с этим для изготовления ферм требу­
ется меньше материалов, чем для арок и рам. Фермы, как прави­
ло, являются сборно-разборными и транспортирование их стерж­
ней небольшой длины, прямых или мало изогнутых от места из­
готовления к месту сборки и установки не вызывает существен­
ных затруднений.
Основной недостаток деревянных ферм — большое количество
элементов и узлов. В связи с этим трудность изготовления и сбор­
ки ферм существенно больше, чем арок и рам. Механизация их
производства затруднительна. К числу недостатков ферм относит­
ся также их значительная высота, которая существенно уменьша­
ет полезные габариты помещений. По этим причинам заводское
изготовление деревянных ферм средних пролетов в нашей стране
развито слабо.
Очертание и уклон верхнего пояса деревянных ферм зависят от
типа кровли, которая может быть рулонной или чешуйчатой, со­
стоящей из волнистых или плоских асбестоцементных, стекло­
пластиковых, стальных листов или черепичных плиток. Схемы
решетки и конструкция узлов ферм непосредственно взаимозави­
204
симы. Число панелей верхних поясов ферм зависит от типа стерж­
ней. При клеедеревянных стержнях число панелей может быть наи­
меньшим, а их длины наибольшими. При цельнодеревянных стер­
жнях число панелей должно быть значительным, а их длины огра­
ниченны. Выбор типа деревянных ферм также целиком зависит от
методов их изготовления — с применением склеивания или толь­
ко механической обработки древесины. Все деревянные фермы
разделяют на два основных класса: 1) клеедеревянные с основ­
ными стержнями из клееной древесины; 2) цельнодеревянные с
основными элементами из брусьев, бревен и досок.
Клеедеревянные фермы заводского изготовления в основном
имеют пролеты от 18 до 30 м и высоту, равную 1/6 пролета, тре­
угольное, сегментное или пятиугольное очертание (рис. 8.1). Верх­
ний пояс ферм имеет прямую или гнутую форму, крупное прямо­
угольное сечение и способен нести межузловую нагрузку от насти­
лов покрытия. Ширину сечения пояса обычно принимают не более
17 см, с тем чтобы его можно было склеивать из досок без их сты­
кования по кромкам. Высота сечения верхнего пояса может быть
любой, требуемой расчетом, кратной толщине склеиваемых досок.
Нижний пояс клеедеревянных ферм обычно делают стальным
из двух стальных уголков, соединенных полками внутрь, и имеет
такую же ширину, как и ширина верхнего пояса для упрощения
конструкции узлов. Из-за стального нижнего пояса эти фермы
называют иногда металлодеревянными.
Стержни решетки этих ферм, в которых действуют большие
сжимающие или малые растягивающие силы, делают клеедере­
вянными прямоугольного сечения такой же ширины, как и сече­
ние верхнего пояса, с целью упрощения их крепления в узлах.
Стержни решетки, в которых действуют большие растягивающие
силы, выполняют, как правило, стальными с сечением из двой­
ных уголков или из арматурных стержней.
б
"■к
II
■М—
1
а
/ =5 ' б
( = 12 - 2UM
1 = 12 - 2UM
г
1
1
f x
i x
N
1 = 12 - 2iM
o
a
V
1
- 30м
н
. г - н
t • 15
[
Рис. 8.1. Клеедеревянные фермы:
а — треугольная с нисходящими раскосами; б — то же, с восходящими раскоса­
ми; в — сегментная; г — пятиугольная
205
Треугольные клеедеревянные фермы с нисходящими раскосами
(рис. 8.1, а) имеют значительный уклон верхнего пояса и пред­
назначены для покрытий с чешуйчатой кровлей. Их верхний пояс
состоит из шести или четырех прямых стержней, соединенных в
узел с эксцентриситетами для уменьшения изгибающих момен­
тов от межузловых нагрузок. Нижний пояс делают из двойных сталь­
ных уголков. Все раскосы ферм работают только на сжатие и име­
ют прямоугольное сечение такой же ширины, как у сечения верх­
него пояса. Стойки ферм работают только на растяжение и изго­
товляются из одиночных стальных арматурных стержней.
Треугольные клеедеревянные фермы с восходящими раскосами
(рис. 8.1, б) имеют такой же верхний и нижний пояса и назначе­
ние, как и фермы с нисходящими раскосами. Раскосы работают
постоянно на растяжение и выполняются из одиночных стальных
арматурных стержней. Стойки в этом случае постоянно работают
на сжатие и изготовляются преимущественно клеедеревянного се­
чения такой же ширины, как и сечения верхнего пояса. В этих
фермах несколько сложней, чем в фермах с нисходящими раско­
сами, решаются крепления растянутых раскосов в узлах и крепле­
ния подвесных потолков. Кроме того, наклонные стальные стерж­
ни раскосов могут иметь заметные прогибы от собственного веса.
Сегментные клеедеревянные фермы (рис. 8.1, в) предназначе­
ны для покрытий с рулонной кровлей. Они имеют, как правило,
треугольную схему решетки. Верхний пояс состоит обычно из че­
тырех или трех клеедеревянных стержней одинаковой длины пря­
моугольного сечения, изогнутых по дуге окружности при изго­
товлении. Стержни соединяются центрированно по их осям. Ниж­
ний пояс состоит из двойных стальных уголков. Раскосы решетки
фермы, в которых действуют незначительные знакопеременные
продольные силы, делаются клеедеревянными прямоугольного
сечения шириной, равной ширине сечения верхнего и нижнего
поясов. При наличии подвесного потолка ферма имеет также стой­
ки, которые работают на растяжение и выполняются из стальной
арматуры. При отсутствии подвесных нагрузок ферма имеет тон­
кие арматурные подвески для предотвращения заметного прови­
сания нижнего пояса. Благодаря изогнутой форме верхнего пояса
в его сечениях возникают небольшие знакопеременные изгибаю­
щие моменты от межузловой нагрузки и эксцентричного действия
продольных сил в расчетных сечениях, имеющих противополож­
ные знаки. Поэтому сечения стержней сегментной фермы имеют
меньшие размеры, и такие фермы по расходу клееной древесины
и стоимости являются наиболее экономичными.
Пятиугольные клеедеревянные фермы (рис. 8.1, г) имеют малые
уклоны верхнего пояса. Они служат основой для деревянных по­
крытий с рулонной кровлей и для покрытий средних пролетов
трехпролетных покрытий. Фермы имеют треугольную схему ре­
206
шетки со стойками. Верхний пояс состоит из четырех клеедере­
вянных стержней прямоугольного сечения, которые соединяют в
узлах эксцентрично по отношению к их осям. Средние панели
нижнего пояса и опорные раскосы, в которых действуют большие
растягивающие усилия, делаются из двойных стальных уголков.
Сжатые стойки и средние раскосы, в которых действуют неболь­
шие знакопеременные усилия, делают клеедеревянными. Такие
фермы относятся к менее экономичным типам ферм.
Цельнодеревянные фермы имеют деревянные верхние пояса,
деревянные или стальные нижние пояса и стержни решетки. Ос­
новным преимуществом цельнодеревянных ферм является возмож­
ность их изготовления из лесоматериалов средней влажности в
условиях любого деревообрабатывающего предприятия, в том числе
не имеющего оборудования для склеивания древесины.
Недостатки цельнодеревянных ферм весьма значительны. Ог­
раничения размеров сечений лесоматериалов и соответственно их
несущей способности при изгибе, во избежание их работы на из­
гиб, требуют конструкции покрытия опирать в основном в узлах
верхнего пояса и избегать межузловых нагрузок. Это приводит к
тому, что фермы имеют значительно большее число панелей вер­
хнего пояса, элементов и узлов, чем клеедеревянные. Они трудо­
емки в изготовлении, организация их серийного механизирован­
ного производства затруднительна. Поэтому расширение их при­
менения целесообразно только в районах, не имеющих предпри­
ятий по изготовлению клеедеревянных конструкций.
Треугольные малопролетные брусчатые фермы (рис. 8.2, а) с
нисходящими раскосами имеют брусчатый верхний четырехпанель­
ный пояс, такой же брусчатый нижний пояс, брусчатые раскосы и
среднюю стойку из арматурного стержня. При наличии подвесного
потолка нагрузки от него передаются промежуточными стойками
на узлы верхнего пояса. Эти фермы благодаря своей простоте изго­
товления применяют в зданиях при пролетах до 12 м для покрытий
с асбестоцементной кровлей. Нередко нижний пояс фермы делают
металлическим из уголковой стали или стальной арматуры.
Многоугольные брусчатые фермы (рис. 8.2, б) имеют многоуголь­
ный брусчатый верхний пояс и треугольно-стоечную решетку из
брусьев меньшего сечения или из толстых досок. Нижний пояс
Рис. 8.2. Брусчатые фермы:
а — треугольная малопролетная; б — многоугольная; 1 — нижний пояс из бруса;
2 — то же, из металлического проката
207
состоит из стальных уголков. Преимуществом этих ферм являются
незначительные усилия в стержнях решетки, что позволяет избе­
жать в них применения стальных элементов. Благодаря малым уг­
лам наклона стержней верхнего пояса, эти фермы служат осно­
вой покрытия с рулонной кровлей.
Применяют также треугольные малопролетные фермы неболь­
шой несущей способности со стержнями из двойных досок и уз­
ловыми соединениями на болтах и гвоздях и такие же фермы со
стержнями из одиночных досок, расположенных в одной плоско­
сти, и соединениями на двойных стальных зубчатых пластинах.
Конструкции узлов деревянных ферм различны. Они являются
важнейшими деталями их конструкций, от которых в большей
степени зависят их прочность, надежность и долговечность. Типы
узловых соединений непосредственно связаны со схемами их ре­
шетки. Наиболее надежными соединениями деревянных элемен­
тов являются лобовые упоры. Однако они не могут воспринимать
растягивающие усилия. Поэтому наиболее надежно и просто ре­
шаются конструкции узлов, где соединяемые стержни передают
на них только сжимающие усилия торцами сжатых стержней или
шайбами растянутых тяжей. Простыми соединениями являются
также лобовые врубки, но их несущая способность ограничена.
Болтовые соединения могут воспринимать и сжимающие, и
растягивающие усилия. Их применяют для крепления в узлах стер­
жней решетки сегментных и многоугольных ферм, в которых дей­
ствуют небольшие, но знакопеременные продольные силы. Кон­
струкции узлов клеедеревянных и цельнодеревянных ферм имеют
свои особенности.
Узлы клеедеревянных ферм также многообразны. Опорные узлы
сегментных и треугольных клеедеревянных ферм выполняют с
помощью стальных башмаков и сварных швов такой же конструк­
ции, как и опорных узлов клеедеревянных арок с затяжками (рис.
8.3 и 8.4, а). Верхний пояс фермы упирается в опорный лист и
диафрагму башмака — вертикальную или наклонную, а нижний
пояс соединяется накладками с боковыми фасонками. Верхний
пояс центрируется в узле по его осям, а верхний пояс — только
нижней площадью торца для создания в нем эксцентриситета
продольных сил. Опорный узел пятиугольной фермы решается с
помощью стального башмака более простой конструкции, так как
в нем соединяются клеедеревянные стойка и опорный стержень
нижнего пояса, в котором не действуют продольные силы.
Узлы нижнего пояса треугольных с нисходящими раскосами и сег­
ментных клеедеревянных ферм решаются с учетом того, что в стер­
жнях решетки треугольных ферм действуют значительно большие
усилия, чем в решетке сегментных. В треугольных фермах сжатые
раскосы крепятся лобовыми упорами в полке стальных уголковых
коротышей, приваренных к полкам уголков нижнего пояса, и за208
" //
V
Рис. 8.3. Узлы верхних поясов
клеедеревянных ферм:
а — сегментной фермы; б — конь­
ковый узел треугольной фермы;
в — промежуточный узел треуголь­
ной фермы; 1 — деревянная на­
кладка; 2 — стальная диафрагма;
3 — болт; 4 — стальная накладка;
5 — стальные крепления
крепляются стальными накладками и болтами. Стержни растяну­
тых стоек крепятся гайками к накладкам, приваренным к нижне­
му поясу.
Клеедеревянные стержни решетки сегментных ферм крепятся
болтами и стальными накладками к стержням с двусторонними
нарезками, приваренными к уголкам нижнего пояса. Сжатые кле­
едеревянные стойки треугольной фермы с восходящими раскоса­
ми крепятся к нижнему поясу прямыми лобовыми упорами и зак­
репляются стальными накладками и болтами. Растянутые стерж-
Рис. 8.4. Узлы нижних поясов клеедеревянных ферм:
а — треугольной; б — сегментной; 1 — стальные крепления; 2 — болт;
3 — стальные накладки
209
невые раскосы закрепляются гайками к наклонным накладкам,
прикрепленным к нижнему поясу.
Узлы верхнего пояса сегментных клеедеревянных ферм реша­
ются с помощью двусторонних клеедеревянных накладок, сталь­
ных диафрагм и болтов. В узле ферм небольших пролетов раскосы
решетки крепятся стальными накладками к болту, пропущенно­
му через центр узла. В узле ферм больших пролетов эти накладки
крепятся к стальной диафрагме швеллерообразного профиля со
стержнями с нарезкой и гайками, приваренными к ее оси.
Узлы верхнего пояса треугольной клеедеревянной фермы с нисхо­
дящими раскосами могут решаться с помощью стального крепле­
ния, состоящего из двух фасонок с диафрагмой и нижним лис­
том, к которому приварен уголковый упор и стальные накладки
для соединения сжатого раскоса и растянутой стойки (рис. 8.3, б).
Коньковый узел этой фермы может решаться с помощью сталь­
ного крепления, состоящего из двух фасонок и треугольной ди­
афрагмы и болтов (рис. 8.3, в). Сжатые стержни верхнего пояса
крепятся прямыми лобовыми упорами и болтами к наклонным
поверхностям диафрагмы, а растянутый стержень средней стойки
крепится гайкой к горизонтальной поверхности диафрагмы.
Узлы верхнего пояса клеедеревянной фермы с восходящими
раскосами решаются несколько сложнее, поскольку в них кре­
пятся сжатые клеедеревянные раскосы. Узлы пятиугольной клее­
деревянной фермы — карнизный, коньковый и промежуточные —
могут выполняться с применением стальных креплений с диаф­
рагмами, к которым крепятся лобовыми упорами и болтами кле­
едеревянные стержни и сварными швами стальные стержни ниж­
него пояса и опорных раскосов.
Узлы цельнодеревянных ферм решаются с учетом того, что стер­
жни этих ферм имеют меньшую высоту сечений, чем клеедере­
вянные, и их нижние пояса могут быть как деревянными, так и
стальными.
Узлы брусчатой треугольной фермы решаются следующим обра­
зом. Опорный узел (рис. 8.5) выполняют в виде лобовой врубки.
В концевой части бруса нижнего пояса вырезают треугольное гнез­
до, в которое вводят нижнюю часть торца бруса верхнего пояса —
«зуб», упирающийся в рабочую площадь гнезда. Глубина врубки
должна быть не более 1/3 высоты сечения нижнего бруса, а рас­
стояния от ее вершины до конца нижнего бруса — не менее 1,5
высоты его сечения для получения достаточных площадей растя­
жения и скалывания. Врубка должна быть центрирована по осям
опоры, верхнего пояса и ослабленного врубкой сечения нижнего
пояса, чтобы в этом сечении не возникло кроме растягивающих
усилий и еще изгибающих моментов.
Лобовую врубку дополнительно стягивают наклонным болтом,
перпендикулярным верхнему брусу, и так называемым аварий210
N
V
, <N
/
N 1
' •
ISs' .......................1 Ц .
-------- --------' Ц
Рис. 8.5. Узлы брусчатых ферм:
а — треугольной; б — многоугольной; I — опорный узел; II — промежуточные
узлы
ным, который обеспечивает цельность врубки при монтаже. В слу­
чае разрушения врубки от скалывания конца нижнего бруса этот
болт начинает работать на растяжение и предотвращает опасность
211
разрушения фермы. Опорная подбалка, прибиваемая гвоздями,
предохраняет нижний брус от местного смятия на опоре и созда­
ет наклонную площадь смятия для шайбы аварийного болта.
Коньковый узел этой фермы (рис. 8.5, а) выполняют в виде
наклонных лобовых упоров торцов брусьев верхнего пояса и гори­
зонтального лобового упора шайбы растянутого стержня средней
стойки. Узел перекрывается двусторонними накладками из тол­
стых досок, прикрепленных к брусьям верхнего пояса болтами.
Средний узел нижнего пояса этой фермы решается с применени­
ем двойных накладок из брусьев сечением, не меньшим полови­
ны сечения бруса нижнего пояса и болтов. Сжатые брусья раско­
сов пропускаются в зазор между накладками нижнего пояса, упи­
раются вертикальными площадями концов друг в друга, а гори­
зонтальными площадями — на шайбу растянутого стержня стой­
ки. При этом в узле создаются два лобовых упора. Промежуточный
узел верхнего пояса решается в виде лобовых врубок сжатых бру­
сьев раскосов, скрепленных болтами, в гнезда, сделанные в бру­
сьях верхнего пояса. При наличии подвесного потолка в этом узле
крепится также стальной стержень растянутой стойки гайкой на
шайбе.
Узлы многоугольной брусчатой фермы (рис. 8.5, б) решаются раз­
личными вариантами. Опорный узел этой фермы выполняют с
применением стального башмака, состоящего из опорного листа,
двух вертикальных фасонок и наклонной диафрагмы, служащей
опорой опорного бруса верхнего пояса. Стальные уголки нижнего
пояса вводят в зазор между фасонками и присоединяют к ним
сварными швами. Промежуточные узлы нижнего пояса крепят с
помощью стальных накладок и болтов. Накладки брусьев прикреп­
ляют к стальной шпильке с нарезками на концах, приваренной к
нижнему поясу.
Промежуточные узлы верхнего пояса крепят с помощью сталь­
ных накладок, стальных вкладышей, двусторонних деревянных
накладок и болтов. Стальные накладки брусьев прикрепляют к бол­
ту, пропускаемому через вкладыш и накладки. Брусья верхнего
пояса соединяются в узле деревянными накладками и болтами.
Узлы треугольных и пятиугольных брусчатых ферм со стальными
или деревянными нижними поясами решаются с применением
стальных креплений лобовых упоров, лобовых врубок, болтовых
и сварных соединений. Они описаны в некоторых материалах по
конструкциям из дерева и пластмасс.
Узлы треугольной дощатой фермы с двойными поясами включа­
ют: опорный узел, который решается с помощью дощатых накла­
док, прокладок и болтов; коньковый узел, выполняемый с помо­
щью лобового упора, перекрытого накладками и прокладками.
Доску стойки вводят в зазор между прокладками и крепят к на­
кладкам болтами; средний узел нижнего пояса, который решает­
212
ся тоже с помощью накладок, прокладок и болтов. Доски решет­
ки вводят в зазоры между досками поясов и крепят болтами.
Узлы треугольной дощатой фермы из одиночных досок решаются
с применением зубчатых стальных пластин. Все стержни фермы
имеют однодощатые сечения одинаковой толщины и находятся в
одной плоскости. Каждый узел соединяется двумя зубчатыми пла­
стинами, зубья которых впрессовываются с обеих сторон.
8.2. Расчет деревянных ферм
Расчетные нагрузки, действующие на ферму, состоят из по­
стоянных и временных. Постоянная нагрузка g включает в себя
нагрузку от собственного веса всех элементов покрытия и соб­
ственного веса фермы, который может быть определен по эмпи­
рической формуле. При этом должны быть учтены коэффициенты
надежности у и шаг расстановки ферм В. Постоянная нагрузка
считается равномерно распределенной по длине пролета фермы.
Временная снеговая нагрузка s определяется по СНиПу и являет­
ся равномерно распределенной по длине пролета или по длинам
полупролетов фермы. На сегментную ферму может действовать
также треугольная снеговая нагрузка s, с максимальными значе­
ниями над опорами и нулевым значением в половине пролета
фермы (см. гл. 6).
Ветровая нагрузка w при расчете большинства ферм не учи­
тывается, так как она действует в виде отсоса и уменьшает уси­
лия в стержнях ферм от основных нагрузок. При наличии подвес­
ного потолка, чердачного перекрытия или подвесного оборудова­
ния нагрузки от них сосредоточиваются в узлах нижнего пояса
фермы.
Геометрический расчет заключается в определении длин осей
всех стержней фермы и углов их наклона к горизонтальной про­
екции и между собой в узлах. В сегментной ферме необходимо
определить радиус и длину верхнего пояса, длины хорд его стер­
жней, их горизонтальные проекции и стрелы выгиба. При этом
можно использовать геометрический расчет сегментной арки.
Статический расчет заключается в определении усилий, дей­
ствующих в стержнях фермы от всех расчетных нагрузок и их со­
четаний. Продольные силы определяют во всех стержнях фермы.
Для этого распределенные нагрузки, действующие в верхнем по­
ясе, условно считают сосредоточенными в его узлах. Гнутые оси
стержней верхнего пояса сегментной фермы условно заменяют их
хордами. Затем определяют продольные силы методами построе­
ния диаграммы усилий Максвелла—Кремона, вырезания узлов
или методом сечений. Примеры построения диаграммы усилий
показаны на рис. 8.6.
213
Продольные силы в стержнях симметричных ферм можно оп­
ределять только в одной, например, левой половине фермы в сле­
дующем порядке. Сначала рассчитывают усилия от равномерно
распределенной снеговой нагрузки на одном, например, левом
полупролете фермы, затем на одном правом полупролете. Это мож­
но сделать с помощью построения одной диаграммы от левосто­
ронней нагрузки. Усилия от правосторонней нагрузки будут рав­
ны усилиям в стержнях незагруженной половины фермы.
Продольные силы от равномерно распределенной снеговой
нагрузки на всем пролете фермы определяют как сумму сил от
нагрузок на полупролетах. Продольные силы от собственного веса
рассчитывают путем умножения сил от снеговой нагрузки на всем
пролете на отношение значений постоянной нагрузки к снего­
вой — g/s. Продольные силы можно определять только от треу­
гольной снеговой нагрузки с наибольшим значением на опоре,
расположенной на левом или правом полупролете фермы.
В верхних поясах всех ферм действуют только сжимающие силы
Nc, в нижних поясах — только растягивающие силы Np, в нисхо­
дящих раскосах треугольных ферм — только сжимающие силы Nc
и в стойках решетки — только растягивающие силы Np. В решетке
сегментных и многоугольных ферм могут возникать как сжимаю­
щие, так и растягивающие силы при односторонних снеговых
нагрузках. Полученные значения продольных сил от отдельных на­
грузок и их сочетаний записывают по форме табл. 8.1.
Изгибающие моменты возникают только в сечениях верхних
поясов при наличии на них межузловой нагрузки. Их определяют
II
"В... Pi
в
ft Ra
-г---1^ 3
А
д
рр: Rb
2
5
А.Г
4
ft
Рг
Ra
Pi Rb
Рис. 8.6. Нагрузки и усилия в стержнях ферм:
а — треугольной; б — сегментной; / — схемы и нагрузки; II — диаграммы усилий
Максвелла —Кремона
214
следующим способом. Стержни верхнего пояса рассматривают как
элементы, шарнирно опертые в узлах, на которые действует межузловая, например, равномерно распределенная нагрузка и про­
дольные сжимающие силы, определенные ранее. Силы ^действу­
ют вдоль расчетных осей прямых стержней или вдоль хорд гнутых
стержней верхнего пояса (рис. 8.7). При равномерно распределен­
ной нагрузке q эти изгибающие моменты в прямых Мпр и гнутых
Мт стержнях определяют по формулам
Мпр = ql2/ 8 - Ne- Мгн = ql2/ 8 - Nf,
где / — горизонтальная проекция прямого стержня или хорды гну­
того; е = (А - А0)/2 — эксцентриситет продольных сил в прямом
стержне с высотой сечения Л и в концах его А0; / = 12/(8г) —
стрела выгиба гнутого стержня.
В верхнем поясе сегментной фермы максимальный изгибаю­
щий момент возникает в опорных стержнях верхнего пояса при
треугольной снеговой нагрузке с максимальным значением на опоре
фермы. Там же возникают максимальные поперечные силы Q.
Подбор сечений стержней производят с учетом предельно до­
пускаемых их гибкостей X: для стержней верхнего пояса — 120,
для сжатых стержней решетки — 150, для стальных стержней ниж­
него пояса — 400. Расчетные длины поясов в плоскости фермы
принимают равными расстояниям между их узлами, а расчетные
длины поясов из плоскости фермы — равными расстояниям меж­
ду закрепляемыми их связями или между креплениями настилов
или прогонов покрытия.
Ширину сечений стержней клеедеревянных ферм принимают,
как правило, не более 17 см, для того чтобы их можно было скле­
ивать из цельных досок без поперечных стыков.
Сечение верхних поясов клеедеревянных ферм подбирают с уче­
том действующих изгибающих моментов М и продольных сил N.
N
■drtilllllJC
iu N
Рис. 8.7. Расчетные схемы работы верхних поясов клеедеревянных ферм:
а — гнутого пояса сегментной фермы; б — прямого пояса треугольной и пяти­
угольной ферм
215
Высоту сечения верхнего пояса можно определить предвари­
тельно, учитывая только продольные силы или только изгибаю­
щие моменты по следующим выражениям:
А-rp = 0,7 N/R,.', Лф = А/Ь;
W ^ = M / 0,8ЛИ; Лф = >/§»74.
Проверку напряжений в сечении верхнего пояса производят
при сжатии с изгибом по формулам расчета цельнодеревянных
элементов. При этом определяют его расчетную длину /р, площадь
сечения А, момент сопротивления W и радиус инерции г сече­
ния, гибкость стержня X, коэффициент его устойчивости <р, ко­
эффициент учета деформации |, изгибающий момент с учетом
деформаций Мд и максимальное напряжение сжатия ст, которое
не должно превышать расчетного сопротивления древесины сжа­
тию Rc, определяемого с учетом ширины сечения b и коэффици­
ентов условий работы — высоты сечения т&и толщины слоев
досок, из которых склеен стержень.
