1.                  Краткая история развития деревянных конструкций

Древесина - древнейший строительный материал. Имеются свидетельства об уникальных сооружениях периода Древнего мира (мост через р.Тибр ) и эпохи Возрождения (мосты Палладио и проекты Леонардо-да-Винчи). Древняя Русь прославилась своеобразными рублеными строениями в основе которых лежит сруб («венец») - в том числе многогранной и шатровой формы. До настоящего времени сохранились уникальные памятники деревянного русского зодчества, в числе которых, например, погост Кижи.

В середине ХVII века в связи с развитием механического лесопиления появились пиломатериалы. Известны поразительные примеры сооружений из пиломатериалов. Например, двухпролетный мост через Рейн , построенный братьями Грубенманн в 1758 году, имел пролет 110 м (мост был сожжен впоследствии войсками Наполеона). И в настоящее время в горной Швейцарии традиционно строится большое количество деревянных мостов, многие из которых крытые (до 20-30 мостов на одной горной реке).

В России также были интересные примеры строительства деревянных мостов. Так И.П.Кулибин в 1776 году предложил проект 300-метрового моста через Неву, выполнил модель этого моста пролетом 30 метров и при этом экспериментально определил кривую давления. Во время строительства железной дороги Москва-Петербург (1855 г.) при участии Д.И.Журавского было построено много деревянных мостов, и тогда же им была предложена знаменитая формула для определения касательных напряжений, и выполнены первые испытания образцов с целью определения сопротивления древесины. Знаменитые конструкции московского манежа - фермы системы Палладио - существуют уже 200 лет.

За рубежом в это время популярны были дощатые конструкции типа арок Эми и арок Делорма (рис.1.3). Арки Делорма (1561г., Philibert de L`Orme) были трудоемкими и материалоемкими и состояли из 2-3 слоев толстых досок, поставленных на ребро и сшитых гвоздями. В арках французского инженер-полковника Эми (Emy, 1819 г.) (рис.1.4) отдельные тонкие слои досок соединялись плашмя (по пласти) на гвоздях и болтах, что приводило к их большой деформативности.

Рис.1.3. Арка Делорма

 

Рис.1.4. Арка Эми

 

Развитие процессов деревообработки привело к появлению клееной фанеры. Первый фанерный завод был построен в Ревеле (Таллинн), а к 1915 году в России было уже 45 фанерных заводов.

В 1893 году в Швейцарии было построено первое здание с использованием клееных деревянных конструкций.

В 1905 году швейцарец Отто Гетцер (O.Hettzer) запатентовал свой способ склеивания деревянных конструкций при помощи, по-видимому, определенной модификации казеинового клея и это послужило началом развития клееных деревянных конструкций (КДК) - конструкций принципиально нового типа.

В России в 20-е и 30-е годы в связи с дефицитом стали и цемента деревянные конструкции использовались очень широко. Причем были построены очень интересные и смелые сооружения, например, своды, купола, башни. С деревянными конструкциями связано творчество выдающегося инженера В.Г.Шухова (своды Шухова-Брода, фермы Шухова, павильоны Нижегородской выставки), известного ученого В.З.Власова (первые инженерные расчеты пространственных конструкций). Однако уровень строительства в то время был недостаточно высок и наряду с удачными решениями имелось немало случаев отказов конструкций.

В 30-е годы в США появились сравнительно недорогие синтетические клеи на фенолоформальдегидной и резорцинформальдегидной основе. Специально созданная государственная комиссия изучила опыт строительства фирмы Гетцера и рекомендовала его для использования на территории США, после чего клееные деревянные конструкции получили широкое развитие.

Большое значение для развития производства клееных деревянных конструкций (КДК) имело промышленное освоение способа соединения пиломатериалов по длине типа «зубчатый шип».

В СССР первые клееные конструкции появились в 30-х годах в результате работ Г.Г.Карлсена и А.Б.Губенко.

После второй мировой войны наша страна в области строительства стала отдавать приоритет сборному железобетону, в то время как в США деревянные конструкции в это время использовались очень интенсивно.

В 1960 году в США для изучения опыта изготовления и сооружения деревянных конструкций была направлена специальная комиссия от ряда европейских стран. После этого производство клееных деревянных конструкций в Европе, особенно в Германии, Франции, скандинавских странах, сильно возрастает и в настоящее время производство стабильно и достигло высокого уровня технологического развития.

В СССР первые значительные сооружения были построены в 1960 году (стрельчатые арки пролетом 45 м для складов минеральных удобрений).

Область применения

Достоинства и недостатки древесины и пластмасс как конструкционных материалов определяют область применения конструкций с применением древесины и пластмасс:

1. Сельскохозяйственное строительство (основная ориентация в период 1960-1985 гг.)

2. Строительство сооружений, которые эксплуатируются в условиях химически агрессивных сред (склады минеральных удобрений и т.п.)

3. Сооружения общественного назначения, и в первую очередь - большепролетные и уникальные сооружения с высокой архитектурной выразительностью (основная ориентация за рубежом).

4. Промышленные сооружения (в основном однопролетные сооружения с маломощным грузоподъемным оборудованием, встречается сравнительно редко)

5. Жилищное строительство (индивидуальное малоэтажное домостроение, конструкции чердачных и мансардных покрытий (исключительно эффективная сфера применения в условиях России)

6. Строительство в малодоступных районах и в условиях чрезвычайных обстоятельств

 

2.Древесина как конструкционный материал

В строительных конструкциях используется, в основном, древесина хвойных пород (сосна, ель, кедр, пихта, сибирская лиственница), запасы которой составляют 77%. Древесина хвойных пород характеризуется прямослойностью, смолистостью и более стабильными физическими характеристиками. В большей степени в нашей стране используется сосна (20%), а например, в Финляндии - ель, однако наибольшие перспективы имеет использование сибирской лиственницы, которая является самым распространенным деревом на территории России (40%). Древесина сибирской лиственницы очень прочная и плотная, стойкая против загнивания, но трудно обрабатывается и склонна к раскалыванию.

Лиственные породы в строительных конструкциях используются ограниченно, но в условиях дефицита леса их использование может быть экономически оправданно. Береза, запасы которой составляют 13% , в нашей стране является основным сырьем для производства фанеры.

В силу неравномерности распространения лесов и расположения предприятий по лесозаготовке и переработке, больших транспортных расходов, - стоимость лесоматериалов колеблется в больших пределах.

Доля России в торговле лесопродуктами составляет 8 % .

 

2.1. строение древесины

Различают макро- и микростроение древесины.

Макростроение.

Рассмотрим рис. 2.1, на котором показан поперечный срез ствола дерева. Средняя часть дерева, служащая для пропуска питательных веществ, называется сердцевина. Это наименее прочная и наиболее склонная к загниванию часть дерева. Вокруг сердцевины располагается более темная, плотная и просмоленная часть - ядро (сосна, кедр, лиственница), а в безъядровых породах - спелая древесина (ель, осина). Ближе к коре расположена заболонь - менее прочная и плотная часть дерева.

Рис 2.1.     Макростроение хвойной древесины в поперечнике

Выделяют три главных направления, вдоль которых свойства древесины различны: поперечное, тангенциальное и радиальное (рис. 2.2). Такая степень анизотропии (три главных плоскости) называется ортотропией. Однако при выполнении технических расчетов не делается различия между тангенциальным и радиальным направлениями, и в древесине выделяют только два направления: вдоль и поперек волокон. В этом случае древесину относят к транстропным материалам.

Рис. 2.2.     Ортотропная структура древесины (три основные плоскости)

На поперечном разрезе хорошо заметны концентрические годичные кольца - прирост древесины за год. Годичный слой состоит из двух слоев: больший по ширине - ранняя древесина (весенний прирост клеток), рыхлая и менее прочная; и поздняя древесина, летняя, более плотная и прочная.

Микростроение.

Основу хвойной древесины составляют сильно вытянутые вдоль ствола дерева отмершие полые клетки - трахеиды. Стенки клеток многослойные (рис. 2.3). Они состоят из кристаллов целлюлозы (микрофибрилл), находящихся в среде смолообразного вещества (лигнин). Микрофибриллы придают древесине высокую прочность на растяжение вдоль волокон, а лигнин - воспринимает и сжатие.

 

Рис. 2.3.     Микростроение и строение клеток

 

Таким образом, древесина имеет трубчато-волокнистое строение и характеризуется неоднородностью и анизотропией свойств, которые и определяют высокую прочность древесины вдоль волокон и низкую - поперек волокон и на сдвиг.

 

 

 

 2.2. «+» и «-» древесины

Достоинства

1. Высокая удельная прочность (отношение пп/g0), т.е. конструкции из древесины обладают высокой прочностью при небольшой массе, что, в частности отражается и на облегчении фундаментов и на применении менее грузоподъемных механизмов.

2. Высокая стойкость по отношению к агрессивным воздействию окружающей среды.

3. Технологичность, малая энергоемкость производства, простота обработки древесины и возможность получения сооружений и деталей различной формы.

4. Сравнительная несложность выполнения реконструкции и низкие эксплуатационные расходы.

5. Высокая эстетическая выразительность и в связи с этим даже некоторая престижность построек из древесины.

6. Древесина - это единственный самовозобновляемый материал, несмотря на то, что экологически выдержанное соотношение производства и прироста лесов выдержано только в некоторых странах.

7. Возможность получения материала с наперед заданными свойствами (для пластмасс).

 

Недостатки

1. Горючесть древесины, хотя огнестойкость (время, в течение которого конструкция сохраняет свою несущую способность в условиях огневого воздействия) деревянных конструкций выше, чем, например, незащищенных металлических конструкций.

2. Подверженность древесины биопоражению (грибы и насекомые).

3. Зависимость объема и формы деревянного элемента от температурно-влажностных условий.

4. Неоднородность строения древесины, анизотропия свойств, и связанный с этим большой разброс механических показателей.

5. Деструкция при старении, ползучесть под нагрузкой, токсичность, подверженность влиянию окружающей среды (характерно для некоторых видов пластмасс).

2.3. СОРТАМЕНТ ЛЕСО- ПИЛОМАТЕРИАЛОВ

Лесоматериалы и сортамент пиломатериалов.

Исходным лесоматериалом является круглый лес - бревно. Спиленное дерево без сучьев называется хлыст. В хлысте выделяют деловую и дровяную части. Деловую часть распиливают на бревна (“первое” бревно по своим свойствам является лучшим), бревна на кряжи (например фанерный кряж). Бревна диаметром 6-13 см называются подтоварник, а менее 6 см - жердь. Максимальная длина бревна 6.5 метров. В современном строительстве круглый лес не утратил своего значения. Ряд предприятий производит промышленно изготовленные оцилиндрованные бревна для производства малоэтажных домов (фирмы Маркон, Wolf, Honka), и эти дома, несмотря на более высокую стоимость (от 700 $/м²) пользуются большой популярностью.

В результате продольной распиловки бревен на пилорамах получают пиломатериалы: доски, брусья и бруски. В зависимости от преимущественной ориентации волокон различают доски радиальной или тангенциальной распиловки (первые меньше коробятся, а вторые имеют более красивую поверхность). На пиломатериалах различают кромку, пласть, ребро и торец (рис. 2.4). Обрезные материалы выпускают длиной до 6.5 м. Градация размеров по ширине - 25 мм (75, 100, 125, 150,...275), причем ширина доски свыше 150 мм считается дефицитной и более дорогой. Размеры по толщине: 16, 19, 22, 25, 32, 40, 44, 50 мм (ГОСТ 24454-80). Приведенные размеры являются номинальными и они даны для воздушно-сухой древесины с влажностью W=20%. Для клееных деревянных конструкций пиломатериал должен быть сухим (рекомендуется сочетание атмосферной и камерной сушки с достижением влажности W=10-12%), а также фрезерованным с учетом требований шероховатости к поверхности (не ниже класса 6 (500мкм) по ГОСТ 7016) и с учетом припусков на усушку и строгание до правильной формы (подробнее см. далее).

  

рис. 2.4.

 

 

2.4. Пороки и сорта древесины. Требования к отбору пиломатериалов. В местах расположения пороков древесины (естественных природных дефектов) структура её нарушается, что приводит к концентрации напряжений и к несовпадению направления силового потока по отношению к направлению волокон. Наиболее заметное влияние пороков возникает при работе древесины на растяжение. К порокам древесины относятся (рис. 2.5): сучки (сросшиеся, здоровые, выпадающие и др.) трещины пороки ствола дерева (сбежистость) пороки строения древесины (наклон волокон, глазки, свилеватость и др.) грибные поражения (гниль, грибные окраски) биологические повреждения и дефекты обработки (обзол, задир, ворсистость) покоробленности (по пласти и по кромке, крыловатость)   Основные пороки древесины, которые не допускаются в строительных конструкциях - это гниль, червоточина и трещины в узловых соединениях и зонах скалывания. Основные пороки, которые являются неизбежными, но ограничиваются при сортировке - это сучки и наклон волокон (рис. 2.6). Рис. 2.6. Покоробленности пиломатериалов Сортировка пиломатериалов производится визуально на основании норм содержания отдельных пороков (ГОСТ 8486-86Е) и независимо от последующего назначения пилопродукции. Различают отборный, 1, 2, 3 и 4 сорта. На изготовление несущих конструкций рекомендуется использовать первый сорт, а для малоответственных деталей или слабонапряженных элементов - доски 2 и 3 сортов. Помимо требований ГОСТа СНиП II-25-80 дополнительно вводит следующие ограничения: не допускается сердцевина в изгибаемых и растянутых элементах; ширина годичных слоев должна быть не более 5 мм, а содержание в них поздней древесины - не менее 20%  В странах с развитой лесообрабатывающей промышленностью сортировка древесины производится не только визуально, но и в результате силовой калибровки, когда в зависимости от прогиба доски под действием внешней нагрузки определяется ее прочность. Согласно объединенным европейским нормам проектирования (EUROCODE 5) пилопродукция подразделяется на 12 классов прочности, что позволяет более эффективно ее использовать. Пиломатериалы подлежат маркировке, которая обозначается краской или клеймом на торцах.

