Дерево и Пластмассы_ПГС


КОНСТРУКЦИИ ИЗ ДЕРЕВА И ПЛАСТМАСС
1. Породы древесины и виды пластмасс, применяемые для изготовления строительных конструкций, их физико – механические свойства.
Леса занимают более 40% территории России. Основные лесные массивы находятся к востоку от Урала. Запасы наиболее ценной для строительства древесины хвойных пород составляют около 50 млрд. м3, из них на долю лиственницы приходится 30%; сосны -20%; ели и пихты - 16%. Из лиственных пород важнейшее значение имеет береза - ценное сырье для производства фанеры (запасы около 8 млрд. м3).
Древесина хвойных пород используется для изготовления несущих конструкций; твердые лиственные породы - для изготовления мелких ответственных деталей; береза -для изготовления фанеры; древесина других лиственных пород используются при устройстве опалубки, лесов, подмостей, а также во временных зданиях и сооружениях. Основными хвойными породами для изготовления несущих и ограждающих деревянных конструкций являются сосна и ель.
Древесина, как и другие строительные материалы, имеет свои достоинства и недостатки.
Достоинства:
наличие широкой, постоянно возобновляемой сырьевой базы;
относительно малая плотность;
-высокая удельная прочность - отношение предела прочности при растяжении вдоль волокон к плотности: 100/500 = 0,2 (примерно равная стали);
-стойкость к солевой агрессии, к воздействию других химически агрессивных сред;
биологическая совместимость с человеком и животными - в зданиях из древесины наилучший микроклимат;
высокие эстетические и акустические свойства - лучшие концертные залы страны облицованы древесиной;
малый коэффициент теплопроводности поперек волокон - стена из бруса шириной 200 мм эквивалентна по теплопроводности кирпичной стене шириной 640 мм;
малый коэффициент линейного расширения вдоль волокон - в деревянных зданиях нет необходимости устраивать температурные швы и подвижные опоры;
меньшая трудоемкость механической обработки, возможность создания гнутоклееных конструкций.
Недостатки:
анизотропия строения древесины;
подверженность загниванию и поражению жуками-древоточцами;
сгораемость в условиях пожара;
изменение физико-механических характеристик под воздействием различных факторов (влаги, температуры);
усушка, разбухание, коробление и растрескивание под влиянием атмосферных воздействий;
наличие пороков (сучки, косослой и других), существенно снижающих качество изделий и конструкций;
-ограниченность сортамента лесоматериалов.
Задача инженеров состоит в том, чтобы максимально использовать положительные качества древесины, уменьшить влияние ее отрицательных свойств, обеспечить экономически эффективное применение деревянных конструкций в конкретных условиях строительства и эксплуатации.
Многие природные недостатки древесины можно устранить или существенно ограничить их влияние на качество деревянных конструкций. Так, применение КДК снимает проблему ограниченного сортамента лесоматериалов, использование листовых материалов на основе древесины (фанеры, ДВП, ДСП и др.) снижает влияние анизотропии строения древесины. С помощью конструктивных и химических мер защиты уменьшается опасность загнивания и возгорания деревянных конструкций.
Физические свойства древесины
Основные физические свойства древесины, имеющие большое значение в строительстве.
Плотность. Зависит от породы и влажности и составляет (кг/м3): для свеже-срубленной древесины - 1000; для высушенной до стандартной влажности 12% древесины сосны и ели - 500; для лиственницы - 650; для березы - 700.
Теплопроводность. Благодаря трубчатому строению древесина плохо проводит тепло. Теплопроводность вдоль волокон больше, чем поперек волокон. Малая теплопроводность поперек волокон 0,12 Вт/(м °С) позволяет использовать древесину в ограждающих конструкциях.
Температурное расширение. Изменение размеров древесины при нагревании характеризуется коэффициентом линейного расширения α. Вдоль волокон древесины этот коэффициент равен 4∙10-6 ; поперек волокон - 11∙10-6 (1/ °С). Ввиду незначительной величины этих коэффициентов, они не учитываются при проектировании конструкций.
Цвет - важная характеристика внешнего вида древесины, учитываемая при выборе породы для отделки помещений, изготовлении мебели. Основное вещество в древесине - целлюлоза - имеет практически белый цвет. Все многообразие цветовых оттенков придают древесине красящие, дубильные вещества и смолы.
Текстурой называется рисунок, образуемый на поверхности образцов при перерезывании анатомических элементов древесины, чем сложнее строение древесины, тем богаче ее текстура. Красивую замысловатую текстуру имеют: карельская береза, бук, платан (на радиальном разрезе), орех, дуб (на тангенциальном разрезе).
Механические свойства древесины
Механические свойства древесины характеризуются: прочностью - способностью сопротивляться разрушению от механических воздействий; жесткостью - способностью сопротивляться изменению размеров и формы; твердостью - способностью сопротивляться проникновению другого твердого тела; ударной вязкостью - способностью поглощать работу при ударе. Механические свойства древесины зависят от многих факторов.
1. Влияние длительности действия нагрузки
Работы по исследованию влияния продолжительности действия нагрузки на прочность древесины были проведены проф. Ф. П. Белянкиным в 1931 - 1934 гг. Было установлено, что древесина обладает свойством ползучести, т. е. под воздействием приложенной постоянной нагрузки в древесине наблюдается рост деформаций, который со временем прекращается (затухает), если нагрузка не превышает определенного предела. В этом случае, после снятии нагрузки часть деформаций (упругие) исчезает сразу, другая часть (эластичные) - постепенно, а остаточные деформации остаются. Если же нагрузка превысила определенный предел, то деформации в деревянном элементе возрастают до разрушения образца. Пределом длительного сопротивления древесины называется максимальное напряжение, не вызывающее разрушение деревянного образца при любой продолжительности действия приложенной нагрузки. Изменения предела прочности древесины во времени наглядно иллюстрируется кривой длительного сопротивления (рис. 2.3,6).
2. Влияние угла между усилием и направлением волокон древесины
Древесина обладает ярко выраженной анизотропией строения: при изменении угла между направлением действующего усилия и направлением волокон древесины от 0 до 900 расчетное сопротивление древесины на сжатие и смятие по всей поверхности уменьшается примерно в 7 раз, например для 2-го сорта, с 13 до 1,8 МПа (рис. 2.3,а).
3. Влияние влажности
Влажностью древесины называется отношение массы влаги, содержащейся в данном объеме древесины, к массе абсолютно сухой древесины, выраженное в процентах. Влажность древесины определяется весовым способом по нижеприведенной формуле (или с помощью электровлагомера):
W=m-m0m0100%где W - влажность древесины, %;
m- масса образца влажной древесины, г;
т0- масса образца абсолютно сухой древесины, г.
В древесине различают две формы влаги: свободную (капиллярную) - заполняющую полости клеток и межклеточное пространство, и связанную {гигроскопическую) - находящуюся в клеточных оболочках.
Кроме свободной и связанной влаги, различают влагу, входящую в состав веществ, образующих древесину, химически связанную влагу. Эта влага имеет значение лишь при химической переработке древесины.
Максимальное количество связанной влаги для всех пород примерно одинаково и составляет 30% при температуре 20°С. Эта величина называется пределом гигроскопичности или точкой насыщения клеточных оболочек. Предел гигроскопичности - такое состояние древесины, при котором свободной влаги в древесине нет, а в клеточных оболочках содержится максимальное количество связанной влаги.
Зависимость прочности древесины на сжатие от влажности показана на рис. 2.3,в: увеличение влажности от 0 до 30 % приводит к снижению прочности и модуля упругости; повышение влажности выше 30 % не оказывает существенного влияния на прочность.

Влажность древесины Wf %Температура воздуха /,°С
Рис. 23. Влияние различных факторов на прочность древесины на сжатие: угла между направлением усилия и направлением волокон, б - длительности действия нагрузки, в - влажности, г - температуры

Для сопоставления результатов испытаний образцов с различной влажностью на сжатие, изгиб и скалывание вдоль волокон показатели прочности приводятся к стандартной влажности по формуле

