Author: Калунин А.А.
Tags: сооружения и части сооружений по виду строительных материалов и методам возведения деревянные конструкции
ISBN: 5-93093-207-7
Year: 2003
Text
Калугин А.В.
ДЕРЕВЯННЫЕ КОНСТРУКЦИИ
А.В. Калугин
ДЕРЕВЯННЫЕ КОНСТРУКЦИИ
Допущено Министерством образования Российской Федерации в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности «Промышленное и гражданское строительство» направления подготовки дипломированных специалистов «Строительство»
Издательство Ассоциации строительных Вузов
Москва 2003
УДК 624.011.1
KI 7
Рецензенты:
кафедра «Строительных конструкций» Пензенской архитектурно-строительной академии (зав. каф., чл.корр. РААСН, д.т.н. Т.Н. Баранова, профессор, д.т.н.
В.М. Вдовин, доцент, к.т.н. В.П. Герасимову, кафедра «Строительных конструкций и архитектуры» Владимирского государственного университета (зав. каф., профессор, к.т.н. В.Ю. Щуко, доцент, к.т.н.
Л.А. Еропов);
кафедра «Промышленное и гражданское строительство» Курского государственного технического университета (зав. каф., доцент, к.т.н. С.И. Меркулов, доцент, к.т.н.
А.А. Сморчков)
Калугин А.В.
Деревянные конструкции. Учеб, пособие (конспект лекций). - М.: Издательство АСВ, 2003, - 224 с., с млл.
ISBN 5-93093-207-7
Рассмотрены физико-механические свойства древесины и основные положения по расчету и конструированию деревянных конструкций и их соединений. Даны краткие указания по защите деревянных конструкций от загнивания и возгорания. Изложены основы технологии производства клееных деревянных конструкций. Освещены вопросы инженерного обследования и усиления, а также методики техникоэкономической оценки деревянных конструкций.
Для студентов вузов, обучающихся по специальности «Промышленное и гражданское строительство».
УДК 624.011.1
К17
ISBN 5-93093-207-7
©Калугин А.В., 2003,
© Издательство АСВ, 2003,
© Пермский государственный технический университет, 2003
Автор посвящает эту работу памяти Учителя - Седельникова Геннадия Адриановича (1913 -1992), ветерана Великой Отечественной войны, преподавателя кафедры строительных конструкций ПГТУ, многие годы блестяще читавшего курс лекций по данной дисциплине
Автор выражает благодарность доцентам кафедры строительных конструкций ПГТУ И.Н. Файзову, В.Ф. Яресько, Т.В. Юриной и И.Л. Тонкову, проф. В.М. Асташкину (Южно-Уральский гос. ун-т), А.А. Дроздову (ОАО «Галургия), проф. В.С. Сарычеву (МГСУ), проф. Б.П. Пасынкову (Уральский гос. ун-т путей сообщения), доценту' В.А. Плотникову (Магнитогорский гос. ун-т) за ценные замечания и предложения по совершенствованию конспекта лекций, а также аспирантам кафедры строительных конструкций ПГТУ Н,П. Ушаковой и А.А. Плаксину и студентам С.А. Плаксину и Ю.Л. Тонкову за помощь в оформлении рукописи.
ОГЛАВЛЕНИЕ
1. Деревянные конструкции в строительстве ................................ 6
1.1. Краткий исторический обзор ........................................ 6
1.2. Деревянные конструкции в современном строительстве ............... 10
1.3. Перспективы применения деревянных конструкций в строительстве .... 13
2. Древесина как конструкционный строительный материал ................. 14
2.1. Достоинства и недостатки древесины как строительного материала ... 14
2.2. Лесные ресурсы России .......................................... 14
2.3. Сортамент лесоматериалов ......................................... 15
2.4. Макроструктура древесины ......................................... 16
2.5. Микроструктура древесины ......................................... 16
2.6. Химический состав ................................................ 18
2,7. Физические свойства .............................................. 18
2.8. Механические свойства ............................................ 18
2.9. Влияние различных факторов на прочность древесины .,.............. 19
2.10. Строительная фанера ............................................. 22
3. Расчет элементов деревянных конструкций ............................. 24
3.1. Основы расчета деревянных конструкций по методу предельных состояний 24
3.2. Нормирование расчетных сопротивлений древесины и фанеры .......... 24
3.3. Центрально-растянутые элементы ................................... 26
3.4. Центрально-сжатые элементы ....................................... 28
3.5. Изгибаемые элементы .............................................. 32
3.6. Косой изгиб ...................................................... 36
3.7. Сжато-изгибаемые элементы ........................................ 37
3.8. Растянуто-изгибаемые элементы .................................... 39
3.9. Сжатие и смятие древесины поперек волокон ........................ 40
3.10. Скалывание древесины ............................................ 42
3.11. Краткие рекомендации по компоновке сечений деревянных элементов . 43
4. Соединения элементов деревянных конструкций ......................... 45
4.1. Общие сведения ................................................... 45
4.2. Лобовые врубки ................................................... 45
4.3. Лобовые упоры .................................................... 50
4.4. Нагельные соединения ........................................... 52
4.5. Гвозди и шурупы, работающие на выдергивание ...................... 56
4.6. Соединения на вклеенных стальных стержнях ........................ 58
4.7. Клеевые соединения элементов конструкций ......................... 58
5. Ограждающие конструкции с применением древесины ..................... 60
5.1. Общие сведения ................................................... 60
5.2. Настилы .......................................................... 60
5.3. Плиты покрытия на деревянном каркасе ............................. 65
6. Деревянные балки .................................................... 74
6.1. Общие сведения ................................................... 74
6.2. Балки цельного сечения ........................................... 74
63. Наслонные стропила ............................................. 80
6.4. Балки Деревягина ................................................. 80
6.5. Двутавровые балки с перекрестной дощатой стенкой на гвоздях ...... 84
6.6. Клееные деревянные балки ......................................... 86
6.7. Клеефанерные балки ............................................... 89
6.8. Армированные клееные деревянные балки ............................ 93
4
7. Клееные деревянные арки ........................................... 97
7.1. Обшие сведения ................................................ 97
7.2. Основные положения по проектированию .......................... 97
73. Определение геометрических характеристик арок ................ 103
7.4. Конструкция и расчет узлов ................................... 105
8. Деревянные рамы................................................... 113
8.1. Общие сведения ............................................... 113
8.2. Основные положения по проектированию ......................... 113
8.3. Особенности конструктивного расчета некоторых типов рам ...... 123
9. Деревянные фермы ................................................. 125
9.1. Общие сведения ............................................... 125
9.2. Основные положения по проектированию ......................... 125
9.3. Деревянные фермы на лобовых врубках .......................... 136
9.4. Сегментные фермы ............................................. 140
10. Обеспечение пространственной устойчивости зданий н сооружений с применением деревянных конструкций ........................ 146
10.1. Общие сведения ............................................. 146
10.2. Некоторые правила постановки связей ......................... 146
10.3. Расчет связей ............................................. 153
11. Пространственные деревянные конструкции ..........................157
11.1. Общие сведения .............................................. 157
11.2. Купола .................................................... 157
11.3. Кружально-сетчатые своды......................................162
12. Защита деревянных конструкций от загнивания и возгорания 167
12.1. Защита от загнивания ........................................ 167
12.2. Защита от возгорания ........................................ 171
123. Способы антисептирования и антипирирования .................. 174
12.4. Защита от насекомых - вредителей древесины .................. 174
123. Особенности применения деревянных конструкций в зданиях и сооружениях с химически агрессивной средой ............................ 175
13. Производство клееных деревянных конструкций..................... 176
13.1. Общие сведения .............................................. 176
13.2. Требования к материалам для изготовления конструкций ........ 176
13.3. Технология производства конструкций ......................... 182
14. Эксплуатация деревянных конструкций ............................. 185
14.1. Общие сведения ...............................................185
14.2. Основные положения методики инженерного обследования строительных конструкций .................................................... 185
143. Особенности инженерного обследования деревянных конструкций . 186
14.4, Физико-механические испытания древесины ..................... 200
14.5. Принципы усиления деревянных конструкций .................... 204
15. Технико-экономическая оценка деревянных конструкций ............. 211
15.1. Основные положения методики технико-экономической оценки строительных конструкций ............................................ 211
15.2. Определение технико-экономических показателей деревянных конструкций ............................................................ 213
Список литературы.....................................................222
S
1. ДЕРЕВЯННЫЕ КОНСТРУКЦИИ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ
1.1. Краткий исторический обзор
Древесина - древнейший, ценный и благородный строительный материал. В истории развития строительной техники имеется много примеров выдающихся зданий и сооружений с применением деревянных конструкций. В их числе исторические здания, сохранившиеся до настоящего времени: Преображенский храм на острове Кижи, построенный в начале XVIII века (рис. 1.1); Колонный зал дома Союзов (бывший дом Благородных собраний) - один из лучших концертных залов в России по акустике, построенный в конце XVIII века по проекту архитектора М.Ф. Казакова; Центральный выставочный зал в Москве (бывший Манеж), построенный в 1817 году по проекту архитекторов А.А. Монферрана и А. А. Бетанкура в честь победы России над Наполеоном.
В Колонном зале дома Союзов фермы пролетом 25 м - деревянные на лобовых врубках (рис, 1.2,а), колонны - также деревянные, только облицованные мрамором. Деревянные фермы покрытия бывшего Московского манежа пролетом 45 м являются уникальными конструкциями даже для современного строительства (рис. 1.2,6).
В г. Перми много зданий-памятников архитектуры, построенных в 1840 - 1914 гг., в покрытиях и междуэтажных перекрытиях которых использованы деревянные фермы и балки. Это здание Камского речного пароходства (бывший дом предпринимателя Н.В. Мешкова - рис. 1.3); клуб УВД (бывший клуб Благородных собраний - рис. 1.4); Театр юного зрителя (бывший домашний театр известной меценатки Е.И, Любимовой -рис. 1.5); учебные корпуса Пермского техникума железнодорожного транспорта (бывшее здание управления Уральской железной дороги) и др,
В развитие деревянных конструкций большой вклад внесли русские ученые:
Иван Петрович Кулибин (1735-1818) - один из первых экспериментаторов, изготовил и испытал модель уникального деревянного моста пролетом 300 м через р. Неву;
Дмитрий Иванович Журавский (1821-1891) - разработал первые нормы расчета деревянных конструкций, вывел формулу для определения касательных напряжений, создал теорию расчета мостовых ферм (фермы Гау - Журавского);
Владимир Григорьевич Шухов (1853-1939) - создал ряд легких деревянных пространственных сводчатых покрытий.
В теорию и практику применения деревянных конструкций свой вклад внесли также российские ученые: В.З. Власов и др. (тонкостенные оболочки); А.Р. Ржаницын и др. (составные стержни на податливых связях); С.И. Песельник (кружально-сетчатые своды); В.Ф. Иванов и др. (нагельные и гвоздевые соединения).
В 1929 году были утверждены первые Нормы и ТУ на проектирование деревянных конструкций. В 30 - 40-х годах XX века в строительстве широко применялись дощато-гвоздевые конструкции в виде двутавровых балок и рам (первые павильоны на Выставке достижений народного хозяйства в г. Москве); брусчатые составные балки на пластинчатых нагелях, разработанные инженером В.С. Деревягиным, а также - дощатые и брусчатые треугольные и сегментные дощато-гвоздевые фермы.
Использование древесины в строительстве сыграло огромную роль в годы Великой Отечественной войны 1941 - 1945 гг. и в послевоенный период восстановления народного хозяйства. В те годы в г. Перми и области были построены и до настоящего времени успешно эксплуатируются множество зданий с применением деревянных конструкций. Это производственные корпуса: механический цех в ООО «Орглит», сборочный цех велосипедов в АО «Велта»; общественные здания: зрительные залы Дворца культуры им. Пушкина, Дворца культуры Профсоюзов и другие здания. Однако применение сырых низкосортных лесоматериалов во многих случаях приводило к загниванию древесины и сокращению сроков эксплуатации конструкций, что негативно отразилось на отношении строителей к этому материалу.
6
Рис. 1.1. Примеры русского деревянною зодчества на острове Кижи (слева - Преображенский храм)
Рис. 1.2. Деревянные фермы покрытий исторических зданий: а - дома Благородных собраний; б - Московского манежа
Рис. 1.3. Здание Камского речного пароходства (бывший дом Мешкова)
8
Рис. 1.4. Клуб УВД (бывший дом Благородных собраний в Перми)
Рис. 1.5. Театр Юного зрителя (бывший домашний театр Любимовой)
9
1.2. Деревянные конструкции в современном строительстве
В связи с принятым Правительством страны в 1954 году курсом на преимущественное развитие промышленности сборного железобетона и широкое применение в строительстве сборных железобетонных конструкций с середины 50-х годов XX века было ослаблено внимание к конструкциям из других материалов. Применение стальных строительных конструкций строго регламентировалось специальными правилами. Использование лесоматериалов в строительстве резко сократилось (рис. 1.6).
В середине 70-х годов XX века под влиянием объективных факторов (увеличение объемов рассредоточенного сельского строительства, развитие малоэтажного домостроения, возрастание числа объектов с химически агрессивной средой по отношению к железобетону и стали) применение деревянных конструкций (ДК) в строительстве расширилось, чаще стали применяться клееные деревянные конструкции (КДК).
Первые здания из КДК были построены в стране в начале 50-х годов XX века. Работы в этой области велись под руководством А. Б. Губенко и Г. Г. Карлсена. Однако из-за отсутствия качественных водостойких клеев, несовершенства технологии изготовления и по другим причинам, КДК не получили широкого распространения.
В настоящее время накоплен большой опыт проектирования, производства, монтажа и эксплуатации КДК. Научные исследования, а также разработка нормативных документов, рабочих чертежей конструкций и проектов здании с применением КДК осуществляются во многих институтах и вузах: ЦНИИСК им. Кучеренко, ЦНИИЭП-сельстрой, ЦНИИМОД, ЦНИИЭП им. Мезенцева, ОАО "Галургия", МГСУ (МИСИ), СПбГАСУ (ЛИСИ), ПГТУ и др.
Вместе с тем, по оценкам специалистов, на несущие и ограждающие деревянные конструкции приходится менее 10% лесоматериалов, используемых в строительстве, а около 50% древесины расходуется при производстве строительно-монтажных работ (одноразовая опалубка, леса, подмости), то есть не всегда рационально (рис.1.7).
В 70 - 80-х годах XX века в России действовало более 20 деревообрабатывающих комбинатов, на которых было организовано производство КДК (в гг. Архангельске, Волоколамске, Вологде, Вельске и др.). Выпуск КДК составлял 60...70 тыс. м 3/год (рис. 1.8). В Пермской области производство КДК было налажено в городах Березники, Соликамск, Кунгур, Добрянка, Чайковский.
Основная номенклатура несущих конструкций была следующей: стрельчатые и А-образные арки пролетом 45 м (проект УралВНИИГ);
- металлодеревянные арки (марки АМД, серия 1.860-6, вып. 1);
- металлодеревянные фермы (марки МДФ, серия 1.863-2, вып.1, 2);
- стрельчатые арки пролетом 12, 18,24 м (марки ДСА, серия 1.863-3, вып. 1);
- гнутоклееные рамы (марки ДГР, серия 1.822-1, вып. 2,3);
сегментные металлодеревянные фермы (серия 1.263-1, вып. 1, 2)
- клееные деревянные балки (серии 1.462-2,1.463-2,1.463-6,1.262-1).
Структура использования деревянных конструкций по видам строительства показана на рис. 1.9. КДК применяются в каркасах и покрытиях: промышленных и складских зданий пролетами до 45 м; сельских производственных зданий пролетами до 24 м; спортивных и выставочных залах пролетами до 60 м. В 1980 г. в Архангельске по проекту ЦНИИЭП им. Мезенцева построено крупнейшее здание в России из клееных деревянных арок - Дворец спорта (рис. 1.10). На калийных комбинатах Пермской области смонтировано более 30 складов минеральных удобрений из клееных деревянных арок пролетом 45 м (рис. 1.11, 1.12). В экспериментальном порядке в сельском строительстве применяются: клеефанерные конструкции: балки, рамы (ведущий институт ЮЖГИ-ПРОНИсельстрой); дощатые деревянные фермы на металлических зубчатых пластинах типа "Gang Nail" (Тэнг-Нейл"); армированные клееные деревянные конструкции (Владимирский гос. ун-т., ЦНИИСК, ЦНИИпромзданий, Иркутский институт, и др.).
Ю
Рис. 1.6. Объемы применения лесоматериалов в строительстве, %
Рис. 1.7. Структура использования лесоматериалов в строительстве, %:
1 - при производстве строительно-монтажных работ (опалубка, леса); 2 - малоэтажное домостроение; 3 - столбы ЛЭП; 4 - шпалы; 5 - обрешетка, настилы; 6 - несущие деревянные конструкции; 7 - столярные изделия
з
Рис. 1.8. Динамика выпуска несущих КДК в России, тыс. м
Россия
Рис. 1.9. Структура применения деревянных конструкций в России и США по видам строительства, %:
1 - промышленное, 2 - гражданское, 3 - сельское, 4 — транспортное
11
Рис. 1.10. Схема Дворца спорта в г. Архангельске
11 м
Рис. 1.11. Склады готовой продукции из стрельчатых клееных деревянных арок пролетом 45 м (г. Березники)
12
Рис. 1.12. Склад хлористого калия из клееных деревянных конструкций треугольного очертания пролетом 45 м (г. Березники)
За рубежом клееные деревянные конструкции нашли применение в покрытиях спортивных большепролетных сооружений. Имеется много примеров уникальных зданий пролетами 100...250 м, перекрытых клееными деревянными арками. Конструкции из цельной древесины (деревянные каркасы из стоек и стропильные фермы с узловыми соединениями на накладках типа «Гэнг-Нейл») широко используются в малоэтажном домостроении, в сельском строительстве - в сочетании с металлическими колоннами (сборный железобетон в сельском строительстве практически не применяется).
1.3. Перспективы применения деревянных конструкций в строительстве
С 1991 г. в связи с нестабильной экономической ситуацией в нашей стране массовое производство ДК и КДК практически свернуто. Выпуск ДК и КДК осуществляется на отдельных предприятиях эпизодически по разовым заказам. Тем не менее, на основе проведенных технико-экономических исследований, а также анализа отечественного и зарубежного опыта, специалистами рекомендуется в перспективе шире применять ДК и КДК в каркасах и покрытиях:
а) производственных зданий пролетами до 18 м- клееные деревянные рамы и металлодеревянные фермы;
б) спортивных, выставочных и других большепролетных общественных зданий (для повышения архитектурной выразительности зданий и сооружений и получения социального эффекта) - клееные деревянные арки и рамы пролетами до 60 м;
в) промышленных и складских зданий с химически агрессивной средой калийных предприятий, а также аналогичных зданий других отраслей промышленности - клееные деревянные арки пролетами до 45 м;
г) малоэтажных зданий - деревянные балки, дощатые и брусчатые фермы.
При надстройке мансардных этажей - эффективны стропильные системы из бруса (клееного бруса); для опор линий связи и опор ЛЭП напряжением до 120 кв - круглые лесоматериалы.
13
2. ДРЕВЕСИНА КАК КОНСТРУКЦИОННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ МАТЕРИАЛ
2.1. Достоинства и недостатки древесины как строительного материала
Древесина, как и другие строительные материалы, имеет свои достоинства и недостатки.
Достоинства:
- наличие широкой, постоянно возобновляемой сырьевой базы;
- относительно малая плотность;
- высокая удельная прочность - отношение предела прочности при растяжении вдоль волокон к плотности: 100/500 = 0,2 (примерно равная стали);
- стойкость к солевой агрессии, к воздействию других химически агрессивных сред;
- биологическая совместимость с человеком и животными - в зданиях из древесины наилучший микроклимат;
- высокие эстетические и акустические свойства - лучшие концертные залы страны облицованы древесиной;
- малый коэффициент теплопроводности поперек волокон - стена из бруса шириной 200 мм эквивалентна по теплопроводности кирпичной стене шириной 640 мм;
- малый коэффициент линейного расширения вдоль волокон - в деревянных зданиях нет необходимости устраивать температурные швы и подвижные опоры;
- меньшая трудоемкость механической обработки, возможность создания гнутоклееных конструкций.
Недостатки:
- анизотропия строения древесины;
- подверженность загниванию и поражению жуками-древоточцами;
- сгораемость в условиях пожара;
- изменение физико-механических характеристик под воздействием различных факторов (влаги, температуры);
- усушка, разбухание, коробление и растрескивание под влиянием атмосферных воздействий;
- наличие пороков (сучки, косослой и других), существенно снижающих качество изделий и конструкций;
- ограниченность сортамента лесоматериалов.
Задача инженеров состоит в том, чтобы максимально использовать положительные качества древесины, уменьшить влияние ее отрицательных свойств, обеспечить экономически эффективное применение деревянных конструкций в конкретных условиях строительства и эксплуатации.
Многие природные недостатки древесины можно устранить или существенно ограничить их влияние на качеству деревянных конструкций. Так, применение КДК снимает проблему ограниченного сортамента лесоматериалов, использование листовых материалов на основе древесины (фанеры, ДВП, ДСП и др.) снижает влияние анизотропии строения древесины. С помощью конструктивных и химических мер защиты уменьшается опасность загнивания и возгорания деревянных конструкций.
2.2. Лесные ресурсы России
Леса занимают более 40% территории России. Основные лесные массивы находятся к востоку от Урала. Запасы наиболее ценной для строительства древесины хвойных пород составляют около 50 млрд, м3, из них на долю лиственницы приходится 30%; сосны -20%; ели и пихты - 16%. Из лиственных пород важнейшее значение имеет береза - ценное сырье для производства фанеры (запасы около 8 млрд. м3).
14
Естественный ежегодный прирост древесины на корню составляет 1,5...2 м3/га (около 700 млн. м3); в постоянно действующих леспромхозах развитых стран этот показатель превышает 3...4 м3/га. В последние годы по оценочным данным ежегодно заготавливается около 200 млн. м3 деловой древесины. На нужды строительства расходуется примерно 1/3 часть, то есть около 70 млн. м3.
Необходимо отметить, что в 70 - 80-х годах XX века, по экспертным оценкам, ежегодно безвозвратно терялось: при сплаве круглого леса по рекам «молем» - 2...3 млн. м3; при прокладке магистральных газопроводов и нефтепроводов, линий электропередач -30. ..40 млн.м3. Ежегодно от пожаров гибнет примерно 100 млн. м3 древесины.
Пермская область относится к лесоизбыточным районам страны, 52 % территории которой (8,4 млн. га) покрыто лесами. Распределение покрытой лесами площади по преобладающим породам, %: ель - 53; сосна - 15; пихта - 1,4; береза - 24.
Спелые леса Гослесфонда Пермской обл. составляют около 600 млн. м3. Объемы лесозаготовок в области снизились с 20 млн. м3/год в середине 70-х годов до 4...5 млн. м3/год к концу XX века. Деревообрабатывающий комплекс Пермской области производил ежегодно (в среднем за 1975 - 1990 гг.): пиломатериалов - 3,2 млн. м3; фанеры -120 тыс. м3; ДВП - 35 млн. м2; ДСП - 220 тыс. м3, а также другие изделия из древесины.
Примерная структура экспорта лесоматериалов из Пермской области, %: круглые лесоматериалы - 14; пиломатериалы - 46; древесноволокнистые плиты (ДВП) - 34; древесностружечные плиты (ДСП) - 6;
Древесина хвойных пород используется для изготовления несущих конструкций; твердые лиственные породы - для изготовления мелких ответственных деталей; береза -для изготовления фанеры; древесина других лиственных пород используются при устройстве опалубки, лесов, подмостей, а также во временных зданиях и сооружениях.
Основными хвойными породами для изготовления несущих и ограждающих деревянных конструкций являются сосна и ель.
2.3. Сортамент лесоматериалов
Лесоматериалы делятся на круглые - бревна и пиленые - пиломатериалы. Бревна -части ствола дерева с опиленными торцами и очищенные от сучков. Размеры и технические требования к круглым лесоматериалом даны в ГОСТ 9463-88*. Круглые лесоматериалы в зависимости от качества подразделяются на 1, 2 и 3 сорта.
Бревна имеют естественное уменьшение диаметра по длине ствола, называемое сбегом. Диаметр круглых лесоматериалов определяется диаметром тонкого конца. По диаметру бревна делятся на группы: мелкие (подтоварник) диаметром менее 14 см; средние диаметром 14...24 см с градацией через 2 см; крупные диаметром свыше 26 см с градацией через 2 см. Выпускаются также калиброванные бревна с постоянным диаметром по длине. Бревна для строительства имеют стандартную длину от 3,0 до 6,5 м с градацией через 0,5 м. Более длинные бревна готовятся по специальному заказу для опор ЛЭП.
Круглые лесоматериалы используются в качестве стропил, опор ЛЭП, свай, а также применяются при устройстве конструкций временного назначения и строительных лесов.
Пиломатериалы получают путем распиловки круглых лесоматериалов на лесопильных рамах или круглопильных станках. Пиломатериалы подразделяются по характеру обработки: на обрезные (опиленные с 4 сторон по всей длине); обзольные (часть поверхности не опилена по всей длине из-за сбега бревна); необрезные (не опилены две кромки).
Пиломатериалы прямоугольного сечения делятся на доски (пласть вдвое больше кромки), бруски (отношение пласти к кромке меньше двух) и брусья (размеры пласти и кромки более 100 мм). Широкую сторону доски называют пластью, узкую - кромкой, а линию их пересечения - ребром.
Технические требования к пиломатериалам даны в ГОСТ 8486-86*Е. По качеству древесины и обработки доски и бруски разделяют на пять сортов (отборный, 1,2, 3,4-й), а
15
брусья на четыре сорта (1,2, 3, 4-й).
Размеры пиломатериалов даются в ГОСТ 244454-80*Е: длина пиломатериалов - от 1 до 6,5 м с градацией через 0,25 м, толщина и ширина приведены в табл. 2.1.
Таблица 2.1
Номинальные размеры толщины и ширины пиломатериалов по ГОСТ 244454-80*Е
Толщина, мм Ширина, мм
16 75 100 125 150 — — — —
19 75 100 125 150 175 — - — —
22 75 100 125 150 175 200 225 — —
25 75 100 125 150 175 200 225 250 275
32 75 100 125 150 175 200 225 250 275
40 75 100 125 150 175 200 225 250 275
44 75 100 125 150 175 200 225 250 275
50 75 100 125 150 175 200 225 250 275
60 75 100 125 150 175 200 225 250 275
75 75 100 125 150 175 200 225 250 275
100 — 100 125 150 175 200 225 250 275
125 — — 125 150 175 200 225 250 —
150 — 150 175 200 225 250 —
175 — — — 175 200 225 250 —
200 — — — — — 200 225 250 —
250 - - —- - - - - 250 -
Примечания: а) размеры пиломатериалов даются при влажности 20%;
б) предельные отклонения от номинальных размеров по толщине (+/-), мм: до 32 мм 1; от 40 до 100 мм - 2; более 100 мм - 3;
с) поставка досок шириной более 175 мм и брусьев размерами более 175x175 мм в настоящее время осуществляется только по специальным заказам.
2.4. Макроструктура древесины
Полное представление о структуре древесины дают три разреза ствола дерева: поперечный, радиальный и тангенциальный продольный (по хорде) (рис. 2.1).
На поперечном разрезе ствола дерева различают: сердцевину - темное пятно диаметром 2...5 мм; ядро - центральная часть ствола дерева, имеющая более темную окраску; заболонь — более светлая часть ствола дерева, примыкающая к коре; кору — внешний слой, защищающий дерево от механических воздействий. Между корой и древесиной находится тонкий слой живых клеток, видимый только под микроскопом и называемый камбием. Слой камбия откладывает в сторону коры лубяные клетки, а к центру - клетки древесины, - так растет дерево. Концентрические слои, видимые на поперечном разрезе, называются годичными кольцами и показывают прирост дерева за год. Ширина колец отечественных пород деревьев колеблется (в зависимости от породы и условий произрастания) от 1 мм (самшит) до 10 мм (тополь). Годичные кольца состоят из более светлого весеннего слоя, обращенного в сторону ядра (ранняя древесина), и более темного плотного летнего слоя, обращенного к коре (поздняя древесина). На радиальном разрезе годичные слои видны в виде продольных параллельных полос, а на тангенциальном - в форме извилистых линий.
На поперечном разрезе видны также светлые блестящие полосы, идущие в радиальном направлении. Это сердцевинные лучи, по которым проходят питательные вещества в дереве поперек волокон.
2.5. Микроструктура древесины
Древесина хвойных пород отличается простотой и правильностью строения и состоит из клеток двух видов: прозенхимных и паренхимных (рис. 2.2).
16
О)
б)
I
Рис. 2.1. Макроструктура древесины:
а - главные разрезы ствола дерева {1 - поперечный, 2 - радиальный, 3 - тангенциальный); б - поперечный разрез ствола дерева (1 - сердцевина, 2 - ядро, 3 - годичные кольца заболони, 4 - камбиальное кольцо, 5 - луб, 6 - кора, 7 - сердцевинные лучи)
а)
Рис. 2.2. Микроструктура древесины:
а — схема строения древесины; б — поперечный разрез клетки (7 — межклеточное вещество, 2 - первичные оболочки, 3,4, 5 - вторичные оболочки); в - вид оболочки клетки сбоку
в)
S 4 .1212
17
К прозенхимным (грея, "прос" - удлиненное; "энхима" - наполненное) клеткам относятся трахеиды - полые клетки сильно вытянутые в длину с заостренными концами. Эти клетки занимают более 90% объема древесины ствола и придают ей механическую прочность. Паренхимные (лат. "пар" - одинаковый ) клетки имеют примерно одинаковые размеры по всем трем осевым направлениям, входят в состав сердцевинных лучей, занимают около 7% объема древесины. Клетки паренхимы имеют более гонкие оболочки, они слабее основных клеток - по ним образуются усушенные трещины в пиломатериалах. Схематичное строение клеток древесины показано на рис. 2.2,6.
2.6. Химический состав древесины
Химический состав древесины практически не зависит от породы дерева. Органическое вещество абсолютно сухой древесины содержит в среднем, %: 49,5 - углерода (С); 44,2 - кислорода с примесью азота (О + N); 6,3 - водорода (Н). Эти химические элементы образуют в древесине сложные соединения, %: целлюлозу - высокомолекулярный линейный полимер 48...56; гемицеллюлозу - более сложный полимер, чем целлюлоза, 23...26 и лигнин - вещество, сложной макромолекулярной структуры, 26...30. Все перечисленные вещества входят в состав клегочных оболочек. Кроме них в состав древесины входят еще неорганические соединения, которые при сгорании образуют золу. Остальные вещества называются экстрактивными - извлекаемыми из древесины различными способами (смолы, эфирные масла, дубильные вещества).
2.7. Физические свойства древесины
Основные физические свойства древесины, имеющие большое значение в строительстве. Плотность. Зависит от породы и влажности и составляет (кг/м3): для свеже-срубленной древесины - 1000; для высушенной до стандартной влажности 12% древесины сосны и ели - 500; для лиственницы - 650; для березы - 700.
Теплопроводность. Благодаря трубчатому строению древесина плохо проводит тепло. Теплопроводность вдоль волокон больше, чем поперек волокон. Малая теплопроводность поперек волокон 0,12 Вт/(м-°С) позволяет использовать древесину в ограждающих конструкциях.
Температурное расширение. Изменение размеров древесины при нагревании характеризуется коэффициентом линейного расширения а. Вдоль волокон древесины этот коэффициент равен 4 -10 поперек волокон - 11-10 6(1/ °C). Ввиду незначительной величины этих коэффициентов, они не учитываются при проектировании конструкций.
Цвет - важная характеристика внешнего вида древесины, учитываемая при выборе породы для отделки помещений, изготовлении мебели. Основное вещество в древесине -целлюлоза - имеет практически белый цвет. Все многообразие цветовых оттенков придают древесине красящие, дубильные вещества и смолы.
Текстурой называется рисунок, образуемый на поверхности образцов при перерезывании анатомических элементов древесины, чем сложнее строение древесины, тем богаче ее текстура. Красивую замысловатую текстуру имеют: карельская береза, бук, платан (на радиальном разрезе), орех, дуб (на тангенциальном разрезе).
2.8. Механические свойства древесины
Механические свойства древесины характеризуются: прочностью - способностью сопротивляться разрушению от механических воздействий; жесткостью - способностью сопротивляться изменению размеров и формы; твердостью - способностью сопротивляться проникновению другого твердого тела; ударной вязкостью - способностью поглощать работу при ударе. Механические свойства древесины зависят от многих факторов.
18
2.9. Влияние различных факторов на прочность древесины
2.9.1. Влияние длительности действия нагрузки
Работы по исследованию влияния продолжительности действия нагрузки на прочность древесины были проведены проф. Ф. П. Белянкиным в 1931 - 1934 гг. Было установлено, что древесина обладает свойством ползучести, т. е. под воздействием приложенной постоянной нагрузки в древесине наблюдается рост деформаций, который со временем прекращается (затухает), если нагрузка не превышает определенного предела. В этом случае, после снятии нагрузки часть деформаций (упругие) исчезает сразу, другая часть (эластичные) - постепенно, а остаточные деформации остаются. Если же нагрузка превысила определенный предел, то деформации в деревянном элементе возрастают до разрушения образца. Пределом длительного сопротивления древесины называется максимальное напряжение, не вызывающее разрушение деревянного образца при любой продолжительности действия приложенной нагрузки. Изменения предела прочности древесины во времени наглядно иллюстрируется кривой длительного сопротивления (рис. 2.3,6).
Современные исследования длительной прочности древесины с позиций кинетической концепции прочности твердых тел начаты проф. Ю.М. Ивановым. Основные закономерности длительной прочности древесины изложены в параграфе 3.8 [8].
2.9.2. Влияние угла между усилием и направлением волокон древесины
Древесина обладает ярко выраженной анизотропией строения: при изменении угла между направлением действующего усилия и направлением волокон древесины от 0 до 90° расчетное сопротивление древесины на сжатие и смятие по всей поверхности уменьшается примерно в 7 раз, например для 2-го сорта, с 13 до 1,8 МПа (рис. 2.3,а).
2.9.3. Влияние влажности
Влажностью древесины называется отношение массы влаги, содержащейся в данном объеме древесины, к массе абсолютно сухой древесины, выраженное в процентах. Влажность древесины определяется весовым способом по нижеприведенной формуле (или с помощью электровлагомера):
17 = ^^100% (2Л)
то где W - влажность древесины, %;
т - масса образца влажной древесины, г;
то - масса образца абсолютно сухой древесины, г.
В древесине различают две формы влаги: свободную {капиллярную) ~ заполняющую полости клеток и межклеточное пространство, и связанную {гигроскопическую) - находящуюся в клеточных оболочках.
Кроме свободной и связанной влаги, различают влагу, входящую в состав веществ, образующих древесину, химически связанную влагу. Эта влага имеет значение лишь при химической переработке древесины.
Максимальное количество связанной влаги для всех пород примерно одинаково и составляет 30% при температуре 20°С. Эта величина называется пределом гигроскопичности или точкой насыщения клеточных оболочек. Предел гигроскопичности - такое состояние древесины, при котором свободной влаги в древесине нет, а в клеточных оболочках содержится максимальное количество связанной влаги.
Зависимость прочности древесины на сжатие от влажности показана на рис. 2.3,в: увеличение влажности от 0 до 30 % приводит к снижению прочности и модуля упругости; повышение влажности выше 30 % не оказывает существенного влияния на прочность.
19
Рис. 23. Влияние различных факторов на прочность древесины на сжатие: а - угла между направлением усилия и направлением волокон, б - длительности действия нагрузки, в - влажности, г - температуры
Для сопоставления результатов испытаний образцов с различной влажностью на сжатие, изгиб и скалывание вдоль волокон показатели прочности приводятся к стандартной влажности по формуле
Rl2=R„[l+a(W-12)} (2.2)
где /?12 - прочность древесины при стандартной влажности 12%;
Rw - прочность древесины в момент испытаний;
W - влажность древесины в момент испытаний;
а - поправочный коэффициент, зависящий от породы и вида напряженного состояния, например, для сосны при сжатии а = 0,04.
Формула приведения действительна только при влажности древесины от 8 до 23 %. Образцы с влажностью более 23% необходимо перед испытаниями подсушивать. Влияние влажности на прочность древесины при растяжении вдоль волокон незначительно.
Каждому сочетанию температуры и относительной влажности воздуха соответствует определенная установившаяся влажность древесины, которая называется равновесной влажностью. Зная условия, в которых будут эксплуатироваться деревянные конструкции, можно определить соответствующую равновесную влажность древесины по специальной диаграмме.
Сушкой древесины называется процесс удаления влаги из древесины путем испарения, Используются три способа сушки пиломатериалов: естественная (атмосферная), искусственная (камерная) и комбинированная (атмосферная + камерная).
Удаление свободной влаги происходит сравнительно легко, без изменения линейных размеров и объема, уменьшается только плотность древесины. При дальнейшей сушке, в результате удаления связанной влаги, изменяются линейные размеры и объем древесины. Полная линейная усушка древесины хвойных пород (от предела гигроскопичности 30% до конечной влажности 12... 15 %) в среднем составляет, %: вдоль волокон до 0,3; в радиальном направлении до 6; в тангенциальном до 12.
Сушка древесины - важнейший этап в процессе изготовления деревянных конструкций. Неравномерная сушка приводит к деформациям деревянных элементов, появлению радиальных и продольных усушенных трещин. Чем медленнее идет процесс сушки, тем меньше внутренние напряжения, возникающие за счет изменения размеров деревянного элемента, и меньше вероятность появления дефектов. Пиломатериалы для изготовления несущих КДК рекомендуется сушить в две стадии: 1) естественная сушка до влажности 25...30%, 2) камерная сушка при мягких режимах до стандартной влажности 12%.
2.9,4. Влияние температуры
На основе многочисленных испытаний установлено, что прочность древесины зависит и от температуры (рис. 2.3,г). С повышением температуры от 20 до 50°С предел прочности снижается в среднем (в %): при сжатии - на 20...30; при растяжении - на 12... 15. С повышением температуры также понижается и модуль упругости.
При отрицательных температурах предел прочности на сжатие при любой влажности несколько повышается за счет включения в работу замерзшей воды. Однако древесина при этом становится хрупкой и ее прочность на раскалывание снижается.
Для сопоставления результатов испытаний образцов показатели предела прочности после приведения к стандартной влажности по формуле (2.2) приводятся к стандартной температуре 20°С по формуле
Я20 20 J, (2.3)
где /?20_ предел прочности при стандартной температуре 20°С;
Rt - предел прочности в момент испытаний;
21
Р - поправочный коэффициент, зависящий от породы и вида напряженного состояния. Например, для сосны при сжатии р = 0,35 МПа;
t - температура в момент испытаний, °C.
Формула (2.3) действительна в пределах положительных температур 10.. .50°С.
2.9.5. Влияние пороков древесины
Пороками древесины называются изменения внешнего вида древесины, нарушения правильности ее строения, целостности ее тканей, клеточных оболочек и другие недостатки отдельных участков древесины, снижающие ее качество и ограничивающие возможность ее использования. Согласно ГОСТ 2140-81* «Видимые пороки древесины», пороки подразделяются на группы, виды и разновидности. Основные группы пороков; сучки', трещины; пороки формы ствола; пороки строения древесины; химические окраски; грибные поражения; биологические повреждения; инородные включения, механические повреждения и пороки обработки; покоробленности.