 

2.5. Фанера.

 Клееная фанера - листовой строительный материал, получающийся при склеивании под давлением слоев лущеного шпона (давление 2-2,5 МПа, температура - 140 оС, выдержка в прессе 10-20 мин.), ориентированного во взаимно перпендикулярных направлениях. Ленты лущеного шпона срезают при вращении распаренных чураков длиной до 2 м (рис.4.2). Основным сырьем для производства фанеры в России является береза, лиственница (в США - сосна). В строительных конструкциях допускается использовать водостойкую фанеру марки ФСФ (склеена фенолоформальдегидными клеями) и фанеру ограниченной водостойкости марки ФК (на карбамидных клеях). Толщина фанерных листов принимается не менее 6 мм. Чаще других используются размеры фанерных листов 1525х1525 и 1220х2450. Расчетные характеристики фанеры достаточно велики при сжатии-растяжении (R = 12-14 МПа) и очень низки при скалывании в плоскости листа между слоями шпонов (Rск = 0,8 МПа). При расчетах фанерных конструкций слоистостью материала пренебрегают и рассматривают фанерный лист как однородный ортотропный материал.

 Из всех листовых древесных материалов фанера обладает наибольшей прочностью. Поэтому использование фанеры имеет наибольшую эффективность по сравнению с другими листовыми материалами, особенно при наличии жестких клеевых связей.

 Высокая прочность фанеры на срез в плоскости листа (R ср= 6 МПа) по сравнению с древесиной (R ск= 2,4 МПа) предполагает ее использование в качестве вертикальных стенок балок, арок и рам (рис. 4.3).

Другая сторона использования фанеры в строительных конструкциях - обшивки ограждающих ребристых панелей.

Кроме этого, фанеру часто используют в качестве многооборачиваемой опалубки.

Нетрадиционные виды использования фанеры - это конструкции из формованной фанеры, фанерных труб и швеллеров (рис. 4.4). В Финляндии производят узкие фанерные плиты в качестве стропильных балок.

2.6. Физико-механические свойства древесины.

    Нормативное и расчетное сопротивления устанавливаются таким образом, чтобы их обеспеченность по минимальному значению составляла не менее 0.95 и 0.99 для нормативного и расчетного сопротивлений соответственно. Другими словами, если нормативное сопротивление R, то из 100 испытанных образцов с естественными пороками и при длительных испытаниях не более пяти могут иметь прочность ниже данного значения.

Расчетные сопротивления для древесины зависят от вида напряженного состояния, сорта, породы древесины, направления усилия по отношению к направлению волокон (учет влияния анизотропии). В целом при их назначении учитывают три основных фактора: пороки и неоднородность строения материала, длительность действия нагрузки и статистический разброс показателей прочности.

физико-механические свойства древесины определяются ее строением. В целом механические свойства древесины можно характеризовать следующим образом:  древесина хорошо работает на растяжение и сжатие вдоль волокон и  плохо  работает на скалывание, смятие и растяжение под углом к волокнам. Основная задача при конструировании - свести  к минимуму работу материала на неблагоприятные воздействия.

Плотность древесины зависит от породы, влажности и условий эксплуатации (СниП 2-25-80 «Деревянные конструкции», табл.1 и прил.3). Например, плотность древесины сосны в конструкциях, находящихся в сухих условиях - 500 кг/м³ 

 Влияние температуры и влажности.

  Температурное расширение древесины в поперечном, радиальном и тангенциальном направлениях - неравномерное (именно это приводит к ее короблению) и, по сравнению с другими конструкциями, - незначительное, что позволяет отказаться от устройства температурных швов в каркасных зданиях.

Теплопроводность древесины поперек волокон намного ниже чем вдоль волокон. Это свойство позволяет использовать цельную древесину в качестве стеновых конструкций. Согласно СНИП II-3-79** «Строительная теплотехника» толщина стен из древесины сосны в температурных условиях соответствующих г.Самара должна быть 50 см (без учета явления тепловой инерции), а толщина стен из обыкновенного кирпича - 2 м.

С увеличением температуры воздуха прочность древесины снижается, деформативность - увеличивается. Это учитывается введением коэффициента к расчетным сопротивлениям m_t = 0.8 (при установившейся температуре 50^оС). Этим же объясняется провисание деревянных конструкций в жаркие дни.

 Влага в древесине

 Влажность пиломатериалов определяют по формуле

  W = (m_с-m_о) / m_с,

 где m_с и m_о масса образца соответственно в данном и высушенном состояниях.

Фактически влажность древесины определяют контрольным взвешиванием или при помощи электровлагомера.

Влажность сплавной древесины - 200%, свежесрубленной - 100%, воздушно-сухой - 20%.

Различают свободную (капиллярную) и связанную (гигроскопическую) влагу. Свободная влага содержится в полостях клеток, а связанная - в стенках клеток древесины. Постепенное насыщение водой сухой древесины первоначально  происходит за счет связанной влаги, и лишь когда стенки клетки полностью окажутся заполненными, дальнейшее увеличение влаги происходит за счет свободной влаги. Поэтому очевидно, что именно изменение связанной влаги влияет на процессы усушки и коробления древесины, а также на ее прочностные и упругие свойства. Увеличение же  свободной влаги практически не отражается на свойствах древесины.

Максимальное количество связанной влаги называется пределом гигроскопичности или пределом насыщения волокон. При температуре 20^оС предел гигроскопичности - 30%. При повышении температуры часть связанной влаги превращается в свободную и наоборот.

Древесина является гигроскопичным материалом, и влажность, к которой она стремится в данных температурно-влажностных условиях, называется равновесной. Например, при  температуре 20^оС и влажности воздуха 100% равновесная влажность древесины W=30%.

Быстрое изменение связанной влаги и неравномерность усушки в различных направлениях приводит к короблению или, наоборот, разбуханию древесины. В массивных элементах вследствие неравномерности высыхания образуются трещины усушки (рис.3.1). Поэтому при производстве пиломатериалов огромное значение следует придавать вопросам организации сушки, а при эксплуатации деревянных конструкций исключать большие и резкие перепады температуры и влажности. Для древесины характерным является известная инерционность процессов влагообмена.

рис.3.1

 

Древесина в условиях химически агрессивных сред.

    Из основных конструкционных материалов древесина обладает наибольшей стойкостью по отношению к агрессивным средам как с кислотной, так и с щелочной средой. Особенно хорошо древесина сопротивляется воздействию солей соляной кислоты, аммиака, органических кислот. В меньшей степени древесина сопротивляется воздействию серной и особенно азотной кислоты. Хвойная древесина обладает большей стойкостью по сравнению с лиственными породами, а ядровая древесина - большей стойкостью по сравнению с заболонной древесиной. Данное свойство древесины позволяет эффективно использовать ее в соответствующих областях строительства (склады минеральных удобрений и другие предприятия, связанные с выделением агрессивных веществ).

Реологические свойства древесины.

   Реология - это наука об изменении свойств материала с течением времени под действием различных факторов, в данном случае - нагрузки. Для древесины данная зависимость имеет исключительно важное значение, и фактор времени учитывается при назначении расчетных сопротивлений древесины (m_дл = 0.67), и значения сопротивлений подлежат дополнительной корректировке при определении характера действующих нагрузок (усилия от кратковременных нагрузок следует умножать на m_н  =0,8, а усилия от длительно действующих нагрузок - на m_д =1,2, если их доля составляет не менее 80%).

Если серию стандартных образцов загрузить различной по величине нагрузкой, то обнаружится, что часть образцов разрушится немедленно, часть не разрушится вообще, а часть образцов будет разрушаться спустя некоторое время. Этот процесс характеризуется графиком на рис. 3.3, на котором  - величина _дл  - называется пределом длительного сопротивления древесины. Это значение соответствует величине напряжений, при  котором разрушения не произойдет, как бы долго ни действовала статическая нагрузка в нормальных условиях. В зависимости от вида напряженного состояния _дл   = 0,6-0,7 _вр.  Зависимости деформативности образцов от времени показаны на рис.3.4. Современные представления о длительной прочности древесины представлены в работах Ю.М. Иванова.

Рис. 3.3.     Кривая длительности

Рис. 3.4.     деформативность

Проявлением реологических свойств древесины является релаксация - уменьшение напряжений при фиксированной деформации, а также деформации последействия - увеличение деформаций при неизменной  нагрузке.

Анизотропия свойств.

    Важнейшая особенность древесины как конструкционного материала - анизотропия механических свойств, т.е. прочность и деформативность древесины зависят от угла между направлением силы и направлением волокон. Поэтому, в отличие от стали и бетона, сопротивления древесины и ее упругие характеристики дополнительно зависят от указанного фактора. Фактически это может быть представлено в виде таблиц, формул, графиков. При выполнении обычных расчетов древесина рассматривается как трансотропный материал, т.е. не делается разницы между тангенциальным и радиальным направлениями. Физически явление анизотропии проявляется, например, в ее короблении, а также в нетипичных случаях разрушения конструкций. Несмотря на огромное влияние данного фактора, в технических расчетах оно учитывается весьма скромно (только при назначении сопротивлений  и при выполнении ряда дополнительных проверок прочности, (например, на действие главных напряжений), что позволяет взять на вооружение сравнительно простые методы сопротивления материалов. В то же время следует помнить, что ряд основных гипотез, например, теории изгиба балок, нарушаются (в частности, предположение о малости и неопасности напряжений _y (напряжения, перпендикулярные оси балки), предположение о незначительном влиянии сил сдвига на прогиб и т.п.)

 Модуль упругости древесины вдоль волокон принят равным E = 10000 МПа (фактически E = 9000-15000 МПа). Модуль сдвига древесины G = 750 МПа,   и это соотношение намного меньше, чем в изотропных материалах, что приводит к необходимости учета деформаций сдвига при определении прогибов конструкций

 

2.7 защита от возгорания.

Воспламенение древесины происходит при температуре 300-600оС, или длительном воздействии - 150 оС.

Согласно СНиП 21-01-97   «Противопожарные нормы» существуют 5 степеней огнестойкости конструкций (огнестойкость - это время, в течение которого конструкция сопротивляется огневому воздействию, сохраняя при этом расчетную несущую способность). Огнестойкость деревянных колонн и балок сплошного сечения 25-30 мин. Это значительно больше, чем незащищенных металлических конструкций. В частности, деревянные конструкции одноэтажных зданий с огнезащитной обработкой относятся  к степени 3б. Определение  требуемой для данного сооружения степени огнестойкости дают соответствующие главы СНиП (например, согласно СНиП «Общественные здания» допускается использование деревянных конструкций в покрытиях спортивных сооружений при числе зрителей до 5 тыс.). При определении допустимости использования деревянных конструкций в зданиях и сооружениях того или иного назначения, согласно противопожарным нормам следует учитывать ряд ограничений, например: этажность здания, наличие огнезащитной обработки или облицовки конструкций, наличие огнезащитных преград (брандмауэры), ограничение сообщающихся свободных пространств (площадь распространения огня не более 54 м2).

 Конструктивные противопожарные способы защиты:

-массивность сечения конструкции (дощатоклееные конструкции предпочтительнее клеефанерных)

-отсутствие и ограничение тяги

-противопожарные преграды

-облицовка несгораемыми материалами (штукатурка, гипсокартон, асбестоцемент)

 -использование несгораемых утеплителей (минвата), так  как горение или тление пластмасс представляет серьезную проблему при тушении пожара

 -малое число соединений деталей  и металлических элементов  в них

 Химические противопожарные способы защиты:

-покрытие поверхностное огнезащитными лаками и эмалями с антипирирующими свойствами  (в том числе - ОФП -огнезащитное фосфатное покрытие)

-вспучивающиеся краски (ВПД)

-глубокая пропитка под давлением или, например, способом горяче-холодных ванн

В последнее время большое значение уделяется получению составов комплексного огнебиозащитного действия.  Однако не всегда удается устранить побочные явления (коррозия металла, гигроскопичность, низкая атмосферостойкость, снижение прочности, недолговечность действия). Представителем этой группы материалов является отечественный огнебиозащитный состав КСД.

2.8. защита от биоповреждений

 Наибольшая опасность, которая угрожает деревянным конструкциям при эксплуатации - это огневое воздействие и гниение. Началу процесса гниения обычно предшествует увлажнение древесины.

Гниение древесины вызывается жизнедеятельностью грибов, которые разрушают целлюлозу. К таким грибам относятся лесные, складские и домовые. Особенно опасны для конструкций домовые грибы, которые поражают  мертвую древесину. Тело (мицелий) молодого домового гриба состоит из грибницы белого цвета, образованной из тонких длинных нитей (гифов), образующих пленки толщиной 2-3 мм; впоследствии оно может приобретать различные цветовые оттенки серого и желтого (рис. 3.6). На определенной стадии развития на грибнице появляются плодовые тела, на которых вызревают споры. Легкие споры разносятся воздушными потоками на большие расстояния, достигающими тысячи километров.