где R12 - прочность древесины при стандартной влажности 12%;
Rw - прочность древесины в момент испытаний;
W - влажность древесины в момент испытаний;
α- поправочный коэффициент, зависящий от породы и вида напряженного состояния, например, для сосны при сжатии α = 0,04.
Формула приведения действительна только при влажности древесины от 8 до 23 %. Образцы с влажностью более 23% необходимо перед испытаниями подсушивать. Влияние влажности на прочность древесины при растяжении вдоль волокон незначительно.
Каждому сочетанию температуры и относительной влажности воздуха соответствует определенная установившаяся влажность древесины, которая называется равновесной влажностью. Зная условия, в которых будут эксплуатироваться деревянные конструкции, можно определить соответствующую равновесную влажность древесины по специальной диаграмме.
Сушкой древесины называется процесс удаления влаги из древесины путем испарения. Используются три способа сушки пиломатериалов: естественная (атмосферная), искусственная (камерная) и комбинированная (атмосферная + камерная).
Удаление свободной влаги происходит сравнительно легко, без изменения линейных размеров и объема, уменьшается только плотность древесины. При дальнейшей сушке, в результате удаления связанной влаги, изменяются линейные размеры и объем древесины. Полная линейная усушка древесины хвойных пород (от предела гигроскопичности 30% до конечной влажности 12... 15 %) в среднем составляет, %: вдоль волокон до 0,3; в радиальном направлении до 6; в тангенциальном до 12.
Сушка древесины - важнейший этап в процессе изготовления деревянных конструкций. Неравномерная сушка приводит к деформациям деревянных элементов, появлению радиальных и продольных усушечных трещин. Чем медленнее идет процесс сушки, тем меньше внутренние напряжения, возникающие за счет изменения размеров деревянного элемента, и меньше вероятность появления дефектов. Пиломатериалы для изготовления несущих КДК рекомендуется сушить в две стадии: 1) естественная сушка до влажности 25...30%, 2) камерная сушка при мягких режимах до стандартной влажности 12%.
4. Влияние температуры
На основе многочисленных испытаний установлено, что прочность древесины зависит и от температуры (рис. 2.3,г). С повышением температуры от 20 до 50°С предел прочности снижается в среднем (в %): при сжатии - на 20...30; при растяжении - на 12... 15. С повышением температуры также понижается и модуль упругости.
При отрицательных температурах предел прочности на сжатие при любой влажности несколько повышается за счет включения в работу замерзшей воды. Однако древесина при этом становится хрупкой и ее прочность на раскалывание снижается.
5.Влияние пороков древесины
Пороками древесины называются изменения внешнего вида древесины, нарушения правильности ее строения, целостности ее тканей, клеточных оболочек и другие недостатки отдельных участков древесины, снижающие ее качество и ограничивающие возможность ее использования. Основные группы пороков: сучки', трещины; пороки формы ствола; пороки строения древесины; химические окраски; грибные поражения; биологические повреждения; инородные включения, механические повреждения и пороки обработки; покоробленности.
Пороки снижают прочность древесины: в меньшей степени при работе древесины на сжатие, смятие и изгиб, и в большей степени при работе древесины на растяжение и скалывание. Существенно влияют на прочность древесины следующие группы пороков.
Сучки - части ветвей, заключенные в древесины ствола. Они нарушают однородность строения древесины, вызывают образование местных косослоев, затрудняют механическую обработку древесины. Сучки различают по виду: открытые и заросшие. Разновидности открытых сучков: по форме (круглые, овальные, продолговатые); по положению в сортименте (пластевые, кромочные, ребровые, торцовые); по взаимному расположению (разбросанные, групповые, разветвленные); по степени срастания (сросшиеся, частично сросшиеся, несросшиеся, выпадающие); по состоянию древесины сучков (здоровые, загнившие, гнилые, табачные); по выходу на поверхность (односторонние, сквозные).
Пороки формы ствола: сбежистость - изменение диаметра по длине ствола дерева более чем на 0,8 см на 1 м длины ствола; закомелистость - резкое увеличение диаметра комлевой части ствола; овальность; наросты; кривизна.
Пороки строения древесины: наклон волокон (косослой) - отклонение волокон древесины от продольной оси ствола дерева; крень (местная, сплошная) - изменение строения древесины, выражающееся в увеличении ширины поздней зоны годичных слоев; свилеватость (волнистая, путанная) - извилистое или путаное расположение волокон древесины; сердцевина; двойная сердцевина; засмолок и др.В зависимости от наличия, количества и месторасположения тех или иных пороков в древесине, пиломатериалы подразделяются на сорта.
Пластмассы
Пластмассами называют материалы, содержащие в качестве важной составной части синтетические высокомолекулярные вещества – полимеры и обладающие пластичностью на определенном этапе их производства. В зависимости от количества входящих компонентов в пластмассу, они бывают простые и сложные. Простой называется пластмасса, состоящая из одного связующего – полимера. Сложной – состоящая из полимера и других компонентов ( наполнителей)
Полимеры, являющиеся основой пластмасс, представляют собой высокомолекулярные соединения, молекулы которых состоят из многих элементарных звеньев одинаковой структуры. Эти звенья соединены между собой ковалентными связями в длинные цепи или образуют жесткие и пластичные пространственные решетки.
Технические свойства высокомолекулярных соединений зависят от строения и природы исходных мономеров и значения молекулярной массы. Чем длиннее цепи этих соединений, тем выше, например при прочих равных условиях, механическая прочность.
В строительстве наибольшее применение нашли стеклопластики и древесные пластики. Стеклопластики представляют собой пластмассы, состоящие из стеклянного наполнителя и связующего. В качестве последнего используют обычно ненасыщенные полиэфирные, эпоксидные и фенолоформальдегидные смолы, а также некоторые термопласты. Наполнители в настоящее время используются главным образом стекловолокнистые, свойствами которых во многом определяются физико-механические характеристики стеклопластиков.
Стеклянное волокно является для стеклопластика своеобразной арматурой подобно металлу в железобетоне. Смола выполняет роль связующего и в то же время защищает стеклянные волокна от влияния внешней среды и способствует равномерному распределению усилий, возникающих в них.
Пресс-материалы. Принцип получения стеклопластикового пресс-материала состоит в совмещении различными способами связующего и стекловолокнистого наполнителя, в результате чего образуется композиция, удобная для дальнейшей переработки в изделие методом прямого или литьевого прессования.
Пресс-материалы типа СВАМ. Стекловолокниетый анизотропный материал (СВАМ), являющийся одним из первых отечественных стеклопластиков, получают непосредственно при выработке первичной стеклонити, применяя связующее в качестве замасливателя.
Пресс-материалы типа АГ-4С представляют собой однонаправленную ленту, получаемую на основе крученых стеклянных нитей и анилино-фенолоформальдегидной смолы
Отечественный и зарубежный опыт показывает, что использование стеклопластиков в строительстве имеет немало технико-экономических преимуществ, благодаря которым они используются в строительстве главным образом в виде ограждающих конструкций (стеновые и кровельные панели), несущих строительных конструкций, архитектурно-строительных деталей и изделий, санитарно-технических изделий, декоративно-облицовочных материалов, арматуры и опалубки для бетонных конструкций.
В качестве ограждающих конструкций из листовых стеклопластиков наибольшее применение нашли плоские и волнистые полиэфирные стеклопластики, бесцветные или окрашенные в различные цсета. Такие материалы используются в большинстве случаев для покрытия промышленных зданий и сооружении.
Наиболее эффективными конструкциями из пластмасс являются пространственные конструкции в виде оболочек покрытия, в которых благодаря рациональной геометрической форме в значительной степени компенсируется такой недостаток пластмасс, как повышенная деформативность вследствие относительно низкого модуля упругости.
Оболочки покрытий для неотапливаемых зданий и сооружений выполняют из стеклопластика. Толщина таких оболочек исчисляется миллиметрами, поэтому в подавляющем большинстве случаев их собственный вес не превышает 20 кг на 1 м2 перекрываемой площади, что в 10—12 раз меньше, чем железобетонной оболочки при аналогичном пролете. Элементы оболочек из пластмасс в основном соединяются на болтах. Реже применяют соединения на клеях, а также в сочетании с болтами, винтами, заклепками.
Древесные пластики—это материалы, полученные соединением синтетическими смолами продуктов переработки натуральной древесины. К, ним относятся древесно-слоистые пластики, древесно-волокнистые и древесно-стружечные плиты, бумажный слоистый пластик (гетинакс) и др.
Достоинства: пластмассы обладают малой средней плотностью, при значительной прочности, большой химической стойкостью к коррозии, малой тепло и электропроводностью, хорошими тепло, звуко и гидроизоляционными свойствами. Некоторые пластмассы обладают хорошими клеящими свойствами, что позволяет их использовать в качестве клеев и замазок. Некоторые пластмассы обладают способностью образовывать тонкие пленки. Пластмассы можно отливать в формы, прессовать, штамповать в пластичном состоянии, продавливать в мундштуки машин для получения труб. При всех этих способах полученные изделия не требуют дополнительной обработки. Широкое применение пластмасс в строительстве связано не только с ее положительными свойствами, но и с недефицитностью исходного сырья (газ , торф, продукты нефтяной промышленности)
Недостатки: как все материалы органического происхождения пластмассы обладают невысокой теплостойкостью и высоким коэффициентом термического расширения. Пластмассы стареют, увеличивается жесткость, хрупкость, снижается прочность, появляется липкость, мягкость, потемнение.
2. Соединение элементов на МЗП. Конструкция соединения, применение и расчет.
Для узловых соединений дощатых элементов в последнее время нашли применение металлические зубчатые пластинки (МЗП). Наибольшее распространение в зарубежной практике строительства получили МЗП системы «Ганг-Нейл» (рис. IV.31).
МЗП представляет собой стальные пластинки толщиной 1—2 мм, на одной стороне которых после штамповки на специальных прессах получаются зубья различной формы и длины. МЗП ставят попарно по обе стороны соединяемых элементов таким образом, чтобы ряды МЗП располагались в направлении волокон присоединяемого деревянного элемента, в котором действуют наибольшие усилия.
В нашей стране применяют соединения на металлических зубчатых пластинках типа МЗП-1,2 и МЗП-2 (рис. IV.31,6). В ЦНИИСК им. В. А. Кучеренко разработаны «Рекомендации по проектированию и изготовлению дощатых конструкций с соединениями на металлических зубчатых пластинках», согласно которым такие конструкции следует применять в зданиях V степени огнестойкости без подвесного подъемно - транспортного оборудования с температурно-влажностными условиями эксплуатации Al, А2, Б1 и Б2 .
Изготовление конструкций должно производиться на специализированных предприятиях или в деревообрабатывающих цехах, оснащенных оборудованием для сборки конструкций, запрессовки МЗП и контрольных испытаний конструкций. Ручная запрессовка МЗП недопустима.
Рис. IV.31. Соединения на металлических зубчатых пластинках (МЗП)
а—металлические зубчатые пластинки (МЗП) системы «Ганг-Нейл» ; б—узел дощатой фермы на МЗП; в — МЗП-1,2; г.— МЗП-2
Несущую способность деревянных конструкций на МЗП определяют по условиям смятия древесины в гнездах и изгиба зубьев пластин, а также по условиям прочности пластин при работе на растяжение, сжатие и срез.
Материалом для изготовления конструкций-служит древесина сосны и ели шириной 100—200 мм, толщиной 40—60 мм. МЗП рекомендуется изготовлять из листовой углеродистой стали марок 08кп или 10кп толщиной 1,2 и 2 мм. Антикоррозионную защиту МЗП выполняют оцинковкой или покрытиями на основе алюминия в соответствии с рекомендациями по антикоррозионной защите стальных закладных деталей и сварных соединений сборных железобетонных и бетонных конструкций. В табл. IV.6 приведены основные расчетные характеристики соединений на металлических зубчатых пластинках типа МЗП-1,2 и МЗП-2.
Деревянные конструкции на соединениях с МЗП рассчитывают на усилия, возникающие в период эксплуатации зданий от постоянных и временных нагрузок, а также на усилия, возникающие при транспортировке и монтаже. Сквозные конструкции рассчитывают с учетом неразрезности поясов и в предположении шарнирного крепления к ним элементов решетки.
Несущая способность соединения на МЗПЛ, NС, кН, по условиям смятия древесины и изгиба зубьев при растяжении, сдвиге и сжатии, когда элементы воспринимают усилия под углом к волокнам древесины, определяют по формуле
NC = 2RFP,
где R — расчетная несущая способность на 1 см2 рабочей площади соединения; Fp—расчетная площадь поверхности МЗП на стыковом элементе, определяемая за вычетом площадей участков пластины в виде полос шириной 10 мм, примыкающих к линиям сопряжения элементов и участков пластины, которые находятся за пределами зоны рационального расположения МЗП. Последняя ограничивается линиями, параллельными линии стыка, проходящими по обе стороны от нее на расстоянии половины длины линии стыка.
Учет эксцентриситета приложения усилий к МЗП при расчете опорных узлов треугольных ферм осуществляется снижением расчетной несущей способности соединения умножением на коэффициент η, определяемый в зависимости от уклона верхнего пояса. Кроме того проверяют саму пластинку на растяжение и срез.
Несущую способность МЗП Np при растяжении находят по формуле
Np = 2bRp,
где b — размер пластины в направлении, перпендикулярном направлению усилия, см; Rp— расчетная несущая способность пластины на растяжение, кН/м,.
Несущую способность МЗП Qcp при срезе определяют по формуле
Qср =2 lсрRср
где lср — длина среза сечения пластины без учета ослаблений, см; Rср — расчетная несущая способность пластины на срез, кН/м.
При совместном действии на пластину усилий среза и растяжения должно выполнятся условие:
Np2Rpb2+Qcp2Rcplcp2≤1При проектировании конструкций на МЗП следует стремиться к унификации типоразмеров МЗП и сечений пиломатериала в одной конструкции. На обеих сторонах узлового соединения должны располагаться МЗП одного типоразмера. Площадь соединения на каждом элементе (с одной стороны от плоскости соединения) должна быть для конструкций пролетом до 12 м не менее 50 см2, а для конструкций пролетом до 18 м не менее 75 см2. Минимальное расстояние от плоскости соединения элементов должно быть не менее 60 мм. МЗП следует располагать таким образом, чтобы расстояния от боковых кромок деревянных элементов до крайних зубьев были не менее 10 мм.
3. Соединение на нагелях. Конструкция соединения, применение и расчет.
Нагелем называется длинный гибкий стержень (пластинка), который, соединяя элементы деревянных конструкций между собой, препятствует их взаимному сдвигу. Сам нагель при этом работает преимущественно на поперечный изгиб. Нагели используются в стыках растянутых элементов, в составных стержнях и балках на податливых связях, в узлах деревянных ферм. Нагельные соединения отличаются податливостью: усилия распределяются между нагелями достаточно равномерно, что способствует повышению надежности таких соединений. Простота изготовления и надежность нагельных соединений обеспечили их распространение и в современном строительстве.
Классификация нагелей:
по материалу: стальные (С 245, С 255); деревянные (из твердых пород древесины: дуба, березы); пластмассовые (из конструкционных стеклопластиков, типа АГ-4с);
по форме поперечного сечения: цилиндрические (болты, штыри, гвозди, шурупы, глухари - шурупы большого диаметра с головкой под ключ); пластинчатые (нагели Деревягина);
по способу постановки: собственно нагели, устанавливаемые в предварительно просверленные отверстия, при этом диаметр отверстия равен диаметру нагеля; нагели, завинчиваемые в предварительно просверленные отверстия, при этом dотв =0,8 dнаг (шурупы и глухари); нагели диаметром менее 6 мм (гвозди) забиваемые в древесину без предварительного сверления отверстий;
по способу приложения внешних сил и числу швов, пересекаемых одним нагелем, различают два вида нагельных соединений (рис. 4.7): симметричные (двух- и многосрезные) и несимметричные (одно-, двух- и многосрезные).
Срезом нагеля в соединениях деревянных конструкций условно называется каждое рабочее пересечение нагеля с плоскостью сдвига (по аналогии с заклепками).
При изготовлении нагельных соединений отверстия сверлятся перпендикулярно плоскости сплачивания в собранном пакете, соблюдение этого условия обеспечивает плотность соединения. Соединения на нагелях должны быть обжаты стяжными болтами, которые устанавливается в количестве 25% от общего числа нагелей, но не менее 3 болтов с каждой стороны стыка. Диаметр болтов dб принимается по расчету. Размер сторон шайбы (диаметр) принимается не менее 3,5 dб а толщина - не менее 0,25 dб.
Напряженно-деформированное состояние нагельного соединения.
Работу нагельного соединения рассмотрим на примере соединения двух сдвигаемых элементов (рис. 4.8). Под действием приложенной нагрузки элементы начинают сдвигаться и стремятся опрокинуть нагель, который, после некоторого поворота, упирается в древесину и начинает сминать древесину, вначале по краям гнезда. С увеличением нагрузки поверхность контакта нагеля с древесиной увеличивается: в древесине появляются неравномерные напряжения смятия по всей длине нагеля, а сам нагель изгибается.
Напряженно-деформированное состояние нагельного соединения характеризуется: изгибом самого нагеля; смятием древесины нагельного гнезда; скалыванием древесины между нагелями; раскалыванием древесины поперек волокон.
Практически опасность скалывания и раскалывания древесины устраняется правильной расстановкой нагелей. Минимальные расстояния между нагелями назначаются таким образом, чтобы несущая способность нагеля по скалыванию и раскалыванию древесины заведомо превышала несущую способность нагеля по прочности на изгиб самого нагеля и прочности древесины нагельного гнезда на смятие.
т—
S, Si Sj




виды нагельных соединений
б - несимметричное односрезное; г - узловые соединения
Рис. 1V.21. Расстановка нагелей а —прямая,- б —в шахматной порядке