Сечения деревянных стержней верхнего пояса и решетки, в
которых действуют только сжимающие продольные силы, подби­
рают с учетом того, что их ширина одинакова, а гибкость не пре­
вышает допускаемой. Их рассчитывают на сжатие с учетом устой­
чивости по формулам расчета цельнодеревянных элементов. Сече­
ния растянутых деревянных стержней подбирают и рассчитывают
по формуле расчета цельнодеревянных элементов. Сечения растя­
нутых стальных элементов подбирают и рассчитывают по нормам
проектирования стальных конструкций. При этом ширина нижне­
го пояса из стальных уголков должна быть, как правило, равна
ширине сечений стержней решетки для удобства решений узлов.
Расчет узлов деревянных ферм. Лобовые упоры узлов деревян­
ных ферм на смятие при действии продольных сжимающих сил
вдоль и поперек волокон или под углом к волокнам древесины
определяют по формулам расчета на смятие цельнодеревянных
элементов.
Расчет узлов деревянных ферм обычно производят на действие
максимальных усилий соединяемых в них стержней с учетом уг­
лов между их осями. Лобовые упоры деревянных элементов в узлах
рассчитывают на смятие, учитывая направления действия про­
дольных сжимающих сил. Число болтов, соединяющих элементы в
узлах, зависит от того, как они работают — вдоль или поперек
волокон древесины. Стальные элементы узловых креплений и их
сварные соединения рассчитывают по нормам проектирования ме­
таллических конструкций.
В лобовых врубках проверяют напряжение смятия древесины а
под углом к волокнам древесины нижнего бруса под действием
сжимающей силы торца верхнего бруса и напряжение скалыва­
216
ния древесины конца нижнего бруса т под действием скалываю­
щей силы Т, равной силе растяжения N нижнего бруса. Этот рас­
чет производят по формуле т = Т/А < Лскср, где площадь скалыва­
ния А = Ыск; Лскср = Лск/О + 0,25lCK/e); е = А/2. Кроме этого, прове­
ряют напряжение растяжения в ослабленном врубкой сечении ниж­
него бруса.
Расчет ферм по второму предельному состоянию (по прогибам
нижнего пояса) в большинстве случаев, когда фермы имеют ре­
комендуемые высоты, не требуется. При отношении высоты к
пролету не менее 1/7 фермы имеют вполне достаточную жест­
кость. Однако в процессе эксплуатации, в основном в результате
податливости их узлов, фермы могут получить небольшие, но за­
метные на глаз прогибы нижнего пояса. Для исключения таких
прогибов нижним поясам ферм рекомендуется придавать так на­
зываемый строительный подъем, равный 1/200 их пролета. Этот
подъем учитывают при геометрическом расчете фермы. При ста­
тическом расчете его учитывать не обязательно, поскольку он не­
значительно влияет на усилия в стержнях фермы.
Расчет по прогибам ферм высотой не ниже рекомендуемой от­
носительной высоты (1/7) должен производиться с учетом де­
формаций всех стержней от действия в них усилий от норматив­
ных нагрузок.
Связевые фермы обеспечивают устойчивость основных несущих
конструкций каркаса, их элементов и воспринимают горизонталь­
ные нагрузки, действующие на здание. Они бывают поперечными
и продольными, скатными, вертикальными и наклонными.
Скатные поперечные связи (рис. 8.8) являются основными. Они
состоят из связевых ферм, которые соединяют верхние пояса или
зоны основных несущих конструкций покрытия попарно. Эти свя­
зи располагаются наклонно поперек покрытия в плоскости. Их
опорами являются конструкции каркаса стен. Поясами связей слув р
А
р
р
р
мм
р
I
г аа
Рис. 8.8. Связевые фермы:
а — профиль связей; б — план связей; в — схема работы связей
217
жат верхние пояса основных конструкций, стойками — горизон­
тальные брусья или прогоны и плиты настила. Решетка бывает
перекрестная или раскосная и выполняется из брусьев или сталь­
ных тяжей.
Скатные связи должны располагаться в торцевых зонах покры­
тия и между ними на расстоянии не более 30 м, а также закреплять
промежуточные конструкции брусчатыми стержнями или конст­
рукциями настила покрытия. Скатные связи закрепляют верхние
пояса основных конструкций на опорах в коньке и в промежуточ­
ных точках, что повышает их устойчивость из плоскости, умень­
шая расчетную длину до расстояния между узлами связевых ферм.
Скатные связи рассчитывают на горизонтальные ветровые
нагрузки и усилия, возникающие в элементах вследствие откло­
нения их осей от прямых линий, как однопролетные шарнирно
опертые фермы с параллельными поясами. Ветровые нагрузки в
виде давления и отсоса на торцевые стены здания распреде­
ляются поровну между скатными связевыми фермами. Напри­
мер, при действии ветра на здание (рис. 8.8, а, б) сосредото­
ченные силы Р, приходящиеся на каждый узел связевой фермы,
собирают по грузовым площадям обоих торцов и делят на число
связевых ферм — 3.
В стержнях связевой фермы возникают еще усилия в результате
отклонения их осей от линейной формы. Их определяют от дей­
ствия условной горизонтальной нагрузки qc по формуле
Яс = a q (n
+ 1)/(2 /),
где а — коэффициент (для балок, пологих арок и ферм а = 0,03;
для рам и высоких арок при f / l > 1/3 а = 0,015); q — расчетная
равномерная вертикальная нагрузка на проекцию покрытия; п —
число несущих конструкций покрытия; / — число связевых ферм.
Узловые нагрузки Q от несовершенства линейной формы стер­
жней связей определяют как произведение горизонтальной на­
грузки Р на длину панелей связевой фермы и суммируют с узло­
выми нагрузками от ветра. Связевые фермы рассчитывают как обыч­
ные фермы, принимая их пролет равным развертке поясов несу­
щих конструкций: / = //cosa. Если решетка принята деревянной
раскосной, то раскосы и стойки решетки фермы рассчитывают на
растяжение или сжатие. Если же решетка принята перекрестной
из стальных тяжей, то сжатые раскосы, восходящие от опор, ис­
ключаются. Пояса связевых ферм, являющиеся одновременно эле­
ментами несущих конструкций, рассчитывают на совместное дей­
ствие усилий от вертикальной и горизонтальной нагрузок.
Вертикальные поперечные связи (рис. 8.8, в) соединяют попарно
стойки каркаса здания, на которые опираются конструкции покры­
тия. Они располагаются в плоскости, параллельной плоскости сте­
ны, и обеспечивают большую устойчивость стоек в этом направле­
218
нии. Эти связи работают и рассчитываются на горизонтальные на­
грузки от давления и отсоса ветра аналогично нагрузкам скатных
связей. Их статической схемой является вертикально стоящая шар­
нирно опертая консольная ферма с параллельными поясами.
Продольные вертикальные и наклонные связи создаются для
обеспечения плоской формы деформирования балок, элементов
арок и рам с относительно большой высотой сечения и ферм, в
которых нижний растянутый пояс находится ниже уровня опор
или его опорные панели являются ненесущими. Такие связи со­
единяют все конструкции покрытия попарно и располагаются вдоль
здания с требуемым расчетным шагом по их длине. Они работают
и рассчитываются как шарнирно опертые фермы с параллельны­
ми поясами на горизонтальные сосредоточенные силы Р по фор­
муле
Р = 0,01 qS,
где q — расчетная равномерная вертикальная нагрузка на проек­
цию покрытия; S — горизонтальная проекция шага продольных
связей.
Торцевой фахверк является несущим каркасом торцевой стены
здания. Он состоит из нескольких вертикальных стоек, шарнирно
опертых на фундаменты и прикрепленных к крайним несущим
конструкциям покрытия в местах узлов поперечных скатных тор­
цевых связей. К стойкам фахверка крепят горизонтальные балки,
обшивки и панели торцевой стены.
Стойки фахверка при высоте до 6 м делают из брусьев или
толстых досок, а при большей высоте их выполняют клеедеревян­
ными или брусчатыми сквозными. На стойки действуют верти­
кальные сосредоточенные нагрузки от собственного веса стены и
горизонтальные нагрузки от давления и отсоса ветра. Их рассчи­
тывают на сжатие с изгибом как стержни с шарнирно закреплен­
ными концами. Опорный узел стоек решают с помощью металли­
ческих башмаков и болтов и рассчитывают на действие продоль­
ных и поперечных сил. Верхний узел стоек крепится к основным
несущим конструкциям покрытия с помощью болтов. Он должен
допускать свободные вертикальные прогибы конструкций покры­
тия, чтобы нагрузка от покрытия не передалась на стойки фах­
верка. Для этого отверстия под болты делают не круглыми, а оваль­
ными. Этот узел обеспечивает передачу ветровых нагрузок на узлы
поперечных скатных связей.
Балки настила и панели торцевой стены работают и рассчиты­
ваются на изгиб, на нагрузки от собственного веса и давления
или отсоса ветра.
В некоторых случаях основные несущие конструкции в торцах
здания не ставятся, тогда нагрузка от покрытия тоже передается
на стойки фахверка.
219
Пример 8.1. Подобрать и проверить сечение стержней и запроектиро­
вать узлы треугольной клеедеревянной шестипанельной фермы проле­
том 24 м, высотой 4 м из древесины 2-го сорта со стальным нижним
поясом. На ферму действуют расчетные нагрузки от собственного веса
g = 4 кН/м и веса снега s = 10 кН/м, равномерно распределенные по
длине пролета. Верхний пояс закреплен из плоскости в узлах и третях
стержней через каждые 1,4 м.
Р е ш е н и е . Сначала произведем геометрический расчет полуфермы.
Пролет фермы /ф = 24 м. Высота/ = 4 м.
Угол наклона верхнего пояса tga = 2///ф = 2*4/24 = 0,33, a = 18°25*,
cosa = 0,95.
Длина нижнего пояса /ф.„ = /ф/ 2 = 24/2 = 12 м.
Длина верхнего пояса /фв = /ф„/cosa = 12/0,95 = 12,65 м.
Длина стержней нижнего пояса /„ = /ф.н/3 = 12/3 = 4 м.
Длина стержней верхнего пояса /в = /фв/ 3 = 12,65/3 = 4,22 м.
Длины стоек: /с1 = f /З = 4/3 = 1,33 м; /с2 = 2f/3 = 2*4/3 = 2,67 м; /с3 = / =
= 4 м.
_____
_______
_____
Длины раскосов: /р1 = ф 2\ + Ч = \lh332 + 42 = 4,18 м; /р2 = л//с22 + Ч =
= -^2,672 + 42 = 4,81 м.
Статический расчет. На левом полупролете фермы усилия от снего­
вой нагрузки s = 10 кН/м. Условные сосредоточенные нагрузки в узлах
верхнего пояса:
рх= р4 = slx/2 = 10*4/2 = 20 кН; Р2 = Р3 = slx= 10*4 = 40 кН.
Опорные реакции: Rn = 3sl/& = 3* 10*24/8 = 90 кН; Rn - si/ 8 = 10*24/8 =
= 30 кН.
Продольные силы N в стержнях фермы от нагрузки на левом полупролете определяем методом построения диаграммы сил Максвелла—
Кремона (см. рис. 8.6). Продольные силы от снеговой нагрузки на правом
полупролете принимаем по этой же диаграмме по усилиям в стержнях
незагруженной половины фермы. Полученные значения продольных сил
сводим в табл. 8.1.
Подбор сечений и проверка напряжений в стержнях фермы. Подбор се­
чения верхнего пояса выполняем в следующем порядке. Принимаем мак­
симальную продольную силу сжатия равной N = Qx- 448 кН = 0,448 МН.
Предварительно подбираем сечение без учета изгиба. Принимаем клее­
деревянное сечение из досок 2-го сорта шириной b = 14 см. Расчетное
сопротивление древесины сжатию при b > 13 с м /^ = 1 5 МПа. Прибли­
женно требуемая площадь сечения
= N /( 0,6 / у = 0,448/(0,6*15) =
= 0,05 м2. Коэффициент 0,6 учитывает влияние изгибающего момента и
прогиба.
Требуемая высота сечения hw = А^Ъ = 0,05/0,14 = 0,357 м, принима­
ем сечение bxh = 14x36 см из 11 слоев досок толщиной б = 3,3 см после
острожки. Коэффициенты условий работы к расчетному сопротивлению
древесины при данной высоте сечения и толщине слоев /я6 = 1 и т^ = 1.
Принимаем эксцентриситет продольных сил е = 5 см = 0,05 м.
Изгибающий момент М при данной максимальной продольной силе
и длине проекции стержня /н = 4 м равен:
M=(g + s)l2J S - N e = ( 4 + 10)42/8 - 448 *0,05 = 5,6 кН *м = 0,0056 МН *м.
Поперечная сила Q = (g + s ) lj 2cosa = (4 + 10)4/2• 0,95 = 29 кН = 0,029 МН.
220
Т а б л и ц а 8.1
Продольные силы N (кН) в стержнях левой полуфермы
Усилия
от снеговой нагрузки s= 10 кН/м при снеговой нагрузке
от
Обозначе­
собствен­
ние
на левом на правом
на
ного веса полупро- полупро- на всем полупро- на всем
пролете
пролете
$=4кН/м
лете
лете
лете
Верхний пояс
0\
-128
-224
-96
-320
-352
-448
Ог
-102
-160
-96
-256
-262
-358
Оъ
-76
-96
-96
-191
-171
-268
Нижний пояс
+121
+212
+90
+302
—
+423
+96
+150
+90
+240
—
+336
Vi
—
—
—
—
—
—
у2
+8
+20
—
+20
—
+28
Уз
+32
+40
+40
+80
—
+96
ut
Стойки
Раскосы
А
А
-26
-64
—
-64
—
-90
-29
-72
—
-72
—
-101
Проверка напряжения в сечении при максимальной продольной силе N =
= 0,448 МН и изгибающем моменте М = 0,0056 М Н м . Длина /в, площадь
сечения А, момент сопротивления W, радиус инерции г, гибкость X,
коэффициент учета прогиба
/в = 4,22 м; А = bxh = 0,14x0,36 = 0,05 м2; W = bh2/ 6 = 0,14*0,362/6 =
= 0,03 м3; г = 0,29 h = 0,29 0,36 = 0,105 м ; \ = /р/г = 4,22/0,105 = 40; £ = 1 - М 2/(3000ДЛ) = 1 - 0,448*402/(3000* 15*0,05) = 0,68.
Изгибающий момент с учетом деформаций изгиба МЛ= М/% = 0,0056/
/0,68 = 0,008 МН м. Напряжение а = N/A + M J W = 0,448/0,05 + 0,008/
/0,003 = 11,6 МПа < R^.
Проверка напряжений при максимальном изгибающем моменте М и про­
дольной силе N = 0 3 = 268 кН = 0,268 МН.
М = (g + s )!2/ 8 - Ne = (4 + 10)42/8 - 268 •0,05 = 13,6 кН •м = 0,0136 МН • м;
Ф= 1,87; %= 1 - 0,268/(1,87* 15*0,05) = 0,89; Мд = 0,0136/0,89 = 0,015.
Напряжение а = N /А + M J W = 0,24/0,05 + 0,015/0,003 = 9,8 МПа < ^
Проверка скалывающих напряжений на действие поперечной силы Q =
= 0,029 МН. Высота сечений концов стержней, обеспечивающая приня­
тый эксцентриситет продольных сил е = 0,05 м, равна hQ = (Л/2 - е)2 =
= (0,36/2 - 0,05)2 = 0,26 м. Расчетное сопротивление древесины скалыва-
221
нию в клеедеревянных элементах Rск = 1,5 МПа. Ширина сечения Ь, ста­
тический момент S и момент инерции I:
Ь = 0,14 м; 5 = bh2/ 8 = 0,14*0,262/8 = 0,0012 м3; / = bh3/ 12 = 0,14*0,263/
/12 = 0,0002 м4. Напряжение скалывания т = QS/ЦЬ) = 0,029*0,0012/
/(0,0002*0,14) = 1,26 МПа < 7^.
Проверку устойчивости плоской формы деформирования верхнего
пояса опускаем, поскольку при его закреплении от выгиба из плоскости
через каждые 1,4 м она обеспечена.
Подбор сечений раскосов. Подбираем и проверяем сечение второго рас­
коса. Длина раскоса /р2 = 4,81 м. В нем действует наибольшая сжимающая
сила N = D2 = 101 кН = 0,101 МН. Расчетное сопротивление сжатию Rc =
= 15 МПа. Принимаем сечение bxh = 16,5 х 16,5 см из девяти слоев досок
толщиной 5 = 3,3 см.
Проверка напряжения сжатия с учетом устойчивости. Расчетная дли­
на /о, площадь сечения А, радиус инерции г, гибкость X и коэффициент
устойчивости ср:
/0= /р2 = 4,81 м;А = Ьхк = 0,165x0,165 = 0,027 м2; г= 0,296 = 0,29*0,165 =
= 0,048 м; X = /0/г = 4,81/0,048 = 120 < 150; ф = 3000Д2 = 3000/1002 = 0,3.
Напряжение а = N/(q>A) = 0,101/(0,3*0,027) = 12,5 МПа <
Сечение первого раскоса, имеющего меньшую длину, в котором дей­
ствует меньшая сжимающая сила, принимается конструктивно.
Подбор сечения нижнего пояса. Максимальная продольная растягиваю­
щая сила N = Ux = 423 кН = 0,423 МН. Расчетное сопротивление стали
R = 240 МПа. Требуемая площадь сечения нижнего пояса Aw = N /R =
= 0,423/240 = 0,0018 м2 = 18 см2. Принимаем сечение из двух стальных
уголков — 2x65x8. Площадь сечения пояса А = 9,83*2 = 19,66 см2 > А^.
Подбор сечения средней стойки. Растягивающая сила N = У3 = 96 кН =
= 0,096 МН. Принимаем стержень из стальной арматуры класса А-I с
нарезками на концах. Расчетное сопротивление стали R = 225 МПа. Ко­
эффициент концентрации напряжений в нарезке /Г= 0,8. Требуемая пло­
щадь сечения стержня по нарезке А ф = N /(0,S-R ) = 0,096/(0,8 •225) =
= 5,3* 10-4 = 5,3 см2. Принимаем стержень диаметром d = 3 см. Площадь
сечения концов стержня по нарезке А = 7,44 см2 > АТр.
Подбор сечения второй стойки. Продольная растягивающая сила N =
= V2 = 28 кН = 0,028 МН. Требуемая площадь сечения концов стержня по
нарезке Aw = N /(0,8R) = 0,028/(0,8*225) = 1,55* 10"4 м2 = 1,55 см2.
Принимаем стержень диаметром d = 2 см. Площадь сечения концов
стержня по нарезке А = 2,18 см2 > Aw.
Решение и расчет узлов фермы. Опорный узел решаем с помощью сталь­
ного башмака, состоящего из опорного листа, двух фасонок и наклон­
ной диафрагмы между ними, аналогично опорному узлу арки с затяж­
кой (см. рис. 6.3, б). Верхний пояс упирается торцом в диафрагму и кре­
пится к фасонкам болтами, а нижний пояс соединяется с фасонками
сварными швами. Проверку напряжения в торце верхнего пояса произ­
водим при его смятии.
Сминающая сила N = Ох = 0,448 МН. Высоту площади торца hx из
условия обеспечения эксцентриситета продольной силы е = 5 см опреде­
ляем по формуле h\ —h —2~е —36 —2*5 = 26 см = 0,26 м.
Площадь лобового упора А = bh{ = 0,14*0,26 = 0,036 м2.
222
Расчетное сопротивление древесины смятию вдоль волокон RCM =
= 15 МПа.
Напряжение с = N/A = 0,448/0,036 = 12,5 МПа < R^M.
Число болтов крепления верхнего пояса к фасонкам определяем на
действие поперечной силы как двухсрезных, работающих симметрично
под прямым углом к волокнам древесины.
Коньковый узел решаем с помощью стального крепления с диафраг­
мой треугольного сечения, в которую упирается торец верхнего пояса и
опирается шайба тяжа средней стойки. Расчет лобового упора верхнего
пояса здесь не требуется, так как его площадь имеет такие же размеры,
как и в опорном узле, а сжимающая сила меньше.
Промежуточные узлы верхнего и нижнего поясов решаем с помощью
стальных креплений, показанных на рис. 8.3 и 8.4. Крепление к ним сжа­
тых раскосов производится лобовыми упорами и болтами, а растянутых
стоек — гайками.
Подбор площади сечения торцов лобовых упоров раскосов произво­
дим при смятии вдоль волокон. Максимальная сжимающая сила N = D2 =
= 101 кН = 0,101 МН. Расчетное сопротивление смятию древесины вдоль
волокон Лсм = Rc = 15 МПа. Требуемая площадь смятия А = N /R c =
= 0,101/15 = 0,0067 м2.
Принятые размеры сечения: b = 14 см, hx = 10 см.
Площадь сечения А = bxh = 0,14x0,10 = 0,014 м2 > А^.
Крепление металлических элементов ферм в узлах производим по
нормам проектирования металлических конструкций.
Вопросы для самопроверки
1. Что такое деревянные фермы, каковы их назначение и области при­
менения?
2. Какие формы имеют клеедеревянные фермы и каковы их преиму­
щества?
3. Какие формы имеют цельнодеревянные фермы и каковы их облас­
ти применения?
4. Какие усилия действуют в стержнях деревянных ферм и как они
определяются?
5. Как подбирают и проверяют сечения стержней деревянных ферм?
6. Какую конструкцию имеют узлы клеедеревянных ферм и как они
работают?
7. Какую конструкцию имеют узлы цельнодеревянных ферм?
8. Как стержни верхнего пояса ферм центрируются в узлах и почему?
ГЛАВА 9
ПРОСТРАНСТВЕННЫЕ И СПЕЦИАЛЬНЫЕ
КОНСТРУКЦИИ ИЗ ДЕРЕВА И ПЛАСТМАСС
9.1. Пространственные конструкции
Пространственные конструкции* — это такие строительные
конструкции, осевые поверхности которых не совпадают с верти­
кальной осевой поверхностью плоскостных конструкций — арок,
рам и ферм. При этом пространственные конструкции работают и
рассчитываются не в одной, а в двух плоскостях, и все их элемен­
ты работают и рассчитываются совместно. При этом также ис­
пользуется несущая способность конструкций в обеих плоскостях.
В результате пространственные конструкции менее материалоем­
ки и имеют меньшую собственную массу, чем плоскостные. Они
характеризуются повышенной жесткостью и надежностью. Мест­
ные дефекты и повреждения, как правило, не приводят их в ава­
рийное состояние. Пространственные конструкции являются во
многих случаях одновременно и несущими и ограждающими и
ими можно перекрывать особо большие пролеты.
Пространственные конструкции имеют следующие основные
формы: плоскую, цилиндрическую — сводчатую, сферическую —
купольную и двойной кривизны (рис. 9.1).
Перекрестная балочная клетка из клеедеревянных балок явля­
ется плоской пространственной конструкцией. Балки этой клетки
жестко соединяются в узлах их пересечений с помощью металли­
ческих креплений. Расчетная схема этой балочной клетки являет­
ся статически неопределимой системой со степенью, соответству­
ющей числу их пересечений. Преимуществом этой балочной клет­
ки является то, что балки здесь имеют существенно меньшую вы­
соту, чем главные балки обычных балочных клеток из клеедере­
вянных балок. Однако конструкция их соединений более сложна и
металлоемка.
* Детальное изучение пространственных конструкций и методов их решения
и расчета входит в программу специального курса. Данный раздел содержит только
основные краткие сведения о некоторых перспективных пространственных кон­
струкциях, методах их проектирования и расчета.
224
а
б
Рис. 9.1. Схемы пространственных деревянных конструкций:
а — свод-оболочка; б — складка
Кружально-сетчатый свод (рис. 9.2) представляет собой решет­
ку — сетку из отдельных стержней — косяков. Косяки могут быть
цельнодеревянными дощатыми, клеедеревянными или клеефанер­
ными коробчатого сечения — постоянного или переменного, пря­
мыми или гнутыми. Эти косяки соединяются в узлах болтами,
шипами или стальными креплениями и накладками. Свод может
быть с затяжками, воспринимающими его распор, или без них.
Опорами свода являются прочие основные несущие конструкции
здания. Концы свода опираются на фронтоны гнутой формы.
Цельнодеревянный кружально-сетчатый свод может иметь про­
леты длиной до 18 м из-за ограничения сортамента досок. Клееде­
ревянные и клеефанерные кружально-сетчатые своды бывают про­
летом до 60 м, поскольку длины и сечения косяков для них могут
быть любых требуемых размеров.
Рис. 9.2. Кружально-сетчатый свод:
а — схема; б — косяк; 1 — свод; 2 — затяжка; 3 — фронтон; 4 — мауэрлат
8
Хромей Ю. H.
225
Основными достоинствами кружально-сетчатого свода являются
его сборность, возможность быть основанием настилов покрытия
без прогонов и образовывать кессонные потолки, особенно раци­
онально устраивать их в помещениях общественных зданий.
Кружально-сетчатый свод имеет двухшарнирную статическую
схему, но может рассчитываться с использованием статических
схем трехшарнирных сегментных или стрельчатых арок. При опре­
делении его опорных реакций, изгибающих моментов, продоль­
ных и поперечных сил, действующих в сечениях косяков свода,
удобно задаваться условной шириной его сечения, равной шагу —
расстояниям между узлами его сетки. Напряжения в сечениях ко­
сяков свода проверяют по формулам расчета сжато-изгибаемых
цельнодеревянных элементов. Косяки цельнодеревянного свода
крепятся концами в узлах соединениями, которые можно считать
шарнирными. Поэтому при определении напряжений от изгиба
учитывают площади сечений только половины косяков. Концы
клеедеревянных и клеефанерных косяков соединяют жестко, и
поэтому учитывают площади сечений всех косяков. Пространственность работы кружально-сетчатого свода учитывается влиянием
на его работу фронтонов. Значения изгибающих моментов, дей­
ствующих в своде, делят на коэффициент фронтонов Кф. При от­
ношении длины свода между фронтонами к длине осей его дуги,
равном или меньшем единицы, Кф = 2, если это отношение боль­
ше двух, то Кф = 1, следовательно, его не учитывают. При проме­
жуточных отношениях коэффициент фронтонов определяют по
интерполяции.