Заражение древесины грибами происходит при непосредственном соприкосновении с пораженной древесиной или при особо благоприятных условиях:

	влажность древесины 20 -70%
	температура – 10 - 45 оС
	наличие кислорода

Несоблюдение хотя бы одного условия исключает возможность загнивания. Поэтому в воде древесина не гниет (пример - сваи Большого Театра на р. Неглинке, сваи зданий Санкт-Петербурга, Венеции). Камерная сушка древесины при температуре свыше 120 ^оС является стерилизующей, т.к. убивает споры грибов.

 Различают конструктивные и химические способы защиты древесины от увлажнения и гниения

 Конструктивные способы:

	конструкции должны располагаться полностью или внутри или снаружи отапливаемого помещения
	должна быть обеспечена достаточная термоизоляция с холодной  стороны и пароизоляция с теплой стороны отапливаемого помещения
	все соединения и пересечения конструкций должны быть наглухо загерметизированы
	между деревянными элементами и металлическими или каменными частями - следует устраивать гидроизоляционные прокладки
	заделка деревянных балок в каменные стены устраивается с обязательной гидроизоляцией конца балки и герметизацией узла.
	конструкции и узлы (особенно, опорные) должны быть доступными для осмотра, проветриваемыми и обеспечивать отвод влаги (рис.3.9.). В этом отношении надежно зарекомендовали себя чердачные крыши. Верхняя грань фундамента под деревянные конструкции (колонны, стойки рамы) должна быть выше уровня чистого пола не менее чем на 150 - 200 мм.

 

Химические способы

            Химические средства защиты древесины можно подразделить на водорастворимые составы для поверхностной пропитки и лакокрасочные материалы. К первым относятся водорастворимые антисептики (3-5% раствор фтористого натрия, NaF, раствор кремнефтористого натрия Na2SiF6 или аммония). Ко вторым относятся пентафталевые, уретановые, эпоксидные лаки и эмали для обработки боковых поверхностей конструкций  (ПФ, УР, ЭП и др., толщина покрытия - 100-150 мкм) и шпатлевки для обработки опорных частей конструкций (эпоксидные, тиоколовые с толщиной покрытия 400-800 мкм). В последнее время на отечественном рынке появились российские и заграничные составы на алкидной основе с антисептическим эффектом (Pinotex, Tikkurila и их российские аналоги).

            Защитные составы отличаются по долговечности (обычно требуется обновление через 2-4 года), водо- и атмосферостойкости, декоративности, стоимости (в некоторых случаях стоимость комплексной защиты может составлять до 20%). Основной способ нанесения лакокрасочных составов – напыление или окраска.

3. Основные положения расчета КДП по методу предельных состояний..

 

Основной целью расчета  и проектирования строительных конструкций является определение ее формы и размеров при обеспечении требуемой экономичности и надежности в течение заданного периода времени.

Прямое проектирование, как это имеет место при подборе сечения прокатных балок, встречается редко, так как в большинстве случаев приходится варьировать множеством параметров.

Последовательность действий при непрямом проектировании обычно следующая.

 

1. Определение расчетной схемы и сбор нагрузок. Во многих случаях одна и та же конструкция может быть рассчитана по разным расчетным схемам. Например, опирание балки может быть принято в виде жесткого или упругого (неполного) защемления. Длинная цилиндрическая оболочка с опиранием по торцам может рассматриваться и как балка с сечением в виде дуги. Разумное принятие расчетной схемы - показатель уровня квалификации инженера-проектировщика.

 

2. Статический расчет конструкции, т.е. определение усилий M, N, Q и расчетных (наиболее неблагоприятных) сочетаний усилий. В нормативных документах нет ограничений на выбор способа расчета и этот выбор является прерогативой и мерой ответственности и квалификации автора проекта. Чем сложнее задача, тем большее количество расчетных схем и способов ее решения может быть использовано. Например, деревянная арка в зависимости от требуемой точности может быть рассчитана с учетом деформирования ее первоначальной оси, с учетом развития пластических деформаций, с учетом изменения точки приложения реакций в опорных зонах и т.д.

Для статически неопределимых конструкций на этом этапе задаются соотношениями жесткостей элементов.

 

3. Предварительное назначение формы конструкции и размеров ее поперечного сечения на основе известных рекомендаций и опыта проектирования. Выбор материалов и назначение соответствующих сопротивлений и упругих характеристик (R и E).

 

4. Определение геометрических характеристик сечений предварительно принятой конструкции (A, S, I, W, i и т.д.) в расчетных сечениях.

 

5. Проверки прочности, общей и местной устойчивости и жесткости конструкции.

 

6. В случае невыполнения проверок по п.5 или получения  слишком больших запасов, расчет повторяют заново, в общем случае, начиная с 1-го пункта, так как меняется нагрузка от собственного веса. Величина запаса или, в частности, «недонапряжения» в проверках прочности в нормативных документах не оговариваются

 

Таким образом, задача подбора сечения конструкции является оптимизационной и решается при помощи  последовательных приближений (итераций).

 

4. 1. Центральное растяжение.

 В чистом виде случаи центрального растяжения древесины практически не встречаются в силу неоднородности ее строения и неизбежного наличия незначительных эксцентриситетов нормальной силы. Однако в расчетах этими явлениями как правило пренебрегают и считают элементы как центрально растянутые.

В качестве центрально растянутых рассматривают элементы стержневых систем (нижний пояс и раскосы ферм), пояса балок с гибкими стенками и т.д.

 Работа древесины на центральное растяжение характеризуется:

 

 

высокой прочностью;

средний предел прочности стандартных образцов составляет  вр = 75-100 МПа, а отдельные образцы имеют временное сопротивление до 250 МПа;

 

сравнительно невысокой надежностью из-за большого влияния на прочность неоднородности строения и пороков древесины и в связи с этим большим разбросом показателей прочности. Поэтому расчетное сопротивление значительно ниже, чем временное сопротивление и находится в пределах Rt = 7-12 МПа. Сопротивление клееной древесины в силу рассредоточенности пороков по отдельным слоям выше, чем цельной древесины; сопротивление элементов круглого сечения (бревен) выше, чем пиломатериалов вследствие отсутствия перерезанности волокон. В ответственных сооружениях рекомендуется использовать в растянутых зонах клееную древесину 1-го сорта.

 Разрушение центрально растянутых элементов носит внезапный, хрупкий характер и происходит по площадкам наименьшего сопротивления не только от разрыва отдельных волокон, но и от их сдвига и расслоения, а в реальных конструкциях это неизбежно из-за природной неоднородности древесины. В результате поверхность разрушения имеет "игольчатый", "защепистый" вид. Зависимость "напряжение-деформация" носит почти линейный характер практически до разрушения образцов (рис. 6.3). Модуль упругости древесины принят одинаковым при всех видах силовых воздействий вдоль волокон и равен Е =10000 МПа и соответствует кратковременному приложению нагрузки.

 

. Диаграмма работы древесины на растяжение и сжатие (примечание: относительные удлинения по оси абсцисс увеличены в 10 раз, то есть 0,1-0,7%)

Прочность древесины на растяжение, а также, в большей степени, модуль упругости, резко снижаются при увеличении угла между направлениями силы и волокон. Согласно современным представлениям механика разрушения деревянных конструкций во многом определяется прочностью древесины на растяжение под углом к волокнам (а также на скалывание), так как незначительные усилия в этом направлении, которыми обычно пренебрегают в расчетах изотропных материалов, в силу малой соответствующей прочности могут привести к потере несущей способности элемента. Расчетное сопротивление на растяжение поперек волокон находится в пределах 0.35 - 0.25 МПа (предел прочности 5-6 МПа).

 Расчет центрально растянутых элементов производится по формуле

 N / Ant < Rр mo ,

 где Аnt - площадь ослабленного сечения (нетто). Ослабления, расположенные на участке длиной до 20 см считаются совмещенными в одном сечении; mo = 0.8 - коэффициент, учитывающий концентрацию напряжений при наличии ослаблений в сечении.

 

4.2. Центрально-сжатые элементы - это колонны, элементы сквозных конструкций (раскосы, стойки, подкосы) и другие элементы, в сечениях которых возникает только нормальная сила. Рассматриваем действие силы вдоль волокон древесины и при этом не делаем различия между сжатием и смятием древесины. Работа древесины на смятие рассмотрена в разделе 6.3 .

Работа центрально-сжатых деревянных элементов характеризуется :

	достаточно высокой прочностью, хотя и меньшей, чем при растяжении (временное сопротивление при сжатии s вр = 40 МПа)
	высокой надежностью и сравнительно незначительным влиянием пороков древесины (поэтому расчетные сопротивления на сжатие и растяжение близки по величине Rс = Rt = 10-15 МПа)
	нелинейной зависимостью “напряжение - деформации” (рис. 6.3)

Разрушение при сжатии стандартных образцов зачастую происходит от излома отдельных волокон (своего рода потеря устойчивости), а также от раскалывания.

Относительно короткие сжатые элементы работают без изменения своей формы до разрушения. Гораздо чаще имеют дело с тонкими элементами, для которых характерным является наступление предельного состояния вследствие потери устойчивого положения (выпучивание стержней). Потеря стержнем своей первоначальной устойчивой формы сопровождается качественным изменением его напряженного состояния: сжатие по всему сечению сменяет сжатие в сочетании с изгибом, что приводит к резкому увеличению напряжений, деформированию стержня от изгиба и последующему разрушению от изгиба. В связи с этим предусмотрено две проверки центрально-сжатых элементов: на прочность                                               N / A_nt < R_с ,

и на устойчивость                           N / A_расч <j R_с ,

 где A_расч – расчетная площадь поперечного сечения, которая принимается в зависимости от вида его ослаблений; j - коэффициент устойчивости (продольного изгиба), который определяется по одной из следующих формул:

 j = 3000 / l²               при l > 70 ,                           (6.1)                       

j = 1 - (0.8 l/100) ²     при l £ 70 ,               (6.2)

где l - наибольшая гибкость стержня, определяемая обычным образом :

 l = L _ef / i_min ,

где L _ef =m L - расчетная длина стержня , а i_min - минимальное значение радиуса инерции сечения. Коэффициенты приведения расчетных длин m не соответствуют своим классическим значениям главным образом вследствие технических сложностей осуществления полного защемления деревянного стержня. Величина предельной гибкости является косвенным ограничением деформативности стержней. Для основных элементов [l ] = 120, для сжатых элементов связей - [l ] = 200

На графике зависимости “j - l ” выделяют две области:

	область упругой работы древесины, для которой справедливы законы упругой устойчивости для стержней, и, в частности формула Эйлера, на основе которой получена зависимость 6.1.
	область, при которой потеря устойчивости стержня связана с развитием на его части (по длине и по сечению) неупругих деформаций. Эта часть графика получена эмпирически и ей соответствует эмпирическая зависимость 6.2.

Формула 6.1. получена на основе формулы Л.Эйлера и на основе определения коэффициента продольного изгиба (по СНиП - коэффициента устойчивости)

 j = s _cr /s _вр =p²E / ( l ²s _вр).

 Учитывая, что отношение

 (p²E / l ²)_кратк = (p²E / l ²)_длит = const,

 принимают для деревянного стержня, работающего в пределах упругой устойчивости

 j = s _cr /s _вр = 3000 / s _вр

 Таким образом, оценку устойчивости деревянного стержня можно представить в форме следующей записи

= N / Aрасч <jRс = s cr (Rс /s вр ),

 т.е. можно рассматривать отношение ( R_с /s _вр ) как некий “коэффициент запаса” по устойчивости.

4.3. Работа и расчет элементов КДП на поперечный изгиб.

Общая характеристика.  В условиях поперечного изгиба работают в основном балки. Это могут быть сравнительно простые конструкции балок междуэтажных перекрытий и достаточно сложные конструкции стропильных балок покрытия пролетом до 30 метров. Плоский изгиб характеризуется возникновением изгибающего момента и поперечной силы. Нормальная сила - отсутствует. При изгибе в балках возникают сжатая и растянутая зоны; поэтому и общая характеристика работы изгибаемых элементов определяется работой древесины на сжатие и растяжение. В целом считается, что древесина достаточно хорошо сопротивляется изгибу по надежности занимая промежуточное положение между работой на сжатие и растяжение. Такие же значения имеют и предел прочности и модуль упругости (R _и = 10 - 13 МПа  E = 10 000 МПа).

При значительных напряжениях в сжатой зоне древесины возникают неупругие деформации и зависимость "напряжение - деформация" имеет вид (рис. 7.1):

Разрушение изгибаемых элементов  (рис. 7.2) характеризуется образованием складки в сжатой зоне (потеря устойчивости сжатых волокон) при достаточном развитии пластических деформаций и последующим разрывом растянутых волокон.