Пороки снижают прочность древесины: в меньшей степени при работе древесины на сжатие, смятие и изгиб, и в большей степени при работе древесины на растяжение и скалывание. Существенно влияют на прочность древесины следующие группы пороков.
Сучки - части ветвей, заключенные в древесины ствола. Они нарушают однородность строения древесины, вызывают образование местных косослоев, затрудняют механическую обработку древесины. Сучки различают по виду: открытые и заросшие. Разновидности открытых сучков: по форме (круглые, овальные, продолговатые)', по положению в сортименте (пластевые, кромочные, ребровые, торцовые); по взаимному расположению (разбросанные, групповые, разветвленные); по степени срастания (сросшиеся, частично сросшиеся, несросшиеся, выпадающие)', по состоянию древесины сучков (здоровые, загнившие, гнилые, табачные); по выходу на поверхность (односторонние, сквозные).
Пороки формы ствола: сбежистость - изменение диаметра по длине ствола дерева более чем на 0,8 см на 1 м длины ствола; закомелиспгость - резкое увеличение диаметра комлевой части ствола; овальность; наросты; кривизна.
Пороки строения древесины: наклон волокон (косослой) - отклонение волокон древесины от продольной оси ствола дерева; крень (местная, сплошная) - изменение строения древесины, выражающееся в увеличении ширины поздней зоны годичных слоев; свилеватость (волнистая, путанная) - извилистое или путаное расположение волокон древесины; сердцевина; двойная сердцевина; засмолок и др.
В зависимости от наличия, количества и месторасположения тех или иных пороков в древесине, пиломатериалы подразделяются на сорта. Согласно СНиП [2] для несущих элементов деревянных конструкций должна применяться древесина 1, 2 и 3-го сортов с учетом указаний приложения № 1 СНиП [2]. Для деревянных конструкций, кроме требований ГОСТ 8486-86*Е на пиломатериалы хвойных пород и ГОСТ 9463-88* на лесоматериалы круглые хвойных пород, предъявляются дополнительные требования по ширине годичных слоев (не более 5 мм), содержанию в них поздней древесины (не менее 20%) и не допустимости сердцевины.
2.10. Строительная фанера
Из всех листовых материалов на основе древесины (древесностружечных плит, дре-весноволокнистных плит, цементно-стружечных плит и т.п.) наиболее применяемым материалом в строительстве является фанера. Фанера - многослойный листовой материал, состоящий из нечетного числа слоев, называемых шпонами. Шпоны - тонкие слои древесины толщиной 0,2... 1,0 мм - получаются лущением прямолинейных отрезков ствола дерева, называемых кряжами. Смежные слои в пакете имеют взаимно перпендикулярное направление волокон и склеиваются между собой горячим или холодным прессованием.
22
Наружные слои фанеры называются рубашками и имеют одинаковое направление волокон, внутренние слои называются серединками. Фанеру изготавливают из древесины многих пород: березы, сосны, лиственницы, ели и других. Наиболее пригодна древесина березы, которая не имеет ярко выраженной ранней и поздней зоны годичных слоев, отличается равномерной плотностью и однородностью строения. Достоинства клееной фанеры как конструкционного строительного материала: меньшая анизотропия свойств по сравнению с природной древесиной вследствие перекрестной структуры; высокие прочностные свойства; относительно малая масса; низкая тепло- и звукопроводность; высокие декоративные качества; повышенная водостойкость.
Ежегодно в России выпускается около 2 млн. м3 клееной фанеры. На долю строительства приходится примерно 7% этого объема. В строительстве применяются в основном два вида фанеры: березовая фанера повышенной водостойкости марки ФСФ (Ф -фанера, СФ - на смоляном фенолформальдегидном клее) и бакелизированная фанера марки ФБС (Ф - фанера; Б - бакелизированная, С - пропитка рубашек И намазывание серединок синтетическими смолами). Фанера марки ФБС отличается от ФСФ более высокой водостойкостью, прочностными показателями, а также ценой (табл. 2.2).
Кроме этих марок, в строительстве применяются и другие виды фанеры: армированная (внутри вместо одной из серединок запрессовывается металлическая или стеклопластиковая сетка); гофрированная (кровельная); облицованная пластиками; комбинированная (рубашки делают из березового шпона, а серединки - из шпона древесины хвойных пород); фанерные плиты (листы фанеры толщиной более 16 мм).
Помимо листовой фанеры, в экспериментальном порядке, выпускаются профильные изделия из фанеры (уголки, швеллера и т.п.) и фанерные трубы диаметром 50.. .200 мм.
Основные направления использования водостойкой клееной фанеры в строительстве: многооборачиваемая опалубка для монолитного домостроения и производства сборного железобетона; столярные изделия; обшивки плит покрытий и стеновых панелей; несущие конструкции (балки, рамы).
Таблица 2.2
Основные показатели строительной фанеры
Показатели Ед. изм. Клееная фанера ФСФ (ГОСТ 3916.1) Бакелизированная фанера ФБС (ГОСТ 11539)
Размеры листов: мм
- толщина 6,5; 9; 12; 15 5, 7,10,12,14,16
- ширина 1500,1525,1800 1250,1500,1550
- длина 1500,1525,1800, 2100,2500,3050 1500, 4400,4900, 5600,5700,7700
Физико-механические характеристики:
- плотность кг/м3 700 1200
- модуль упругости вдоль волокон наружных слоев МПа 9000 12000
Расчетные сопротивления (вдоль волокон наружных слоев): МПа
- растяжению в плоскости листа 14 32
- сжатию в плоскости листа 12 28
- изгибу в плоскости листа 16 33
- скалыванию в плоскости листа 0,8 1,8
- срезу перпендикулярно плоскости листа 6 11
Цена за 1м3, 5 = 8 мм (2002 г.) руб. 12 000 22 000
23
3. РАСЧЕТ ЭЛЕМЕНТОВ ДЕРЕВЯННЫХ КОНСТРУКЦИЙ
3.1. Основы расчёта деревянных конструкций по методу предельных состояний
Деревянные конструкции, как и другие виды строительных конструкций, рассчитываются по методу предельных состояний. Предельным называется такое состояние конструкций, при котором их дальнейшая эксплуатация становится невозможной по причине: потери несущей способности (прочности, устойчивости) - первое предельное состояние; возникновения недопустимых деформаций (прогибов, перемещений) - второе предельное состояние.
Основное положение расчёта строительных конструкций по методу предельных состояний можно сформулировать так: внутренние напряжения, а также деформации и перемещения от учитываемых нагрузок и воздействий не должны превышать предельных значений прочностных показателей строительных материалов, устанавливаемых нормами проектирования. Для деревянных конструкций это СНиП 11-25-80 «Деревянные конструкции. Нормы проектирования» [2]. В данной работе все обозначения в формулах и ссылки на таблицы даны по СНиП [2], поскольку новая редакция этого документа СНиП 2.08.03-90 до настоящего времени не утверждена.
Расчёт конструкций по первому предельному состоянию производится на расчётные нагрузки, а расчет по второму предельному состоянию - на нормативные нагрузки. Нормативные значения нагрузок приводятся в СНиП 2.01.07-85* «Нагрузки и воздействия» [1]. Расчетные значения нагрузок получаются путём умножения нормативных нагрузок на коэффициенты надёжности по нагрузке у/, коэффициенты надежности по ответственности зданий и сооружений, а также, в необходимых случаях, - на коэффициенты динамичности.
Согласно приложению 7 СНиП [1] «Учет ответственности зданий и сооружений», при расчете несущих конструкций коэффициенты надежности по ответственности зданий и сооружений уп рекомендуется принимать: для I уровня (повышенный) -0,95... 1^; для II уровня (нормальный) - 0,95; для III уровня (пониженный) -0,8...0,95.
Конструкции рассчитываются на наиболее неблагоприятное сочетание нагрузок (собственный вес, снеговая, ветровая, технологические и другие нагрузки). Вероятность одновременного воздействия нагрузок на конструкции учитывается коэффициентами сочетаний - см. п.1.10 - 1.13 СНиП [1].
3.2. Нормирование расчётных сопротивлений древесины н фанеры
Основными нормируемыми характеристиками прочности древесины и фанеры являются нормативные и расчётные сопротивления, которые устанавливаются на основании результатов многочисленных испытаний малых стандартных образцов или крупных образцов из пиломатериалов и круглого леса.
В современных нормах расчетные характеристики древесины получены в результате испытаний крупных образцов, однако этот подход не применим при определении прочностных характеристик древесины в реальных конструкциях, когда невозможно выпилить крупные образцы.
Результаты серий стандартных испытаний образцов обрабатываются с учётом статистической изменчивости показателей прочности и разной степени обеспеченности (доверительной вероятности) по минимуму - Р. В СНиП П-25-80 [2] нормативные и расчётные сопротивления древесины и фанеры приняты с обеспеченностью по минимуму при нормальном законе распределения результатов испытаний: для нормативных значений Р = 0,95, Т)н = 1,64; для расчетных значений Р = 0,99, т] = 2,33.
При обработке результатов испытаний малых стандартных образцов нормативное сопротивление древесины /?н определяется по формуле
24
RH (3.1)
где R^p _ средний временный предел прочности древесины по данным многочислен-ных испытаний малых стандартных образцов, МПа;
_ множитель, зависящий от принятого уровня обеспеченности и вида функции плотности распределения показателей (при Р = 0,95, т]н = 1,65);
v — коэффициент вариации (изменчивости), зависящий от разброса показателей прочности древесины и изменяющийся в пределах 0,15 ...0,25.
Расчётное сопротивление древесины /?р вычисляется по формуле
7?р = №?пдлЛ-од/ут, (3.2)
где Щдд — коэффициент, учитывающий влияние длительности приложения нагрузки, т. е. коэффициент перехода от прочности древесины при кратковременных испытаниях к её прочности в условиях длительно действующих постоянных и временных нагрузок за весь срок службы конструкций, т№ - 0,66;
7<од — коэффициент, учитывающий влияние пороков древесины и размеров рабочего сечения деревянных элементов, т. е. коэффициент перехода от чистой без пороков древесины малых стандартных образцов к натуральной древесине, устанавливается эмпирическим путём (/Сод = 0,275...0,7);
- коэффициент надежности по материалу, учитывающий отклонение в сторону меньших значений прочности материала с более высокой обеспеченностью по отношению к нормативному сопротивлению (см. формулу (9) [4]).
Расчётные сопротивления древесины сосны и ели даны в табл. 3 [2], а фанеры - в табл. 10 СНиП 11-25-80 [2]. В табл. 3.1 выборочно приведены расчётные сопротивления древесины сосны и ели 2-го сорта для нормальных условий эксплуатации.
Таблица 3.1
Расчетные сопротивления древесины сосны и ели 2-го сорта
Напряженное состояние и характеристика элементов Обозначения в формулах Расчетные сопротивления, МПа
Изгиб, сжатие и смятие вдоль волокон элементов прямоугольного сечения высотой до 50 см >3 S О >0 л 2 13
Растяжение вдоль волокон: Яр
а) неклееные элементы 7
б) клееные элементы 9
Сжатие и смятие по всей площади поперек волокон Яс. 90 , Ясм. 90 1,8
Сжатие и смятие поперек волокон местное: Ясм.90
а) в опорных частях конструкций, в лобовых врубках 3
б) под шайбами при углах смятия от 90 до 60° 4
Скалывание вдоль волокон: Яск
а) при изгибе неклееных элементов 1,6
б) при изгибе клееных элементов 1,5
в) в лобовых врубках 2,1
Растяжение поперек волокон в клееных деревянных элементах Яр. 90 0,3
25
Расчётные сопротивления для других пород древесины устанавливаются путем умножения величин, приведенных в табл. 3.1 на переходные коэффициенты ти из табл. 4 [2]. Расчетные сопротивления древесины даны при стандартной влажности древесины (12%) и для нормальных температурно-влажностных условий эксплуатации конструкций: относительной влажности воздуха до 75% и температуре воздуха до + 35 °C. Влияние на расчетные сопротивления древесины других условий эксплуатации и особенностей работы конструкций, отличающихся от принятых при определении базовых расчётных сопротивлений древесины (см. табл. 3 [2]), учитывается умножением последних на соответствующие коэффициенты условий работы:
- для различных условий эксплуатации конструкций (см. табл. 5 [2]);
— учитывающий повышенную температуру (см. п. 3.2,6 [2]);
тя — учитывающий долю постоянных нагрузок (см. п. 3.2,в [2]);
шн - учитывающий воздействия кратковременных нагрузок (см. табл. 6 [2]);
- учитывающий высоту сечения элементов (см. табл. 7 [2]);
тсл ~ учитывающий толщину слоёв клеёных элементов (см. табл. 8 [2]);
mni- для гнутых элементов (см. табл. 9 [2]);
то - учитывающий наличие ослаблений в расчетном сечении (п. 3.2,и [2]);
/па- учитывающий снижение прочности древесины при пропитке ее антипиренами под давлением (п. 3.2,к [2]), а также другие коэффициенты.
При совместном действии нескольких факторов перемножаются соответствующие им коэффициенты. Аналогичным образом учитываются условия эксплуатации и особенности работы элементов из фанеры.
Модуль упругости древесины принят: вдоль волокон £=104 МПа; поперек волокон Ео.9о=400 МПа. Модуль сдвига древесины относительно осей, направленных вдоль и поперек волокон, Go.go=500 МПа. Модули упругости и сдвига древесины и фанеры для конструкций, находящихся в условиях эксплуатации, отличающихся от нормальных, необходимо умножать на соответствующие коэффициенты условий работы, приведённые выше для расчётных сопротивлений.
Коэффициент Пуассона древесины поперёк волокон при напряжениях, направленных вдоль волокон, У9о.о=О,5, а вдоль волокон при напряжениях, направленных поперёк волокон, Vo.po=O,O2.
Прочностные характеристики строительной фанеры приведены в табл. 2.2, коэффициент Пуассона для строительной фанеры Уф=О,О85.
3.3. Центрально-растянутые элементы
3.3.1. Особенности работы древесины на растяжение вдоль волокон
Малый стандартный образец для испытаний древесины на растяжение, диаграмма работы и характер разрушения образца показаны на рис.3.1. Максимальный предел прочности древесины на растяжение вдоль волокон при испытаниях малых стандартных образцов достигает 200 МПа, средний временный предел прочности - 100 МПа (рис. 3.1,6), что сопоставимо с показателями некоторых марок стали.
Прочность древесины реальных элементов конструкций резко снижается за счёт неоднородности строения древесины. Особенно опасны при растяжении сучки на кромках с выходом на ребро и наличие косослоя. Сучки являются концентраторами напряжений. При косослое растягивающее усилие раскладывается на две составляющие: вдоль наклонно расположенных волокон и перпендикулярно к ним. Это вызывает растяжение поперек волокон, скалывание и сдвиг. Допускаемый косослой лежит в пределах 7... 15 мм на 1 м длины элемента.
26
Рис. 3.1. Центральное растяжение:
а - малый стандартный образец для испытаний древесины на растяжение вдоль волокон; б - диаграмма работы древесины на растяжение вдоль волокон;
в - график зависимости расчетных сопротивлений клееной древесины от угла наклона к волокнам; г -характер разрушения образца; д - учет расстояний между ослаблениями
в растянутых элементах
27
С учетом приведенных выше факторов коэффициент однородности древесины при растяжении принимается 0,275, а расчётное сопротивление на растяжение составляет для 1-го сорта всего 10 МПа - для не клееных элементов (брусчатых, дощатых) и 12 МПа - для клееных деревянных элементов.
Диаграмма работы древесины на растяжение вдоль волокон (см. рис.3.1,б) имеет незначительную кривизну. Деформации возрастают прямо пропорционально напряжениям почти до момента разрушения, которое происходит при очень малых деформациях - всего 0,7% от первоначальной длины. Разрушение растянутых элементов происходит хрупко, в виде почти мгновенного разрыва наименее прочных волокон по пилообразной поверхности (рис.3.1,г).
Предел прочности древесины на растяжение поперек волокон в 12... 17 раз меньше, чем при растяжении вдоль волокон вследствие анизотропии строения древесины. Расчётное сопротивление древесины на растяжение поперек волокон нормируется в СНиП [2] только для клееной древесины. Расчетное сопротивление клееной древесины сосны 1-го сорта под углом а к волокнам можно определит по графику на рис. 3.1,в.
На центральное растяжение работают нижние пояса и растянутые раскосы ферм при узловой нагрузке, затяжки арок и другие элементы.
3.3.2. Расчёт элементов
Расчёт центрально-растянутых элементов производится по формуле
(3.3) 'нт
где N - расчётная продольная сила;
/?р —расчетное сопротивление древесины растяжению вдоль волокон, определенное с учетом всех необходимых коэффициентов условий работы (коэффициенты условий работы даны на стр. 26);
FHT - площадь нетто поперечного сечения элемента.
При определении площади Fm ослабления, расположенные по длине элемента на расстоянии друг от друга менее 200 мм, принимаются совмещенными в одном сечении (рис. 3.1,д) - из-за неравномерности распределения растягивающих напряжений в расчётном сечении (опасности разрыва волокон "по зигзагу").
Если ослабления расположены в элементе несимметрично относительно центра тяжести его поперечного сечения, то такой элемент рассчитывается как внецентренно-растянутый (см. параграф 3.8). Площадь поперечного сечения нетто деревянных элементов должна быть не менее 50 см2, а также не менее 0,5 полной площади сечения брутто при симметричном ослаблении и 0,67 при несимметричном ослаблении.
3.4. Центрально-сжатые элементы
3.4.1. Особенности работы древесины на сжатие вдоль волокон
Малый стандартный образец для испытаний древесины на сжатие и диаграмма работы показаны на рис.3.2. Средний временный предел прочности на сжатие вдоль волокон при испытаниях малых стандартных образцов чистой древесины значительно ниже, чем при растяжении и составляет всего около 40 МПа. Однако на сжатие вдоль волокон древесина работает более надежно, чем на растяжение. Влияние различных пороков древесины сказывается незначительно, и коэффициент однородности принимается = 0,7. Диаграмма работы древесины на сжатие вдоль волокон характеризует пластическую работу древесины: напряжения в отдельных волокнах перед разрушени
28
ем выравниваются за счет происходящих деформаций. Примерно до половины предела прочности древесина работает почти упруго, рост деформаций происходит прямо пропорционально напряжениям. При дальнейшем увеличении нагрузки деформации растут быстрее, чем напряжения, что свидетельствует об упругопластической стадии работы древесины (рис. 3.2,в). Перед разрушением деформации достигают 0,5% первоначальной высоты образца. Разрушение образцов происходит в результате потери местной устойчивости наружных волокон древесины и сопровождается появлением характерной складки (рис. 3.2,6).
Прочность древесины на сжатие вдоль волокон - наиболее характерное и важное свойство древесины. Как центрально-сжатые работают стойки, верхние пояса ферм (кроме сегментных ферм) при узловой нагрузке, сжатые раскосы ферм и другие деревянные элементы.
Рис. 3.2. Центральное сжатие:
а - малый стандартный образец для испытаний древесины на сжатие вдоль волокон; б - образец после испытаний; в - диаграмма работы древесины на сжатие
вдоль волокон
3.4.2. Расчёт элементов
Длина сжатых элементов значительно больше, чем размеры поперечного сечения, поэтому разрушаются эти элементы не как малые стандартные образцы - только от сжатия, а в результате потери устойчивости, которая происходит значительно раньше, чем напряжения сжатия достигают своего предела. Эта особенность работы сжатых элементов называется явлением продольного изгиба и учитывается введением в расчетную формулу коэффициента продольного изгиба (р.
Коэффициент продольного изгиба ф представляет собой отношение критического напряжения (напряжения, при котором стержень начинает терять устойчивость) к среднему временному пределу прочности древесины на сжатие вдоль волокон :
(3.4)
% п2Е (0- ~=—Т------,
где Е — модуль упругости древесины вдоль волокон;
X - гибкость элемента.
Коэффициент ф условно можно рассматривать как поправочный коэффициент, на который надо умножить средний временный предел прочности древесины на сжатие, чтобы получить критическое напряжение упругого стержня: СУкр = ф Коэффициент ф< 1, что свидетельствует о неполном использовании прочностных свойств материала.
29
Коэффициент (р зависит от гибкости стержня X. При работе элемента до условно
го предела пропорциональности отношение модуля упругости к среднему временному пределу прочности можно считать постоянным (Е =300=const). Подставляя в формулу (3.4) значения известных величин, получим (при X > 70):
3000
(3.5)
При работе элементов за пределами пропорциональности (модуль упругости становится переменной величиной) коэффициент ф определяется по эмпирической формуле (при X < 70):
ф = 1-оУ—(3.6) \ 100 )
Гибкость элементов определяется в зависимости от их расчетной длины и радиуса инерции поперечного сечения по формуле
лД (3.7)
г
где Zq-расчётная длина элемента;
г - радиус инерции поперечного сечения элемента с максимальными размерами брутто, соответственно относительно осей X или У.
Расчётная длина элемента зависит от способа закрепления его концов и схемы приложения нагрузки, l0 = р. I, где / — геометрическая длина элемента. Значения коэффициента |1 приведены в табл. 3.2. Они несколько выше теоретических значений для идеально-упругого стержня, так как вследствие поперечного обжатия, разбухания или усушки древесины полное защемление концов деревянного элемента затруднительно.
Таблица 3.2
Значения коэффициентов р для определения расчетной длины сжатых деревянных элементов в зависимости от характера закрепления концов и схемы приложения нагрузок
ц Л 1 1 1 1 i L
Для деревянных элементов
1 0,8 0,65 2,2 1,2 0,73
Для идеально упругого стержня
1 0,7 0,5 2,0 1,2 0,73
Предельные гибкости сжатых элементов [X]: - сжатые пояса, опорные раскосы и стойки ферм, колонны..........120
- прочие сжатые элементы.......................................150
- сжатые элементы связей.......................................200
30
Радиус инерции поперечного сечения определяется по известной формуле
. (3.8)
VF, V бР
Для элементов прямоугольного сечения: Тх = 0,289/г; Гу - 0,289/?; для элементов
круглого сечения Г = 0,25 d.
С учётом вышесказанного расчёт центрально-сжатых элементов производится по формулам:
- на прочность
ас=^<йг. (3.9)
г
я»:
где Nc — расчётная сжимающая сила;
Rc — расчётное сопротивление древесины сжатию вдоль волокон, определенное с учетом всех коэффициентов условии работы;
FHT — площадь нетто поперечного сечения;
- на устойчивость
(З.ю)
Ч>Рр^
где ф — коэффициент продольного изгиба;
Fpac4 — расчётная площадь поперечного сечения элемента, определяемая по формулам табл. 3.3.
При несимметричных ослаблениях поперечного сечения, выходящих на кромку, сжатые элементы рассчитываются как внецентренно-сжатые (см. параграф 3.7).
3.4.3. Подбор сечения центрально-сжатых элементов
Назначение размеров центрально-сжатых деревянных элементов является довольно сложной задачей для проектировщиков. Подбор сечения элементов производится исходя из ряда условий (расчета на прочность и устойчивость, предельной гибкости в плоскости и из плоскости, существующего сортамента пиломатериалов, особенностей крепления элементов в узлах и других конструктивных соображений).
Подобрать сечение сжатого элемента непосредственно по формуле (3.10) нельзя, так как коэффициент продольного изгиба ф зависит от размеров сечения. На практике сечение подбирают методом последовательных приближений, предварительно задавшись коэффициентом ф = 0,6, или, для простых случаев, применяют способ Кочеткова, который заключается в следующем:
- предполагают, что гибкость сжатого стержня больше 70;
- определяют требуемую площадь поперечного сечения по приближенной формуле
F > lNс ,р ’ 16 у яс
- задаются шириной сечения по сортаменту и находят требуемую высоту сечения, корректируют высоту сечения с учетом сортамента;
- проверяется сечение по основной формуле (3.10) на устойчивость, затем, в зависимости от результатов проверки, размеры сечения корректируется или оставляются прежним.
(З.Н)
31
Таблица 3.3
Расчетная площадь сжатых элементов при различных видах ослабления поперечного сечения
Условия
Эскиз
Формула расчета
При отсутствии ослаблений и при ослаблениях, не выходящих на кромки, если f’ocn — 0,25Fбр
Т^расч 7*бр
При ослаблениях, не выходящих на кромки, если
Госл >0,25F6p, при условии, что
Fm > 0,5F6p
b , _Ъ
расч — * нт
При симметричных ослаблениях, выходящих на кромки при условии, что
FHT > 0,5 F6p
~ F расч * нт
3.5. Изгибаемые элементы
3.5.7. Особенности работы древесины при статическом изгибе
Малый стандартный образец для испытаний, диаграмма работы и эпюры нормальных напряжений по высоте поперечного сечения элемента при различных стадиях загружения образца при изгибе даны на рис. 3.3. Средний временный предел прочности при статическом изгибе занимает промежуточное положение между его значениями при растяжении и сжатии и равен примерно 75 МПа.
При изгибе зависимость Р -/криволинейная, без явно выраженного прямолинейного участка. Поперечный изгиб происходит со значительными прогибами и сопровождается перераспределением напряжений по сечению изгибаемого элемента на разных этапах загружения. В начальной стадии нагружения древесина работает упруго, и эпюра напряжений имеет линейный характер. На втором этапе эпюра напряжений становится криволинейной, и нейтральная ось смещается в сторону растянутой кромки. На этой упругопластической стадии работы элемента начинается смятие в крайних волокнах сжатой зоны, где появляются характерные складки. На последнем этапе загружения зона пластичности развивается в глубь сечения, нейтральная ось еще больше смещается к растянутой 1фомке, разрушение происходит от разрыва крайних растянутых волокон.
Пороки древесины, длительное действие нагрузок и другие факторы уменьшают прочность древесины на изгиб в реальных конструкциях примерно в такой же степени, что и при сжатии, поэтому современные нормы не делают различия между расчетной прочностью древесины на сжатие и изгиб (см. табл. 3.1).
32
В нормах учитывается также, что в брусьях имеется меньше перерезанных при распиловке волокон, чем в досках, а в бревнах их нет, поэтому для таких элементов расчётные сопротивления повышены. Кроме того, прочность при изгибе, при прочих равных условиях, зависит от формы поперечного сечения элементов и отношения h/b -для элементов прямоугольного сечения. На изгиб работают многие конструктивные элементы: балки, настилы. Изгибаемые элементы работают надежно и предупреждают об опасности обрушения заранее большими прогибами.
3.5,2. Расчёт элементов
При расчёте на поперечный изгиб принимается линейное распределение нормальных напряжений по высоте сечения. Расчёт ведётся на прочность и жесткость.
Расчёт на прочность выполняется по формуле
М
(312)
ГУ расч
где М - расчётный изгибающий момент;
Яи - расчетное сопротивление древесины изгибу с учетом всех необходимых коэффициентов условий работы;
WpacH - расчётный момент сопротивления поперечного сечения элемента.
При наличии ослаблений в расчетном сечении элементов Wpac4 = VV'1I!; причём ослабления, расположенные на участке длиной до 200 мм, считаются совмещенными в одном сечении (как при расчете растянутых элементов, рис. 3.1,г).
Расчёт на устойчивость плоской формы деформирования изгибаемых элементов прямоугольного постоянного сечения производится по формуле
= (3.13)
где М - расчетный изгибающий момент на рассматриваемом участке Zp.
Wgp - максимальный момент сопротивления брутто на рассматриваемом участке Zp; фм — коэффициент устойчивости изгибаемых элементов.
Коэффициент фм для изгибаемых элементов прямоугольного поперечного сечения, шарнирно закрепленных от смещения из плоскости изгиба и закрепленных от поворота вокруг продольной оси в опорных сечениях, определяется по формуле
h2
<Р.=140~кф, (3.14)
!ph
где Zp - расстояние между опорами элемента, а при наличии раскреплений сжатой кромки элемента в промежуточных точках от смещений из плоскости изгиба, /р — расстояние между этими точками;
b, h- ширина и максимальная высота сечения элемента на участке Zp;
кф - коэффициент, зависящий от формы эпюры изгибающего момента на расчетной длине Zp, определяемый по табл.2 прил.4 СНиП [2].
При расчете изгибаемых элементов с линейно меняющейся по длине высотой и постоянной шириной поперечного сечения (в зависимости от наличия и характера подкреплений из плоскости изгиба растянутой от момента кромки элемента на участке Zp), коэффициент фм дополнительно умножается на коэффициенты кжм и &пм. Значения коэффициента кжм приведены в табл. 2 прил.4 СНиП [2], а коэффициент кпм находится по формуле (24) СНиП [2].
2 — К556
33
Рис. 3.3. Поперечный изгиб:
а - малый стандартный образец для испытаний древесины на поперечный изгиб;
б - диаграмма работы древесины на поперечный изгиб; в - характер разрушения образца; г - эпюры нормальных напряжений по высоте поперечного сечения
изгибаемого элемента на различных стадиях загружения
Проверку устойчивости плоской формы деформирования изгибаемых элементов двутаврового и коробчатого сечений выполняют по формуле (26) СНиП [2] при Zp> lb, где b — ширина сжатого пояса поперечного сечения элемента.
Проверяются скалывающие напряжения при изгибе по формуле Журавского
T=~nr~SR- (315)
бр*>расч
где Q - расчетная поперечная сила;
5бр - статический момент брутто сдвигаемой части поперечного сечения элемента относительно нейтральной оси;
/бр - момент инерции брутто поперечного сечения элемента относительно нейтральной оси;
Ьрасч - расчетная ширина поперечного сечения элемента.
/?ск - расчётное сопротивление древесины скалыванию вдоль волокон при изгибе с учетом всех необходимых коэффициентов условий работы;
Расчёт на жёсткость изгибаемых элементов заключается в определении прогиба или относительного прогиба и сравнению его с предельно допустимыми значениями:
z L z .
(3.16)
(3.17)
Прогиб шарнирно опертых и консольных изгибаемых элементов определяется по
формуле
(3.18)
где fo — прогиб элементов постоянного сечения без учёта деформаций сдвига;
h - наибольшая высота сечения;
1р - расчётный пролёт элемента;
к - коэффициент, учитывающий переменность высоты сечения элемента;
С - коэффициент, учитывающий влияние деформаций сдвига на прогиб.
Коэффициенты к и с принимаются по табл. 3 прил. 4 СНиП [2].
Предельные прогибы изгибаемых элементов вне зависимости от материала конструкций даны в разделе 10 СНиП 2.01.07-85* [1].
По мнению автора, значения предельных прогибов по СНиП [2], в большей степени учитывают особенности работы деревянных элементов и проверены многолетним опытом эксплуатации таких конструкций.
Предельные относительные прогибы 057] изгибаемых деревянных элементов, ус-
тановленные СНиП (2): - клееные деревянные балки, фермы.................................. 1/300,
- балки междуэтажных перекрытий.............................. 1/250,
- балки чердачных перекрытий................................. 1/200,
- прогоны, стропильные ноги ................................. 1/200,
- консольные балки........................................... 1/150,
- настилы, обрешетка ........................................ 1/150,
- плиты покрытий на деревянном каркасе..................... 1/250.
35
3.6. Косов изгиб
3.6.1. Особенности работы элементов при косом изгибе
Явление косого изгиба возникает в элементах прямоугольного сечения, когда направление действующей нагрузки не совпадает с направлением одной из главных осей сечения (рис. 3.4,а). В условиях косого изгиба работают прогоны скатных покрытий.
Косой изгиб существенно увеличивает размеры поперечного сечения элементов, его следует избегать с помощью конструктивных мер, например, устройства подкладки под прогоны (рис. 3.4,6). Скатная составляющая нагрузки может быть также погашена устройством жесткого косого настила либо постановкой тяжей в плоскости ската крыши в середине пролета прогонов.
В элементах круглого сечения косой изгиб не возникает, так как все его оси являются осями симметрии.
а)
Рис. 3.4. Косой изгиб:
а - схема работы; б - способ устранения косого изгиба: 1 - прогон кровли; 2 - подкладка
3.6.2. Расчёт элементов
Проверка прочности при косом изгибе производится по формуле
(3-19)
где Л/р Му - составляющие изгибающего момента для главных осей сечения X и У;
W» “ моменты сопротивления поперечного сечения нетто относительно главных осей сечения X и У.
Проверка жёсткости при косом изгибе производится по полному прогибу, равному геометрической сумме прогибов fx и fy:
f = у/fl fy2 * t/J (3.20)
где fx и fy - прогибы относительно осей А' и У.
Наименьшие размеры поперечного сечения прямоугольных элементов получаются при отношениях: h/b = ctga (из условия расчета по прочности); h/b-^ctga (из условия расчета по жёсткости), а - угол наклона кровли.
36
3.1. Сжато-изгибаемые элементы
3.7.1. Особенности работы сжато-изгибаемых элементов
Схема работы сжато-изгибаемых элементов, эпюры изгибающих моментов и нормальных напряжений по высоте поперечного сечения элемента даны на рис. 3.5.
Сжато-изгибаемымк (или внецентренно-сжатыми) называются элементы, находящиеся под одновременным воздействием продольной сжимающей силы и изгибающего момента. Такое сложное напряженное состояние элементов возникает в следующих случаях: при совместном действии продольной силы и поперечной нагрузки; при внецентренном приложении продольной силы; при несимметричном ослаблении поперечного сечения сжатого элемента; в сжатых криволинейных элементах (в верхних поясах сегментных ферм).
Максимальные сжимающие напряжения возникают в крайних волокнах сечения в зоне действия расчетного изгибающего момента. Разрушение сжато-изгибаемого элемента начинается с потери устойчивости сжатых волокон, в результате чего появляются складки в верхней зоне сечения, увеличивается прогиб, и элемент ломается.
На сжатие с изгибом работают многие деревянные элементы: арки, рамы, верхние пояса ферм при внеузловой нагрузке. Сжато-изгибаемые элементы работают достаточно надежно, для их изготовления применяется древесина 2-го сорта.
Рис. 3.5. Сжато-изгибаемые элементы:
а - схема работы элемента; б - эпюры изгибающих моментов; в - эпюры напряжений
37
3.7.2. Расчёт элементов
Сжато-изгибаемые элементы рассчитываются на совместное действие сжимающей силы, основного изгибающего момента от поперечной нагрузки и дополнительного момента, возникающего от действия продольной силы на деформированный элемент. Точный расчёт таких элементов достаточно сложен, так как здесь не применим принцип независимости действия сил. Исходят из условия, что под действием расчетных нагрузок, наибольшее сжимающее краевое напряжение не должно превышать расчётного сопротивления древесины на сжатие вдоль волокон.
Проверка прочности производится по формуле
(3.21)
су =----+ ——
F W р&сч расч
где Мд - изгибающий момент от действия поперечных и продольных нагрузок, определяемый из расчёта по деформированной схеме.
В большинстве реальных случаев работы конструкций Л/д определяется по формуле
(3.22)
мд =Y'
где М - изгибающий момент в расчётном сечении без учёта дополнительного момента от продольной силы;
£ - коэффициент, изменяющийся от 0 до 1, учитывающий дополнительный момент от продольной силы вследствие прогиба элемента и определяемый по формуле
£=/-----—, (3.23)
где (р - коэффициент, определяемый по формуле (3.5);
F6p- площадь сечения, определенная при максимальной высоте сечения;
/V - значение сжимающей силы в расчетном сечении (для трехшарнирных арок и рам Л/' - значение сжимающей силы в ключевом сечении).
Расчёт на устойчивость плоской формы деформирования сжато-изгибаемых клееных деревянных элементов производится по формуле
(3.24)
где ф - коэффициент продольного изгиба, определяемый по формуле (3.5), для гибкости элемента с расчётной длиной /р из плоскости деформирования;
фм - коэффициент, определяемый по формуле (3.14);
п — показатель степени, зависящий от наличия закреплений растянутой зоны из плоскости деформирования: и = 2 для элементов без закрепления растянутой зоны из плоскости деформирования, п - 1 для элементов, имеющих такие закрепления.
При наличии в элементе на участке /р закреплений из плоскости деформирования со стороны растянутой от момента кромки коэффициент фм следует дополнительно умножать на коэффициент £пм, определяемый по формуле (24) СНиП [2], а коэффициент ф - на коэффициент tnNr определяемый по формуле (34) СНиП [2]. При отношении напряжений от изгиба к напряжениям от сжатия менее 0,1, сжато-изгибаемые элементы проверяются также на устойчивость по формуле (3.10) без учёта изгибающего момента.
38
3.8. Растянуто-изгибаемые элементы
3.8.1. Особенности работы растянуто-изгибаемых элементов
Схема работы, эпюры изгибающих моментов и напряжений в сечениях растянуто-изгибаемых элементов показаны на рис. 3.6. Растянуто-изгибаемые (внецентренно-растянутые) элементы работают одновременно на растяжение и изгиб. Такое сложное напряженное состояние возникает, например, в нижнем поясе деревянных ферм при внеузловой нагрузке от веса подвесного потолка. Так же работают элементы с внецен-тренным приложением растягивающего усилия (например, при несимметричных ослаблениях, выходящих на кромки).
В нижних волокнах за счёт суммирования напряжений от продольной силы и изгибающего момента возникают максимальные напряжения растяжения. При конструировании деревянных конструкций необходимо избегать появления такого сложного напряженного состояния.
а)
б)
в)
Рис. 3.6. Растянуто-изгибаемые элементы:
а - схема работы элемента; б - эпюры изгибающих моментов; в - эпюры напряжений
39
3,8.2. Расчёт элементов
Расчёт растянуто-изгибаемых элементов производится по формуле
Np М
(Уп -—— +----------<Rn.
р F W R р расч г расч и
(3.25)
В расчёт вводится отношение расчётных сопротивлений растяжению и изгибу (Rp /Rn), позволяющее привести напряжения от изгиба к общему значению, что необходимо для сравнения его с расчётным сопротивлением древесины на растяжение.
Разгружающий момент обратного знака от действия продольной силы в расчёте
не учитывается в запас прочности.
3.9. Сжатие и смятие древесины поперёк волокон
3.9.1. Особенности работы древесины на сжатие и смятие поперек волокон
Малый стандартный образец для испытаний древесины на сжатие и смятие поперек волокон, а также диаграмма работы древесины показаны на рис. 3.7.
На сжатие и смятие поперек волокон по всей поверхности древесина работает значительно хуже, чем на сжатие и смятие вдоль волокон. При сжатии и смятии поперек волокон под углом 90° стенки клеток работают в неблагоприятных условиях, они сплющиваются за счёт внутренних пустот, что приводит к значительным деформациям.
На диаграмме (рис.3.7,б) хорошо видны три стадии: I - упругая стадия работы древесины в начале загружения до наступления предела пластического течения; II -стадия ускоренного роста деформаций за счёт смятия оболочек клеток ранней зоны годичных слоев; III - стадия уплотнения древесины, на этой стадии рост деформаций замедляется, происходит смятие клеток поздней зоны годичных слоёв.
Средний временный предел прочности древесины при сжатии и смятии поперек волокон значительно ниже, чем вдоль волокон. При работе древесины на сжатие и смятие поперек волокон за счёт пластических деформаций происходит выравнивание напряжений и фактического разрушения образца не происходит.