Болты узлов цельнодеревянного свода работают и рассчитыва­
ются на растяжение. Древесина под шайбами болтов и под торца­
ми косяков с шипами работает и рассчитывается на смятие попе­
рек волокон. Металлические затяжки работают и рассчитываются
на растяжение. Опорные брусья работают и рассчитываются на
изгиб при пролетах, равных расстояниям между затяжками.
Трехслойный свод состоит из изогнутых в направлении кривиз­
ны оси свода трехслойных плит с обшивками из алюминия и сред­
ним слоем из пенопласта. Эти плиты отличаются от плоских ана­
логичных плит только кривизной. По форме такой свод может
быть как сегментным, так и стрельчатым, с затяжками и без них,
опираться на стены или фундаменты. Эти своды работают и рас­
считываются с использованием расчетных схем клеедеревянных
сегментных арок, а их плиты — в соответствии с расчетом плос­
ких плит и с учетом действующих в них дополнительно сжимаю­
щих сил. При расчете этих сводов учитывают коэффициенты вли­
яния фронтонов Кф.
Клеедеревянные купола являются эффективными конструкци­
ями большепролетных покрытий общественных зданий. Их выпол­
няют диаметрами от 50 до 200 м при высоте от 1/6 до 1/2 диамет­
226
ра. Большинство этих куполов имеет сферическую поверхность. Реже
применяют купола шлемовидной формы. По конструкции купола
бывают ребристыми, ребристо-кольцевыми, сетчатыми и ребри­
сто-сетчатыми.
Ребристый купол (рис. 9.3, а) состоит из следующих основных
элементов. Гнутые клеедеревянные ребра, изогнутые по дуге ок­
ружности, располагаются в меридиональных направлениях на рав­
ных расстояниях друг от друга, максимальных на опорах и мини­
мальных в коньке. Коньковое кольцо может иметь клеедеревян­
ную или металлическую конструкцию и служит для соединения
верхних концов ребер. Опорное нижнее кольцо выполняют круго­
вой или многоугольной формы. Оно в большинстве куполов имеет
железобетонную конструкцию, а в некоторых куполах является
клеедеревянным.
Рис. 9.3. Клеедеревянные купола:
а — ребристый; б — ребристо-кольцевой; в — расчетная схема ребер ребристого
купола; г — то же, ребристо-кольцевого купола; 1 — ребра; 2 — коньковое
кольцо; 3 — опорное кольцо; 4 — промежуточные кольца; 5 — связи
227
По ребрам купола укладывают прогоны и настилы из досок
или клеефанерные плиты. Арочные ребра в ряде мест соединяют­
ся скатными связями. Узловые соединения элементов этого купо­
ла решаются в большинстве случаев с применением лобовых упо­
ров, болтов и стальных опорных башмаков, поскольку в них дей­
ствуют продольные сжимающие силы.
Ребристо-кольцевой купол (рис. 9.3, б) состоит из таких же ос­
новных элементов, как и ребристый. В дополнение к ним его кон­
струкция содержит еще промежуточные горизонтальные кольца.
Эти кольца представляют собой правильные многоугольники,
выполненные из клеедеревянных элементов, уменьшающихся от
опор к коньку, и расположенные на равных расстояниях по дугам
ребер. Они соединяют все ребра купола в единую пространствен­
ную конструкцию, имеющую большую несущую способность, чем
ребристый купол без колец.
Ребристый купол работает и рассчитывается как пространствен­
ная стержневая конструкция в основном на нагрузки от собствен­
ного веса и веса снега, условно равномерно распределенные по
его горизонтальной проекции. Арочные ребра могут рассматри­
ваться как полуарки условных трехшарнирных арок, состоящих
из двух ребер, расположенных в одной плоскости. При этом дей­
ствующие на них нагрузки имеют треугольные эпюры с максиму­
мом у опор и минимумом в коньке в соответствии с их грузовыми
площадями. После статического расчета такой арки сечения ребер
подбирают и проверяют по формулам расчета деревянных эле­
ментов на сжатие с изгибом. Опорное кольцо купола работает и
рассчитывается на растяжение или на растяжение с изгибом. Конь­
ковое кольцо работает и рассчитывается на сжатие.
Ребристо-кольцевой купол работает и рассчитывается как про­
странственная стержневая статически неопределимая конструк­
ция на те же нагрузки, что и ребристый купол. При статическом
расчете ребра могут рассматриваться так же, как полуарки услов­
ных трехшарнирных арок, но имеющие дополнительные горизон­
тальные опоры в местах крепления к ним промежуточных колец.
При этом в ребрах возникают изгибающие моменты — отрица­
тельные и положительные, значительно меньшие, чем в ребрах
ребристого купола, продольные и поперечные силы. Этот расчет
удобно производить методом деформаций. Сечения ребер подби­
рают и проверяют при сжатии с изгибом. Сечения стержней про­
межуточных колец работают и рассчитываются при сжатии с уче­
том устойчивости. Если на них опираются настилы покрытия, они
работают и рассчитываются при сжатии с изгибом. Опорное и конь­
ковое кольца работают и рассчитываются на растяжение или сжа­
тие, как и в ребристом куполе.
Сетчатые клеедеревянные купола представляют собой сетки,
расположенные на сферических поверхностях. Эти сетки могут
228
состоять из треугольных или пятиугольных ячеек. Они образуются
клеедеревянными стержнями стандартных размеров, соединенных
в узлах стальными креплениями и болтами. Эти купола опираются
на опорные кольца. У сетчатых куполов отсутствуют ребра и конь­
ковые кольца. Пролеты их могут быть такими же большими, как и
у ребристых куполов.
На сетчатые купола действуют такие же нагрузки, распреде­
ленные по их проекции от собственного веса и веса снега, как и
на ребристые. Стержни этих куполов работают и рассчитываются
на действие сжимающих сил, определяемых с помощью безмоментной теории расчета сферических оболочек. При этом вычис­
ляют только кольцевые и меридиональные усилия. Затем от их
действия определяют продольные силы в стержнях. В стержнях
определяют также изгибающие моменты от веса элементов по­
крытия. Их сечения подбирают и проверяют при сжатии с изги­
бом. Опорное кольцо сетчатых куполов работает и рассчитывается
на растяжение.
Ребристо-сетчатый клеедеревянный купол состоит из тех же эле­
ментов, что и ребристый. Кроме того, между ребрами располага­
ются сетки, аналогичные сеткам кружально-сетчатого свода или
сетчатого купола. Этот купол работает и рассчитывается так же,
как и ребристый. Сетка этого купола работает и рассчитывается
как опертая по трем сторонам на два соседних ребра и на опорное
кольцо между ними.
Трехслойные складки являются элементами покрытий складча­
той формы. Они состоят из плоских граней, соединенных между
собой под прямыми или полупрямыми углами. Каждая грань пред­
ставляет собой трехслойную плиту с алюминиевыми обшивками
и пенопластовым средним слоем (см. 4.2). Такие складки явля­
ются пространственными конструкциями и могут иметь пролет
до 30 м.
Каждая грань складки в продольном направлении может счи­
таться работающей на изгиб независимо от соседних граней, как
однопролетная балка пролетом, равным ее длине; балка располо­
жена под углом грани к горизонтальной плоскости и рассчиты­
вается на составляющие нагрузок, действующие в ее плоскости.
В поперечном направлении грань складки может считаться ра­
ботающей на изгиб, как наклонная шарнирно опертая плита на
разновысоких опорах при пролете, равном ее ширине на состав­
ляющие нагрузок, перпендикулярные плоскости грани (см. 4.2).
Складчатые конструкции отличаются легкостью, однако на них в
зимнее время года могут образовываться значительные снеговые
мешки.
Купола и своды оболочки из прозрачных стеклопластиков и орг­
стекла в большинстве случаев имеют небольшие (до 6 м) пролеты
ввиду малой толщины и ограниченной прочности этих материа­
229
лов. Необходимая гнутая форма придается им в процессе тверде­
ния пластмасс. Эти конструкции применяют в качестве зенитных
фонарей покрытий общественных и некоторых производственных
зданий. Купола и оболочки из оргстекла способствуют созданию
оздоровительного микроклимата в помещениях, поскольку про­
пускают ультрафиолетовые лучи. В утепленных покрытиях эти ку­
пола и оболочки делают двойными с воздушными прослойками
между ними. Они опираются на соседние железобетонные конст­
рукции. Работают и рассчитываются они как оболочки, опертые
по контуру.
Купола из трехслойных плит состоят из треугольных или пяти­
угольных алюминиево-пенопластовых плит плоской или изогнутой
в двух направлениях формы. Они имеют значительную несущую
способность и могут перекрывать помещения диаметром до 50 м.
9.2. Специальные деревянные конструкции
К числу таких конструкций относятся мачты на оттяжках, баш­
ни, силосы, мосты, эстакады, леса и кружала. Мачты на оттяжках
служат в качестве опор линий связи и электропередач, радиомачт
и монтажных мачт. Деревянные башни используют в качестве во­
донапорных башен, градирен, радиотелевизионных башен, гео­
дезических и наблюдательных вышек и шахтных копров. Силосы
служат хранилищами гранулированных минеральных удобрений
и силосных масс. Деревянные мосты возводят на автомобильных
дорогах при пересечении небольших рек и оврагов. Леса и кружала
применяют при возведении железобетонных и каменных конст­
рукций. Деревянные конструкции также успешно используют в
гидротехническом строительстве.
Мачты на оттяжках (рис. 9.4, а) состоят из деревянного ство­
ла, стальных оттяжек, фундамента и анкерных опор, соединен­
ных в единую пространственную конструкцию высотой до 90 м и
более. Они бывают одноствольными и кустовыми.
Одноствольные мачты имеют высоту до 40 м, отличаются про­
стотой конструкций и имеют наибольшие перспективы примене­
ния. Они крепятся четырьмя рядами расположенных крестообраз­
но в плане оттяжек к четырем анкерам, находящимся на расстоя­
нии половины высоты мачты от ее фундамента.
Ствол такой мачты состоит из одиночных бревен диаметром до
30 см и длиной до 12 м. Бревна равного диаметра соединяются по
длине концами с помощью косого прируба или прямого лобового
упора. Косой прируб имеет длину не менее тройного диаметра и
стягивается болтами и кольцевыми хомутами из полосовой стали.
Прямой лобовой упор соединяется накладками из швеллеров или
уголков на болтах.
230
б
А
В
В
Я
7\1
si
2^1
7\1
^
А
в
в
\
'
жк щт ш
Рис. 9.4. Деревянные мачты и башни:
а — мачта на оттяжках; б — схемы решеток башен; / — ствол; 2 - оттяжки; 3 —
анкер; 4 — фундамент; 5 — стык
231
Оттяжки мачты представляют собой стальные тросы, которые
крепятся в серединах стыков с помощью кольцевых хомутов и
петель. К анкерным опорам оттяжки крепятся через винтовые на­
тяжные компенсаторы, служащие для обеспечения вертикально­
го положения ствола и регулирования величины натяжения от­
тяжки.
Фундаменты мачты, как правило, бетонные с закладными де­
талями из стальных швеллеров или уголков или с анкерными
болтами, предназначенными для крепления ствола.
Анкеры оттяжек выполняют из железобетона или бетона. Анке­
ром или якорем может служить железобетонная плита, зарытая
на достаточную глубину в грунт под углом 45°, из которой выпу­
щен на поверхность земли наклонный арматурный стержень с
петлей. Анкером может служить бетонный массив необходимой
массы с металлической закладной деталью для крепления оття­
жек. Анкерами оттяжек невысоких мачт могут быть деревянные
сваи, забитые в грунт под углом 45°. Сборку мачты производят в
горизонтальном положении, а подъем — с помощью стрелы.
Расчет мачт осуществляют на вертикальные и горизонтальные
нагрузки. Например, радиомачты рассчитывают на собственный
вес мачты и оборудования, на усилия начального натяжения от­
тяжки и проводов, на вес гололеда и усилия, возникающие при
обрыве проводов и изменении температуры, на давление ветра
при его направлении вдоль плоскости оттяжек и плоскости бис­
сектрисы между ними при коэффициенте обтекания с = 0,8.
От этих нагрузок при их невыгоднейших сочетаниях в стволе
мачты возникают расчетные продольные сжимающие силы N и
изгибающие моменты М, а в оттяжках — растягивающие силы N.
При определении продольных сил соединения участков ствола в
местах крепления оттяжек могут считаться шарнирными, а при
определении изгибающих моментов — упругоподатливыми. При
этом максимальные изгибающие моменты в каждом пролете ствола
длиной / от равномерного давления ветра q приближенно можно
определять из выражения М = ql2/ 10.
Ствол мачты рассчитывают на сжатие с изгибом от этих уси­
лий, анкеры, оттяжки и их крепления — на растяжение, фунда­
мент ствола и мачты — на сжатие.
Кустовые мачты имеют более сложную, трудоемкую в изготовлении
конструкцию и применяются редко. Они могут быть по сечению трехбре­
венчатыми высотой до 90 м и четырехбревенчатыми высотой до 150 м.
Первые мачты крепят тремя, а вторые — четырьмя вертикальными ряда­
ми оттяжек, причем три ряда оттяжек располагают под углами 120' меж­
ду собой. Оттяжки каждого ряда мачт высотой более 75 м крепят к двум
анкерам, расположенным на расстоянии, равном 0,3 и 0,7 от высоты
мачты. Бревна кустовых мачт соединяют по длине вразбежку косым при­
рубом, а по сечению — с помощью деревянных колодок и болтов, в
232
результате чего образуется составной стержень на податливых соедине­
ниях. При расчете кустового ствола мачты на сжатие с изгибом учитыва­
ют податливость их соединений. Сами соединения рассчитывают на сдви­
гающие силы.
В строительстве применяют также мачты на оттяжках с доща­
токлееными стволами и стволами из фанерных труб.
Деревянные башни представляют собой сооружения, высота
которых значительно превышает поперечные размеры. По конст­
рукциям деревянные башни бывают решетчатые, сетчатые и
сплошные.
Решетчатые башни (рис. 9.4, б) имеют относительно неслож­
ную конструкцию и применяются в основном в лесоизбыточных
районах страны. Решетчатые башни в большинстве случаев имеют
форму четырехгранной усеченной пирамиды. Каждая грань башни
представляет собой ферму максимальной высоты внизу и мини­
мальной — наверху, с небольшими отклонениями от вертикали,
причем грани-фермы имеют общие пояса.
Схемы решетки граней-ферм решетчатых башен разнообразны.
Они бывают раскосные, перекрестные, полураскосные и ромби­
ческие. Раскосная решетка является наиболее простой и распрос­
траненной в башнях ограниченной высоты. Ее недостатками явля­
ются значительная длина и знакопеременная работа раскосов при
ветровой нагрузке. Перекрестная решетка несколько сложнее. Ее
преимуществом является возможность учета при расчете только
сжатых или только растянутых раскосов в зависимости от конст­
рукции и материала раскосов и узлов. В более высоких башнях це­
лесообразно применять полураскосные и ромбические решетки,
которые отличаются значительно меньшей длиной раскосов и
соответственно большей их устойчивостью при работе на сжатие,
а также простотой благодаря болтовым соединениям узлов решет­
ки. Пространственная жесткость поперечных сечений башен обес­
печивается жесткими решетчатыми диафрагмами, связываю­
щими грани-фермы в ряды сечений по высоте.
Элементы решетчатых башен изготовляют из бревен, брусьев,
пластин и толстых досок. Стойки башен небольшой высоты вы­
полняют из одиночных бревен или брусьев. Стойки более высоких
башен могут состоять из двух-, трех- или четырехбревенчатого
или брусчатого куста. Стержни решетки изготовляют из одиноч­
ных бревен, брусьев или парных пластин и досок.
Соединения решетчатых башен решаются в соответствии со
схемами их решетки. Соединения стоек по длине выполняют в
большинстве случаев в виде продольных лобовых упоров, скреп­
ленных деревянными накладками на болтах. Стержни решетки,
работающие на растягивающие или знакопеременные усилия,
скрепляют болтами.
233
Соединения стержней, работающих только на сжатие, иногда
решаются в виде лобовых врубок. Опорами башен служат, как
правило, бетонные или железобетонные фундаменты. В строитель­
стве наиболее перспективны решетчатые башни из дощатоклее­
ных элементов.
Расчет башен производят на нагрузки от собственного веса
конструкции, оборудования и материалов (например, воды в во­
донапорном баке), от давления ветра, который может быть на­
правлен параллельно граням и по диагонали между ними. При
определении продольных усилий в стержнях башню условно рас­
членяют на отдельные грани, представляющие собой консольные
фермы, поставленные с небольшим наклоном от вертикали. Уси­
лия в стержнях этих ферм определяют общими методами строи­
тельной механики. При этом перекрестную решетку рассчитыва­
ют как раскосную, поскольку гибкие сжатые элементы или растя­
нутые раскосы при соединениях на врубках в ней не учитываются.
Усилия в стойках определяют путем суммирования усилий в по­
ясах сомкнутых ферм. Подбор сечений и проверку напряжений в
них, а также расчет уровня соединений производят так же, как в
решетчатых фермах.
Сетчатые башни Шухова круглые в плане состоят из двух сомкнутых
слоев пересекающихся брусчатых стержней, расположенных вдоль пря­
мых образующих однополюсного гиперболоида вращения. Брусья соеди­
няют по высоте башни кольцами жесткости из пакетов гнутых досок.
Стержни по длине соединяют с помощью лобовых упоров с дощатыми
накладками на болтах. В местах пересечений стержни подрезают для плот­
ного касания и стягивают болтами. К сплошному фундаменту стержни
крепят анкерами. Башня работает и рассчитывается как сетчатая оболочка.
Сплошные башни имеют форму цилиндра или близкого к нему усе­
ченного конуса. Наибольшее применение находят в качестве градирен
тонкостенные сплошные башни ограниченной высоты. Они состоят из
расположенных кольцеобразно дощатых или брусчатых стоек, соединен­
ных кольцами из пакетов гнутых досок. Снаружи стойки соединяются
двойной сплошной или разреженной дощатой обшивкой. Сплошная внут­
ренняя обшивка состоит из вертикальных досок, прикрепленных к коль­
цам. Элементы тонкостенных башен соединяют болтами и гвоздями в
построечных условиях. Тонкостенные башни работают и рассчитываются
как цилиндрические или конические оболочки.
Дощато-гвоздевые силосы имеют цилиндрическую форму, ог­
раниченные размеры и используются для хранения животновод­
ческих кормов. Их основными частями являются фундаменты, сте­
ны и крыши. Стены силоса состоят из каркаса и двусторонних
обшивок. Каркас образует ряд вертикальных толстых досок, по­
ставленных с шагом не более 50 см на кольцеобразный бетонный
фундамент и прикрепленных к нему металлическими анкерами.
Обшивки состоят из двух слоев горизонтальных тонких досок,
234
прибитых к доскам каркаса гвоздями. Между слоями внутренней
обшивки располагается слой гидроизоляции, а между слоями на­
ружной обшивки в некоторых случаях — слой теплоизоляции.
Шатровая крыша силоса имеет дощато-гвоздевую конструкцию.
Силос работает и рассчитывается на внутреннее давление си­
лосной массы с учетом незначительных усилий от снеговых, вет­
ровых и постоянных нагрузок.
Клеефанерные силосы (рис. 9.5) используют для хранения сы­
пучих материалов, главным образом гранулированных минераль­
ных удобрений. Клеефанерный силос имеет призматическую фор­
му с размерами до 3x3 м в плане и высоту до 10 м. Такие силосы
могут быть отдельно стоящими и многорядовыми. Силос собира­
ют по высоте из объемных блоков высотой 1,2 м. Объемный блок
состоит из четырех коробчатых клеефанерных панелей толщиной
до 20 см. Каркас панели из продольных и поперечных дощатокле­
еных брусков обклеивают с обеих сторон обшивками из водостой­
кой фанеры, которые с наружной стороны изолируются от влаги
лакокрасочными покрытиями.
А
Рис. 9.5. Объемный блок клеефанерного силоса:
а — конструкция; б — расчетная схема; / — клеефанерные панели; 2 — вклеен­
ные стержни
235
Клеефанерные панели соединяют в углах объемного блока пар­
ными вклеенными стержнями. Стержни из арматуры периодическо­
го профиля пропускают через отверстия в концах продольных ре­
бер, просверленные под углом 45° к их оси, и вклеивают эпоксидно­
цементным клеем. Клеефанерные силосы имеют повышенную стой­
кость к химически агрессивной среде, так как стальные соединения
здесь полностью защищены в толще древесины и слое клея.
Расчет клеефанерного силоса производят на действие нагрузок
от внутреннего давления сыпучего тела, собственного веса, веса
снега и ветра. Основной нагрузкой, определяющей размеры объем­
ных блоков, является внутреннее давление q.
Расчетной схемой объемного блока является замкнутая квад­
ратная рама со стержнями длиной / и жесткими узловыми соеди­
нениями, образуемыми парами вклеенных стержней при расстоя­
нии е между ними. От действия внутреннего давления в углах бло­
ка возникают максимальные изгибающие моменты М и продоль­
ные силы N, которые в некоторый запас прочности могут быть
определены по формулам
М = ql2/l2 , N = ql/2.
Исходя из этих величин можно определить необходимые уси­
лия в сечениях панелей и соединениях жесткого узла:
продольные и поперечные силы в панелях ./V= Q = N / 2 - M /J I e ;
продольные силы во внутренних стержнях Np = N /^ 2 + M je ;
продольные силы в наружных стержнях Nc = N / у/2 - Mj e.
На эти усилия производят расчет элементов и соединений
объемного блока. Клеефанерные панели рассчитывают по проч­
ности фанеры, древесины и клеевых соединений с учетом приве­
денных геометрических характеристик сечений, устойчивости
сжатой обшивки и ослабления стыками. Соединения на вклеен­
ных стержнях рассчитывают на прочность стержней при растяже­
нии и сжатии и прочность клеевых соединений при скалывании.
Деревянные мосты (рис. 9.6) простейшей балочной малопро­
летной конструкции имеют наиболее широкую область примене­
ния. На автомобильных дорогах применяют в некоторых случаях
мосты более сложной конструкции пролетом до 60 м.
Малопролетные деревянные мосты применяют изредка в же­
лезнодорожном строительстве. Они дешевые, возводятся в корот­
кие сроки, и их сооружение, особенно в районах, где древесина
является местным материалом, вполне оправдано.
Главным недостатком деревянных мостов является опасность
загнивания древесины в результате атмосферных осадков. Конст­
рукции временных мостов, не защищенных от загнивания, могут
нормально эксплуатироваться не более 10 лет. Постоянные мос­
236
д
Рис. 9.6. Деревянные мосты:
а — балочный; б — подкосный; в — клеедеревянный балочный; г — то же,
арочный; д — из ферм; е — совмещенный балочно-арочный; ж — то же, ванто­
во-балочный; з — настилы; 1 — накат; 2 — доски; 3 — деревоплита; 4 — асфаль­
тобетон
ты, конструкции которых защищены от загнивания, например,
маслянистыми антисептиками, могут успешно эксплуатироваться в течение 50 лет и более. Существенно повышает срок нормаль­
ной эксплуатации защита конструкций мостов легкими крышами
и стенами.
Основные части моста —это пролетное строение и опоры. Про­
летное строение состоит из проезжей части, основных несущих
конструкций и связей. Проезжая часть располагается выше основ­
ных несущих конструкций в мостах с ездой поверху, ниже их — в
мостах с ездой понизу и занимает промежуточное положение в
мостах с ездой посередине. Наиболее эффективны деревянные
мосты с ездой поверху, поскольку количество основных несущих
конструкций и их расстановка принимаются независимо от габа­
ритов проезжей части. Кроме того, проезжая часть здесь служит
дополнительно защитным покрытием от атмосферного увлажне­
ния древесины.
Проезжая часть моста состоит из настила и балок. В качестве
настилов в большинстве случаев применяют сплошные ряды бре­
вен (накат) или пластин, покрытые дощатой обивкой. Использу­
ют также ребристую деревоплиту, состоящую из сплошного ряда
досок разной ширины на ребро, ребристая поверхность которых
237
покрывается асфальтобетоном. Опорами настила служат продоль­
ные прогоны или поперечные балки цельного или составного се­
чения. По краям проезжей части настил несколько поднимается,
образуя тротуары.
Основные несущие конструкции пролетных строений могут быть
цельнобалочными, составными балочными, подкосными, сквоз­
ными, арочными и комбинированными.
Цельнобалочные конструкции применяют в мостах пролетом до
6 м. Они состоят из бревенчатых или брусчатых прогонов, уло­
женных на опоры обычно вразбежку с шагом, равным двойной
ширине их сечения. Эта конструкция построечного изготовления
проста, малотрудоемка и экономична.
Составные балочные конструкции используют в мостах проле­
том до 20 м. Наиболее перспективны клееные балочные конструк­
ции заводского изготовления. Они состоят из дощатоклееных ба­
лок прямоугольного сечения высотой, равной 1/10—1/15 проле­
та, которые ставятся на опоры в количестве 4 или 6 шт. Во вре­
менных мостах иногда применяют дощато-гвоздевые балки с пе­
рекрестной стенкой, однако необходимо учитывать, что они тру­
доемки при изготовлении и защите от загнивания.
Подкосные конструкции иногда применяют во временных мос­
тах пролетом до 12 м. Их изготовляют из бревен или брусьев. Они
состоят из ригелей, стоек и подкосов, соединенных лобовыми
упорами и врубками. Схемы таких конструкций бывают треугольно-подкосными, трапециевидно-подкосными и ригельно-подкосными. Наличие подкосов в 2—3 раза уменьшает пролет ригеля.
Эти конструкции трудоемки и трудно защищаемы от загнивания
ввиду большого числа врубок.
Арочные конструкции наиболее часто применяют в мостах про­
летом до 30 м. Клееные арки заводского изготовления, как прави­
ло, имеют трехшарнирную схему и состоят из двух дощатоклее­
ных полуарок прямоугольного сечения, описанных по дуге ок­
ружности.
В мостах с движением поверху нагрузка от проезжей части пе­
редается на арки через систему стоек разной высоты. В некоторых
случаях использовали арки сквозной конструкции в виде серпо­
видных ферм.