Рис. 4.8. Схема работы нагельного соединения: а - начальное положение; б - поворот нагеля; в - деформированный нагель (Т- сдвигающее усилие; Л, h- равнодействующие сминающих напряжений)
Размещение цилиндрических нагелей в соединениях
Минимально допустимые расстояния между осями нагелей (табл. 4.1) зависят от материала нагелей, выражаются в диаметрах нагеля, обозначаются (см. рис.4.7): S1 -расстояние вдоль волокон древесины; S2 - расстояние поперек волокон древесины; S3 -расстояние поперек волокон от кромок элемента до оси нагеля.
Таблица 4.1
Минимальные допустимые расстояния между осями цилиндрических нагелей
Расстановка нагелей Обозначение Вид нагеля
стальной пластмассовый дубовый гвоздь
c> = 10d c = 4d
Вдоль волокон S1 >7d >6d >5d > 15d 25d
Поперек волокон:
-между осями нагелей
-от кромки элемента до оси нагелей S2 >3,5d >3,5d >3d >4d >4d
S3 >3d >3d > 2,5d >4d >4d
Примечание: при толщине пакета >= 10d; d - диаметр нагеля, гвоздя, см; с - толщина пробиваемого элемента, для промежуточных значений с расстояние между гвоздями определяется по интерполяции.
По ширине элемента нагели рекомендуется располагать в четное количество продольных рядов (два или четыре). Нельзя ставить нагели по оси элемента, чтобы нагели не оказались в зоне усушечных трещин. В конструкциях из круглых лесоматериалов допускается шахматное расположение нагелей в два ряда с расстояниями между осями нагелей вдоль волокон S1, поперек волокон S2 >=2,5d
Расчет нагельных соединений
Точный расчет несущей способности нагеля с учетом всего сложного комплекса взаимосвязанных напряжений смятия и изгиба довольно сложен и громоздок. Проведенные исследования позволяют упростить расчет при введении следующих допущений: предельная деформация нагельного соединения - 2 мм; нагель рассматривается как балка малой изгибной жесткости на упругопластичном основании, каковым является древесина; силы трения не учитываются ввиду возможности появления зазора между соединяемыми элементами при усушке их поперек волокон.
С учетом этих допущений несущая способность нагеля [TH] на один срез определяется по формулам табл. 4.2 исходя из трех условий: изгиба самого нагеля, смятия древесины в крайних элементах, смятия древесины в средних элементах, а в формулу (4.7) подставляется минимальное значение [Тн].
Таблица 4.2
Расчетная несущая способность [7„| цилиндрического нагеля на один шов сплачивания (условный срез) в соединении элементов из сосны и ели, кН
Напряженное состояние нагельного соединения Расчетная несущая способность нагеля [Г„], кН
стального гвоздя дубового
Смятие средних элементов в симметричных соединениях 0,5cd 0,5cd 0,3cd
Смятие крайних элементов в симметричных соединениях или более тонких элементов в несимметричных 0,8ad 0,8ad 0,5ad
Смятие более тонких или равных по толщине элементов в несимметричных соединениях 0,35cd 0,35cd 0,2cd
Смятие более толстых средних элементов в двухсрезных несимметричных соединениях 0,25cd 0,25cd 0,14cd
Изгиб нагеля в симметричных и несимметричных соединениях 1,8d2+0,02a 2, но не более 2,5 d 2 2,5d2+0,01a 2, но не более 4d2 0,45d2+0,02a2, но не более 0,65d2
Примечание: 1. Для соединений элементов из сосны и ели.
2. В таблице: с - толщина средних и более толстых элементов односрезных соединений;
а - толщина крайних и более тонких элементов односрезных соединений; d — диаметр нагеля; все размеры в сантиметрах.
3. Для других видов напряженного состояния формулы даны в табл. 17 [2].
В тех случаях, когда передаваемое нагелем усилие направлено под углом а к волокнам соединяемых элементов, [Тн] умножается на коэффициент Кα при расчете из условия смятия древесины и на Kα при расчете на изгиб самого нагеля. Кα определяется по табл. 19 СНиП [2], зависит от угла а и диаметра нагеля (уменьшается с увеличением угла и диаметра нагеля). При определении несущей способности нагеля учитываются также порода древесины и все необходимые коэффициенты условий работы: [Тн] умножается на эти коэффициенты при расчете из условия смятия древесины нагельного гнезда и умножается на корень квадратный из произведения этих коэффициентов при расчете из условия изгиба самого нагеля. Несущая способность соединения на цилиндрических нагелях из одного материала, но разных диаметров определяется как сумма несущих способностей всех нагелей, за исключением растянутых стыков, для которых несущая способность умножается на понижающий коэффициент 0,9.
Требуемое количество нагелей п в соединениях определяется по формуле
n=NTHmin∙nшгде N- расчетное усилие в соединении;
nш - число расчетных швов сплачивания (условных срезов) одного нагеля;
Для симметричных соединений количество нагелей, получаемых по этой формуле, должно устанавливаться с каждой стороны стыка.
Нагельные соединения со стальными накладками и прокладками
Нагельные соединения со стальными накладками и прокладками на болтах или глухарях применяются в тех случаях, когда обеспечена необходимая плотность постановки нагелей. Глухие стальные нагели должны иметь заглубление в древесину не менее 5d.
Нагельные соединения со стальными накладками и прокладками рассчитываются по общим правилам, приведенным выше, только при определении несущей способности нагеля из условия изгиба принимается максимальное значение его несущей способности. При необходимости стальные накладки и прокладки проверяются на растяжение по ослабленному сечению и на смятие под нагелем.
Гвоздевые соединения
Для изготовления конструкций применяются гвозди диаметром 3,5.. .6 мм, длиной 75...250 мм. Гвозди изготавливают из высокопрочной холоднотянутой проволоки (проволочные гвозди). Ранее применялись кованые гвозди. В настоящее время широко применяются также гвозди с негладкой поверхностью (гвозди с различной насечкой).
Гвозди в соединениях сдвигаемых деревянных элементов работают как нагели, но имеют свои особенности, так как забиваются в древесину без предварительного сверления отверстий. Заостренный конец гвоздя при забивке перерезает и раздвигает волокна древесины в стороны и уплотняет древесину вокруг гвоздя. Возникает опасность раскалывания деревянных элементов, поэтому расстояния между рядами гвоздей назначаются большими, чем для цилиндрических нагелей. Гвоздевые соединения обладают свойством ползучести при длительно действующих нагрузках.
Несущая способность гвоздя не зависит от угла а между направлением усилия и направлением волокон и определяется по формулам табл. 4.2 с учетом всех необходимых коэффициентов условий работы.
Примеры гвоздевых соединений показаны на рис. 4.10.
Рекомендуется расстановка гвоздей небольшого диаметра (d < 0,25 толщины пробиваемого элемента) в четное количество рядов, допускается косая и шахматная расстановка гвоздей.
4. Соединение на клею. Виды клеев, конструкция соединений, особенности расчета клеевых соединений .
Склеивание элементов деревянных конструкций позволяет устранить такой недостаток древесины, как ограниченность сортамента, полнее использовать преимущество древесины как конструкционного строительного материала. Клеевые соединения при качественном изготовлении являются почти идеальным средством соединения, подобно сварке в металлических конструкциях.
Основные типы клеевых соединений заготовок для изготовления КДК (по пласти, по кромке, по длине) показаны на рис. 4.11. Соединение по пласти применяется для создания клееных деревянных элементов требуемой высоты сечения. Стыки досок по кромкам используются при изготовлении массивных большепролетных клееных деревянных конструкций с проектной шириной сечения элемента большей, чем ширина отдельных досок.
Рис. 4.11. Клеевые соединения заготовок для изготовления клееных деревянных элементов:
а - по пласта; б - по кромке; в - по длине в стык; г - по длине "на ус"; д ~ по длине на зубчатом шипе с выходом зубьев на пласти заготовок; е - по длине на зубчатом шипе с выходом зубьев на кромки заготовок
Для соединения досок (заготовок) по длине в настоящее время применяются зубчатые шипы по ГОСТ 19414-90. В зависимости от расположения шипов по отношению к пласти соединяемых заготовок различают три вида: В - вертикальное с выходом зубьев на пласти; Г - горизонтальное с выходом зубьев на кромки заготовок и Д - диагональное. Наибольшее распространение получили первые два вида (см. рис. 4.11,д,е).
Зубчатый шип одинаково хорошо работает на растяжение, изгиб, кручение или сжатие.
Зубчатый шип характеризуется тремя параметрами: L - длина шипа; t - шаг шипов; b1 - затупление шипа. Для сращивание заготовок по длины чаще всего используется шипы со следующими параметрами: L=20 мм, t=6 мм,b1=1 мм; L=32 мм, t=8 мм,. b1=1 мм Для соединения клееных элементов под углом применяется шип со следующими параметрами: L=50, t=12, b1=1,5 . Таким шипом соединяются: ригель и стойка в карнизном узле клееных деревянных рам из прямолинейных элементов типа РДП, элементы двухшарнирных арок в коньковом узле (рис. 4.12).
Удельное торцовое давление запрессовки должно обеспечивать целостность соединений при технологическом перемещении склеиваемых заготовок. Это давление устанавливается в зависимости от геометрических параметров зубчатых шипов, размеров поперечного сечения заготовок и породы склеиваемой древесины и не должно превышать следующих значений, в МПа: при L=20 мм - 10; при L=32 мм - 8; при L=50 - 4.В зубчатых шипах после запрессовки должен оставаться зазор S не более 5% L.
Равнопрочность, монолитность и долговечность клеевых соединений в деревянных конструкциях могут быть достигнуты только применением, водостойких конструкционных клеев. Долговечность и надежность клеевого соединения зависят от устойчивости адгезионных связей, вида клея, его качества, технологии склеивания,эксплуатационных условий и поверхностной обработки досок
Клеевой шов должен обеспечивать прочность соединения, не уступающую прочности древесины на скалывание вдоль волокон и на растяжение поперек волокон. Прочность клеевого шва, соответствующую прочности древесины на растяжение вдоль волокон, пока еще не удается получить, поэтому в растянутых стыках площадь склеиваемых поверхностей приходится увеличивать примерно в 10 раз косой срезкой торца на ус или на зубчатый шип.
Плотность (беспустотность) контакта клеящего вещества со склеиваемыми поверхностями должна создаваться еще в вязкожидкой фазе конструкционного клея, заполняющего все углубления и шероховатости, благодаря способности смачивать склеиваемую поверхность. Чем ровнее и чище остроганы склеиваемые поверхности и чем плотнее они прилегают одни к другим, тем полнее монолитность склеивания, тем равномернее и тоньше клеевой шов. Деревянная конструкция, монолитно склеенная из сухих тонких досок, обладает значительными преимуществами перёд брусом, вырезанным из цельного бревна, но для реализации этих преимуществ необходимо строгое соблюдение всех условий технологии индустриального производства клееных деревянных конструкций.
После отверждения конструкционного клея от сформировавшегося клеевого шва требуется не только рав-нопрочность и монолитность, но и водостойкость, теплостойкость и биостойкость. При испытаниях разрушение опытных образцов клеевых соединений должно происходить в основном по склеиваемой древесине, а не по клеевому шву (с разрушением внутренних, когезионных связей) и не в пограничном слое между клеевым швом и склеиваемым материалом (с разрушением пограничных, адгезионных связей)
Рис. 4.12. Клеевые соединения элементов деревянных конструкций под углом: а - в карнизном узле рам; б - в коньковом узле треугольных 2-шарнирных арок

Виды клеев
Клеевые содинения применялись давно, главным образом в столярных изделиях. В начале XX в. в Швейцарии, Швеции и Германии стали применять несущие деревянные конструкции, соединенные на казеиновом клее. Некоторые из этих деревянных конструкций, надежно защищенные от увлажнения, сохранились до наших дней. Однако в полной мере удовлетворить требованиям, предъявляемым к соединениям элементов несущих конструкций современных капитальных сооружений, белковые клеи животного и тем более растительного происхождения не могли.
Решающее значение для современного индустриального производства клееных деревянных конструкций на новой технологической базе имеет развитие химии полимерных материалов и производства синтетических клеев. Синтетические полимерные материалы с запланированными свойствами позволяют обеспечить требуемые прочность и долговечность клеевых соединений. Поиск оптимального ассортимента конструкционных клеев и соответствующих режимов поточного производства клееных конструкций продолжается, но уже сейчас имеется набор синтетических клеев, которые позволяют соединять деревянные строительные детали не только с деревом, но и с синтетическими полимерными материалами и даже с металлическими деталями.
В отличие от казеиновых и других белковых клеев синтетические конструкционные клеи образуют прочный водостойкий клеевой шов в результате реакции полимеризации или поликонденсации. В настоящее время в основном применяют резорциновые, фенольно-резорциновые, алкилрезорциновые, фенольные клеи. Согласно СНиП П-25-80, выбор типа клея зависит от температурно-влажностных условий, при которых будут эксплуатироваться клееные конструкции.
Эластичность и вязкость клеевого шва особенно важна при соединении деревянных элементов с металлическими, фанерными, пластмассовыми и другими конструкционными элементами, имеющими температурные, усадочные и упругие характеристики. Однако использование эластичных каучуковых клеев в напряженных соединениях как правило недопустимо из-за недостаточной прочности таких соединений и чрезмерной ползучести их при длительном нагружении.
Чем суше н тоньше склеиваемые доски, тем меньше опасность образования в них трещин..Если усушечное коробление недосушенных досок произойдет еще до отверждения клеевого шва, но после прекращения давления пресса, то склеивание будет необратимо нарушено, хотя возможно, что этот брак обнаружится лишь позднее, когда трещина раскроется по клеевому шву.
5. Клеефанерные панели. Конструкция, применение и расчет.
Панели покрытий состоят из деревянного несущего каркаса и фанерных обшивок, соединенных с каркасом водостойким клеем в одно целое, и образующих коробчатое сечение. Для их изготовления применяют фанеру повышенной водостойкости марки ФСФ, а для конструкций, не защищенных от увлажнения, — бакелизированную фанеру.

Деталь соединения панелей
Целесообразность применения клеефанерных панелей определяется малой массой при высокой несущей способности, что обеспечивается совмещением в фанерной обшивке ограждающих и несущих функций как поясов панели, так и настила, который воспринимает местную нагрузку. Клеефаиерные панели являются жесткой коробчатой конструкцией, которая состоит из дощатых ребер толщиной после острожки 33 или 43 мм и фанерных обшивок толщиной не менее 8 мм (рис. VI.13). При необходимости ребра можно делать клееными.
В качестве утеплителя применяют, как правило, несгораемые и биостойкие теплоизоляционные материалы, например пенопласт или стекломаты. При изготовлений панели на верхнюю обшивку наклеивают один слой рубероида, образующий кровельное покрытие, второй и третий слои рубероида приклеивают после установки панелей на место.
Клеефанерными панелями можно перекрывать пролеты 3—6 м, а если их ребра клееные— более 6 м. Ширину панели делают равной ширине фанерного листа с учетом обрезки кромок для их выравнивания. Высота панели обычно составляет 1/30 – 1/40 пролета. Волокна наружных шпонов фанеры должны быть направлены вдоль оси панели, так как при этом создается возможность, во-первых, стыковать фанерные листы по длине «на ус» и, во-вторых, лучше использовать прочность фанеры.