При плоском изгибе элементы КДП рассчитывают:

·      на прочность при действии нормальных напряжений по формуле

·      на прочность при действии касательных напряжений

·      на устойчивость плоской формы изгиба

·      на жесткость (расчет по 2-й группе предельных состояний)

·      в отдельных случаях выполняют дополнительные расчеты (на действие главных  напряжений, проверка прочности  элементов большой кривизны) (См. БАЛКИ)

 

1. Проверка прочности при действии нормальных напряжений производится по формуле

s = M_расч / W_расч £ R _и m_б m_сл

где M_расч - изгибающий момент в расчетном сечении; W_расч - момент сопротивления цельного расчетного сечения с учетом ослаблений (нетто). Ослабления, расположенные на участке длиной до 20 см считаются расположенными в одном сечении. Коэффициент m_б учитывает высоту сечения элемента. При высоте до 50 см m_б = 1. При большей высоте коэффициент m _б < 1. Коэффициент m_сл учитывает толщину слоя клееных элементов. Для стандартной толщины  t = 33 мм m_сл  = 1. Чем тоньше слои, тем выше надежность в силу рассредоточения пороков и выше коэффициент m_сл .

Работа сжатой части древесины в неупругой зоне в обычных расчетах не учитывается, так как принято считать, что при обычном качестве пиломатериала конструкций эта работа не проявляется в достаточной степени и фактически она идет в запас прочности. Однако если учитывать эту работу древесины, то предельный момент воспринимаемый сечением элемента (для «чистой» древесины и при временном характере приложения нагрузки) будет равен (рис. 7.3)

М пред = s _{вр c} W (  (3 s _{вр  t} / s _{вр c} - 1) / (s _{вр  t} / s _{вр  c} + 1) )= s _{вр c} W

где  коэффициент k  = 1,8.  Однако в обычных расчетах это увеличение несущей способности не учитывают, считая, что реальные пороки древесины не позволяют конструкции работать в неупругой области.

2. Проверка прочности при действии касательных напряжений производится по формуле

t  = QS / (I b) £R _ск  ,

где Q - расчетное (обычно -наибольшее) значение поперечной силы, S - статический момент сдвигаемой части сечения,  b - расчетное значение ширины сечения в том слое, где определяются напряжения. Термин «расчетная» дает возможность проектировщику по своему усмотрению учесть технологические несовершенства, например, «непроклей». Эта проверка имеет для деревянных конструкций сравнительно большое значение, так как прочность древесины на скалывание при изгибе невелика (R _ск  = 1.2 - 2.4 МПа) и вероятность разрушения при скалывании велика. Разрушение изгибаемых элементов от действия касательных напряжений характерно для балок высоких, происходит хрупко  и внезапно с образованием уступа по нейтральной оси в опорной части с образованием трещины скалывания .

3.    Проверка устойчивости плоской формы изгиба.  Известно, что более узкие прямоугольные сечения балки более эффективны с точки зрения восприятия нормальных напряжений. Однако для элементов с соотношениями размеров b  / h < 1/5 появляется опасность потери устойчивости плоской формы изгиба. Потеря устойчивости плоской формы изгиба сопровождается изменением положения изгибаемого элемента в пространстве и качественным изменением его напряженного состояния. До потери устойчивости балка остается в своей плоскости и изгибается относительно оси x - x.  После потери устойчивости элемент приобретает новую пространственную форму равновесия и изгиб происходит относительно обеих главных осей инерции и сопровождается кручением.  Для того, чтобы повысить боковую устойчивость элемента можно:

·      увеличить ширину сечения (уменьшив отношение b  / h);

·      раскрепить элемент из его плоскости связями со стороны сжатой (более эффективно) или растянутой кромки.

Это находит отражение в значении коэффициента устойчивости

j_М = 140 b² k_ф / ( L_ef h ),

где величина 140 включает в себя значение упругих характеристик, в том числе и при кручении; L_ef  - расстояние между точками раскрепления сжатой кромки; h - наибольшее значение высоты сечения на участке; при этом  - M - наибольшее значение момента на участке (M и h могут быть в разных сечениях); k_ф - коэффициент, учитывающий влияние характера распределения изгибающего момента в пределах участка . Чем полнее эпюра M на рассматриваемом участке, тем больше значение k_ф. Для прямоугольной эпюры моментов k_ф = 1. В отдельных случаях коэффициент j_М корректируется умножением на поправочные коэффициенты k_пN  k_пM , учитывающих раскрепление элемента из плоскости со стороны растянутой кромки на участке L_ef и умножением на коэффициент k_жM , учитывающий возможную переменную высоту сечения элемента. Коэффициент j_М  формально может принимать значения больше 1, так как при его определении не учитывалась работа материала в неупругой зоне.

4.    Расчет по 2-й группе предельных состояний. Расчет по второй группе предельных состояний заключается в выполнении соотношения

f / L < [f / L] ,

где  [f_max / L]  - предельный относительный прогиб определяется по СНиП 2.01.07-85* «Нагрузки и воздействия».  Прогиб изгибаемого элемента определяется по формуле

f = f₀ ( 1 + c (h / L)²) / k ,    ( 7.1. )

где f₀  - прогиб, определяемый обычным способом;  коэффициент  k  учитывает влияние переменности высоты сечения балки; коэффициент   c  учитывает влияние сдвига  (касательных напряжений) на величину прогиба. Коэффициенты k и c определяются по табл.3 прил.4 СНиП II-25-80 в зависимости от формы балки и типа нагрузки. Формула ( 7.1. ) является непосредственным следствием известной формулы Мора для определения перемещений стержневых систем :

ò_L M₁M _q dx / EI  +  ò_L Q₁Q _q dx / GA  + ò_L N₁N _q dx / EA.

Учет второго слагаемого является особенностью деревянных конструкций вследствие их малой сдвиговой жесткости и анизотропной структуры. Для сравнения, для большинства изотропных материалов G » E / 2(1+m),  а для древесины G =500 МПа »  E / 20.

                Особо следует подчеркнуть, что при длительной выдержке под расчетной нагрузкой величина прогибов может достигать очень больших значений.

Косой изгиб.

 

В условиях косого изгиба , т. е . изгиба относительно плоскости, несовпадающей с главными осями инерции сечения, работают прогоны и обрешетка скатных крыш. Фактически в этих случаях присутствует некоторая доля кручения, которой пренебрегают и условно переносят ось приложения силы с кромки элемента на ось центра тяжести его сечения. Очевидно, что наиболее напряженными являются угловые точки сечения. Раскладывая  нагрузку на нормальную и касательную составляющие, определяют усилия и прогиб элемента :

s = M_x / W_x + M_y / W_y £ R_c ;

f  =  Ö``( f²_x + f² _y )  £ [ f/L ] .

 

4.4 Для сжато-изогнутых и внецентренно-сжатых элементов характерно одно и то же напряженное состояние: все три усилия M, Q и  N,  - не равны нулю. К сжато-изогнутым элементам относятся различные типы арок, рам и колонн.

Работа сжато-изгибаемых деревянных элементов характеризуется:

·      достаточно высокой прочностью и жесткостью: нормативно-расчетные характеристики (R _и, R _с , E ) - такие же, как и при изгибе

·      достаточно высокой надежностью (показатели надежности и влияния длительности действия нагрузки - такие же, как и при изгибе).

·      нелинейностью зависимости «нагрузка - напряжения (деформации)» даже в пределах линейно-упругой работы материала.

Характер разрушения и характеристика предельного состояния.  Существует два варианта достижения предельного состояния для сжато-изогнутых деревянных элементов.

Вариант 1. Разрушение наступает как и при обычном изгибе вследствие достижения на кромках предельных деформаций сжатия или растяжения.

Вариант 2. Разрушение наступает вследствие потери элементом своей устойчивой формы. Другими словами еще до развития на кромках предельных деформаций элемент стремится принять новую форму равновесия, что в итоге, приводит к изменению напряженного состояния и более быстрому разрушению. Обычно это явление связано с развитием неупругих деформаций и называется «потеря устойчивости второго рода» в отличие от «потери устойчивости первого рода», связанной с бифуркацией, т.е. внезапным изменением формы стержня и сохранением для него нескольких возможных форм равновесия

Сводка основных расчетных формул:

·      проверка прочности (и, - одновременно - устойчивости в плоскости конструкции ) на действие нормальных напряжений

M_деф / W_расч + N_деф / A £ R _и m_i /_ ,

где M_деф и N_деф-  расчетные усилия, определенные в деформированной расчетной схеме (подробнее - ниже)

·      проверка прочности на действие касательных напряжений

 = Q_деф S / (I b) £ R _ск  m_i /_

·      проверка устойчивости плоской формы деформирования

M / M_cr  +  N /  N_cr £ 1.

Оценку деформативности сжато-изгибаемых элементов не выполняют. Косвенно деформативность стержней ограничена  величиной предельной гибкости  [ ] = 120.

4.6.Смятие (СЖАТИЕ) поперек и под углом к волокнам имеет место в соединениях деревянных конструкций. Различают три основных вида смятия древесины:

	смятие по всей поверхности Rсм90 = 1.8 МПа
	смятие на части длины (опирание балки на колонну) Rсм90 = 3-4 МПа
	смятие на части поверхности (смятие под шайбой) Rсм90 = 4 МПа

В последнем случае прочность наибольшая и это объясняют вовлечением в работу смежных ненагруженных волокон древесины.

4.7. Скалывание древесины

 Скалывание (сдвиг) древесины относится к наиболее неблагоприятным видам работы древесины. Временное сопротивление древесины на скалывание равно МПа, а расчетное сопротивление R_ск = 0,7 - 2 МПа. Различают скалывание древесины в соединениях и скалывание при изгибе. Кроме того, скалывание в соединениях может быть односторонним и двусторонним. В расчетных формулах учитывается то обстоятельство, что сдвиг в соединениях как правило сопровождается гораздо более сложным напряженным состоянием и, в частности, дополнительное воздействие нормальных напряжений, возникающих в зоне скалывания, учитывается введением в расчетные формулы отношения L_ск / e , где e - эксцентриситет действия сдвигающих сил. Коэффициент  учитывает вид скалывания: односторонний (более неравномерное распределение напряжений, ) и двусторонний.Оценка прочности при скалывании при изгибе производится по известной формуле Д.И. Журавского

τ= Q S / ( J b )< R_ск .

Оценка прочности на скалывание в соединениях производится по формуле

τ = T / А _ск < R_{ск , ср ,}

 где R_{ск , ср} - среднее значение сопротивления скалывания определяется по формуле

 R_{ск , ср} = R_ск / ( 1 + L_ск / e ),

 а сопротивление скалыванию под произвольным углом

 R_{ск } =R_ск / ( 1 + (R_ск / R_см90 - 1)sin³  ).

В целом данный вид напряженного состояния относится к неблагоприятным видам работы древесины и характеризуется повышенной деформативностью (рис. 6.9). Основные зависимости:

Для сопротивления под произвольным угломнапример,врубки

 R_{см } =R_с / ( 1 + (R_с / R_см90 - 1)sin³  )

Для сопротивления поперек волокон на части длины

 R_см90,loc = R_см90 ( 1 + 8 / ( L_см + 1.2) ) (см)

 Оценка прочности при смятии производится по формуле

 N / A _см < R_{см }

5. Классификация соединений деревянных конструкций

Конструкции  соединений деревянных конструкций прошли путь от простейших видов (врубки) до сложных современных видов (нагельные пластинки, вклеенные стержни) и продолжают совершенствоваться. Вопросы  конструктивных решений соединений и  их теоретического обоснования по-прежнему актуальны, поскольку именно на стыки деревянных конструкций приходится значительная доля затрат  материалов и труда.

Увеличение заготовок по длине называется сращиванием. Увеличение заготовок по сечению называется сплачиванием. Соединения деревянных конструкций классифицируют по различным признакам. Например, по виду работы элемента и работы самой связи (соединения на растянутых связях, соединения на податливых связях).

Принято различать три группы соединений деревянных конструкций:

1.    Контактные соединения (без использования рабочих механических связей: врубки и другие соединения «впритык»)

2.    Соединения с использованием механических связей (нагельные: болтовые, гвоздевые; шпоночные, соединения на шайбах, нагельных пластинках и т.п.)

3.    Клеевые соединения и соединения комбинированного типа

Требования к соединениям

1.    Надежность. В частности, рекомендуется сводить к минимуму неблагоприятные (ненадежные) виды  работы древесины в соединениях (работа древесины на скалывание, смятие поперек волокон, растяжение поперек волокон). С понятием надежности тесно связан так называемый принцип дробности: «чем мельче связи и чем их больше, тем выше надежность соединения». Другими словами, десять болтов маленького диаметра предпочтительнее одного болта при одинаковых затратах металла, так как в первом случае древесина работает в основном на смятие («надежный» вид работы древесины), а во втором случае - на сдвиг («ненадежный» вид работы древесины )

2.    Прочность. В частности, стремление к равнопрочности с основной частью конструкции, к отсутствию ослаблений  (отверстия) в сечении.

3.    Снижение трудоемкости при изготовлении и монтаже конструкций (технологичность)

4.    Деформативность. Например, в контактных соединениях величина предельной деформации смятия ограничена

 

5.1 СОЕДИНЕНИЕ НА ВРУБКАХ

Одним из первых (исторически) соединением деревянных элементов являются врубки. В настоящее время они практически не применяются в реальном строительстве, но часто встречаются при реконструкции зданий. Врубки нельзя отнести к надежным видам соединений, поскольку в этих соединениях древесина работает в основном на сдвиг и смятие, и, кроме того, ослабляются сечения элементов.

Рис. 9.6. Лобовая врубка “с одним зубом”

Узел рекомендуется центрировать по сечению «нетто», чтобы в опасном сечении не было изгибающего момента от эксцентриситета нормальной силы.