Сквозные конструкции в виде ферм применяют в мостах проле­
том до 60 м. В таких мостах используют фермы Гау—Журавского.
Они имеют параллельные пояса, перекрестные раскосы и стойки.
Пояса и раскосы выполняют из брусьев и бревен, а стойки — из
арматурной стали. Раскосы соединяют в узлах наклонными лобо­
выми упорами и при расчете растянутые раскосы не учитывают.
Стыки поясов делают болтовыми с деревянными или стальными
накладками. Применение металлического нижнего пояса в таких
фермах значительно повышает их надежность.
238
Комбинированные конструкции деревянных мостов могут быть ароч­
ными и висячими. Арочные конструкции применяют при пролетах
до 60 м. Они состоят из арок, соединенных с балкой или фермой
жесткости, и имеют существенные преимущества перед фермами и
арками, работающими самостоятельно. Арки этой конструкции не
передают распора на опоры, поскольку он воспринимается балками
или фермами жесткости, как затяжками, что значительно упрощает
конструкцию опор. Фермы или балки подвешены в ряде точек к
аркам, поэтому усилия в них относительно небольшие. В таких кон­
струкциях применяют также клееные балки и арки.
Висячие комбинированные конструкции используют в мостах
пролетом до 100 м, сооружаемых главным образом в горных рай­
онах. Они состоят из системы стальных тросов и подвешенной к
ним балки или фермы жесткости. Эта конструкция отличается
небольшим весом, поскольку максимальные усилия возникают в
высокопрочных тросах, работающих на растяжение, а балки или
фермы опираются на опоры-подвески. Кроме того, ее можно со­
бирать навесу без подмостей.
Расчет конструкций деревянных мостов производят на действие
нагрузок от собственного веса, снега, ветра и подвижной полез­
ной нагрузки от веса транспорта и людей общими методами стро­
ительной механики в соответствии с указаниями СНиПа.
Опоры деревянных мостов выполняют также деревянными свай­
ной, рамной и ряжевой конструкций или бетонными и каменны­
ми. Свайные опоры являются наиболее простыми. Они состоят из
рядов деревянных свай, забитых в дно реки или оврага. Их широко
применяют особенно в малопролетных мостах при грунтах, до­
пускающих забивку свай. Рамные опоры — это сквозные деревян­
ные рамы из бревен или брусьев, устанавливаемые на бетонные
фундаменты. Они более сложны и применяют их в мостах, воз­
водимых на грунтах, не допускающих забивки свай. Ряжевые опо­
ры — это бревенчатые срубы с днищем и перегородками, кото­
рые заполняют камнем и опускают на дно реки. Их используют в
мостах, сооружаемых над глубокими реками с быстрым течени­
ем, где применение свайных и рамных опор невозможно. Бетон­
ные и каменные опоры используют в мостах большого пролета
над широкими реками, оврагами и ущельями.
Деревянные эстакады сооружают главным образом с примене­
нием составных клееных балок, ферм и параллельными поясами
и подкосных конструкций с опиранием их на рамные опоры.
Деревянные леса и кружала — это временные опоры рабочих
площадок и строительных конструкций в процессе их сооружения.
Кружала используют при возведении монолитных железобетон­
ных, бетонных и каменных конструкций купольной, сводчатой и
арочной формы. Они являются временными конструкциями с ог­
раниченным сроком эксплуатации.
239
Деревянные леса имеют простую лестничную конструкцию,
состоящую из стоек с поперечинами, на которые укладывают
дощатые щиты рабочих площадок.
Деревянные кружала (рис. 9.7) состоят из настила, косяков и
основных несущих конструкций и опор. Настилы делают дощаты­
ми, часто двуслойными. Их поверхность должна своей формой
точно соответствовать сооружаемой конструкции. Настилы крепят
к косякам гвоздями. Они представляют собой короткие доски на
ребро с верхней кромкой, обрезанной по форме нижней поверх­
ности настила.
Основные несущие конструкции кружал сооружают из бревен,
брусьев или толстых досок. Они могут быть стоечными, подкосными, веерными и из ферм. Стоечно-балочные кружала (рис. 9.7, а)
наиболее просты. Они состоят из системы стоек, поставленных верти­
кально на расстоянии не более 3 м и соединенных раскосными свя­
зями с помощью гвоздей и болтов. Стоечно-подкосные (рис. 9.7, б),
или ригельно-подкосные, конструкции состоят из стоек, постав­
ленных на расстояниях до 6 м друг от друга, ригелей и подкосов,
соединенных на лобовых упорах и врубках. Подкосные кружала (рис.
9.7, в) представляют собой группу стоек, опертых на общие опоры
и расположенных под разными углами наклона к горизонтальной
плоскости. Расстояния между такими опорами могут быть значи­
тельными. Башенные кружала (рис. 9.7, г) состоят из ряда сегмент­
ных ферм, поставленных наклонно к горизонтальной плоскости на
постоянные или временные опоры и перекрывающих значитель­
ные свободные пролеты. Опоры лесов и кружал обычно делают леж­
невыми в виде ряда коротких бревен, уложенных на грунт.
а
ииииии
.ииииии.
Рис. 9.7. Деревянные леса и кружала:
а — стоечно-балочные; б — стоечно-подкосные; в — подкосные; г — башенные
240
Расчет лесов и кружал производят с учетом коротких сроков их
эксплуатации в соответствии с «Указаниями по проектированию
деревянных конструкций временных зданий и сооружений». Рас­
четные сопротивления древесины принимают повышенными. Антисептирование древесины не требуется. Леса и кружала рассчи­
тывают на нагрузки от собственного веса возводимого сооруже­
ния, материалов и оборудования и дополнительно на вес челове­
ка с грузом и равномерно распределенную нагрузку.
При расчете по прогибам предельный относительный прогиб
изгибаемых элементов не должен превышать 1:400. Для того чтобы
возводимая конструкция приобрела проектную форму, кружалам
придается строительный подъем, который определяется с учетом
упругих и неупругих деформаций их элементов и соединений.
9.3. Пневматические и тентовые строительные конструкции
Пневматическими называют конструкции, изготовленные из
мягких, матерчатых или пленочных газонепроницаемых материа­
лов, способных противостоять действию внешних нагрузок за счет
избыточного давления воздуха (газа), наполняющего все соору­
жение в целом или его отдельные конструктивные элементы.
Это самостоятельный класс конструкций, принцип возведе­
ния которых основан на том, что во внутренне замкнутое про­
странство оболочки нагнетается воздух до требуемого давления,
при этом оболочка принимает заданную форму и предварительно
напряженное состояние растяжения. За счет внутреннего избы­
точного давления и постоянно действующих растягивающих на­
пряжений обеспечивается способность воспринимать внешние
нагрузки и устойчивость конструкции в целом.
Пневматические конструкции в виде однослойных оболочек
могут образовывать покрытия больших пролетов без промежу­
точных опор. В виде отдельных элементов их применяют в карка­
се тканевых (тентовых) покрытий пролетом до 15 м. Они могут
быть использованы в качестве легких сборно-разборных покры­
тий временного назначения: складов, мастерских, зрелищных и
спортивных сооружений, опалубки купольных покрытий, пло­
тин и др.
Пневматические конструкции характеризуются предельно ма­
лой поверхностной плотностью (до 2 кг/м2), высокой транспор­
табельностью, возможностью быстрого возведения, так как для
их подъема в проектное положение требуется только закрепить к
опорам и наполнить воздухом с избыточным давлением.
Основным материалом при изготовлении пневматических кон­
струкций являются воздухонепроницаемые ткани из синтетиче­
ских текстилей (прорезиненные) и прочных эластичных пленок
9
Х ромец Ю. Н.
241
(полихлорвиниловые и др.). Основные соединения — шитые ни­
тяные (капроновые), клеевые, сварные и клеешитые.
Среди большого многообразия пневматических конструкций
по конструктивному исполнению и принципу использования внут­
реннего объема воздуха можно выделить две основные самостоя­
тельные группы: воздухоопорные пневматические конструкции и
пневмокаркасные конструкции.
Воздухоопорные пневматические конструкции — это конструк­
ции, оболочка которых опирается на воздух, заполняющий весь
внутренний объем сооружения и имеющий избыточное (по срав­
нению с атмосферным) давление в пределах 10—100 кПа (0,001 —
0,01 атм).
Под действием избыточного давления оболочка сохраняет свою
форму и воспринимает внешние нагрузки. Такое избыточное дав­
ление не ухудшает самочувствие находящихся под оболочкой лю­
дей и не осложняет требований, предъявляемых к герметичности.
Наиболее рациональной формой воздухоопорных сооружений
является сферическая (1/2 или 3/4 шара) и цилиндрическая на
прямоугольном основании со сферическими торцами (рис. 9.8).
Основными рабочими элементами воздухоопорных пневмати­
ческих сооружений являются собственно оболочка, контурные
элементы с анкерными креплениями, воздуходувные и отопитель­
ные установки, шлюз (см. рис. 9.8).
Оболочка воздухоопорных сооружений состоит из отдельных
полотнищ с глухими и разъемными (монтажными) швами. При
пролетах сооружений до 20 —30 м оболочки изготовляют, как
правило, целыми, без монтажных швов. Разделение оболочки на
секции бывает необходимо для удобства ее изготовления, транс­
портировки, свертывания и развертывания.
Контурные элементы в виде силового пояса устраиваются по
всему периметру оболочки и предназначены для сосредоточенной
передачи анкерам возникающих в оболочке распределенных рас­
тягивающих усилий. Анкерные крепления могут быть: балластны­
ми, т.е. свободно лежащими на поверхности и прижимающими
края оболочки и, таким образом, воспринимающими отрываю­
щие усилия за счет своего собственного веса (мешки с песком,
железобетонные элементы, рукава с водой и др.); штыревыми,
забиваемыми в грунт под углом 30—40° к вертикали; якорными,
в виде заглубленных в грунт элементов или винтов, завинчивае­
мых в грунт подобно бураву.
В качестве воздуходувных установок, поддерживающих необхо­
димое избыточное давление, используют вентиляторы низкого
давления (работающие и запасные) с системой автоматического
или ручного управления, обеспечивающие наполнение оболочки
воздухом за 0,5 — 1 ч и требуемую кратность обмена воздуха в про­
цессе эксплуатации.
242
Рис. 9.8. Воздухоопорные конструкции — пневмооболочки:
а — общий вид; б — расчетная схема; 1 — пневмокупол; 2 — пневмосвод со
сферическими торцами; 3 — пневмосвод; 4 — оболочка; 5 — шлюз; 6 — опорный
контур; 7 — воздуходувная установка
Шлюз примыкает к оболочке и обычно выполняется в виде
жесткого каркаса из металла, дерева, пластмасс, по которому зак­
репляется герметизирующая оболочка покрытия.
Пневмовантовые оболочки в большинстве случаев имеют та­
кие же цилиндрические или сферические формы, как и воздухо­
опорные пневмооболочки, и состоят из таких же основных частей.
Особенностью пневмовантовых оболочек является наличие в их
составе вант, закрепленных на опорном контуре. Ванты — это,
как правило, стальные тросы, оцинкованные для защиты от кор­
розии, но в качестве вант могут служить и канаты из полимерных
волокон.
В пневмовантовом своде ванты располагаются в вертикаль­
ных плоскостях параллельно на равных расстояниях друг от друга.
В пневмовантовом куполе они располагаются концентрически, так­
же на равных расстояниях в вертикальных плоскостях и сходятся в
центре купола. В пневмовантовом куполе могут быть промежуточ­
ные горизонтальные ванты, не имеющие контактов с опорным
контуром, а закрепленные на основных вантах. В плоских гори­
зонтальных пневмовантовых оболочках на прямоугольном конту­
ре ванты образуют сетку из двух рядов параллельных вант, пере­
секающихся под прямыми или острыми углами. Под давлением
243
тканевой оболочки ванты растягиваются и между закреплениями
принимают форму части дуги окружности.
Оболочку из воздухонепроницаемой ткани в этих конструкци­
ях крепят не только к опорному контуру, как в воздухоопорных
оболочках, но также и к вантам на всей их длине. При этом от
действия внутреннего избыточного давления воздуха она растяги­
вается, несколько выпучивается на площадях между вантами и
приобретает многократно выпуклую, как будто «простеганную»
вантами, форму.
Следовательно, высокопрочные ванты работают на растяже­
ние при наибольших пролетах, равных расстояниям между опор­
ными закреплениями, и являются основными несущими элемен­
тами, в которых концентрируются максимальные растягивающие
усилия пневмовантовых конструкций. Тканевая оболочка являет­
ся в большей степени ограждающей конструкцией. Она работает
на растяжение на небольших пролетах, равных расстояниям меж­
ду вантами, передает на них местные части нагрузок и может из­
готовляться из тканей невысокой прочности и стоимости.
Пневмовантовые оболочки могут иметь пролеты, значительно
превышающие пролеты пневматических оболочек (> 100 м). В США,
например, возведена пневмовантовая оболочка малой кривизны
на прямоугольном опорном контуре с перекрестной системой вант
160x220 м в плане. В отечественном строительстве эти прогрессив­
ные конструкции применяют в сооружениях различного назначе­
ния.
Пневмовантовый свод (рис. 9.9) является наиболее простой
конструкцией этого класса. Воздухонепроницаемая ткань между
1- 1
------ j A --------- у / ------
Рис. 9.9. Пневмовантовый свод (а) и схема работы оболочки (б):
1 — оболочка; 2 — стальные ванты; 3 — фундамент
244
соседними вантами под действием избыточного внутреннего дав­
ления и ветрового отсоса выпучивается наружу и приобретает
форму изогнутого волнистого гофра. Этот гофр имеет два положи­
тельных радиуса кривизны — большой и малый. Большой радиус
гофра имеет то же значение, что и радиус кривизны вант и всей
оболочки в целом, меньший радиус гофра зависит от величины
выпучивания ткани между вантами и, кроме того, от следующих
факторов. При изготовлении оболочки длина ткани между сосед­
ними вантами (шаг вант) может быть принята несколько боль­
шей, чем расстояние между ними, что обеспечивает возникнове­
ние начальной выпуклости ткани между ними. В процессе эксплу­
атации от действия растягивающих напряжений в ткани возника­
ют деформации растяжения, ткань удлиняется и тоже выпучива­
ется наружу. Величина этого вторичного выпучивания может ме­
няться в зависимости от изменения действующих нагрузок. Во
многих случаях для упрощения изготовления оболочки предус­
матривается ее выпучивание только за счет растяжения ткани. Ра­
диус такого выпучивания определяется в зависимости от шага вант
и модуля упругости ткани. Расчет пневмовантового свода произ­
водят на те же нагрузки от избыточного внутреннего давления
воздуха и ветрового отсоса, что и пневмосвода аналогичных раз­
меров. Растягивающие силы в вантах определяют с учетом радиуса
их кривизны и шага. Сечение вант подбирают и проверяют при
действии растягивающих сил и в соответствии с расчетной несу­
щей способностью стального троса данного диаметра.
Напряжение в ткани при растяжении проверяют только в на­
правлении ее меньшего пролета при радиусе ее выгиба г, значи­
тельно меньшим, чем радиус выгиба вант, на действие внутренне­
го избыточного давления и ветрового отсоса. Проверка напряже­
ний в ткани в направлении большего радиуса оболочки не требует­
ся, поскольку напряжения в этом направлении незначительны и
не зависят от этого радиуса. Опорные крепления фундамента и сами
фундаменты рассчитывают на действие растягивающих усилий.
Пневмокаркасные конструкции — это сочетание пневмоэлемен­
тов в виде надувных пневмобалок, пневмостоек и пневмоарок,
выполняющих роль несущего каркаса и оболочки, опирающейся
на этот каркас. Несущая способность пневматического каркаса (со­
противление сжатию, изгибу, кручению) обеспечивается повы­
шенным давлением воздуха (до 500 кПа и более) в замкнутом
объеме пневмоэлемента.
Пневмоэлементы могут иметь сплошное или разреженное рас­
положение в зависимости от назначения сооружения. При боль­
шой интенсивности внешней нагрузки пневмокаркасные соору­
жения выполняют в виде сплошного расположения арочных пнев­
моэлементов (рис. 9.10). Для наземных сооружений пневмокаркас
может быть разреженным.
245
2
Рис. 9.10. Пневмокаркасные конструкции:
а — пневмоэлементы; 6 — расчетные схемы; 1 — пневмобалка; 2 — пневмо­
стойка; 3 — пневмоарка; I — III — эпюры
Большое внутреннее давление воздуха требует высокой степе­
ни прочности и герметичности материалов, применяемых в каче­
стве оболочки пневмоэлементов. Это условие ограничивает про­
лет пневматических конструкций, который для наземных соору­
жений не превышает 15 —20 м. Стоимость пневмокаркасных кон­
струкций в 3 —5 раз выше воздухоопорных.
Пневмоэлементы каркаса (балки, стойки, арки и т.п.) обыч­
но состоят из наружной силовой оболочки из высокопрочной син­
тетической ткани (капрон, лавсан и др.), внутренней газонепро­
ницаемой резиновой камеры, двух торцевых частей, устройств для
наполнения элементов сжатым воздухом и контроля избыточного
давления (штуцеры, вентили, манометры). Пневмоэлементы пред­
ставляют собой герметически замкнутые баллоны трубчатой фор­
мы диаметром 20—70 см. Для заполнения и спуска воздуха каж­
дый пневмоэлемент имеет патрубок, обеспечивающий подачу (от­
вод) воздуха, и вентиль для герметизации элемента. Все патрубки
объединяются единым коллектором для одновременной подачи
воздуха на весь блок (часть) сооружения.
К группе пневмокаркасных конструкций условно можно отне­
сти пневмокаркасные конструкции, представляющие собой блок
246
подушкообразных или цилиндрических пневмоэлементов, запол­
ненных воздухом с избыточным давлением 200—500 кПа.
Подушкообразные панели могут быть использованы в качестве
покрытий сооружений различного назначения пролетом до 10—
15 м. Пневмопанели из цилиндрических элементов могут приме­
няться в качестве дорожных покрытий на заболоченных грунтах и
трудно проходимых песках.
Особенности расчета пневматических конструкций по методу
предельных состояний. Основные особенности расчета пневматичес­
ких конструкций определяются свойствами применяемых для их из­
готовления матерчатых и пленочных материалов, в которых практи­
чески полностью отсутствует сопротивление изгибу и сжатию; они
могут работать только на растяжение. Кроме того, тканям и пленкам
присущи большая деформативность при растяжении и малая плот­
ность. Поэтому в качестве расчетной модели пневматические обо­
лочки можно отнести к классу мягких оболочек, рассчитываемых
как безмоментные оболочки по безмоментной теории.
Мягкая оболочка может находиться либо в двухосном напря­
женном состоянии, когда оба главных напряжения являются рас­
тягивающими (положительными), либо одноосном — когда одно
из главных напряжений является сжимающим (отрицательным).
Если деформации сжатия достаточно велики, то на поверхности
оболочки образуются складки вдоль траектории растягивающего
главного напряжения.
В настоящее время для расчета пневматических конструкций
используют приближенные инженерные методы, в основу кото­
рых положены некоторые упрощающие расчет допущения, по­
зволяющие рассчитывать пневмоконструкции по известным зако­
нам сопротивления материалов и строительной механики.
К основным допущениям относятся: принцип независимости
действия сил, справедливость гипотезы плоских сечений, посто­
янство модуля упругости при растяжении.
Расчет пневматических конструкций производят на действие
наиболее невыгодных комбинаций нагрузок (собственный вес,
ветер, снег) с учетом внутреннего избыточного давления по двум
группам предельных состояний:
первая группа — по несущей способности (прочности, устой­
чивости) и отсутствию колебаний в целом (для воздухоопорных
сооружений);
вторая группа — по деформациям (перемещениям) и складко­
образованию.
Задачей расчета по первой группе предельных состояний явля­
ется предотвращение разрушений (разрыва) материала оболоч­
ки, т.е. соблюдение условия
^шах — ^min>
247
где (rmax — максимальное напряжение в оболочке, кН/см (кгс/см);
/?min — минимальная прочность материала оболочки на разрыв,
кН/см.
При ветровой нагрузке воздухоопорные пневматические кон­
струкции и сооружения проверяют на колебания, так как при
больших скоростях обтекания и слабом натяжении оболочки мо­
жет возникнуть флаттер (разрушение оболочки при высокой час­
тоте колебаний). Для предотвращения разрушения от колебаний
необходимо соблюдать условие
Ро - Рк>
где р0 — внутреннее избыточное давление под оболочкой, кПа;
рк — избыточное давление под оболочкой, при котором возмож­
но ее колебание.
Расчет воздухоопорных конструкций. При заполнении воздухо­
опорных оболочек воздухом с избыточным давлением р0 в мате­
риале оболочки возникают растягивающие напряжения в двух вза­
имно перпендикулярных направлениях CTi и а 2 (Рис- 9.11), связан­
ные с кривизной оболочки р[ и р2и внутренним давлением, изве­
стным уравнением Лапласа
Oi/Pi + 02/Р 2 = Ро(9-1)
Для сферических оболочек
а, = ст2 = р0г/2.
(9.2)
Для цилиндрических оболочек а, = г, а <т2 = °°, тогда на основа­
нии уравнения (9.1) получим
CTi = Рог.
(9.3)
<*2
Рис. 9.11. К расчету воздухоопорных конструкций (уравнение Лапласа)
248
Из условия равновесия одной из отсеченных частей цилиндри­
ческой оболочки
ст, = р0г/ 2.
(9.4)
Формулы (9.1)— (9.4) позволяют определить напряжения в воз­
духоопорных оболочках от действия только внутреннего избыточ­
ного давления до­
предельное состояние воздухоопорных конструкций наступает
при совместном действии внутреннего избыточного давления и
наиболее невыгодной комбинации нагрузок (ветер, снег, собствен­
ный вес оболочки).
Эксплуатационное избыточное давление при всех условиях дол­
жно превышать значения наибольшей положительной нагрузки
на конструкцию, состоящей из собственного веса оболочки qCB,
давления снега рсн и ветра qB, т. е.
Рв — 9с.в
Реи
Не­
расчетное значение снеговой нагрузки может определяться по
СНиП «Нагрузки и воздействия», а коэффициент снегового от­
ложения С при высоте сооружения Л и пролете / приближенно
можно определить по формуле
0,4 < С = //8 / < 1.
Для высоких куполов (3/4 шара и полусфера) параметр С мо­
жет приниматься равным С = 0,4. Для сферических сегментов при
h /l= 1/8 С= 1.
В более точных расчетах, особенно при кратковременном ис­
пользовании сооружения, необходимо учитывать, что вследствие
подвижности и колебания поверхности воздухоопорной оболочки
снеговая нагрузка будет меньше, чем для жестких покрытий. В этом
случае расчетной снеговой нагрузкой можно считать суточный
максимум выпадания снега в данном районе (по статистическим
данным за последние 10 лет).
Воздействие ветра является основной и наиболее опасной внеш­
ней нагрузкой для воздухоопорных оболочек. Ветровая нагрузка
характеризуется величиной скоростного напора
? = (Р /2 )Л
(9.5)
где v — скорость ветра м/с; р — плотность воздуха, определяемая
по формуле
р = А)/(28,6Г),
р0 — атмосферное давление, МПа; Т — абсолютная температура
воздуха, К.
При нормальных условиях р = 1,25 кг/м3. В этом случае выраже­
ние (9.5) принимает вид
q = v 2/l,6 .
249
Для расчета воздухоопорной оболочки на ветровое воздействие
необходимо выявить характер эпюры ветрового давления на ее
поверхности. Распределение ветрового давления по оболочке ме­
няется не только с изменением ее геометрии, но и скорости воз­
душного потока. Вопросы эти пока недостаточно исследованы,
поэтому для наиболее ответственных сооружений в каждом конк­
ретном случае проводят аэродинамическое моделирование. При
расчетах сферических и цилиндрических оболочек приближенны­
ми методами распределения ветрового давления по оболочке можно
принять по СНиП «Нагрузки и воздействия», как для обычных
конструкций соответствующей конфигурации.
В верхней части и с подветренной стороны оболочки (см. рис. 9.8)
действует отрицательное давление q l (отсос) и возникающие от
него растягивающие напряжения суммируются с напряжениями,
развивающимися в материале оболочки от внутреннего избыточ­
ного давления р0. В этом случае выражение для определения мери­
диональных напряжений а, в сферических оболочках и в сфери­
ческих частях цилиндрических оболочек приобретает вид
ст, = 0,5(а, + Я1)г <
R0,
где Rо — расчетное сопротивление материала по основе.
При этом снеговую нагрузку рт и положительное давление ветра
ql не учитывают, так как они уменьшают растягивающие напря­
жения в оболочке. В кольцевых направлениях снеговая нагрузка
увеличивает растягивающие напряжения ст2 ниже края снегового
покрова и ее учет обязателен, т.е.
&2 =
Яв
Реи) —Яу,
где Ry —расчетное сопротивление материала по утку.
Кольцевые напряжения ст2 в сферических оболочках в отличие
от меридиональных ст, могут быть не только растягивающими, но
и сжимающими. Сжимающие напряжения снижают предваритель­
ное растяжение оболочки по кольцевым направлениям и могут
довести их до нуля в некоторых зонах мягкой оболочки. В тех мес­
тах, где ст, > 0, а ст2 = 0, образуются складки, располагающиеся по
меридианам оболочки.
Максимальные растягивающие напряжения в воздухоопорной
оболочке цилиндрической формы определяют по формуле
<*i = (Ро +
Я1У ^ Ro-
При расчете воздухоопорных оболочек, соединения ткани в
которых выполнены сшиванием, а не склеиванием, учитывают
15%-е ослабление ткани.
Расчет пневмокаркасных конструкций. Пневмокаркасные кон­
струкции по несущей способности рассчитывают на наиболее не­
выгодные комбинации нагрузок, при этом в местах наибольших
250
усилий (М , Q, N ) в сечениях элементов пневмокаркаса опреде­
ляют максимальные напряжения растяжения в оболочке (ткани).