К расчету верхней обшивки клеефанерной панели
Количество продольных ребер определяют в основном по условию расчета на изгиб поперек волокон наружных шпонов верхней фанерной обшивки при действии сосредоточенной расчетной нагрузки 1000 Н с коэффициентом перегрузки 1,2. При этом считается, что действие сосредоточенной нагрузки распределяется на ширину 100 см. Учитывая сопротивление повороту в опорных сечениях верхней обшивки со стороны ребер, можно в качестве расчетной схемы при расчете на временную сосредоточенную нагрузку принять балку с обоими защемленными концами (рис. VI.14). Тогда максимальный момент будет
Mmax=Pc8Изгибные напряжения в верхней обшивке поперек волокон наружных шпонов фанеры:
σи=6Pc8∙100δф2=9cδф2<mиRи.фЗдесь mи=1,2. Если приравнять σи=1,2Rи.ф , то 9cδф2≤1,2Rи.ф ,откуда расстояние между осями ребер равно: с≤0,13Rи.фδф2Клеефанерные конструкций рассчитывают с учетом различных модулей упругости древесины и фанеры по приведенным геометрическим характеристикам, причем приводят к тому материалу элемента конструкции, в котором находят напряжения. Приведенные характеристики вычисляют по формулам:
- момент инерции, приведенный к фанере:
Iприв=Iф+IДEДEфстатический момент:
Sприв=Sф+SДEДEфплощадь поперечного сечения:
Fприв=Fф+FДEДEфмомент сопротивления:
Wприв=Iпривyгде Y—расстояния до наиболее удаленных волокон; при симметричном поперечном сечении y=h/2.
Неравномерность распределения нормальных напряжений в обшивках в ребристых клеефанерных конструкциях учитывают введением в геометрические характеристики приведенной ширины bрасч, меньшей действительной ширины b0. Расчетную ширину сечения Ьрасч вычисляют по формуле bрасч = 0,9b0 в случае, если l>=6a; и по формуле bрасч = 0,15(l/а)b0 при l<6a.
Нормальные напряжения в обшивках определяют по следующим формулам:
1) для верхней сжатой обшивки с учетом ее устойчивости
σc=MmaxWпрφф≤Rф.с2) для нижней растянутой обшивки с учетом ослабления стыком «на ус»
σр=MWпрkф≤Rф.ргде kф=0,6 — коэффициент, учитывающий ослабление сечения стыком «на ус»; при отсутстви стыка kф =1.
Касательные напряжения проверяют в местах приклеивания фанеры к ребрам:
по скалыванию между шпонами фанеры
τф=QSфIпрδр≤Rф.скгде Sф — статический момент обшивки относительно оси панели; δр — ширина ребра.
по скалыванию ребер
τ=QSпрIпрδр≤Rск махгде Sпр — приведенный статический момент половины сечения относительно нейтральной осн.
Относительный прогиб панели в общем случае
fl=kPиl20,7EфIпр≤1250Для равномерно распределенной нагрузки k = 5/384 и Pи = qиl
Для того чтобы соседние панели покрытия имели одинаковый прогиб, особенно при неравномерном нагружении, они должны быть соединены. Соединять можно, например, глухими нагелями, которые ставят через 1,5— 2 м, или гвоздями, прибиваемыми сквозь соединительную планку через 50 см (см. рис. VI. 13). Панели прикрепляют к несущим конструкциям.Внутреннюю полость панелей следует проветривать, для чего устраивают осушающий продух.
6. Клееные балки. Конструкция, применение и расчет.
Основные типы клееных деревянных балок (постоянного по длине сечения, односкатные, двускатные, ломаного очертания и криволинейные) и их поперечные сечения показаны на рис. 6.9. Основным типом поперечного сечения является прямоугольное сечение постоянной высоты, другие типы сечений применяются при технико-экономическом обосновании.
Дощатоклееные балки обладают рядом преимуществ перед другими составными балками: они работают как монолитные;их можно изготовить с поперечным сечением большой высоты;в балках длиной более 6 м отдельные доски стыкуют по длине с помощью зубчатого шипа и, следовательно, балки не будут иметь стыка, ослабляющего сечение;в дощатоклееных балках можно рационально размещать доски различного качества по высоте. Слои из досок первого или второго сортов укладывают в наиболее напряженные зоны балки, а слои из досок второго или третьего сортов — в менее напряженные места. В дощатоклееных балках можно также использовать маломерные пиломатериалы.
Расчет клееных деревянных балок ведется по известным формулам для изгибаемых элементов с введением поправочных коэффициентов к моменту сопротивления сечения и расчетному сопротивлению древесины на изгиб, учитывающих толщину слоев, высоту сечения, наличие ослаблений и другие факторы для клееных элементов. В односкатных и двускатных балках опасное сечение (с максимальными напряжениями от изгиба) не совпадает с сечением, в котором возникает максимальный изгибающий момент, и находится на расстоянии Хм от опоры с меньшей высотой. При равномерно распределенной нагрузке по всему пролету Хм находится по формулам: а) для балок прямоугольного сечения
хм=lhоп2hсрl – расчетный пролет балки
hоп – высота балки на опоре с меньшей высотой
hср – высота балок в середине пролета
б) для балок двутаврового сечения
хм=γ1+γ-γlгде γ=hопl∙tgαhоп – высота на опоре между осями поясов в двутавровых балках
α – угол наклона верхнего пояса балки к горизонту
В тех случаях, когда по конструктивным соображениям необходимо устраивать подрезки у опор изгибаемых элементов (например, при опирании вспомогательных балок на главные, раскреплении прогонами верхних поясов ферм и т.д.), необходимо соблюдать следующее условие (см. рис. 6.2,в):
Abh≤0,4 МПагде А – опорная реакция балки от расчетной нагрузки;
b и h – ширина и полная высота сечения балки без подрезки.
При этом глубина врезки не должна превышать 0,25 высоты сечения, длина опорной площадки - не более высоты сечения, длина скошенной части - более двух величин глубины врезки: а <= 0,25h, с < h, с1>=2а. Если среднее скалывающее напряжение получается более 0,4 МПа, подрезки на опоре балок не допускаются.
В двутавровых и тавровых балках в случаях, когда нагрузка приложена к нижнему поясу балок, делается проверка на отрыв нижней полки по эмпирической формуле (см. рис. 6.2,г):
N=0,04b1cгде N – суммарная расчетная двусторонняя нагрузка на полку от опорных планок;
b1 – ширина стенки балки или ее половина при односторонней нагрузке, см;
c – ширина опорной планки, см.

Рис. 6.9. Клееные деревянные балки:
а - схема приложения нагрузки; б - основные типы балок; в - типы поперечных сечений (1 - сплошное, 2 - спаренное, 3 - тавровое, 4 - двутавровое, 5 - коробчатое)

Клеефанерные балки
Одним из путей снижения массы деревянных балок является применение клеефанерных балок. Вместе с тем клеефанерные балки имеют пониженную огнестойкость. Основные типы клеефанерных балок и их поперечные сечения даны на рис. 6.10. Области применения клеефанерных балок те же, что и клееных деревянных балок: прогоны покрытий, ребра клеефанерных панелей и т.д. Клеефанерные балки состоят из дощатых поясов и фанерной стенки. Для изготовления таких балок используются пиломатериалы хвойных пород 1-го и 2-го сортов и водостойкая фанера марок ФСФ и ФБС. Требования к качеству изготовления клеефанерных конструкций аналогичны требованиям к изготовлению КДК.
Основные правила конструирования клеефанерных балок:
-рекомендуемые пролеты 9... 12 м (за рубежом до 40 м);
размерами поперечного сечения предварительно задаются исходя из проектируемых нагрузок: h = (1/10... 1/12)L, hn =(1/6...1/10)h;
пояса балок выполняются из досок δ < 50 мм и шириной не более 100 мм, при большей ширине, в поясах делаются пропилы для снижения напряжений в клеевом шве между древесиной и фанерой;
фанерная стенка должна быть толщиной более 8 мм, стыки фанерной стенки по длине выполняются "на ус" или в стык с накладками;
для лучшего использования несущей способности фанерной стенки, листы фанеры располагаются так, чтобы волокна ее рубашек были направлены вдоль оси балки;
устойчивость вертикальной стенки обеспечивается постановкой ребер жесткости через 1/10L, в крайних панелях сечение усиливается дополнительным листом фанеры и подкосом жесткости;
внутренние полости коробчатых сечений обрабатываются комбинированными составами антисептиков и антипиренов.Порядок расчета клеефанерных балок тот же, что и клееных деревянных балок.
Особенности расчета клеефанерных балок с плоской стенкой
Ввиду неодинаковых модулей упругости древесины и фанеры, в расчетные формулы вводятся геометрические характеристики сечения, приведенные к наиболее напряженному материалу - древесине:
Fпр=Fдр+FфEфEдIпр=Iдр+IфEфEдSпр=Sдр+SфEфEдWпр=2IпрhРис. 6.10. Клеефанерные балки:
а - с плоской фанерной стенкой и типы поперечных сечений; б - с волнистой стенкой; в — типы поперечных сечений клеефанерных балок в зарубежном строительстве
где h – высота балок в расчетном сечении.
Расчет клеефанерных балок с плоской стенкой (см. рис. 6.10,а) ведется с учетом работы фанерной стенки на нормальные напряжения, однако основная доля нормальных напряжений в клеефанерных балках воспринимается древесиной поясов, поэтому нижний пояс балок проверяется по формуле
σр=MWпр≤RрВерхний пояс клеефанерных балок проверяется по формуле
σс=MφWпр≤Rсφ – коэффициент продольного изгиба из плоскости изгиба для верхнего пояса.
Проверка прочности клеевого шва между шпонами фанеры на скалывание (в пределах ширины пояса балки) или проверка клеевого шва между фанерной стенкой и поясами производится по формуле :
τш=QSпIпрhп≤Rф.скRф.ск - расчетное сопротивление скалыванию фанеры вдоль волокон наружных слоев
Q – максимальная поперечная сила на опоре;
Iпр – приведенный момент инерции балки на опоре;
Sп - статический момент пояса относительно нейтральной оси;
Σhп – суммарная ширина приклейки пояса к фанерной стенке с обеих сторон,.
Проверка прочности фанерной стенки на срез выполняется по формуле:
τш=QSпрIпрδ≤Rф.срRф.ср - расчетное сопротивление фанеры на срез перпендикулярно плоскости листа;
Sпр – приведенный статический момент половины сечения балки ;
Σδ – суммарная толщина фанерных стенок
Устойчивость фанерной стенки с продольным по отношению к оси балки расположением волокон наружных слоев следует проверять на действие касательных и нормальных напряжений по формуле (48) [2]. При поперечном по отношению к оси элемента расположению волокон фанерной стенки проверка устойчивости производится по формуле (48) [2] только на действие касательных напряжений.
Особенности расчета клеефанерных балок с волнистой стенкой
Клеефанерные балки с волнистой стенкой (см. рис. 6.10,6) изготавливаются следующими способами:
а)в деревянных поясах балки по шаблонам на копировальных станках выбирают-ся криволинейные пазы клиновидного сечения, пазы заполняются клеем, а затем фа-нерная стенка вставляется в пазы и протягивается с помощью лебедки на всю длинубалки;
б)деревянный пояс (брусчатый или клееный) распиливается волнообразно на двечасти, в распил на клею вставляется фанерная стенка и пояса вместе с фанерной стен-кой запрессовываются в ваймах.
Порядок расчета клеефанерных балок с волнистой стенкой такой же, что и балок с плоской стенкой - см. формулы (6.15, 616), однако в таких балках считается, что нормальные напряжения воспринимаются только поясами, поэтому приведенные геометрические характеристики сечения не определяются, а в формулы подставляются геометрические характеристики деревянных поясов балки.
Другой особенностью расчета таких балок является необходимость учета податливости волнистой стенки. В расчет вводятся коэффициенты, учитывающие снижение момента сопротивления и момента инерции, за счет податливости волнистой стенки:
при проверке прочности
kw=11+Bhпhoпри проверке жесткости
kw=11+BB – податливость волнистой фанерной стенки
Прочность соединения фанерной стенки с поясами в опорном сечении балок, изготовленных по способу «а», проверяется по формуле
τ=QSпIпρ≤RскIп – момент инерции поясов балки без учета фанерной стенки,
р – периметр клеевого шва
Армированные клееные деревянные балки
В целях рационального использования высокосортной древесины, повышения жесткости изгибаемых элементов, а также в тех случаях, когда есть ограничения по высоте сечения конструкций рекомендуется применять армированные клееные деревянные балки. В качестве арматуры в основном используется стальная (в экспериментальном порядке стеклопластиковая) арматура периодического профиля класса А400 диаметром 16...28 мм.
Достоинства армированных балок; повышение несущей способности и жесткости балок, уменьшение высоты сечения конструкций, экономия качественной древесины (до 15%). К недостаткам таких конструкций относится: возрастание трудоемкости и стоимости изготовления. Основные схемы армирования балок и их поперечные сечения даны на рис. 6.11.
Технология изготовления армированных КДК отличается от технологии изготовления обычных КДК появлением дополнительных операций вклеивания арматурных стержней. Процесс вклеивания арматуры включает:
1. Приготовление клеевой композиции для склеивания арматуры с древесиной. В настоящее время лучшими композициями являются составы на основе эпоксидных смол. Состав эпоксидно-песчаной смолы (ЭПП), массовых частей:
эпоксндно-диановая смола ЭД-20100
пластификатор (дибутилфталлат)20... 25
отвердитель (полиэтиленполиамин)10... 12
наполнитель (песок речной, просеянный через сито 1,0 мм)300...400или портландцемент200
Жизнеспособность состава 45...80 минут. Расход q - 0,2...0,4 кг/м пог. при диаметре арматуры 016...24 мм.
Фрезерование пазов (прямоугольного или полукруглого профиля) для арматуры по пластям заготовок производится одновременно с острожкой пластей.
Подготовка арматуры (резка или сращивание по длине, очистка от загрязнений и ржавчины, обезжиривание).
Укладка и запрессовка арматуры выполняется на отдельных элементах (заготовках), что позволяет выделить эту операцию и производить ее на отдельном участке параллельно другим операциям. Нанесение ЭПП в пазы производится с помощью шприца или шпателя. При вклеивании арматуры необходимо создать лишь минимальное (контактное) давление запрессовки 0,5... 1 кг/см2 (0,05...0,1 МПа), которое создается с помощью вайм, прижимами в точках, расположенных по длине арматуры на расстоянии а=25dа. Продолжительность склеивания составляет 12...24 часа при температуре 20°С и 2...4 часа при 50...60°С. Затем при наборе клееного пакета армированные заготовки укладываются в крайние зоны по высоте сечения конструкций. После выгрузки из пресса конструкции готовы к применению через 7... 10 дней.
Изготовление конструкций, армированных полукаркасами (с поперечной или наклонной арматурой), армированных по боковым поверхностям - более сложно и трудоемко и пока не вышло за рамки экспериментов.
Основные правила конструирования армированных балок:
поперечное сечение балок конструируется, как правило, прямоугольным постоянной высотой, при экономическом обосновании - двутавровым или коробчатым;
высота поперечного сечения назначается в пределах (1/15...1/20)L, ширина сечения принимается с учетом существующего сортамента пиломатериалов;
рекомендуется симметричное армирование в сжатой и растянутой зонах;
рациональный процент армирования =1,2...3,5%.
7. Сегментные клееные арки.. Конструкция, применение и порядок расчета.
Клееные деревянные арки применяются при строительстве большепролетных общественных и спортивных зданий, производственных и складских зданий с химически агрессивной средой.
Большой опыт применения клееных деревянных арок накоплен в Пермской области при возведении складов минеральных удобрений на калийных предприятиях. Построено более .30 складов пролетом 45 м, в которых в качестве несущих конструкций применены стрельчатые арки (рис. 7.2) и распорные конструкции треугольного очертания, условно называемые А-образными арками (рис. 7.3). Шаг арок - 3; 4,5 и 6 м. Сечение арок прямоугольное размерами (bxh) 300x1400 (1600) мм. На рис. 7.4 в качестве примера показан вид склада из стрельчатых арок в процессе монтажа и эксплуатации.
Арки пролетами 12, 18 и 24 м нашли применение в сельской местности при строительстве складских и спортивных зданий. Классификация арок:
-по конструктивной схеме: трехшарнирные и двухшарнирные;
по очертанию оси: арки кругового, стрельчатого, параболического, ломанного, треугольного и др. очертаний оси (см. рис. 7.1);
по типу поперечного сечения: сплошные (прямоугольные, двутавровые), спаренные, армированные и др. (типы поперечных сечений деревянных клееных арок аналогичны сечениям клееных деревянных балок, см. рис. 6.9,6.11):
по способу восприятия распора: непосредственно железобетонными фундаментами, несущими конструкциями каркаса здания, стальной затяжкой.
Дощатоклееные арки применяют кругового или стрельчатого очертания с затяжками или с непосредственным опиранием на фундаменты или контрфорсы. При наличии затяжек пролеты арок обычно не превышают 24 м, при опирании на фундаменты или контрфорсы пролеты зданий, осуществленных в СССР, достигали 63 м (здание летнего катка в Архангельске). За рубежом имеются отдельные примеры применения арок с пролетами более 100 м.
Арки обычно склеивают из пакета досок прямоугольного по высоте сечения, что менее трудоемко. При больших пролетах может оказаться целесообразным применение арок переменного по высоте сечения, принятого с учетом изменения момента по длине арки.
наклайки in,
Дощатоклееные арки бывают двух- и трехшарнирными (рис. VI.28). При пролетах до 24 м и f/L=1/8—1/6 целесообразно применять двухшариириые арки как более экономичные во всех случаях, когда возможна транспортировка криволинейных элементов арок. Криволинейные арки, как правило, делают с постоянным радиусом кривизны, так как изогнуть доски по окружности легче. В дощатоклееных арках толщину слоев (досок после острожки) для удобства их гнутья целесообразно применять, как правило, не более 1/300 радиуса кривизны и не более 33 мм.