Влияние пороков на прочность древесины на сжатие и смятие поперек волокон незначительное. Расчётное сопротивление древесины сжатию и смятию поперёк волокон установлено исходя из предельных деформаций обмятия в соединениях элементов деревянных конструкций (см. параграф 4.1) и составляет всего 1,8 МПа при сжатии и смятии по всей поверхности.
В деревянных конструкциях сжатие и смятие поперёк волокон древесины может быть трёх видов (рис. 3.7,в): 1) - по всей поверхности; 2) - на части длины (в опорных подушках); 3) - на части длины и ширины (под шайбами болтов).
Чем меньше сминаемая часть по отношению ко всей площади, тем выше сопротивление древесины сжатию и смятию. Это объясняется поддерживающим влиянием волокон ненагруженной части сминаемого элемента.
Расчетное сопротивление древесины местному сжатию и смятию поперек волокон на части длины R см % (при длине ненагруженных участков не менее длины площадки смятия и толщины элемента), за исключением случаев, приведенных в табл. 3.1, определяется по формуле / „ >
ЛСМ 90 = ЛС 90 1 + ------------ * (3'26>
им. w и» w 1 । 1 О
где R с до - расчетное сопротивление древесины сжатию и смятию по всей поверхности поперек волокон, R с w = 1,8 МПа;
I см - длина площадки смятия вдоль волокон древесины, см.
40
Прочность древесины на сжатие и смятие под углом а к направлению волокон занимает промежуточное положение между значениями прочности древесины на смятие вдоль и поперек волокон (см. рис. 2.3,а) и определяется по формуле
Рис. 3.7. Сжатие и смятие поперек волокон древесины:
а - малый стандартный образец для испытаний древесины на сжатие и смятие поперек волокон; б - диаграмма работы древесины на сжатие и смятие поерек волокон; в - виды сжатия и смятия древесины поперек волокон
3.9.2. Расчёт элементов
Расчёт элементов на сжатие и смятие поперёк волокон производится по формуле
а - < п . (3.28)
и СМ. 90 р — ЛСМ. 90
СМ
где NCM - расчетная сжимающая (сминающая) сила;
FCM ~ расчетная площадь сжатия (смятия);
^см 90 - расчётное сопротивление древесины сжатию и смятию поперёк волокон, принимается в зависимости от вида смятия по табл. 3 СНиП[2] или определяется по формуле (3.26) с учетом всех необходимых коэффициентов условий работы.
41
3.10. Скалывание древесины
3,10.1 Особенности работы древесины на скалывание
Малый стандартный образец для испытаний и диаграмма работы древесины на скалывание показаны на рис. 3.8. Скалывание, наряду с растяжением поперек волокон, является наиболее слабым видом сопротивления древесины. Характер разрушение древесины при скалывании хрупкий. Наличие различных пороков резко снижает сопротивление древесины скалыванию (особенно опасен косослой).
Средний временный предел прочности при скалывании древесины вдоль волокон составляет всего 6...7 МПа, расчётное сопротивление скалыванию древесины вдоль волокон при изгибе не клееных элементов 1 сорта равно 1,8 МПа, клееных 1,6 МПа.
Различают: скалывание вдоль волокон; скалывание поперёк волокон; скалывание под углом к волокнам.
б)
Деформации
Рис. 3.8. Скалывание древесины:
а - малый стандартный образец для испытаний древесины на скалывание вдоль волокон; б - диаграмма работы древесины на скалывание вдоль и поперек волокон
В деревянных конструкциях древесина чаще всего работает на скалывание вдоль волокон. Предел прочности на скалывание поперёк волокон примерно в два раза меньше. Предел прочности на скалывание под углом а к волокнам занимает промежуточное положение, а расчетное сопротивление древесины скалыванию под углом а определяется по формуле
D
RcKa = ~7r ' (3,29)
7+1 —-—90 sin1 а
^П.90 ;
где R С1С - расчетное сопротивление древесины скалыванию вдоль волокон;
R ск. ад - расчетное сопротивление древесины скалыванию поперек волокон.
42
3.10,2. Расчёт элементов
При расчете соединений элементов деревянных конструкций (например, в лобовых врубках) пользуются формулой
Т = (3.30)
где Л'ск - расчётная скалывающая сила;
FCK - площадь скалывания;
/?ск - расчётное среднее по длине площадки скалывания сопротивление древесины скалыванию вдоль волокон, определяемое по формуле (3.31).
Расчетное среднее по длине площадки скалывания сопротивление древесины определяется по формуле
(3,31) 1+$-^
е
где /?ск - расчётное сопротивление древесины скалыванию вдоль волокон при расчете по максимальному напряжению, 7?ск = 2,1 МПа;
/ск - расчётная длина площадки скалывания, принимаемая не более 10 глубин врезки в элемент, отношение /ск/ е должно быть не менее 3;
е - плечо сил скалывания, см; для элементов с несимметричной врезкой, например, в лобовых врубках, е = 0,5h; при расчете симметрично загруженных элементов с симметричной врезкой е = 0,25/г; h - полная высота поперечного сечения элемента;
0 - коэффициент, зависящий от вида скалывания древесины в соединениях: при одностороннем скалывании (в лобовых врубках) 0 = 0,25; при двухстороннем (промежуточном) скалывании 0 = 0,125, если обеспечено обжатие по плоскостям скалывания (см. рис. 5 СНиП [2],
Расчёт на скалывание коротких клееных деревянных балок, нагружённых большими сосредоточенными силами вблизи опор, производится по формуле (3.15).
3.11. Краткие рекомендации по компоновке сечений деревянных элементов
Для изготовления несущих деревянных конструкций из цельной древесины пригодны хвойные лесоматериалы (сосна, ель) с влажностью 15.. .20 %, длиной до 6,5 м. Для растянутых деревянных элементов применяется древесина 1-го сорта, а для сжатых, изгибаемых и сжато-изгибаемых конструкций - древесина 2-го сорта. Для обрешетки, настилов и других менее ответственных конструкций допускается применение древесины 3-го сорта. К древесине для деревянных конструкций кроме требований ГОСТ 8486-86*Е на пиломатериалы хвойных пород и ГОСТ 9463-88* на круглые лесоматериалы, предъявляются дополнительные требования, см. прил. 1 СНиП [2].
Для изготовления несущих КДК используется хвойная древесина 1, 2 и 3-го сортов с влажностью 10± 2%, длиной от 2 до 6,5 м. Толщина слоёв (заготовок) после острожки должна быть: для прямолинейных элементов 32...34 мм; для армированных клееных деревянных элементов 34...42 мм; для гнутоклееных (криволинейных) элементов толщина слоев (16...32 мм) принимается в зависимости от внутреннего радиуса кривизны элемента.
Размеры поперечных сечений (ширина Ь, высота h) деревянных элементов опре
43
деляются расчетом и назначаются в соответствии с конструктивными соображениями и требованиями стандартизации и унификации сечений элементов, а также с учетом существующего сортамента пиломатериалов (см. табл. 2.1).
Основные типы поперечных сечений клееных деревянных элементов показаны на соответствующих рисунках в последующих главах. Рекомендуется проектировать клееные деревянные элементы и конструкции преимущественно прямоугольного сечения постоянной высоты. Такое сечение, формируемое из горизонтальных слоев, отвечает требованиям технологичности, обладает повышенной огнестойкостью и меньше подвержено расслоению в процессе эксплуатации.
Согласно действующему сортаменту, выпускаются доски шириной (мм): 100,125, 150, 175, 200, 225, соответственно проектную ширину сечения клееных деревянных элементов с учетом припусков на механическую обработку необходимо назначать: 90, 115, 140, 160, 185, 210. Назначение, например, проектной ширины сечения элемента 150 мм, потребует для его изготовления использование досок шириной 160 мм, но такой ширины досок в сортаменте нет, это приведёт к увеличению стоимости конструкций на 30...50 % за счет надбавки к цене за специальный напил нестандартных пиломатериалов. При проектировании типовых КДК необходимо принимать ширину поперечного сечения элементов не более 210 мм с учетом существующего сортамента пиломатериалов и нормируемых припусков (10... 15 мм) на обработку боковых поверхностей заготовочных блоков, т.к. склеивание заготовок по ширине приводит к увеличению себестоимости изготовления КДК в 1,8...2,2 раза (без стоимости стальных деталей).
Для исключения необходимости склеивания досок (заготовок) по ширине рекомендуется применять спаренные конструкции (см. рис. 6.9,в,2), устанавливаемые на один фундамент, или уменьшать шаг несущих конструкций.
Высота клееного пакета определяется расчетом, но по технологическим причинам (параметры прессового оборудования, время жизнеспособности клея и др.) не рекомендуется принимать высоту сечения клееного элемента более 1600 мм.
При компоновке поперечных сечений клееных деревянных элементов следует использовать:
- в растянутых и сжатых (при гибкости < 70) элементах, пиломатериалы одной породы и сорта (в сжатых элементах дополнительно учитываются условия закрепления элемента в двух плоскостях);
- в изгибаемых, сжато-изгибаемых и сжатых элементах (при гибкости > 70) при высоте сечения более 500 мм рекомендуется использовать пиломатериалы двух сортов, назначая в крайних зонах (симметрично, в сжатой и растянутой) на 0,15ft более высокий сорт. При высоте таких элементов более 1000 мм можно использовать слои трех сортов: в крайней зоне на 0,15ft - 1-й сорт, затем на 0,15ft - 2-й сорт и в средней зоне сечения на 0,4 ft - 3-й сорт древесины.
В изгибаемых и сжато-изгибаемых элементах, если необходимо учитывать устойчивость плоской формы деформирования этих элементов, то рекомендуется оптимизировать отношение ширины и высоты сечения и отношение свободной длины элемента к высоте сечения.
Элементы таврового, двутаврового, коробчатого и других сложных сечений применяются при соответствующем технико-экономическом обосновании. При компоновке элементов таврового, двутаврового, коробчатого и т.п. сечений предварительно задаются толщиной стенки, шириной поясов и отношением высоты сечения между осями поясов к пролету. Затем определяется требуемая площадь сечения поясов и высота сечения элемента.
При компоновке поперечного сечения элементов из различных материалов: древесины и фанеры (клеефанерные), древесины и стали (армированные), в расчет вводятся приведенные геометрические характеристики сечения. Приведение осуществляется по модулю упругости к тому материалу, в котором проверяются напряжения.
44
4. СОЕДИНЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ДЕРЕВЯННЫХ КОНСТРУКЦИЙ
4.1. Общие сведения
При проектировании деревянных конструкций появляется необходимость соединения элементов. Соединение элементов по длине называется сращиванием; по ширине - сплачиванием; под различными углами -узловыми сопряжениями. Все виды соединений (связей) по характеру работы условно можно разделить на шесть групп - это соединения, работающие преимущественно на:
- смятиё и скалывание (врубки, шпонки);
- изгиб (все виды нагелей);
- выдергивание (шурупы, гвозди);
- растяжение (тяжи, накладки, хомуты, болты);
- сдвиг (клеевые соединения);
- на предотвращение случайных смещений из плоскости соединяемых элементов (аварийные связи: болты, скобы, хомуты и др.).
Основные виды соединений элементов деревянных конструкций показаны на рис. 4.1.
В настоящее время, наряду с традиционными видами соединений, применяются новые, например,.в узловых соединениях элементов деревянных ферм - нагельные соединения Трэйм" (рис. 4.2,а): в зоне узла в поясах и решетке прорезают пазы, в которые вводят стальные оцинкованные пластинки толщиной 1.. .2 мм (от 2 до 6 пластинок в узле), затем узел скрепляют гвоздями. При конструировании узлов дощатых ферм и рам применяются металлические зубчатые пластины (МЗП) типа "Гэнг-Нейл” (рис. 4.2,6) и фанерные накладки с клеегвоздевой запрессовкой. Металлические зубчатые пластины изготавливаются из листовой стали толщиной 1...2 мм методом холодной штамповки. Разработано большое количество типоразмеров МЗП, отличающихся формой зубьев и пластин. В стыках КДК применяются соединения на вклеенных стальных стержнях, работающих на выдергивание или продавливание (рис. 4.2,в,г).
Основные правила конструирования соединений:
- ослабление сечения элементов связями должно быть минимальным, при этом в одном соединении не рекомендуется использовать разные типы связей ввиду их различной податливости;
- в соединениях растянутых элементов необходимо соблюдать принцип дробности, т. е. распределять усилия на большее число связей для увеличения плоскостей скалывания;
- связи размещаются симметрично относительно оси элемента и не должны вызывать в нем появления дополнительных усилий.
Значения предельных деформаций соединений при полном использовании их расчетной несущей способности (мм): в лобовых врубках - 1,5, для нагельных соединений всех видов — 2,0;в примыканиях поперек волокон — 3,0;в клеевых соединениях - 0,0.
4.2. Лобовые врубки
Врубкой называется примыкание сжатого элемента к растянутому под углом не более 45°, при этом усилие от одного элемента другому передается непосредственно без вкладышей. Врубки применяются при конструировании узлов деревянных и металлодеревянных ферм. Основное достоинство врубок: простота изготовления по шаблонам. Недостатки врубок: передают только сжимающие усилия, ослабляют сечение растянутого элемента врезкой, разрушаются от скалывания. Классическим примером лобовой врубки с одним зубом является конструкция опорного узла треугольной брусчатой фермы (рис. 4.3). Применяются также лобовые врубки с двумя (рис. 4.4) или тремя зубьями.
45
6)
Рис. 4.1. Традиционные виды соединений элементов деревянных конструкций: а - врубка; б — лобовой упор; в — шпонки; г — колодки; д - цилиндрические нагели; е — пластинчатые нагели; ж — гвоздь, работающий на выдергивание; з - растянутый тяж (болт); и - клеевые соединения досок по пласти
46
Рис. 4.2. Новые виды соединений элементов деревянных конструкций:
а - узловые соединения на стальных пластинках типа "Грэйм";
б - узловые соединения на металлических зубчатых пластинах типа "Гэнг-Нейл";
в, г- соединения на вклеенных арматурных стержнях (сварка условно не показана)
47
Рис, 4.3. Лобовая врубка с одним зубом:
J - опорная подушка; 2 - прибоина; 3 ~ подбалка; 4 - аварийный болт
Рис. 4.4. Опорный узел треугольной деревянной фермы, выполненный лобовой врубкой с двумя зубьями
48
Правила конструирования лобовой врубки с одним зубом для ферм из брусьев:
- ось сжатого элемента должна проходить через центр площадки смятия перпендикулярно к ней (ортогональные врубки);
- ось растянутого элемента центрируется по сечению нетто;
- минимальная глубина врезки должна быть не менее 20 мм, максимальная глубина врезки - не более 1/3 высоты сечения растянутого элемента в опорных узлах и не более 1/4 высоты сечения в промежуточных узлах ферм;
- длина площадки скалывания ZCK должна быть не менее 1,5 высоты растянутого элемента (в расчетах учитывается ZCK не более 10йвр);
- врубка стягивается аварийным болтом, который ставится перпендикулярно к оси сжатого элемента, диаметр болта 16...24 мм;
- размеры подбалки и опорной подушки назначаются конструктивно.
Конструктивные особенности лобовой врубки (см. рис. 4,3): А - В - площадка скалывания; С - В - площадка смятия; В - О - нерабочая площадка, зазор делается для уменьшения опасности раскалывания.
Аварийный болт служит для недопущения случайного взаимного смещения элементов при монтаже и эксплуатации, а также предотвращает полное разрушение узла при скалывании по площадке А - В.
Подбалка служит для упора аварийного болта и в некоторой степени предохраняет растянутый элемент от загнивания в опорной части. Для обеспечения надежного центрирования элементов в узле в подбалке делается подрезка либо к ней прибивается снизу дополнительный элемент, называемый прибоиной.
Расчет лобовой врубки. После конструирования узла производится его расчет по несущей способности из условия прочности на смятие, скалывание и растяжение.
1. Расчет на смятие по площадке С - В. Площадка смятия в сжатом элементе расположена перпендикулярно направлению волокон древесины, а в растянутом элементе - под углом а к направлению волокон, поэтому прочность на смятие рассчитывается в растянутом элементе по формуле
Л'
(4-1)
где Nс - расчетная сжимающая сила;
FCM - площадь смятия, bkBp /cos а;
- ширина растянутого элемента;
ftBp - глубина врезки;
/?см а - расчетное сопротивление древесины смятию под углом а по формуле (3.27) с учетом всех необходимых коэффициенты условий работы.
2. Расчет на скалывание по площадке А - В. Проверка средних скалывающих напряжений по длине площадки скалывания производится по формуле
(4.2) FCK
где Т - расчетная скалывающая сила, Тск = Np- JVccos а;
FCK - площадь скалывания, FCK = Ыск ;
I ск - расчетная длина площадки скалывания;
В - ширина растянутого элемента;
7?ср - среднее по площадке скалывания расчетное сопротивление древесины ск скалыванию с учетом всех необходимых коэффициентов условий работы, см. формулу (3.31).
49
3. Расчет на растяжение нижнего пояса. Проверка напряжений в нижнем поясе производится в месте наибольшего ослабления врезкой по формуле
N„
ар=~У<Ке. (4.3)
* нт
где Np - расчетное усилие растяжения;
Fm - площадь сечения нетто растянутого элемента, Fm = b(h — Йвр);
Яр - расчетное сопротивление древесины на растяжение с учетом ослабления врезкой в расчетном сечении и всех других необходимых коэффициентов условий работы.
4.3. Лобовые упоры
Лобовые упоры - наиболее простые и надежные соединения деревянных элементов. Классическим примером лобового упора является конструкция опорного узла треугольных ферм из брусьев (рис. 4.5,4.6).
Конструктивные особенности. Усилие, возникающее в сжатом элементе, передается опорному вкладышу всей поверхностью торца элемента. Вертикальная составляющая сжимающего усилия передается на опорную подушку, а горизонтальная составляющая - через стальные тяжи, деревянные накладки и нагели - на растянутый элемент. Толщина деревянных накладок принимается равной половине ширины растянутого элемента. Диаметр нагелей и тяжей определяется расчетом (12.. .24 мм).
Достоинства: по сравнению с лобовой врубкой лобовой упор обладает большей несущей способностью, характеризуется отсутствием площадки скалывания и меньшим ослаблением сечения растянутого элемента. Недостатки: сложность изготовления и повышенный расход металла на тяжи и нагели.
Расчет лобового упора.
После конструирования узла выполняются следующие проверки:
1. Проверка опорного вкладыша на смятие [обозначения см. формулы (4.1), (4.2)]:
N
(4.4)
FCM
где FCM - площадь смятия опорного вкладыша, FCM= bh\ b, h- размеры верхнего пояса фермы.
2. Проверка деревянных накладок на растяжение:
N
о= — <R„, (4.5)
Р г Р v 7
2 нт
где FHT - площадь сечения нетто деревянных накладок, F^ = 2a(h — 2JH);
a, h - ширина и высота сечения накладок; dK - диаметр нагеля.
3. Проверка стальных тяжей на растяжение:
AL
о= —-^ < Я"-0,8-,85, (4.6)
р р ’ ’ v '
НТ
где FT - площадь ненарезанной части поперечного сечения стальных тяжей;
j^cr _ расчетное сопротивление стали на растяжение;
0,8 - коэффициент, учитывающий ослабление сечения тяжей нарезкой резьбы;
0,85 - коэффициент, учитывающий возможность неравномерного натяжения отдельных тяжей.
4. Проверка необходимого количества нагелей для крепления деревянных накладок к растянутому элементу производится по формуле (4.7).
50
Рис. 4.5. Эскиз опорного узла фермы, выполненного лобовым упором:
1 - опорный вкладыш; 2 - подбалка; 3 - опорная подушка; 4 - прибоина; 5 - нагели;
6 - болты; 7 - стальные тяжи; 8 - накладки
Рис. 4.6. Опорный узел треугольной деревянной фермы из брусьев, выполненный лобовым упором
51
4.4. Нагельные соединения
4.4.1. Общие сведения
Нагелем называется длинный гибкий стержень (пластинка), который, соединяя элементы деревянных конструкций между собой, препятствует их взаимному сдвигу. Сам нагель при этом работает преимущественно на поперечный изгиб. Нагели используются в стыках растянутых элементов, в составных стержнях и балках на податливых связях, в узлах деревянных ферм. Нагельные соединения отличаются податливостью: усилия распределяются между нагелями достаточно равномерно, что способствует повышению надежности таких соединений. Простота изготовления и надежность нагельных соединений обеспечили их распространение и в современном строительстве.
Классификация нагелей:
- по материалу: стальные (С 245, С 255); деревянные (из твердых пород древесины: дуба, березы); пластмассовые (из конструкционных стеклопластиков, типа АГ-4с);
- по форме поперечного сечения: цилиндрические (болты, штыри, гвозди, шурупы, глухари - шурупы большого диаметра с головкой под ключ); пластинчатые {нагели Деревягина - см. параграф 6.3);
- по способу постановки: собственно нагели, устанавливаемые в предварительно просверленные отверстия, при этом диаметр отверстия равен диаметру нагеля (</ств=г/наг); нагели, завинчиваемые в предварительно просверленные отверстия, при этом г/отв=0,8dHar (шурупы и глухари); нагели диаметром менее 6 мм (гвозди) забиваемые в древесину без предварительного сверления отверстий;
- по способу приложения внешних сил и числу швов, пересекаемых одним нагелем, различают два вида нагельных соединений (рис. 4.7): симметричные (двух- и многосрезные) и несимметричные (одно-, двух- и многосрезные).
Срезом нагеля в соединениях деревянных конструкций условно называется каждое рабочее пересечение нагеля с плоскостью сдвига (по аналогии с заклепками).
При изготовлении нагельных соединений отверстия сверлятся перпендикулярно плоскости сплачивания в собранном пакете, соблюдение этого условия обеспечивает плотность соединения. Соединения на нагелях должны быть обжаты стяжными болтами, которые устанавливается в количестве 25% от общего числа нагелей, но не менее 3 болтов с каждой стороны стыка. Диаметр болтов принимается по расчету. Размер сторон шайбы (диаметр) принимается не менее 3,5 d^, а толщина - не менее 0,25 d&
4.4.2. Напряженно-деформированное состояние нагельного соединения
Работу нагельного соединения рассмотрим на примере соединения двух сдвигаемых элементов (рис. 4.8). Под действием приложенной нагрузки элементы начинают сдвигаться и стремятся опрокинуть нагель, который, после некоторого поворота, упирается в древесину и начинает сминать древесину, вначале по краям гнезда. С увеличением нагрузки поверхность контакта нагеля с древесиной увеличивается: в древесине появляются неравномерные напряжения смятия по всей длине нагеля, а сам нагель изгибается.
Напряженно-деформированное состояние нагельного соединения характеризуется: изгибом самого нагеля; смятием древесины нагельного гнезда; скалыванием древесины между нагелями; раскалыванием древесины поперек волокон.
Практически опасность скалывания и раскалывания древесины устраняется правильной расстановкой нагелей. Минимальные расстояния между нагелями назначаются таким образом, чтобы несущая способность нагеля по скалыванию и раскалыванию древесины заведомо превышала несущую способность нагеля по прочности на изгиб самого нагеля и прочности древесины нагельного гнезда на смятие.
52
Рис. 4.7. Основные виды нагельных соединений:
а - симметричное двухсрезное; б - несимметричное односрезное; в - несимметричное двухсрезное; г - узловые соединения
53
Рис. 4.8. Схема работы нагельного соединения: а - начальное положение; б - поворот нагеля; в - деформированный нагель (Г- сдвигающее усилие; Л, равнодействующие сминающих напряжений)
4.4.3. Размещение цилиндрических нагелей в соединениях
Минимально допустимые расстояния между осями нагелей (табл. 4.1) зависят от материала нагелей, выражаются в диаметрах нагеля, обозначаются (см. рис.4.7): Si -расстояние вдоль волокон древесины; S? - расстояние поперек волокон древесины; S3 -расстояние поперек волокон от кромок элемента до оси нагеля.
Таблица 4.1 Минимальные допустимые расстояния между осями цилиндрических нагелей
Расстановка нагелей Обозначение Вид нагеля
стальной пластмассовый дубовый гвоздь
c > 10<7 c-4d
Вдоль волокон 51 >7d >6d >5J > 15J 25d
Поперек волокон: - между осями нагелей - от кромки элемента до оси нагелей 52 >3,5d >3,5d >3d >4d >4d
$3 >3d >3d > 2,5d >4d >4d
Примечание: при толщине пакета > 1(М; d — диаметр нагеля, гвоздя, см; с — толщина пробиваемого элемента, для промежуточных значений с расстояние между гвоздями определяется по интерполяции.
По ширине элемента нагели рекомендуется располагать в четное количество продольных рядов (два или четыре). Нельзя ставить нагели по оси элемента, чтобы нагели не оказались в зоне усушенных трещин. В конструкциях из круглых лесоматериалов допускается шахматное расположение нагелей в два ряда с расстояниями между осями нагелей вдоль волокон Si, поперек волокон 2,5J.
4.4.4. Расчет нагельных соединений
Точный расчет несущей способности нагеля с учетом всего сложного комплекса взаимосвязанных напряжений смятия и изгиба довольно сложен и громоздок. Проведенные исследования позволяют упростить расчет при введении следующих допущений; предельная деформация нагельного соединения - 2 мм; нагель рассматривается как балка малой изгибной жесткости на упругопластичном основании, каковым является древесина; силы трения не учитываются ввиду возможности появления зазора между соединяемыми элементами при усушке их поперек волокон.
С учетом этих допущений несущая способность нагеля [Гн] на один срез определяется по формулам табл. 4.2 исходя из трех условий: изгиба самого нагеля, смятия древесины в крайних элементах, смятия древесины в средних элементах, а в формулу (4.7) подставляется минимальное значение [Гн].
54
Таблица 4.2
Расчетная несущая способность [Гн| цилиндрического нагеля на один шов сплачивания (условный срез) в соединении элементов из сосны и ели, кН
Напряженное состояние нагельного соединения Расчетная несущая способность нагеля [Гк], кН
стального гвоздя дубового
Смятие средних элементов в симметричных соединениях Ot5cd 0,5cJ 0,ЗЫ
Смятие крайних элементов в симметричных соединениях или более тонких элементов в несимметричных 0,8od 0,8ос/ Q,5ad
Смятие более тонких или равных по толщине элементов в несимметричных соединениях 0,35«/ О,35о/ 0,2cd
Смятие более толстых средних элементов в двухсрезных несимметричных соединениях 0,25а/ 0,25crf 0,14cd
Изгиб нагеля в симметричных и несимметричных соединениях l,8d2+0,02a 2, но не более 2,5d2 2,5t/2+0,01« 2, но не более 4J2 0,45d 2+0,02а 2, но не более 0,65г/2
Примечание: I. Для соединений элементов из сосны и ели.
2. В таблице: с - толщина средних и более толстых элементов односрезных соединений;
а — толщина крайних и более тонких элементов односрезных соединений; d — диаметр нагеля; все размеры в сантиметрах.
3. Для других видов напряженного состояния формулы даны в табл. 17 [2].
В тех случаях, когда передаваемое нагелем усилие направлено под углом а к волокнам соединяемых элементов, [Гн] умножается на коэффициент Ка при расчете из условия смятия древесины и на з/ Ка при расчете на изгиб самого нагеля. Ка определяется по табл. 19 СНиП [2], зависит от угла а и диаметра нагеля (уменьшается с увеличением угла и диаметра нагеля). При определении несущей способности нагеля учитываются также порода древесины и все необходимые коэффициенты условий работы: [Гн] умножается на эти коэффициенты при расчете из условия смятия древесины нагельного гнезда и умножается на корень квадратный из произведения этих коэффициентов при расчете из условия изгиба самого нагеля. Несущая способность соединения на цилиндрических нагелях из одного материала, но разных диаметров определяется как сумма несущих способностей всех нагелей, за исключением растянутых стыков, для которых несущая способность умножается на понижающий коэффициент 0,9.
Требуемое количество нагелей п в соединениях определяется по формуле
[^н Imin пш
где N - расчетное усилие в соединении;
Пш - число расчетных швов сплачивания (условных срезов) одного нагеля; [7н1пйп ~ минимальная Расчетная несущая способность нагеля, см. табл.4.2. Для симметричных соединений количество нагелей, получаемых по этой формуле, должно устанавливаться с каждой стороны стыка.
4.4.5. Нагельные соединения со стальными накладками и прокладками
Нагельные соединения со стальными накладками и прокладками на болтах или глухарях (рис. 4.9) применяются в тех случаях, когда обеспечена необходимая плотность постановки нагелей. Глухие стальные нагели должны иметь заглубление в древесину не менее 5d.
Нагельные соединения со стальными накладками и прокладками рассчитываются по общим правилам, приведенным выше, только при определении несущей способности нагеля из условия изгиба принимается максимальное значение его несущей способности. При необходимости стальные накладки и прокладки проверяются на растяжение по ослабленному сечению и на смятие под нагелем.
Рис. 4.9. Соединения со стальными накладками и прокладками: а - со стальными накладками на болтах; б - со стальными накладками на глухарях;
в - со стальными прокладками
4.4.6. Гвоздевые соединения
Для изготовления конструкций применяются гвозди диаметром 3,5.. .6 мм, длиной 75...250 мм. Гвозди изготавливают из высокопрочной холоднотянутой проволоки (проволочные гвозди). Ранее применялись кованые гвозди. В настоящее время широко применяются также гвозди с негладкой поверхностью (гвозди с различной насечкой).
Гвозди в соединениях сдвигаемых деревянных элементов работают как нагели, но имеют свои особенности, так как забиваются в древесину без предварительного сверления отверстий. Заостренный конец гвоздя при забивке перерезает и раздвигает волокна древесины в стороны и уплотняет древесину вокруг гвоздя. Возникает опасность раскалывания деревянных элементов, поэтому расстояния между рядами гвоздей назначаются большими, чем для цилиндрических нагелей (см. табл. 4.1). Гвоздевые соединения обладают свойством ползучести при длительно действующих нагрузках.
Несущая способность гвоздя не зависит от угла а между направлением усилия и направлением волокон и определяется по формулам табл. 4.2 с учетом всех необходимых коэффициентов условий работы.
Примеры гвоздевых соединений показаны на рис. 4.10.
Рекомендуется расстановка гвоздей небольшого диаметра (d < 0,25 толщины пробиваемого элемента) в четное количество рядов, допускается косая и шахматная расстановка гвоздей.
56
Рис. 4.10. Гвоздевые соединения: а - односрезное; б - двухсрезное
4.5. Гвозди и шурупы, работающие на выдергивание
Несущая способность гвоздя выдергиванию обеспечивается силами трения. При уменьшении этих сил вследствие усушки, появления трещин и по другим причинам, несущая способность гвоздя выдергиванию резко снижается. Сопротивление гвоздя выдергиванию разрешается учитывать только во второстепенных элементах (подшивках подвесных потолков, настилах и т.д.), а также в конструкциях, где выдергивание гвоздей сопровождается одновременной работой их на сдвиг как нагелей.
Расчетная несущая способность одного гвоздя, забитого в древесину поперек волокон, определяется по формуле
TTB = RB.vndli, (4.8)
где /?в г - расчетное сопротивление выдергиванию на единицу поверхности соприкосновения гвоздя с древесиной, которое равно: для сухой древесины RB.r= 0,3 МПа, для сырой древесины RB.r= 0,1 МПа;
d - диаметр гвоздя, м;
Ц - расчетная длина защемленной, сопротивляющейся выдергиванию части гвоздя, м.
Расчетное сопротивление гвоздя выдергиванию умножается на все необходимые коэффициенты условий работы. Длина защемленной части гвоздя должна быть не менее двух толщин пробиваемого элемента и не менее 1 ОгУ. При определении расчётной длины защемления гвоздя из его длины вычитается по 2 мм на каждый шов между соединяемыми элементами и не учитывается заостренная часть гвоздя длиной 1,5d. При свободном выходе гвоздя из пакета расчетная толщина последнего элемента уменьшается на l,5fZ. При использовании гвоздей диаметром более 5 мм в расчет вводится диаметр d=5 мм. В расчётах учитывается гвозди, глубина защемления которых не менее 4d. Расстановка гвоздей, работающих на выдергивание, производится по правилам расстановки гвоздей, работающих на сдвиг (см. табл. 4,1).
Шурупы и глухари удерживаются в древесине не только силами трения, но и упором винтовой нарезки в прорезаемые в древесине винтовые канавки. Расчетная несущая способность на выдергивание одного шурупа (глухаря) определяется по формуле, аналогичной формуле (4.8) (см. также формулу (57) [2]).
57
Расстановка шурупов и глухарей такая же, как в соединениях, работающих на сдвиг, т.е. S| = 104, S2 = 53 = 5d.
4.6. Соединения на вклеенных стальных стержнях
Соединения на вклеенных стальных стержнях из арматуры периодического профиля класса А-П и выше, диаметром 12...25 мм, работающих на выдергивание или продавливание, допускается применять в условиях эксплуатации Al, А2, Б1 и Б2 при температуре окружающего воздуха до 35°С.
Вклеивание предварительно очищенных и обезжиренных стержней осуществляется составами на основе эпоксидных смол в предварительно просверленные отверстия. Рекомендуемые расстояния между осями стержней показаны на рис. 4.9. Расчетная несущая способность вклеенного стержня определяется по формуле
Т = Аск тс[г/+0,005] I кс, (4.9)
ГДе RCk - расчетное сопротивление древесины скалыванию, RCK = 2,1 МПа;
4 - номинальный диаметр вклеиваемого стержня, м;
I - длина заделываемой части стержня, м, 104 < / <304;
к - коэффициент, учитывающий неравномерность распределения напряжений сдвига, кс = 0,6.
4.7. Клеевые соединения элементов конструкций
Склеивание элементов деревянных конструкций позволяет устранить такой недостаток древесины, как ограниченность сортамента, полнее использовать преимущество древесины как конструкционного строительного материала. Клеевые соединения при качественном изготовлении являются почти идеальным средством соединения, подобно сварке в металлических конструкциях.
Основные типы клеевых соединений заготовок для изготовления КДК (по пласти, по кромке, по длине) показаны на рис. 4.11. Соединение по пласти применяется для создания клееных деревянных элементов требуемой высоты сечения. Стыки досок по кромкам используются при изготовлении массивных большепролетных клееных деревянных конструкций с проектной шириной сечения элемента большей, чем ширина отдельных досок.
Для соединения досок (заготовок) по длине в настоящее время применяются зубчатые шипы по ГОСТ 19414-90. В зависимости от расположения шипов по отношению к пласти соединяемых заготовок различают три вида: В - вертикальное с выходом зубьев на пласти; Г - горизонтальное с выходом зубьев на кромки заготовок и Д - диагональное. Наибольшее распространение получили первые два вида (см. рис. 4.11,д,е).
Зубчатый шип характеризуется тремя параметрами: L - длина шипа; t - шаг шипов; bi - затупление шипа. Для сращивание заготовок по длины чаще всего используется шипы со следующими параметрами: £=20 мм, /=6 мм, 6] = 1 мм; £=32 мм, г=8 мм, bi= 1 мм. Для соединения клееных элементов под углом применяется шип со следующими параметрами: £=50, г=12, /ц=1,5. Таким шипом соединяются: ригель и стойка в карнизном узле клееных деревянных рам из прямолинейных элементов типа РДП, элементы двухшарнирных арок в коньковом узле (рис. 4.12).
Удельное торцовое давление запрессовки должно обеспечивать целостность соединений при технологическом перемещении склеиваемых заготовок. Это давление устанавливается в зависимости от геометрических параметров зубчатых шипов, размеров поперечного сечения заготовок и породы склеиваемой древесины и не должно превышать следующих значений, в МПа: при £=20 мм - 10; при £=32 мм - 8; при £=50 - 4,
В зубчатых шипах после запрессовки должен оставаться зазор S не более 5% £.
58
Рис. 4.11. Клеевые соединения заготовок для изготовления клееных деревянных элементов:
а - по пласта; б - по кромке; в - по длине в стык; г - по длине "на ус"; д - по длине на зубчатом шипе с выходом зубьев на пласта заготовок; е - по длине на зубчатом шипе с выходом зубьев на кромки заготовок
Рис. 4.12. Клеевые соединения элементов деревянных конструкций под углом: а - в карнизном узле рам; б - в коньковом узле треугольных 2-шарнирных арок
59
5. ОГРАЖДАЮЩИЕ КОНСТРУКЦИИ С ПРИМЕНЕНИЕМ ДРЕВЕСИНЫ
5.1. Общие сведения
Ограждающие конструкции из древесины применяются в зданиях и сооружениях в виде настилов, обрешетки, кровельных щитов, плит покрытия, плит подвесных потолков и стеновых панелей.
Такие конструкции используются при возведении сельских производственных зданий, промышленных зданий с химически агрессивной по отношению к железобетону и стали, общественных и спортивных зданий, малоэтажных жилых домов. На ограждающие конструкции расходуется значительная часть древесины, используемой в строительстве, от их правильного и рационального конструирования во многом зависит эффективность всего здания (сооружения) в целом.
Достоинства и недостатки этих ограждающих конструкций такие же, что и других конструкций из древесины. В современном строительстве в основном применяются настилы из досок и брусков в конструкциях покрытий не отапливаемых зданий и сооружений и в покрытиях отапливаемых зданий с холодным чердаком, а также плиты покрытий на деревянном каркасе в покрытиях отапливаемых зданий и сооружений.
5.2. Настилы
5.2.1. Конструктивные особенности
Настилы из досок или брусков применяются в покрытиях в виде основы под кровли различных типов, либо в качестве самостоятельных кровельных щитов заводского изготовления. На рис. 5.1 показана конструкция кровельного дощатого щита, применяемого в покрытиях большепролетных складов минеральных удобрений, на рис. 5.2 - общий вид кровельного щита и на рис. 5.3 - монтаж этих щитов на одном из складов. Щиты изготавливаются из "продороженных" досок - одновременно с острожкой досок на пласти выбираются две полукруглые выемки, которые служат для лучшего стока воды по доскам защитного слоя, а в досках рабочего слоя - для вентиляции.
Настилы участвуют в обеспечении пространственной жесткости и устойчивости покрытий зданий и сооружений. Вместе с тем, они относятся к менее ответственным конструкциям, для изготовления которых допускается использовать древесину 3 сорта, при этом расчетное сопротивление древесины изгибу принимается равным 13 МПа.
Различают два типа настилов (рис. 5.4, 5.5): продольный - доски рабочего слоя настила располагаются перпендикулярно коньку кровли; поперечный - доски рабочего слоя настила располагаются параллельно коньку кровли.
Поперечные настилы конструируют однослойными: сплошными или разряженными, в виде обрешетки (под кровлю из штучных материалов: оцинкованных стальных листов, волнистых асбестоцементных листов, черепицы и других аналогичных материалов) или в виде двойного перекрестного настила (под мягкую, рулонную кровлю).
Двойной перекрестный настил состоит из двух слоев: нижнего - рабочего и верхнего - защитного. Защитный косой слой выполняется из досок толщиной 16...32 мм, шириной не менее 100 мм, укладываемых под углом 45...60° к рабочему слою. Защитный слой обеспечивает совместную работу всех элементов настила, защищает рулонную кровлю от разрывов при короблении и растрескивании более толстых досок рабочего слоя.