Разрушение  лобовой врубки может произойти либо от скалывания «зуба», либо от смятия древесины пояса, либо в результате разрыва ослабленного врубкой пояса. Соответственно возможным видам разрушения выполняют следующие проверки прочности.

1.    Оценка прочности древесины пояса на смятие под углом к волокнам

s _см = N / A _см  £  R _см,a 

Предельная деформация во врубках [d] = 1.5 мм. Глубина врубки не должна превышать h _вр £ 1/3 h _br

2.    Оценка прочности древесины пояса на скалывание (одностороннее скалывание)

s _ск = Ncos g / A _ск  £  R _ск =  R_ск,ср / (1+ bL/e) ,     b = 0,25, A _ск = b· l _ск

3.    Оценка прочности ослабленного врубкой сечения пояса на центральное или внецентренное растяжение

s _р = N / A _нт  £  R _р  (при центральном растяжении)

 

5.2 СОЕДИНЕНИЯ НА ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ НАГЕЛЯХ

Нагелем называется гибкий стержень или пластинка, который препятствует сдвигу элементов, а сам при этом работает на изгиб. Древесина под нагелем подвергается неравномерному смятию. Равновесие соединения обеспечивается равенством моментов.

T₁e₁ = T₂e_2.

Нагельное соединение - безраспорное, т.е. отсутствуют силы, действующие перпендикулярно шву. В качестве нагелей могут быть использованы болты, гвозди, шурупы, винты, «глухари»  («несквозные» винты, которые устанавливаются с помощью гаечного ключа), пластинки из металла или твердой древесины (пластинчатые нагели). Для каждого типа связи характерно большое их разнообразие.

Рис. 10.1. Нагельное соединение. Общий вид (а); напряженное состояние по толщине элементов (б) и в нагельном гнезде (в)

Рис. 10.3. Требования к расстановке нагелей

Болты (обычно металлические М12-М27), вставляются в предварительно просверленные отверстия и являются болтами нормальной точности. Напряженное состояние болтолвых соединений характеризуется изгибом нагелей и смятием древесины. Для более гибких нагелей характерна большая неравномерность напряжений в древесине. Для того, чтобы не происходило скалывания или раскалывания древесины, нормы проектирования ограничивают расстояния между нагелями (рис.10.3 ). При соблюдении нормативных расстояний между нагелями проверка на скалывание древесины - не требуется (т.е. гарантируется прочность соединения на скалывание древесины). Работа сил трения в соединениях деревянных элементов - не учитывается в силу невозможности обеспечить постоянную плотность соединения (усушка, обмятие древесины). Рекомендуется использовать четное число рядов нагелей с тем, чтобы средние нагели не попадали на  возможную сердцевинную усушечную трещину.

Расчетное количество нагелей определяется по формуле

n = T / (m T_min),

где m - число «срезов» (правильнее говорить - число плоскостей сдвига одного нагеля);

 T_min  - минимальная расчетная несущая способность одного «условного среза» одного нагеля. Это значение определяется как наименьшая величина  из условий смятия древесины и изгиба нагеля с учетом вида нагеля (пластиковый или металлический) и типа соединения (симметричное, несиметричное). Например для симметричного «двухсрезного» нагельного соединения расчетные формулы имеют вид:

                                                            ì0,5 сd (смятие среднего элемента)

T_min  =   í  0,8 ad  (смятие крайнего элемента

Особенность данной формулы - наглядное  и простое отражение физического смысла задачи. Размерность a и  d -  [см]. Размерность усилия T_min  - [кН].  Если усилие направлено под углом к волокнам древесины, расчетное усилие следует корректировать умножением на поправочный коэффициент k_a или Ö k_a (при изгибе). Чем меньше диаметр нагеля, тем меньше влияние k_a . В частности для гвоздей коэффициент k_a = 1.

 Расчетные формулы СНиП получены из рассмотрения расчетной схемы нагельного соединения как балки (нагель) на упруго-пластическом однородном основании с постоянным коэффициентом податливости («коэффициент постели»)[1]. Введенные гипотезы:

*       Отношение полной деформации к ее упругой составляющей принятоd_полн /d_упр = 2.

*                    Ось нагеля остается прямолинейной

*      Эпюры напряжений и деформаций в предельном состоянии задаются  (рис.  10.5   )

*       Предельная расчетная деформация сдвига -  2 мм

Рис. 10.5. Расчетная схема и расчетные эпюры в нагельном соединении

В итоге получены следующие расчетные формулы:

                                  ì T_см  =   k₂ сd R _см (смятие среднего элемента)

T_min  =   í T_см  =   0,8 k₁ ad R _см  (смятие крайнего элемента)

             î T_изг  =   k_изг d² R _изг R _см + k₃ a² R _см      (изгиб нагеля

В формулах коэффициенты k зависят от деформационных характеристик стали и древесины (модули упругости) и типа соединения (с накладками, несимметричное и т.п.).

Работа и расчет многонагельных соединений до настоящего времени мало отражены в нормативных документах.

5.3. ГВОЗДЕВЫЕ СОЕДИНЕНИЯ

       Особенности работы гвоздей (как нагелей) связаны с тем, что при забивке гвоздя древесина уплотняется и повышается опасность ее раскалывания. По сути, гвоздевые соединения являются предварительно-напряженными.

Особенности проектирования гвоздевых соединений следующие:

* увеличены нормативные расстояния между гвоздями (вдоль волокон до 15d-25 d, поперек волокон  до  4d);

*        учет расчетной глубины защемления гвоздя a _расч (пробивает или не пробивает пакет , рис. 10.6);

*        коэффициент K_a = 1 в силу малости диаметра гвоздя-нагеля (до 6 мм).

*        видоизменена формула для расчета нагелей-гвоздей на изгиб

T_изг  = 2.5 d² + 0,01 a²                       (изгиб нагеля-гвоздя)

5.4.Соединения на шпонках, шайбах шпоночного типа, нагельных пластинах и на растянутых связях

Шпонки - это твердые вкладыши, которые препятствуют сдвигу сплачиваемых элементов. При этом сами шпонки и древесина сплачиваемых элементов работают преимущественно на неблагопрятные виды воздействия: скалывание и смятие. Другой недостаток этих соединений - возникающий распор, требующий постановки дополнительных рабочих связей (стяжные болты) (рис. 10.7 ).

Рис. 10.7. Соединение на шпонках

Шайбы шпоночного типа - используются в узловых соединениях дощатых конструкций (рис. 10.8). Усилие от узлового стяжного болта передается на шайбу и далее, рассредоточенно на сплачиваемые элементы. Недостатки данных соединений: хрупкость и внезапность разрушения (не соблюдается принцип дробности), необходимость постановки стяжных болтов, работа древесины на неблагоприятные виды воздействия, влияние усушки-разбухания. Различные модификации шайб показаны на рис.  10.8. в узловых соединениях дощатых конструкций в сочетании с узловым болтом. Обладают большой несущей способностью (при диаметре 15 см  несущая способность - 3т) при обеспечении вязко-упругой работы древесины. Их преимущество - в создании предпосылок для индустриального изготовления отдельных элементов.

 

Рис. 10.8. Соединение на шайбах шпоночного типа. Общий вид (а). Модификации шайб (тарельчатая, кольцевая, зубчато-кольцевая

 

Нагельные пластинки  - высокоиндустриальный тип соединения, широко используемый в настоящее время. Основные модификации:

·      металлические зубчатые пластинки (МЗП)

·      нагельные пластинки типа «Мениг» и «Грейм»

·      нагельные пластинки с цилиндрическими нагелями

Металлическая зубчатая пластинка (МЗП) представляет собой штампованную тонкую пластинку из оцинкованной стали  (t=1,2-2 мм) с выштампованными зубьями различной формы. Пластинки вдавливаются с двух сторон в древесину, обеспечивая неразъемное соединение. Используются для соединения дощатых элементов в узлах, а также для их наращивания и сплачивания (увеличение сечения). При расчете сквозных конструкций на МЗП принимается расчетная схема с примыкающими шарнирами (решетка к поясам). Несущая способность соединения на МЗП обеспечивается площадью пластинки на данном элементе, а также прочностью пластинки на сдвиг в узле и на растяжение по ослабленному сечению.

 

Нагельные пластинки типа «Мениг» и «Грейм» представляют собой тонкие металлические пластинки, вставляемые в прорези деревянных элементов и «прошитые» большим количеством часто поставленных нагелей (рис. 10.11). Трудоемкость изготовления и требование к точности обработки материалов компенсируется высокой несущей способностью и надежностью данного соединения за счет большого числа плоскостей сдвига и соблюдения «принципа дробности».

 

Нагельные пластинки с цилиндрическими нагелями (Ю.В.Пискунов) показаны на рис. 10.12. Эти пластинки используются для сплачивания элементов и с  их помощью образуются конструкции на податливых связях (см. след. параграф).

5.7 Клеевые соединения

деревянных конструкций являются наиболее индустриальным и надежным средством как при сплачивании, так и при сращивании изделий, а также при устройстве узлов. Появление сравнительно недорогих водостойких синтетических клеев привело к образованию фактически нового материала - клееной или ламинированной древесины, обладающей более стабильными характеристиками по сравнению с натуральной древесиной и превосходящей ее по возможностям образования практически любой формы и длины конструкции и формы поперечного сечения.

Как показывают исследования клеенных изгибаемых элементов, сдвиги происходят не в швах, а в толще склеиваемых слоев. Величина сдвигов незначительна, и в обычных расчетах слоистость клееных конструкций не учитывается, т.е они рассчитываются как изделия «монолитные» и сплошные. Прочность клеевого соединения на сдвиг превосходит прочность древесины, т.е. возможное разрушение должно происходить по древесине.

Виды и свойства клеев.

Клей должен обеспечивать достаточную прочность, долговечность, быть водостойким и грибоустойчивым, непожароопасным, безвредным, а также удобным в употреблении.

До появления синтетических клеев в столярном производстве использовались водорастворимые клеи растительного и животного происхождения. Порошок клея смешивался с водой и наносился на поверхность детали. При испарении воды образуется достаточно прочная клеевая прослойка. Из этой группы клеев наибольший интерес представляют казеиновые клеи. Их основа - технический казеин, - обезжиренный, размельченный и высушенный творог, обработанный щелочью. Для повышения водостойкости и грибоустойчивости в водный раствор клея добавляют немного цемента. Такой клей можно использовать в конструкциях, не подвергающихся систематическому и длительному увлажнению.

Основными клеями для промышленного производства деревянных конструкций являются водостойкие клеи на синтетической основе. В основе большинства клеев лежат термореактивные фенолоформальдегидные или резорцинформальдегидные смолы. Затвердевание клея происходит или при нагревании до температуры t = 140 ^oC или в поле токов высокой частоты (3-5 мин.),  или при добавлении специальных отвердителей, что обычно и практикуется (холодное отверждение).

Клеи КБ-3 и СФХ. Одна из первых отечественных марок водостойких клеев. Основа - фенолоформальдегидная смола марки Б, получаемая при кипячении фенола и формалина. Отвердитель - невоспламеняющийся, вопреки своему названию, керосиновый контакт Петрова (смесь сульфокислот). Смола желто-коричневого цвета с характерным запахом. Водостоек. Склонен к растрескиванию и старению, особенно при избытке отвердителя. Выделения  свободного фенола  и формальдегида представляют опасность для экологии. В настоящее время не используется.

Клей ФР-12 - резорцинформальдегидный клей. Образуется заменой фенола на безвредный резорцин. Отвердитель - параформальдегид (белый порошок). Клеевой шов более эластичен и долговечен. Сравнительно дорогой. Применяется для наиболее ответственных конструкций.

Клей ФРФ-50 - фенольно-резорцинформальдегидный. Имеет небольшое содержание свободного фенола, но при этом клей значительно дешевле, чем ФР-12. Клей высокого качества и рекомендуется для большинства КДК.

Другие более дешевые виды водостойких клеев: алкилрезорциновые клеи ФР-100, ДФК-1-АМ, «Декон» (современная разработка).

Клеи ограниченной водостойкости: карбамидно-меламиновый КС-В-СК и карбамидные  марки КФ (отвердитель -10% раствор щавелевой кислоты - при  холодном склеивании или 1% раствор хлористого аммония - при горячем склеивании) .

Эпоксидные клеи, например клей ЭПЦ-1, используются для склеивания древесины с металлом. Для склеивания древесины используются редко вследствие повышенной вязкости и дороговизны. Их отличительная особенность - малая усадка.

 

5.8. Соединения на вклеенных стержнях и клеестальных шайбах.

В последнее время большое применение находят соединения при помощи вклеенных в древесину  винтов и арматурных стержней. Обычно используют арматуру периодического профиля классов AII и AIII и эпокидно-цементный компаунд на основе смолы ЭД20. Их применение - универсально и эффективно. Это может быть усиление опорных частей конструкций и улучшение их эксплуатационных качеств, а также создание жестких и равнопрочных (в том числе - монтажных) узлов в стержневых и сплошностенчатых конструкциях. Исследования[2] показали, что наиболее надежная работа соединения происходит при вклеивании стержней под углом 30-40^о к волокнам. В этом случае большая часть волокон древесины вовлекается в работу, и, кроме того, воспринимаются усилия, действующие не только вдоль волокон. Процедура образования узла заключается в сверлении отверстий диаметром d_отв = d_стерж + 5мм, нанесения клея, сварки стержней и пластин с учетом возможной деструкции древесины и клея. Оценка прочности соединения определяется прочностью древесины на скалывание вдоль оси стержня и производится по формуле:

T £ R_s,a A_s k = kpR_s,a dL_{s, ef}

Коэффициент k учитывает неравномерность распределения усилий по длине стержня.