Коньковый узел в трехшарнирных арках можно выполнять с деревянными накладками на болтах, воспринимающими поперечную силу от временной нагрузки и обеспечивающими жесткость узла арки из ее плоскости. В случае, если распор воспринимается затяжкой, она выполняется из профильной или круглой стали.
Арки рассчитываются на нагрузки и воздействия.В результате расчета арок определяют значения М, N, Q. Нормальные напряжения в арках вычисляют по обычной формуле для сжато-изгибаемого стержня в сечении с максимальным изгибающим моментом и соответствующей ему нормальной силой:
σс=NFнт+MдWнт≤RсmгнmбmслMд=Mсξс+Mк.сξк.сПри отношении напряжений от изгиба к напряжениям от сжатия менее 0,1 производят расчет на устойчивость в плоскости кривизны арки по формуле
σс=NφFрасч≤RсmгнmбmслРасчетную длину арки L0 при определении ее гибкости принимают: а) при расчете на прочность по деформированной схеме:
для двухшарнирных арок при симметричной нагрузке L0 = 0,35S;
для трехшарнирных арок при симметричной нагрузке L0 = 0,58S;
для двухшарнирных и трехшарнирных арок при кососимметричиой нагрузке — по формуле
l0=πS2π2-α2α-центральный угол полуарки;
S – полная длина дуги арки.
Для трехшарнирных арок при расчете на несимметричную нагрузку расчетную длину допускается принимать L0 = 0,58S. Для трехшарнирных стрельчатых арок с углом перелома в ключе более 10° при всех видах нагрузок L0 = 0,5S.
Клеевые швы проверяют на скалывание по формулеQSIbξ≤RскНакладки в коньковом узле рассчитывают на поперечную силу при несимметричном загруженин арки. Накладки работают на поперечный изгиб. Крепление арки в опорных узлах рассчитывают на максимальную поперечную силу, действующую в этих узлах. В арках больших пролетов опорный и коньковый узлы конструктивно сложнее. Их можно выполнить, например, с помощью специальных элементов, состоящих из стальных пластинок, соединенных стержнем из круглой стали
Статический расчет арок ведется по общим правилам строительной механики на персональных ЭВМ с использованием стандартных программ (например, «Лира-Windows 8.05»). Расчетным сечением арок является сечение с максимальным изгибающим моментом от наиболее невыгодного сочетания нагрузок. При том же сочетании нагрузок определяются значения продольной силы в расчетном сечении и величины продольных и поперечных сил в коньковом и опорном узлах арки.
а)б)
Рис. 7.1. Основные геометрические схемы арок:
а - стрельчатые; б - круговые; в - распорная система треугольного очертания (получила условное название А-образные арки); г - треугольные; д - ломаные; е — параболические; ж - арки с затяжкой



Геометрическая схема круговой арки показана на рис. 7.5,а. Пролет арок L и стрелу подъема арок f принимают исходя функционального назначения здания или сооружения, а также требований технологической части проекта. Остальные геометрические характеристики рассчитываются по формулам:
-радиус кривизны арки
R=l2+4f28fугол наклона опорного радиуса к горизонту φ0 через синус этого угла
sinφ0=R-fR=y0Rцентральный угол дуги полуарки
φ=90-φ0длина дуги всей арки S=πRφ90Затем при расчете на ЭВМ по стандартным программам длина дуги арки разбивается на конечные элементы.
Коньковые узлы
Коньковые узлы арок пролетом до 18 м решаются простым лобовым упором и перекрываются парными деревянными или стальными накладками на болтах. Толщина деревянных накладок принимается равной половине ширины сечения арок. Толщина стальных накладок определяется расчетом (обычно, 10...20 мм). Длина накладок зависит от диаметра, шага расстановки болтов и их количества. Задаются диаметром болтов и расставляют их по длине накладок с учетом требуемых минимальных расстояний между болтами вдоль и поперек волокон древесины. Расчет узла ведется на действие поперечной силы от расчетного сочетания нагрузок. Полунакладка рассматривается как условная двухконсольная балка (рис.7.8,б).


. Коньковые узлы арок, выполненные классическими шарнирами:
плиточный шарнир; б - валиковый шарнир (сварка стальных элементов условно не показана)
Опорные узлы
При пролетах арок до 18 м опорные узлы выполняются простым лобовым упором с парными стальными накладками, рис. 7.11,а. Требуемая площадь смятия в опорном узле определяется по продольной сжимающей силе. Поперечная сила воспринимается анкерными болтами, заделанными в фундамент, или сварными швами, прикрепляющими стальной башмак к закладной детали фундамента. Стальные накладки башмака крепятся к арке глухарями или болтами. Требуемая площадь сечения анкерных болтов и необходимое количество болтов или глухарей находится по известным формулам.
При пролетах более 18 м опорные узлы решаются в виде классических шарниров. Наиболее распространенные типы опорных узлов арок показаны на рис. 7.11,б,в; 7.12; 7.13. Конструкция таких узлов аналогична конструкции коньковых узлов арок, а расчет ведется по формулам (7.4)...(7.5). В узлах арок вследствие опирания неполным сечением через стальные башмаки (особенно при внецентренном опирают) возникают местные напряжения, которые необходимо учитывать при расчете по формулам раздела 5.29 пособия [4]. Конструктивно эти участки арок усиливаются фанерными накладками на клею, стяжными хомутами или вклеенными арматурными стержнями.
Рис. 7.11. Опорные узлы ярок: а - простой лобовой упор; б - плиточный шарнир; в - валиковый шарнир (сварка стальных элементов условно не показана)

Монтажные стыки
Монтажные стыки большепролетных арок при необходимости (длина отправочного элемента превышает предельно допустимые габариты при транспортировке до строительной площадки) устраивают в сечении с небольшими значениями изгибающих моментов на вклеенных арматурных стержнях (см. рис.4.2,в,г, рис. 8.7,6) или перекрывают стальными накладками на стяжных болтах. На основании имеющегося опыта проектирования арок устройство монтажных стыков не рекомендуется. Необходимо искать такие решения, которые позволяли бы доставлять арки к месту монтажа в готовом виде. На рис. 7.14 показан типовой способ транспоглировки полуарок длиной 34 м, затем, когда потребовалось перевозить полуарки по дорогам с троллейбусным движением и вписываться в жесткие габариты по высоте, была разработана наклонная платформа для транспортировки полуарок, которая позволила решить эту проблему (рис. 7.15).
8. Треугольные фермы из брусьев на нагелях. Схемы ферм, применение, конструкции характерных узлов. Порядок и особенности расчета ферм.
9. Треугольные фермы из клееных блоков. Схемы ферм, применение конструкции узлов. Порядок и особенности расчета ферм.(2 вопроса в 1).
Фермой называется стержневая система, остающаяся геометрически неизменяемой после условной замены ее жестких узлов шарнирами. Фермы относятся к классу сквозных конструкций, в которых пояса соединены между собой не сплошной стенкой, как у балок, а решеткой, состоящей из отдельных стержней - раскосов и стоек. Фермы применяются в покрытиях производственных и гражданских зданий в тех случаях, когда балки сплошного сечения оказываются экономически невыгодными. Применение решетки уменьшает расход материала на конструкции, но увеличивает трудоемкость изготовления, так как появляются узлы - места соединения решетки с поясами. Общие виды наиболее распространенных деревянных ферм показаны на рис. 9.1.
Треугольные фермы применяют, как правило, для кровель из материалов, требующих значительного уклона. Отношение высоты фермы в коньке к пролету принимают не менее: для цельнодеревянных ферм 1/5, для ферм с металлическим нижним поясом 1/6. Для ферм с металлическим нижним поясом и клееным верхним это отношение может быть снижено до 1/7 пролета. При этом уклон верхнего пояса и кровли колеблется от 1:2,5 до 1:4.
Верхний пояс фермы может быть выполнен из клееных блоков (клееная треугольная ферма) или из брусьев (брусчатая треугольная ферма). Нижний пояс рекомендуется делать металлическим из профильной или круглой стали. Преимущество последней состоит в том, что при равной массе она обладает большой огнестойкостью. Возможно применение и деревянного клееного или брусчатого нижнего пояса при условии выполнения его из тщательно отобранной древесины и хорошо отработанной склейки со стыкованием по длине на зубчатом соединении.
Решетка в треугольных фермах для повышения индустриального их изготовления должна состоять из минимального числа элементов. С этой целью рекомендуется применять четырехпанельные (по верхнему поясу) фермы с двумя сжатыми раскосами и соответственное одной растянутой или двумя сжатыми стойками.Растянутые стойки обычно выполняют из круглой стали.
При применении брусчатых ферм более значительных пролетов приходится увеличивать число панелей верхнего пояса до шести и нижнего пояса до четырех, соединяя узлы верхнего и нижнего поясов треугольной решеткой с центральной растянутой стойкой
Решение узлов в треугольных фермах зависит от принятого типа решетки. Для четырехпанельной фермы со сжатыми раскосами и центральной растянутой стойкой примыкание сжатых раскосов к верхнему и нижнему поясам может быть выполнено путем упора в специальные металлические башмаки непосредственно в верхний пояс с соответствующей его подрезкой или на узловых болтах с металлическим вкладышем) аналогично ранее рассмотренным фермам. Треугольные фермы применяют также для подвесного потолка.
Опорный узел помимо описанных решений с тем или иным типом металлического башмака может иметь другую конструкцию, где деревянный элемент верхнего пояса опиленной горизонтальной плоскостью воспринимает опорную реакцию, а вертикальной—усилие от нижнего пояса с помощью шайбы и гайки.
Помимо ферм с металлическим нижним поясом (основное решение) в некоторых случаях могут быть применены фермы с деревянным нижним поясом, выполненным в виде клееного пакета в клееных фермах или нз бруса в брусчатых фермах. Использование деревянных поясов из брусьев требует тщательного отбора лесоматериалов. Отбор должен производиться из достаточно больших партий лесоматериалов опытными бракерами.
Рис. VI1.10. Детали узлов треугольной брусчатой фермы ЦНИИСК. с упором раскосов в металлические башмаки и со складывающимся при перевозке нижним поясом
Расчет ферм
Расчетные нормальные усилия в элементах треугольных ферм определяют обычным способом. Отличительной особенностью треугольных ферм является то, что при загружении временной нагрузкой половины пролета решетка на незагруженной половине не работает. Поэтому расчетные усилия во всех элементах ферм получаются при снеговой нагрузке на всем пролете. Одностороннее загружение снегом может понадобиться в том случае, когда надо рассчитать присоединение подушки в среднем узле нижнего пояса к самому поясу. Его рассчитывают на разность усилий в соседних панелях нижнего пояса, имеющую место при односторонней снеговой нагрузке.
Верхний пояс. В большинстве случаев панели верхнего пояса помимо нормальных сил работают на изгиб от межузловой нагрузки и рассчитывают как сжато-изгибаемые стержни. Нормальную силу в верхнем поясе, как и в рассмотренных фермах, прикладывают с эксцентриситетом е.
Если верхний пояс разрезной, то расчетный момент в панели
М = M0 — Ne,
где Мо — момент простой балки от данной нагрузки а середине пролета панели; Ne — обратный момент от нормальной силы, приложенной с эксцентриситетом.
Если верхний пояс неразрезной, то расчет производят в двух предположениях: а) средняя опора не имеет просадки и верхний пояс работает как двухпролетная неразрезная балка; б) средняя опора просела на такую величину, что момент на ней стал равен нулю и, следовательно, верхний пояс работает как разрезная балка с пролетом, равным длине панели.
Нижний пояс. Металлический нижний пояс рассчитывают на растяжение с учетом имеющихся ослаблений в узлах или стыках. Местная поперечная нагрузка, например от подвесного потолка, вызывающая изгибающие моменты в нижнем поясе, недопустима.
Деревянный нижний пояс рассчитывают на растяжение по площади нетто в стыках или узлах, где учитывают ослабления от нагелей.
Стыки деревянного брусчатого нижнего пояса перекрывают двумя накладками, обычно деревянными, ширина которых равна ширине пояса, а толщина вдвое меньше толщины пояса. Деревянный нижний пояс соединяют с металлическим опорным узлом, как указывалось, накладками из полосовой стали на глухих нагелях. В этом месте на растяжение проверяют деревянный пояс и металлические накладки.
Решетка. Расчет элементов решетки — раскосов и стоек в треугольных фермах ничем не отличается от их расчета в ранее рассмотренных типах ферм: сжатые элементы решетки рассчитывают на продольный изгиб, растянутые проверяют на растяжение с учетом имеющихся ослаблений.
Узлы фермы. Расчет узлов треугольных ферм связан с их конструкцией. В клееной ферме с разрезным верхним поясом и металлическими узловыми вкладышами конструкция узлов верхнего пояса аналогична конструкции подобных узлов в сегментных фермах /
В клееной ферме с упором раскосов в верхний пояс необходимо проверить смятие древесины в опорном и коньковом узлах, а также в месте упора раскоса в верхний пояс и в подушку среднего узла нижнего пояса. Во всех случаях расчетное сопротивление смятию берут с учетом угла между сжимающей силон и направлением волокон сминаемого элемента.
В брусчатой ферме (см. рис. VII.10), кроме того, требуется рассчитать присоединение к верхнему поясу металлического башмака, в который упирается раскос. Нагели (или гвозди), соединяющие башмак с верхним поясом, рассчитывают на усилие, стремящееся сдвинуть башмак вдоль пояса. Таким усилием является составляющая усилий в раскосе по направлению верхнего пояса или, что то же, разность усилий в опорной и коньковой панелях верхнего пояса. Нагели или гвозди работают по схеме односрезного соединения.