Расчет пневмобалок. Пневмобалка радиусом поперечного сече­
ния г при наполнении ее воздухом с избыточным давлением р0
испытывает двухосное напряженное состояние (рис. 9.12). Растяги­
вающие напряжения С) и ст2здесь будут определяться теми же зави­
симостями, что и для воздухоопорных оболочек. При приложении
к балке внешней нагрузки в ней возникают изгибающий момент
и на предварительные напряжения растяжения ст2 от избыточного
давления р0 накладываются напряжения сжатия и растяжения от
изгиба ам, уменьшающие начальные напряжения растяжения в зоне
сжатия и увеличивающие их в зоне растяжения (см. рис. 9.12, б, в).
При некотором значении внешней нагрузки наступит такое напря­
женное состояние пневмобалки, когда предварительные напряже­
ния растяжения в сжатой зоне а2 полностью снимутся сжимаю­
щими напряжениями от изгиба ам (см. рис. 9.12, в). В этом случае в
сжатой зоне изгибаемого элемента появляется складка (перелом),
т.е. наступает предельное состояние по началу складкообразования
при достижении изгибающим моментом предельного значения.
Условие начала образования складки можно записать в виде
о2 + ам= 0,
(9.6)
где а2 = N /S = р0пг2/(2пг) = 0,5р0г — предварительные напряже­
ния растяжения в материале оболочки с периметром сечения S;
ам = M /W — напряжения от действия предельного изгибающего
-ч
б
я
1-1
Рис. 9.12. К расчету пневмобалки по началу складкообразования:
а — расчетная схема; б — напряженное состояние; в — эпюры напряжений
251
момента от внешних нагрузок, при котором в сжатой зоне начи­
нает образовываться складка; W = I/г = пг3/ г = п г 2 — момент
сопротивления кольцевого сечения пневмобалки.
После подстановки значений а2 и стм в выражение (9.6) полу­
чим для сжатой зоны сечения (с учетом знака напряжений)
Рог/2 - М/n r 2 = О,
откуда
М = p0itr3/2.
При действии внешнего изгибающего момента условие начала
складкообразования можно записать в виде
МШ< М = р0пг3/2.
В растянутой зоне напряжения только одного знака — растяги­
вающие, их сумма дает предельное значение напряжений в пнев­
мобалке по началу складкообразования, т. е.
CTmaxl = а 2 + а м = Рог ■
Исходя из условия (9.6) для каждой конкретной расчетной
схемы пневмобалки можно получить выражение для расчета па­
раметров р0, г или предельной внешней нагрузки (несущей спо­
собности). Например, для балки на двух опорах, нагруженной рав­
номерно распределенной нагрузкой q,
ql2/% = рйпгЧ2,
откуда
q = 12,56 = /V 3/ / 2.
Исследованиями установлено, что несущая способность пнев­
мобалки при образовании первоначальной складки еще не исчер­
пывается, поэтому условно принято считать, что несущая спо­
собность балки будет исчерпана лишь тогда, когда складка углу­
бится до середины поперечного сечения. При этом балка получит
значительные деформации прогиба и предельное состояние в этом
случае можно назвать предельным состоянием по развитию склад­
кообразования. Предельный изгибающий момент, воспринимае­
мый сечением в этом случае, составляет (рис. 9.13)
М2 = Ne = nr2p0(nr/4) = п2р0г 3/4.
(9.7)
Расчет пневмостоек. Центрально-сжатые пневматические стой­
ки радиусом г по прочности от действия внутреннего избыточно­
го давления р0 рассчитывают аналогично цилиндрическим обо­
лочкам и балкам без учета сжимающей силы N.
Расчет пневмостоек по устойчивости на действие сжимающей
силы производят по формуле
N < пг2р0(р,
(9.8)
252
<*2
^max~ я / ^ г
Рис. 9.13. К расчету пневмобалки по развитию складкообразования
где ф — коэффициент продольного изгиба, зависящий от внут­
реннего избыточного давления р0, гибкости пневмостойки X и
условий закрепления ее концов.
Значения коэффициента <р, полученные на основании экспе­
риментальных данных для пневмостойки с шарнирными опора­
ми, приведены в табл. 9.1.
Расчет пневмоарок. Арки являются наиболее распространен­
ной формой пневмокаркасных конструкций. Максимальные уси­
лия в них (М, N, Q) определяют методами строительной механи­
ки. Растягивающие напряжения в силовой оболочке арки от внут­
реннего избыточного давления находят по тем же зависимостям,
что и для балок:
вдоль оси балки ст2 = 0,5 р0г;
поперек оси арки ai = р0г.
Предельные состояния для пневмоарок те же, что и для балок,
т.е. по началу и развитию складкообразования.
Исходя из предпосылок, принятых при расчете пневмобалок,
и считая, что продольная сила iVприложена в центре поперечно­
го сечения арки, условие прочности по началу складкообразова­
ния можно записать в виде
(9.9)
М + Ne < М\
Таблица 9.1
Значения коэффициента продольного изгиба
X
0,1 (1,0)
Значения <р при р0, равном, МПа(кгс/см2)
0 ,1 5 ( 1 ,5 )
0,2 (2,0)
0 ,2 5 (2 ,5 )
0 ,3 (3 ,0 )
20
0,85
0,75
0,63
0,55
0,48
30
0,45
0,35
0,28
0,27
0,26
40
0,30
0,23
0,20
0,18
0,16
50
0,17
0,15
0,13
0,12
0,11
60
0,14
0,11
0,09
0,07
0,06
253
или
М2 = Nr/2 = пр0г*/2,
где М — расчетный изгибающий момент от внешней нагрузки,
вычисленный с учетом добавочного момента от сжимающей силы
м =м л,
М2 = 1 - N/NKP = 1 - N/nr2p0<?,
где <р — коэффициент продольного изгиба в зависимости от при­
веденной гибкости арки, принимаемый по табл. 9.1.
Условие прочности по развитию складкообразования для пнев­
моарки записывается в виде
М + N e< прйг г/А
или
М + Nnr/4 < w
3/4.
(9.10)
Тентовые конструкции состоят из оболочки — тента и каркаса.
Оболочки могут быть изготовлены из конструкционной водо- и
воздухонепроницаемой ткани из армированной пленки аналогич­
но тканям, применяемым в пневматических конструкциях, а так­
же из тканей без покрытий. Каркасы могут состоять из деревян­
ных или стальных элементов и тросов. Простейшими прототипами
этих конструкций являются шатры и палатки, известные еще в
глубокой древности.
По типу каркасов тентовые конструкции бывают с жестким
каркасом и вантовостоечным или тросостоечным каркасом.
Тентовые конструкции характеризуются легкостью, простотой
изготовления и сборки и являются рациональными в виде вре­
менных сборно-разборных зданий небольших пролетов. Срок их
эксплуатации зависит от срока годности тканевой оболочки и
обычно не превышает 5 лет. Их преимуществом перед пневмати­
ческими воздухоопорными конструкциями является то, что дав­
ление воздуха в них не отличается от внешнего и они не требуют
воздуходувных установок и шлюзов.
Тентовые конструкции с жестким каркасом имеют легкий дере­
вянный каркас, например, в виде ряда арок — клеедеревянных или
из легких металлических гнутых профилей. Эти конструкции вос­
принимают основные нагрузки. Тканевая оболочка в них выполня­
ет ограждающие функции и служит для передачи внешних нагру­
зок на каркас. Ткань поддерживается в натянутом состоянии меха­
ническим способом, например путем подвески к ее краям неболь­
ших грузов, прогибается только под действием внешних нагрузок.
Тентовые конструкции с вантовостоечным или тросостоечным
каркасом (рис. 9.14) имеют внешние деревянные или стальные стой­
ки, поддерживающие стальные тросы, которые крепят к анкер­
ным опорам. К этим тросам в нескольких точках крепят тканевую
254
Рис. 9.14. Тентовое вантово-стоечное покрытие:
1 — оболочка; 2 — ванты; 3 — стойки; 4 — фундамент; 5 — анкер
оболочку. Она служит не только ограждающей, но и основной не­
сущей предварительно напряженной оболочкой, которой необхо­
димую форму придают искусственно создаваемые растягивающие
усилия тросов. Наиболее устойчивой формой такой оболочки яв­
ляется седловидная поверхность отрицательной гауссовой кривизны.
Расчет оболочек тентовых конструкций производят по безмоментной теории гибких оболочек на действие снеговых и ветро­
вых нагрузок с учетом предварительного напряжения. Их проч­
ность проверяют при работе только на растяжение. Жесткие эле­
менты каркаса рассчитывают как обычные деревянные и сталь­
ные конструкции. Ванты или стальные канаты проверяют по проч­
ности при растяжении.
Нормативные и расчетные характеристики тканей и пленок
для пневматических и тентовых конструкций. В отличие от тра­
диционных жестких конструкционных материалов прочностные
характеристики тканей и пленок относятся к единице ширины
(1 см) вне зависимости от их толщины.
За исходную характеристику прочности конструкционных тка­
ней и пленок принимают нормативное сопротивление Rн, кото­
рое определяется как средняя кратковременная прочность образ­
цов по результатам лабораторных испытаний.
Расчетное сопротивление разрыву получают умножением нор­
мативного сопротивления на коэффициент однородности к0 и
коэффициент длительности нагружения кт. Таким образом, рас­
четное сопротивление ткани без учета условий эксплуатации и
старения материала определяют по формуле
R = RHk0km,
где к0 = 0,8/0,7 (основа/уток); кт = 0,5.
Степень старения материала можно учесть коэффициентом ста­
рения
к„= 1-ЛГ/2Г,
где N — порядковый номер года эксплуатации оболочки; Г —
гарантированный заводом срок службы материала, годы.
255
Условия работы оболочки, учитывающие влияние атмосфер­
ных воздействий, можно учесть коэффициентом условий работы
ку ~ 0,6.
Расчет тентовых (тканекаркасных) конструкций. Расчет ука­
занных конструкций производят по общему для всех строительных
конструкций методу предельных состояний с учетом особенно­
стей их конструктивного решения и работы материала оболочки.
В инженерных методах расчета оболочку тканекаркасного со­
оружения рассматривают как гибкую нить с провисом, закреп­
ленную своими концами на неподвижных опорах и нагруженную
распределенной нагрузкой q (рис. 9.15). При этом вводится допу­
щение, что нить нерастяжима.
При переходе от нити к висячей оболочке, закрепленной дву­
мя концами на жестком каркасе или вантах, сохраняется одноос­
ное напряженное состояние и остаются в силе зависимости, по­
лученные для нити. Для оболочки расчет ведется на единицу ши­
рины сечения оболочки (1 см), а нагрузка q принимается на еди­
ницу площади.
Продольную растягивающую силу N в материале оболочки с
учетом приведенной расчетной схемы (см. рис. 9.15) определяют
из выражения
W = V # 2 + F 2,
(9.11)
где Н - M /f — распор от внешней нагрузки; V = ql/2 — опорная
реакция.
Величину распора можно определить исходя из того, что ли­
ния провиса оболочки под действием вертикальной нагрузки q
совпадает с эпюрой М шарнирно-опертой балки пролетом /к, на­
ходящейся под действием той же нагрузки. В этом случае
H =qli/(!Bf),
где /к — шаг каркаса (вант), см.
После подстановки значений К и Я в выражение (9.11) полу­
чим значение растягивающего усилия (напряжения) в оболочке
Рис. 9.15. К расчету оболочки
256
где а* = Стрб — наибольшее растягивающее напряжение на едини­
цу ширины, кН/см.
Расчет оболочки на одноосное растяжение по несущей способ­
ности сводится к выполнению условия
N
iVmax
= au *p <—R1Х* j
где Nmax = СрА = ар5й — максимальное растягивающее усилие в
оболочке при расчетной ширине b; R* — расчетное сопротивле­
ние условной единицы ширины материала оболочки на растяже­
ние (см. приложение 18).
Вопросы для самопроверки
1. Какую конструкцию имеет деревянный кружально-сетчатый свод и
как он работает?
2. Какую конструкцию имеет трехслойный свод из алюминия и пено­
пласта и как он работает?
3. Какую конструкцию имеет клеедеревянный ребристый купол и как
он работает?
4. Какую конструкцию имеет клеедеревянный ребристо-кольцевой
купол и как он работает?
5. Какую конструкцию имеют клеедеревянные сетчатые купола и как
они работают?
6. Что такое воздухоопорные пневмооболочки и где их применяют?
7. Как работают и рассчитываются пневмокупол и пневмосвод?
8. Что такое пневмовантовые оболочки и как они работают?
9. Что такое пневмобалка, пневмостойка и пневмоарка и как они ра­
ботают?
10. Что такое деревянные мачты на оттяжках и как они работают?
11. Что такое деревянные решетчатые башни и как они работают?
12. Какие основные несущие конструкции применяют в деревянных
мостах?
13. Какие деревянные леса и кружала используют в строительстве?
Г Л А В А 10
ИЗГОТОВЛЕНИЕ И ЭКСПЛУАТАЦИЯ КОНСТРУКЦИЙ
ИЗ ДЕРЕВА И ПЛАСТМАСС
10.1. Изготовление конструкций из дерева и пластмасс
Изготовление деревянных конструкций может быть заводским
или построечным и каждый из этих методов имеет свою рацио­
нальную область применения и особенности.
Современные клеедеревянные конструкции изготовляют в за­
водских условиях. Такое производство организуется в специализи­
рованных цехах деревообрабатывающих предприятий. При этом
обеспечивается серийное изготовление наиболее эффективных
сборных клеедеревянных конструкций. Заводские условия обеспе­
чивают возможность применения наиболее эффективных клеевых
соединений. Благодаря строгому лабораторному контролю обес­
печивается необходимое высокое качество конструкций и их на­
дежность при длительной эксплуатации. Заводское изготовление
деревянных, в основном клеедеревянных, конструкций, быстро
развивающееся в нашей строительной индустрии, должно отве­
чать следующим условиям.
1. При изготовлении конструкций в производственном поме­
щении необходимо обеспечить температуру воздуха 16—20 °С и
влажность 60—70 %.
2. Производство должно быть оснащено механизмами и обору­
дованием, необходимыми для нормального протекания процесса
изготовления, а также приборами для его контроля.
3. Производственный процесс должен осуществляться специ­
ально обученным квалифицированным инженерно-техническим
персоналом и рабочими.
4. При изготовлении конструкций должны использоваться ма­
териалы, свойства и качество которых полностью удовлетворяют
требованиям соответствующих стандартов (ГОСТов), технических
условий (ТУ), а также дополнительным требованиям, указанным
в технической документации на клееные конструкции.
5. Весь процесс изготовления конструкций подлежит постоян­
ному контролю, осуществляемому на каждой операции. Контро­
лю подлежат такие характеристики, как свойства материалов и
компонентов (в особенности клеев), качество обработки и точ258
ность сборки, величина давления при запрессовке, температура и
влажность воздуха в цехе и т. п. Конечная продукция — конструк­
ция целиком или ее часть (элемент) — также подлежит контролю
путем внешнего осмотра и механических испытаний.
6.
При изготовлении конструкций должны быть соблюдены
правила охраны труда, относящиеся к работам с синтетическими
клеями, к обслуживанию станков и прессового оборудования.
Для изготовления клееных деревянных конструкций использу­
ют пиломатериалы (доски), как правило, хвойных пород толщи­
ной не более 3,3 см [для гнутых элементов — не более 1/(150 г)] с
влажностью W= 8—12 % и фанеру преимущественно марки ФСФ,
сорта В/ВВ толщиной 8—15 мм (см. гл. 1).
Процесс изготовления клееных деревянных конструкций вклю­
чает следующие технологические операции: распиловку бревен
на пиломатериалы; сушку досок до влажности 10±2 %; механи­
ческую обработку досок, включая раскрой, удаление недопусти­
мых пороков, фрезерование, стыкование досок по длине и ши­
рине (по кромке), сортировку заготовок по нормам пороков;
раскрой и стыкование листов фанеры; приготовление и нанесе­
ние клея на склеиваемые поверхности; запрессовку изготовляе­
мого элемента или конструкции и выдержку до отверждения клея;
распрессовку элемента (конструкции), его обработку и оконча­
тельную отделку.
Распиловку бревен производят в лесопильных цехах на пилора­
мах, ленточнопильных или круглопильных станках (рис. 10.1). Брев­
на, предназначенные для распиловки (пиловочник), должны хра­
ниться в условиях, предохраняющих лесоматериалы от загнивания.
Наиболее простой способ предохранения от грибных пораже­
ний — это сохранение в древесине влажности около 200 %. Поэто-
/
Рис. 10.1. Схемы распиловки бревен:
а — на пилораме; б — на ленточнопильном станке; в — на круглопильном
станке
259
му бревна перед распиловкой хранят либо в специальных водяных
бассейнах (водный способ), либо на суше, но при условии их
регулярного увлажнения из дождевальных установок (влажный
способ).
Основной способ заключается в высушивании бревен за более
короткий срок (в летнее время) до влажности около 20%, при
которой грибные поражения не развиваются. Бревна при этом спо­
собе для предохранения от грунтовой влаги хранят на подклад­
ках, предварительно удалив кору.
При температуре ниже 5 'С способ хранения бревен мало влия­
ет на их долговечность, так как при низких температурах гниение
и деятельность насекомых прекращаются.
Существует несколько способов сушки пиломатериалов — до­
сок — для клееных конструкций. Рекомендуется применять либо
камерную сушку, либо атмосферную с последующей досушкой в
камерах.
Атмосферную сушку осуществляют на открытом воздухе. Доски
укладывают с зазорами (на прокладках), обеспечивающими про­
ветривание штабеля. Для предохранения от атмосферной и грун­
товой влаги штабеля укладывают на подкладки и сверху устраива­
ют навес, а для равномерного высушивания всех слоев досок шта­
беля периодически перекладывают.
Продолжительность сушки в штабелях зависит от климати­
ческих условий местности, времени года, толщины досок и тре­
буемой конечной влажности пиломатериалов. Для досок толщи­
ной 30—50 мм в летнее время в районе Москвы продолжитель­
ность сушки составляет 10—16 дней при высушивании до ко­
нечной влажности 30 % и 20—40 дней — до конечной влажности
20%. В связи с такой большой разницей в продолжительности
сушки в зависимости от конечной влажности досок рекоменду­
ется высушивать пиломатериалы до влажности 30 % с последую­
щим досушиванием в камерах до требуемой влажности 8 —12 %.
Камерную сушку производят в сушильных камерах, внутри ко­
торых поддерживается повышенная температура и интенсивная
циркуляция нагретого воздуха или перегретого пара с помощью
вентиляторов.
Удаление влаги из древесины начинается с наружных слоев
досок, поэтому влажность остается неравномерной по толщине
досок до самого конца процесса сушки. При чрезмерно интенсив­
ном удалении влаги из наружных слоев и большом перепаде во
влажности по слоям в досках могут возникнуть трещины, поэтому
процесс стараются вести таким образом, чтобы сначала прогреть
имеющуюся в древесине влагу, ограничивая ее удаление с повер­
хности досок. Это достигается введением в камеру на первой ста­
дии влажного нагретого воздуха при температуре 50±5°С. Затем
по мере прогрева и снижения влажности древесины температуру
260
воздуха повышают, а влажность воздуха понижают. Доски для кле­
еных конструкций высушивают до влажности 8 % по наружной
поверхности, имея в виду, что при фрезеровании будут сняты
наиболее сухие наружные слои досок. Перед механической обра­
боткой выгруженные из камеры доски должны трое суток сохра­
няться в помещении с температурой воздуха 16 —22 °С и влажно­
стью воздуха 60 —70% (кондиционируются) с целью выравнива­
ния влажности по сечению.
Механическая обработка и стыкование досок перед склеивани­
ем включает ряд последовательных операций (рис. 10.2). Высушен­
ные и выдержанные доски прежде всего подвергают калибровке
на рейсмусовых или четырехсторонних строгальных станках, т. е.
фрезерованию по пласти, что позволяет достовернее, чем в нестроганных досках, оценить имеющиеся в них пороки и ликвиди­
ровать разнотолщинность досок.
После калибровки производят поперечный раскрой досок по
длине, при котором удаляются участки досок, содержащие недо­
пустимые пороки. В зависимости от объема пороков раскроенные
отрезки досок относят к 1, 2 или 3-му сорту. Кроме пороков, упо­
мянутых ранее, заготовки не должны иметь дефектов формы.
Стыкование заготовок зубчатым соединением дает возможность
получить заготовки требуемой длины. Зубчатый шип фрезеруют
фрезами на специализированных шипорезных станках, после чего
на наклонные поверхности наносят клей, две стыкуемые заготов­
ки смыкаются под давлением 1—3 МПа и выдерживаются до от­
верждения клея. Зубчатый шип может выполняться с выходом на
Рис. 10.2. Схема производства заго­
товок:
а — калибровка; б — вырезка пороков;
в — зарезка зубчатых шипов; г — нане­
сение клея; д — запрессовка и прогрев;
е — четырехстороннее фрезерование;
ж — раскрой на заготовки
261
кромку или на пласть. В последнем случае набор фрез имеет боль­
шую высоту.
Все последовательные операции по стыкованию заготовок мо­
гут осуществляться на автоматических или полуавтоматических
линиях. В этом случае иногда применяют методы ускоренного от­
верждения клея в стыках. Полученные заготовки подвергают стро­
ганию с четырех сторон и затем разрезают на ленты требуемой
длины.
Для получения сечений шириной большей, чем ширина одной
доски, может быть принята следующая технология. Из лент наре­
зают заготовки длиной 3 м, склеивают их по кромкам, получая
широкие плиты, которые потом распиливают на заготовки требу­
емой ширины. При необходимости их вновь стыкуют по длине.
Механическая обработка пиломатериалов связана с неоднок­
ратным фрезерованием, а следовательно, и с уменьшением пер­
воначальных размеров поперечного сечения пиломатериалов. Раз­
ница между первоначальным размером сечения доски и ее сече­
нием после окончания механической обработки (припуск) зави­
сит от породы древесины, характера обработки, длины и разме­
ров сечения заготовок. Обычно припуски для заготовок шириной
до 195 мм составляют 4 —5,5 мм на фрезерование пласти с двух
сторон и 5 —10 мм на фрезерование кромок с двух сторон.
Приготовление клея производят в клеесмесителях, в которых
тщательно перемешиваются все входящие в клей компоненты
(см. гл. 3). Компоненты надо смешивать в той последовательнос­
ти, как они указаны в рецептурной таблице. Клеевая компози­
ция, полученная после смешивания, обладает ограниченной жиз­
неспособностью, которая выражается временем (минуты, часы),
прошедшим с момента окончания перемешивания до момента
достижения клеем такой вязкости (густоты), при которой его
уже нельзя использовать. Постепенное загустение клея связано с
процессом отверждения, который начинается после смешива­
ния компонентов. Поэтому клеи приготавливают такими порци­
ями, которые могут быть использованы в течение срока жизне­
способности клея.
Нанесение клея осуществляют на чистые свежестроганые по­
верхности тонким равномерным слоем. Для нанесения клея на обе
пласти доски используют клеевые вальцы. В мелкосерийном про­
изводстве, когда производительность клеевых вальцов превышает
потребность технологического процесса, для нанесения клея можно
использовать кисти, малярные ролики и т. п.
При склеивании зубчатых соединений клеи наносят на обе скле­
иваемые поверхности щетками или специальными дисками, име­
ющими тот же профиль, что и сам шип.
При нанесении клея небольшой вязкости на большие поверх­
ности механизированным способом достигается минимальный
262
расход клея (0,25 —0,35 кг/м2), а следовательно, и наименьшая
толщина клеевого шва. При склеивании узких деталей клеем вы­
сокой вязкости расход повышается до 0,4—0,6 кг/м2.
Запрессовка заключается в том, что по мере нанесения клея на
склеиваемые поверхности заготовки накладывают одну на дру­
гую, соблюдая при этом требуемое расположение по высоте сече­
ния досок соответствующего сорта. После того как набран пакет
необходимой высоты, к нему прикладывают давление, с тем что­
бы обеспечить плотный прижим склеиваемых поверхностей по всей
их площади. Для прямых клеедеревянных элементов давление дол­
жно быть 0,3 —0,5 МПа, для криволинейных — 0,8—1 МПа.
Сборку пакета досок производят на стендах, обеспечивающих
правильное положение склеиваемых деталей. В силу ограниченной
жизнеспособности клеев сборку пакета должны производить в сжа­
тые сроки и клей не должен загустеть, пока элемент не запрессуют.
Запрессовку пакета досок осуществляют в винтовых или гид­
равлических прессах (рис. 10.3). Продолжительность действия дав­
ления (время выдержки) зависит от температуры воздуха в цехе и
типа конструкции и составляет 8 —30 ч.
Время выдержки склеиваемого изделия под давлением может
быть сокращено за счет нагрева, благодаря которому ускоряется
процесс отверждения клея. Для клеедеревянных изделий можно
применять нагрев горячим воздухом (конвекционный нагрев), при
котором время выдержки сокращается в 4—6 раз. Нагрев в поле
токов высокой частоты позволяет сократить время склеивания до
нескольких минут.
3
4
кР
, 18
Рис. 10.3. Запрессовка при склеивании клеедеревянного элемента:
а — схема ваймового пресса; 6 — образец для испытания прочности клея; 1 —
опора; 2 — стальные тяжи; 3 — прижимные винты
263
Выдержка заключается в том, что после распрессовки клееные
блоки выдерживают в условиях цеха еще трое суток и лишь после
этого приступают к их окончательной отделке.
Отделка клееных блоков включает фрезерование на рейсмусо­
вых станках боковых поверхностей для удаления неровностей (про­
весов), вызванных смещением кромок соседних досок в пакете, а
также для снятия подтеков, неизбежно появляющихся при нане­
сении клея и запрессовке. Очень крупные блоки, для фрезерова­
ния которых нельзя использовать рейсмусовые станки, обрабаты­
вают паркетострогальной машиной. Затем производят обрезку кле­
еных блоков по шаблону под проектный размер и сверление с
помощью кондукторов отверстий под болты.
Отделка готового элемента завершается окраской за два раза
водостойкой эмалью. Готовое изделие будет надежно защищено
от неблагоприятного воздействия влаги, которое может возник­
нуть при транспортировании и хранении. Элемент защищается упа­
ковкой в синтетическую (например, полиэтиленовую) пленку.