6.Конструкции с соединениями  на податливых связях

В том случае, когда конструкция состоит из отдельных частей, связанных друг с другом, например, механическими связями, воспринимающими сдвиг, ее называют конструкцией на податливых связях. Прочность и жесткость такой конструкции меньше, чем если бы она была конструкцией цельного сечения. Расчет конструкций на податливых связях выполняется по обычным формулам с введением понижающих сопротивление поправочных коэффициентов. Требуемое число связей определяют из условия восприятия сдвигающей силы.

7 НАСТИЛЫ И ОБРЕШЕТКИ

Настилы и обрешетка. Сплошные дощатые настилы и обрешетка укладываются по прогонам покрытия и являются основанием для рулонной (в первом случае) или штучной кровли (шифер, металл, черепица). Их недостаток - повышенный расход материала и возможность загнивания в рулонных покрытиях. Дощатый двойной сплошной или разреженный настил представляет собой два слоя досок, соединяемых вразбежку гвоздями с соблюдением правил постановки гвоздей. Нижний разреженный слой из более толстых и  антисептированных досок  является рабочим, и его толщина назначается по расчету на изгиб настила как двухпролетной неразрезной балки. Верхний сплошной слой - защитный настил - устраивается из тонких досок толщиной 1,2-2,0 см и шириной 10 см под углом 45 градусов по отношению к рабочему настилу. Защитный настил обеспечивает совместную работу досок рабочего настила, защищает рулонное покрытие от разрывов при короблении рабочего настила и пространственную жесткость покрытия (в этом случае не нужны связи в покрытии). Возможно устройство  одиночного  настила с подкрепляющими диагональными нижними брусками.

Обрешетка представляет собой бруски, поставленные с частым шагом, соответствующим размерам элемента покрытия. Например, при использовании асбестоцементных унифицированных листов волнистого профиля марки УВ 7.5-1750 шаг обрешетки - 500 мм .Дощатый щит представляет собой сплошной дощатый настил под рулонную кровлю, подкрепленный поперечными и диагональными брусками для жесткости щита и покрытия в целом. Щит-обрешетка представляет собой систему брусков подкрепленных поперечными и диагональными брусками.

Расчет настилов и обрешетки производят из условия изгиба по расчетной схеме двухпролетной неразрезной балки при двух основных сочетаниях нагрузки (рис. 12.3):

1.    собственный вес покрытия и снеговая нагрузка

M = qL² / 8 ;

f = 5 q_n L⁴ /(384 EJ) .

2.    постоянная нагрузка g  и монтажная  (P_n = 100 кг - условный вес человека) в наиболее неблагоприятном месте приложения. Сосредоточенный  груз распределяется на ширину 50 см при сплошном настиле, на одну доску при шаге более 150 мм и на две доски при шаге менее 150 мм. Рабочий настил рассчитывают только на действие нормальной составляющей нагрузки. При расчете обрешетки следует принимать во внимание ее работу на косой изгиб в скатных крышах. Диагональные бруски и их гвоздевые соединения рассчитывают на восприятие скатной составляющей усилия как фермы.

M = 0.07 gL²  + 0.207 PL  (при x = 0.432L).

Рис. 12.3. Расчетная схема настила и обрешетки

 

 

 

 

 

 

 

7.2. Прогонами обычно называют балки направленные вдоль оси здания. Различают прогоны разрезные, консольно-балочные, неразрезные.  Разрезные прогоны представляют собой балку цельнодеревянную или клееную и работают на изгиб в своей плоскости или на косой изгиб. Консольно-балочные прогоны представляют собой неразрезную статически-определимую балку с промежуточными шарнирами. Возможны две схемы постановки шарниров. Предпочтительнее схема  с внутренним расположением шарниров, так как система с последовательным расположением шарниров при выходе из строя одного из шарниров превращается в механизм. Крайний шаг балок уменьшают с целью выравнивания изгибающих моментов. В зависимости от постановки шарниров различают равномоментную схему и равнопрогибную  (рис. 12.4).

Рис. 12.4. Прогоны. Крепление прогона к несущей конструкции (а). Общий вид и расчетные схемы и усилия в прогонах консольно-балочного типа (б). Прогоны спаренного типА

 

            Прогоны спаренного типа состоят из двух сплоченных гвоздями досок. В местах обрыва досок гвозди должны быть рассчитаны на восприятие поперечной силы в узле

Q = M / (2 x).

Спаренные прогоны устраивают по равнопрогибной схеме, обрывая доски в местах «нулевых» изгибающих моментов. Скатную составляющую спаренные прогоны не воспринимают. В этом случае либо применяют  жесткий дощатый диск покрытия, либо устраивают дополнительное раскрепление в плоскости покрытия.

7.3.-7.4. Клеефанерные балки с плоскими стенками[3]

Конструкция. Клеефанерные балки  (рис. 15.1) состоят из дощатых поясов, фанерных стенок, ребер жесткости. Сопряжение стенок и поясов - клеевое. Фанерная стенка (фанера марки ФСФ) предварительно раскраивается и соединяется по длине «на ус». В местах швов устанавливаются ребра жесткости, которые обеспечивают устойчивость фанерной стенки. При компоновке сечения следует учитывать стандартные размеры фанерных листов и пиломатериалов. В местах примыкания к стенкам деревянные пояса имеют компенсационные пазы (для снятия температурно-влажностных деформаций). Ориентация волокон в наружных слоях стенки, как правило, соответствует направлению основного силового потока.

Рис. 15.1. Клеефанерная балка с плоскими стенками. Общий вид

Обычно используют следующие соотношения при предварительном назначении размеров балки:  h = 1/8-1/12 L; b/h = 1/5-1/7; h_п/h = 1/5-1/6 .

Расчет. Особенностью проектирования клеефанерных балок является их расчет по приведенным геометрическим характеристикам, поскольку они состоят из разномодульных, хотя и родственных материалов. «Приведение» выполняется к наиболее напряженному  материалу. В процессе «приведения» фанера, например, заменяется эквивалентным по жесткости количеством древесины:

A _пр,д = A_д + A _ф 1,2E _ф /E_д   ; J пр = Jд + J ф 1,2E ф /Eд

   Коэффициент 1.2 учитывает увеличение жесткости фанерного листа при изгибе в своей плоскости.

Конструкцию с  закомпонованным  предварительно сечением следует проверить на прочность, устойчивость и жесткость. В общем случае имеют место 7 проверок  (рис. 15.2).

Рис. 15.2. Места возможных разрушений двускатной фанерной балки с плоскими стенками и места соответствующих проверок

n Проверка прочности на действие наибольших нормальных растягивающих  напряжений. Проверка выполняется в опасном сечении

s = M_расч / W_{прив.расч} £ R _ф,р m_сл ... m_ф / g_n

Коэффициент m_ф = 0,8 учитывает ослабление сечение стенки  в вертикальном шве.

Положение опасного сечения x определяется из уравнения

d/dx [ M(x) / W(x) ] = 0;

Для двускатной балки с симметричным сечением и равномерной нагрузкой

x =Ö [ g (1 +g ) -g ]L ; g = h _оп / L_i

n Проверка прочности на действие касательных напряжений в стенке (срез) производится в сечении с наибольшим значением поперечной силы  (обычно, в опорном сечении, рис. 15.3) по формуле

 = QS_{прив, п с} / (J_прив S t) £ R _ф, _ср  ,                           (R _ф, _ср    » 6 МПа  )

где Q - расчетное (обычно - наибольшее) значение поперечной силы, S_{прив, пс} - статический момент сдвигаемой части сечения (половина сечения относительно оси X), S t  - расчетное значение ширины сечения в том месте, где определяются напряжения.

n Проверка прочности на действие касательных напряжений в зоне контакта стенки и пояса (сдвиг пояса относительно стенки, рис. 15.3) производится в сечении с наибольшим значением поперечной силы  (обычно, в опорном сечении) по условной[4] формуле

 = QS_{прив, п} / (J_прив S h_п) £ R _ф, _ск  ,                           (R _ф, _ск    » 0,8 МПа  )

где Q - расчетное (обычно - наибольшее) значение поперечной силы, S_{прив, п} - статический момент сдвигаемой части сечения (сдвиг пояса относительно оси X), S h_п - суммарная расчетная длина клеевых швов между поясами и стенкой. Смысл данной проверки заключается в том, что меньшие по значению напряжения могут привести к разрушению, поскольку и прочность материала в данном месте ниже. Из рассмотрения структуры формулы очевидно, что увеличение числа швов (S h_п) приводит к увеличению прочности. Поэтому так называемое двутаврово-коробчатое сечение имеет преимущество перед коробчатым

Рис. 15.3. К расчету балки на действие касательных напряжений

n Проверка общей устойчивости балки выполняется в опасном сечении x. При этом оценивается устойчивость верхнего (сжатого) пояса как на продольный изгиб (без учета подкрепления стенкой и неравномерности распределения усилия по длине пояса), рис. 15.4

s = M_расч / W_{прив.расч} £ j_y R _ф,р m_сл ... m_ф / g_n ,

j_y= 3000 / l² _y  или j_y= 1- 0,8 (l _y  / 100) ² , l _y = L _y / i _y = L _y / 0.29b .

Очевидно, что увеличение размера b повышает устойчивость балки.

 

Рис. 15.4. К расчету балки на устойчивость плоской формы деформирования

 

n Проверка местной устойчивости фанерной стенки от совместного действия изгиба и сдвига (рис. 15.5) производится в нескольких отсеках фанерной стенки, обычно - ближних к опоре, на уровне границы пояса и стенки в сжатой зоне:

s_ст /s_cr + t _ст / t _cr  £  1   или

s _ст /k_s (100t / h_ст)² + t _ст / k_t (100t / h_расч)² £ 1

Рис. 15.5. К расчету балки на устойчивость стенки

n Проверка прочности на действие нормальных напряжений в стенке, направленных под углом к волокнам фанеры (рис. 15.6) выполняется в нескольких расчетных сечениях, которые совмещают со швами стенки. Проверка выполняется в растянутой зоне на уровне границы пояса и стенки. Суть проверки заключается в том, что меньшие по величине напряжения способны вызвать разрушение в том случае, когда прочность материала в данном направлении меньше. Проверка выполняется по классическим формулам сопротивления материалов:

s_ст / 2 + Ö [ (s_ст / 2 )²+  t _ст² ] £  R _ф,р,a m_ф / g_n ,

a = 0,5 arctg (2t _ст /  _ст);

Рис. 15.6. К расчету балки на действие нормальных напряжений, направленных под углом к волокнам (на действие главных напряжений)

n Проверка жесткости балки заключается в выполнении соотношения

f / L £ [f / L] ,

где  [f_max / L]  - предельный относительный прогиб.  Прогиб балки  определяется по формуле

f = f₀ ( 1 + c (h / L)²) / k ,  

где f₀  - прогиб, определяемый обычным способом;  коэффициент  k  учитывает влияние переменности высоты и формы сечения балки; коэффициент   c  учитывает влияние сдвига  на величину прогиба (до 50 %).

Клеефанерные балки с волнистыми стенками

Фанерные балки с волнистой стенкой (вертикальный гофр) имеют преимущество в высокоиндустриальном способе их изготовления. Общий вид и детали устройства - см. рис. 15.7. Особенность расчета данных балок связана с тем, что стенка, в силу своей волнистости, не способна воспринимать нормальные напряжения. Поэтому балка рассчитывается как конструкция на податливых связях. Кроме основных проверок на прочность  поясов и  жесткость балки выполняются проверки устойчивости волнообразной стенки в опорном сечении и проверка прочности по линии контакта пояса и стенки.

 

8. АРКИ

Арками иногда называют «трехшарнирную распорную систему», состоящую из прямолинейных элементов. Однако чаще к аркам относят криволинейные клееные конструкции. Арки могут быть, двухшарнирные и трехшарнирные (чаще).  Очертание арки может быть  круговое, параболическое, эллиптическое, стрельчатое (обычно - для складов сыпучих материалов). Распор может восприниматься затяжкой (чаще - металлической) или передаваться на нижележащие конструкции (фундаменты, контрфорсы).

Эффективность арок возрастает при увеличении перекрываемого пространства. Пролеты клееных арок - обычно 24-60 м, нередко - свыше 100м . Арки используют при перекрытии ледовых арен, бассейнов, спортивных корпусов, рынков, складов. Ввиду высокой эстетической выразительности арок, в последнее время их стали применять даже в индивидуальном жилом строительстве.

При больших пролетах возникает необходимость транспортирования крупных клееных блоков и устройства монтажных стыков. Наиболее эффективный способ соединения - с использованием вклеенных в древесину арматурных стержней.

Методика расчета арок и рам:

·      определение геометрии системы (пролет, высота арки, кривизна оси, расстановка связей и т.п.)

·      определение  нагрузок (постоянные, временные длительные и кратковременные)

·      определение усилий от различных видов нагрузок. Для стрельчатых арок наибольшую долю усилий дают нагрузки от действия ветра. Во всех случаях следует рассматривать несимметричное приложение нагрузок, что вызывает наибольшие значения изгибающих моментов. Равномерная нагрузка обычно приводит к возникновению наибольшей нормальной силы.