В современном строительстве в покрытиях производственных зданий применяются (рис. 9.2...9.5):
металлодеревянные фермы типа МДФ (серия 1.863-2, вып. 1, 2);
безраскосные фермы (металлодеревянные арки типа АМД, серия 1.860-6, вып. 1);
сегментные металлодеревянные фермы (серия 1.263-1, вып. 1,2);
дощатые треугольные фермы с фанерными накладками в узлах (см. рис.9.11);
дощатые фермы с узловыми соединениями на МЗП типа "Gang Nail" («Гэнг-Нейл»).
Классификация ферм:
по конструктивной схеме различают: балочные фермы (основной тип) и распорные - арочные (см. рис. 9.6);
по очертанию верхнего пояса: треугольные фермы, фермы с параллельными поясами, трапециевидные, многоугольные, сегментные (см. рис. 9.1).
по материалу: из цельной древесины (из круглого леса, брусьев, досок), из клееной древесины, металлодеревянные, фермы из фанерных труб, стеклопластикодеревян-ные фермы;
по типу узловых соединений: на лобовых врубках, на стальных цилиндрических нагелях, на клеестальных шайбах, на зубчатых шипах на клею, на современных видах соединений типа «Грейм», «Гэнг-Нэйл» (см. рис. 4.2,а,б).
Основные положения по проектированию
Деревянные фермы применяются, как правило, в статически определимых системах, как в отношении опорных закреплений, так и схемы решетки. Несущая способность статически определимых ферм зависит от прочности и устойчивости любого стержня, разрушение которого может вызвать потерю устойчивости и разрушение всей конструкции, вследствие этого к качеству материалов для изготовления ферм предъявляются повышенные требования. Фермы проектируют с минимально возможным числом узлов. В современном строительстве применяются следующие типы ферм:
-трапециевидные и сегментные - под рулонную кровлю;
-треугольные - под кровлю из волнистых асбестоцементных листов, стальную, черепичную и другие подобные кровли с уклонами 1/3, 1/4.
Пролеты ферм составляют: 9...21 м (45 м) - для треугольных и 12...30 м - для сегментных ферм. Шаг дощатых ферм в малоэтажном домостроении назначают от 0,5 до 2 м, шаг брусчатых и металлодеревянных ферм в покрытиях зданий - от 2 до 6 м.


Рис. 9.1. Деревянные фермы:
а - брусчатая на лобовых врубках; б - дощатая на МЗП типа «Гэнг-Нейл»; в - металлодеревянная типа МДФ; г - безраскосная ферма (металлодеревянная арка типа АМД); д - брусчатая с верхним поясом нз балок Деревягина; е - трапециевидная брусчатая; ж - сегментная металлодеревянная с клееным верхним поясом; з - сегментная дощатая
Рис. 9.2. Металл од еревянная треугольная ферма с клееным верхним поясом: а - схема приложения нагрузок; б - общий вид фермы типа МДФ 21-12 (Серия 1.863-2, вып. 2), под расчетную нагоузку 12 кН/м

Безраскосная металлодеревянная ферма
Высота треугольных ферм в середине пролета между осями поясов назначается 1/5 пролета - при деревянном нижнем поясе и 1/6 - при металлическом нижнем поясе. Для сегментных ферм высота h = 1/ 6L... 1/ 8L.
В треугольных и трапециевидных брусчатых фермах стыки верхнего пояса конструируют в узлах или вблизи узлов простым лобовым упором. Стыки нижнего пояса устраивают в середине длины панели или в центральном узле и перекрывают парными накладками на нагелях. При выборе типа решетки стремятся к уменьшению числа ее элементов и сокращению длины сжатых стержней, из-за опасности потери их устойчивости. Наиболее рациональна треугольная решетка. Элементы решетки ферм центрируются в узлах.
Нижним поясам ферм при изготовлении придается строительный подъем = 1/200 пролета. При определении усилий в элементах фермы искажение геометрического очертания ферм строительным подъемом не учитывается.
Особенности расчета ферм.
Схемы приложения нагрузок на фермы показаны на рис. 9.2...9Л. Основными нагрузками при расчете ферм являются постоянные нагрузки (собственный вес покрытия и ферм, вес подвесного потолка) и временные (снеговая на всем пролете, снеговая на половине пролета). Ветровая нагрузка при расчете ферм не учитывается. Для упрощения расчета собственный вес ферм считается приложенным к верхнему поясу. В покрытиях с подвесным потолком половина собственного веса ферм относится к верхнему поясу, а половина - к нижнему. В фермах с подвесным потолком учитывается дополнительная полезная нормативная нагрузка на потолке - 0,7 кПа. К деревянным фермам не рекомендуется подвешивать технологическое оборудование.
Статический расчет ферм обычно ведется по стандартным программам на ПЭВМ. При аналитическом статическом расчете все жесткие узлы ферм условно заменяются идеальными шарнирами. Нагрузка считается приложенной в узлах ферм. Определение опорных реакций производится в предположении, что одна опора неподвижная, а другая подвижная. Практически обе опоры конструируются неподвижными, и только при пролетах ферм более 30 м одна из опор делается подвижной.
Конструктивный расчет элементов ферм ведется по известным формулам расчета растянутых, сжатых и сжато-изгибаемых элементов.Расчетную длину сжатых элементов решетки принимают равной расстоянию между центрами узлов. Для разрезного верхнего пояса расчетная длина равна длине панели верхнего пояса. При неразрезном верхнем поясе расчетная длина для крайних панелей равна 0,8 длины панели, а для средних панелей - 0,65 длины панели. При расчете на устойчивость из плоскости расчетную длину верхнего пояса принимают равной расстоянию между распорками (связевыми фермами).
Передачу сжимающих усилий в верхнем поясе треугольных ферм при внеузловой нагрузке от покрытия рекомендуется обеспечивать с эксцентриситетом, создающим разгружающий момент, величина которого не должна превышать 25% балочного момента. Если эксцентриситеты на концах элемента разные, то в расчет вводится среднее значение эксцентриситета. При расчете узлов необходимо также учитывать местную концентрацию скалывающих напряжений (подробнее см. п. 5.29 [4]).
Расчетный изгибающий момент в опасном сечении верхнего пояса треугольных ферм при внеузловой нагрузке от покрытия определяется по формулам (рис. 9.12):
- при неразрезном верхнем поясе
Mрасч=-qlп28+0,5Neпри разрезном верхнем поясе
Mрасч=qlп28-0,5Ne10. Сегментные фермы из клееных балок. Схемы ферм, применение, конструкции узлов, порядок и особенности расчета.
Сегментные фермы экономичнее треугольных по расходу материала, так как верхний пояс очерчен по дуге окружности, близкой к эпюре давлений при равномерно распределенной нагрузке по всему пролету, что резко снижает изгибающие моменты в поясе и усилия в раскосах.
Сегментные фермы отличаются небольшой массой, малым числом монтажных элементов, простотой узловых соединений. Пролеты ферм назначают 15, 18,21,24 м. В сегментных фермах не рекомендуется устраивать различные надстройки, световые фонари, подвесные потолки, так как это значительно усложняет конструкцию таких ферм.
В практике строительства в покрытиях однопролетных зданий нашли применение в основном два типа сегментных ферм:
металлодеревянные сегментные фермы с клееным верхним поясом (см. рис. 9.4);
фермы из брусков и досок на гвоздях ( см. рис. 9.8, 9.18).
В сегментных металлодеревянных фермах клееный верхний пояс может быть неразрезным, т.е. состоять из одного элемента длиной от одного опорного узла до другого - основное решение, и разрезным - состоящим из двух (со стыком в коньке) или нескольких элементов (со стыками в узлах).
При разрезном верхнем поясе все панели выполняются одинаковой длины, а при неразрезном длины крайних панелей (у опорных узлов) должны составлять 0,7 длины средних панелей.
При разрезном верхнем поясе в его стыках помещаются металлические вкладыши, зажимаемые торцами сходящихся в узле криволинейных элементов верхнего пояса. Этот вкладыш обеспечивает необходимую плотность примыкания и центрирование торцов отдельных элементов. Узловой болт располагается в центре вкладыша. Усилия от раскосов через пластинки-наконечники воспринимаются узловым болтом, который передает их равнодействующую на вкладыш, а последний - на верхний пояс фермы. Стык верхнего пояса перекрывается деревянными или стальными накладками на болтах (см. рис. 9.5,а).
При неразрезном верхнем поясе узловой болт проходит через отверстие в верхнем поясе и двусторонних металлических накладках, которые крепятся к верхнему поясу стальными нагелями. Как и при разрезном верхнем поясе, равнодействующая усилий сходящихся в данном узле раскосов передается металлическими пластинками-наконечниками на узловой болт, а от него рассредоточено нагелями на верхний пояс. Пластинки крепятся к раскосам на глухарях или болтах. Под одну из пластинок делается стальная подкладка той же толщины, что и сама пластинка, благодаря чему пересекающиеся в узле пластинки оказываются расположенными в разных плоскостях (см. рис. 9.5,6). Нижний пояс выполняется из двух уголков, имеющих прямолинейное очертание, но при сборке ферм для создания строительного подъема ему придают небольшую кривизну.
Конструкция узлов нижнего пояса в принципе аналогична узлам верхнего пояса: в центре узлов в вертикальных накладках делаются отверстия для узлового болта, на который при сборке надевают пластинки-наконечники раскосов. Все сходящиеся в узле элементы должны быть строго центрированы.
Опорный узел ферм решается преимущественно в «открытом» варианте, когда боковые пластины в меньшей степени закрывают верхний пояс. Торец верхнего пояса упирается в упорную пластину, выполняемую обычно из швеллера, который вваривается между боковыми пластинами. Для уменьшения ширины фермы уголки нижнего пояса привариваются к боковым пластинам опорного узла изнутри.
Узлы сегментных металлодеревянных ферм показаны на рис. 9.5.
В дощатых сегментных фермах (см. рис.9.18) верхний пояс состоит из 2...3 ветвей, которые набираются из пакета брусков размерами 50x50 мм, 40x80 мм. В пределах каждой панели между ветвями ставятся прокладки из досок. Все бруски в ветвях верхнего пояса скрепляются по высоте вертикальным гвоздевым забоем, а в горизонтальной плоскости крепятся гвоздями к прокладкам. Стыки брусков верхнего пояса располагаются по длине с таким расчетом, чтобы они находились не ближе 1/5 длины панели от узлов и чтобы расстояние между стыками было не менее 50 см.
Крепление к поясам дощатых элементов решетки осуществляется на гвоздях с эксцентриситетом, с центрированием по внутренним кромкам досок решетки.
Нижний пояс проектируется из 2...4 досок. Стыки досок нижнего пояса перекрываются накладками и прокладками на нагелях и болтах (рис. 9.19).
В современном строительстве сегментные дощатые фермы на гвоздях практически не применяются, однако в старых зданиях (см. рис. 9.7) встречаются довольно часто, и при правильной эксплуатации работают вполне надежно 60 и более лет.
Рис. 9.4. Сегментная металлодеревянная ферма с клееным деревянным верхним поясом:
а - схема приложения нагрузок; б - общий вид фермы КДФ-18-21 (Серия 1.263-1, вып. 2)
под расчетную нагрузку 21 кН/м

15000
Рис. 9.18. Общий вид дощатой сегментной фермы под расчетную нагрузку 10,5 кН/м