Качество древесины контролируется по прочности, влажнос­
ти, размерам и числу пороков. Требования к влажности и нормам
допускаемых пороков указаны выше. Контроль прочности матери­
алов производят путем испытания малых стандартных образцов,
форма и размеры которых устанавливаются ГОСТом и другими
инструктивными документами.
Свойства клеев оценивают по вязкости, жизнеспособности,
времени отверждения и клеящей способности. Все эти испытания
служат для оценки качества смол, отвердителей и других компо­
нентов клея, а также всей клеевой композиции. Производят ис­
пытания на небольших партиях клея, приготовленных в лабора­
торных условиях.
Вязкость клея определяют в вискозиметрах (небольших ворон­
ках) по времени, в течение которого определенная порция клея
(50 или 100 г) вытечет из нижнего отверстия вискозиметра в мер­
ный стакан. Чем больше времени уйдет на это, тем более вязким
считается клей.
Жизнеспособность и время отверждения определяют путем за­
мера времени, истекшего с момента приготовления клея до нача­
ла его загустевания. Жизнеспособность оценивается при комнат­
ной температуре (20±2°С), а время отверждения — в кипящей
водяной бане.
Клеящую способность клея определяют прочностью клеевого
соединения, проверяемого на малых образцах.
Прочность клеевых соединений оценивают по прочности об­
разцов, вырезанных из готовых конструкций (или их элементов).
В отличие от проверки клеящей способности в этом случае оцени­
вается прочность клеевых соединений, полученных в цеховых ус­
ловиях, когда сказывается действие всех производственных фак­
264
торов, которые могут повлиять на прочность склеивания. Провер­
ке подвергают прочность клеевых соединений при скалывании.
Прочность зубчатых соединений проверяют на образцах, подвер­
гаемых растяжению и изгибу. Образцы клеевых соединений выре­
зают из обрезков, остающихся после торцовки клееного блока,
или из элементов, прошедших контрольные испытания.
Контроль готовых конструкций (или их элементов) включает
внешний осмотр и обмер с целью оценки качества и соответ­
ствия проекту и механические испытания до разрушения. Меха­
ническим испытаниям целесообразно подвергать не всю конст­
рукцию, а где это возможно, лишь элемент (например, полуар­
ку, полураму). Балки и панели испытывают целиком. Для испы­
тания выбирают статически определимую схему, при которой в
элементе возникают внутренние усилия, близкие к тем, что воз­
никают в эксплуатационных условиях. В качестве источника силы
применяют гидравлические домкраты или рычажные установки;
для испытания панелей можно использовать пневматические
прессы. Нагружение ведут ступенями с заданными между ними
интервалами времени вплоть до разрушения контрольного эле­
мента. Полученную суммарную разрушающую нагрузку при крат­
ковременном испытании сравнивают с расчетной несущей спо­
собностью конструкции по проекту. Отношение этих величин дол­
жно быть не менее коэффициента надежности, зависящего от
характера разрушения и продолжительности нагружения конст­
рукций.
Цельнодеревянные конструкции применяют в тех условиях,
когда их изготовление является наиболее возможным и целесооб­
разным. Многие районы нашей страны богаты лесами, но имеют
слабо развитую сеть путей сообщения и там отсутствуют заводы
по изготовлению клеедеревянных конструкции. В таких районах
конструкции малоэтажных жилых домов, небольших сельскохо­
зяйственных и промышленных зданий, временных малых пеше­
ходных и автодорожных мостов, общественных зданий наиболее
рационально изготовлять близ места строительства.
Цельнодеревянные конструкции можно изготовлять на неболь­
ших подсобных деревообрабатывающих предприятиях строитель­
ных площадок и даже на открытом воздухе. Помещения для про­
изводства таких конструкций не требуют кондиционированного
воздуха, температура должна составлять 16 —20 °С, а влажность
не более 70 %. Для изготовления этих конструкций могут быть ис­
пользованы простейшие станки для механической обработки дре­
весины — распиловки, фрезерования, сверления отверстий, обо­
рудование для изготовления простейших стальных изделий и
подъемных приспособлений. Это производство не требует строго­
го лабораторного контроля качества, поскольку здесь не приме­
няется склеивание древесины.
265
При изготовлении цельнодеревянных конструкций применяют
врубки, болты, гвозди, а также стальные зубчатые пластины. Из­
готовление цельнодеревянных конструкций требует значительно
больших затрат ручного труда, чем клеедеревянных. Однако сто­
имость таких конструкций существенно ниже и его организация
не требует значительных капитальных вложений. Для изготовле­
ния цельнодеревянных конструкций применяют бревна, брусья и
доски обычно с влажностью не более 20—25%. Лишь для времен­
ных сооружений и конструкций, эксплуатируемых в воде или в
условиях постоянного увлажнения лесоматериалов, влажность не
нормируется.
Процесс изготовления включает следующие операции: сушку
материалов до требуемой влажности; сортировку лесоматериалов
по сечениям, а также по нормам пороков для определения сорта
(1,2 или 3); изготовление деревянных элементов по проектным
размерам путем обрезки торцов по шаблону, сверления отвер­
стий под болты (в кондукторах) и т.п.; изготовление металличес­
ких элементов конструкций (тяжей, нижних растянутых поясов
ферм и т.п.), если таковые входят в ее состав; сборку конструк­
ции на хорошо выровненной горизонтальной площадке (бойке),
на которой предварительно размечено положение всех элементов
в последовательности, которая указывается в проекте.
При сборке конструкции (или отдельной ее части) затягивают
гайки на болтах, тяжах и других резьбовых соединениях, а после
сборки конструкцию хранят и транспортируют в проектном по­
ложении.
Крупноразмерные конструкции могут быть собраны по отдель­
ным частям, которые окончательно соединяют на монтаже при
их установке в проектное положение.
Трехслойные плиты, панели и элементы оболочек изготовляют
исключительно в заводских условиях, аналогичных условиям из­
готовления клеедеревянных конструкций. Оно состоит из следую­
щих основных операций: механической обработки, включая рас­
крой и стыковку материала обшивок и среднего слоя (пенопласта
и ребер); приготовления клея и нанесения его на склеиваемые
поверхности; сборки элементов панелей (обшивок и среднего слоя);
запрессовки панели и выдержки до отверждения клея; распрессовки панели после срока выдержки и окончательной отделки.
Механическая обработка листовых материалов ведется с уче­
том их природных особенностей. Для раскроя фанеры, листовых
древесных материалов, органического стекла, винипласта и пенопластов можно использовать обычные деревообрабатывающие
станки и инструменты, для раскроя стеклопластиков и асбесто­
цемента — диски с алмазными вставками, абразивные круги, для
раскроя листовых металлов (алюминия, защищенной стали) —
гильотинные ножницы, а при фасонной резке тонких металли­
266
ческих листов допускается применение ручного механизированно­
го инструмента — электровиброножниц, пневматических ножниц.
Стыкование листов асбестоцемента производят впритык с од­
носторонней накладкой, фанеры — на ус или зубчатым стыком,
а стеклопластика — внахлестку или с накладкой. Для устройства
стыковых соединений используют соответствующие этим матери­
алам клеи. Элементы из пенопласта склеивают впритык.
Подготовка поверхности. Перед нанесением клея соединяемые
поверхности должны быть сухими, очищенными от пыли и кон­
сервирующих покрытий (масла, бумаги, целлофана). Металличе­
ские листы очищают горячим водным раствором поверхностно­
активных веществ, другие листовые материалы можно очищать
путем обдува сжатым воздухом, пылесосом, щетками и т.п. Наи­
более трудоемка подготовка под склеивание алюминиевых листов.
Эта подготовка кроме обезжиривания включает еще и оксидиро­
вание — создание плотной тонкой пленки оксида металла, пре­
дохраняющей поверхность от коррозии. Обе операции — обезжи­
ривание и оксидирование — связаны с последующей промывкой
и сушкой листов.
Очищенные поверхности стеклопластиков подвергают шерохованию для снятия глянцевого поверхностного слоя, а поверх­
ность асбестоцемента опыляют 7 — 10%-м раствором соляной кис­
лоты.
Нанесение вязких клеев производят так же, как при склеивании
досок; менее вязкие клеи можно наносить пневматическим или
гидравлическим распылением, особенно удобным для нанесения
клея на большие поверхности обшивок.
Запрессовку панелей можно производить в винтовых и гидрав­
лических прессах, однако при склеивании панелей еще удобнее
пользоваться пневматическими прессами или вакуум-прессами,
поскольку для склеивания панелей требуется большая поверхность,
но меньшее давление, чем при склеивании несущих деревянных
конструкций (рис. 10.4). В первом случае давление создается за счет
нагнетания воздуха в шланги или мешок из воздухонепроницае­
мой ткани, которые располагаются между склеиваемой панелью
и верхним столом пресса. При вакуумном способе панель и стенд,
на котором она собрана, помещают в мешок из воздухонепрони­
цаемой ткани и с помощью вакуум-насоса откачивают из мешка
воздух. Оба способа позволяют сочетать давление с нагревом, если
в качестве источника тепла использовать электросиловые нагре­
ватели (контактный нагрев), которые укладывают непосредственно
на обшивки панелей.
Средний слой из полистирольного беспрессового пенопласта
типа ПСБ может быть изготовлен в виде отдельного целого блока
размером на панель или путем вспенивания и формирования внут­
ри полости заранее изготовленной оболочки панели или между
267
J Пар
Jt7
•.сэ’ су.су.су.су.су.сул
1
2
tttttttttttt
,cb\cy,cb\cy/cb\cb\cb\cb
яр
ш т ш тшш,
Рис. 10.4. Схема изготовления трехслойных пластмассовых плит:
о - в вакуум-мешке; 6 — в пневмомешке; в — вспенивание пенопласта в поло­
сти плиты; 1 — плита; 2 — вакуум-мешок; 3 — вакуум-насос; 4 — пневмомешок;
5 — компрессор; 6 — короб; 7 — пустотообразователь
обшивками панели типа «сэндвич». Во всех этих случаях использу­
ют химически одинаковый процесс вспенивания пенопласта.
Гранулы плотного полистирола, содержащие в виде примеси
вспенивающий агент, подвергают предварительному вспениванию
путем тепловой обработки. При этом полистирол размягчается, а
вспенивающий агент, испаряясь, расширяет гранулы. В результате
предварительного вспенивания получают материал в виде отдель­
ных гранул, каждая из которых расширилась и уменьшила свою
плотность. Предварительное вспенивание позволяет получить на­
сыпной материал требуемой плотности, а перемешивание при
вспенивании обеспечивает одинаковую плотность всех гранул.
Предварительно вспененные гранулы засыпают в полость па­
нели, а панель помещают в установку, представляющую собой
замкнутый короб (рис. 10.4, в). В верхней крышке короба вмонти­
рованы пустотообразователи, через которые в массу гранул вво­
дят пар. Нагрев гранул осуществляется также через теплообмен­
ные плиты, прикрепленные к бортам (стенкам) короба. В резуль­
тате интенсивного нагрева гранулы размягчаются, увеличиваются
в объеме, заполняют все пустоты и, сплавляясь, образуют еди­
ный пенопластовый блок. Для соединения блока с обшивками на
них предварительно наносят слой клея. После охлаждения из ус­
тановки извлекают панель с готовым средним слоем, в котором
содержатся пустоты, оставленные пустотообразователями.
268
Светопрозрачные панели из стеклопластика изготовляют клее­
ными или цельноформованными. Для изготовления клееных па­
нелей используют заранее изготовленные листы, которые склеи­
вают по технологии, изложенной в 10.1.
Изготовление светопрозрачных куполов и оболочек из органи­
ческого стекла производят путем переработки плоских листов.
Процесс начинается с зажима листа по контуру и нагрева его до
140—150 °С с помощью электронагревателей, расположенных над
листом. Разогретое до пластического состояния органическое стекло
легко приобретает нужную форму. Формообразование может осу­
ществляться с помощью матрицы или сжатого воздуха. Второй
способ обеспечивает лучшее качество поверхности. После оконча­
ния формообразования купол охлаждают, извлекают из зажимов,
обрезают и обрабатывают края. Двойные (двуслойные) купола и
оболочки изготовляют, склеивая по контуру два купола, из кото­
рых внутренний имеет меньшую высоту.
Пневматические воздухоопорные оболочки изготовляют на
специализированных предприятиях. Технологический процесс
включает: раскрой конструкционной ткани по шаблонам; сшива­
ние тканевых заготовок в монтажную часть оболочки; обрезку краев
оболочки и пришивание опорного контура; пришивание элемен­
тов монтажных швов; наклеивание на шитые швы защитных лент;
изготовление каркаса и оболочки шлюза; свертывание и упаковку
монтажных элементов оболочки и шлюза. Если швы оболочки не
шитые, а клеешитые, то перед сшиванием заготовок их края по­
крывают клеевым раствором.
При изготовлении пневматических оболочек используют не­
сложное стандартное оборудование в виде промышленных двух- и
трехстрочных швейных машин, шаблонов, ножниц, клеенамазочных приспособлений и простейшего легкого подъемно-транс­
портного оборудования.
Оболочки тентовых конструкций изготовляют по аналогичной
технологии. Каркасы тентовых конструкций производят на дере­
вообрабатывающих и металлообрабатывающих предприятиях. Если
оболочка состоит из ткани с покрытием на основе ПХВ, то края
заготовок не сшивают, а сваривают горячей сваркой.
Транспортирование и монтаж конструкций из дерева и пласт­
масс должны производиться с учетом их малой твердости и лег­
кой повреждаемости. При транспортировании элементов несущих
и ограждающих конструкций из дерева и пластмасс должны быть
приняты меры предохранения их от увлажнения, случайных уда­
ров и других неблагоприятных воздействий. Особенно следует опа­
саться приложения усилий, которые могут вызвать разрыв древе­
сины поперек волокон или отдир клеевого шва. Захват элементов
при подъеме можно производить только в местах, помеченных на
изделии в соответствии с рабочими чертежами.
269
При проектировании элементов производят дополнительный
их расчет для случая подъема. Этот расчет особенно важен для
крупноразмерных элементов и конструкций (ферм, балок, полу­
арок), в которых могут возникать достаточно большие усилия от
действия собственного веса.
Перед установкой несущих конструкций в проектное положе­
ние производят их сборку, которую осуществляют на заводе-изготовителе или на строительной площадке, где конструкция может
быть собрана полностью или частично. При частичной сборке опе­
рация окончательной сборки совмещается с монтажом и установ­
кой в проектное положение (например, соединение двух полуарок
или полурам на монтаже). Выбор места полной или частичной
сборки конструкции определяется главным образом возможнос­
тью транспортирования конструкции или ее наибольшего элемента.
Сборку конструкции, доставленной к месту строительства в
виде отдельных деталей, производят на горизонтальной ровной
площадке в последовательности, указанной в рабочих чертежах.
Перед сборкой должны быть выявлены и устранены дефекты,
которые могли возникнуть в элементах при их транспортирова­
нии. Собранные конструкции хранят в вертикальном положении,
предохраняя их от грунтовой и атмосферной влаги (путем приме­
нения подкладок, устройства навесов и т.п.).
Подъем конструкций после сборки и при монтаже должен про­
изводиться с помощью траверс и стяжек, обеспечивающих цело­
стность конструкции. Перед подъемом все соединения (болты,
винты, стяжки, упоры и т. п.) должны быть плотно подогнаны и
затянуты. До начала монтажа должны быть выверены опорные
площадки, на которые будет установлена конструкция.
Несущие деревянные конструкции по мере их установки в про­
ектное положение должны быть сразу же закреплены постоянны­
ми связями и ограждающими конструкциями (прогонами, насти­
лами, панелями), показанными в проекте. Первая конструкция
после установки закрепляется временными растяжками или дру­
гими приспособлениями.
Такие несущие конструкции покрытия, как арки с затяжкой,
фермы и балки, монтируют полностью собранными. Трехшарнир­
ные рамы и арки удобнее монтировать, устанавливая в проектное
положение отдельно две половины конструкции (полуарки, по­
лурамы) и соединяя их после установки в ключевом (коньковом)
узле. Для временного опирания верхней части полуарки при боль­
ших пролетах используют монтажную башню, с которой после
выверки положения конструкции производят окончательную сбор­
ку ключевого узла. После выверки и закрепления собранной арки
башню перемещают вдоль оси здания на следующую стоянку и
производят монтаж очередной арки. Рамы и арки небольшого про­
лета можно монтировать полностью собранными.
270
Транспортирование пневматических оболочек может произвол
диться в компактном свернутом виде. Монтаж их заключается в
креплении краев оболочек к фундаменту, подключении к возду­
ходувной установке и наполнении их воздухом под необходимым
избыточным давлением.
Эффективность применения деревянных конструкций в отече­
ственном строительстве определяется рядом существенных фак­
торов. Древесина — относительно легкий материал с достаточной
прочностью. Это дает возможность создавать деревянные конст­
рукции больших пролетов, упрощает и облегчает транспортиро­
вание и монтаж их элементов и позволяет получать экономию на
конструкциях опор. Древесина — нетвердый и легко обрабатывае­
мый материал, поэтому создание производственной базы для из­
готовления деревянных конструкций в заводских условиях не тре­
бует больших капитальных затрат. Это производство легко подда­
ется механизации, автоматизации и требует ограниченного при­
менения ручного труда. Такие конструкции можно изготовлять даже
в построечных условиях. Древесина легко склеивается водостой­
кими синтетическими клеями, что позволяет из тонких досок со­
здавать крупные клеедеревянные элементы любых размеров и форм
и листовой древесный материал — строительную фанеру. Древе­
сина обладает хорошими теплотехническими и санитарно-гигиеническими свойствами и является отличным материалом для стен
и перекрытий малоэтажных жилых домов; она хорошо работает на
циклические и ударные нагрузки. Деревянные конструкции ус­
пешно эксплуатируются в районах повышенной сейсмичности и
мостах.
Древесина — стойкий материал при эксплуатации в зданиях со
слабой химически агрессивной средой, которая разрушающе дей­
ствует на другие конструктивные строительные материалы. Это
архитектурно красивый строительный материал и общественные
здания с применением деревянных конструкций имеют высокие
архитектурные достоинства.
Основными недостатками деревянных конструкций являются
их подверженность гниению и горению. Несмотря на это, конст­
рукции из клеедеревянных элементов крупных сечений имеют
достаточно высокий предел огнестойкости, а соблюдение тре­
бований конструктивной и химической защиты от гниения га­
рантирует необходимую долговечность их эксплуатации. Однако
в ряде случаев деревянные конструкции имеют повышенную сто­
имость, и древесина высокого качества в ряде районов страны
дефицитна.
Эффективность применения деревянных конструкций опреде­
ляется путем сравнения их разных типов между собой и конструк­
циями из других материалов. Технико-экономическую оценку кон­
струкций производят по величине приведенных затрат, необхо­
271
димых для возведения данного здания в целом. При этом учитыва­
ют стоимость создания или использования производственной базы,
себестоимость и время, необходимое для изготовления конструк­
ций, их транспортирования и монтажа, сроки и расходы при их
эксплуатации. Также учитывают стоимость и дефицит материалов
в данном районе, наличие необходимых трудовых ресурсов, пу­
тей сообщения и степень сейсмичности. Технико-экономические
сравнения определяют типы наиболее эффективных деревянных
конструкций в сравнении между собой и с конструкциями из дру­
гих конструкционных материалов. Приближенные выводы об эф­
фективности данного типа строительных конструкций можно по­
лучить из сравнения ее с другими конструкциями по расходам
материалов в деле.
Применение деревянных конструкций дает наибольший эко­
номический эффект в районах, богатых лесами, где лесоматериа­
лы имеют низкие цены и недефицитны.
Эффективность применения конструкций из пластмасс и сопут­
ствующих материалов в отечественном строительстве определяет­
ся их специфическими особенностями. Эффективно применение
трехслойных плит, панелей и элементов оболочек. Эти конструк­
ции изготовляются в основном из алюминия и пенопласта и яв­
ляются наиболее перспективными для применения в строитель­
стве. Они характеризуются оптимально малой плотностью по срав­
нению с другими аналогичными конструкциями и обладают со­
ответственно высокими теплоизоляционными свойствами. Покры­
тия и стены из них не требуют применения водо- и пароизоляци­
онных слоев. Однако стоимость этих конструкций несколько выше,
чем из легкого и многопустотного железобетона. Кроме того, алю­
миний и пенопласт являются пока дефицитными материалами. Эти
конструкции особенно эффективны при строительстве зданий в
отдаленных неосвоенных районах севера и востока нашей страны.
Производство их в первую очередь было организовано в районах с
развитой промышленностью, откуда они отправлялись к месту
строительства автодорожным, водным или воздушным транспор­
том. Значительная экономия получается также в процессе их мон­
тажа и в результате облегчения каркаса и фундаментов зданий.
Алюминиево-пенопластовые панели имеют также значительные
архитектурные достоинства и применяются в стеновых огражде­
ниях общественных зданий в центральных районах страны. Эф­
фективность их применения определяется по такой же методике
сравнения, как и деревянных конструкций.
Эффективность применения плит, панелей и фонарей верхнего
света из прозрачных пластмасс — стеклопластика, винипласта и
оргстекла — определяется тем, что они не хрупкие и не требуют
устройства коробок, переплетов. При использовании оргстекла они
создают оздоровительный микроклимат в помещениях.
272
Эффективность применения пневматических оболочек опреде­
ляется их ничтожно малой поверхностной плотностью порядка
1 кг/м2, возможностью их транспортирования в компактном свер­
нутом виде и возможностью возведения в кратчайшие сроки, из­
меряемые сутками. Значительный эффект дает их применение в
качестве временных сборно-разборных покрытий, например зер­
носкладов в районах с непредусмотренно большими урожаями.
Оболочки могут быть туда доставлены воздушным транспортом и
быстро возведены, что приводит к сохранению значительной ча­
сти урожая. Этим оправдывается их повышенная стоимость, де­
фицитность воздухонепроницаемых тканей и небольшой срок их
нормальной эксплуатации, не превышающий пяти лет.
10.2. Эксплуатация деревянных конструкций
Деревянные конструкции должны надежно работать в течение
всех сроков их нормальной эксплуатации, установленных СНиПом:
для капитальных сооружений — 50 лет, сельскохозяйственных
построек — 20 и для временных зданий — 10 лет. Доброкачествен­
но изготовленные и эксплуатируемые в нормальных условиях де­
ревянные конструкции могут надежно работать значительно дольше
этих сроков. Нормальными условиями эксплуатации являются та­
кие, при которых деревянные конструкции не повреждаются,
нагрузки, действующие на них, не превышают их несущей спо­
собности, а температура и влажность не превышают допустимых
значений. При нарушении этих условий деревянные конструкции
могут преждевременно потерять свою несущую способность и
жесткость.
Тщательный осмотр деревянных конструкций должен бьггь про­
изведен при приемке их в эксплуатацию и в дальнейшем повто­
ряться не реже двух раз в год, как правило, осенью и весной.
Внеочередной осмотр деревянных конструкций специалистомстроителем проводится немедленно после обнаружения в них яв­
ных существенных дефектов, а также после стихийных бедствий.
Обследование деревянных конструкций специальной эксперт­
ной комиссией проводят в случаях появления признаков опасно­
сти, которые могут привести конструкцию в аварийное состоя­
ние, например при появлении больших прогибов или выхода из
плоскости. При обследовании и осмотре деревянных конструкций
должны быть установлены и занесены в ведомость дефектов все
дефекты, возникшие при изготовлении, транспортировании, хра­
нении и монтаже и при нарушении нормального режима эксплу­
атации конструкций. В процессе осмотра главное внимание долж­
но быть обращено на основные факторы, влияющие на несущую
способность конструкции: отклонение размеров элементов от про10 Хромец Ю. Н.
273
екгных; наличие серьезных повреждений и недопустимых пороков
древесины; отклонение размеров и количества соединений от про­
ектных; наличие неправильно выполненных и разошедшихся со­
единений; наличие перегрузки конструкций и недостаточного го­
ризонтального их закрепления; наличие недопустимых прогибов
и выхода из плоскости; нарушение нормального температурно-влаж­
ностного режима; недостаточную влагопаротеплоизоляцию; нали­
чие зон увлажнения, перегрева и очагов загнивания древесины.
Отклонение размеров элементов от проектных, наличие серь­
езных повреждений и недопустимых пороков древесины могут при­
вести к несоответствию несущей способности конструкции дей­
ствующим на них нагрузкам. При осмотре особое внимание долж­
но быть обращено на размеры и качество основных растянутых
элементов конструкций, несущая способность которых особенно
зависит от наличия повреждений и недопустимых пороков древе­
сины. При обнаружении указанных дефектов производится пове­
рочный расчет конструкции с учетом этих дефектов. Если выявит­
ся, что конструкции имеют недопустимую несущую способность,
величины действующих на них нагрузок должны быть строго огра­
ничены или конструкции усилены в соответствии с указаниями.
В процессе эксплуатации конструкции из древесины повышен­
ной влажности в элементах при высыхании могут возникнуть про­
дольные усушечные трещины. В большинстве случаев они незна­
чительно снижают несущую способность элементов. Если они до­
стигают нежелательной величины, их ликвидируют, вклеивая в
них клиновидные вкладыши соответствующего размера на водо­
стойком клее.
Отклонение размеров и количества соединений от проектных,
а также наличие неправильно выполненных и разошедшихся со­
единений требуют к себе при осмотрах особого внимания, по­
скольку состояние соединений в значительной степени определя­
ет несущую способность конструкции. В первые годы эксплуата­
ции конструкций происходит процесс обмятия нагруженных по­
верхностей соединений, а в конструкциях, изготовленных из дре­
весины повышенной влажности, — также усушка и уменьшение
размеров элементов. В результате этого плотность и монолитность
соединений могут быть нарушены, болты и тяжи могут потерять
первоначальное натяжение, появляются щели и зазоры между со­
единяемыми элементами. Ослабевшие болты и тяжи должны быть
подтянуты и первоначальная плотность обязательно восстановлена.
При наличии более серьезных и опасных для несущей способности
дефектов соединений их усиливают в соответствии с указаниями.