Толщина и шаг досок рабочего настила определяются расчетом и типом кровли. Доски рабочего настила должны иметь длину, достаточную для перекрытия двух пролетов. При стандартной длине досок по существующему сортаменту до 6,5 м такой настил может применяться только при шаге несущих конструкций не более 3 м.
60
2
Рис. 5.1. Кровельный щит заводского изготовления:
а - конструкция щита; б - продольный стык щитов
(7 - распределительные бруски; 2 - доски рабочего слоя; 3 - доски защитного слоя; 4 - брусок для создания продольного стыка щитов; 5 - диагональный подкос для повышения жесткости щита; 6 - рубероид; 7 - нащельник)
61
Рис. 5.2. Общий вид кровельного щита перед монтажом
Рис. 5.3. Монтаж кровельных щитов на складе руды
62
a)
I I I I I I I I I I I I I I I Is
Рис. 5.4. Продольный настил: а - схема приложения нагрузок; б - расчетная схема (1 - верхний пояс несущей конструкции; 2 - прогон; 3 - рабочий настил, защитный слой условно не показаны)
Рис. 5.5. Поперечный настил:
а - схема приложения нагрузок; б - расчетная схема (7 - верхний пояс несущей конструкции; 2 - рабочий настил; 3 - защитный косой настил, кровля условно не показаны)
5.2.2. Особенности расчета настилов
Настилы условно рассматриваются как двухпролетные неразрезные балки. Схемы приложения нагрузок и расчетные схемы настилов приведены на рис. 5.4, 5.5. Расчет ведется для полосы настила, шириной 1 метр с учетом числа досок рабочего слоя на этой ширине, (доски защитного слоя учитываются только при сборе нагрузок). При углах наклона кровли более 10° считается, что:
- постоянная нагрузка от покрытия (включая собственную массу настила) - равномерно распределена по поверхности кровли;
- снеговая нагрузка - зависит от формы покрытия и распределяется на горизонтальную проекцию кровли;
- ветровая нагрузка, при углах наклона кровли до 30°, разгружает настилы и в расчетах не учитывается;
- временная от сосредоточенного груза Р = 1 1,2 = 1,2 кН. При разряженном настиле с шагом досок а >15 см нагрузка от сосредоточенного груза передается на одну доску (брусок); при сплошном настиле - на две доски; при двойном настиле (рабочем и защитном) этот груз считается распределенной на ширину 0,5 м настила (Р = 2,4 кН).
Настилы рассчитываются на два сочетания нагрузок:
I сочетание: постоянная + временная снеговая (q'р= пост + •$) ^р=<7р^р/3. (5 j)
П сочетание: постоянная + временная от сосредоточенного груза (q'р = (?znoer + ?')
= 0,079пос1/р2 +0,21Р7р , (5.2)
где Р' - расчетная нагрузка от сосредоточенного груза;
1р - расчетный пролет настила.
На первое сочетание нагрузок расчет ведется по формулам:
на прочность а - —— < Ru, (5.3)
где Л/ ]р - расчетный изгибающий момент от I сочетания нагрузок;
и/ Tiz Ьб2
И'нт - момент сопротивления нетто, --------п;
6
Ь - ширина досок рабочего настила;
§ - толщина досок рабочего настила;
п - число досок на расчетной ширине 1 м, п—100 / £>+<?;
С - расстояние между досками в свету.
на жесткость
/ = 2,13 Г/1 _ Г 1
I 384 EJ J 1’50.
При втором сочетании нагрузок проверяется только прочность:
Л/''
СУ = —— < Rum, W мт
(5.4)
(5.5)
где Мр - расчетный изгибающий момент при II сочетании нагрузок;
Ши - коэффициент, учитывающий кратковременность действия нагрузки (тн = 1,2).
64
Продольный (см. рис. 5.4) и поперечный настилы (см. рис. 5.5) рассчитываются только на составляющие нагрузок, перпендикулярные скату кровли. Считается, что скатные составляющие нагрузок воспринимаются жесткой основой крыши, что должно обеспечиваться конструктивными мероприятиями, или косым настилом.
Расчет поперечного разряженного настила из брусков (обрешетки) производится на косой изгиб по формулам (3.18), (3.19) главы 3.
Порядок конструктивного расчета настилов:
- по величине Л/П1ах (от 1-го или 2-го сочетания нагрузок) определяется требуемый момент сопротивления рабочего слоя
- принимается по сортаменту толщина досок рабочего слоя б;
- вычисляется требуемая общая ширина досок В на расчетной ширине 1 м по формуле В > 6 W^p / б2. В результате расчета может получиться три варианта конструкции настила: 1) при В = 100 см - сплошной настил; 2) при В < 100 см - разряженный настил, в этом случае принимают по сортаменту ширину досок рабочего настила b и рассчитывается шаг расстановки этих досок: a- 1006ZP (см); 3) при В > 100 см - несущей способности настила недостаточно, необходимо увеличить толщину досок рабочего настила или изменить конструкцию настила.
S3. Плиты покрытий на деревянном каркасе
5.3,1, Конструктивные особенности
Плиты покрытий состоят из несущего деревянного каркаса, обшивок, утеплителя и пароизоляции. По конструктивным особенностям и характеру работы отдельных элементов, плиты покрытия можно классифицировать по следующим признакам: по теплотехническим свойствам (утепленные и холодные); по светопропускной способности (светопрозрачные и светонепроницаемые); по форме поверхности (плоские и криволинейные); по материалу обшивок (из водостойкой фанеры, из плоских асбестоцементных листов, из других листовых материалов).
При выборе конструктивной схемы покрытия здания рекомендуется, как правило, беспрогонное решение, т.е. укладка плит непосредственно по несущим конструкциям.
Конструкция плит зависит от назначения здания, типа несущих конструкций и материала кровли. Рекомендуется применять следующие типы плит покрытия на деревянном каркасе:
1. Для плоских покрытий с уклонами 1/10; 1/12 и криволинейных покрытий с кровлей из рулонных материалов: клеефанерные плиты с двусторонними обшивками из водостойкой фанеры (один слой рулонного ковра наклеивается на заводе); асбестоцементные плиты с двусторонними обшивками из плоских асбестоцементных листов; комбинированные плиты с внешней обшивкой их плоских асбестоцементных листов и внутренней обшивкой из листовых материалов на основе древесины или пластмасс.
2. Для плоских покрытий с уклонами 1/3; 1/4: комбинированные плиты с нижней обшивкой из водостойкой фанеры или плоских асбестоцементных листов либо других листовых материалов и кровлей из волнистых асбестоцементных листов или стального профилированного настила, которые укладываются после монтажа плит.
Примеры плит покрытия на деревянном каркасе показаны на рис. 5.6. ..5.11 (размеры сечений элементов - условные).
Геометрические размеры плит назначаются следующим образом: длина плит зависит от шага несущих конструкций и, как правило, не превышает 6 м; ширина принимается равной 1,5.. .3 м; высота плит Ли предварительно задается в пределах 1/20... 1/30 пролета плиты. Каркас плит состоит из продольных и поперечных ребер. Ребра изготавливаются из древесины хвойных пород 2-го сорта или из клееной древесины.
3 - 8556
65
5
Рис. 5.6. Конструкция деревянной криволинейной плиты покрытия:
1 - клееные ребра; 2 - нижняя обшивка; 3 - поперечные ребра жесткости; 4 - утеплитель;
5 - пароизоляция; 6 - верхняя диагональная обшивка; 7 - продольные бортики; 8 - верхний дощатый настил; 9 - гидроизоляция
Рис. 5.7. Монтаж криволинейных плит транспортерных галерей
66
Рис. 5.8. Плита покрытия с нижней обшивкой из водостойкой фанеры: а - план плиты, разрезы; б - расширенный утепленный стык плит покрытия (7 - теплопакет; 2 - прокладка); в - схема поперечного сечения плиты
з*
67
Рис. 5.9. Плита с нижней обшивкой из плоских асбестоцементных листов: а - план плиты, разрезы; б - продольный стык плит (7 - прокладка из пороизолового жгута; 2 - герметизирующая мастика; 3 - утеплитель); в - расчетная схема среднего ребра
68
Рис. 5.10. Клеефанерная плита покрытия под рулонную кровлю:
а - план плиты, разрезы; б - узел опирания плит на верхний пояс несущей конструкции: 1 - верхний пояс несущей конструкции; 2 - глухарь; 3 - металлическая профильная деталь; 4 - плиты покрытия (кровля условно не показана)
69
Рис. 5.11. Плита под рулонную кровлю с асбестоцементными обшивками: а - план плиты, разрезы; б - продольный стык плит; в - узел опирания плит на верхний пояс конструкции; г - расчетная схема работы верхней обшивки
70
В необходимых случаях ребра каркаса плит проектируются из гнутых фанерных профилей или в виде балок с плоской или волнистой фанерной стенкой. Для гнутых фанерных профилей и клеефанерных балок используется водостойкая фанера марки ФСФ или бакелизированная фанера марки ФБС.
Расстановка продольных ребер производится с учетом работы верхней обшивки на местный изгиб от действия расчетных нагрузок. Практически шаг продольных ребер не превышает 0,5...0,75 м. Шаг поперечных ребер зависит от стандартной длины материала обшивки - под стыками обшивок постановка поперечных ребер обязательна.
В качестве обшивок плит покрытия применяются:
- водостойкая фанера марки ФСФ сорта не ниже В/ ВВ и бакелезированная фанера марки ФБС. Толщина обшивок определяется расчетом, но должна быть не менее 6 мм. Стыки фанерных обшивок осуществляются на “ус" или зубчатым шипом И-10 по ГОСТ 1941. Допускается стыкование фанеры в стык с помощью накладок. Фанерные обшивки и ребра каркаса, склеенные между собой синтетическими клеями в одно целое, образуют коробчатое (под рулонную кровлю) или тавровое (под асбестоцементную кровлю) сечение;
- плоские асбестоцементные листы по ГОСТ 18124 размерами 1,5 х 3 м, толщиной 8... 10 мм. Асбестоцементные листы крепятся к деревянному каркасу шурупами через предварительно просверленные и раззенкованные отверстия. Применяются шурупы диаметром 4...5 мм и длиной 40...60 мм. Шаг расстановки шурупов 20...60 диаметров шурупа;
- плоские или волнистые полиэфирные стеклопластики, оргстекло, светопрозрачный поливинилхлорид - для изготовления светопрозрачных плит покрытия. Сами светопрозрачные плиты покрытия делаются одно- или двухслойные. В последнем случае средний слой представляет собой сотовое, кольцевое или ребристое заполнение из тех же материалов. Светопрозрачные листы обшивки крепятся к каркасу с помощью клея и шурупов.
В качестве утеплителя применяются: минераловатные плиты с плотностью до 150 кг/м3, пенопласты, пенополиуретаны и другие эффективные утеплители. Толщина слоя утеплителя определяется теплотехническим расчетом.
Пароизоляция в плитах бывает пленочной (из полиэтиленовой пленки толщиной 0,2 мм по ГОСТ 10354) или окрасочной (эмалями типа ПФ-115). Пароизоляция располагается со стороны более высоких температур и защищает нижнюю фанерную обшивку либо деревянный каркас - в плитах с нижней обшивкой из плоских асбестоцементных листов.
В плитах покрытия должна быть обеспечена сквозная естественная вентиляция внутренних полостей наружным воздухом. В плитах под рулонную кровлю вентиляция осуществляется вдоль здания через отверстия в торцовых и поперечных ребрах каркаса. Площадь вентиляционных отверстий определяется расчетом в зависимости от температурно-влажностного режима помещения, климатического района и протяженности вентилируемого ската.
В плитах с одной нижней обшивкой вентиляция осуществляется в поперечном направлении через волны или гофры кровельных листов - от карниза к коньку кровли.
Для защиты от загнивания древесина ребер пропитывается антисептиком (как правило, 10% -м составом кремнефтористого аммония) методом горячехолодных ванн или методом погружения. Фанерные обшивки окрашиваются водостойкими эмалями типа ПФ-115.
В зданиях пролетами до 18 м плиты покрытия могут учитываться в качестве дополнительных горизонтальных связей при соответствующем креплении их к несущим конструкциям. Крепление плит к несущим конструкциям осуществляется, как правило, сверху (см. рис. 5.10,6).
71
Все плиты покрытий на деревянном каркасе относятся к сгораемым и могут применяться в зданиях и сооружениях III...V степени огнестойкости, для категорий производств В, Г, Д, с пределами огнестойкости ограждающих конструкций - 0,25...0,5 часа в зависимости от материала обшивок.
5.3.2. Порядок расчета плит покрытия на деревянном каркасе
1. Анализируются исходные данные для проектирования (район строительства, тип здания по назначению, условия эксплуатации строительных конструкций, уклон кровли, шаг несущих конструкций, схема приложения снеговой нагрузки на покрытие и другие факторы).
2. На основе анализа исходных данных выбирается тип плиты и конструируется ее поперечное сечение. Назначаются геометрические размеры плиты, выбирается материал и толщина обшивок, вид и толщина слоя утеплителя.
3. Выполняется статический расчет плиты. Статический расчет плиты ведется по общим правилам строительной механики как балки, свободно лежащей на двух опорах. Расчетный пролет плиты: /р = /п — 55 (мм), т.к. длина площадки опирания плит на несущие конструкции должна быть не менее 55 мм.
Плиты рассчитываются на следующие нагрузки:
- постоянные (собственный вес + кровля),
- временные (снеговая нагрузка).
Верхняя обшивка плит под рулонную кровлю дополнительно рассчитывается на местный изгиб от сосредоточенной силы 1,2 кН от веса человека с инструментом. Ветровая нагрузка при углах наклона кровли до 30° в расчетах не учитывается.
4. Определяются геометрические характеристики поперечного сечения плиты. Фанерные обшивки и ребра каркаса, склеенные между собой синтетическими клеями в одно целое, образуют коробчатое (под рулонную кровлю) или тавровое (под асбестоцементную кровлю) сечение.
Расчет клеефанерных элементов выполняется по методу приведенного сечения. Все геометрические характеристики сечения приводят к наиболее напряженному материалу, как правило, к фанере с помощью коэффициента приведения п:
п=Ея/Еф1 (5.6)
где Ел - модуль упругости древесины;
Еф - модуль упругости фанеры.
5. Производится конструктивный расчет плит, в соответствии с указаниями СНиП П-25-80 [2], который заключается в проверке прочности и жесткости плит. Конструируются стыки плит и узлы крепления плит к несущим конструкциям.
Методика конструктивного расчета зависит от типа плиты и подробно рассмотрена в пособии "Проектирование и расчет ограждающих конструкций" [19].
Рассмотрим порядок конструктивного расчета клеефанерной плиты под рулонную кровлю (см. рис. 5.10), которая наиболее часто применяется в покрытиях зданий:
а) проверяются напряжения в нижней растянутой фанерной обшивке по формуле
г пр
где М - расчетный изгибающий момент;
WIIp — приведенный момент сопротивления поперечного сечения плиты;
- коэффициент, учитывающий снижение расчетного сопротивления в стыках фанерной обшивки: для фанеры марки ФСФ = 0,6; для ба-келизированной фанеры = 0,8; при отсутствии стыков - 1.
72
Приведенный момент сопротивления поперечного сечения клеефанерной плиты определяется по формуле
(5.8)
Уо
где - расстояние от центра тяжести приведенного сечения до внешней грани обшивок (нижней или верхней);
Ар - приведенный момент инерции клеефанерной плиты.
При определении Ар и ^пР расчетную ширину фанерных обшивок принимают:
£расч ~ 0,9b при / ба;
Ьрасч = 0,15faZ& при I < 6а (Ь - полная ширина сечения плиты, I - расчетный пролет плиты, а - расстояние между осями продольных ребер плиты);
б) проверяется устойчивость верхней сжатой обшивки плит по формуле
фс’
1250 где Фф “
(5.9)
. при с/6>50;
(с/бУ
при с/8< 50
Фф 1 5000
(с- расстояние между продольными ребрами в свету; 6 - толщина фанеры).
Проверка верхней обшивки на местный изгиб не производится, если при компоновке сечения плиты расстояние между продольными ребрами принималось из условия обеспечения прочности обшивки от действия временной нагрузки 1,2 кН;
в) производится проверка на скалывание ребер каркаса плит или обшивки по клеевому шву в месте примыкания ее к ребрам по формуле
Т = <R^
Jnpbpnr
(5.10)
где Snp
- приведенный статический момент сдвигаемой части сечения относительно нейтральной оси;
— ширина одного продольного ребра;
— количество продольных ребер.
1
250 ‘
(5-11)
I
Пр
Проверка жесткости плиты от нормативных нагрузок производится по формуле
f = 5
I 384 0,7Еф7пр
6. После выполнения расчетов необходимо оценить полученные результаты и сделать один из следующих выводов:
- условия прочности и жесткости выполняются, принятую конструкцию плиты можно рекомендовать к изготовлению и применению;
- конструкция плиты не удовлетворяет условиям прочности и жесткости - требуется увеличить сечение ребер или перекомпоновать все сечение и повторить расчет;
- плита запроектирована с большими запасами прочности и жесткости (более 25%) - необходимо уменьшить размеры сечения ребер или количество ребер и повторить расчет.
73
6. ДЕРЕВЯННЫЕ БАЛКИ
6.1. Общие сведения
Деревянные балки применяются в качестве прогонов кровли, наслонных стропил, балок чердачных и междуэтажных перекрытий, в покрытиях и перекрытиях:
а) малоэтажных жилых домов;
б) промышленных зданий с химически агрессивной средой;
в) сельских производственных зданий и других объектов.
Рекомендуемые пролеты балок: 3...18 м, шаг балок от 1 до 6 м. В европейских странах имеются примеры применения клееных деревянных балок пролетами до 54 м.
Балки, как и другие изгибаемые элементы, рассчитываются на прочность и жесткость по известным формулам (см. параграф 3.5).
Балки деревянных междуэтажных перекрытий, кроме обычного расчета на прочность и жесткость, дополнительно проверяются на зыбкость расчетом на прогиб от сосредоточенной силы 1,0 кН, прогиб балки при этом не должен превышать 0,7 мм. Предельные прогибы балок перекрытий, исходя из физиологических требований, определяются также по формуле (26) раздела 10.10 СНиП 2.01.07-85* [1].
По типу поперечного сечения различают: балки цельного сечения, составные балки на податливых связях, клееные деревянные, клеефанерные и армированные клееные деревянные балки.
Рассмотрим особенности конструирования и расчета основных типов балок.
6.2. Балки цельного сечения
Балки цельного сечения изготавливаются из досок, брусьев или круглых лесоматериалов. Пролеты балок из-за ограниченного сортамента лесоматериалов не превышают 6,5 м. Такие балки широко применялись в середине XX века в чердачных и междуэтажных перекрытиях жилых домов (рис. 6.1, 6.2).
При применении деревянных балок в покрытиях для уменьшения расчетных усилий в балках используются следующие способы:
1. Разрезные балки усиливаются подбалками (рис. 6.3).
Подбалки, уменьшающие расчетные пролеты балок, подкладываются под стыки балок и скрепляются с ними болтами. Длина консоли подбалки назначается исходя из условия, что общая касательная к упругим линиям балки и подбалки должна проходить в сечении у конца консоли. При одинаковых жесткостях балки и подбалки длина консоли а2 = 0,17/+10 (см). Теоретическую длину консоли подбалки увеличивают на 10 см для обеспечения достаточной площади смятия.
Расчетные изгибающие моменты определяются по формулам:
а) в балках максимальный изгибающий момент возникает при отсутствии временной нагрузки в соседних пролетах (при этом уменьшается расчетная длина консоли подбалки и, соответственно, увеличивается пролет балки):
— (6.1)
О
где Д1 - длина консоли, уменьшенная за счет несимметричного поворота подбалки при отсутствии временной нагрузки в соседних пролетах: а, — qa2 /(q + р);
q - постоянная нагрузка;
р - временная нагрузка;
I - пролет балки;
а2 — максимальный вылет консоли.
74
a)
б)
Балка 180x220 мм
Утеплитель_________________
Пароизоляция - слой рубероида Накат из досок - 40 мм_____
Подшивка из досок - 25 мм
Штукатурка - 15 мм_________
Черепные бруски 50x50 мм
Паркет -17 мм
Балка 220x250 мм Настил из досок - 35 мм
Лаги 60 мм через 700 мм
Утеплитель
Пароизоляция
Накат из досок - 40 мм
Подшивка из досок - 25 мм
Штукатурка -15 мм
Черепные бруски 50x50 мм
Рис. 6.1. Деревянные балки в перекрытиях жилых домов:
а - фрагмент балочного перекрытия; б - разрез 1-1 для чердачного перекрытия; в- разрез 1-1 для междуэтажного перекрытия
75
Рис. 6.2. Узлы опирания деревянных балок:
а - опирание балок междуэтажных перекрытий на наружные кирпичные стены; б - опирание балок на внутренние кирпичные стены; в - подрезки балок на опорах; г - схема опирания второстепенных балок на полки двутавровой балки
76
Рис. 6.3. Балки, усиленные подбалками:
а - конструктивные особенности; б - схема загружения и деформации элементов при определении максимального момента в балке; в - схема загружения и деформации элементов при определении максимального момента в подбалке
б) в подбалке максимальный момент возникает при загружении постоянной и временной нагрузкой по всем пролетам
ПБ 2 » (6-2)
где а = 0,17/ - теоретический вылет консоли.
По найденным изгибающим моментам подбираются сечения балок и подбалок. Жесткости балок и подбалок рекомендуется принимать одинаковыми.
Подбалки применяются в конструкциях простейших мостов, в перекрытиях залов ожидания старых железнодорожных вокзалов и других объектах.
2. Балки проектируются в виде многопролетных статически определимых шарнирно-стержневых систем (рис. 6.4).
Такие системы применяются в тех случаях, когда временная нагрузка постоянна и равномерно распределена по всем пролетам. Так работают продольные балки подвесных потолков, прогоны кровли.
Рекомендуется схема со встречным расположением шарниров: по два шарнира в пролете через пролет, исключая крайние пролеты.
Различают две схемы:
а) равномоментную - X = 0,15/;
б) равнопрогибную - х — 0,21/.
Основные параметры этих двух схем даны в табл. 6.1.
Таблица 6.1
Основные параметры многопролетных шарнирных систем
Характеристики схем Обозначение в формулах Схемы
Равномоментная Wan Л/пр Равнопрогибная fan ~ fnp
Расстояние от опор до шарниров X 0,15/ 0,21/
Изгибающие моменты на опорах Л/оп 16 12
Изгибающие моменты в пролетах Мпр ч£ 16 я/ 24
Максимальные прогибы в пролетах без шарниров f wi 384£/ 384£/
Длины крайних пролетов /1 0,85/ 0,80/
Примечаниям) если длины крайних пролетов равны остальным, то изги-м2
бающий момент на первой промежуточной опоре Л/0П| = —, а на всех последую-
-7р/2
щих - л/оп,
б) прогиб в крайних пролетах (для равнопрогибной схемы) определяется по ж г 2>5?н'4
*°pMyne/i=3sk-
78
с
Рис. 6.4. Многопролетные деревянные балки: а - равнопрогибная расчетная схема шарнирных балок; б - консольно-балочный прогон; в - неразрезной прогон из спаренных досок
По конструктивным соображениям предпочтительнее равнопрогибное решение. По такой схеме выполняются консольно-балочные прогоны (рис. 6.4,6), Стыки прогонов по длине осуществляются в местах расположения шарниров косым прирубом. Боковое смещение шарнира предотвращается установкой вертикального болта. Недостаток консольно-балочных прогонов - перекрываемый пролет не превышает 4,5 м.
По такой же схеме (равнопрогибной) решаются и спаренные неразрезные прогоны (рис. 6.4,в). Они состоят из двух или более рядов досок, поставленных на ребро и соединенных между собой гвоздями. Шаг расстановки гвоздей по длине прогонов назначается конструктивно 500 мм. Первый ряд досок не имеет стыка в первом пролете, а второй ряд досок - в последнем. Концы досок одного ряда прибиваются гвоздями к доскам другого ряда, не имеющим в данном месте стыка. Стыки досок устраиваются в точках, где изгибающий момент в неразрезных балках меняет знак, т.е. на расстояниях от опор, равных 0,21/.
Поперечная сила, приходящаяся на один ряд досок, Q = Моп/ 2%™- В то же время поперечную силу можно определить по формуле Q = пп [Тгв ], отсюда, количество гвоздей, которые ставятся с каждой стороны стыка, определяется по формуле
М„
п"= 2Х„[Т„] ’ (б3)
где Хп - расстояние от опоры до центра гвоздевого забоя;
[Тгв] - расчетная несущая способность одного односрезного гвоздя.
63. Насланные стропила
Балки цельного сечения также широко применяются в качестве наслонных стропил в покрытиях зданий различного назначения (рис.6.5). Наслонные стропила (стропильные ноги) просты в изготовлении, надежны и долговечны, так как работают в условиях хорошо проветриваемых чердачных помещений. При наличии несгораемого чердачного перекрытия наслонные стропила допускается применять в зданиях любой степени огнестойкости. Наслонные стропила при правильном их конструировании и устройстве - безраспорные конструкции. Для предотвращения появления распора необходимо плоскости стропильных ног в местах опирания на мауэрлат делать горизонтальными, а появление случайного распора погашать ригелем из парных схваток.
В наслонных стропилах от вертикальной нагрузки помимо изгибающих моментов появляется продольное усилие, которое в зависимости от опорных закреплений может растягивать или сжимать стропильную ногу. Расчет наслонных стропил при угле наклона покрытия менее 45° можно вести по формулам для балок цельного сечения без учета продольной силы. В современном строительстве стропильные системы применяются при возведении мансардных этажей жилых и административных зданий.
6.4. Балки Деревягина
Балки Деревягина относятся к составным балкам на податливых связях. Балки разработаны инженером В.С. Деревягиным в 1932 г. Они образуются соединением по высоте двух или трех брусьев с помощью деревянных пластинчатых нагелей (рис. 6.6).
В этих балках соединение брусьев по длине невозможно, поэтому пролет таких балок не превышает 6,5 м. Для уменьшения опасности появления при усушке нежелательных горизонтальных трещин в брусьях делают вертикальные пропилы глубиной 1/6 высоты бруса. Балки изготавливаются на специальном стенде. Гнезда для пластинок выбираются электроцепнодолбежником в предварительно выгнутых на величину строительного подъема брусьях.
80
Рис. 6.5. Основные типы наслонных стропил
(пунктиром показаны возможные варианты расположения подкосов и ригелей)
81
I I 1 I I I 11 i I п 11111111
Рис. 6.6. Балки Деревягина:
a - расчетная схема; б - эпюра сдвигающих усилий т (АА'О - по треугольнику при абсолютно жестких связях, АЕО - по косинусоиде при податливых связях);
в - конструктивные особенности
82
Строительный подъем определяется по формуле
fCTp=O,ll/hlt (6.4)
где hi - высота одного бруса.
Пластинчатые нагели изготавливаются из сухой (влажностью не более 10%) древесины дуба или антисептированной березы. Направление волокон древесины пластинчатых нагелей должно быть перпендикулярно плоскости сплачивания.
Размеры пластинок определяются параметрами электроцепнодолбежника. В настоящее время используется один типоразмер: длина пластинок /1L1~58 мм; толщина пластинок ^пл~12 мм. При ширине брусьев до 150 мм нагели ставятся на всю ширину и называются сквозными; при ширине брусьев более 150 мм ставятся глухие пластинки. Ослабление сечения балки гнездами для нагелей в расчетах не учитывается.
Балки рассчитываются как составные с учетом податливости связей. В балках Деревягина такими податливыми связями являются пластинчатые нагели. Податливостью называется способность связей при деформации конструкций давать возможность соединяемым элементам сдвинуться относительно друг друга. Связи в швах составного элемента при поперечном изгибе обычно расставляются равномерно по длине балки, что часто не соответствует действительной эпюре сдвигающих усилий (рис. 6.6,6).
При равномерно распределенной нагрузке по пролету балки теоретическая эпюра сдвигающих усилий является треугольником АА'О (при абсолютно жестких связях). Действительная эпюра сдвигающих усилий с учетом податливости связей представлена в виде косинусоиды АЕО, по площади равной треугольнику АА'О.
Чтобы избежать перегрузки крайних связей, необходимое количество пластинчатых нагелей надо определять из площади объемлющего косинусоиду прямоугольника
АЕДО, которая в 71/2 раза (1,57 раза) больше площади косинусоиды АЕО.
Интегрируя известную формулу Журавского для определения расчетной сдвигающей силы, получим формулу для определения требуемого количества нагелей (связей) в каждом шве балки на длине от опоры до места максимального изгибающего момента (при равномерно распределенной нагрузке):
^пл
j ^тах^бр
’ I Т J бр1 пл
(6.5)
где Л/щах - максимальный (расчетный) изгибающий момент в балке;
5бр - статический момент брутто сдвигаемой части сечения относительно нейтральной оси;
Уф, - момент инерции брутто всего сечения;
Тпл - расчетная несущая способность одного пластинчатого нагеля.
Расчетная несущая способность одного пластинчатого нагеля при существующих параметрах пластинок Тип = 0,75ЬП| (кН).
Порядок расчета балок Деревягина:
1. Определяется требуемый момент сопротивления балки:
М
цг _ max ,
где kw - коэффициент, учитывающий податливость связей (см. табл. 13 [2]).
2. Задается ширина брусьев с учетом существующего сортамента.
3. Определяется требуемая высота сечения балки: h =
6^ ~Ь
4. В зависимости от требуемой общей высоты балки компонуется сечение балки из двух или трех брусьев по высоте, при этом hi > 150 мм.
5. Проверяется прогиб балки от нормативных нагрузок с учетом введения к мо
83
менту инерции сечения поправочного коэффициента Лж, учитывающего податливость связей (см. табл. 13 [2]);
6. Определяется требуемое число пластинчатых нагелей (в каждом шве балки на длине от опоры до места максимального момента) по формуле (6.5).
В расчетном отношении соединение на пластинчатых нагелях является односрезным кососимметричным соединением. При симметричной равномерно распределенной нагрузке относительно середины пролета разрешается не ставить нагели в среднем участке длиной 0,2 Z, тогда для балки из двух брусьев формула (6.5) примет вид
_ та*
^пл — । —
^пл
Если полученное количество пластинчатых нагелей не размещается по длине балки, то необходимо увеличить размеры балки либо изменить конструкцию балки.
(6.6)
6.5. Двутавровые балки с перекрестной дощатой стенкой на гвоздях
Двутавровые балки с двойной перекрестной дощатой стенкой на гвоздях относятся к конструкциям построечного изготовления. Благодаря простоте изготовления и надежности в работе, такие конструкции широко применялись в строительстве в 30-х годах XX века, в годы Великой Отечественной войны - при восстановлении мостов, в послевоенный период - в покрытиях производственных зданий и во многих случаях успешно эксплуатируются до настоящего времени.
Они состоят из дощатых или брусчатых поясов, стенки из двух слоев досок и ребер жесткости. Основные типы таких балок показаны на рис. 6.7. По очертанию верхнего пояса балки подразделяются на балки с параллельными поясами, односкатные и двускатные.
Основные правила конструирования балок:
- рекомендуемые пролеты балок 9... 15 м;
- полная высота балок с параллельными поясами, односкатных в середине пролета и двускатных в четвертях пролета h\ должна приниматься не менее 1/9 Z;
- высота односкатных и двускатных балок на опоре должна быть не менее 0,4/11;
- стенка выполняется из досок толщиной 25...40 мм, шириной 150...200 мм, наклоненных к нижнему поясу под углом 30...45°;
- пояса изготавливаются из досок толщиной 40. ..60 мм или из брусьев (мосты);
- доски поясов прибиваются к стенке гвоздями таким образом, чтобы защемление конца гвоздя во второй поясной доске было не менее 4JrB (за вычетом 6 мм на щели);
- при брусчатых поясах каждая полубалка изготавливается отдельно, а затем пояса скрепляются болтами, а стенки гвоздями;
- для обеспечения устойчивости стенки по длине балки ставятся ребра жесткости из досок через 1/10/;
- при изготовлении балок им придается строительный подъем 1/200 пролета;
- стыки поясов устраиваются в сечении, где поперечная сила равна нулю;
- на опорах и в местах расположения прогонов кровли рекомендуется ставить, помимо ребер жесткости, вертикальные накладки на всю высоту балки.
Особенности расчета балок. В статическом отношении балка с перекрестной дощатой стенкой является фермой многорешегчатой системы с растянутыми нисходящими от опор и сжатыми восходящими раскосами, которые образуют дощатую стенку. Нормальные усилия воспринимаются только поясами, а стенка работает на сдвигающие усилия, возникающие между поясами и стенкой при изгибе балки. Эпюры действующих усилий и зоны гвоздевого забоя показаны на рис. 6.8. Подробный расчет таких балок дан в учебниках [8, 12]. Для односкатных и двускатных балок опасное сечение определяется так же, как для клееных балок (см. формулу (6.8)).
84
Рис. 6.7. Двутавровые балки с перекрестной дощатой стенкой на гвоздях: а - схема работы; б - основные типы балок; в - поперечное сечение балки с дощатыми поясами; г - поперечное сечение балки с поясами из бруса
85
Рис. 6.8. Особенности расчета двутавровых балок с перекрестной дощатой стенкой на гвоздях:
а - вид нагрузки и типы балок; б - эпюры изгибающих моментов; в - эпюры нормальных усилий в поясах; г - эпюры сдвигающих усилий; д - зоны гвоздевых соединений стенки с поясами
6.6. Клееные деревянные балки
Основные типы клееных деревянных балок (постоянного по длине сечения, односкатные, двускатные, ломаного очертания и криволинейные) и их поперечные сечения показаны на рис. 6.9. Основным типом поперечного сечения является прямоугольное сечение постоянной высоты, другие типы сечений применяются при техникоэкономическом обосновании.
Расчет клееных деревянных балок ведется по известным формулам для изгибаемых элементов (см. параграф 3.5.) с введением поправочных коэффициентов к моменту сопротивления сечения и расчетному сопротивлению древесины на изгиб, учитывающих толщину'слоев, высоту сечения, наличие ослаблений и другие факторы для клееных элементов. Оценку плоского напряженного состояния клееных балок на действие главных растягивающих напряжений в приопорных зонах рекомендуется производить по рекомендациям пособий [4, 16]. В односкатных и двускатных балках опасное сечение (с максимальными напряжениями от изгиба) не совпадает с сечением, в котором возникает максимальный изгибающий момент, и находится на расстоянии лм от опоры с меньшей высотой. При равномерно распределенной нагрузке по всему пролету хм находится по формулам: а) для балок прямоугольного сечения
_ ^оп М 2Лср ’ где I - расчетный пролет балки;
hon - высота балки на опоре с меньшей высотой;
йср - высота балок в середине пролета;
б) для балок двутаврового сечения
= (М+г)-Д //
где Y ~ оп , Лоп - высота на опоре между осями поясов в двутавровых балках;
а - угол наклона верхнего пояса балки к горизонту.
В тех случаях, когда по конструктивным соображениям необходимо устраивать подрезки у опор изгибаемых элементов (например, при опирании вспомогательных балок на главные, раскреплении прогонами верхних поясов ферм и т.д.), необходимо соблюдать следующее условие (см. рис. 6.2,в):
А
— <0,4МПа. (6.9)
bh
где А - опорная реакция балки от расчетной нагрузки;
bnh- ширина и полная высота сечения балки без подрезки.
При этом глубина врезки не должна превышать 0,25 высоты сечения, длина опорной площадки - не более высоты сечения, длина скошенной части - более двух величин глубины врезки: а < 0,25й, c<h, сх>2а. Если среднее скалывающее напряжение получается более 0,4 МПа, подрезки на опоре балок не допускаются.
В двутавровых и тавровых балках в случаях, когда нагрузка приложена к нижнему поясу балок, делается проверка на отрыв нижней полки по эмпирической формуле (см. рис. 6.2,г):
Л^<0,04^с, (6.10)
где N- суммарная расчетная двусторонняя нагрузка на полку от опорных планок, кН; bi - ширина стенки балки или ее половина при односторонней нагрузке, см;
с - ширина опорной планки, см.
(6.7)
(6.8)
87
a)
; I I ; I ; I I I ; I I j ; I | ; I ;7П q+p
Рис. 6.9. Клееные деревянные балки:
а - схема приложения нагрузки; б - основные типы балок; в - типы поперечных сечений (7 - сплошное, 2 - спаренное, 3 - тавровое, 4 - двутавровое, 5 - коробчатое)
88
6.7. Клеефанерные балки
6.7Л. Общие сведения
Одним из путей снижения массы деревянных балок является применение клеефанерных балок. Вместе с тем клеефанерные балки имеют пониженную огнестойкость. Основные типы клеефанерных балок и их поперечные сечения даны на рис. 6.10. Области применения клеефанерных балок те же, что и клееных деревянных балок: прогоны покрытий, ребра клеефанерных панелей и т.д. Клеефанерные балки состоят из дощатых поясов и фанерной стенки. Для изготовления таких балок используются пиломатериалы хвойных пород 1-го и 2-го сортов и водостойкая фанера марок ФСФ и ФБС (см. параграф 2.9). Требования к качеству изготовления клеефанерных конструкций аналогичны требованиям к изготовлению КДК (см. главу 13).
Основные правила конструирования клеефанерных балок:
- рекомендуемые пролеты 9... 12 м (за рубежом до 40 м);
- размерами поперечного сечения предварительно задаются исходя из проектируемых нагрузок: h = (1/10... 1/12)/, hn = (1/6...1/10)Л;
- пояса балок выполняются из досок 6 < 50 мм и шириной не более 100 мм, при большей ширине, в поясах делаются пропилы для снижения напряжений в клеевом шве между древесиной и фанерой;
- фанерная стенка должна быть толщиной более 8 мм, стыки фанерной стенки по длине выполняются "на ус" или в стык с накладками;
- для лучшего использования несущей способности фанерной стенки, листы фанеры располагаются так, чтобы волокна ее рубашек были направлены вдоль оси балки;
- устойчивость вертикальной стенки обеспечивается постановкой ребер жесткости через 1/10/, в крайних панелях сечение усиливается дополнительным листом фанеры и подкосом жесткости;
- внутренние полости коробчатых сечений обрабатываются комбинированными составами антисептиков и антипиренов.
Порядок расчета клеефанерных балок тот же, что и клееных деревянных балок.
6.7.2. Особенности расчета клеефанерных балок с плоской стенкой
Ввиду неодинаковых модулей упругости древесины и фанеры, в расчетные формулы вводятся геометрические характеристики сечения, приведенные к наиболее напряженному материалу - древесине:
Гпр = ^ + Гф^’ (6.11)
(6,12)
(6.13)
.1
где h - высота балок в расчетном сечении.
Расчет клеефанерных балок с плоской стенкой (см. рис. 6.10,а) ведется с учетом работы фанерной стенки на нормальные напряжения, однако основная доля нормальных напряжений в клеефанерных балках воспринимается древесиной поясов, поэтому
89
Рис. 6.10. Клеефанерные балки:
а - с плоской фанерной стенкой и типы поперечных сечений;
б - с волнистой стенкой;
в — типы поперечных сечений клеефанерных балок в зарубежном строительстве
600
90
(6.15)
(6.16)
С ,
нижний пояс балок проверяется по формуле „ = -¥-</> Р (У р-пр
Верхний пояс клеефанерных балок проверяется по формуле
М а =_—-«рИ'пр
где ф - коэффициент продольного изгиба из плоскости изгиба для верхнего пояса.