Особенности расчета сегментных металлодеревянных ферм
Статический расчет сегментных металлодеревянных ферм ведется по общим правилам строительной механики на два вида загружения:
постоянная и временная (снеговая) нагрузка по всему пролету;
постоянная нагрузка по всему пролету и временная (снеговая) на половине пролета.
Снеговая нагрузка принимается по схеме 2 прил. 3 СНиП [1] для сводчатых покрытий, при этом наиболее невыгодное сочетание нагрузок получается обычно при учете односторонней снеговой нагрузки, распределенной по закону треугольника.
Геометрические размеры элементов ферм определяют, заменяя криволинейный верхний пояс прямолинейным, т.е. соединяя узлы верхнего пояса прямыми линиями -хордами.
Конструктивный расчет ферм заключается в подборе сечения поясов, раскосов, конструировании и расчете узлов. Верхний пояс ввиду криволинейности и приложения нагрузки между узлами рассчитывается как сжато-изгибаемый элемент по формулам (3.20)...(3.23) главы 3.
Расчетный изгибающий момент в панелях верхнего пояса определяется как сумма моментов от поперечной нагрузки и момента от продольной силы, возникающего за счет выгиба панели (см. рис. 9.21).
При разрезном верхнем поясе момент определяется по формуле
M=M0-Nf0(9.3)
где М0 - изгибающий момент, определенный по балочной схеме,
N - расчетная сжимающая сила в панели верхнего пояса;
fQ - стрела подъема (кривизны) панели; f0=d28Rd - длина панели по хорде;R - радиус кривизны верхнего пояса,
При неразрезном верхнем поясе расчетные изгибающие моменты в пролете и на опорах определяются как для неразрезной многопролетной балки с равными пролетами по приближенным формулам:
для опорных (крайних) панелей
Mпр=qd1214-0,69Nf0Mоп=-qd1210+0,72Nf0для средних панелей
Mпр=qd1224-13Nf0Mоп=-qd1212+13Nf0Моменты от продольных сил определены, исходя из предположения, что каждая панель представляет собой однопролетную балку, причем крайние панели считаются шарнирно опертыми с одного конца и с жестко закрепленным другим концом, а средние панели - с обоими жестко закрепленными концами. При определении гибкости расчетную длину крайних панелей принимают равной 0,8 длины хорды, а средних панелей - 0,65d.
Сечение нижнего пояса подбирается по формуле для центрально-растянутых стальных элементов по площади нетто, то есть с учетом ослаблений от отверстий для узловых болтов. При расположении узлового болта с эксцентриситетом относительно оси нижнего пояса, нижний пояс проверяется на внецентренное растяжение с учетом нагрузки от собственного веса.
Сжатые раскосы рассчитываются на продольный изгиб с расчетной длиной, равной длине раскоса между центрами узлов фермы. Растянутые раскосы рассчитываются на растяжение с учетом имеющихся ослаблений. В целях унификации все раскосы принимаются одинакового сечения.
Затем определяется количество глухарей (нагелей), необходимых для крепления пластинок к раскосам, рассматривая наиболее нагруженный элемент. Проверяют стальные пластинки на растяжение по ослабленному сечению и на устойчивость из плоскости, принимая расчетную длину планки равной расстоянию от узлового болта до ближайшего к нему болта раскоса. Для уменьшения расчетной длины планок ставится дополнительный стяжной болт вне раскоса.
Конструируется и рассчитывается опорный узел фермы:
выполняется проверка торца верхнего пояса на смятие;
назначаются размеры опорной плиты из условия опирания и закрепления анкерными болтами;
определяется необходимая длина сварных швов для крепления уголков нижнего пояса к фасонкам опорного узла.
При необходимости рассчитывается стальной вкладыш в узлах разрезного верхнего пояса и узловой болт. Узловой болт, на который надеваются пластинки раскосов, рассчитывается на изгиб от равнодействующей усилий RБ, возникающих в примыкающих раскосах при односторонней нагрузке. Момент в узловом болте
M=Rбaгде а - плечо приложения силы RБ , а=δ+0,5δ1 (δ - толщина пластинки-наконечника, δ1 - толщина крайнего ребра узлового вкладыша).
Строительный подъем ферм назначается равным 1/200 пролета. Выполняется проверка фермы на действие монтажных нагрузок.
Конструкции узлов клееных сегмент ных ферм с разрезным и неразрезным верхним поясом
2378710165100

11. Фермы на МЗП. Виды ферм, применение, конструкции узлов.
В современном, главным образом, в сельском строительстве находят применение дощатые фермы различного очертания (треугольные, многоугольные, односкатные и т. д.) и рамы с соединениями на металлических зубчатых пластинах (МЗП).
Пояса и решетки как ферм, так и рам изготовляют из досок (древесина сосны или ели 1-го и 2-го сортов по ГОСТ 24454—80Е) длиной от 2—6,5 м и шириной от 100—200 мм. Пролеты ферм составляют до 18 м.
Узловые соединения ферм осуществляют на пластинках с выштампованными зубьями, которые при заводском изготовлении ферм впрессовывают с двух сторон узла одновременно во все сходящиеся в нем деревянные элементы одинаковой толщины (рис. VII.17).
В зависимости от сечения деревянных элементов и от пролета конструкций применяют пластины соответствующих типоразмеров. Сборку дощатых конструкций производят на автоматизированных стендах. Дощатые фермы и рамы (рис. VII. 18) с металлическими зубчатыми пластинками устанавливают в покрытиях с малым шагом (до 1 м). Монтаж ферм рекомендуется осуществлять блочным способом.
К достоинствам дощатых ферм и рам с металлическими зубчатыми пластинками следует отнести: малую массу, низкую стоимость, простоту монтажа. Недостаток этих конструкций — малая огнестойкость.
Для узловых соединений дощатых элементов в последнее время нашли применение металлические зубчатые пластинки (МЗП). Наибольшее распространение в зарубежной практике строительства получили МЗП системы «Ганг-Нейл» (рис. IV.31).
МЗП представляет собой стальные пластинки толщиной 1—2 мм, на одной стороне которых после штамповки на специальных прессах получаются зубья различной формы и длины. МЗП ставят попарно по обе стороны соединяемых элементов таким образом, чтобы ряды МЗП располагались в направлении волокон присоединяемого деревянного элемента, в котором действуют наибольшие усилия.
В нашей стране применяют соединения на металлических зубчатых пластинках типа МЗП-1,2 и МЗП-2 (рис. IV.31,6). В ЦНИИСК им. В. А. Кучеренко разработаны «Рекомендации по проектированию и изготовлению дощатых конструкций с соединениями на металлических зубчатых пластинках», согласно которым такие конструкции следует применять в зданиях V степени огнестойкости без подвесного подъемно - транспортного оборудования с температурно-влажностными условиями эксплуатации Al, А2, Б1 и Б2 .
Изготовление конструкций должно производиться на специализированных предприятиях или в деревообрабатывающих цехах, оснащенных оборудованием для сборки конструкций, запрессовки МЗП и контрольных испытаний конструкций. Ручная запрессовка МЗП недопустима.
Рис. IV.31. Соединения на металлических зубчатых пластинках (МЗП)
а—металлические зубчатые пластинки (МЗП) системы «Ганг-Нейл» ; б—узел дощатой фермы на МЗП; в — МЗП-1,2; г.— МЗП-2
Несущую способность деревянных конструкций на МЗП определяют по условиям смятия древесины в гнездах и изгиба зубьев пластин, а также по условиям прочности пластин при работе на растяжение, сжатие и срез.
Материалом для изготовления конструкций-служит древесина сосны и ели шириной 100—200 мм, толщиной 40—60 мм. МЗП рекомендуется изготовлять из листовой углеродистой стали марок 08кп или 10кп толщиной 1,2 и 2 мм. Антикоррозионную защиту МЗП выполняют оцинковкой или покрытиями на основе алюминия в соответствии с рекомендациями по антикоррозионной защите стальных закладных деталей и сварных соединений сборных железобетонных и бетонных конструкций. В табл. IV.6 приведены основные расчетные характеристики соединений на металлических зубчатых пластинках типа МЗП-1,2 и МЗП-2.
Деревянные конструкции на соединениях с МЗП рассчитывают на усилия, возникающие в период эксплуатации зданий от постоянных и временных нагрузок, а также на усилия, возникающие при транспортировке и монтаже. Сквозные конструкции рассчитывают с учетом неразрезности поясов и в предположении шарнирного крепления к ним элементов решетки.
Несущая способность соединения на МЗПЛ, NС, кН, по условиям смятия древесины и изгиба зубьев при растяжении, сдвиге и сжатии, когда элементы воспринимают усилия под углом к волокнам древесины, определяют по формуле
NC = 2RFP,
где R — расчетная несущая способность на 1 см2 рабочей площади соединения; Fp—расчетная площадь поверхности МЗП на стыковом элементе, определяемая за вычетом площадей участков пластины в виде полос шириной 10 мм, примыкающих к линиям сопряжения элементов и участков пластины, которые находятся за пределами зоны рационального расположения МЗП. Последняя ограничивается линиями, параллельными линии стыка, проходящими по обе стороны от нее на расстоянии половины длины линии стыка.
Учет эксцентриситета приложения усилий к МЗП при расчете опорных узлов треугольных ферм осуществляется снижением расчетной несущей способности соединения умножением на коэффициент η, определяемый в зависимости от уклона верхнего пояса. Кроме того проверяют саму пластинку на растяжение и срез.
Несущую способность МЗП Np при растяжении находят по формуле
Np = 2bRp,
где b — размер пластины в направлении, перпендикулярном направлению усилия, см; Rp— расчетная несущая способность пластины на растяжение, кН/м,.
Несущую способность МЗП Qcp при срезе определяют по формуле
Qср =2 lсрRср
где lср — длина среза сечения пластины без учета ослаблений, см; Rср — расчетная несущая способность пластины на срез, кН/м.
При совместном действии на пластину усилий среза и растяжения должно выполнятся условие:
Np2Rpb2+Qcp2Rcplcp2≤1При проектировании конструкций на МЗП следует стремиться к унификации типоразмеров МЗП и сечений пиломатериала в одной конструкции. На обеих сторонах узлового соединения должны располагаться МЗП одного типоразмера. Площадь соединения на каждом элементе (с одной стороны от плоскости соединения) должна быть для конструкций пролетом до 12 м не менее 50 см2, а для конструкций пролетом до 18 м не менее 75 см2. Минимальное расстояние от плоскости соединения элементов должно быть не менее 60 мм. МЗП следует располагать таким образом, чтобы расстояния от боковых кромок деревянных элементов до крайних зубьев были не менее 10 мм.
12. Трехслойные панели со сплошным слоем. Конструкции панелей , применение и расчет.
Общие сведения. В ограждающих конструкциях зданий пластмассы применяют в покрытиях в виде панелей и подвесных потолков. Основным преимуществом ограждающих конструкций из пластмасс является их малая масса. Благодаря уменьшению массы ограждающих конструкций снижается нагрузка, передающаяся на несущие конструкции, что уменьшает расход материала. Кроме того, снижаются расходы на транспорт и монтаж конструкций, для которого используются механизмы меньшей грузоподъемности. Все это во многих случаях снижает стоимость здания (несмотря на высокие цены некоторых пластмасс).
Панели на основе пластмасс являются высокоиндустриальными конструкциями, они изготовл5ются максимальной заводской готовности, что уменьшает объем работ на месте строительства. Панели могут бить свегопрозрачными и непрозрачными, утепленными и неутепленными. Для покрытий неотапливаемых зданий применяют волнистые или плоские листы толщиной 1,5—2,5 мм из светопрозрачиого стеклопластика на полиэфирных» смолах.

Рис. VI.8. Крепление волниаых листов из стеклопластика к металлическим (а) и деревянным (б) прогонам
J — болт; 2—металлическая шайба с эластичной прокладкой; 3 — деревянные подкладки; 4 — шуруп
Рис. VI.9. Схемы трехслойных светопроницаемых панелей
1 — плоские листы стеклопластика; 2—волнистые листы: 3 — швеллер обрамления панели из стеклопластика типа АГ-4С
Рекомендуется использовать свегопрозрачные стеклопластики, которые пропускают до 90 % спектра и имеют в своем составе светостабилизаторы, предохраняющие стеклопластик от старения при действии ультрафиолетовых лучей. Для изготовления светопропускаю-щих участков можно использовать также листовое органическое стекло и органическое светотехническое стекло (рассеивающее свет, окрашенное). Волнистые стекло-пластиковые листы следует изготовлять тех же профилей, что и асбестоцементные листы. Ограждения покрытий из стеклопластиков могут быть либо сплошными по всей поверхности, либо отдельными участками.
Крепление волнистых листов по гребням волн к металлическим и деревянным элементам оцинкованными болтами н шурупами показано иа рис. VI.8. Диаметр применяемых болтов и шурупов не менее. 6 мм. Для свободы перемещения листов стеклопластика При темпера- турных воздействиях отверстия под болты и шурупы делают на 2 мм больше их диаметров.
Светопрозрачные панели для отапливаемых зданий выполняют, как правило, трехсло^ыми и реже четырехслойными, плоской (рис. VI.9) или криволинейной формы. Они состоят из одного или двух слоев волнистого стеклопластика, склеенных между собой, к которым с обеих сторон приклеивают еще по плоскому листу. Средний слой такой панели может быть выполнен также в виде решетки или ребер из стеклопластика. По контуру панели устраивают обрамление из металлических профилей или из стеклопластика.
Трехслойные свегопрозрачные ребристые панели могут быть изготовлены также цельноформованными, что исключает процесс склеивания.
Классификация панелей. Трехслойные панели могут быть разделены на четыре конструктивных типа (рис. VI.10).
Панели I типа. Нормальные усилия в этих панелях воспринимаются жесткими ребрами (из металла, дерева, пластмасс и т. д.) и обшивками. Для панелей I типа необходимо выполнение условия, чтобы отношение суммарной жесткости ребер к жесткости двух обшивок было больше 0,8 alL, где а—шаг продольных ребер, см; L— расчетный пролет панели, см.
Панели II типа. К этому типу относятся ребристые панели с малой изгибной жесткостью ребер, для которых отношение жесткостей ребер и обшивок меньше или равно 0,8а/L. При расчете панелей II типа можно принять, что нормальные усилия воспринимаются только обшивками.
Панели III типа имеют ребра и сплошной средний 1 слой из пенопласта, приклеиваемый к верхней и нижней обшивкам.
Панели IV типа имеют сплошной средний слой, но выполняются без ребер, поэтому они характеризуются большой деформативностью.
В панелях III и IV типа обшивки воспринимают нормальные напряжения, вызванные изгибающим моментом, при этом в панели, работающей по схеме простой балки, верхняя обшивка сжата, а нижняя — растянута (рис. VI.11). Металлические и стеклопластиковые обшнвки также выполняют роль гидро- и пароизоляции.
Для среднего слоя рекомендуется применять пено-пласты беспрессового изготовления, вспениваемые непосредственно в полости панели или в виде готовых блоков размером на панель или часть панели.