·      определение расчетных сочетаний усилий. Обычно это изгибающий момент и соответствующая ему в сечении нормальная сила [ M и  N_соотв]. Сочетания определяют на основания сводной таблицы усилий. В общем случае рассматривают несколько расчетных сочетаний: для положительного и отрицательного значений момента (иногда меньший по абсолютной величине  изгибающий момент может привести к потере устойчивости плоской формы деформирования); для наибольшей нормальной силы и т.п.

·      проверки арки или рамы принятого сечения как сжато-изгибаемого элемента. Краткая сводка расчетных формул приведена ниже.

1. Прочность по нормальным напряжениям

s = M_деф / W_расч + N_деф / A £  R _и m_i /g₀ ,

M_деф = M_q / x ,

x = 1 - N /  N _cr = 1 - N /( k_жNx j_x RA ),   (N - в ключевом шарнире)

j _x = 3000 / l²_x (при любой гибкости)

l_x £ 120 .

 l_x = L_ef / i_x   ;    i_x= 0,58S (при симметричном нагружении)

i_x= 0,5S (при несимметричном нагружении и при расчете стрельчатой арки)

2. Прочность по касательным напряжениям

 t  = Q_деф S / (I b)  = Q_q S / (x I b)  £  R _ск  m_i /g₀  

3. Устойчивость плоской формы деформирования при совместном действии M и N

(M / M_cr)ⁿ +  N /  N_cr £ 1, или

(M / (j_М k_жМ k_пМ RW ))ⁿ  +  N / (j_y k_жNy k_пN RA) £ 1,

j_М = 140 b² k_ф / ( L_ef h ),

j_y= 3000 / l²_y  ,

4.   Устойчивость плоской формы деформирования при действии только N

N / A_расч <j _y R_с ,

j _y = 3000 / l² _y при   l _y > 70 ,                                             j _y =   1 - (0.8 l _y /100) ²  при  l _y < 70 .                               

·      Конструирование узлов  арки или рамы (опорный, карнизный, коньковый, примыкание связей и ограждающих конструкций, фахверка и т.п.).

9. РАМЫ

Основные конструктивные формы рам показаны на рис.16.4 и рис. 16.5 (фото). Рамы могут быть двухшарнирные и трехшарнирные (чаще). Распор может восприниматься затяжкой (чаще - металлической) или передаваться на нижележащие конструкции (фундаменты, контрфорсы). Форма рамы во многом определяется решением карнизного узла. Рамы с гнутоклееной вставкой имеют преимущество из-за того, что в карнизном узле, где действуют наибольшие усилия, нет стыкового соединения, ослабляющего сечение. В отличие от арок для рам характерно использование прямолинейных блоков переменной высоты сечения. Изгибающий момент в рамах, как правило, больше, чем в арках. Характерные для рам эпюры усилий приведены на рис. 16.6.

Пролеты клееных рам - обычно 18-24 м, известны примеры до  60 м . Рамы используют при перекрытии ледовых арен, бассейнов, спортивных корпусов, рынков, павильонов, складов.

Методики  расчета рам и арок примерно одинаковы.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 16.6. Характерные эпюры усилий в рамах

 

 

 

 

Особенности расчета элементов большой кривизны и элементов, соединенных под углом друг к другу

         Обычно в  рамах элементы большой кривизны (h/r ³ 1/7) и элементы, соединенные «на зубчатый шип» под углом друг к другу,  расположены в зоне действия наибольших усилий (М). Усилия в таких соединениях распределены иначе, чем обычно. Следует корректировать значения тангенциальных нормальных напряжений и вычислять радиальные нормальные напряжения. Соответственно в расчетные формулы вводятся поправочные коэффициенты.

Узлы арок и рам

В арках и рамах выделяют и рассчитывают следующие узловые соединения: монтажные соединения кленых крупных блоков;  коньковые узлы (их конструкция одинакова для арок и рам); карнизные узлы (для рам); опорные узлы для арок и для рам. Конструкции некоторых узлов показаны на рис. 16.4.

                При выборе конструкции узлов следует стремиться к тому чтобы древесина в минимальной степени работала на неблагоприятные воздействия (скалывание, смятие и разрыв под углом к волокнам), к надежности и простоте устройства соединения, четкости и определенности в расчетной схеме. Рекомендуется учитывать особенности  многоболтловых соединений и наличие местных напряжений в опорных частях. В частности, неточный учет сложного характера распределения местных напряжений приводил к разрушениям «треугольных арок» в опорных узлах. В настоящее время предпочтение имеют узлы с цилиндрическим или плиточным шарниром, обеспечивающие достаточную надежность и соответствие принятой расчетной схеме.

                При конструировании узлов первоначально следует определить расчетные усилия в соединении. При расчете опорных узлов наибольшие усилия обычно возникают при действии полной равномерной нагрузки. При расчете коньковых  узлов наибольшая нормальная сила возникает при действии равномерной нагрузки, а наибольшая сила сдвига возникает при действии несимметричной нагрузки.

                Рассмотрим наиболее распространенные узлы рам.

В опорном узле следует определить по расчету:

·      площадь опирания рамы на фундамент

·      высоту площадки смятия силой H (распор)

h = H / [ R_см90 bx ]

·      толщину вертикальной пластины, воспринимаюЩей распор из условия ее изгиба

·      толщину горизонтальной пластины, воспринимающей отпорное давление со стороны  фундамента, из условия ее изгиба

·      диаметр и количество анкерных болтов из условия восприятия распора (срез болта или его смятие пластины под болтом)

n = H / N_min ; N_min = min { N = R_bs pd² /4A_b    или N = R_bp t d    }

В коньковом узле следует определить по расчету:

·      площадь торцевой части сечения   рамы из условия его смятия под углом к волокнам

·      толщины металлических пластинок из условий их изгиба или смятия под болтами

·      диаметр валикового шарнира из условия его среза или толщину плиточного шарнира из условия его изгиба

·      количество и диаметр болтов. Наибольшее усилие в болте

R_b = [ Q ez_max / (n b S z²)] ² + [Q / m_b] ²

·      сечение накладок (для деревянных) из условия их изгиба с учетом ослабления отверстиями для болтов

 

9.1.        Наиболее распространенная схема двухшарнирных рам - это стойки с опорным защемлением и ригели, шарнирно опертые на стойки. Такого рода конструкции находят применение в промышленном строительстве. В качестве колонн используются дощатоклеенные стойки постоянного или переменного сечения. Реже используются клеефанерные элементы и элементы на податливых связях. В качестве ригелей используют дощатоклееные балки или сквозные конструкции (см. след. раздел). Возможно  прикрепление подвесного кранового оборудования к балкам. Проектирование ригелей обычно выполняют без учета его работы в составе рамы только на вертикальные нагрузки .

10. ДЕРЕВЯННЫЕ СТОЙКИ

Расчетная схема двухшарнирной рамы показана на рис. 17.3. Расчет рамы можно упростить без большой погрешности, если принять ригель абсолютно жестким на изгиб при действии горизонтальных нагрузок  (EJ®¥). В этом случае ригель (балку) рассчитывают как обычно (без учета его работы в составе рамы), а усилия в стойках определяют как в консоли с учетом «отпорного» усилия со стороны ригеля:

x = 3H* (w_акт -w _пасс) /16 + 1* (W_акт -W _пасс) /2

После определения расчетных комбинаций усилий (M_{макс (миним)} , N_соотв; N_макс , M_соотв) определяют сечение колонны как сжато-изгибаемого стержня по обычной методике (см. лекцию 8). Значение гибкости колонны l_x следует задавать с учетом условий опирания верхней части колонны: l_x = 2,2 (при незакрепленном верхнем сечении колонны) и l_x = 1 (при раскреплении колонн поверху при помощи системы продольных горизонтальных связей). Как правило, требуется рассмотрение нескольких расчетных комбинаций усилий, учитывая, что меньший по значению изгибающий момент может привести к исчерпанию несущей способности элемента в случае большей расчетной длины.

         Для сравнительно малонагруженных колонн возможно использование узлов с нагельными соединениями или узлов с «перекрестными тягами». Для более ответственных случаев рекомендуется использовать соединения при помощи вклеенных стержней. В этом случае достигается большая жесткость и надежность соединения , а также его соответствие принятой расчетной схеме (жесткая заделка).

              При расчете опорных узлов в первую очередь определяют расчетные усилия. Следует помнить, что расчетное усилие N принимают только от действия постоянной нагрузки. Усилия в анкерных тяжах, пластинах, болтах определяют из условий равновесия: SY = 0; SM = 0 .

x = s_maxh /  (s + s _min) ;   N = M_д - N(h/2 - x/3 ) / ( h -s - x/3 ).

Дальнейший расчет элементов опорного узла сводится к оценке прочности растянутых и изгибаемых металлических элементов (тяжи, траверсы), подбору диаметра и количества болтов или анкерных стержней, проверке прочности древесины и бетона на скалывание и смятие, проверке прочности сварных соединений.

 

 

 

11. Трехслойные панели: конструкции, проектирование и расчет[5]

Слоистые (обычно - трехслойные) панели состоят из тонких наружных слоев, которые в основном работают на восприятие нормальных напряжений,  и среднего слоя,работающего в основном  на восприятие сдвига. Соединения между отдельными слоями: клей, шурупы, заклепки. Обшивки могут быть выполнены из металлических сплавов или полимерных листовых материалов, плоские и гофрированные. Утеплитель (конструкционный) - пенополиурентан, пенополистирол, сотовой структуры и др. Обрамление и ребра выполняют из древесины, фанеры, асбестоцементных  и металлических профилей.  Важное значение имеет исключение «мостиков холода» и решение соединений  панелей. Преимущества панелей: высокое качество, связанное с заводским изготовлением, малый вес. Недостатки: высокая стоимость, низкая огнестойкость (при использовании пенопластов)

В силу большого разнообразия слоистых панелей, их условно, в зависимости от соотношения изгибных жесткостей ребер и обшивок (EJ _реб / EJ _обш), разделяют на 4 класса. В частности, к  панелям IV класса относят так называемые панели-«сэндвич», в которых отсутствуют ребра. Для таких панелей необходимо учитывать напряжения и деформации не только от действия нагрузок, но и от действия температурно-влажностных факторов. В расчете обычно принимают равномерное распределение касательных напряжений по толщине утеплителя.

Расчет панелей-«сэндвич» ведут по общим принципам.

Проверка прочности растянутой обшивки (без учета температурно-влажностных напряжений)

s = M_расч0.5*(h+t) / J = M*0.5*(h+t) / (b*t*h₀)  £ R_обш m / g_n

Проверка устойчивости сжатой обшивки с учетом подкрепляющего эффекта среднего слоя и с учетом влияния погиби обшивки:

s _обш £  R _обш / (1  + 6w / t) ;

s _обш £  0,72  ³Ö (E _обш E²_утепл) / [1  + 0,695E / R _утепл ³Ö (E_утепл /E _обш) w / t] ;

В панелях ребристых (без подкрепления обшивки средним слоем) в ряде случаев допускается работа тонкой сжатой обшивки и после потери ею устойчивого положения. В этом случае оставшуюся долю обшивки учитывают в расчете введением редукционного коэффициента (a _red = a* y)

y = s_cr / s_max ,

где s_cr = kE(a / t) ².

Проверка прочности среднего слоя на сдвиг с учетом равномерного распределения касательных напряжений по высоте среднего слоя

t = Q / (b*h₀)  £  R  _утепл  ,                          

Проверка жесткости панели

f / L = 5q_nL³ / ( 384*k*E J ) £ [f / L] /g_n

 

12. Сквозными конструкциями называют решетчатые стержневые конструкции, которые образованы из отдельных стержней, работающих в основном на осевые усилия. Для деревянных ферм характерна работа верхнего пояса на сжатие с изгибом вследствие приложения распределенной нагрузки. Во многих случаях при проектировании приходится решать задачу выбора между конструкциями сквозными и сплошностенчатыми.

Преимущества сквозных конструкций:

* малые материалоемкость и вес несущих конструкций вследствие большой строительной высоты и уменьшения усилий в поясах

* возможность перекрытия больших пролетов (до 60-100 м), в том числе и без применения клеевых соединений (рис. 1.6) вследствие большой высоты сечения

* получение большепролетных конструкций из коротких элементов

Недостатки сквозных конструкций:

* трудоемкость при изготовлении: прирезка основных элементов, производственные площади, устройство узлов и т.п.

* низкая огнестойкость вследствие использования немассивных сечений и использования металла в  растянутых элементах  в узловых соединениях

* металлоемкость и увеличение количества применяемых деталей

* накопление пыли на элементах ферм

* подверженность коррозии металлических элементов

* повышенный расход материалов на смежные элементы (стены) вследствие большой строительной высоты конструкций и  устройства связевой системы

Основные особенности конструирования деревянных ферм

* Нижний пояс, нисходящие раскосы, растянутые стойки в деревянных фермах часто выполняют металлическими из круглой или профильной стали, несмотря на то, что это решение снижает огнестойкость конструкции. Фермы в этом случае называют металлодеревянными.