Проверка прочности клеевого шва между шпонами фанеры на скалывание (в пределах ширины пояса балки) или проверка клеевого шва между фанерной стенкой и поясами производится по формуле (см. рис. 6.10,а)
г - <R
(6.17)
где ^ф.ск- расчетное сопротивление скалыванию фанеры вдоль волокон наружных слоев, для фанеры марки ФБС - 1,8 МПа, для марки ФСФ - 0,8 МПа;
Q - максимальная поперечная сила на опоре;
Лтр _ приведенный момент инерции балки на опоре;
S„ - статический момент пояса относительно нейтральной оси,
„ FnA0 I,
S„ = —. где й. -расстояние между центрами поясов на опоре,
Fn - площадь сечения пояса балки;
£йп - суммарная ширина приклейки пояса к фанерной стенке с обеих сторон, £ЛП= nhn, где hn — высота пояса, п — число вертикальных швов.
Проверка прочности фанерной стенки на срез выполняется по формуле
Тш (618)
где “ф.ср - расчетное сопротивление фанеры на срез перпендикулярно плоскости листа, для фанеры марки ФБС - 12 МПа, для марки ФСФ - 6 МПа;
5пр — приведенный статический момент половины сечения балки относительно нейтральной оси,
с , Ы2 £Ф
ф-р- 2 8
Jnp - приведенный момент инерции балки на опоре;
Х8 - суммарная толщина фанерных стенок.
В необходимых случаях прочность фанерной стенки в опасном сечении на действие главных растягивающих напряжений в клеефанерных балках двутаврового и коробчатого сечений проверяется по формуле (45) [2].
Устойчивость фанерной стенки с продольным по отношению к осн балки расположением волокон наружных слоев следует проверять на действие касательных и нормальных напряжений (при Лст/3 > 50) по формуле (48) [2]. При поперечном по отношению к оси элемента расположению волокон фанерной стенки (при hCT/&> 80) проверка устойчивости производится по формуле (48) [2] только на действие касательных напряжений. Прогиб клеефанерных балок рассчитывается по формуле (3.18).
91
6.7.3, Особенности расчета клеефанерных балок с волнистой стенкой
Клеефанерные балки с волнистой стенкой (см. рис. 6.10,6) изготавливаются следующими способами:
а) в деревянных поясах балки по шаблонам на копировальных станках выбираются криволинейные пазы клиновидного сечения, пазы заполняются клеем, а затем фанерная стенка вставляется в пазы и протягивается с помощью лебедки на всю длину балки;
б) деревянный пояс (брусчатый или клееный) распиливается волнообразно на две части, в распил на клею вставляется фанерная стенка и пояса вместе с фанерной стенкой запрессовываются в ваймах.
Порядок расчета клеефанерных балок с волнистой стенкой такой же, что и балок с плоской стенкой - см. формулы (6.15, 616), однако в таких балках считается, что нормальные напряжения воспринимаются только поясами, поэтому приведенные геометрические характеристики сечения не определяются, а в формулы подставляются геометрические характеристики деревянных поясов балки.
Другой особенностью расчета таких балок является необходимость учета податливости волнистой стенки. В расчет вводятся коэффициенты, учитывающие снижение момента сопротивления и момента инерции, за счет податливости волнистой стенки:
k = _!_________
при проверке прочности l
1 + -^-5
при проверке жесткости
=—— •
1 + В
где В - податливость волнистой фанерной стенки.
Податливость волнистой фанерной стенки определяется по формуле
В~П X ' (6-19)
Оф* 6ф
где 5П - статический момент пояса относительно центра тяжести сечения балки, см3;
6ф - толщина фанерной стенки, см;
/ - пролет балки, см;
£д - модуль упругости материала пояса, кН/см2;
6ф - модуль сдвига фанерной стенки, кН/см2.
Прочность соединения фанерной стенки с поясами в опорном сечении балок, изготавливаемых по способу "а", проверяется по формуле
т = Т^Е-5Лск, (6.20)
где Jn - момент инерции поясов балки без учета фанерной стенки,
р - периметр клеевого шва,р— 2а + 6ф (а - глубина паза, см);
/?ск - расчетное сопротивление древесины поясов скалыванию, МПа.
При определении прогиба клеефанерных балок с волнистой стенкой в формулу (3.18) вводится в знаменатель коэффициент к*-
92
6.8. Армированные клееные деревянные балки
В целях рационального использования высокосортной древесины, повышения жесткости изгибаемых элементов, а также в тех случаях, когда есть ограничения по высоте сечения конструкций рекомендуется применять армированные клееные деревянные балки. Исследования в области армированных клееных деревянных конструкций (балок, рам, арок) ведутся: в России в Москве (ЦНИИСК им. Кучеренко), Владимире, Иркутске и Новосибирске; за рубежом - в Финляндии, Швеции, Германии, США. В качестве арматуры в основном используется стальная (в экспериментальном порядке стеклопластиковая) арматура периодического профиля класса А400 диаметром 16...28 мм.
Достоинства армированных балок: повышение несущей способности и жесткости балок, уменьшение высоты сечения конструкций, экономия качественной древесины (до 15%). К недостаткам таких конструкций относится: возрастание трудоемкости и стоимости изготовления. Основные схемы армирования балок и их поперечные сечения даны на рис. 6.11.
Технология изготовления армированных КДК отличается от технологии изготовления обычных КДК появлением дополнительных операций вклеивания арматурных стержней. Процесс вклеивания арматуры включает:
1. Приготовление клеевой композиции для склеивания арматуры с древесиной. В настоящее время лучшими композициями являются составы на основе эпоксидных смол. Состав эпоксидно-песчаной смолы (ЭПП), массовых частей:
эпоксндно-диановая смола ЭД-20 100
пластификатор (дибутилфталлат) 20... 25
отвердитель (полиэтиленполиамин) 10... 12
наполнитель (песок речной, просеянный через сито 1,0 мм) 300.. .400
или портландцемент 200
Жизнеспособность состава 45...80 минут. Расход q = 0,2...0,4 кг/м пог. при диаметре арматуры 016...24 мм.
2. Фрезерование пазов (прямоугольного или полукруглого профиля) для арматуры по пластям заготовок производится одновременно с острожкой пластей.
3. Подготовка арматуры (резка или сращивание по длине, очистка от загрязнений и ржавчины, обезжиривание).
4. Укладка и запрессовка арматуры выполняется на отдельных элементах (заготовках), что позволяет выделить эту операцию и производить ее на отдельном участке параллельно другим операциям. Нанесение ЭПП в пазы производится с помощью шприца или шпателя. При вклеивании арматуры необходимо создать лишь минимальное (контактное) давление запрессовки 0,5... 1 кг/см2 (0,05...0,1 МПа), которое создается с помощью вайм, прижимами в точках, расположенных по длине арматуры на расстоянии а ~ 25 iZa. Продолжительность склеивания составляет 12...24 часа при температуре г=20°С и 2...4 часа при г=50...60°С. Затем при наборе клееного пакета армированные заготовки укладываются в крайние зоны по высоте сечения конструкций. После выгрузки из пресса конструкции готовы к применению через 7... 10 дней.
Изготовление конструкций, армированных полукаркасами (с поперечной или наклонной арматурой), армированных по боковым поверхностям - более сложно и трудоемко и пока не вышло за рамки экспериментов.
Основные правила конструирования армированных балок:
- поперечное сечение балок конструируется, как правило, прямоугольным постоянной высотой, при экономическом обосновании - двутавровым или коробчатым;
- высота поперечного сечения назначается в пределах (1/15... 1/20)2, ширина сечения принимается с учетом существующего сортамента пиломатериалов;
- рекомендуется симметричное армирование в сжатой и растянутой зонах;
- рациональный процент армирования р= 1,2...3,5%.
93
4. После компоновки армированного сечения балки по приведенным выше основным правилам конструирования, сечение проверяется на действие:
а) нормальных напряжений в древесине
сд=-^-йЯя; (6.28)
и'пр
б) нормальных напряжений в арматуре
М °а =^Г~пКт * *а; (6.29)
”пр
в) скалывающих напряжений в древесине без учета арматуры
QS„ Т„ = < /?ск (6.30)
/дО
г) касательных напряжений в клеевом шве, соединяющем арматуру с древесиной
т - ^пр г <р Г6 3П
^а. ~ j ~ — "ск > (6.31)
^пр^расч
д) главных растягивающих напряжений под углом к волокнам древесины на расстоянии Х=0,85/ от опоры
По второй группе предельных состояний проверяется прогиб армированной балки от нормативной нагрузки
“ 2"
f = ^-Kx 1 + cf-l <[/]=—/-k [ (I j ] u 300
(6.33)
Расшифровка обозначений в формулах (6.28) - (6.33):
Ми Q - расчетный изгибающий момент и поперечная сила на опоре;
Яи и - расчетное сопротивление древесины на изгиб и скалывание вдоль волокон;
Яра - расчетное сопротивление древесины на растяжение под углом а, принимается по графику на рис. 3.1,в;
Яа - расчетное сопротивление арматуры;
Ох - нормальные напряжения вдоль волокон древесины по оси арматурных стержней в рассматриваемом сечении, (5^МХ/ Wnp;
1Х- касательные напряжения на уровне нейтральной оси рассматриваемого сечения, Тх= Qx SX!JX b\
а - угол направления главных растягивающих напряжений, а =36°;
Кг - коэффициент, учитывающий перераспределений усилий, (6.27).
/)расч - расчетная поверхность сдвига арматуры, равная 0,9Р, где Р - сумма периметров клеевого шва, соединяющего арматуру с древесиной.
Расшифровка остальных обозначений, приведенных в этих формулах, дана в разделе 3.
96
7. КЛЕЕНЫЕ ДЕРЕВЯННЫЕ АРКИ
7.1. Общие сведения
Клееные деревянные арки применяются при строительстве большепролетных общественных и спортивных зданий, производственных и складских зданий с химически агрессивной средой. Основные геометрические схемы арок показаны на рис, 7.1.
Большой опыт применения клееных деревянных арок накоплен в Пермской области при возведении складов минеральных удобрений на калийных предприятиях. Построено более .30 складов пролетом 45 м, в которых в качестве несущих конструкций применены стрельчатые арки (рис. 7.2) и распорные конструкции треугольного очертания, условно называемые А-образными арками (рис. 7.3). Шаг арок - 3; 4,5 и 6 м. Сечение арок прямоугольное размерами (bxh) 300x1400 (1600) мм. На рис. 7.4 в качестве примера показан вид склада из стрельчатых арок в процессе монтажа и эксплуатации.
Арки пролетами 12, 18 и 24 м нашли применение в сельской местности при строительстве складских и спортивных зданий. Классификация арок:
- по конструктивной схеме: трехшарнирные и двухшарнирные;
- по очертанию оси: арки кругового, стрельчатого, параболического, ломанного, треугольного и др. очертаний оси (см. рис. 7.1);
- по типу поперечного сечения', сплошные (прямоугольные, двутавровые), спаренные, армированные и др. (типы поперечных сечений деревянных клееных арок аналогичны сечениям клееных деревянных балок, см. рис. 6.9,6.11):
- по способу восприятия распора: непосредственно железобетонными фундаментами, несущими конструкциями каркаса здания, стальной затяжкой.
7.2. Основные положения по проектированию
Клееные деревянные арки рекомендуется проектировать, как правило, трехшар-нирными, статически определимыми. Пролеты арок составляют 18...60 м и более (за рубежом имеются примеры применения клееных арок пролетом до 250 м). Шаг арок определяется технико-экономическим расчетом (3; 4,5; 6 м).
Наибольшее распространение в строительстве получили арки кругового и стрельчатого очертания. Для них расчет геометрических характеристик приведен ниже, а на рис. 7.5,а и рис. 7.6 показаны их геометрические схемы. Схемы приложения постоянной, снеговой и ветровой нагрузок даны, соответственно на рис. 7.5,6 и рис. 7.7. Точки приложения к аркам и величины технологических нагрузок (например, от веса подвесной галереи, оборудования и т.д.) задаются технологами.
Статический расчет арок ведется по общим правилам строительной механики на персональных ЭВМ с использованием стандартных программ (например, «Лира-Windows 8.05»). Расчетным сечением арок является сечение с максимальным изгибающим моментом от наиболее невыгодного сочетания нагрузок. При том же сочетании нагрузок определяются значения продольной силы в расчетном сечении и величины продольных и поперечных сил в коньковом и опорном узлах арки.
Конструктивный расчет арок заключается в подборе поперечного сечения по формулам для сжато-изгибаемых элементов в соответствии с требованиями СНиП (п.п. 6.25...6.27) [2], основные формулы для расчета сжато-изгибаемых элементов приведены также в главе 3. При расчете арок на прочность и устойчивость в плоскости кривизны расчетная длина 1О принимается:
- для трехшарнирных арок при симметричной и несимметричной нагрузках и двухшарнирных арок при несимметричной нагрузке 1О= 0,585;
- для двухшарнирных арок при симметричной нагрузке 10= 0,355;
- для стрельчатых и треугольных арок 1О - 0,55, где S - длина дуги всей арки.
4 — 8556
97
Рис. 7.1. Основные геометрические схемы арок:
а - стрельчатые; б - круговые; в - распорная система треугольного очертания (получила условное название А-образные арки); г - треугольные; д ~ ломаные; е — параболические; ж - арки с затяжкой
98
Рис. 7.2. Стрельчатые клееные деревянные арки в покрытии склада
Рис. 7.3. Распорная конструкция треугольного очертания (А-образные клееные деревянные арки) в покрытии склада
1*
99
a)
б)
Рис. 7.4. Общий вид склада из стрельчатых арок: а - в процессе монтажа арок; £ - изнутри в процессе эксплуатации
100
a)
a - геометрическая схема; б - схема приложения нагрузок
101
Рис. 7.6. Геометрическая схема стрельчатой арки
При расчете арок на прочность по деформированной схеме и на устойчивость плоской формы деформирования (см. формулы (3.21)...(3.24)), в формулу определения коэффициента учитывающего дополнительный момент от продольной силы при деформации оси элемента, подставляется значение продольной силы в коньковом узле NK
После подбора сечения арки конструируются и рассчитываются коньковый и опорный узлы, а при необходимости и монтажный стык отправочных элементов арки.
Основные положения по расчету и характерные схемы связей, раскрепляющих арки из плоскости, даны в главе 10.
7.3. Определение геометрических характеристик арок
7.3.1. Круговые арки
Геометрическая схема круговой арки показана на рис. 7.5,а. Пролет арок I и стрелу подъема арок f принимают исходя функционального назначения здания или сооружения, а также требований технологической части проекта. Остальные геометрические характеристики рассчитываются по формулам:
- радиус кривизны арки R =
- угол наклона опорного радиуса к горизонту (р0 через синус этого угла: R — f v
sin (р 0 =--— = —; центральный угол дуги полуарки <р = 90° - <р0;
R R
- длина дуги всей арки S = .
Затем при расчете на ЭВМ по стандартным программам длина дуги арки разбивается на конечные элементы.
;2+4/\
8/ ’
102
Рис. 7.7. Схема приложения нагрузок на стрельчатые арки: а - при угле (3 < 15°; б - при угле р > 15
Число конечных элементов выбирается таким образом, чтобы получить полную картину распределения внутренних усилий по длине дуги арки. При этом длина конечных элементов назначается с учетом характерных точек (точки начала и конца снеговой нагрузки, точки изменения интенсивности ветровой нагрузки, точки приложения технологических нагрузок и др.). Определение координат узлов элементов, углов наклона касательной и других геометрических параметров в этом случае производится автоматически. При обычном (''ручном") расчете горизонтальная проекция дуги арки разбивается на необходимое число участков к. Координаты характерных точек на длине дуги арки определяются следующим образом: хп назначается, ауп находится по формуле
У" = л-номертекуча сечения).
Вычисляется угол наклона касательной к дуге арки в выбранных точках:
а„ = 90° - ф0 - пДф , Дф - фА.
7.3.2. Стрельчатые арки
Геометрическая схема стрельчатой арки показана на рис. 7.6. Исходные данные задаются так же, как для круговой арки: пролет арки 1\ стрела подъема арки /. Затем к [ у
находится длина хорды полуарки = J — + f2 и назначается стрела подъема ду
ги полуарки У о - ^/| • Остальные параметры рассчитываются по формулам:
- радиус кривизны полуарки R = —— + - — ; 8 /о 2
. • ф У ф
- центральный угол дуги полуарки ф, находится по sin — = —--> —;
2 2 R 2
дКф
- длина дуги полуарки oi =-г;
I 2f
- угол наклона хорды полуарки h к горизонту у находится через tgy = -у-,
- угол наклона опорного радиуса фо из треугольника АОК ф0 = 90е - у - у,
- координаты центра дуги левой полуарки точки О: Xq = Rcos<p0 ,yG=-- RsinyOt
- угол наклона касательной в точке С: р = 90" - ф — ф0.
Угол Р используется для выбора схемы приложения снеговой нагрузки на стрельчатые арки: при р < 15° принимается схема № 2 снеговой нагрузки по прил. 3 СНиП 2.01.07-85 [1]; при р > 15° принимается схема № 1,6 [1] снеговой нагрузки (см. рис. 7.7).
Дальнейший расчет стрельчатых арок с использованием стандартных программ расчета на ЭВМ аналогичен круговым аркам. При "ручном" расчете длина дуги полуарки разбивается на необходимое число участков к. За начало координат принимается левая опора - точка А, тогда координаты узлов определяются по известным формулам: xn=x0-Rsinan; yn=Rcosa„-y0;
ап= 90° - ф0 - нЛф ; Дф = фА.
где ап - угол наклона касательной к арке в данной точке; п — номер текущей точки.
104
7.4. Конструкция и расчет узлов
7.4.1. Коньковые узлы
Коньковые узлы арок пролетом до 18 м решаются простым лобовым упором и перекрываются парными деревянными или стальными накладками на болтах. Толщина деревянных накладок принимается равной половине ширины сечения арок. Толщина стальных накладок определяется расчетом (обычно, 10...20 мм). Длина накладок зависит от диаметра, шага расстановки болтов и их количества. Задаются диаметром болтов и расставляют их по длине накладок с учетом требуемых минимальных расстояний ме-
жду болтами вдоль и поперек волокон древесины.
Конструкция конькового узла такого типа показана на рис. 7.8,а,в. Расчет узла ведется на действие поперечной силы от расчетного сочетания нагрузок. Полунакладка рассматривается как условная двухконсольная балка (рис.7.8,б).
Определяются усилия, действующие в условных опорах (т. Л, В):
R = -J_Q R = е2
4+g2
(7.2)
Находится минимальная несущая способность одного болта по формулам табл.
4.2 с учетом коэффициента Ка по табл. 19 [1]. В случае применения стальных накладок в узле за расчетную несущую способность болта принимается максимальное значение несущей способности болта на изгиб. Рассчитывается требуемое количество болтов в
каждом вертикальном ряду:
RB пб =— «ф[гб]
и -
/1с
«оК]
(7.3)
Более натруженными являются болты, расположенные ближе к оси симметрии арки. Проверка торцов арок на смятие от действия продольной силы в коньковом узле и прочности накладок обычно не производится ввиду очевидных запасов прочности.
При пролетах арок более 18м коньковые узлы решаются в виде классических (валиковых, плиточных или балансирных) шарниров (рис. 7.9,а,б; рис.7.10). Конструирование узла начинается с выбора диаметра крепежных болтов и назначения размеров боковых пластин стального башмака из условия размещения болтов. Толщина опорной пластины определяется расчетом (20...40 мм), толщина боковых накладок стального башмака 10...20 мм.
Диаметр валикового шарнира определяется из условия его работы на срез и изгиб, обычно 40...80 мм, а щеки башмака проверяются на смятие по формулам СНиП [3].
Высота плиточного шарнира назначается конструктивно (/lm~100 мм). Расчет на смятие плиточного шарнира производится по формуле 65 [3]
где /V - продольное усилие в коньковом узле;
г - радиус закругления плиточного шарнира (100... 150 мм);
I — длина плиточного шарнира (можно принять равной ширине сечения арки Z>);
- расчетное сопротивление стали диаметральному сжатию при свободном касании, принимаемое по табл. 1 * в соответствии с требованиями п. 3.1 * [3].
Расчет крепления стального башмака к арке заключается в проверке условия, чтобы равнодействующая усилий в наиболее нагруженном (крайнем) болте от действия расчетной поперечной силы Q и момента в башмаке не превышала его минимальной несущей способности, по формуле
105
Рис. 7.8. Коньковый узел арки, выполненный лобовым упором с деревянными накладками: а - эскиз узла; б - схема работы полунакладки; в - фото узла
106
Рис. 7.9. Коньковые узлы арок, выполненные классическими шарнирами: а - плиточный шарнир; б - валиковый шарнир (сварка стальных элементов условно не показана)
Рис. 7.10. Конструкция плиточного шарнира в коньковом узле (левая и правая полуарки перед монтажом)
107
*6=
< [Тб] «ш ,
(7.5)
где - равнодействующее усилие в максимально нагруженном болте;
[Тб] - минимальная несущая способность одного среза болта; пш - число срезов;
Л/б - расчетный момент в башмаке, = Q е;
€ - расстояние от оси шарнира до центра болтового соединения;
«б - число болтов в крайнем ряду, параллельном оси элемента;
пц ~ общее количество болтов в башмаке;
Zi - расстояние между осями болтов в направлении, перпендикулярном оси элемента;
Zmax - максимальное расстояние между осями болтов в том же направлении;
z* - сумма квадратов расстояний между рядами болтов, определяемая по формуле
S^=z;+zj+...+zt,.
Если это условие не выполняется, то необходимо увеличить диаметр болтов либо их количество и повторить расчет. Затем подбирается требуемый радиус цилиндрического шарнира или требуемая высота плиточного шарнира.
7.4.2. Опорные узлы
При пролетах арок до 18 м опорные узлы выполняются простым лобовым упором с парными стальными накладками, рис. 7.11,а. Требуемая площадь смятия в опорном узле определяется по продольной сжимающей силе. Поперечная сила воспринимается анкерными болтами, заделанными в фундамент, или сварными швами, прикрепляющими стальной башмак к закладной детали фундамента. Стальные накладки башмака крепятся к арке глухарями или болтами. Требуемая площадь сечения анкерных болтов и необходимое количество болтов или глухарей находится по известным формулам.
При пролетах более 18 м опорные узлы решаются в виде классических шарниров. Наиболее распространенные типы опорных узлов арок показаны на рис. 7.II,б,в; 7.12; 7.13, Конструкция таких узлов аналогична конструкции коньковых узлов арок, а расчет ведется по формулам (7.4)...(7.5). В узлах арок вследствие опирания неполным сечением через стальные башмаки (особенно при внецентренном опирании) возникают местные напряжения, которые необходимо учитывать при расчете по формулам раздела 5.29 пособия [4]. Конструктивно эти участки арок усиливаются фанерными накладками на клею, стяжными хомутами или вклеенными арматурными стержнями.
7.4.2. Монтажные стыки
Монтажные стыки большепролетных арок при необходимости (длина отправочного элемента превышает предельно допустимые габариты при транспортировке до строительной площадки) устраивают в сечении с небольшими значениями изгибающих моментов на вклеенных арматурных стержнях (см. рис.4.2,в,г, рис. 8.7,6) или перекрывают стальными накладками на стяжных болтах. На основании имеющегося опыта проектирования арок устройство монтажных стыков не рекомендуется. Необходимо искать такие решения, которые позволяли бы доставлять арки к месту монтажа в готовом виде. На рис. 7.14 показан типовой способ транспортировки полуарок длиной 34 м, затем, когда потребовалось перевозить полуарки по дорогам с троллейбусным движением и вписываться в жесткие габариты по высоте, была разработана наклонная платформа для транспортировки полуарок, которая позволила решить эту проблему (рис. 7.15).
108
Рис. 7.11. Опорные узлы арок:
а - простой лобовой упор; б - плиточный шарнир; в - валиковый шарнир (сварка стальных элементов условно не показана)
109
a)
Рис. 7.12. Опорным узел арок, выполненный валиковым шарниром: а - вид сбоку; б - вид по цифровой оси
ПО
a)
б)
Рис. 7.13. Опорные узлы арок, выполненные плиточным шарниром: а - стрельчатых арок; б - А-образных арок
111
Рис. 7.14. Транспортировка полуарок в вертикальном положении
Рис. 7.15. Транспортировка полуарок по дорогам с троллейбусным движением иа наклонной платформе
112
8. ДЕРЕВЯННЫЕ РАМЫ
8.1. Общие сведения
Деревянные рамы применяются при строительстве общественных и спортивных зданий, производственных и складских зданий с химически агрессивной средой. Основные схемы деревянных рам, применяемых в нашей стране, показаны на рис. 8.1, оригинальные рамные и другие системы из древесины в зарубежном строительстве -на рис. 8.2. В нашей стране, благодаря простоте изготовления и надежности, наибольшее распространение получили гнутоклееные рамы типа ДГР, разработанные ЦНИИ-ЭПсельстроем - серия 1.822-1, вып. 3 (рис. 8.3, 8.6). В районах действия заводов КДК на импортном оборудовании построено много сельскохозяйственных зданий с рамами типа РДП из прямолинейных клееных деревянных элементов с зубчатым соединением ригеля и стойки в карнизном узле на зубчатый шип, разработанных ГИПРОНИсельхо-зом, - серия 1.822-1-1000, вып.1 (рис. 8.4, 8.5). Эти рамы более технологичны и менее трудоемки в изготовлении, чем рам типа ДГР, однако они менее надежны в эксплуатации, так как опасное сечение в карнизном узле рамы ослаблено зубчатым шипом. Другие конструктивные решения карнизных узлов рам (с фанерными накладками, с пятиугольными и гнутоклееными вставками, с соединением ригеля и стойки в карнизном узле с помощью нагелей, расставленных по окружности, и т.д.) не получили широкого применения из-за ненадежности этих узлов в эксплуатации.
В Краснодарском крае, в экспериментальном порядке, нашли применение клеефанерные рамы двутаврового сечения конструкции ЮЖГИПРОНИсельхоза, разработанной на основе исследований, проведенных в СПбГАСУ (ЛИСИ).
Дощатые и брусчатые сборно-разборные рамы небольших пролетов (до 12 м) используются в каркасах холодных складов и навесов в отдаленных районах Урала и Сибири, в частности, по трассе Байкало-Амурской магистрали. В качестве интересных примеров применения деревянных рам на рис. 8.7 показаны гнутоклееные рамы пролетом 60 м; на рис. 8.8 - асимметричные деревянные гнутоклееные рамы в каркасе плавательного бассейна (Серия 1.222.5-1, вып. 5) в поселке Солнечный Пермской области; на рис. 8.9 - деревянные рамы в конструкциях трибун спортивного стадиона.
Классификация рам:
- по конструктивной схеме: трехшарнирные и двухшарнирные;
- по материалу рам: клееные деревянные, клеефанерные, брусчатые, дощатые.
Типы сечений клееных деревянных и клеефанерных рам аналогичны типам поперечных сечений клееных деревянных и клеефанерных балок (см. рис. 6.9, 6.10).
Достоинства трехшарнирных рам:
- хорошо работают на горизонтальные нагрузки;
- геометрическая неизменяемость и поперечная устойчивость рам обеспечивается без жесткого защемления стоек в фундаменте;
- в рамах по сравнению с арками проще устройство ограждающих конструкций.
Недостаток трехшарнирных рам - появление значительных изгибающих моментов в карнизных узлах.
8.2. Основные положения по проектированию
Деревянные рамы рекомендуется проектировать преимущественно трехшарнирными статически определимыми. Двухшарнирные рамы с жесткими опорными узлами не получили распространения из-за сложности конструирования узлов, обеспечивающих жесткую заделку деревянных стоек таких рам в фундамент. За рубежом для двухшарнирных рам проектируют смешанный каркас: стойки рам выполняются из стали, а в качестве ригелей применяются деревянные или металлодеревянные конструкции.
113
Рнс. 8.1. Основные схемы деревянных рам:
а - гнутоклееная рама типа ДГР; б - клееная деревянная рама типа РДП; в - е - сборно-разборные рамы; ж - дощатая рама; з - двухшарнирная рама
114
Рис. 8.2. Оригинальные рамные и другие системы в зарубежном строительстве
115
a)
в)
Рис. 8.3. Деревянная гнутоклееная рама: а - схема приложения нагрузок; б - общий вид полурамы ДГР 18-3,6-1200 (Серия 1.822-1, вып. 3); в - эпюра напряжений в карнизном узле
116
а)
I Г1 □ П*
I М I ГМ J
б)
3600
5850
Рис. 8.4. Клееная деревянная рама типа РДП: а - схема приложения нагрузок; б - общий вид полурамы РДП 18-3,6-6 (серия 1.822-1, вып. 1); в - эпюра напряжений в карнизном узле
117
Рис. 8.5. Сельское производственное здание из клееных деревянных рам типа РДП в процессе монтажа несущих конструкций
Рис. 8.6. Внутренний вид сельского производственного здания нз клееных деревянных рам типа ДГР
118
б)
Рис. 8.7. Древянные гнутоклееные рамы пролетом 60 м в покрытии склада: а - общий вид склада в процессе монтажа рам; б - монтажные стыки на стеклопластиковых арматурных стержнях конструкции ЦНИИСК (каждая пояурама состоит из трех отправочных элементов) 119
Рис. 8.8. Каркас плавательного бассейна из асимметричных клееных деревянных рам (Серия 1.222.5-1, вып. 5) в поселке Солнечный Пермской области
Рис. 8.9. Общий вид вспомогательного олимпийского стадиона в г. Мюнхене (конструкции трибун выполнены из клееных деревянных рам)
120
Пролеты рам составляют 12...24 м. Имеются примеры применения рам пролетом до 60 м (см. рис. 8.7). Угол наклона ригеля составляет от 0° до 45°, обычно 14°. Шаг рам определяется технико-экономическим расчетом, обычно 3; 4,5; 6 м.
Ширина сечения клееных деревянных рам назначается аналогично другим клееным конструкциям с учетом существующего сортамента пиломатериалов и нормируемых припусков на обработку боковых поверхностей конструкций, b = 140...210 мм.
Высота поперечного сечения рам в карнизном узле h определяется расчетом. При предварительных расчетах высота сечения рам назначается в пределах 1/12... 1/30 пролета рам. Высота поперечного сечения ригеля рам в коньковом узле принимается не менее 0,3 h, а в опорном сечении - не менее 0,4 Л.
Прямолинейные элементы рам изготавливаются из слоев толщиной после острожки 32 мм. Толщина слоев в гнутоклееных рамах зависит от внутреннего радиуса кривизны в карнизном узле и назначается в пределах 16.. .24 мм (см. табл. 8 СНиП [2]).
Определение геометрических характеристик рам зависит от конструктивных особенностей рам. Расчетным сочетанием нагрузок для рам является загружение постоянной и снеговой нагрузкой по всему пролету, однако обязательно проверяется и вариант загружения рамы односторонней снеговой нагрузкой на половине пролета. Ветровая нагрузка при высоте стоек рам до 4 м и углах наклона ригеля до 14 в расчетах не учитывается.
Статический расчет рам ведется по общим правилам строительной механики с использованием стандартных программ расчета строительных конструкций на ПЭВМ. Расчетным сечением рам является сечение в карнизном узле с максимальным изгибающим моментом. Из распечаток статических расчетов выбираются также значения продольных и поперечных сил в коньковом и опорном узлах рам.
Конструктивный расчет рам заключается в подборе поперечного сечения по формулам для сжато-изгибаемых элементов в соответствии со СНиП П-25-80 (п.п. 6.25...6.27) [2], см. также главу 3.
Устойчивость плоской формы деформирования трехшарнирных рам проверяется по формуле (3.24) главы 3. При этом для рам из прямолинейных элементов, если угол между осями ригеля и стойки более 130°, и для гнутоклееных рам расчетную длину элемента следует принимать равной длине полурамы по осевой линии. При угле между ригелем и стойкой менее 130° расчетную длину элемента принимают равной длинам ригеля и стойки по внешней кромке.
Коньковые узлы рам конструируются и рассчитываются аналогично коньковым узлам трехшарнирных арок (см. главу 7). На рис. 8.10 показан коньковый узел со стальными накладками и валиковым шарниром (центральным болтом).
Опорный узел рам решается обычно простым лобовым упором деревянной стойки в металлический башмак (рис. 8.11). Распор рам передается непосредственно на фундамент или воспринимается подпорной стенкой (рис. 8.12) или затяжкой, расположенной ниже уровня пола. Опорный узел рамы пролетом 60 м (в порту г. С-Петербурга) в безметальном варианте (стеклопластиковые накладки и болты) показан на рис. 8.12.
Расчет опорного узла заключается в следующем:
- проверяются скалывающие напряжения в древесине в опорном сечении рам по известной формуле Журавского (см. формулу (3.15));
- находится требуемая высота металлического башмака Лм.б -Н / £>Ясм.<ю “ (из условия смятия поперек волокон древесины стойки рамы от действия распора);
- толщина вертикальной пластины определяется расчетом пластины на изгиб, боковые накладки обычно назначаются конструктивно толщиной 8.. .20 мм;
- металлический башмак фиксируется в стойке рамы конструктивным болтом диаметром 12... 16 мм, а к фундаменту крепится двумя анкерными болтами диаметром 20.. .24 мм, работающими на срез и растяжение.
121
Рис. 8.10. Коньковые узлы рам со стальными накладками и валиковым шарниром
Рис. 8.11. Шарнирный опорный узел рамы (сварка стальных элементов условно не показана):
1 - опорная плита башмака; 2 - упорная пластина башмака; 3 - щеки башмака;
4 - полурама; 5 - анкерный болт; 6 - фундамент
122
Рис. 8.12. Опорный узел рамы пролетом 60 м в порту г. С-Петербурга (боковые накладки и нагели стеклопластиковые, распор воспринимается подпорной стенкой)
8.3. Особенности конструктивного расчета некоторых типов рам
8.3.1. Гнутоклееные рамы типа ДГР
В гнутоклееных рамах типа ДГР проверяются напряжения по внутренней сжатой кромке сечения в карнизном узле (см. рис.8.3,в):
(8.1)
где М2 ‘ расчетная продольная сила и изгибающий момент в карнизном узле;
F2, W2 ~ площадь и мо мент сопротивления расчетного сечения рамы;
кгв - коэффициент, учитывающий криволинейность эпюры напряжений по внутренней сжатой кромке.
Коэффициент 4 для определения момента по деформированной схеме в рамах находится по формуле
« = 1-
k2N2 зооог^
(8.2)
При переменной высоте прямоугольного сечения рамы ее гибкость приближенно вычисляется по формуле
4 0,289/fcp
(8.3)
где 10 - расчетная длина, равная длине полурамы по осевой линии; hcp - средневзвешенная высота сечения рамы.
123
Проверяются напряжения по наружной растянутой кромке сечения в карнизном узле рам:
°п =----~ +-------
р F W к R р 1 2 Ли
(8.4)
J + 0,5h/r l+0J7h/r 7-O,5/z/r
(8.5)
(8-6)
где кгн — коэффициент, учитывающий криволинейность эпюры напряжений по наружной растянутой кромке.
Коэффициенты, учитывающие криволинейность эпюры напряжений в карнизном узле рам, вычисляются по формулам к = гк
&гв =
где h - высота сечения в карнизном узле;
г - радиус кривизны центральной оси криволинейного участка.
Расчетные сопротивления древесины на растяжение /?р, изгиб 7?и и сжатие вдоль волокон Rc определяются с учетом толщины слоев клееного элемента, высоты сечения, отношения внутреннего радиуса кривизны в карнизном узле к толщине слоя, а также с учетом других коэффициентов условий работы (см. главу 3).
8.3.2. Рамы типа РДП из прямолинейных элементов с зубчатым соединением ригеля и стойки в карнизном узле
В рамах типа РДП при проверке биссектрисного сечения в карнизном узле учитывается технологическое ослабление сечения зубчатым шипом и криволинейность эпюры напряжений. По внутренней сжатой кромке сечения (см. рис.8.4,в) напряжения проверяются по формуле
(8.7)
п = ——+-----------— < RCM а
F.km ^ктх\ сма’
где Д'?) — расчетная продольная сила в карнизном узле;
Мб - расчетный изгибающий момент в карнизном узле;
кт - коэффициент технологического ослабления сечения, кт = 0,85;
Т] - коэффициент, учитывающий криволинейность эпюры напряжений в биссект-рисном сечении, r| = 1 —0,05^[й;
7*б - площадь биссектрисного сечения;
Wg - момент сопротивления биссектрисного сечения рамы, Wg = И$—
высота биссектрисного сечения;
/?см а - расчетное сопротивление древесины смятию под углом а, см. формулу (3.27);
а - угол между биссектрисой и нормалью к оси стойки рамы.
В растянутой зоне сечения (по наружной кромке) напряжения проверяются по формуле
№1^ р°'
(8.8)
где к - безразмерный коэффициент, при уклоне ригеля рамы i = %, к = 0,5;
/?ри- расчетное сопротивление древесины растяжению под углом а, (см. рис.3.1,в.)
124
9. ДЕРЕВЯННЫЕ ФЕРМЫ
9.1. Общие сведения
Фермой называется стержневая система, остающаяся геометрически неизменяемой после условной замены ее жестких узлов шарнирами. Фермы относятся к классу сквозных конструкций, в которых пояса соединены между собой не сплошной стенкой, как у балок, а решеткой, состоящей из отдельных стержней - раскосов и стоек. Фермы применяются в покрытиях производственных и гражданских зданий в тех случаях, когда балки сплошного сечения оказываются экономически невыгодными. Применение решетки уменьшает расход материала на конструкции, но увеличивает трудоемкость изготовления, так как появляются узлы - места соединения решетки с поясами. Общие виды наиболее распространенных деревянных ферм показаны на рис. 9.1.
Классическими примерами успешной длительной эксплуатации деревянных ферм служат фермы дома Благородных собраний, фермы покрытия Московского манежа (см. рис. 1.2,а,б) в Москве. В г. Перми до настоящего времени эксплуатируется много зданий с деревянными фермами в покрытиях, построенных еще в XVIII-XIX веках (см. рис. 1.3 ...1.5), а также здания постройки середины XX века. В современном строительстве в покрытиях производственных зданий применяются (рис. 9.2...9.5):
- металлодеревянные фермы типа МДФ (серия 1.863-2, вып. 1, 2);
- безраскосные фермы (металлодеревянные арки типа АМД, серия 1.860-6, вып. 1);
- сегментные металлодеревянные фермы (серия 1.263-1, вып. 1, 2);
- дощатые треугольные фермы с фанерными накладками в узлах (см. рис.9.11);
- дощатые фермы с узловыми соединениями на МЗП типа "Gang Nail" («Гэнг-Нейл»).
Классификация ферм:
- по конструктивной схеме различают: балочные фермы (основной тип) и распорные - арочные (см. рис. 9.6);
- по очертанию верхнего пояса: треугольные фермы, фермы с параллельными поясами, трапециевидные, многоугольные, сегментные (см. рис. 9.1).