Рис. VI.11. Схема работы трех' слойных ребристых панелей
В панелях III и IV типов средний слой обеспечивает совместность работы обеих обшивок, повышает устойчивость сжатой обшивки из тонких металлических и стеклопластиковых листов, участвует совместно с обшивкой в восприятии местных сосредоточенных нагрузок, выполняет роль тепло- и звукоизоляции.
Сдвигающие усилия в панелях I, II и III типов воспринимаются ребрами, в панелях IV типа — сплошным средним слоем.
Ребристые светопрозрачные панели рассчитывают как панели I или II типов. Они отличаются значительной деформативностью вследствие низкого модуля упругости полиэфирного стеклопластика, из которого обычно выполняются. Для повышения несущей способности и уменьшения прогибов рекомендуется эти плиты закреплять на опорах.
При расчете трехслойных панелей применяют обычные методы строительной механики, но дополнительно учитывая отношение жесткостей обшивок и ребер. При расчете панелей особое внимание следует уделять неравномерности распределения нормальных напряжений в обшивках. Максимальные значения нормальных напряжений, определенные методами теории упругости, превышают средние значения. Эта разница тем больше, чем больше шаг ребер.
Трехслойные панели рассчитывают по двум предельным состояниям (по прочности и деформативности). Кроме этого, обшивку проверяют на устойчивость и местный изгиб от кратковременного действия сосредоточенной нагрузки 1000 Н, с коэффициентом перегрузки 1,2 распределенной равномерно по площадке 10X10 см.
При расчете на поперечный изгиб трехслойные панели рассматривают как плиты, свободно опертые по двум сторонам или по контуру. Расчетными нагрузками для панелей покрытия будут собственный вес и снег, а для стеновых панелей — собственный вес (при расчете в их плоскости) и ветер (при расчете из плоскости).
Расчет по прочности. При расчете по прочности следует учитывать напряжения, возникающие в элементах панелей от нагрузки, влияния влажности и температуры
σполн=σq+σW+σt≤RрасчНапряжения от влияния влажности и t появляются в связи с тем, что панели, соединенные между собой и прикрепленные к несущей конструкции, лишены свободной деформации.
Напряжения и усилия от расчетных нагрузок (панели I, II и Ш типов). Средние нормальные напряжения в обшивках панелей определяют по формуле
σср=MW≤RрасчгдеМ — изгибающий момент на единицу ширины панели; W — момент сопротивления сечения панели на единицу ширины.
Сдвигающие напряжения в ребрах определяют по формуле
τ=QSIb≤RскНапряжения и усилия от температурно-влажностных воздействий. Кроме внешних нагрузок на прочность панелей влияют температурно-влажностные воздействия, которые вызывают изменения начальной температуры и влажности ее элементов (обшивок, срединки), имеющих различные коэффициенты линейного температурного расширения и линейной влажностной деформации; в результате в элементах панели могут возникнуть значи-* тельные напряжения. Напряженное состояние панелей от этих воздействий зависит в основном от физико-механических свойств материалов, из которых они выполнены.
В общем случае значение относительных деформаций материала складывается из температурных и влажностных деформаций. Изменение влажности на деформацию металлов не влияет и расчет производят только на температурные воздействия. Для таких материалов, как асбестоцемент, фанера и т. д. температурными деформациями можно пренебречь, так как они малы по сравнению с влажностными деформациями. При этом обеспечивается точность, достаточная для практических целей.
Расчет по деформациям. Прогиб от равномерно распределенной нормативной нагрузки панелей всех четырех типов при свободном опирании по двум противоположным сторонам определяют по формуле
f=5qHl4384DD- изгибная жесткость панели
13. Пневматические конструкции. Схема конструкций , применение, особенности расчета.
Пневматические строительные конструкции покрытий по характеру работы очень близки к пространственным висячим и тентовым мембранам. Оболочки этих конструкций, изготовленные из тканых материалов, способны стабилизировать свою форму только при наличии предварительного напряжения. В отличие от тентовых мембран, где предварительное напряжение создается механическим путем, пневматические конструкции реализуют предварительное напряжение вследствие разности давления (избыточного или вакуума) в подоболочечном и окружающем конструкцию пространстве.
Возникнув в конце сороковых годов нашего столетия благодаря успехам химии полимеров, пневматические конструкции сразу вступили в полосу своего бурного развития, подготовленную высоким уровнем техники и технической культуры производства.
Среди преимуществ пневматических конструкций следует отметить малый собственный вес, высокую мобильность, быстроту и простоту возведения, возможность перекрытия больших пролетов, высокую степень заводской готовности и др.
Рис. 1Х.47. Пневматические строительные конструкции
а — воздуяонесомые (лневмокаркасные); б — воздухоопорные; в — воздухе опорные, усиленные канатами или сетками
Пневматические строительные конструкции в зависимости от характера работы обычно разделяются на две самостоятельные группы — пневмокаркасные (надувные) и воздухоопорные (рис. IX.47). Пневмокаркасные конструкции — это надувные стержни или панелн, несущая способность которых (сопротивление сжатию, изгибу, кручению) обеспечивается повышенным давлением воздуха в замкнутом объеме элемента. Большое внутреннее давление воздуха (до 150 кПа) требует высокой степени герметичности и прочности материала. Это же условие ограничивает пролет конструкций, который с учетом экономической целесообразности для рядовых сооружений не превышает 15—16 м. Стоимость пневмокаркасных конструкций в 3—5 раза выше, чем воздухоопорных. Эти недостатки сдерживают их применение и серийный выпуск конструкций до сих пор в мире не налажен.
Основным достоинствам пневмокаркасных конструкций является отсутствие избыточного давления воздуха в эксплуатируемом пространстве и, как следствие этого, потребности в процессе шлюзования.
В некоторых сооружении сочетаются конструкции двух типов — пневмокаркасные и воздухоопорные.
Воздухоопорные конструкции представляют собой оболочки, стабилизированные в проектном положении незначительной разницей давления в разделяемых оболочкой пространствах. Это конструкции, которые опираются на воздух. Для противодействия внешним нагрузкам давление воздуха под оболочкой по сравнению с атмосферным повышается в пределах 10—40 кПа. Такое незначительное избыточное давление не осложняет требованнй к герметичности и к самочувствию находящихся под оболочкой людей.
Воздухоопорные сооружения получили в строительстве большое распространение. Покрытия этого типа отличаются простотой конструкции, безопасностью и надежностью в эксплуатации, низкой стоимостью, способностью перекрывать большие пролеты. Около 50—70 °/о возведенных в настоящее время воздухоопорных покрытий используются как складские помещения; 20—40 %—как покрытия для спортивных сооружений. Часть конструкций используют как выставочные павильоны, покрытия строительно-монтажных площадок, различного рода .укрытия.
Наибольшее распространение получили оболочки в форме цилиндрических сводов и сферических куполов. Поскольку оболочка «лежит» на воздушной подушке, пролеты воздухоопорных конструкций теоретически не имеют ограничений. Практически пролет оболочек без усиления канатами или тросовыми сетками достигает 50—70 м.
В нашей стране приняты следующие размеры воздухоопорных оболочек: сферические купола диаметром 12, 24, 36, 42, 60 м; цилиндрические оболочки пролетом 12, 18, 24, 30, 36, 42, 48, 60 м; длина цилиндрических оболочек в зависимости от пролета изменяется от 24 до 90 м, высота от 6 до 20 м.
Любая классификация таких конструкций условна. Поэтому двухслойные покрытия, называемые пневмолинзами (на круглом, овальном или многоугольном плане) и пневмоподушками (на прямоугольном плане), занимают промежуточное положение между первой и второй группами. По принципу статической работы их следует относить к воздухоопорным конструкциям, хотя по отсутствию избыточного давления в эксплуатируемом пространстве они близки к воздухонесомым.
Другие виды конструкций, такие, как пневмооболочка на жестком каркасе или пневмооболочка, поддерживаемая вантами и т. п., принципиально по характеру работы не отличаются от рассмотренных и благодаря дополнительным устройствам являются модификацией внутри группы.
Основными частями воздухоопорной пневматической конструкции являются собственно оболочка, шлюз, контурные элементы с анкерными устройствами, воздуходувные и отопительные установки. Основу несущей конструкции шлюза обычно составляет жесткий каркас из металла, дерева, пластмассы, по которому закрепляют герметизирующую оболочку покрытия. Размеры шлюза зависят от назначения сооружения и колеблются от 1Х2Х Х2 м для запасных входов до размеров, обеспечивающих шлюзование реактивных самолетов.
Очень ответстаенной частью оболочки является анкерное устройство. Из большого числа вариантов анкерных устройств заслуживает внимания конструкция крепления оболочки к фундаменту или к отдельным сваям с помощью двух труб — верхней и нижней. Нижнюю трубу крепят к фундаменту, а верхнюю — к полотнищу оболочки. Затем трубы соединяются скобами. Эффективно анкерное крепление оболочки с применением каната (рис. IX.50, а). В сельском строительстве получили распространение схемы креплений с применением вантовых анкеров, земляных анкеров, рукавов,, заполненных водой (рис. IX.50,6).
Первоначальная стоимость пневматических сооружеиий ниже стоимости сооружения из традиционных материалов, однако эксплуатационные расходы на содержание пневматических конструкций выше. Поэтому, оценивая экономическую эффективность пневматических конструкций, необходимо принимать во внимание, что со временем наступает момент, когда суммарные расходы на приобретение и эксплуатацию пневматических конструкций будут превышать таковые для конструкций из других материалов.

Принципы расчета пневматических конструкций
Проектирование строительных пневматических, конструкций включает решение следующих задач: 1) нахождение оптимальной формы оболочки; 2) установление характера и величины силового воздействия; 3) выяснение физико-механических свойств материалов оболочек и обоснование расчетных сопротивлений; 4 ) выявление перемещений оболочки под действием нагрузок; 5) определение напряженно-деформированного состояния оболочки.
Основными нагрузками на пневматическую конструкцию является избыточное давление, ветровые и снеговые воздействия. Влияние собственного веса оболочки, ввиду его малости по сравнению с другими нагрузками, обычно не учитывают. Однако в некоторых случаях при небольшом давлении под оболочечным пространством собственный вес может значительно влиять иа очертание контура оболочки. Так, при отношении избыточного давления Р к собственному весу оболочки g, равному P/g=4...5, форма поперечного сечения оболочки отличается от круговой заметно, а при P/g = 2...3— значительно. Распределение избыточного внутреннего давления на оболочку показано иа рис. IX.51, а.
Для расчета пневматической конструкции на ветровое воздействие необходимо выявить картину обтекания оболочки потоком воздуха, выраженную в эпюре распределения ветрового давления по ее поверхности.
Распределение ветрового давления на оболочку меняется не только с изменением геометрии, но и скорости воздушного потока. Ветровое давление, и в частности отсос, из-за исключительной легкости покрытия является силовым воздействием на него. Поэтому для наиболее ответственных сооружений приходится в каждом отдельном случае прибегать к аэродинамическому моделированию. В результате таких испытаний были установлены для некоторых оболочек критические соотношения ψ значений скоростного напора воздушного потока g и избыточного давления Р, при котором на поверхности воз-духоопорной оболочки появляются «ветровые ложки» и она входит в неблагоприятный режим колебаний («баф-тинг») ψ = P/g- Для оболочек в форме три четверти сферы ψ <=1,1; для полусферы ψ <=0,8; для полуцилиндра со сферическими торцами ψ <=0,7. Вариант ветровой нагрузки на пневматическое сооружение показан на рис. IX.51.6.
Снеговая нагрузка вследствие подвижности и колебания поверхности оболочки не достигает интенсивности, характерной для жестких покрытий. На этом основании принято считать расчетную интенсивность снеговой нагрузки, равную суточному максимуму выпадения снега в данном районе.

Рис. IX.51. Расчет пневматических конструкций
а—распределение внутреннего давления; б—распределение ветрового даале* ния; в — распределение снеговой нагрузки; г — усилия в пневматической оболочке
Согласно методике расчета по предельным состояниям, расчетное сопротивление материала оболочки разрыву определяют произведением нормативного сопротивления RН на коэффициенты однородности Rодн и коэффициенты условия работы конструкций Кусл- За нормативное сопротивление RН принимают среднюю кратковременную прочность образцов материала покрытия по результатам статистической обработки заводских или лабораторных испытаний.
Коэффициент однородности находят по формуле Кодн= (1—3)v, где v — коэффициент вариации Сопротивление ткани разрыву зависит от времени действия усилия и учитывается коэффициентом длительной прочности Кдл.
Таким образом, расчетное сопротивление ткани без учета старения материала в условиях эксплуатации определяют по формуле
R=RHKоднKдлСтепень старения свойств материала оболочки можно учесть коэффициентом старения
Кст=1-N2Ггде N — порядковый номер года эксплуатации оболочки; Г — гарантируемый заводом-изготовителем материала срок службы в годах.
Прочность швов соединения полотнищ по отношению к прочности основного материала в разных странах принимают от 70 до 100 %.
Последние две задачи расчета пневматических конструкций особенно тесно взаимосвязаны и их целесообразно рассматривать совместно.
Пневматические оболочки являются кинематически подвижными и геометрически изменяемыми системами. Перемещение оболочки может быть следствием двух причин: 1) упругого или пластического удлинения материала (деформации) и 2) изменения геометрии оболочки при приложении нагрузок — кинематического перемещения, которое в значительной степени обусловливает интенсивность и характер ветровой и снеговой нагрузок.
Изменение геометрии оболочки под действием нагрузок (переход в новое равновесное состояние) соизмеримо с размерами самой оболочки, требует учета геометрической нелинейности, что существенно усложняет задачу расчета.
Для вычисления перемещений оболочки в последнее время успешно применяют метод конечного элемента (МКЭ). После приложения к оболочке нагрузок вся система конечных элементов, соответствующая исходной (раскройной) форме оболочки, для достижения нового равновесного состояния совершает необходимые перемещения, определяемые последовательными приближениями с помощью ЭВМ.
Для нахождения максимальных значений растягивающих усилий в воздухоопорных оболочках при действии невыгодиейшей комбинации расчетных нагрузок для рядовых оболочек сферической или цилиндрической формы небольших пролетов (до 50 м) можно использовать простые формулы:
Tм = 0,5PR + βqR; TK=aPR + βqR,
где Тш, Тк — меридиональные и кольцевые усилия (рис. IX.51, г); Р — избыточное давление воздуха под оболочкой; q — скоростной напор ветра; а, В — коэффициенты, значения которых установлены методами элементарно или какой-либо другой уточненной теории.
По усилиям на контуре оболочки, найденным по аналогичным формулам, рассчитывают анкерные устройства оболочек, которые должны проектироваться с особой тщательностью, так как при неудачных решениях их
стоимость может быть выше стоимости самой оболочки. Коэффициент запаса для расчета прочности и устойчивости анкерных устройств опорного контура в разных странах колеблется в пределах 1,2—3 в зависимости от площади перекрываемого помещения.
Хотя расчет оболочки позволяет определить наибольшие усилия и этим обозначить места наиболее вероятных разрушений оболочки, тем не менее изучение причин аварий воздухоопорных сооружений показывает, что формой их разрушения является не разрыв, а раздирание, т.е. по причинам, не учитываемым расчетом, но требующим детального изучения напряжений, приводящих к раздиранию. Положение выравнивается пока благодаря введению высоких коэффициентов запаса от 2,5 до 5.

Приложенные файлы

  • docx 4292673
    Размер файла: 730 kB Загрузок: 1

Добавить комментарий