Необходимо учитывать, что в большинстве случаев причинами
аварийного состояния некоторых деревянных конструкций были
неудовлетворительное качество соединений, наличие перегрузки
конструкций и их недостаточного горизонтального закрепления,
274
наличие недопустимых прогибов и выхода из плоскости. Пере­
грузка конструкций, особенно постоянной нагрузкой, значительно
снижает надежность их работы и сроки их нормальной эксплуата­
ции, поскольку длительная прочность древесины значительно ниже
кратковременной. При осмотрах необходимо строго следить, что­
бы фактические действующие на конструкции нагрузки не пре­
вышали проектных. Недопустимые перегрузки могут возникнуть в
случае применения более тяжелого утеплителя, при установке на
перекрытии оборудования, укладке материалов, возникновении
на покрытиях снеговых или ледяных отложений, вес которых пре­
вышает несущую способность конструкций. Показателем перегрузки
является возникновение недопустимых прогибов конструкций.
При наличии перегрузки необходимо проведение поверочного
расчета конструкций на действие фактических нагрузок. Если при
этом будет установлено, что несущая способность конструкций
недостаточна, величины нагрузок должны быть ограничены. Од­
ним из эффективных способов ликвидации перегрузки является
замена утеплителя, имеющего значительную плотность, более лег­
ким, например изготовленным на основе изделий из минераль­
ной ваты и пенопластов. В случаях, когда ликвидация перегрузки
невозможна, конструкции должны быть усилены в соответствии
с указаниями.
Выход конструкций из вертикальной плоскости свидетельствует
о недостаточной прочности их связей, которые должны быть уси­
лены по специальному проекту.
Температурно-влажностный режим имеет решающее значение
для долговечности деревянных конструкций, поскольку его нару­
шение ведет к увлажнению и загниванию или перегреву и ослаб­
лению древесины. При осмотрах особое внимание должно уде­
ляться сохранности и водонепроницаемости кровли, особенно в
ендовах, протекание которой является одной из главных причин
увлажнения древесины. В местах соприкосновения с металлом, бе­
тоном и камнем должны быть проверены сохранность гидроизо­
ляции и отсутствие конденсационного увлажнения древесины. Осо­
бое внимание должно быть обращено на наиболее подверженные
конденсационному увлажнению основные узлы конструкций, опи­
рающиеся на наружные стены. В зонах влажности должно быть
проверено наличие очагов гниения. Для обнаружения внутренних
очагов гниения элементы конструкций можно просверливать. Все
причины увлажнения древесины должны быть устранены. Водо- и
теплоизоляционные слои покрытий и пароизоляционные участки
в местах нарушений должны быть восстановлены, загнившие уча­
стки древесины удалены и заменены.
Части деревянных конструкций, подвергающиеся повышенно­
му нагреву, должны быть изолированы от очагов недопустимого
нагрева.
275
При обследовании, как правило, изучают техническую доку­
ментацию, составляют детальные обмерные чертежи и поэлемен­
тные дефектные ведомости. Устанавливают значения реально дей­
ствующих нагрузок и выполняют поверочные расчеты. Отбирают
образцы древесины и проверяют на наличие в них спор гнилост­
ных грибков. Из древесины конструкций изготовляют стандарт­
ные образцы, и путем лабораторных испытаний определяют ее
прочность при необходимых видах напряженного состояния, глав­
ным образом при сжатии.
По результатам обследования составляют научно-техническое
заключение. Это заключение содержит выводы о несущей способ­
ности конструкций, ее соответствии действующим нагрузкам и о
мероприятиях, необходимых для обеспечения их дальнейшей на­
дежной эксплуатации, в том числе о способах их усиления и антисептирования.
Усиление деревянных конструкций необходимо при: изменении
начального технологического режима эксплуатации; значитель­
ном возрастании нагрузки от оборудования и материалов; превы­
шении несущей способности конструкций; допущении серьезных
ошибок при проектировании, в результате которых несущая спо­
собность конструкций оказалась пониженной; недоброкачествен­
ных конструкциях, когда была применена древесина пониженной
прочности с недопустимыми пороками или соединения выполне­
ны с нарушением технологии и опасными дефектами; эксплуата­
ции конструкций в ненормальных условиях; значительных пере­
грузках, увлажнении, механических повреждениях, загнивании,
приведших к снижению их несущей способности. Наиболее часто
встречаются случаи недоброкачественного изготовления и ненор­
мальной эксплуатации конструкций.
Составление проекта усиления является первым этапом работ
по усилению конструкций. Его выполняют на основании данных
дефектных ведомостей, составленных в процессе осмотра — об­
следования конструкций, сопровождаемых их точными обмерами.
Прочность древесины усиливаемых конструкций должна быть оп­
ределена путем испытаний стандартных образцов, вырезанных из
ненагруженных частей конструкций. Обычно достаточно провести
простейшие испытания образцов на сжатие вдоль волокон. Про­
ект усиления должен учитывать все особенности эксплуатации
конструкций, содержать рабочие чертежи деталей усиления и ука­
зания по производству работ. В проекте должны быть указания по
антисептированию древесины конструкций и рекомендации по
их эксплуатации, а также предусмотрены мероприятия по техни­
ке безопасности.
Разгрузка конструкций является первым необходимым этапом
производства работ по усилению. При этом исключается опасность
обрушения, обеспечиваются необходимая безопасность работ по
276
усилению и включение в работу элементов усиления наравне с
основными элементами конструкций после их обратного нагру­
жения. Разгрузку производят в большинстве случаев путем подпирания или вывешивания конструкций временными стойками из
бревен или брусьев, с помощью клиньев (рис. 10.5) или домкра­
тов, на которые передается вся нагрузка, действующая на конст­
рукцию, включая их собственный вес. При подпирании конструк­
ции поднимают до такого положения, пока их прогиб не исчезнет.
При усилении опорных частей цельных балок можно ограни­
читься одиночными стойками, подведенными под балки близ их
опор. При усилении составных балок, ферм, арок и рам они дол­
жны быть подперты рядом стоек. Количество и размеры сечений
стоек зависят от пролета и нагрузки на конструкции и определя­
ются по расчету.
Фермы, арки и рамы рекомендуется подпирать стойками двой­
ного сечения с ветвями, расположенными по обе стороны конст­
рукций, в фермах близ узлов верхнего пояса. Стойки чаще уста­
навливают на парные, горизонтально уложенные острые широ­
кие клинья из твердой древесины, встречная забивка которых
позволяет поднимать стойки вместе с конструкциями. При необ­
ходимости подъема конструкций на значительную высоту приме­
няют винтовые домкраты. В некоторых случаях для временного
вывешивания высоко расположенных конструкций могут быть
использованы в качестве временных опор-стоек мостовые краны.
В тех случаях, когда покрытие имеет слой тяжелого утеплите­
ля, например шлака, который по проекту усиления должен быть
заменен на более легкий, следует произвести снятие утеплителя
до начала усиления конструкций. После окончания работ по уси­
лению стойки убирают, причем снятие с них нагрузок должно
производиться постепенно, без рывков.
V
Ш/
Рис. 10.5. Вывешивание деревянных конструкций:
1 — конструкция; 2 — стойки; 3 — поперечина; 4 — бобышка; 5 — гвозди; 6 —
клинья
277
Конструкции усилений в каждом отдельном случае имеют ин­
дивидуальный характер и определяются типом и размерами усиляемой конструкции и причинами, вызвавшими необходимость
усиления. Приведем наиболее часто встречающиеся случаи, когда
нужно усилить конструкцию, и наиболее эффективные решения
усиления.
Усиление балочных покрытий и перекрытий в случае их пере­
грузки, когда они не имеют никаких дефектов, наиболее целесо­
образно произвести путем уменьшения действующих на них на­
грузок. Для этого можно поставить дополнительные балки рядом
или в промежутке между существующими. Такой же эффект дает
замена утеплителя или засыпки на более легкие.
Усиление опорных частей прогонов и балок, опертых на наруж­
ные стены и пораженных гниением, производят следующим об­
разом (рис. 10.6, а). После подпирания балки близ опоры пора­
женный гниением конец отрезают и сжигают. Удаленный конец
балки заменяют новым металлическим или деревянным, называ­
емым иногда протезом. Металлический протез состоит из отрез­
ков стального швеллера или двух уголков, которые прикрепляют­
ся к концу балки двумя болтами, а между металлом и древесиной
прокладывается слой гидроизоляции.
Расчет металлического протеза производят на изгиб от дей­
ствия изгибающего момента, который определяют в зависимости
от величины опорной реакции балки R и расстояния от оси опо­
ры до первого болта а из выражения М = Ra.
Один из болтов — второй от опоры, если протез расположен
внизу, и ближайший к опоре, если протез расположен вверху,
является растянутым. Его рассчитывают на растяжение, шайбу —
на изгиб, а древесину — на смятие от действия усилий N x в пер­
вом и N2 во втором болтах, определяемых с учетом расстояния b
между ними по приближенным формулам
N[ = Ra/b;
N2 = R(a + b)/b.
Отрезанный конец дощатой балки можно заменить также дву­
мя дощатыми накладками. Их прибивают к балке двумя группами
гвоздей, причем первая группа располагается у конца балки на
расстоянии а от оси опоры, а вторая — на расстоянии b от первой
группы. Количество симметрично изгибаемых двухсрезных гвоз­
дей определяют в зависимости от величины усилий Ni и N2. Если
позволяют габариты перекрытия, то конец балки может быть уси­
лен деревянным брусом, расположенным выше или ниже усили­
ваемой балки и соединенным с ней болтами, расчет которых про­
изводят так же, как расчет болтов металлического протеза.
Усиление составных балок (рис. 10.6, б). Наиболее часто встре­
чается такой дефект составных балок, как недостаточное количе­
ство или неудовлетворительное качество соединений, не обеспе-
а
б
Рис. 10.6. Усиление деревянных балок:
а — усиление концов брусчатых балок;
б — усиление клеедеревянных балок; 1 —
балки; 2 — болты; 3 — нижний протез;
4 — верхний протез; 5 — гвозди; 6 — стро­
ительная фанера; 7 — перекрестные доски
чивающее совместную работу элементов балок. В балках на подат­
ливых соединениях может быть поставлено недостаточное коли­
чество гвоздей, дубовых пластинок или может произойти скалы­
вание древесины шпонок или колодок. В клееных балках может
иметь место недостаточная прочность клеевых соединений или
имеются недопустимые непроклейки.
Усиление дощато-гвоздевых балок после их вывешивания про­
изводят путем дополнительной забивки гвоздей.
Усиление брусчатых и дощатоклееных балок после их подпирания производят с помощью накладок. С обеих сторон к балке по
всей длине прибивают гвоздями полосы водостойкой фанеры тол­
щиной не менее 10 мм. Такие гвозди не должны попадать в щели
между брусьями или досками, поэтому забивать их следует по
шаблону. Фанерные обшивки и гвозди должны быть рассчитаны
на действие парных сдвигающих усилий
,5M S/I от попе­
речных сил, действующих на половине длины пролета балки
(см. 5.1). Требуемое количество несимметрично изгибаемых одно­
срезных гвоздей определяют по их несущей способности при из­
гибе и смятии фанеры по формулам подразд. 3.1. При проверке
сечения усиленной балки на нормальные напряжения сечение фа­
нерных обшивок может быть учтено с коэффициентом, равным
отношению модулей упругости фанеры и древесины Еф/Еа. Долж­
ны быть учтены также коэффициенты податливости соединений
Kw и Кж. При отсутствии водостойкой фанеры для этой цели мо­
жет служить двойная перекрестная обшивка из тонких досок, при­
биваемых гвоздями.
Усиление нижних поясов ферм. Нижние деревянные пояса ферм
чаще других стержней нуждаются в усилении. Они являются са279
мыми ответственными растянутыми элементами конструкций.
Однако в практике строительства их иногда изготовляют из дре­
весины несоответствующего качества с недопустимыми порока­
ми. В этом случае они требуют обязательного усиления — местного
или общего. Местное усиление применяют в тех случаях, когда
недопустимые дефекты концентрируются в отдельных точках по­
яса. Усиление в этом случае производят путем установки в этих
точках дощатых накладок на болтах (рис. 10.7, а). Площадь сечения
накладок принимают не менее площади сечения усиливаемого эле­
мента. В некоторых случаях для уменьшения податливости соеди­
нения применяют натяжные стыки из отдельных дощатых накла­
док на болтах, стянутых стальными тяжами с гайкой и уголковы­
ми траверсами (рис. 10.7, б). Растягивающее усилие находят как
расчетную несущую способность нижнего пояса, ослабленного
отверстиями для болтов, из выражения N = ARP.
Общее усиление нижнего пояса (рис. 10.8, а) применяют в тех
случаях, когда он имеет по длине многочисленные дефекты, и
выполнение местных усилений нецелесообразно. В этом случае вдоль
всего нижнего пояса ставят с боков два тяжа из арматурной ста­
ли, которые с помощью гаек крепят к поперечным траверсам из
N
1.
_Р_Р_Р_v у
П,
ji________ f
п
1
1
'
1
1
1
,i
1
I
JD Л! _
м
j
N_
I
1
1
1 1
1
1
о о
А\♦3\ 4\ ^ \1 \
л
Ь
й '0 © i\ I й Та й '
/•) т й я ~ х |
'
у ~
Рис. 10.7. Усиление растянутого элемента:
а — дощатыми накладками; б — стальными тяжами; 1 — элементы; 2 — наклад­
ки; 3 — болты; 4 — тяжи; 5 — уголки
280
прокатного металла, опирающимся на опорные узлы фермы. Во
избежание провисания тяжи укладывают на крючья, прикреплен­
ные к нижнему поясу фермы. Стальные тяжи рассчитывают на
полное растягивающее усилие, которое может возникнуть в ниж­
нем поясе фермы. В случае разрыва пояса все усилие растяжения
воспринимается тяжами усиления. Сечение тяжей подбирают с
учетом их ослабления резьбой. Опорные траверсы обычно имеют
сварное сечение и рассчитываются от усилия в нижнем поясе
фермы на изгиб как однопролетные балки, опирающиеся на гай­
ки тяжей. Для включения в работу нижнего пояса тяжи при уста­
новке натягивают до величины расчетного усилия.
Усиление опорных узлов ферм (рис. 10.8, б). Опорные узлы ферм,
опирающиеся на наружные стены, нередко систематически ув­
лажняются и подвергаются серьезным гнилостным поражениям,
что ставит под угрозу несущую способность всей конструкции.
Усиление дефектных опорных узлов производят путем замены их
стальными, так называемыми протезами. После того как ферма
полностью разгружена и стоит на подпорках, дефектный опор­
ный узел отрезают.
Рис. 10.8. Усиление деревянных ферм:
а — усиление нижних поясов стальными протезами; б — усиление опорных уз­
лов стальными тяжами; 1 — пояса фермы; 2 — стальной протез; 3 — сварной
шов; 4 — болты; 5 — ферма; 6 — стальные тяжи; 7 — стальные траверсы
281
Новый опорный узел — протез в большинстве случаев изго­
товляют из прокатной стали сварной конструкции. Он может со­
стоять из двух горизонтальных и двух наклонных швеллеров, рас­
ставленных на ширину сечений поясов фермы. К горизонтальным
швеллерам приваривают опорный лист. Между наклонными швел­
лерами приваривают стальную диафрагму. Верхний пояс фермы
вводят между наклонными швеллерами протеза, упирают торцом
в диафрагму и закрепляется монтажными болтами. Нижний пояс
фермы вводят между горизонтальными швеллерами и соединяют
с ними двумя рядами расчетных болтов.
Элементы этого стального протеза работают на максимальные
усилия растяжения и сжатия в опорных панелях верхнего и ниж­
него поясов фермы. Наклонные швеллеры работают на сжатие и
устойчивость, горизонтальные — на растяжение, а упоры — на
изгиб со значительными запасами прочности, так как их сечения
принимаются по конструктивным соображениям из условия рас­
становки болтов большими, чем требуется расчетом. Торец верх­
него пояса, упертый в диафрагму, работает на смятие от сжимаю­
щего усилия вдоль волокон, как правило, с избыточным запасом
прочности. Требуемое количество симметрично изгибаемых двух­
срезных болтов, которыми нижний пояс крепится к горизонталь­
ным швеллерам, определяют по величине растягивающего в нем
усилия.
В случае, когда требуется усиление всего нижнего пояса фер­
мы, включая опорные узлы, его производят путем установки та­
ких же стальных протезов с дополнительными деталями, необхо­
димыми для закрепления и натяжения двусторонних тяжей уси­
ления пояса.
Усиление верхних поясов ферм. Сжатые и сжато-изгибаемые
стержни верхних поясов ферм, имеющие составное сечение, в
ряде случаев при недостаточном количестве или качестве соеди­
нений теряют проектную форму и выходят из своей плоскости. Их
усиление заключается в установке рядом с ними, со стороны,
противоположной выпучиванию, дополнительного бруса на бол­
тах, препятствующего росту прогибов. Можно также путем натя­
жения этих болтов или с помощью домкрата предварительно вып­
рямить элемент.
Сжато-изогнутые элементы конструкций, прогибающиеся в
направлении изгиба, усиливают двусторонними фанерными или
дощатыми обшивками на гвоздях аналогично составным балкам.
Усиление конструкции в целом производят при наличии много­
численных дефектов и недостаточной общей несущей способнос­
ти. Конструкции таких усилений всегда строго индивидуальны. Во
многих случаях достаточно эффективным является усиление кон­
струкции стальными тяжами с нарезками и гайками на концах.
Такие тяжи могут вводиться в состав решетки ферм в виде допол­
282
нительных растянутых раскосов или стоек. Они могут образовы­
вать непрерывные дополнительные растянутые пояса, так назы­
ваемые подпружные цепи, тянущиеся от одной опоры до другой.
В пролете подпружные цепи могут быть опущены с помощью до­
полнительных стоек значительно ниже нижней кромки конструк­
ции. При этом общая высота конструкции увеличивается и соот­
ветственно усилия сжатия в ее верхнем поясе существенно умень­
шаются.
Усиление дефектных гибких арок может быть произведено пу­
тем установки ниже их дополнительной решетки, благодаря чему
арка превращается в значительно более жесткую сегментную фер­
му. В случаях, когда дефекты конструкции настолько серьезны,
что ее усиление нецелесообразно, конструкцию удаляют и заме­
няют новой.
Вопросы для самопроверки
1. Соблюдения каких условий требует заводское изготовление конст­
рукций из дерева и пластмасс?
2. Какие операции необходимы и на каком оборудовании изготовля­
ют клеедеревянные конструкции в заводских условиях?
3. Как и на каком оборудовании изготовляют трехслойные плиты и
панели с применением пластмасс?
4. Как обеспечивается и контролируется необходимое качество изго­
товления клеедеревянных конструкций?
5. Как и на каком оборудовании изготовляют пневматические обо­
лочки?
6. В чем заключается эффективность применения деревянных конст­
рукций и как она оценивается?
7. В чем заключается эффективность применения конструкций с при­
менением пластмасс и как она оценивается?
8. В каких случаях необходимо проведение обследования деревянных
конструкций?
9. Какие основные дефекты необходимо отмечать при обследовании
деревянных конструкций?
ПРИЛОЖЕНИЯ
Приложение 1
Соотношение между некоторыми единицами механических величин
СИ и единицами МКГСС
Наимено­
вание
величины
Масса
Сила (на­
грузка,
вес, про­
дольная
и попереч­
ная силы)
СИ
Кило­
грамм
Ньютон
Кило­
ньютон
Мега­
ньютон
НьютонМомент
силы (из­ метр
гибающий
момент)
Давление
(напряже­
ние, нор­
мативное
и расчет­
ное сопро­
тивления,
модули
упругости
и сдвига)
МКГСС
наимено­ обозна­ наименова­ обозна­
вание
чение
чение
ние
кг
Н
кН
МН
Нм
Кило­
грамм
Килограммсила
Тоннасила
Килограммсиласантиметр
Соотношение единиц
кг
—
кгс
1 Н = 1кг* 1см/с2;
1 М Н = 103кН = 106Н;
1 кгс =9,81Н « 10 Н;
1 тс « 104 Н = 10 кН
тс
кгс-см 1 МН м = 103 кН -м =
= 106 Н м
Кило­
ньютонметр
Мега­
ньютонметр
кН-м Килограммсила-метр
М Н м Тонна-сила-метр
кгс-м
1 кгс-см *0,1 Н-м;
1 кгс-м = 10 Н-м;
тс-м
1тс-м * 104 Н -м =
= 10 кН -м
Паскаль
Кило­
паскаль
Мега­
паскаль
Килограммсила на
МПа сантиметр
в квадрате
кгс/
см2
1 МПа = 103 кПа =
= 106 Па;
1 Па = 1 Н /м2;
1 МПа = 10 кгс/см2 »
*0,1 МПа
Па
кПа
Примечания: 1. При расчете строительных конструкций нагрузку вычисляют в
ньютонах (Н). В зависимости от характера нагрузка может быть сосредоточенной
(Н), отнесенной к единице длины (Н/м) или единице площади (Н/м2).
2. Геометрические характеристики сечений элементов удобно вычислять в
см2, см3 или см4 с последующим их пересчетом соответственно в м2, м3, м4.
284
3. Усилия при статическом расчете могут быть вычислены в любой кратной
единице: продольная и поперечная сила — в Н; изгибающие и крутящие момен­
ты — в Н м или МН-м. Однако при вычислении напряжений и последующем их
сравнении с расчетным сопротивлением следует придерживаться кратных еди­
ниц, принятых для обозначения расчетного сопротивления. Так, если расчетное
сопротивление задано в МПа, то в формулу для вычисления напряжений под­
ставляют значения усилий в МН и МН • м, а геометрические характеристики —
в м2, м3 и м4.
4. При вычислении прогибов в метрах нагрузку принимают в МН/м, про­
лет — в м, модуль упругости — в МПа, а момент инерции — в м4.
Приложение 2
Размеры сечений пиломатериалов
Тол­
щина,
мм
Ширина, мм
допускаемая
рекомендуемая
16
75
100
125
150
—
—
—
—
—
19
75
100
125
150
175
—
—
—
—
22
75
100
125
150
175
200
225
—
—
125
150
175
200
225
250
275
25
75
100
32
75
100
125
150
175
200
225
250
275
40
75
100
125
150
175
200
225
250
275
44
75
100
125
150
175
200
225
250
275
50
75
100
125
150
175
200
225
250
275
60
75
100
125
150
175
200
225
250
275
75
75
100
125
150
175
200
225
250
275
100
—
100
125
150
175
200
225
250
275
125
—
—
125
150
175
200
225
250
—
150
—
—
—
150
175
200
225
250
—
175
—
—
—
—
175
200
225
250
—
200
—
—
—
—
—
200
225
250
—
—
—
—
—
—
—
250
—
250
Приложение 3
Плотность древесины и фанеры
Породы древесины
Хвойные
Лиственница
Сосна, ель, кедр, пихта
Плотность древесины, кг/м3,
в конструкциях при влажности, %
до 20
более 20
650
500
800
600
285
Окончание прил. 3
Плотность древесины, кг/м3,
в конструкциях при влажности, %
более 20
до 20
Породы древесины
Твердые лиственные
Дуб, береза, бук, ясень, клен, граб,
акация, вяз, ильм
700
800
500
600
М ягкие лиственные
Осина, тополь, ольха, липа
Примечания: 1. Плотность свежесрубленной древесины хвойных и мягких ли­
ственных пород следует принимать равной 850 кг/м3, твердых лиственных по­
род — 1000 кг/м3. 2. Плотность клееной древесины следует принимать как некле­
еной. 3. Плотность обычной фанеры принимают равной плотности древесины
шпонов, а бакелизированной — 1000 кг/м3.
Приложение 4
Физико-механические свойства основных
конструкционных пластмасс
Стеклопластики
Показатель
полиэфирный листовой
АГ-4С
1400— 1500
1700-1900
6 0 -1 1 0
100-200
1 3 0 -1 6 0
500
250
6000-10000
18 500
Светопропускание, %
До 85
0
Водопоглощение, %
0 ,3 - 1
0,2
Содержание стекло­
волокна, %
2 0 -2 9
70
Рубленый
Стеклонити
Полиэфирный
Фенолформальдегидный
Плотность, кг/м3
Временное сопротив­
ление, МПа, при:
растяжении
сжатии
изгибе
Модуль упругости
(кратковременный),
МПа
Стекловолокно
Связующее
Показатель
Плотность, кг/м3
286
Пенопласты
ПСБт
ПС-4
ПХВ-1
ФРП-1
ПУ-101
4 0 -5 0 6 0 -7 0
40
100
100
50
Окончание прил. 4
Пенопласты
Показатель
Временное сопро­
тивление, МПа,
при:
растяжении
сжатии
сдвиге
ПСБт
ПС-4
ПХВ-1
ФРП-1
ПУ-101
1 ,9 -3 3
0 ,8 -1 ,1
0 ,6 -0 ,7
0,42
0,52
0,22
1,0
0,2
0,38
0,29
0,16
0,44
0,45
0,65
0,65
0,28
0,37
Модуль упругости
(кратковременный),
МПа
20,8
33,0
24,0 60,0-100,0
15
Модуль сдвига
(кратковременный),
МПа
5,0
11,5
22,0
1 8,0-20,0
11
Теплостойкость, °С
60
60
65
60
130
Показатель
120-1 7 0
Оргстекло
Винипласт
Плотность, кг/м3
1180
1400
Временное сопротивление,
МПа, при:
растяжении
сжатии
изгибе
55
80
110
550
750
850
Модуль упругости
(кратковременный), МПа
2800
28000
До 92
До 80
Светопропускание, %
Водопоглощение, %
0,3
—
Теплостойкость, °С
60
60
Приложение 5
Расчетные сопротивления R древесины сосны и ели
Напряженное состояние и
характеристика элементов
Расчетные сопротивления,
МПа,
для древесины сортов
Обозначение
2
3
1
1. Изгиб, сжатие и смятие вдоль
волокон:
а) элементы прямоугольного
Ли, Rc> Дсм
сечения (за исключением ука­
занных в подпунктах «б», «в»)
высотой до 60 см
14
13
8,5
287
Окончание прил. 5
Напряженное состояние и
характеристика элементов
Расчетные сопротивления,
Обозначение МПа, для древесины сортов
1
2
3
*и, Лс, Лем
15
14
10
Л„, Дс> Лем
16
15
и
Л^ До Лсм
—
16
10
Лр
Лр
Д:90, Д:м90
10
12
7
9
—
—
—
1,8
—
Лсм90
—
3
—
Лсм90
—
4
—
Лек
1,8
1,6
1,6
Лек
1,6
1,5
1,5
^ск
2,4
2,1
2,1
Лек
—
2,1
—
6. Скалывание поперек
волокон:
а) в соединениях неклееных
элементов
б) в соединениях клееных
элементов
Лск90
1
0,8
0,6
Лск90
0,7
0,7
0,6
7. Растяжение поперек волокон
элементов из клееной древесины
Лр90
0,35
0,3
0,25
б) элементы прямоугольного
сечения шириной свыше 11 до
13 см при высоте сечения более
11 см
в) элементы прямоугольного
сечения шириной свыше 13 см
при высоте сечения более 13 см
г) элементы из круглых лесо­
материалов без врезок в расчет­
ном сечении
2. Растяжение вдоль волокон:
а) неклееные элементы
б) клееные элементы
3. Сжатие и смятие по всей
площади поперек волокон
4. Смятие поперек волокон
местное:
а) в опорных частях конструк­
ций, лобовых врубках и узловых
примыканиях элементов
б) под шайбами при углах
смятия 90—60°
5. Скалывание вдоль волокон:
а) при изгибе неклееных
элементов
б) при изгибе клееных
элементов
в) в лобовых врубках для мак­
симального напряжения
г) местное в клеевых соедине­
ниях для максимального на­
пряжения
288
Приложение 6
КОЭФФИЦИЕНТЫ УСЛОВИЙ РАБОТЫ К РАСЧЕТНЫМ
СОПРОТИВЛЕНИЯМ ДРЕВЕСИНЫ
Коэффициент учета ветровой и временной нагрузки т н:
для всех видов напряженного состояния,
кроме смятия поперек волокон..................................................... 1,2
для смятия поперек волокон...........................................................1,4
Коэффициент учета высоты сечения тб
Высота сечения, см
50
и менее
60
70
80
100
120
и более
1
0,96
0,93
0,90
0,85
0,8
Коэффициент т6
Коэффициент учета влажности среды т ь:
при влажности в помещениях более 75 %
на открытом воздухе.....................................