- по материалу: из цельной древесины (из круглого леса, брусьев, досок), из клееной древесины, металлодеревянные, фермы из фанерных труб, стеклопластикодеревянные фермы;
- по типу узловых соединений: на лобовых врубках, на стальных цилиндрических нагелях, на клеестальных шайбах, на зубчатых шипах на клею, на современных видах соединений типа «Грейм», «Гэнг-Нэйл» (см. рис. 4.2,а,б).
На рис. 9.6...9.И показаны примеры применения деревянных ферм в покрытиях различных зданий и сооружений.
9.2. Основные положения по проектированию ферм
Деревянные фермы применяются, как правило, в статически определимых системах, как в отношении опорных закреплений, так и схемы решетки. Несущая способность статически определимых ферм зависит от прочности и устойчивости любого стержня, разрушение которого может вызвать потерю устойчивости и разрушение всей конструкции, вследствие этого к качеству материалов для изготовления ферм предъявляются повышенные требования. Фермы проектируют с минимально возможным числом узлов. В современном строительстве применяются следующие типы ферм:
- трапециевидные и сегментные - под рулонную кровлю;
- треугольные - под кровлю из волнистых асбестоцементных листов, стальную, черепичную и другие подобные кровли с уклонами 1/3, 1/4.
Пролеты ферм составляют: 9...21 м (45 м) - для треугольных и 12...30 м - для сегментных ферм. Шаг дощатых ферм в малоэтажном домостроении назначают от 0,5 до 2 м, шаг брусчатых и металлодеревянных ферм в покрытиях зданий - от 2 до 6 м.
125
Рис. 9.1. Деревянные фермы:
а - брусчатая на лобовых врубках; б - дощатая на МЗП типа «Гэнг-Нейл»;
в - металлодеревянная типа МДФ; г - безраскосная ферма (металлодеревянная арка типа АМД); д - брусчатая с верхним поясом из балок Деревягина;
е ~ трапециевидная брусчатая; ж - сегментная металлодеревянная с клееным верхним поясом; з - сегментная дощатая
126
Рис. 9.2. Металлодеревянная треугольная ферма с клееным верхним поясом: а - схема приложения нагрузок; б-общий вид фермы типа МДФ 21-12 (Серия 1.863-2, вып. 2), под расчетную нагоузку 12 кН/м
2-2
2а28 АШ
Рис. 9.3. Безраскосная металлодеревянная ферма (название по серии 1.860-6, вып. 1 - арка АМД): а - схема приложения нагрузок; б - общий вид фермы под расчетную нагрузку 12 кН/м
2
Рис. 9.4. Сегментная металлодеревянная ферма с клееным деревянным верхним поясом: а - схема приложения нагрузок; б - общий вид фермы КДФ-18-21 (Серия 1.263-1, вып. 2) под расчетную нагрузку 21 кН/м
Рис. 9.5. Узлы сегментных металлодеревянных ферм (см. рис. 9.4):
а - центральный узел разрезного верхнего пояса; б - центральный узел неразрезного верхнего пояса; в - опорный узел; г - узел нижнего пояса
Рис. 9.6. Сегментные брусчатые фермы в арочном покрытии склада руды
Рис. 9.7. Безраскосные фермы (металлодеревяниые арки типа АМД) в покрытии неотапливаемого склада
131
Рис. 9.8. Сегментные дощатые фермы в покрытии столярного цеха
Рис. 9.9. Трапециевидные брусчатые фермы в покрытии механического цеха
132
Рис. 9.10. Элементы треугольных металлодеревянных ферм типа МДФ на складе завода-изготовителя
Рис. 9.11. Дощатые фермы с фанерными накладками в узлах на складе завода-изготовителя
133
Высота треугольных ферм в середине пролета между осями поясов назначается 1/5 пролета - при деревянном нижнем поясе и 1/6 — при металлическом нижнем поясе. Для сегментных ферм высота h = 1/ 61... 1/ 8Z.
В треугольных и трапециевидных брусчатых фермах стыки верхнего пояса конструируют в узлах или вблизи узлов простым лобовым упором. Стыки нижнего пояса устраивают в середине длины панели или в центральном узле и перекрывают парными накладками на нагелях. При выборе типа решетки стремятся к уменьшению числа ее элементов и сокращению длины сжатых стержней, из-за опасности потери их устойчивости. Наиболее рациональна треугольная решетка. Элементы решетки ферм центрируются в узлах.
Нижним поясам ферм при изготовлении придается строительный подъем = 1 / 200 пролета. При определении усилий в элементах фермы искажение геометрического очертания ферм строительным подъемом не учитывается.
Особенности расчета ферм.
Схемы приложения нагрузок на фермы показаны на рис. 9.2...9.4. Основными нагрузками при расчете ферм являются постоянные нагрузки (собственный вес покрытия и ферм, вес подвесного потолка) и временные (снеговая на всем пролете, снеговая на половине пролета). Ветровая нагрузка при расчете ферм не учитывается. Для упрощения расчета собственный вес ферм считается приложенным к верхнему поясу. В покрытиях с подвесным потолком половина собственного веса ферм относится к верхнему поясу, а половина - к нижнему. В фермах с подвесным потолком учитывается дополнительная полезная нормативная нагрузка на потолке - 0,7 кПа. К деревянным фермам не рекомендуется подвешивать технологическое оборудование.
Статический расчет ферм обычно ведется по стандартным программам на ПЭВМ. При аналитическом статическом расчете все жесткие узлы ферм условно заменяются идеальными шарнирами. Нагрузка считается приложенной в узлах ферм. Определение опорных реакций производится в предположении, что одна опора неподвижная, а другая подвижная. Практически обе опоры конструируются неподвижными, и только при пролетах ферм более 30 м одна из опор делается подвижной.
Конструктивный расчет элементов ферм ведется по известным формулам расчета растянутых, сжатых и сжато-изгибаемых элементов (см. главу 3). Расчетную длину сжатых элементов решетки принимают равной расстоянию между центрами узлов. Для разрезного верхнего пояса расчетная длина равна длине панели верхнего пояса. При неразрезном верхнем поясе расчетная длина для крайних панелей равна 0,8 длины панели, а для средних панелей - 0,65 длины панели. При расчете на устойчивость из плоскости расчетную длину верхнего пояса принимают равной расстоянию между распорками (связевыми фермами).
Передачу сжимающих усилий в верхнем поясе треугольных ферм при внеузловой нагрузке от покрытия рекомендуется обеспечивать с эксцентриситетом, создающим разгружающий момент, величина которого не должна превышать 25% балочного момента. Если эксцентриситеты на концах элемента разные, то в расчет вводится среднее значение эксцентриситета. При расчете узлов необходимо также учитывать местную концентрацию скалывающих напряжений (подробнее см. п. 5.29 [4]).
Расчетный изгибающий момент в опасном сечении верхнего пояса треугольных ферм при внеузловой нагрузке от покрытия определяется по формулам (рис. 9.12):
- при неразрезном верхнем поясе
Мра„=-^+0,5Ле; (9.1)
О
- при разрезном верхнем поясе
<9'2) О
134
6)
Рис. 9.12. Схема определения расчетного изгибающего момента в верхних поясах треугольных ферм при внеузловой нагрузке (см. рис. 9.2):
а - неразрезной верхний пояс; б - разрезной верхний пояс
9.3. Деревянные фермы на лобовых врубках
9.3.1. Общие сведения
Фермы на лобовых врубках - один из самых старых и надежных видов деревянных ферм. Основной тип - треугольная ферма с нисходящими сжатыми раскосами и растянутыми стойками-тяжами из круглой стали (рис. 9.13). Фермы изготавливаются из бревен или брусьев. Для нижнего пояса используется древесина 1-го сорта. Ширина сечения поясов и решетки принимается одинаковой, а высота определяется расчетом.
Опорный узел решается лобовой врубкой с одним или двумя зубьями (см. рис. 4.3, 4.4) либо лобовым упором на металлических натяжных хомутах (см. рис. 4.5, 4.6), передающих усилие от вкладыша, в который упирается верхний пояс, на накладки, соединенные с нижним поясом при помощи болтов и нагелей. Последнее решение более надежно, чем врубка, так как исключена работа на скалывание «хвоста» фермы.
Коньковый узел выполняется простым лобовым упором и перекрывается парными деревянными накладками на болтах и нагелях. Узлы примыкания раскосов к поясам выполняются при помощи лобовых врубок с одним зубом и дополнительно крепятся болтами или скобами для предотвращения случайного выхода из плоскости. Исключение составляет средний узел нижнего пояса, где сходятся два раскоса, которые упираются в специальную бобышку со скошенными торцами. Введение такой бобышки позволяет уменьшить ослабление нижнего пояса врезками. Эти узлы ферм показаны на рис. 9.13...9.17.
Стыки верхнего пояса ферм осуществляются, как правило, в узлах лобовым упором и перекрываются парными накладками на болтах. Стыки нижнего пояса ферм пролетом до 12 м устраивают в центральном узле (см. рис. 9.15), а в фермах пролетом свыше 12 м - в местах перелома нижнего пояса для образования строительного подъема. Стыки нижнего пояса также перекрываются парными деревянными накладками на болтах и нагелях. Высота накладок равна высоте пояса, а толщина накладок принимается равной 0,5 толщины нижнего пояса.
Для снижения напряжений в ослабленных врубками сечениях поясов ферм из брусьев, центрирование в опорных и промежуточных узлах производится по центру ослабленного сечения поясов. Подвесной потолок крепится только к узлам нижнего пояса (узел 4 на рис. 9.13). Порядок расчета ферм на лобовых врубках аналогичен расчету других видов деревянных ферм, отличие состоит лишь в конструировании и расчете лобовых врубок (см. главу 4).
9.3.2. Конструктивный расчет ферм на лобовых врубках
После определения усилий в элементах ферм, порядок конструктивного расчета ферм на лобовых врубках следующий:
- определяется ориентировочно площадь сечения верхнего и нижнего поясов в опорной панели по известным формулам у четом ослаблений сечений врубками;
- конструируется и рассчитывается опорный узел (см. главу 4, п. 4.2,4.3);
- проверяется сечение верхнего пояса: при узловой нагрузке - по формулам для центрально-сжатых элементов; при внеузловой нагрузке - по формулам для сжато-изгибаемых элементов;
- конструируется и рассчитывается коньковый узел (лобовой упор с деревянными накладками), промежуточные узлы (как лобовые врубки с одним зубом), стыки нижнего пояса, подбирается сечение стоек-тяжей, рассчитываются шайбы под тяжи, а также вкладыши и накладки;
- проверяются элементы фермы на монтажные усилия во время подъема, назначается величина строительного подъема.
136
Рис. 9.13. Узлы треугольных металлодеревянных ферм на лобовых врубках: а - схема фермы; б - коньковый и промежуточные узлы фермы
137
Рис. 9.14. Коньковый узел треугольных ферм на лобовых врубках
Рис. 9.15. Центральный узел нижнего пояса треугольных ферм на лобовых врубках с подвесным потолком
138
Рис. 9.16. Промежуточный узел верхнего пояса треугольных ферм на лобовых врубках
Рис. 9.17. Промежуточный узел нижнего пояса треугольных ферм на лобовых врубках с подвесным потолком
139
9.4, Сегментные фермы
9.3.1. Общие сведения
Сегментные фермы экономичнее треугольных по расходу материала, так как верхний пояс очерчен по дуге окружности, близкой к эпюре давлений при равномерно распределенной нагрузке по всему пролету, что резко снижает изгибающие моменты в поясе и усилия в раскосах.
Сегментные фермы отличаются небольшой массой, малым числом монтажных элементов, простотой узловых соединений. Пролеты ферм назначают 15, 18, 21, 24 м. В сегментных фермах не рекомендуется устраивать различные надстройки, световые фонари, подвесные потолки, так как это значительно усложняет конструкцию таких ферм.
В практике строительства в покрытиях однопролетных зданий нашли применение в основном два типа сегментных ферм:
- металлодеревянные сегментные фермы с клееным верхним поясом (см. рис. 9.4);
- фермы из брусков и досок на гвоздях ( см. рис. 9.8, 9.18).
В сегментных металлодеревянных фермах клееный верхний пояс может быть неразрезным, т.е. состоять из одного элемента длиной от одного опорного узла до другого - основное решение, и разрезным - состоящим из двух (со стыком в коньке) или нескольких элементов (со стыками в узлах).
При разрезном верхнем поясе все панели выполняются одинаковой длины, а при неразрезном длины крайних панелей (у опорных узлов) должны составлять 0,7 длины средних панелей.
При разрезном верхнем поясе в его стыках помещаются металлические вкладыши, зажимаемые торцами сходящихся в узле криволинейных элементов верхнего пояса. Этот вкладыш обеспечивает необходимую плотность примыкания и центрирование торцов отдельных элементов. Узловой болт располагается в центре вкладыша. Усилия от раскосов через пластинки-наконечники воспринимаются узловым болтом, который передает их равнодействующую на вкладыш, а последний - на верхний пояс фермы. Стык верхнего пояса перекрывается деревянными или стальными накладками на болтах (см. рис. 9.5,а).
При неразрезном верхнем поясе узловой болт проходит через отверстие в верхнем поясе и двусторонних металлических накладках, которые крепятся к верхнему поясу стальными нагелями. Как и при разрезном верхнем поясе, равнодействующая усилий сходящихся в данном узле раскосов передается металлическими пластинками-наконечниками на узловой болт, а от него рассредоточено нагелями на верхний пояс. Пластинки крепятся к раскосам на глухарях или болтах. Под одну из пластинок делается стальная подкладка той же толщины, что и сама пластинка, благодаря чему пересекающиеся в узле пластинки оказываются расположенными в разных плоскостях (см. рис. 9.5,6). Нижний пояс выполняется из двух уголков, имеющих прямолинейное очертание, но при сборке ферм для создания строительного подъема ему придают небольшую кривизну.
Конструкция узлов нижнего пояса в принципе аналогична узлам верхнего пояса: в центре узлов в вертикальных накладках делаются отверстия для узлового болта, на который при сборке надевают пластинки-наконечники раскосов. Все сходящиеся в узле элементы должны быть строго центрированы.
Опорный узел ферм решается преимущественно в «открытом» варианте, когда боковые пластины в меньшей степени закрывают верхний пояс. Торец верхнего пояса упирается в упорную пластину, выполняемую обычно из швеллера, который вваривается между боковыми пластинами. Для уменьшения ширины фермы уголки нижнего пояса привариваются к боковым пластинам опорного узла изнутри.
Узлы сегментных металлодеревянных ферм показаны на рис. 9.5.
140
В дощатых сегментных фермах (см. рис.9.18) верхний пояс состоит из 2...3 ветвей, которые набираются из пакета брусков размерами 50x50 мм, 40x80 мм. В пределах каждой панели между ветвями ставятся прокладки из досок. Все бруски в ветвях верхнего пояса скрепляются по высоте вертикальным гвоздевым забоем, а в горизонтальной плоскости крепятся гвоздями к прокладкам. Стыки брусков верхнего пояса располагаются по длине с таким расчетом, чтобы они находились не ближе 1/5 длины панели от узлов и чтобы расстояние между стыками было не менее 50 см.
Крепление к поясам дощатых элементов решетки осуществляется на гвоздях с эксцентриситетом, с центрированием по внутренним кромкам досок решетки.
Нижний пояс проектируется из 2...4 досок. Стыки досок нижнего пояса перекрываются накладками и прокладками на нагелях и болтах (рис. 9.19). Опорный узел дощатой сегментной фермы показан на рис. 9.20.
В современном строительстве сегментные дощатые фермы на гвоздях практически не применяются, однако в старых зданиях (см. рис. 9.7) встречаются довольно часто, и при правильной эксплуатации работают вполне надежно 60 и более лег.
9.4.2, Особенности расчета сегментных металлодеревянных ферм
Статический расчет сегментных металлодеревянных ферм ведется по общим правилам строительной механики на два вида загружения:
- постоянная и временная (снеговая) нагрузка по всему пролету;
- постоянная нагрузка по всему пролету и временная (снеговая) на половине пролета.
Снеговая нагрузка принимается по схеме 2 прил. 3 СНиП [1] для сводчатых покрытий, при этом наиболее невыгодное сочетание нагрузок получается обычно при учете односторонней снеговой нагрузки, распределенной по закону треугольника.
Геометрические размеры элементов ферм определяют, заменяя криволинейный верхний пояс прямолинейным, т.е. соединяя узлы верхнего пояса прямыми линиями -хордами.
Конструктивный расчет ферм заключается в подборе сечения поясов, раскосов, конструировании и расчете узлов. Верхний пояс ввиду криволинейности и приложения нагрузки между узлами рассчитывается как сжато-изгибаемый элемент по формулам (3.20)...(3.23) главы 3.
Расчетный изгибающий момент в панелях верхнего пояса определяется как сумма моментов от поперечной нагрузки и момента от продольной силы, возникающего за счет выгиба панели (см. рис. 9.21).
При разрезном верхнем поясе момент определяется по формуле
(9.3)
где Мо - изгибающий момент, определенный по балочной схеме, Мо =
di - горизонтальная проекция панели между центрами узлов;
q - расчетная условно равномерно распределенная нагрузка (в пределах панели);
N - расчетная сжимающая сила в панели верхнего пояса;
- стрела подъема (кривизны) панели; /о =
d2
8Я
d - длина панели по хорде;
R - радиус кривизны верхнего пояса,
8/
I - пролет фермы;
f - высота фермы в середине пролета между осями поясов.
141
Рис. 9.18. Общий вид дощатой сегментной фермы под расчетную нагрузку 10,5 кН/м
1980
Рис. 9.19. Стык нижнего пояса сегментной дощатой фермы
Рис. 9.20. Опорный узел сегментной дощатой фермы
143
При неразрезном верхнем поясе расчетные изгибающие моменты в пролете и на опорах определяются как для неразрезной многопролетной балки с равными пролетами по приближенным формулам:
для опорных (крайних) панелей
Чт = ^-0,69<. (9.4)
(И„=-^- + 0,72<; (9.5)
для средних панелей
(9.6)
+ (9.7)
Моменты от продольных сил определены, исходя из предположения, что каждая панель представляет собой однопролетную балку, причем крайние панели считаются шарнирно опертыми с одного конца и с жестко закрепленным другим концом, а средние панели - с обоими жестко закрепленными концами. При определении гибкости расчетную длину крайних панелей принимают равной 0,8 длины хорды, а средних панелей - O,65d
Сечение нижнего пояса подбирается по формуле для центрально-растянутых стальных элементов по площади нетто, то есть с учетом ослаблений от отверстий для узловых болтов. При расположении узлового болта с эксцентриситетом относительно оси нижнего пояса, нижний пояс проверяется на внецентренное растяжение с учетом нагрузки от собственного веса.
Сжатые раскосы рассчитываются на продольный изгиб с расчетной длиной, равной длине раскоса между центрами узлов фермы. Растянутые раскосы рассчитываются на растяжение с учетом имеющихся ослаблений. В целях унификации все раскосы принимаются одинакового сечения.
Затем определяется количество глухарей (нагелей), необходимых для крепления пластинок к раскосам, рассматривая наиболее нагруженный элемент. Проверяют стальные пластинки на растяжение по ослабленному сечению и на устойчивость из плоскости, принимая расчетную длину планки равной расстоянию от узлового болта до ближайшего к нему болта раскоса. Для уменьшения расчетной длины планок ставится дополнительный стяжной болт вне раскоса.
Конструируется и рассчитывается опорный узел фермы:
- выполняется проверка торца верхнего пояса на смятие;
- назначаются размеры опорной плиты из условия опирания и закрепления анкерными болтами;
- определяется необходимая длина сварных швов для крепления уголков нижнего пояса к фасонкам опорного узла.
При необходимости рассчитывается стальной вкладыш в узлах разрезного верхнего пояса и узловой болт. Узловой болт, на который надеваются пластинки раскосов, рассчитывается на изгиб от равнодействующей усилий Rq, возникающих в примыкающих раскосах при односторонней нагрузке. Момент в узловом болте
М = R5a,
где а - плечо приложения силы , а=8+0,58| (8 - толщина пластинки-наконечника, 81 - толщина крайнего ребра узлового вкладыша).
Строительный подъем ферм назначается равным 1/200 пролета. Выполняется проверка фермы на действие монтажных нагрузок.
144
a)
б)
Рис. 9.21. Определение расчетного изгибающего момента в верхних поясах сегментных металлодеревянных ферм.
Эпюры изгибающих моментов в ферме с разрезным (а) и неразрезным (б) верхним поясом и схемы работы криволинейного элемента
10. ОБЕСПЕЧЕНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ УСТОЙЧИВОСТИ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ ДЕРЕВЯННЫХ КОНСТРУКЦИЙ
10.1. Общие сведения
Плоскостные несущие деревянные конструкции (балки, арки, рамы, фермы) рассчитываются на нагрузки, действующие в плоскости их наибольшей жесткости (рабочей плоскости). Горизонтальные нагрузки, направленные перпендикулярно продольной оси здания, обычно воспринимаются стенами (или колоннами), а в зданиях с несущими конструкциями в виде арок или рам, опирающихся непосредственно на фундаменты, -самими этими конструкциями. Горизонтальные нагрузки, действующие вдоль оси здания (ветровой напор, продольные инерционные силы торможения кранов и др.), должны восприниматься системой связей.
Таким образом, в зданиях и сооружениях плоскостные несущие конструкции при помощи связей в продольном направлении объединяются в общую систему, которая доводится до неподвижных частей (фундаментов) зданий и сооружений. Эта система должна обеспечивать пространственную неизменяемость, устойчивость, прочность и жесткость конструкций от воздействия внешних сил любого направления при расчетном (наиболее невыгодном) сочетании нагрузок. Для восприятия связевой системой этих нагрузок необходимо надежное взаимное крепление элементов связей между собой и с несущими конструкциями.
По конструктивным особенностям различают связи: горизонтальные (скатные) -с раскосной или крестовой решеткой (рис. 10.1, 10.2); вертикальные (наклонные) - в виде связевых ферм или распорок (рис. 10.3, 10.4). При шаге несущих конструкций до 3 м предпочтительнее конструировать связи деревянными (из брусьев или досок), при шаге несущих конструкций более 3 м связи выполняют из стальных элементов (уголков, тяжей, труб) или клееных деревянных элементов.
10.2. Некоторые правила постановки связей
Примерные схемы устройства связей для некоторых типов зданий и сооружений, а также конструкции типовых связей показаны на рис. 10.1... 10.10. Связевая система покрытия образуется из горизонтальных (поперечных) связей в плоскости верхних граней стропильных конструкций и вертикальных связей-распорок между ними, работающих на растяжение или сжатие. В качестве условных поясов поперечных связевых ферм используются верхние и нижние части поперечного сечения несущих конструкций. Блоки связей (поперечных и вертикальных) располагаются в торцовых секциях (при пролетах более 18 м рекомендуется делать спаренные блоки в двух секциях подряд), а также через 21-30 м по длине здания или сооружения.
В зданиях с кирпичными или железобетонными торцовыми стенами, способными воспринимать ветровые нагрузки, блоки связей устраивают во второй от торца секции (см. рис. 10.5, 10.6).
В плоскости кровли роль продольных элементов связей могут выполнять прогоны или продольные ребра плит покрытия при соответствующем их креплении к несущим конструкциям. Включение прогонов и плит в обеспечение пространственной жесткости покрытия возможно только при условии обеспечения восприятия усилий, возникающих в местах их крепления к стропильным конструкциям.
Однако существующие способы крепления прогонов и плит покрытия к несущим деревянным конструкциям (на болтах, глухарях, штырях, гвоздях и других податливых связях, которые в процессе эксплуатации из-за коррозии, неплотной постановки и другим причинам не гарантируют надежности соединений) не позволяют рекомендовать учитывать эти элементы ограждающих конструкций в общей системе связей.
146
a)
б)
Разрез 1-1
Рис. 10.1. Связи в складах с применением стрельчатых арок: а - схема расположения связей; б - разрез 1 -1
147
a)
б)
Разрез 1-1
Рис. 10.2. Связи в складах с применением распорных конструкций треугольного очертания (А-образные арки): а - схема расположения связей; б - разрез 1-1
148
Рис. 10.3. Узлы крепления связей к аркам:
а - крепление вертикальной связевой фермы СФ-1 из уголков; б - крепление деревянных распорок
149
150 L L юоо
Рис. 10.4. Варианты устройства вертикальных связей-распорок: а - вертикальная связевая ферма СФ-2 из труб;
б - крестовая связь СК-1 из уголков (маркировка связей дана на рис. 10,2; сварка стальных элементов условно не показана)
150
21000
Рис. 10.5. Схема расположения связей по покрытию в зданиях с гнутоклееными рамами
21000
LA
Рис. 10.6. Схема расположения связей по покрытию в зданиях с металлодеревянными фермами
Продольные вертикальные или наклонные связи-распорки устраиваются:
- в арочных, рамных и тому подобных конструкциях для предотвращения выхода сжатой кромки из рабочей плоскости, если ее устойчивость не обеспечена без промежуточного раскрепления;
- в системах шпренгельного типа, а также в фермах, имеющих пониженное по отношению к линии опор очертание нижнего пояса, для раскрепления растянутого пояса при наличии тормозных усилий, действующих на нижний пояс конструкций перпендикулярно их плоскости (например, при подвеске к фермам тельфера и т.п.).
Продольные связи для раскрепления нижнего пояса шпренгельных систем располагаются в плоскости их стоек, а для восприятия тормозных усилий - в местах подвески оборудования непрерывно по всей длине здания. Обязательна постановка связей в плоскости сжатых опорных стоек стропильных ферм.
Ширина панелей поперечных связевых ферм принимается равной шагу несущих конструкций. Шаг вертикальных (наклонных) связей-распорок, устраиваемых для раскрепления сжатой кромки арок или рам из плоскости наименьшей жесткости, определяется из условия обеспечения устойчивости плоской формы деформирования сжато-изгибаемых элементов - см. формулу (3.24). В большепролетных конструкциях (при пролетах более 18 м) рекомендуется раскреплять как сжатую, так и растянутую кромки поперечного сечения конструкций.
10.3. Расчет связей
Современные стандартные программы расчета строительных конструкций на ПЭВМ позволяют выполнять расчеты пространственных систем с учетом совместной работы основных несущих конструкций каркаса здания и связей жесткости.
Расчет связевой системы производится на горизонтальные нагрузки, действующие вдоль здания или под произвольным углом к нему. Эти нагрузки складываются из внешних воздействий (ветра, сейсмики, тормозных усилий кранов и т.д.) и внутренних усилий, возникающих от вертикальных нагрузок на несущие конструкции при возможных отклонениях поперечных сечений последних от вертикали при монтаже, а также вследствие возможных начальных деформаций элементов из плоскости наибольшей жесткости. Эти отклонения не должны превышать величин, регламентируемых СНиП на производство и приемку строительно-монтажных работ. В процессе эксплуатации конструкций отклонения и деформации конструкций изменяются, как правило, в сторону увеличения.
Величины внешних горизонтальных нагрузок принимаются по СНиП "Нагрузки и воздействия" [1] и распределяются поровну между всеми связевыми поперечными фермами и устойчивыми (жесткими) торцовыми стенами.
Горизонтальная нагрузка от внутренних усилий для поперечных связевых ферм является внешней и определяется от каждой несущей конструкции по формуле
Чг.в ~~ ^св?в ’ (Ю-1)
где qB - расчетная вертикальная равномерно распределенная нагрузка на 1 м горизонтальной проекции конструкции покрытия (нагрузки другого вида приводится к эквивалентной равномерно распределенной нагрузке по всему пролету конструкции);
/ссв _ коэффициент, зависящий от вида и геометрических параметров несущих конструкций: для балок постоянного сечения, ферм и пологих арок cf/l < 1/6 fcCB = 0,02; для рам и арок с//1 > 1/3 ксв = 0,01 (для арок с 1/6<//1< 1/3 величина £св определяется по интерполяции); для балок переменного сечения (двускатных и др.) ксв = 0,024.
153
Суммарная расчетная нагрузка на каждую поперечную связевую ферму определяется по формуле
= (Ю.2)
где qT - внешняя горизонтальная нагрузка в продольном направлении, вызываемая ветровым напором, торможением кранового оборудования и т.п.;
п - общее число несущих конструкций в данном пролете здания;
t - общее число поперечных связевых ферм, включая торцовые стены.
При определении суммарных нагрузок на связевые фермы, возникающих от ветра, тормозных усилий кранов и внутренних усилий, а также при проверке основных несущих конструкций на совместное действие вертикальных и горизонтальных нагрузок, временные нагрузки вводятся в расчетное сочетание с коэффициентом 0,9.
По полученным по формуле (10.2) значениям суммарной расчетной равномерно распределенной нагрузки q определяются узловые нагрузки Р для поперечных связевых ферм по формуле
P = qSm, (10.3)
где 5СВ - горизонтальная проекция длины панели поперечной связевой фермы или расстояние между точками крепления связей-распорок к несущим конструкциям.
Поперечные связевые фермы, устанавливаемые в уровне покрытий по рамам, сегментным, полигональным и трапециевидным фермам, а также по пологим аркам, рассчитываются как обычные фермы, имеющие пролет, равный развертке скрепляемых решеткой поясов несущих конструкций, с узловым приложением нагрузки.
Связевые фермы, устраиваемые в уровне покрытий по высоким аркам и треугольным фермам, рассчитываются как пространственные системы, состоящие из поясов двух соседних конструкций, соединенных решетчатыми связями. Принцип расчета таких систем приведен в книге "Металлические конструкции" под ред. проф. Е.И. Беленя.
При использовании в качестве несущих конструкций шпренгельных систем вертикальные связи должны раскреплять их растянутый пояс. Расчет продольных вертикальных связей, раскрепляющих растянутый пояс шпренгельных систем, следует производить на нагрузки, определяемые по формуле
Рш = 0.01F, (10.4)
где V - расчетные сжимающие усилия в стойках шпренгельных систем, соединяемых связями.
Расчет продольных вертикальных связей-распорок, раскрепляющих внутреннюю сжатую кромку рам или арок, производится на усилия, определяемые по формуле
Рр=0,01595р, (10.5)
где 5'р - горизонтальная проекция расстояния между продольными распорками.
Конструктивный расчет элементов связевых ферм и вертикальных связей-распорок ведется по известным формулам для сжатых и растянутых стержней. Практически во многих случаях сечения элементов связей назначаются по конструктивным соображениям, при этом предельная гибкость элементов должна быть не более 200.
Стойки фахверка или конструкции самонесущей торцовой стены должны передавать ветровую нагрузку в узлы поперечной связевой фермы, затем через вертикальные связи-распорки, расположенные в этих узлах, на колонны каркаса и на фундамент.
В современных проектах каркасных зданий деревянные конструкции преимущественно применяются в покрытиях, а колонны (стойки) выполняются стальными или железобетонными. Постановка и расчет связей по таким колоннам производится по соответствующим правилам для стальных или железобетонных конструкций. Связи между колоннами каркаса устраиваются в тех же секциях, что и связи по покрытию.
154
LA LA
Рис. 10.7. Общий вид связевого блока между арками
Рис. 10.8. Крестовые металлические связи по верхней грани
гнутоклееяных рам
Рис. 10.9. Скатные связи с раскосной решеткой по аркам
Рис. 10.10. Деревянные связн-распорки вблизи опорных узлов арок
156
11. ПРОСТРАНСТВЕННЫЕ ДЕРЕВЯННЫЕ КОНСТРУКЦИИ
11.1. Общие сведения
В принципе совокупность конструкций покрытия любого здания или сооружения представляет собой пространственную систему. Например, обычное покрытие из плоскостных стропильных ферм: фермы объединены между собой связями, распорками, настилом или плитами покрытий и фактически работают совместно. В общем случае определение усилий н напряжений в такой системе - сложная многократно статически неопределимая задача. В целях упрощения расчета и конструирования эти системы расчленяются на отдельные плоские конструкции, условно работающие независимо друг от друга. Фактическая же пространственная работа конструкций, не учитываемая расчетом, создает дополнительную надежность и, как правило, идет в запас прочности.
Таким образом, к собственно пространственным деревянным конструкциям (ПДК) относятся такие системы, которые обеспечивают совместную работу большинства элементов покрытия, включая ограждающие конструкции, в двух или более плоскостях на воздействие расчетных нагрузок. Совместная работа элементов покрытия обеспечивается конструктивными мерами - путем устройства надежных связей элементов между собой. Достоинства ПДК в сравнении с плоскостными конструкциями:
- меньший расход материалов за счет включения в работу вспомогательных элементов;
- более надежная работа - выход из строя отдельных элементов не приводит к аварии всего сооружения за счет включения в работу смежных элементов;
- более эффективно используется внутреннее пространство помещения:,
- высокая архитектурная выразительность.
Недостатки ПДК: повышенная сложность и трудоемкость монтажа, необходимость устройства лесов, менее надежная работа при воздействии больших односторонних нагрузок и сосредоточенных сил.
Области применения ПДК с применением древесины: общественные здания (выставочные павильоны, рынки, цирки, спортзалы); производственные и вспомогательные здания (склады, гаражи, ангары).
Классификация ПДК. Пространственные деревянные конструкции отличаются большим многообразием статических схем и конструктивных особенностей. Условно их можно классифицировать по следующим признакам:
- по геометрической форме поверхности: цилиндрические; сферические; складчатые; параболические, гиперболические и т.д.;
- по форме в плане: круглые; квадратные; прямоугольные; многоугольные и т.д.;
- по конструктивным особенностям: купола; цилиндрические своды-оболочки; кружально-сетчатые своды и купола; структурные системы.
Из оболочек отрицательной кривизны наибольший интерес представляют гиперболические параболоиды - гипары (рис. 11.1). В качестве примеров пространственных конструкций с применением древесины рассмотрим два характерных типа ПДК, нашедших применение в практике строительства: купола и кружально-сетчатые своды.
11.2. Купола
11.2. L Конструктивные особенности куполов
Очертание оси куполов зависит от диаметра, архитектурных и технологических требований и других факторов. Диаметр куполов изменяется в пределах от 30 до 100 м и более. Например, покрытие, разработанное фирмой ''Вайерхозер" (США) в форме ребристого купола из клееной древесины и фанеры, имеет диаметр 257 м.
157
a)
Рис. 11.2. Ребристый купол:
а - схема приложения нагрузок; б - конструктивное решение: 1 - верхнее кружальное кольцо; 2 - клееные деревянные ребра; 3 - связи; 4 - опорное кольцо
160
Рис. 11.3. Ребристо-кольцевой купол:
1 - кружальное кольцо; 2 - клееные деревянные ребра;
3 - промежуточные кольца; 4 - опорное кольцо; 5 - связи
6 - К556
!61
Требуемый момент инерции верхнего кружального кольца находится по формуле
j > 1 Н а2т2 тр 32 cos а пЕ
(ПЛ)
По требуемому моменту инерции по сортаменту подбирается соответствующий номер швеллера или конструируется сварной швеллер кружального кольца, которое затем проверяется на устойчивость по формуле
tn J a 2cosa
где т - число сторон правильного многоугольника - число ребер (полуарок);
а - длина стороны многоугольника;
JK- момент инерции сечения верхнего конькового кольца относительно вертикальной оси;
Е - модуль упругости стали;
Н - распор арки при расчетном сочетании нагрузок;
а - половина внутреннего угла между сторонами многоугольника: а = (180°— 0) / 2, р-3607m.
113. Кружально-сетчатые своды
I1.3.L Конструктивные особенности сводов
С точки зрения истории развития деревянных конструкций определенный интерес для специалистов представляют кружально-сетчатые своды (КСС). Кружально-сетчатые своды - это пространственные системы, состоящие из отдельных, поставленных на ребро стандартных элементов, называемых косяками. Косяки идут по двум взаимно пересекающимся направлениям и образуют ломаные винтовые линии. Из таких же элементов могут выполняться и купольные покрытия.
В поперечном сечении кружально-сетчатые своды имеют круговое или правильное многоугольное очертание. Верхняя грань косяков делается, соответственно, кругового, двускатного или многоугольного очертания. Распор сводов воспринимается затяжками (шаг затяжек назначается кратным шагу косяков) или непосредственно фундаментами. Впервые сетчатые системы были предложены и применены В.Г. Шуховым для покрытий павильонов на художественно-промышленной выставке в Нижнем Новгороде в 1896 г. Первый безметальный деревянный сетчатый свод был построен в 1932 г. в Москве по проекту архитектора С.И. Песельника. В г. Москве до настоящего времени успешно эксплуатируются десятки зданий, в покрытии которых применены КСС.
Область применения КСС: легкие покрытия летних театров, ангары, выставочные павильоны, крытые рынки, складские помещения и т.п.
Достоинства кружально-сетчатых сводов: стандартность элементов (косяков), позволяющая организовать их индустриальное изготовление в заводских условиях; транспортабельность элементов; простота сборки и демонтажа; надежность КСС, обеспечиваемая прочностью многих элементов (влияние качества древесины отдельных элементов имеет меньшее значение, чем в плоскостных системах).
Недостатки: требуется высокая точность изготовления косяков (допуски ± 1 мм), необходимо устройство лесов и привлечение квалифицированных рабочих для сборки сводов.
В зависимости от конструкции косяков и их узловых соединений различают своды: а) системы Песельника; б) системы Цоплъбау. В сводах Песельника узловые соединения косяков выполняются на шипах, в сводах Цолльбау - на болтах.
162
КСС из клеефанерных косяков с бесшарнирными узлами со специальными накладками (автор Б.А. Освенский) не получили распространения. В КСС любой системы имеются три типа узлов: основные узлы (средние); опорные у мауэрлатов и торцовые у фронтонов свода. Основные узлы конструируются из трех одинаковых косяков: одного сквозного и двух «набегающих», примыкающих к нему в середине длины.
Кружально-сетчатые своды Песельника проектируются как с прямоугольной сеткой - для сводов небольших пролетов (до 12 м), так и с ромбической (косоугольной) сеткой - для сводов пролетом до 18 м (рис. 11.4). В прямоугольной сетке получается шесть типов косяков, а в косоугольной - семь типов косяков. На практике изготавливают один стандартный косяк в прямоугольной сетке и два (левый и правый) - в косоугольной сетке, прирезая их к опорному брусу и торцовой арке по месту. Косяки примыкают к опорному брусу по центрам узлов с вырезкой в опорных брусьях специальных гнезд и пришивкой концов косяков гвоздями. Вырезы в сетке покрытия делаются только после окончательной сборки и окаймляются обвязкой из брусьев.
Собранная конструкция свода покрывается сплошным настилом или обрешеткой, прибиваемыми к косякам гвоздями. Кровля выполняется из оцинкованной стали или рулонных материалов. Фонари устраивают без вырезов сетки, что является нормальным решением верхнего света, характерным для сетчатых сводов.
Косяки свода выполняются из сплошных цельных досок с шипами на концах. В середине длины косяков выбирается сквозное отверстие. Конструктивные особенности и основные геометрические параметры косяков Песельника показаны на рис. 11.5.
Для обеспечения необходимой жесткости свода высота косяка в середине его длины должна быть не менее йк > //100. Следовательно, из цельных косяков можно смонтировать своды пролетом до 18 м, при использовании клеефанерных косяков (разработаны Г.Г. Карлсеном и Б.А. Освенским) пролет сводов может достигать 80 м.