* Верхний пояс деревянных ферм в большинстве случаев испытывает внецентренное сжатие в силу приложения распределенной по поясу нагрузки (плиты, настил, обрешетка)

* Создание искусственного строительного подъема ферм необходимо особенно для ферм с податливыми узловыми соединениями

* Создание искусственного эксцентриситета в верхнем поясе ферм позволяет уменьшить изгибающие моменты от действия распределенной нагрузки. Однако величина эксцентриситета должна ограничиваться вследствие возникновения в приопорной части неучитываемых обычным расчетом напряжений s _{t 90}  и t

* Поворот опорной плоскости в опорном узле предусматривается при наличии в опорной панели распределенной нагрузки. Опорная плоскость должна быть перпендикулярна равнодействующей силе от силы N в опорной панели и силы V - реакции от действия местной нагрузки

* Внецентренное прикрепление нижнего пояса в некоторых случаях приводит к необходимости расчета нижнего пояса на внецентренное растяжение

* Выбор решетки (раскосы и стойки)  фермы определяется комплексом факторов: возможностью использования металлических элементов, длиной раскосов, решением узлов и т.д. 

Особенности расчета ферм

* осевые усилия  определяют в большинстве случаев в предположении наличия шарниров в узлах, в том числе и в фермах с неразрезным верхним поясом. В фермах на МЗП шарниры являются примыкающими к поясам; в фермах на влеенных стержнях - узлы принимаются жесткими или имеющими ограниченную податливость.

* изгибающие моменты определяют от распределенной по верхнему поясу нагрузки, рассматривая его как балку, разрезную или неразрезную

* определение прогибов фермы производится с учетом податливости в узлах:

f = S  _n N₁ N_p L_n / (  EA_{n прив} ),

где приведенное значение площади сечения стержня

A_{n прив} = A_n / ( 1 + EA_n (S  d _сдв ) / NL),

S  d _сдв - сумма узловых деформаций для  данного  стержня, принимаемая пропорционально действующему усилию. Например: S  d _сдв =  2 мм (N₁ / N_расч + N₂ / N_расч) . (?)

Современная строительная механика позволяет выполнять определение напряженного состояния фермы и ее деформаций с учетом внеузловой нагрузки, деформированной расчетной схемы и податливости в узлах, но это задача - для отдельных наиболее ответственных объектов, и ее решение требует уточнения сведений по величинам податливостей в узлах различного типа.

 

12.1Клеедеревянные фермы

В качестве примера конструирования ферм, рассмотрим фермы сегментного очертания. Из типовых конструкций ферм сегментные фермы наиболее индустриальные и наименее материалоемкие. Основные усилия распределены по поясам, количество узлов - минимально, решетка - слабо нагружена, однако именно решетка позволяет уменьшить усилия в поясах.  В своем крайнем проявлении сегментная ферма превращается в  пологую арку с затяжкой.

                Пролеты сегментных ферм в типовых решениях 12-36 м. При конструировании, верхний пояс разбивают узлами на 3-6 равных частей. Верхний пояс выполняют клееным, нижний пояс может быть как металлическим (из круглой (реже) или профильной стали), так и деревянным (из клееной древесины), решетку выполняют из клееной древесины. В силу кривизны верхнего пояса в сегментных фермах нет надобности в устройстве специального эксцентриситета в верхнем поясе.  Все узлы фермы строго центрируются.

                Верхний пояс может быть как разрезным, так и неразрезным в зависимости, например, от условий транспортирования.

Конструкции и расчет сегментных ферм и их узлов.

Сечения поясов и решетки ферм принимают из условий их расчета как центрально-сжатых или центрально-растянутых элементов (элементы решетки и нижний пояс) и как внецентренно-сжатых элементов (верхний пояс) с учетом возможной потери устойчивости как в плоскости, так и из плоскости фермы. В последнем случае предусматривают систему связей в плоскости покрытия и связей поперечных, раскрепляющих фермы по раскосам «попарно». Кроме этого ограничивают значение гибкости элементов. Нормальную силу N определяют в предположении полных шарниров в узлах. При определении коэффициента  x для неразрезного пояса принимают расчетную длину L_ef = 0.8 L (между нулевыми точками на эпюре моментов).

                Конструкции узлов сегментных ферм в различных вариантах приведены на рис. 19.1.

Рис. 19.1. Узлы сегментных ферм : опорные (а, б, в); верхнего пояса , разрезной и неразрезной (г,д); нижнего пояса (е,ж)

 

                Опорные узлы выполняют в «открытом» или «закрытом» виде. Предпочтительнее первый вариант, обеспечивающий возможность осмотра и проветривание узла. В опорном узле рассчитывают:

·      опорную и упорную пластины на изгиб (расчетные схемы показаны на рис.19.1,б). В случае необходимости эти пластины усиливают ребрами жесткости

·      общую длину и катет сварных швов, прикрепляющих нижний пояс:  L_w = H / ( R_w b k_f)

·      опорные части деревянных элементов в случае действия усилия под углом к волокнам (рис.19.1,а) из условия смятия:  L_см = N_см / (R_{см, a} b)

Болты    (М12-М18) устанавливают конструктивно.

                Узлы верхнего пояса (рис. 19.1, г,д) различны в зависимости от того разрезной или неразрезной верхний пояс. Раскосы прикрепляют к поясу при помощи металлических накладок из уголков, в которых часть полки срезана. Накладки прикреплены к раскосам при помощи болтов. В сжатых раскосах ставят болт перед раскосом для уменьшения расчетной длины сжатой пластинки-накладки. В разрезном поясе предусмотрены металлический вкладыш с отверстием для узлового болта, а также  боковые накладки  для обеспечения неизменяемости положения узла из плоскости фермы. В неразрезном поясе усилие от раскосов передается на  узловой болт, далее - на металлические боковые накладки, а от них через болты - на пояс фермы. В узлах верхних поясов рассчитывают :

·      количество и диаметр болтов (или винтов -«глухарей»), прикрепляющих накладки к раскосам

·      накладки раскосов из условия их устойчивости по наименьшему сечению

·      толщину пластинки вкладыша из условия ее изгиба

·      количество и диаметр болтов, прикрепляющих боковые накладки к поясу,  на восприятие опорной реакции в неразрезном поясе

·      толщину металлических боковых накладок из условия их работы на смятие узловым болтом

·      диаметр узлового болта из условия его работы на срез равнодействующей силой (от сил в раскосах), а также из условия работы его на изгиб.

13. Пространственные конструкции

Пространственные конструкции, в отличие от конструкций плоскостных, расположены не в параллельных плоскостях, а имеют пересечения или образуют единую сложную геометрическую форму, перекрывая пространство не в одном, а в двух направлениях. Поэтому и усилия в пространственных конструкциях распределены не в одном направлении (как в балках - вдоль оси балки, образуя одноосное напряженное состояние), а как минимум в двух направлениях, перпендикулярных поперечной нагрузке. В силу работы конструкции в разных направлениях, а также в силу многократной статической неопределимости системы, материал используется более эффективно. Пространственные конструкции по сравнению с плоскостными менее материалоемки, более легкие, что, в частности, позволяет перекрывать большие пролеты.

Элементы пространственной работы конструкции имеют место и в конструкциях плоскостных. В частности, незначительный эффект пространственной работы имеет место при приложении к зданию из плоских каркасов неравномерной по длине здания нагрузки.

Таким образом преимуществами пространственных конструкций являются их низкая материалоемкость, повышенная жесткость, эстетическая выразительность  форм. Недостатки - сложность изготовления и монтажа, а также  снижение прочности в узлах, плохая работа на восприятие локальных и несимметричных нагрузок.

Классификации пространственных конструкций в силу их исключительного многообразия имеют условное значение и различны в зависимости от признака, положенного в основу классификации.

Классификация по геометрическому признаку:

·      Пространственные конструкции, образующие одну плоскость. Могут быть металлодеревянными, сплошностенчатыми (системы перекрестных балок (СПБ)) или стержневыми (структурные конструкции).

·      Пространственные конструкции, состоящие из нескольких пересекающихся плоских элементов (складки, рис. 20.2). При проектировании складчатых конструкций необходимо решать проблемы с повышенными  снеговыми отложениями и водоотведением, а также с конструктивным устройством линий сопряжений складок.

·      Пространственные конструкции, образующие поверхности нулевой Гауссовой кривизны (цилиндрические оболочки: открытые и замкнутые; короткие, средней длины и длинные; своды и коноиды, висячие «обратные» своды. Эффективность последних обеспечена хорошей работой древесины на растяжение, а также отсутствием требований устойчивости) (рис. 20.3).

·      Пространственные конструкции, образующие поверхности положительной Гауссовой кривизны (купола, пологие оболочки двоякой кривизны на прямоугольном плане).

·      Пространственные конструкции, образующие поверхности отрицательной Гауссовой кривизны (гипары), в том числе с использованием  деревянных вант.

Пространственные конструкции смешанного и комбинированного типа

13.1 Принципы и особенности расчета пространственных конструкций из древесины и синтетических материалов

При проектировании пространственных конструкций следует обеспечивать их прочность, устойчивость общую, устойчивость отдельных элементов, а также прочность узловых соединений. Усилия определяют по общим принципам строительной механики для статически неопределимых систем: решают совместно три группы уравнений с учетом известных граничных условий (условий опирания):

·      уравнения статические (равновесия)

·      уравнения геометрические (уравнения Коши: зависимости между деформациями и перемещениями)

·      уравнения физические (зависимости между усилиями и деформативными характеристиками материала)

Ниже показан пример этих уравнений с той целью, чтобы у студентов сложилось отчетливое представление о методических основах решения столь сложной задачи.  Например, для тонкостенной однородной пологой оболочки при ее работе в рамках упругости и с учетом нелинейных членов указанные исходные зависимости имеют вид [6] (рис. 20.7):

Геометрические уравнения:

e_x = du/dx - k_xw + 0.5 (dw/dx)² (относительное удлинение);

e_y = dv/dy - k_xw + 0.5 (dw/dy)² (относительное удлинение);

e_xy = du/ dy + dv/dx - 2k_xyw + dw/dx× dw/ dy (относительный сдвиг);

c_x = d²w/dx²; c_y = d²w/dy² (приращение кривизны);

c_xy = d²w/dxdy (приращение кручения) .

Здесь k  - значения кривизн срединной поверхности.

Физические  уравнения:

N_x = Et (e_x + ne_y)/ (1- n²) ;

N_y = Et (e_y + ne_x)/ (1- n²) ;

N_xy = Et (e_y + ne_x) / 2× (1+ n) ;

M_x = - D (c_x+ nc_y);

M_y =  - D (c_y  + nc_x );

M_xy = - D(1- n)c_xy  ;

Здесь D - цилиндрическая жесткость:

D = Et³/ 12 (1+ n²) ;

Статические уравнения:

å X = 0 :   dN_x /dx  + dN_xy /dy + p_x  = 0 ; k_x2k_xyw dw/dx d²w/dxdy

å Y = 0 :   dN_y /dy + dN_xy /dx + p_y= 0 ;

å Z = 0 :

d ²M_x /dx² - 2 d ²M_xy /dx dy + d ²M_y /dy ²+ N_x(k_x + d²w/dx²)+N_y(k_y + d²w/dy²) +

+ N_xy(k_xy + d²w/ dx dy) + p_z = 0 ;

 Аналитическое решение продемонстрированной задачи чрезвычайно сложное и может быть найдено только в редких частных случаях. Поэтому на практике решение находят либо при помощи обоснованных упрощений в математической постановке задач (моментная, безмоментная, «полумоментная» теории, линейная или нелинейная постановка задачи) , либо используют численные методы, применяя стандартные вычислительные комплексы («ЛИРА» и др.).

Специфика деревянных конструкций должна учитываться в расчетах, и это обстоятельство серьезно усложняет задачу, и без того очень непростую. Необходимо учитывать совместную работу покрытия и ребер, распределение усилий между ними, особенно в предельных состояниях; неравномерность усилий в покрытии между ребрами, влияние узловых соединений, податливость в узлах, анизотропию конструктивную и физическую. Каждый вид конструкции имеет свои особенности, свои возможные упрощения в расчетной схеме и свой алгоритм в решении задачи. Поэтому большую лепту в установление истины должны вносить экспериментальные работы.

В некоторых случаях удается без большого ущерба для точности вычислений удается свести задачу к расчету плоскостной конструкции. Например, ребристый купол при осесимметричной нагрузке можно рассматривать как арку.

13,2 Купола

Деревянные купола часто встречаются в строительной практике, так как имеют достаточно простое и эффективное конструктивное решение. Основные элементы, куполов (ребра или гурты), работают в основном на сжатие и внецентренное сжатие.

Среди ребристых куполов различают радиальные и радиально-кольцевые системы, состоящие из меридиональных ребер, кольцевых прогонов, связей жесткости, внутреннего и наружного опорных контуров, а также элементов ограждения (рис. 21.5). Ограждающие конструкции могут быть включены в общую работу пространственной конструкции. Внутренне кольцо сжато, а наружное растянуто. Расчет ребристого купола (приближенно) можно свести к расчету отдельно взятой арки, нагрузка на которую собирается с треугольного сектора.

Сетчатые сферические купола [7] могут быть созданы двумя основными способами.

Первый способ предполагает деление сферической поверхности на равновеликие  сектора, в границах которых тем или иным образом строится треугольная сеть.

Второй способ построения конструктивной сети основан на использовании геометрии правильных многогранников (додекаэдра и икосаэдра), вершины которых служат исходными узловыми точками будущей сети.

Во всех случаях сетчатые купола образованы отдельными короткими стержнями, образующими пространственную систему из выпуклых многогранников, вписанных в сферическую поверхность. Специально разработанные узловые элементы стержней позволяют получать конструкции пролетом свыше 100 м из сравнительно коротких элементов.