при постоянном увлажнении и в воде.....
..0,9
0,85
0,75
Коэффициент учета выгиба доски т п толщиной а
при радиусе выгиба г
Коэффициент тт при отношении г/а
Напряженное состояние
150
200
Сжатие R. и изгиб R„
0,8
Растяжение Rp
0,6
250
500 и более
0,9
1
1
0,7
0,8
1
Коэффициент толщины слоев клеедеревянных элементов
Толщина слоя, мм
19 и менее
26
33
42
1,1
1,05
1
0,95
Коэффициент тсл
Коэффициенты породы древесины
Коэффициент т„ для расчетных сопротивлений
Древесные породы
растяжению Rp,
сжатию Rcад
скалыва­
изгибу R сжатию
и смятию поперек
нию RCK
Rc и смятию ДсМ
ВОЛОКОН
90
вдоль волокон
Хвойные
Лиственница, кроме евро­
пейской и японской
Кедр сибирский, кроме
Красноярского края
Кедр Красноярского края,
сосна веймутова
Пихта
1,2
1,2
1
0,9
0,9
0,9
0,65
0,65
0,65
0,8 •
0,8
0,8
289
Окончание прил. 6
Коэффициент тп для расчетных сопротивлений
Древесные породы
растяжению Лр,
сжатию Д;90
скалыва­
изгибу R сжатию
и смятию поперек нию R^K
Rc и смятию RcU
ВОЛОКОН Rcu<)0
вдоль волокон
Твердые лиственные
Дуб
Ясень, клен, граб
Акация
Береза, бук
Вяз, ильм
2
2
1,3
1,3
1,5
1,1
1
2,2
1,6
1,6
1,3
1,6
1,8
1,3
1
0,8
1
0,8
М ягкие лиственные
Ольха, липа, осина, тополь
Приложение 7
Расчетное сопротивление
строительной фанеры
Расчетное сопротивление, МПа
Вид фанеры
1. Фанера клееная березо­
вая марки ФСФ сортов
В/ВВ, В/С, ВВ/С:
а) семислойная толщиной
8 мм и более:
вдоль волокон наружных
слоев
поперек волокон на­
ружных слоев
под углом 45 е к волокнам
б) пятислойная толщиной
5 —7 мм:
вдоль волокон наружных
слоев
поперек волокон на­
ружных слоев
под углом 45° к волокнам
290
растяже­
нию в
плоско­
сти листа
^Ф.р
сжатию изгибу скалы­
в плос­ из плос­ ванию
кости кости в плоско­
листа листа сти листа
^фск
Дм
срезу пер­
пендику­
лярно
плоскости
листа Лф.ср
14
12
16
0,8
6
9
8,5
6,5
0,8
6
4,5
7
__
0,8
9
14
13
18
0,8
5
6
7
3
0,8
6
4
6
0,8
9
—
Окончание прил. 7
Расчетное сопротивление, МПа
Вид фанеры
2. Фанера клееная из дре­
весины лиственницы марки
ФСФ сортов В/ВВ и ВВ/С
семислойная толщиной
8 мм и более:
вдоль волокон наруж­
ных слоев
поперек волокон наруж­
ных слоев
под углом 45е к волокнам
3. Фанера бакелизированная марки ФБС толщиной
7 мм и более:
вдоль волокон наруж­
ных слоев
поперек волокон наруж­
ных слоев
под углом 45е к волокнам
растяже­
нию в
плоско­
сти листа
^Фр
сжатию изгибу скалы­ срезу пер­
в плос­ из плос­ ванию пендику­
кости кости в плоско­ лярно
листа листа сти листа плоскости
листа R^ cр
Д |) .С
Д ф .и
^ t> .C K
9
17
18
0,6
5
7,5
13
И
0,5
5
3
5
—
0,7
7,5
32
8
33
1,8
11
24
23
25
1,8
12
16,5
21
—
1,8
16
Модуль упругости £ф, модуль сдвига
и коэффициенты Пуассона цф
строительной фанеры в плоскости листа
Вид фанеры
Фанера клееная березовая марок ФСФ
и Ф К сорта В/ВВ:
а) семислойная толщиной
8 мм и более:
вдоль волокон наружных слоев
поперек волокон наружных слоев
б) пятислойная толщиной 5 —7 мм:
вдоль волокон наружных слоев
поперек волокон наружных слоев
Фанера бакелизированная марок ФБС
и ФБСВ толщиной 7 мм и более:
вдоль волокон наружных слоев.
поперек волокон наружных слоев
^Ф» МПа
<7Ф, МПа
Мф
8500
7000
750
750
0,07
0,06
9500
6000
750
750
0,07
0,06
15 000
11000
1400
1400
0,075
0,06
291
Приложение 8
Расчетные сопротивления основных конструкционных пластмасс, МПа
Наименование материала
Вид напряженного состояния
растяжение R^ изгиб R„ сжатие R; срез (сдвиг) Rcр
Стеклопластик поли­
эфирный листовой
15
15
15
9
Стеклопластик АГ-4
220
110
90
—
Стекло органическое
15
25
20
14
Винипласт листовой ВН
14
20
14
8,5
0,04
0,06
_
0,04
0,06
_
ПС-4 при плотности
40 кг/м3
0,08
—
0,05
0,045
Поливинилхлоридный
пенопласт ПХВ-1
при плотности 100 кг/м3
0,03
0,15
0,14
Фенолформальдегидный
пенопласт марок ФРП-1,
ФП-1 при плотности
60 кг/м3
0,02
0,03
0,02
Полистирольный
пенопласт:
ПСБт при плотности,
кг/м3:
40
60
Модули упругости Е, модули сдвига G, коэффициенты Пуассона ц
и коэффициенты линейного расширения а конструкционных пластмасс
Характеристики
Наименование материала
Е, МПа G, МПа
И
0,4
а-106, град-1
Стеклопластик полиэфирный
листовой
3000
Стеклопластик АГ-4С
15 000
—
0,13
10
Стекло органическое
1400
—
—
—
Винипласт листовой
1600
—
—
—
Полистирольный пенопласт марок:
ПСБт при плотности, кг/м3:
40
60
5
8,5
2
2
—
—
—
—
ПС при плотности 40 кг/м 3
4
4
—
—
292
—
25
Окончание прил. 8
Характеристики
Наименование материала
£, МПа G, МПа
Поливинилхлоридный пенопласт
ПХВ-1 при плотности 100 кг/м3
20
11
Фенолформальдегидный пенопласт
марок ФРП-1 и ФЛ-17 при плотно­
сти 60 кг/м3
4
3
и
—
а-106, град-1
—
Приложение 9
Коэффициенты условий работы mt конструкционных пластмасс
при повышенной температуре
Значения т, при температуре, °С
Наименование материала
Стеклопластик полиэфирный
листовой (плоский и волни­
стый) при:
растяжении и сжатии
изгибе
40
60
к расчетно­ к модулям к расчетно­ к модулям
му сопро­ упругости му сопро­ упругости
тивлению и сдвига тивлению и сдвига
0,60
0,40
0,60
0,40
—
—
—
—
Стекло органическое
0,70
0,75
0,40
0,60
Винипласт листовой марок
ВНиВП
0,50
0,55
0,30
0,45
Полистирольный пенопласт
марок ПСБ, ПСБ-С, ПСБт,
ПСБ-Ст, ПС-4
0,80
0,80
0,60
0,50
Поливинилхлоридный
пенопласт марки ПХВ-1
0,80
0,80
0,50
0,40
Фенолформальдегидные
пенопласты марок ФРП-1,
ФП-1
0,85
0,85
0,70
0,70
КАСТ, СВАМ, АГ-4С
0,85
0,85
0,65
0,65
Коэффициенты условий работы m w конструкционных пластмасс при
повышенной влажности воздуха около 90 %:
Стеклопластик полиэфирны й...................................................... 0,75
О ргстекло...........................................................................................0,95
293
Приложение 10
Рекомендуемый сортамент стальных болтов и тяжей
по стержню
по нарезке
по стержню
по нарезке
Размеры шайб
стяжных
болтов, мм
12
9,7
1,13
0,74
45x45x4
16
13,4
2,01
1,41
55x55x4
20
16,7
3,14
2,18
70x70x5
24
20,1
4,52
3,16
90x90x7
27
23,1
5,72
4,18
100x100x8
30
25,4
7,06
5,06
—
36
30,8
10,17
7,44
Диаметр, мм
Площадь сечения, см2
Рекомендуемый сортамент гвоздей
Диаметр, мм
Длина, мм
3
3,5
4
5
6
70, 80
90
100, 120
150
150, 200
Рекомендуемый сортамент шурупов с потайной и полукруглой
головками
Диаметр, мм
Длина, мм
2
7, 10, 13
3
10, 13, 16, 20, 25, 30
4
13, 16, 20—60
5
13, 16, 2 0 - 7 0
»
»
6
2 0 -1 0 0
»
»
8
5 0 -1 0 0
»
»
10
80, 90, 100
градация через 5 мм
Приложение 11
Расчетные сопротивления клеевых соединений
Расчетные сопротивления, МПа
Соединяемые материалы
Алюминий—алюми­
ний
294
Марка клея
ЭПЦ-1
К -153
К -139
К -147
при сдвиге
4,5
4,0
1,9
1,5
при равномерном
отрыве Др
6,5
8,0
2,7
2,8
Окончание прил . 11
Расчетные сопротивления, МПа
Соединяемые материалы
Марка клея
при сдвиге /?ср
при равномерном
отрыве Rp
Алюминий—стекло­
пластик (полиэфир­
ный)
ЭПЦ-1
2,0
3,6
Асбестоцемент—ас­
бестоцемент
ЭПЦ-1, К-153,
ДТ-1
2,5
0,5
Стеклопласта к —стек­ ПН-1
лопластик (поли­
эфирный)
2,0
3,6
Стеклопласта к —дре­ ПН-1, КБ-3
весина сосны вдоль
волокон
2,0
Пенопласт—ал юминий: пенопласта
ПС-4, ПХВ-1
0,04
88-Н, 88-НП,
К-153, К -147
0,04
Приложение 12
Условия эксплуатации конструкций
Температурно­
Характеристика условий
влажностные
эксплуатации
условия
конструкций
эксплуатации
А1
А2
АЗ
Б1
Б2
БЗ
Внутри отапливаемых
помещений при темпе­
ратуре до 35 °С, отно­
сительной влажности
воздуха, %:
до 60
свыше 60 до 75
свыше 75 до 95
Внутри неотаплива­
емых помещений:
в сухой зоне
в нормальной зоне
в сухой и нормаль­
ной зонах с постоян­
ной влажностью
в помещении более
75 % и во влажной
зоне
Максимальная влажность древесины
для конструкций, %
из клееной
древесины
из неклееной
древесины
9
12
15
20
20
20
9
12
15
20
20
25
295
Окончание прил. 12
Температурно­ Характеристика условий
влажностные
эксплуатации
условия
конструкций
эксплуатации
В1
В2
ВЗ
Г1
Г2
ГЗ
Максимальная влажность древесины
для конструкций, %
из неклееной
из клееной
древесины
древесины
На открытом воздухе:
в сухой зоне
в нормальной зоне
во влажной зоне
В частях зданий и со­
оружений:
соприкасающихся
с грунтом или нахо­
дящихся в грунте
постоянно увлажня­
емых
находящихся в воде
20
25
25
9
12
15
25
Не ограничи­
вается
То же
—
Примечания: 1. Применение клееных деревянных конструкций в условиях эк­
сплуатации А1 при относительной влажности воздуха ниже 45 % не допускается.
2. В неклееных конструкциях, эксплуатируемых в условиях В2, ВЗ, когда усушка
древесины не вызывает расстройства или увеличения податливости соединений,
допускается применять древесину с влажностью до 40 % при условии ее защиты
от гниения.
Приложение 13
Элементы деревянных конструкций
Элементы конструкций
Предельная гибкость Л™*
Сжатые пояса, опорные раскосы и опор­
ные стойки ферм, колонны
120
Прочие сжатые элементы ферм и других
сквозных конструкций
150
Сжатые элементы связей
200
Растянутые пояса ферм в вертикальной
плоскости
150
Прочие растянутые элементы ферм и дру­
гих сквозных конструкций
200
Д ля опор воздушных линий электропередачи
Основные элементы (стойки, приставки,
опорные раскосы)
150
Прочие элементы
175
Связи
200
296
Приложение 14
Прогибы деревянных элементов
Элементы конструкций
Балки междуэтажных перекрытий
Балки чердачных перекрытий
Покрытия (кроме ендов):
прогоны, стропильные ноги
балки консольные
фермы, клееные балки (кроме консольных)
плиты
обрешетки, настилы
Несущие элементы ендов
Панели и элементы фахверка
Предельные прогибы
в долях пролета, не более
1/250
1/200
1/200
1/150
1/300
1/250
1/150
1/400
1/250
Деформации деревянных соединений
Вид соединения
На лобовых врубках и торец в торец
На нагелях всех видов
В примыканиях поперек волокон
В клеевых соединениях
Деформация
соединения, мм
1,5
2
3
0
Приложение 15
Нагельные соединения деревянных конструкций
Схемы
соединений
Напряженное состояние
соединения
Расчетная несущая способ­
ность Т на один шов сплачивания
(условный срез), кН
гвоздя, стального,
дубового
алюминиевого,
нагеля
стеклопластикового
нагеля
1. Симмет­ Смятие в средних элементах
ричные со­ Смятие в крайних элементах
единения
0,5а/
0,8ad
0,3 cd
0,5 ad
2. Несим­
метричные
соеди­
нения
0,35 cd
0,2 cd
0,25а/
0,14cd
Смятие во всех элементах рав­
ной толщины, а также в бо­
лее толстых элементах одно­
срезных соединений
Смятие в более толстых
средних элементах двухсрез­
ных соединений при а < 0,5с
297
Окончание прил. 15
Схемы
соединений
Напряженное состояние
соединения
Расчетная несущая способ­
ность Т на один шов сплачивания
(условный срез), кН
гвоздя, стального,
алюминиевого,
стеклопластикового
нагеля
дубового
нагеля
0,&и/
0,5 ad
k Had
k Had
2. Несим­
метричные
соеди­
нения
Смятие в более тонких край­
них элементах при а < 0,35с
Смятие в более тонких
элементах односрезных
соединений и в крайних
элементах при с > а < 0,35с
3. Симмет­
ричные
и несим­
метричные
соедине­
ния
2,5d2 + 0,01а2,
но не более 4d2
\,8d2 + 0,02а2,
Изгиб нагеля из стали
но не более 2,5 d 2
С38/23
1,6</2 + 0,02а2,
Изгиб нагеля из алюминиево­
но не более 2,2 d2
го сплаваД16-Т
Изгиб нагеля из стеклоплас­
\,45d2 + 0,02а2,
тика АГ-4С
но не более 1,8 d2
0,8 d2 + 0,02а2,
Изгиб нагеля из древесно­
слоистого пластика ДСПБ
но не более d2
Изгиб дубового нагеля
0,45 d 2 +
+ 0,02а2,
но не бо­
лее 0,65^2
Изгиб гвоздя
Примечание, a, d, с — в см.
Приложение 16
Коэффициент учета угла смятия
Коэффициент ка
Угол, град
298
для стальных, алюминиевых и стеклопластиковых
нагелей диаметром, мм
12
16
20
24
для дубовых
нагелей
30
0,95
0,9
0,9
0,9
1
60
0,75
0,7
0,65
0,6
0,8
90
0,7
0,6
0,55
0,5
0,7
Приложение 17
Геометрические характеристики поперечных сечений волнистых листов
стеклопластика (на одну волну)
Л,/Л„ мм
5, мм
/„ см4
200/54
1,5
2,0
2,5
11,83
15,80
19,73
4,27
5,65
7,00
3,70
4,95
6,18
167/50
1,5
2,0
2,5
8,60
11,44
14,32
3,34
4,41
5,46
3,17
4,22
5,28
125/35
1,5
2,0
2,5
3,13
4,17
5,22
1,71
2,26
2,78
2,32
3,10
3,88
115/28
1,5
2,0
2,5
1,82
2,42
3,03
1,23
1,61
1,99
2,08
2,78
3,48
90/30
1,5
2,0
2,5
1,69
2,25
2,81
1,07
1,41
1,73
1,74
2,32
2,90
78/18
1,5
2,0
2,5
0,51
0,68
0,85
0,52
0,68
0,83
1,41
1,88
2,35
А„ см2
W,, см3
Приложение 18
Нормативные и расчетные сопротивления тканей и пленок
Наименование и марка
ткани (пленки)
Производственные
характеристики
толщи­ ширина, плотность,
кг/м3
на, мм
см
Норма­
Расчет­
ное
тивное
сопротив­ сопроти­
ление,
вление,
Н/см
Н/см
Прорезиненные ткани
Однослойная
капроновая № 24
То же, № 60
Двухслойная
капроновая № 19
То же, № 23-М
»
№ 109-Ф
Трехслойная
капроновая № 110-Ф
0,9
8 0 -9 5
1,2
360/260
85/55
0,6
0,8
90
90
0,45
0,65
400/380
800/500
95/80
190/110
0,7
1,2
1,8
8 5 -9 0
90
90
800/700 190/150
0,56-0,69
1500/860 360/180
0,7
2300/1190 550/250
1,2
299
Окончание прил. 18
Производственные
характеристики
Наименование и марка
ткани (пленки)
толщи­ ширина,
на, мм
см
Пленки
Однослойный капро­
новый пленочно-тка­
невый материал
артикул 56134
Тож е, артикул 56136
Армированная
полиамидная пленка
по капроновой сетке
_
_
0,7
100
плотность,
кг/м3
Норма­
Расчет­
ное
тивное
сопротив­ сопроти­
вление,
ление,
Н/см
Н/см
_
550/250
130/55
0,09
750/570
390/280
180/120
95/60
Примечание. В числителе — основа, в знаменателе — уток.
Приложение 19
Степень ответственности зданий и сооружений при проектировании
конструкций
Класс
ответственно­
сти
Назначение зданий и сооружений
Коэффициент
надежности уп
I
Основные здания и сооружения объектов,
имеющих особо важное хозяйственное или
социальное значение; главные корпуса ТЭС,
АЗС, вытяжные трубы высотой более 200 м,
телевизионные башни; крытые спортивные
сооружения, здания театров, кинотеатров,
цирков, рынков; учебные заведения, боль­
ницы; музеи и т.д.
1,0
11
Объекты промышленного, сельскохозяй­
ственного и жилищно-гражданского на­
значения, не вошедшие в I и III классы,
имеющие важное значение
0,95
III
Здания и сооружения объектов, имеющих
ограниченное хозяйственное или социаль­
ное значение: склады удобрений, химика­
тов, угля и др.; теплицы, парники; одно­
этажные жилые дома, опоры связей, опо­
ры освещения и т. п.
0,9
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Конструкции из дерева и пластмасс / Ю. В.Слицкоухов; Под ред.
Г. Г. Карлсена, Ю. В. Слицкоухова. — М.: Стройиздат, 1986.
Пособие по проектированию деревянных конструкций (к СНиП
II-25 —80) / Ц Н И И С К им. В. А. Кучеренко. — М.: Стройиздат, 1986.
Прокофьев Л. С. Конструкции из дерева и пластмасс: Общий курс. —
М.: Стройиздат, 1996.
СНиП 2.01.07 — 85*. Нагрузки и воздействия. — М.: Стройиздат, 1986.
СНиП 11.25 —80. Деревянные конструкции. Нормы проектирования. —
М.: Стройиздат, 1982.
СНиП 11.23 —81*. Стальные конструкции. Нормы проектирования. —
М.: Стройиздат, 1988.
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие............................................ ............................................................. 3
Введение.................................................................................................................4
Вопросы для самопроверки......................................................................13
Глава 1. КОНСТРУКЦИОННЫЕ ДРЕВЕСИНА И ПЛАСТМАССЫ .... 14
1.1. Конструкционная древесина.............................................................14
1.2. Конструкционные пластмассы..........................................................31
Вопросы для самопроверки......................................................................39
Глава 2. ДЕРЕВЯННЫЕ ЭЛ ЕМ ЕН ТЫ ........................................................ 40
2.1. Расчеты по предельным состояниям.............................................. 40
2.2. Расчет деревянных элементов...........................................................47
Вопросы для самопроверки......................................................................65
Глава 3. СОЕДИНЕНИЯ ДЕРЕВЯННЫХ И ПЛАСТМАССОВЫХ
К О Н С ТРУ К Ц И Й ...............................................................................66
3.1. Соединения деревянных конструкций........................................... 66
3.2. Соединения пластмассовых конструкций......................................88
Вопросы для самопроверки......................................................................94
Глава 4. ДЕРЕВЯННЫЕ И ПЛАСТМАССОВЫЕ НАСТИЛЫ .............. 95
4.1. Деревянные настилы........................................................................... 95
4.2. Пластмассовые настилы ...................................................................107
Вопросы для самопроверки................................................................... 118
Глава 5. ДЕРЕВЯННЫЕ БАЛКИ И СТО Й КИ .........................................119
5.1. Деревянные балки..............................................................................119
5.2. Деревянные стойки........................................................................... 139
Вопросы для самопроверки....................................................................152
Глава 6. ДЕРЕВЯННЫЕ А Р К И ....................................................................153
6.1. Конструкции ар о к ..............................................................................153
6.2. Расчет деревянных ар о к....................................................................162
Вопросы для самопроверки....................................................................183
Глава 7. ДЕРЕВЯННЫЕ РА М Ы ...................................................................184
7.1. Конструкции деревянных р ам .........................................................184
7.2. Расчет деревянных р а м .....................................................................192
Вопросы для самопроверки....................................................................203
Глава 8. ДЕРЕВЯННЫЕ Ф Е РМ Ы ............................................................... 204
302
8.1. Конструкции деревянных ф ер м ..................................................... 204
8.2. Расчет деревянных ферм...................................................................213
Вопросы для самопроверки....................................................................223
Глава 9. ПРОСТРАНСТВЕННЫЕ И СПЕЦИАЛЬНЫЕ
КОНСТРУКЦИИ ИЗ ДЕРЕВА И ПЛАСТМАСС.................... 224
9.1. Пространственные конструкции.................................................... 224
9.2. Специальные деревянные конструкции....................................... 230
9.3. Пневматические и тентовые строительные конструкции........241
Вопросы для самопроверки....................................................................257
Глава 10. ИЗГОТОВЛЕНИЕ И ЭКСПЛУАТАЦИЯ
КОНСТРУКЦИЙ ИЗ ДЕРЕВА И ПЛАСТМ АСС..................258
10.1. Изготовление конструкций из дерева и пластмасс.................258
10.2. Эксплуатация деревянных конструкций.....................................273
Вопросы для самопроверки....................................................................283
Приложения........................................................................................................ 284
Список литературы...........................................................................................301
Учебное издание
Зубарев Георгий Николаевич,
Бойтемиров Фарид Азисович,
Головина Валерия Михайловна,
Ковликов Владимир Иванович,
Улицкая Элла Моисеевна
Конструкции из дерева и пластмасс
Учебное пособие
Редактор Т. Ф. Мельникова
Технические редакторы О. С. Александрова, Е.Ф.Корж уева
Компьютерная верстка: Ю Л. Козлов
Корректоры Г. Н. Петрова, В. А. Ж илкина
Изд. № 104105601. Подписано в печать 26.06.2006. Формат 60 х 90/16.
Гарнитура «Таймс». Бумага тип. № 2. Печать офсетная. Уел. печ. л. 19,0.
Тираж 1500 экз. Заказ № 17452.
Издательский центр «Академия», www.academia-moscow.ru
Санитарно-эпидемиологическое заключение № 77.99.02.953.Д.004796.07.04 от 20.07.2004.
117342, Москва, ул. Бутлерова, 17-Б, к. 360. Тел./факс: (495)330-1092, 334-8337.
Отпечатано в ОАО «Саратовский полиграфический комбинат».
410004, г. Саратов, ул. Чернышевского, 59.