Геометрические параметры цельных косяков должны быть следующими: толщина косяка Ьк = 25...50 мм, длина косяка /к=13йк, Лк < 4,5\. Для обеспечения постоянства размеров всех косяков длина дуги свода 5 делится на четное число панелей одинаковой длины AS, а длина здания на равные части с - расстояние между узлами косяков - шаг косяков, который принимается 1.. .2 м.
В сводах системы Цолльбау (с ромбической решеткой) косяки в основных (средних) узлах соединяются между собой болтами, работающими на растяжение. При этом набегающие косяки примыкают к сквозному косяку в середине его длины с некоторым смещением а. Величина смещения а должна быть минимальной и выбирается так, чтобы отверстия болтов на концах косяков находились вне скошенной торцовой поверхности последних. Обычно а = 2^+30 мм. К основным размерам косяков сводов Цолльбау предъявляются те же требования, что и к косякам сводов системы Песельника. Конструкция косяков системы Цолльбау показана на рис. 11.6. Косяки имеют на концах круглые отверстия по диаметру болтов плюс 4 мм (диаметр болтов 12... 16 мм), а посредине косяка - овальное отверстие такого же диаметра. Длина овального отверстия Zo должна обеспечивать свободную установку болта под нужным углом.
11,3.2. Расчет кружально-сетчатых сводов
КСС представляют собой сложную многократно статически неопределимую пространственно-стержневую систему, точный расчет которой весьма сложен и выполняется по стандартным программам расчета конструкций на ЭВМ. В курсовом проектировании можно применить приближенный способ, точность которого многократно подтверждена испытаниями и практикой эксплуатации. По приближенному способу расчет сводов ведется как для двух или трехшарнирной арки кругового или стрельчатого очертания для полосы свода шириной с (рис. 11.4, г).
ti’
163
5
Рис. 11.4. Кружально-сетчатые своды:
а - геометрическая схема; б - развертка свода с прямоугольной сеткой; в - развертка свода с ромбической сеткой; г - расчетная полоса свода
164
Рис. 11.5. Конструкция косяков системы Песельника:
а - деревянный косяк для свода с прямоугольной сеткой; б - схема соединения косяков в центральном узле
Рис. 11.6. Конструкция косяков системы Цолльбау:
а - деревянный косяк; б - схема соединения косяков в центральном узле
165
(11.3)
Расчетные усилия в опасном сечении условной арки (А/а. AQ определяются по общим правилам строительной механики от наиболее невыгодного сочетания расчетных нагрузок. Статический расчет выполняется по одной из стандартных программ расчета арок на ЭВМ. Ввиду несовпадения плоскости действия момента и продольной силы в условной арке с осью косяка, наклоненного к образующей свода под углом а, значения Ма > N& делятся на sin а. Учитывается также влияние пространственной жесткости свода за счет торцовых стен (фронтонов), что приводит уменьшению расчетного момента. Расчетный изгибающий момент в косяке (момент воспринимается только одним сквозным косяком) определяется по формуле (крутящий момент в расчете косяков не учитывается, воспринимается настилом)
*
sin а
где а - угол между осью косяка и образующей свода;
кф - коэффициент, учитывающий разгружающее действие фронтонов.
Коэффициент кф зависит от отношения длины дуги свода S к длине здания В:
В/S 1 и менее 1,5 2 2,5 и более
кф 2,0 1,4 1,1 1,0
Продольная сила, возникающая в условной арке, передается обоим косякам. Расчетная продольная сила в одном косяке определяется по формуле
хг Л'а 2VK ----—
2 sin а.
Нормальные напряжения в одном косяке проверяются по формуле для сжато-изгибаемых элементов:
(11-4)
(Н.5)
NK АГ D а = _Е_ +--^-<R
F tW
нт нт
где Е, - коэффициент, учитывающий дополнительный момент от продольной силы при деформации оси условной арки;
Fm - площадь нетто косяка в середине его длины;
Н'кг - момент сопротивления нетто косяка в середине его длины. Коэффициент £ определяется по стандартной формуле
(11-6)
2sina<p7?cF6p ’
где Nc - продольная сжимающая сила в ключевом шарнире условной арки;
Fop - площадь брутто косяка в середине его длины.
При определении коэффициента (р расчетная длина сводов 1О принимается равной:
- 0,585 - для трехшарнирных сводов при симметричной и несимметричной нагрузках и двухшарнирных сводов при несимметричной нагрузке,
- 0,355 - для двухшарнирных сводов при симметричной нагрузке;
- 0,55 - для стрельчатых сводов, где 5 - длина дуги свода.
Учитывая косое направление косяков, расчетная длина сводов увеличивается делением на sin а. Гибкость сводов определяется по следующим формулам: для сводов „ . 3,01о
системы Цолльоау кругового очертания А ®г для ЭТИх сводов стрельчатого Лк sin а
, 3'5lO тт л 4’5lO
очертания л ~; для сводов системы Песельника Л =----------------“
йк sin a hK sin а
166
12. ЗАЩИТА ДЕРЕВЯННЫХ КОНСТРУКЦИЙ ОТ ЗАГНИВАНИЯ И ВОЗГОРАНИЯ
12.1, Защита от загнивания
12.1. Общие сведения
Древесина - ценный и благородный строительный материал, требующий к себе бережного отношения. Срок службы деревянных конструкций при правильной эксплуатации и своевременных текущих ремонтах составляет 100 и более лет. Классическими примерами длительной эксплуатации деревянных конструкций служат Преображенский храм на острове Кижи (1714 г.), деревянные фермы Московского манежа в г. Москве (1817 г.) (см. рис. 1.1, 1.2) и другие.
Вместе с тем использование для изготовления деревянных конструкций древесины с влажностью более 30%, увлажнение конструкций в процессе эксплуатации, нарушение осушающего режима в помещении и другие причины приводят к загниванию древесины и резкому сокращению сроков службы деревянных конструкций.
Под гниением древесины понимают процесс жизнедеятельности грибов, разрушающих целлюлозу - самую прочную часть древесины. Грибы относятся к группе низших споровых растений, в клетках которых нет хлорофилла. В эксплуатируемых зданиях и сооружениях деревянные конструкции поражаются в основном домовыми грибами. Наиболее опасные виды домовых грибов представлены в табл. 12.1. Точно определить вид домового гриба можно лишь после лабораторных микологических исследований, однако в большинстве случаев этого и не требуется, так как способы борьбы с домовыми грибами практически не зависят от конкретного вида гриба.
Процесс развития грибов происходит при средней влажности древесины более 20% в условиях повышенной влажности воздуха при отсутствии проветривания и температуре окружающего воздуха от 0 до 45°С.
Характерные признаки поражения древесины грибами в конструкциях:
- появление на поверхности древесины грибницы - белых пушистых скоплений грибных нитей (гифов), а также наличие в помещении характерного грибного запаха;
- изменение цвета древесины: в начале процесса - на красноватый, затем бурый или темно-коричневый;
- наличие в древесине глубоких продольных и поперечных трещин, по которым она распадается на отдельные призматические кусочки - деструктивная гниль (древесина как бы обугливается, легко отрывается и растирается пальцами в порошок).
Для оценки степени поражения древесины грибами установлено 5 групп: 0 - здоровая древесина; 1 - снижение прочности древесины на 10...20%; 2 - снижение прочности на 40%; 3 и 4 - аварийное состояние - снижение прочности на 50% и более.
12.1. 2. Конструктивные меры защиты деревянных конструкций от загнивания
Основными мероприятиями конструктивной профилактики против загнивания деревянных конструкций являются защита их от постоянного или систематически повторяющегося увлажнения, создание осушающего режима эксплуатации (рис. 12.1).
Увлажнение деревянных конструкций может быть:
- непосредственное - атмосферными осадками из-за протечек кровли;
- капиллярное - грунтовыми водами при повреждении гидроизоляции;
- биологическое - самоувлажнение в процессе гниения;
- конденсационное - увлажнение за счет оседания воды из паров, содержащихся в воздухе (наиболее опасное).
167
Опасные домовые грибы - разрушители древесины в конструкциях
Таблица 12.1
Название грибов русское (латинское) Характерные признаки Вид разрушенной древесины Оптимальные условия развития Где встречается
Плодовою тела Г рибницы (мицелий) влажность / ОсрсднК °C
воздуха q>, % древесины IV, %
Настоящий домовой гриб (Merulius lacrymans) >еме-итенки Бурая, деструктивная, крупнопризматическая, легко растирается пальцами в порошок 80...95 22...50 8...27 (23) Полы l-го этажа, стены, перегородки
й
Мясистая, середина коричневатая, сстча-тая, края - толстые, белые Белая, пушистая, со в нем - серопепельныс г
Белый домовой гриб (Porta vaporaria) Такой же, как у настоящего домового гриба 90... 100 30...50 5...37 (27) В подвалах, погребах, в междуэтажных перекрытиях сырых зданий
5 fl
Плоские пористые подушечки трубчатого строения белого цвета Круглые белые шнуры-тяжи толщиной 4,,.6 мм
Пленчатый (коричневый) домовой гриб (Coniophora cerebella) Об кож от л затг эазуется редко, мягкое, истое, легко отделяется сревесины. цвет белый, :м темно-коричневый Разе желт вать у ига слабо, тонкие оватые, затем ко е нити эичне- Цвет темнее, чем у двух предыдущих, гниль мелкопризматическая 100 40...50 8...37 (23) В погребах, подпольях, санузлах, в чердачных перекрытиях
Пластинчатый (шахтный) домовой гриб (Paxxillus panuoides) Цвет в начале желтовато-зелены й, затем бурый, трещины и призмы мелкие 100 50...70 9...35 (26) В шахтах, сырых темных местах, на складах, в совмещенных перекрытиях
Шляпка светло-желтая, снизу веерообразно вертикально расположены пластины Едва заметные веерос разные нити зеленова желтого цвета, исход} из одной точки б-то-пцие
Основные конструктивные (профилактические) меры против загнивания’.
- использование сухого пиломатериала с влажностью И—12 % для изготовления клееных деревянных конструкций и ИЧ 20 % - для неклееных конструкций;
- защита конструкций от увлажнения на период транспортировки и монтажа;
- размещение деревянных конструкций полностью в пределах отапливаемого помещения либо целиком в пределах неотапливаемого чердачного помещения, за утепленным подвесным потолком (рис. 12.1,а);
- установка опорных частей балок, ферм на деревянные опорные подушки на пилястры или в открытые гнезда, утепление этих гнезд (рис. 12.1,6);
- устройство опорных узлов рам, арок так, чтобы низ деревянного элемента был на 300... 500 мм выше уровня чистого пола (рис. 12.1 ,в);
- обеспечение свободного доступа к опорным узлам конструкций для осмотра и проветривания;
- устройство гидроизоляции в местах соприкосновения древесины с каменной кладкой, бетоном, металлом;
- обеспечение зазора не менее 250 мм между нижним поясом ферм и утеплителем в зданиях с утепленным подвесным потолком для осмотра и проветривания;
- вентиляция утепленных деревянных перекрытий через щелевые плинтуса и решетки в полу в углах комнат, вентиляция подполья через продухи в цокольных стенах;
- правильное расположение слоев пароизоляции и теплоизоляции в ограждающих конструкциях (слой пароизоляции должен располагаться в начале теплового потока, то есть со стороны положительных температур, а теплоизоляционный слой устраивается в конце теплового потока, то есть с холодной стороны ограждения).
12.1.3, Химические меры защиты деревянных конструкций от загнивания
В тех случаях, когда одними конструктивными мерами невозможно гарантировать надежную защиту деревянных конструкций от загнивания, конструкции обрабатываются специальными химическими препаратами - антисептиками - веществами, оказывающими отравляющее воздействие на биологических разрушителей древесины.
Требования к антисептикам:
- быть токсичными для дереворазрушающих грибов и насекомых и безопасными для человека и домашних животных;
- не влиять на механическую прочность древесины и не способствовать коррозии металлических соединительных деталей;
- легко проникать в древесину и не вымываться из нее, иметь постоянный химический состав, не иметь резкого запаха, быть дешевыми и доступными, т. е. экономически выгодными для применения.
Применяемые в строительстве антисептики делятся на водорастворимые (неорганические или минеральные); маслянистые (органические); комбинированные; комплексные (обладающие антисептическими и огнезащитными свойствами).
Наиболее распространенные водорастворимые антисептики (состав, %):
- фтористый натрий (NaF - 3; вода - 97) - белый порошок, не имеющий цвета и запаха, легко проникает в древесину и легко вымывается из нее, при соприкосновении с известью, цементом, алебастром, мелом теряет свои свойства;
- кремнефтористый аммоний - КФА (КФА - 10; вода - 90) - белый кристаллический порошок с легким запахом аммиака;
- селькур (медный купорос - 3,5; бихромат натрия - 3,5; уксусная кислота - 0,05; вода - 93);
- препарат ББ-11 (бура техническая - 10; кислота борная - 10; вода -80).
169
б)
Опорный узел балки
в)
Опорный узел рамы
Рис. 12.1. Конструктивные меры защиты деревянных конструкций:
а - расположение деревянных конструкций полностью внутри отапливаемого здания или в пределах холодного чердачного помещения; б - установка деревянных конструкций в утепленные гнезда или на пилястры; в - расположение нижней грани опорной части деревянных конструкций выше уровня чистого пола
(сварка стальных элементов условно не показана)
170
Из маслянистых антисептиков наиболее эффективно каменноугольное масло (креозот) - темно-коричневая жидкость с едким запахом - продукт переработки каменноугольной смолы, а также антраценовое масло, сланцевое масло и березовый деготь.
В настоящее время применяются, как правило, комплексные составы, оказывающие антисептическое и антипирирующее защитное воздействие на древесину типа «Пирилакс» (г. Ижевск).
Деревянные конструкции каркасов, покрытий и перекрытий защищаются водорастворимыми антисептиками, а элементы конструкций, соприкасающиеся с землей (сваи, опоры ЛЭП, шпалы, столбы) пропитываются маслянистыми антисептиками.
12.2. Защита от возгорания
12.2.1. Общие сведения
Пожары наносят огромный ущерб экономике. Для снижения потерь от пожаров разработана система противопожарного нормирования в строительстве, основные положения которой изложены в СНиП 21-01-97 «Пожарная безопасность зданий и сооружений». Здания, а также части зданий, выделенные противопожарными стенами, подразделяются по степеням огнестойкости (L..V) и классам конструктивной и функциональной пожарной опасности.
Степень огнестойкости здания определяется огнестойкостью его строительных конструкций. Строительные конструкции в свою очередь характеризуются огнестойкостью и пожарной опасностью. Показателем огнестойкости является предел огнестойкости. Пожарную опасность конструкции характеризует класс ее пожарной опасности.
Предел огнестойкости строительных конструкций - это время (в минутах) наступления одного или последовательно нескольких, нормируемых для данной конструкции, признаков предельных состояний: потери несущей способности (R); потери целостности (Е); потери теплоизолирующей способности (I).
Пределы огнестойкости строительных конструкций определяются по результатам огневых испытаний в специальных лабораторных печах с соблюдением стандартного режима нарастания температуры и проверяются при натурных испытаниях.
Нормы допускают применение клееных деревянных конструкций массивных сечений (колонн, арок, рам, балок) без огнезащиты в одноэтажных производственных, складских, сельскохозяйственных и общественных зданиях II степени огнестойкости с производствами категорий Г, Д, Е.
По пожарной опасности строительные конструкции подразделяются на 4 класса: КО (непожароопасные); К1 (малопожароопасные); К2 (умереннопожароопасные); КЗ (пожароопасные). Деревянные конструкции отнесены по ГОСТ 30403 к классу КЗ.
12.2.2. Горючесть древесины
Горение древесины - процесс быстрого соединения продуктов термического разложения древесины с кислородом воздуха, сопровождающийся выделением тепла или дыма, появлением пламени. При горении происходит химическая деструкция (пиролиз) древесины. Возгорание древесины происходит в результате кратковременного нагрева ее до температуры 250°С или длительного воздействия более низких температур. При нагревании древесины до температуры пожаров (8ОО...9ОО°С) происходит ее термическое разложение с образованием смеси газообразных продуктов и твердого остатка в виде угля.
Различают две фазы горения древесины: первая - пламенная; вторая — тление угля. Тление прекращается, если на поверхности древесины образуется тончайшая пленка
171
золы. Интенсивность горения зависит от подачи и количества кислорода воздуха. Для полного сгорания 1 м3 древесины необходимо около 3000 м3 воздуха. В условиях пожара скорость обугливания древесины колеблется в пределах 0,6... 1,8 мм/мин и зависит от температурного режима пожара, влажности древесины, размеров и формы сечения деревянных элементов и шероховатости их поверхности.
В пожарном отношении деревянные конструкции часто необоснованно считаются более опасными, чем металлические или железобетонные с предварительно напряженной арматурой. Опыт обследования зданий, поврежденных пожаром, показывает, что незащищенные металлические и железобетонные конструкции с предварительно напряженной арматурой быстро теряют несущую способность и внезапно обрушаются.
В то же время массивные клееные деревянные конструкции обладают хорошей огнестойкостью: на рис. 12.2 показан общий вид склада готовой продукции на калийном комбинате после 2-х часового пожара, возникшего из-за возгорания транспортерной ленты на подвесной галерее, а на рис. 12.3 - фрагмент поперечного сечения клееной деревянной арки после пожара. Обуглившейся наружный слой древесины, теплопроводность которого в 4 раза меньше теплопроводности самой древесины, воспрепятствовал проникновению тепла и кислорода в зону горения и защитил центральную часть элемента от возгорания. Как показали проверочные расчеты, несущая способность верхних частей конструкций с учетом ослабления сечения на 20% оказалась достаточной для восприятия расчетных нагрузок и после восстановительного ремонта они признаны пригодными к дальнейшей эксплуатации.
Деревянные конструкции допускается применять в зданиях и сооружениях при температуре окружающего воздуха не более 35°С - для клееных деревянных конструкций и не более 50°С - для деревянных конструкций из брусьев и досок. Применение деревянных конструкций, как и других видов строительных конструкций, требует соблюдения конструктивных и химических мер защиты их от возгорания.
12.2.3. Конструктивные меры защиты от пожарной опасности
Конкретные конструктивные меры защиты от пожарной опасности зависят от функционального назначения зданий и сооружений и устанавливаются соответствующими нормами проектирования. Для одноэтажных производственных и складских зданий наиболее распространены следующие конструктивные меры защиты: соблюдение противопожарных разрывов между зданиями; устройство противопожарных разрывов длиной не менее 6...12 м в протяженных зданиях; разделение зданий на отсеки (через 50 м) брандмауэрными стенами из несгораемых материалов высотой 600 мм (от поверхности кровли); проектирование КДК массивного прямоугольного сечения; защита (обшивка) поперечного сечения деревянных элементов листовыми материалами из асбеста, оштукатуривание растворами; применение несгораемых теплоизоляционных материалов и кровель, разделение на отсеки, не сообщающиеся между собой, кровельных и стеновых панелей, имеющих пустоты.
12.2.4. Химические меры защиты от пожарной опасности
При невозможности обеспечить требуемую пожарную безопасность зданий конструктивными мерами используются химические меры защиты, которые включают обработку деревянных элементов огнезащитными составами - антипиренами.
Антипирены - вещества, которые при нагревании плавятся и покрывают поверхность древесины огнезащитной пленкой, препятствующей доступу воздуха к древесине, или разлагаются с выделением большого количества негорючих газов, которые оттесняют воздух от древесины. В состав антипиренов входят фосфорнокислый и сернокислый аммоний, бура, борная кислота и другие химические вещества.
172
Рис. 12.2. Общий вид склада готовой продукции после 2-часового пожара
Рис. 12.3. Фрагмент поперечного сечения клееной деревянной арки после 2-х часового пожара (потеря несущей способности 20%)
173
Наиболее применяемые антипирены для пропитки деревянных элементов (состав, %): препарат МБ-1 (медный купорос - 2,7; бура техническая - 3,6; углекислый аммоний - 5,3; кислота борная - 3,4; вода - 85); препарат МС (диаммоний фосфат -7,5; сульфат аммония - 7,5; фтористый натрий -2; вода - 83).
Для поверхностной обработки деревянных конструкций могут использоваться приведенные выше составы (при удержании сухой соли не менее 100 г/м2), а также фосфатные составы ОФП-9 и вспучивающиеся покрытия, разработанные ВНИИПО, типа ВП-9, ВПМ-2Д (смесь термостойких и газообразующих наполнителей в водном растворе полимерных связующих), составы на основе перхлорвиниловой эмали ХВ-5169 (600 г/м2) и органосиликатные композиции группы ОС-12-03 (суспензия активизированных силикатных и окисных компонентов в толуольных растворах), а также состав ТХЭФ (раствор трихлорэтилфосфата в четыреххлористом углероде), препараты ББ-11, «Пирилакс», а также импортные составы.
В Пермской области для защиты дощатого настила покрытий складов минеральных удобрений применяется огнезащитный состав из жидкого стекла (плотностью 1,35 ...1,4 г/дм3) - 75% и наполнителя (железный сурик или измельченная в порошок высушенная глина) - 25%.
Пропитка антипиренами снижает прочностные свойства древесины в среднем на 10%. Соединительные металлические детали (накладки, болты) снижают предел огнестойкости деревянных конструкций, оии также должны быть защищены огнезащитными составами.
123. Способы антисептирования и антипнрнрования древесины
Выбор способов антисептирования и антипирирования зависит от вида и габаритных размеров конструкций, требований к сроку службы конструкций, условий эксплуатации и производственных возможностей.
КДК массивного сечения обладают хорошей био- и огнестойкостью и не нуждаются в пропитке антисептиками и антипиренами. Для несущих КДК применяется только локальная защита торцов и опорных частей тиоколовыми мастиками (УМ-ЗОм, УТ-32) или эпоксидными шпатлевками (ЭП-0010) и поверхностная окраска комплексными защитными составами или пентофталевыми эмалями типа ПФ-115 при помощи краскопультов или кистями за 2 раза.
Деревянные балки покрытий, чердачных и междуэтажных перекрытий, мауэрлаты, стропильные ноги и другие конструкции из цельной древесины защищаются поверхностной обработкой антисептиком, подогретым до температуры 6О...8О°С, за 2 раза (с перерывом 1...2 часа). Опорные части конструкций дополнительно обмазываются антисептическими пастами или мастиками.
Столбы ЛЭП, шпалы и другие конструкции и (или) их части, эксплуатируемые на открытом воздухе и соприкасающиеся с землей, пропитываются маслянистыми антисептиками в автоклавах или обмазываются антисептическими пастами (диффузионный способ пропитки).
Для элементов ограждающих конструкций (ребер панелей подвесных потолков, плит покрытия), мелких деталей и элементов внутренней отделки помещений применяется пропитка в горячехолодных ваннах в течение 2...4 часов или глубокая пропитка в автоклавах под давлением.
Способ горячехолодных ванн: штабель деревянных элементов погружается в горячую ванну (температура горячей ванны 95°С - для водорастворимых антисептиков; 85°С - для маслянистых антисептиков) и выдерживается в ней 1.. ,2 часа.
Воздух, находящийся в порах древесины нагревается, расширяется и выходит из древесины. Затем нагретый штабель деревянных элементов перегружается в холодную ванну на 2 часа (температура холодной ванны для водорастворимых антисептиков -
174
20°С; для маслянистых - 40°С). Здесь воздух охлаждается, создается определенный вакуум - раствор антисептика проникает в древесину.
При пропитке в автоклавах применяются два способа:
1-й - для водорастворимых антисептиков. Суть способа: после загрузки штабеля деревянных элементов в автоклав создается разряжение - воздух выходит из древесины. Затем в автоклав подается раствор антисептика и создается давление до 1,4 МПа.
2-й - для маслянистых антисептиков. Суть способа: после загрузки штабеля деревянных элементов в автоклав создается определенное давление, воздух в клетках древесины сжимается. Затем в автоклав подается антисептик и увеличивается давление до 1,4 МПа.
До пропитки влажность деревянных элементов должна быть не более 20%. Качество пропитки контролируется по весу поглощенного раствора и его концентрации, по глубине проникновения состава в древесину и его распределению в ней. В среднем глубина пропитки составляет 5... 10 мм, расход сухой соли 15...70 кг/м3 древесины.
При выполнении работ по антисептированию и антипирированию древесины следует соблюдать правила техники безопасности и производственной санитарии.
12.4. Защита от насекомых-вредителей древесины
Кроме домовых грибов древесину в конструкциях разрушают некоторые виды насекомых - мебельный и домовой жук-точильщик, жук-корабельщик, черный и рыжий домовой усач, термиты и другие насекомые. Деревянные подводные сооружения (сваи, причалы) поражают корабельные черви и свайные жуки. В отличие от домовых грибов насекомые-вредители древесины (в большинстве случаев не только они, но и их личинки) разрушают древесину всех пород независимо от влажности (не только влажную, но и сухую древесину), что осложняет борьбу с ними.
Основные способы борьбы с вредителями древесины сводятся к предупредительным и истребительным мерам. Предупредительные меры: содержание в чистоте лесосек, своевременная вывозка свежесрубленной древесины, быстрое снятие коры с бревен, подводное хранение окоренной древесины.
Истребление насекомых производится путем применения отравляющих веществ -инсектицидов. Хороший эффект дает обработка древесины вышеприведенными антисептиками с добавлением инсектицидов. Для защиты от морских древоточцев применяется глубокая пропитка древесины креозотом или нафтенатом меди.
12.5. Особенности применения деревянных конструкций в зданиях и сооружениях с химически агрессивной средой
При применении деревянных конструкций в зданиях и сооружениях с химически агрессивной средой рекомендуется соблюдать следующие правила:
- конструкции следует изготавливать только из древесины хвойных пород;
- проектировать массивные сечения элементов из клееной древесины;
- распорные конструкции (арки, рамы) проектировать без затяжек с передачей распора на фундаменты;
- использовать минимальное число металлических соединительных элементов, при соответствующей антикоррозионной защите этих элементов;
- в качестве соединительных и крепежных деталей применять изделия из стеклопластиков;
- рекомендуется беспрогонное решение покрытий зданий с укладкой ограждающих конструкций непосредственно на несущие конструкции;
- не рекомендуется применять сквозные конструкции (фермы), так как на горизонтальных и наклонных элементах скапливается пыль агрессивных веществ.
175
13. ПРОИЗВОДСТВО КЛЕЕНЫХ ДЕРЕВЯННЫХ КОНСТРУКЦИЙ
13.1. Общие сведения
В производстве клееных деревянных конструкций (КДК) первостепенное значение имеет правильное построение технологического процесса, строгое соблюдение режимов склеивания и тщательный контроль качества на всех этапах. Изготовление КДК целесообразно организовывать в специализированных цехах, входящих в состав крупных деревообрабатывающих комбинатов, что позволяет рационально использовать лесоматериалы, соответствующее оборудование и квалифицированный персонал.
В помещении, где изготавливаются КДК, должен поддерживаться постоянный температурно-влажностный режим: температура воздуха 16,..25°С, относительная влажность воздуха 50.. .75 %.
Общий вид некоторых цехов по производству КДК и отдельных элементов из клееной древесины в процессе их изготовления показан на рис. 13.1... 13.10.
13.2. Требования к материалам для изготовления КДК
В качестве основных материалов для изготовления КДК используются: пиломатериалы хвойных пород (сосна, елъ); синтетические водостойкие клеи; защитные составы.
Пиломатериалы. Для изготовления несущих КДК пригодны хвойные пиломатериалы 1, 2 и 3-го сортов, с влажностью 10± 2%, длиной от 2 до 6,5 м. Толщина слоев (заготовок) после острожки для прямолинейных элементов должна быть не более 32... 34 мм, для армированных элементов не более 42 мм, для гнутоклеёных (криволинейных) элементов толщина слоев (16...32 мм) зависит от внутреннего радиуса кривизны элемента.
Синтетические водостойкие клеи. Основные характеристики водостойких синтетических клеев, используемых в производстве КДК, приведены в табл. 13.1. В состав любого клея входят следующие компоненты: смола, отвердитель, наполнитель и технологические добавки. Все клеи классифицируются по типу смолы. В основном используются фенолформальдегидные смолы и их сочетания. Для изготовления армированных КДК применяются эпоксидно-песчаные составы.
Важнейшими технологическими характеристиками клеев являются: вязкость, рабочая жизнестойкость - время, в течение которого клей имеет заданные пределы вязкости, и время отверждения (полимеризации). Процесс приготовления клея заключается в перемешивании его компонентов. Вначале в клеемешалку загружают смолу, перемешивают ее, затем вводят отвердитель, наполнитель и технологические добавки и перемешивают еще 10 мин. Лопасти клеемешалок должны вращаться со скоростью 60 об/мин. При приготовлении клея происходит повышение его температуры за счет экзотермических реакций, поэтому клеемешалки делают с охлаждающей водяной рубашкой. Приготовление клея производится в специальном помещении - клееприготовительном отделении, оборудованном местной вытяжной вентиляцией. Необходимо отметить, что приготовление клея - трудоёмкая и ответственная операция, выполнять которую должны только грамотные, хорошо подготовленные работники.
В начальный период освоения в производстве КДК широко использовался клей марки КБ-3, как наиболее дешевый и достаточно надежный при соблюдении всех требований технологического процесса. Однако клей КБ-3 имеет много недостатков: малый срок хранения смолы, нестабильность свойств, токсичность, трудность очистки оборудования от остатков клея и др. Опыт применения этого клея показал, что даже незначительные отклонения от требуемых техническими условиями режимов приготовления и использования клея приводят к появлению расслоений по клеевым швам в процессе эксплуатации конструкций, снижению их надежности и долговечности.
176
Рис. 13.1. Общий вид цеха по изготовлению КДК в г. Березники (в центре фотографии клееналивной станок с зонтом местной вентиляции)
Рис.13.2. Клееные деревянные элементы размерами 300x1600x34000 мм
177
Рис. 13.3. Общий вид цеха по изготовлению КДК в г. Добрянке
Рис. 13.4. Выгрузка полуарки из вертикального ваймового пресса
178
Рис. 13.5. Клееные деревянные стрельчатые полуарки длиной 34 м на стапеле цеха по изготовлению КДК в г. Соликамске
Рис. 13.6. Перегрузка полуарки со стапеля на арковоз
179
Рис. 13.7. Горизонтальный наймовый пресс для запрессовки криволинейных элементов в цехе по изготовлению КДК в г. Волоколамске
Рис. 13.8. Горизонтальный ваймовый прессе для запрессовки деревянных гнутоклееных полурам в цехе по изготовлению КДК в г. Нелидово
180
Рис. 13.9. Острожка боковых поверхностей заготовочных блоков прямолинейных клееных деревянных элементов в цехе по изготовлению КДК в г. Нелидово
Рис. 13.10. Общий вид цеха по производству клеефанерных панелей
181
Таблица 13.1
Основные марки клеев для производства КДК
Показатели Фенольные (КБ-3) Резорциновые (ФР-12) Фенолрезорциновые (ФРФ-50) Алкилрезорциновые (ДФК-14Р)
Марка смолы (ГОСТ или ТУ) СФЖ (3-2097-75) ФР-12 (6-05-1748-75) ФРФ-50 (6-05-1880-79) ДФК-14Р (22390-41-80)
100 вес. частей
Отвердитель Керосиновый контакт Петрова (ККП), 18...25 вес. частей Параформальдегид в смеси с древесной мукой, 10... 13,5 вес. частей
Жизнеспособность клея при t = 18...22°С (час) 1,5...2 2...4 3...5 2
Вязкость клея (с) 10...60 15...30 8...30 10...50
Срок хранения смолы (мес.) 2 9 6 6
Горючие растворители (%) 7...12 10 — 4...10
Содержание вредных веществ (%): фенола формальдегида 5 4 - 2 -
Цена, руб./кг (2002 г.) 30 115 65 80
Сырьевая база Широкая Ограниченная
В настоящее время практически повсеместно используется клеи марок ФРФ-50, ФР-100 и их модификации, которые по основным параметрам не уступает зарубежным аналогам, а также импортные клеи, в основном немецкие.
Защитные составы. Для защиты от увлажнения и загнивания КДК применяются в основном пентафталевые эмали типа ПФ-115. Характеристики антисептических и огнезащитных материалов, их марки, составы и способы применения подробно изложены в главе 12.
13.3. Технология производства клееных деревянных конструкций
Схема технологического потока изготовления несущих клееных деревянных конструкций представлена на рис. 13.11. Основные операции технологического процесса:
Сушка пиломатериалов. Сушка включает в себя: формирование штабелей пиломатериалов, атмосферную сушку пиломатериалов до влажности 30...40%, камерную сушку при мягких режимах до конечной влажности 12%, кондиционирование высушенных пиломатериалов в течение 5 суток в температурно-влажностных условиях цеха для выравнивания влажности и уменьшения остаточных напряжений в древесине.
Механическая обработка пиломатериалов. Эта операция включает в себя: раскрой пиломатериалов на черновые заготовки с вырезкой недопустимых пороков; торцовку и фрезерование на концах черновых заготовок зубчатых шипов; нанесение на
182
Рис. 13.11. Схема технологического потока производства несущих КДК:
1 - штабели пиломатериалов; 2 - торцовочные станки; 3 - полупроходной пресс для склеивания заготовок по длине; 4 - четырехсторонний строгальный станок; 5 - сухой заготовочный блок; 6 - клееналивной станок; 7 - заготовочный блок после нанесения клея на пласта заготовок; 8 - станок для острожки боковых поверхностей заготовочных блоков конструкций; 9 - клееприготовительное отделение
ном полупроходном прессе; острожку этой ленты с двух или четырех сторон на 4-стороннем строгальном станке и раскрой этой ленты на заготовки требуемой длины с учетом припусков для последующей обработки заготовочных блоков.
В этом комплексе операций ключевой является склеивание заготовок по длине на зубчатый шип. Прочность зубчатых шипов составляет 55...65 % от прочности цельной древесины и зависит от многих факторов (качества фрезерования шипа, давления запрессовки, способа нанесения клея, вязкости клея и др.). От качественного склеивания заготовок по длине во многом зависит прочность и надежность КДК.
Компоновка "сухих'1 заготовочных блоков. При компоновке заготовочных блоков конструкций необходимо стремиться к согласованному направлению годичных колец в соседних слоях элемента (см. рис. 4.11,а), чтобы коробление досок вызывало минимальные растягивающие напряжения в клеевых швах, однако при массовом производстве КДК это правило трудно выполнимо.
Действующими техническими условиями на изготовление КДК не регламентируется месторасположение этих стыков по высоте клееного элемента, но специалистами рекомендуется следить за тем, чтобы при наборе заготовочного блока конструкции в одном сечении не совмещалось бы более 25% стыков по длине.
При наборе заготовочных блоков изгибаемых и сжато-изгибаемых элементов высотой более 500 мм необходимо в крайние зоны сечения направлять на высоту 0,15/1 слои 1, 2-го сортов, а в среднюю зону - слои 3-го сорта.
Нанесение клея. "Сухие” заготовочные блоки конструкций накапливаются в специальных кассетах, срок хранения таких заготовочных блоков не более 24 часов, а затем подаются на линию нанесения клея на пласти заготовок. Рекомендуется нанесение клея на обе склеиваемые поверхности, однако при массовом производстве практически повсеместно используется одностороннее нанесение клея при помощи клееналивных станков.
Суммарный расход клея в зависимости от способа нанесения составляет 400...600 г/м2. На 1 м3 КДК расходуется, в зависимости от толщины склеиваемых слоев и ряда других факторов, 16.. .32 кг клея.
Сборка и запрессовка. После нанесения клея на всю операцию сборки и запрессовки отводится не более 40 мин. Запрессовка конструкций осуществляется в специальных прессах с гидравлическим или механическим приводом. Расстояние между точками приложения давления не должно превышать 500 мм. Давление запрессовки для прямолинейных элементов 0,5 МПа; для гнутоклееных конструкций - 1,0 МПа. При изготовлении большепролетных конструкций допускается клеегвоздевая запрессовка.
Продолжительность выдержки конструкций в прессах под давлением зависит от многих факторов, в среднем при температуре воздуха 18...20°С она составляет: 10 ...12 ч для прямолинейных элементов и 18...20 ч для гнутоклееных элементов. Для ускорения процесса полимеризации клея иногда применяют конвекционный нагрев до 40 .. ,60°С, тогда время запрессовки сокращается до 4 часов.
Окончательная обработка и защита конструкций. После выгрузки из прессов производят окончательную обработку заготовочных блоков, которая включает в себя: острожку боковых поверхностей заготовочных блоков на специальном рейсмусовом станке, опиловку по шаблону, сверление отверстий под болты и т.п.
Затем конструкции покрывают защитными составами и отправляют на склад готовой продукции.
Контроль качества и приемка конструкций. Контроль качества и приемка конструкций производится по специальной методике. На каждом изделии, на расстоянии не более 300 мм от его торца должны быть нанесены несмываемой краской, хорошо видимые во время эксплуатации: фирменный знак завода-изготовителя, марка конструкций и дата изготовления.
184
14.ЭКСПЛУАТАЦИЯ ДЕРЕВЯННЫХ КОНСТРУКЦИЙ
14.1. Общие сведения
Как отмечалось выше в главах 1, 12, срок службы грамотно запроектированных, качественно изготовленных и правильно эксплуатируемых деревянных конструкций составляет 100 и более лет. Важную роль в обеспечении нормальной эксплуатации зданий и сооружений играет система технического надзора за состоянием строительных конструкций. Технический надзор - это комплекс мероприятий, включающий в себя:
- периодические осмотры зданий и сооружений (весной, осенью) с целью выявления дефектов и повреждений строительных конструкций;
- систематические, комплексные инженерные обследования зданий и сооружений с привлечением специализированных организаций (не реже 1 раза в 5... 15 лет, в зависимости от уровня ответственности объекта и типа конструкций);
- внеочередные обследования, вызванные авариями, пожарами, стихийными бедствиями, технологическими отказами или другими чрезвычайными причинами.
По результатам осмотров и (или) обследований составляются акты или отчеты, в которых фиксируются выявленные дефекты и повреждения, дается оценка их влияния на несущую способность и пригодность конструкций к дальнейшей эксплуатации, определяются объемы и сроки необходимых ремонтно-восстановительных работ.
На промышленных предприятиях этими вопросами занимаются специальные службы, которые организационно включены в состав отделов главного механика или главного архитектора. За техническое состояние жилых и гражданских зданий отвечают соответствующие муниципальные службы.
14.2. Основные положения методики инженерного обследования строительных конструкций
Инженерное обследование - это комплекс работ по сбору и обработке данных о техническом состоянии конструкций с целью принятия правильных и своевременных решений по обеспечению надежной и безопасной эксплуатации зданий и сооружений.
Техническое состояние конструкций - это совокупность свойств, характеризующих соответствие конструкций требованиям действующих СНиП и стандартов.
Детальное инженерное обследование зданий и сооружений с привлечением специализированных организаций производится в следующих случаях:
- в связи с планируемой реконструкцией, предусматривающей изменение условий эксплуатации и (или) увеличение нагрузок на несущие конструкции;
- при обнаружении во время плановых осмотров опасных дефектов и повреждений строительных конструкций, когда специалисты предприятия затрудняются оценить техническое состояние конструкций и принять самостоятельное решение о возможности дальнейшей эксплуатации здания или сооружения;
- при длительных сроках эксплуатации зданий и сооружений без должного надзора за их техническим состоянием.
Детальное инженерное обследование включает в себя следующие этапы:
- подготовительные работы (сбор исходных данных, изучение проектной и исполнительной технической документации, материалов предыдущих обследований);
- обмерные работы (выполняются для сравнения фактических конструктивных решений с проектными, а также при отсутствии проектной документации);
- натурное обследование (общий осмотр объекта, геодезическую съемку положения конструкций, детальное освидетельствование с инструментальной проверкой состояния элементов и узловых соединений, их обмер с зарисовкой и (или) фотографированием дефектов и повреждений);
185
- отбор образцов из натурных конструкций для последующих лабораторных испытаний и оценки физико-механических характеристик материалов;
- оценка технического состояния конструкций: анализ причин появления дефектов и повреждений, степени их влияния на несущую способность конструкций;
- проверочные расчеты остаточной несущей способности конструкций с учетом фактических размеров сечений элементов, прочностных характеристик материалов, выявленных дефектов и повреждений конструкций на действующие и проектируемые нагрузки и воздействия;
- оценка несущей способности и пригодности конструкций к дальнейшей эксплуатации, выводы и рекомендации по обеспечению надежной и безопасной эксплуатации здания или сооружения.
Обследование может быть полным (сплошным) или выборочным. Как показывает опыт, если нет существенных повреждений, достаточно детально обследовать 25% однотипных конструкций, находящихся в одинаковых условиях эксплуатации.
На первоначальном этапе, по результатам визуального осмотра, в зависимости от характера выявленных дефектов и повреждений, все обследованные конструкции рекомендуется сгруппировать по категориям технического состояния:
1 -я - исправное (работоспособное) техническое состояние. Видимых дефектов и повреждений не обнаружено или они не существенны. Конструкции соответствуют проектной документации и требованиям действующих СНиП. Объект пригоден к дальнейшей эксплуатации по прямому назначению;
2 -я — ограниченно-работоспособное. Зафиксированы дефекты и повреждения, снижающие надежность и долговечность конструкций. Имеются некоторые отступления от действующих СНиП, но обеспечиваются требования безопасной эксплуатации. Объект пригоден к дальнейшей эксплуатации после проведения ремонтновосстановительных работ (текущий ремонт);
3 -я - неудовлетворительное. Выявлены дефекты и повреждения, снижающие несущую способность и жесткость конструкций. Объект пригоден к дальнейшей эксплуатации только после усиления поврежденных конструкций (капитальный ремонт);
4 -я - недопустимое (аварийное). Существуют повреждения, свидетельствующие о возможности обрушения конструкций, требуется немедленная эвакуация людей из опасной зоны, введение страховочных мероприятий (временных стоек, подпорок и др.). Объект (или его часть) не пригоден к дальнейшей эксплуатации.
Категории технического состояния в дальнейшем уточняются с учетом инструментальных замеров, фактических физико-механических характеристиках строительных материалов, а также результатов проверочных расчетов несущей способности конструкций с учетом всех факторов.
14.3. Особенности инженерного обследования деревянных конструкций
14.3.1. Порядок обследования
Деревянные конструкции чаще всего применяются в ограждающих конструкциях в покрытиях, а также в качестве несущих конструкций в покрытиях, перекрытиях и каркасах зданий и сооружений. Порядок обследования несущих конструкций:
- составляются схемы расположения несущих конструкций (балок, ферм, стропил, арок, рам), на которые наносятся также элементы связей, обеспечивающих общую устойчивость покрытия, все конструкции маркируются;
- для ферм рисуется геометрическая схема, нумеруются узлы и выполняются замеры сечений элементов, деталей, стыков, узлов; аналогично для стропильных систем замеряются сечения стропильных ног, мауэрлатов, стоек, прогонов и других элементов; для арок и рам - характерные сечения;
186
- результаты измерений заносят в специальную таблицу, в которой отражаются проектные и фактические размеры элементов;
- составляются дефектные ведомости по основным конструктивным элементам, в которых отображаются выявленные дефекты и повреждения (рисунки или фото) и места их расположения, намечаются точки отбора образцов;
- выпиливаются или высверливаются образцы для последующих лабораторных испытаний древесины;
- выбирается расчетная схема конструкции, уточняется схема отложения снеговой нагрузки (по конфигурации покрытия с учетом пристроек к обследуемому участку), определяются нагрузки от покрытия, перекрытий, полезная нагрузка и др.
14.3.2, Характерные дефекты и повреждения деревянных конструкций
Дефекты конструкций - это отклонения формы и фактических размеров от проектных параметров, возникшие в процессе изготовления и монтажа. Повреждения конструкций — это снижение качества, нарушение формы и фактических размеров, возникшие в процессе эксплуатации под воздействием нагрузок и условий эксплуатации.
При инженерном обследовании деревянных конструкций особое внимание обращается на места, наиболее опасные в отношении увлажнения и загнивания древесины: дощатые настилы под рулонным ковром, ендовы и карнизные участки покрытия, конструкции у торцовых стен, опорные части конструкций, наличие и состояние гидроизоляции, подоконные участки, нижние брусья стен, верхние грани балок, арок, рам, ферм.
Наиболее часто встречаются следующие дефекты и повреждения деревянных конструкций: загнивание древесины, поражение насекомыми; продольные усушенные трещины, разрывы растянутых элементов в местах ослабления сечения; отклонение от вертикали, выгиб из плоскости, местное выпучивание сжатых элементов; прогибы и изломы изгибаемых элементов; расслоения по клеевым швам клееных деревянных элементов; дефекты соединений (скалывание лобовых врубок и шпонок, срезы нагелей); механические повреждения с ослаблением поперечного сечения элементов.
При освидетельствовании растянутых элементов необходимо выявлять наличие полных или частичных разрывов или надрывов волокон древесины вблизи стыков; около сучков, выходящих на кромки элементов; около отверстий под нагели; фиксировать глубину и протяженность продольных усушенных трещин и трещин по косослою.
В сжатых, изгибаемых и сжато-изгибаемых элементах проверяется правильность и достаточность раскрепления сжатой кромки из плоскости действия вертикальной нагрузки, признаки выпучивания, прогибы и изломы. Опасны местные деформации (выпучивание) сжатых элементов, превышающие 1/80 его длины.
В изгибаемых элементах прогибы, превышающие нижеприведенные величины, свидетельствуют об аварийном состоянии конструкций: в балках и прогонах цельного или клееного сечения - более 1/50 /; составных балках на податливых связях (на шпонках, пластинчатых нагелях) - более 1/100 1\ в фермах - более 1/1501. При обследовании стропил дополнительно фиксируется наличие креплений стропил к кирпичным стенам проволочными скрутками и шаг этих креплений.
В КДК, кроме вышеописанных дефектов, замеряют длину и глубину расслоений по клеевым швам, а также места их расположения (обычно расслоения встречаются вблизи опорных узлов в средней части сечения, а также в арках в местах появления радиальных растягивающих напряжений поперек волокон).
В узлах проверяется количество и правильность размещения нагелей и болтов (соответствие требованиям СНиП расстояний между нагелями вдоль и поперек волокон древесины), степень обжатия соединяемых элементов болтами (болты часто не затянуты), наличие трещин по возможным площадкам скалывания, наличие гидроизоляционных прокладок из толя или рубероида под опорными подушками, мауэрлатами.
187
14.3.3. Основные причины возникновения дефектов и повреждений
Многолетний опыт инженерных обследований зданий и сооружений, накопленный автором на кафедре строительных конструкций ПГТУ, свидетельствует о том, что аварийные ситуации возникают при одновременном воздействии нескольких факторов.
По данным Госархстройнадзора РФ, основные причины аварий зданий и соору-
жений в стране примерно следующие (в процентном соотношении):
- нарушение правил эксплуатации - 30
- низкая прочность конструкций (дефекты изготовления) - 20
- дефекты узловых монтажных соединений —16
- недостаточная несущая способность оснований —10
- недостаточное опирание несущих конструкций на каменную кладку - 8
- нарушение правил производства строительно-монтажных работ — 8
- ошибки в проектных решениях - 4
- внешние воздействия, превысившие расчетные величины — 4
Нарушение правил эксплуатации. Большинство серьезных повреждений и аварий деревянных конструкций, как и других видов строительных конструкций, связано с нарушением правил эксплуатации зданий и сооружений. Чаще всего эти нарушения приводят к загниванию деревянных конструкций. Основные причины загнивания деревянных конструкций: прямое или конденсационное увлажнение, дефекты гидроизоляции, не соблюдение температурно-влажностного режима эксплуатации (эти вопросы, а также способы защиты древесины от загнивания подробно изложены в главе 12).
Наиболее часто стропильные конструкции повреждаются у торцов зданий, из-за протечек в кровле ввиду небрежно выполненного примыкания рубероидного ковра к парапетным стенам. Возведение различных пристроек и надстроек к существующему зданию приводит к изменению схемы приложения снеговой нагрузки на покрытие и схемы водоотвода с крыши. Если эти вопросы решены неграмотно, то конструкции оказываются перегруженными в зоне снегового мешка, а нарушение водостока приводит к загниванию опорных частей конструкций. Примеры повреждений деревянных конструкций покрытий по этим причинам показаны на рис. 14.1... 14.4.
Случаев загнивания КДК очень мало, в частности, отмечены случая загнивания верхней зоны сечения арок под прогонами, а также зафиксировано загнивание арок, расположенных в противопожарных зонах складов минеральных удобрений. Для повышения огнестойкости арок, по требованию пожарников, поперечное сечение конструкций в этих зонах обшили оцинкованной жестью с прокладкой из асбеста. Сечение деревянного элемента оказывалось в замкнутом пространстве без вентиляции, что привело к конденсации влаги на поверхности арок и загниванию древесины. После случаев обрушения таких арок было принято решение снять эту обшивку.
Характерная ошибка при эксплуатации чердачных помещений - глухая заделка слуховых окон (листами фанеры или остекление). Это не только нарушает режим проветривания деревянных конструкций, но и приводит в летний период к повышению температуры внутри чердачного помещения (Z >50°С, особенно при использовании в покрытии кровельного железа). По этой причине наблюдается разрыв нижних растянутых поясов деревянных ферм из-за «текучести» древесины при высоких температурах.
Балки чердачных перекрытий в старых зданиях часто полностью засыпаются шлаком, что ведет к поверхностному загниванию деревянных балок на глубину 2...3 см, однако при сверлении в глубину сечения древесина, судя по белому цвету стружки, зачастую имеет здоровый вид. Другой ошибкой является обертывание толем опорных концов балок (рис. 14.4,а) или даже полное обертывание толем балок по всей длине, что способствует конденсации влаги на поверхности древесины и препятствует проветриванию конструкций. Достаточно проложить слой гидроизоляции под опорную подушку или опорную часть балки, соприкасающуюся с кирпичной стеной.
188
Рис. 14.1. Загнивание опорного узла сегментной фермы из-за разрушения карнизного участка кровли
Рис. 14.2. Загнивание опорной части деревянной балки с перекрестной дощатой стенкой на гвоздях (из-за нарушения водостока с кровли после пристройки слева более высокого здания)
189
Рис. 14.3. Загнивание и излом деревянных конструкций у торцовых стен зданий (из-за постоянного увлажнения атмосферными осадками ввиду разрыва кровли у примыкания к парапету): а - деревянной балки с перекрестной дощатой стенкой на гвоздях; б - стропильной ноги
190
Рис. 14.4. Загнивание деревянной балки подвесного потолка из-за протечек в кровле: а - вид сверху со стороны чердачного помещения; б - вид этого участка подвесного потолка снизу
191
Механические повреждения деревянных конструкций случаются, как правило, при погрузочно-разгрузочных работах внутри зданий и сооружений (рис. 14.5, 14.6).
Низкая прочность конструкций (дефекты изготовления). Другой, часто встречающейся причиной повреждений и аварий деревянных конструкций являются дефекты изготовления, которые возникают при нарушении технологического процесса производства конструкций. В частности, применение для изготовления конструкций сырой древесины (с влажностью более 20 %) приводит в процессе эксплуатации к появлению в деревянных элементах продольных усушенных трещин, которые мало влияют на несущую способность сжатых и изгибаемых элементов, но опасны в растянутых элементах и в коротких балках..
Для КДК наиболее характерны следующие нарушения технологического процесса. Сушка пиломатериалов при жестких режимах, что приводит к короблению досок, появлению значительных внутренних напряжений в клееных элементах и расслоению по клеевым швам. Превышение нормативных сроков хранения синтетических смол, несоблюдение правил приготовления клеев, ошибки в дозировке отвердителя ведут к снижению прочности клеевых швов и их расслоению в процессе эксплуатации. Низкое качество соединений заготовок по длине на зубчатый шип и возможное расположение в одном сечении элемента более 25 % стыков заготовок.
Действующими инструкциями не регламентируется месторасположение зубчатых стыков отдельных заготовок по высоте клееного элемента, так как при массовом производстве конструкций длина заготовок (от 2 до 6,5 м) - величина случайная и вероятность совмещения в одном поперечном сечении более 25% стыков заготовок мала. Однако в небольших цехах, при незначительных объемах выпуска КДК, необходим жесткий контроль над этим параметром. Иначе, например, при использовании досок длиной 4,5 м для заготовочного блока конструкции длиной 9 м большинство стыков слоев может оказаться в одном, как правило, самом опасном сечении, что приводит к авариям конструкций (рис. 14.7, 14 8).
Дефекты узловых соединений. Основные причины дефектов узловых соединении деревянных конструкций: отсутствие обжатия деревянных элементов в соединениях болтами (болты отсутствуют или не затянуты); нарушение правил расстановки нагелей вдоль и поперек волокон соединяемых элементов; коррозия металлических соединительных деталей; применение нетиповых узлов. Например, для арок типа ДСА, вместо стандартных металлических башмаков по серии 1.863-3, иногда используются опорные башмаки рам типа ДГР, что приводит к авариям конструкций (рис. 14 9)
При длительной эксплуатации конструкций в агрессивных средах без должной и своевременно возобновляемой антикоррозионной защиты, коррозионные повреждения металлических соединительных деталей и крепежных болтов в узлах конструкций достигают 50% и более. Вместе с тем "вскрытие" конькового узла демонтированной арки склада сильвинитовой руды после 20-летней эксплуатации показало, что коррозия соединительных болтов внутри деревянного элемента не превышает 10% (рис 14.10).
Такие причины, как недостаточная несущая способность оснований и недостаточное опирание несущих конструкций на каменную кладку в деревянных конструкциях, практически не зафиксированы.
Нарушение правил производства строительно-монтажных работ. Наиболее часто встречаются следующие нарушения внецентренное опирание стропильных конструкций на колонны; неправильное складирование и хранение конструкций на стройплощадке; монтаж конструкций без использования мягких строп, специальных траверс и других вспомогательных приспособлений. Опорные части арок и рам должны располагаться выше уровня чистого пола на 300...500 мм (см. рис. 12.1), однако на практике это правило не соблюдается и опорные узлы конструкции зачастую находятся даже ниже планировочной отметки земли (рис. 14.11).
192
Рис. 14.5. Механическое повреждение поперечного сечения клееной деревянной арки (отрыв четырех слоев на высоту 1,5 м от опорного узла)
Рис. 14.6. Механическое повреждение поперечного сечения гнутоклееной рамы (отрыв четырех слоев на высоту 2 м от опорного узла)
7 — 8556
193
Рис. 14.7. Фрагмент разрушенного карнизного узла гнутоклееной рамы
(в карнизном сечении рамы оказалось более 70% стыков заготовок по длине)
Рис. 14.8. Фрагмент разрушившейся стрельчатой арки (сечение ослаблено на 90 %: из 8 слоев в 7 оказались стыки заготовок по длине)
194
Рис. 14.9. Разрушение опорного узла стрельчатой арки (из-за применения металлического башмака от гнутоклееной рамы)
Рис. 14.10. Вскрытие конькового узла арки после 20-летней эксплуатации в агрессивной среде склада сильвинитовой руды
(коррозия болтов внутри клееного деревянного элемента не превышает 10 %)
7*
195
Рис. 14.11. Планировочная отметка земли в нарушение правил расположена выше опорных узлов клееных деревянных арок зерносклада
Ошибки в проектных решениях. К чести проектировщиков ошибки в проектах случаются редко и не приводят к авариям зданий и сооружений.
Внешние воздействия, превысившие расчетные величины. Из внешних воздействий, превысивших расчетные значения, основной в Пермской области является снеговая нагрузка. Строители нередко возводят в Пермской области, где нормативная снеговая нагрузка составляет 2 кН/м2, объекты по проектам, разработанным для европейской части страны, где снеговая нагрузка не превышает 1 кН/м2, что ведет к перегрузке несущих конструкций и возникновению аварийных ситуаций. Схемы отложения снега на покрытиях из стрельчатых арок и высоких гнутоклееных рам (угол наклона ригеля более 14°) значительно отличаются от соответствующих схем СНиП [1] и зависят от ориентации продольной оси объекта. При расположении продольной оси сооружения на местности в направлении восток-запад, то есть практически перпендикулярно направлению господствующих зимой ветров в Пермской области, снег с одной половины кровли сдувается, а на другой стороне образуется снеговой мешок высотой до 3 м.
Кроме того, фактическая величина снеговой нагрузки в момент аварий значительно (в 1.6...3 раза) превышает расчетные значения и из-за высокой плотности снега в феврале - марте, которая достигает 400...600 кг/м3. На рис. 14.12 показан подобный случай отложения снега на покрытии склада минеральных удобрений из стрельчатых арок. Негативную роль в образовании снегового мешка сыграл и пешеходный трап по коньку кровли, выполненный по требованию пожарных. На рис. 14.13 показана схема снеговой нагрузки на покрытие из высоких гнутоклееных рам в момент аварии. Перегрузка конструкций односторонней снеговой нагрузкой приводит к расслоению по клеевым швам, сверхнормативным прогибам конструкций, а при сочетании нескольких негативных факторов - и к авариям зданий и сооружений с клееными деревянными конструкциями (рис. 14.14... 14.16). Другим характерным примером нерасчетных воздействий (например, в складах минеральных удобрений) являются сверхнормативные отложения производственной пыли на горизонтальных и наклонных элементах строительных конструкций.
196
Рис. 14.12. Сверхнормативная снеговая нагрузка на покрытии из стрельчатых арок пролетом 45 м в момент аварии (максимальная высота снежного покрова 2,6 м)
Рис. 14.13. Сверхнормативная, односторонняя снеговая нагрузка на высокие гнутоклееные рамы в момент аварии
197
Рис. 14.14. Расслоение по клеевым швам и прогиб ригеля гнутоклееной рамы от воздействия односторонней сверхнормативной снеговой нагрузки
Рис. 14.15. Прогиб прогонов покрытия в зоне сверхнормативного отложения снега превышает предельно допустимый прогиб в 2...3 раза
198
Рис. 14.16. Общий вид складов из клееных деревянных конструкций после аварий из-за сверхнормативной односторонней снеговой нагрузки: а - склада минеральных удобрений из стрельчатых арок;
б - склада готовой продукции из гнутоклееных рам
199
14.4. Физико-механические испытания древесины
14,4.1. Методика отбора образцов из натурных конструкций
В ходе инженерного обследования зданий и сооружений для определения физикомеханических характеристик древесины, прочности клеевых швов на скалывание выпиливаются заготовки образцов конструкций. При выборе мест отбора заготовок образцов руководствуются следующими критериями: выпиливание или высверливание образцов должно производиться в наименее нагруженных конструкциях (например, расположенных в торцах зданий и несущих половинную нагрузку); по длине элемента выбираются места с наименьшими внутренними усилиями (изгибающим моментом и поперечной силой); ослабление сечения конструкции должно быть минимальным. При ослаблении сечения элемента более чем на 25% необходимо предусматривать усиление ослабленных участков конструкций.
В процессе отбора заготовок определяется влажность древесины при помощи электровлагомера. Составляется схема отбора заготовок. На рис.14.17 показаны способы отбора заготовок образцов из реальных конструкций.
Если образцы выпилить невозможно, то сверлят конструкцию и по цвету стружки и результатам микологического анализа судят о качестве древесины. Микологический анализ позволяет установить конкретный вид домового гриба, однако в большинстве случаев этого не требуется, так как способы борьбы с домовыми грибами практически не зависят от вида гриба.
Затем из выпиленных из конструкции заготовок в лабораторных условиях изготавливаются малые стандартные образцы для испытаний древесины по соответствующим ГОСТам (форма и размеры образцов показаны на рис. 3.1, 3.2, 3.3, 3.7, 3.8). Количество малых стандартных образцов для испытаний должно быть не менее 20.
Учитывая, что современные нормы не делают различия между расчетным сопротивлением древесины на сжатие и изгиб, для получения достоверной картины достаточно испытать образцы древесины на сжатие и скалывание. Допускается после проведения испытаний на скалывание из разрушенных образцов дополнительно выпилить образцы для испытаний на сжатие.
Если влажность образцов больше 23 %, то образцы должны быть предварительно подсушены в сушильном шкафу. Следует стремиться к тому, чтобы влажность образцов во время испытаний была близка к 10... 12%, температура воздуха в лаборатории около 20°С, а относительная влажность воздуха 65. ..75 %.
14.4.2. Методика испытаний малых стандартных образцов
Перед испытанием осматриваются и выбраковываются образцы, имеющие различные дефекты, способные повлиять на результаты испытаний (сучки, трещины, косослой). Торцовые поверхности образцов должны быть параллельны друг другу и перпендикулярны продольной оси образца. Площадь поперечного сечения образцов можно дополнительно не измерять, если размеры образцов соответствуют ГОСТам. Фиксируются и заносятся в протоколы температура и влажность воздуха в момент испытаний.
Испытания проводят на электрических прессах, обеспечивающих измерение нагрузки с погрешностью не более 1%. Для равномерного нагружения и центрирования образцов в прессе используются соответствующие приспособления. Значения временных сопротивлений древесины зависят от скорости нагружения образца. При испытании древесины на скалывание скорость нагружения должна быть 0,04...0,07 кН/с, на сжатие 0,15...0,20 кН/с. На протяжении всего испытания необходимо поддерживать постоянную скорость нагружения. Продолжительность испытания до момента разрушения образца должна составлять 2.. .5 минут.
200
a)
б)
Рис. 14.17. Отбор образцов из натурных конструкций для последующих лабораторных испытаний древесины:
а - из опорных частей стрельчатых клееных деревянных арок; б - из балки чердачного перекрытия вблизи опорного узла у торцовой стены (балка несет половинную нагрузку) 201
Разрушающую нагрузку определяют по максимальному отклонению стрелки силоизмерительной машины с погрешностью не более цены деления шкалы. При испытании образцов из клееной древесины на скалывание в протоколах отмечается вид скалывания: по древесине, по клеевому шву, смешанный.
Сразу после испытаний определяется влажность образцов весовым способом. Образцы считаются высушенными, если изменение массы образцов между двумя последовательными взвешиваниями, проведенными с интервалом в 2 часа, не превышает 1%. За массу высушенного образца принимается результат последнего взвешивания.
14.4.3, Обработка результатов испытаний, определение фактических расчетных сопротивлений древесины
Предел прочности каждого образца вычисляют с округлением до 0,1 МПа. Результаты испытаний образцов заносятся в специальные таблицы. Находят среднее арифметическое значение временного предела прочности образцов. По одной из стандартных программ для ПЭВМ обрабатываются результы испытаний на основе методов математической статистики.
Порядок перехода от среднего временного предела прочности древесины к расчетному сопротивлению древесины рассмотрим на примере (см. также параграф 3.2).
Пример обработки результатов испытаний. После испытаний 20 малых стандартных образцов получены следующие результаты:
а) на сжатие: средний временный предел прочности при сжатии вдоль волокон Явр = 44,9 МПа; среднее квадратичное отклонение результатов испытаний 5 = 8,08; коэффициент вариации v = 0,18; влажность в момент испытаний W = 9,2 %;
б) на скалывание: средний временный предел прочности при скалывании вдоль волокон ^вр = 4,6 МПа; 5 = 0,97; коэффициент вариации v = 0,21; W = 8,5 %.
Температура воздуха в момент испытаний 20°С.
Для сравнения показателей предела прочности образцов с различной влажностью в момент испытаний они приводятся к стандартной влажности 12% (см. формулу (2.2))
= 44,9 [1 + 0,04 (9,2 - 12)] = 40,2 МПа,
Я£12% = 4,6 [1 + 0,03 (8,5 - 12)] = 4,1 МПа.
Предел прочности при любой влажности зависит от температуры, с ее увеличением прочность уменьшается, а с понижением - увеличивается, следовательно, при необходимости показатели прочности надо приводить к стандартной температуре 20°С (см. формулу (2.3)), однако результаты данных испытаний получены при температуре 20°С, поэтому коррекция полученных значений по температуре не требуется.
Нормативное сопротивление чистой (без учета пороков) древесины при сжатии и скалывании определяется по формуле (8) [4]:
Я"ч = Лвр 2% - Пн $ = 40,2 - 1,73 • 8,08 = 26,22 МПа;
С, = С'"’ - рн 5 = 4,1 - 1,73 • 0,97 = 2,42 МПа,
где Пн - коэффициент, принимаемый по специальной таблице (квантиль Стьюдента) при нормальном законе распределения результатов испытаний с обеспеченностью по минимуму для нормативного сопротивления 0,95 при числе испытанных образцов 20, Пн =1,73.
Переход от нормативных сопротивлений чистой без пороков древесины к нормативным сопротивлениям натуральной древесины выполняется по формуле (7) [4]:
7?” = Я"ч Аода = 26,22 • 0,697 = 18,27 МПа;
С = Лск,ч Кда = 2,42 0,711 = 1,72 МПа,
202
где Коан - переходной коэффициент, учитывающий влияние пороков и размеров рабочего сечения на прочность древесины. В приведенных расчетах значение коэффициентов Коди определено по таблице прил. 2 СНиП [2].
Расчётное сопротивление древесины (на сжатие, скалывание) определяется по формуле (1) [4]:
7?ср = ( Я” = (18,27 /1,26) 0,66 = 9,6 МПа;
Я Р =( С = (1,72 / 1,35) 0,66 = 0,84 МПа,
где - коэффициент надёжности по материалу, учитывающий отклонение в сторону меньших значений прочности материала с более высокой обеспеченностью по отношению к нормативному сопротивлению;
трд — коэффициент условий работы, учитывающий влияние длительности действия нагрузки, гПдл = 0,66 принят по табл. 8 [4].
Коэффициент ут подсчитан по формуле (9) [4]:
Квантиль Стьюдента при числе испытанных образцов 20, с обеспеченностью по минимуму для расчетного сопротивления 0,99, Т] =2,53.
Для сжатия Ym= (1 - 1,73 0,18) / (1 -2,53 • 0,18) = 1,26.
Для скалывания = (1 - 1,73 • 0,21) / (1 - 2,53 • 0,21) = 1,35.
Для установления сорта древесины полученные значения расчётных сопротивлений сравниваются с соответствующими значениями этих показателей из табл. 3 СНиП [2]:
RV = 9,60 МПа < ЯСП= 13 МПа;
ЯСРК = 0,84 МПа < R ” = 1,5 МПа.
Для рассмотренного примера фактическое расчетное сопротивление древесины на сжатие вдоль волокон после 30-летней эксплуатации в складе калийных солей составило 9,6 МПа, что на 26 % меньше расчетного сопротивления древесины 2-го сорта по СНиП [2]. Фактическое расчетное сопротивление древесины на скалывание вдоль волокон составило 0,84 МПа, что на 44 % меньше расчетного сопротивления древесины скалыванию вдоль волокон для древесины 2-го сорта.
Если фактические прочностные показатели древесины получились меньше требуемых значений по СНиП [2], то в проверочный расчет вводятся эти значения. В тех случаях, когда прочностные показатели, полученные при испытаниях, превышают нормируемые значения по СНиП [2], то в проверочный расчет вводятся расчетные сопротивления соответствующего сорта древесины по табл. 3 [2]. Таким образом, в данном случае для проверочных расчетов конструкций следует принять следующие значения расчетных сопротивлений древесины: = 9,6 МПа, = 0,84 МПа.
14.5. Принципы усиления деревянных конструкций
Необходимость ремонта или усиления конструкций возникает при изменении условий эксплуатации, габаритов здания, увеличении технологических нагрузок в связи с планируемой реконструкцией, при отнесении конструкций к 3-й и 4-й категориям технического состояния и другими причинами.
Основные требования к усилению конструкций:
- обеспечение необходимой несущей способности, надежности и долговечности;
- включение в работу элементов усиления, обеспечение их совместной работы с основной конструкцией;
203
- элементы усиления не должны изменять положение центра тяжести основного сечения и нарушать центровку элементов в узлах конструкций.
Усиление конструкций выполняется при отсутствии временных нагрузок: снеговой нагрузки - на покрытии и технологических - на перекрытиях.
Выбор того или иного способа усиления (или их комбинаций) зависит от технического состояния конкретной конструкции. Классификация основных способов усиления конструкций приведена в табл. 14.1.
Наиболее эффективными считаются способы усиления конструкций путем изменения статической (конструктивной) схемы (введение затяжек, устройство дополнительных стоек, подкосов — рис. 14.18... 14.20). Эти способы рекомендуется применять, как правило, при неудовлетворительном техническом состоянии конструкций, при наличии свободного пространства под усиливаемой конструкцией.
Как отмечалось в главе 12, чаще всего встречаются случаи поражения деревянных конструкций домовыми грибами. При незначительных биологических повреждениях древесины (загнивание на глубину 1.. .3 см) необходимо механическим способом снять загнивший поверхностный слой древесины с захватом здоровых слоев на глубину 2...3 см и обработать этот участок антисептиком.
При значительном грибковом поражении (на глубину до 1/4 сечения элемента) загнившая часть древесины удаляется полностью с захватом здоровых слоев на глубину 2 ...3 см и прилегающих участков длиной до 0,3 м здоровой на вид древесины. Проверочным расчетом решается вопрос об усилении накладками ослабленного сечения.
При гнилостных разрушениях на глубину более 1/4 сечения (опорные части балок, ферм) рекомендуется полностью выпилить пораженный участок с захватом прилегающих участков длиной до 0,5 м здоровой древесины. Ослабленное сечение усиливается одним из приводимых ниже способов (рис. 14.21).
Каменные и бетонные поверхности, примыкающие к пораженным участкам древесины (балочные гнезда, кирпичные столбы и т. д.), тщательно очищаются от грибковых образований и обрабатываются маслянистыми антисептиками.
Усиление стоек. Ремонт стоек сплошного сечения, имеющих излом или выпучивание из плоскости, заключается в восстановлении проектного положения элемента и увеличении его жесткости в плоскости изгиба путем установки деревянных накладок и прокладок на болтах. Накладки ставятся со стороны вогнутости деформированного элемента. При значительном биологическом разрушении стоек (более 1/2 сечения) в опорных узлах производится их предварительная разгрузка путем постановки рядом временной стойки на домкрате. Поврежденная часть стойки выпиливается и заменяется новой того же сечения. Новая вставка тщательно приторцовывается к основной стойке и скрепляется с ней деревянными или стальными накладками на болтах.
Усиление цельных балок. Балки с механическими ослаблениями, надрывами растянутых волокон, недопустимыми прогибами (более 1/200/) усиливают деревянными накладками на болтах или изменяют конструктивную схему введением шпренгеля или установкой промежуточной стойки.
Таблица 14.1 _____________________Основные способы усиления конструкций__________________
Наименование способа усиления Методы реализации усиления
1. Косвенное усиление или изменение условий эксплуатации 1.1. Использование резервов несущей способности за счет уточнения: - фактически действующих постоянных и временных нагрузок; - фактических прочностных характеристик древесины; - действительной расчетной схемы; - характера совместной работы несущих и ограждающих конструкций; - несущей способности по современным нормам. 1.2. Ограничение технологических и временных нагрузок: - замена существующих ограждающих конструкций на новые, с меньшей массой; - замена старого технологического оборудования на новое оборудование с меньшей массой; - своевременная уборка сверхнормативных отложений производственных отходов на галереях и горизонтальных и наклонных поверхностях конструкций; - очистка перекрытий от строительного мусора и демонтированного оборудования; - регулярная очистка покрытий от снега зимой;
204
Продолжение табл. 14.1
- замена старого утеплителя (шлака) на современный более легкий утеплитель; - установка дополнительных несущих конструкций в промежутке между существующими конструкциями для их разгрузки.
2. Изменение статической схемы работы конструкций 2.1. Подведение (установка) дополнительных опор, подкосов, подвесок. 2.2. Превращение неразрезных систем в разрезные системы и наоборот. 2.3. Введение дополнительных элементов: затяжек, шпренгелей, стержней. 2.4. Постановка дополнительных связей, распределительных систем.
3. Увеличение площади поперечного сечения элемента Присоединение к существующему элементу дополнительных элементов, увеличивающих его площадь (наращивание высоты сечения путем клеегвоздевой запрессовки дополнительных слоев для клееных элементов, устройство накладок на болтах и др.).
4. Местное усиление Устройство накладок, перекрывающих местные дефекты, стальных протезов в опорных узлах конструкций.
5. Усиление соединений Постановка дополнительных болтов и нагелей, изменение схемы работы узлового соединения, развитие накладок.
Рис. 14.18. Усиление деревянных балок:
а - введение шпренгеля; б ~ установка промежуточной стойки
Рис. 14.19. Усиление арок:
а, б - введение затяжек; в - превращение металлодеревянной арки в ферму; г - превращение арки в металлодеревянную ферму
Рис. 14.20. Усиление деревянных ферм:
а - устройство промежуточной стойки; б - превращение сегментной фермы в трехшарнирную арку
205
Рис. 14.21. Варианты усиления опорных концов балок:
а - прутковый протез С.Д. Дайдбекова; б - протез из жестких профилей конструкции Н.А. Ануфриева; в - протез из швеллеров
206
Чердачные балки можно подвешивать к стропильным ногам. При ремонте опорных частей балок, применяются деревянные или стальные протезы (рис. 14.21).
Усиление двутавровых балок с перекрестной дощатой стенкой на гвоздях. В случае местного повреждения нижнего пояса балки, этот дефект перекрывается парными накладками на болтах или натяжных металлических хомутах. При наличии значительного прогиба (более 1/200/) усиление балки производится постановкой дополнительных поясов или путем устройства стального тяжа по всей длине нижнего пояса балки.
Усиление стропил. Наиболее часто встречающееся повреждение стропил - загнивание их опорных частей и прилегающих участков мауэрлатов. В этом случае концы стропильной ноги вывешивают, выпиливают сгнившие части стропильной ноги и мауэрлата, затем укладывают слой гидроизоляции, новый мауэрлат, усиливают стропильную ногу парными накладками из досок, прикрепляя их гвоздями к здоровой части стропил, и закрепляют стропильную ногу на место скобой.
Усиление ферм. Растянутые элементы (нижние пояса, раскосы, стойки) усиливаются с помощью деревянных накладок на болтах или натяжных металлических хомутов, дублируются или заменяются стальными тяжами. Деформированные сжатые элементы ферм усиливаются постановкой накладок и прокладок на гвоздях и болтах. Опорные узлы усиливаются стальными протезами.
Усиление клееных деревянных конструкций. Клееные деревянные конструкции нуждаются в усилении при механических повреждениях сечения и в случае значительных расслоений по клеевым швам. При механических повреждениях ослабленные участки конструкций перекрываются стальными накладками на болтах и глухарях или, при наличии технологических условий, наклеиваются дополнительные слои досок с клеегвоздевой запрессовкой.
Наиболее часто в КДК расслоение по клеевым швам встречается в сечениях с максимальной поперечной силой (например, вблизи опорных узлов), а также в местах концентрации больших внутренних напряжений при растяжении древесины поперек волокон (например, в арках на участках с положительным изгибающим моментом, который стремится разогнуть криволинейный элемент). Основная причина расслоений по клеевым прослойкам - некачественное изготовление конструкций. Характерные места возникновения этих дефектов в стрельчатых арках показаны на рис. 14.22.
Рекомендуются следующие способы усиления конструкций:
- при местном расслоении отдельных слоев на глубину до 1/3 сечения в опорных узлах сечение перекрывается боковыми накладками из бакелизированной фанеры марки ФБС на эпоксидном клее с гвоздевой или шурупной запрессовкой (узел 1 на рис. 14.22), поверхность конструкций в местах приклеивания накладок предварительно фрезеруется;
- при сквозном расслоении нескольких клеевых швов на небольших по протяженности участках (2...4 м) элемент усиливается системой из стальных уголков и стяжек (узел 3 на рис. 14.22) или стальными пластинчатыми нагелями (узел 4 на рис. 14.22 - по типу нагелей Деревягина) и поврежденный участок стягивается хомутами; или производится вклеивание арматурных стержней на эпоксидном клее в предварительно просверленные вертикальные или наклонные глухие отверстия;
- при наличии многих сквозных трещин на локальном участке в опасном сечении можно усилить такой участок натяжными хомутами по типу растянутого стыка конструкции Б. А. Освенского (узел 2 на рис. 14.22).
Для снижения внутренних усилий и уменьшения опасности дальнейших расслоений эффективно введение в конструктивную схему различных затяжек (рис. 14.19). При многочисленных сквозных расслоениях практически по всей длине элемента необходима его замена. На рис. 14.23 и 14.24 показаны практические примеры усиления конструкций. Расчет усиления конструкций является сложной инженерной задачей и дается в специальной литературе.
207
Рис. 14. 22. Варианты усиления большепролетных клееных деревянных арок, имеющих дефекты в виде расслоений по клеевым швам:
а - схема расположения усиливаемых участков арки; б - усиление фанерными накладками на клею; в - усиление стяжными хомутами
208
Рис. 14.22. Окончание:
г - усиление металлическими уголками; д ~ усиление стальными пластинчатыми нагелями
209
Рис. 14. 23. Локальное усиление клееных деревянных арок системой из стальных уголков и стяжек
Рис. 14. 24. Усиление разорванной ветви нижнего пояса деревянной фермы стальными тяжами
210
15. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ДЕРЕВЯННЫХ КОНСТРУКЦИЙ
15.1. Основные положения методики технико-экономической оценки строительных конструкций
Сопоставление взаимозаменяемых строительных конструкций относится к сфере расчетов сравнительной экономической эффективности капитальных вложений (инвестиций). Выбор наиболее эффективных конструктивных решений производится методом сравнительного анализа технико-экономических показателей (ТЭП) по вариантам. Примерная система ТЭП приведена в табл. 15.1.
В качестве решающего показателя - критерия эффективности - принимается показатель минимума приведенных затрат, которые определяются в общем случае с учетом себестоимости конструкций в деле, капитальных вложений в базу, эксплуатационных расходов и фактора времени.
Если разность приведенных затрат по вариантам не превышает 3%, то варианты по этому показателю признаются равно экономичными. Предпочтение отдается варианту, имеющему меньшую стоимость в деле, обеспечивающему снижение затрат ручного труда и получение социального эффекта.
Комплексный анализ остальных технико-экономических показателей (помимо приведенных затрат) позволяет установить преимущества и недостатки сравниваемых вариантов; выявить факторы, влияющие на эффективность каждого варианта, наметить пути совершенствования данных конструкций, устранить возможные погрешности при расчете отдельных показателей.
Технико-экономические показатели определяются по рабочим чертежам конструкций в расчете на единую расчетную единицу измерения. При оценке вариантов конструкций каркасов и покрытий рекомендуется за расчетную единицу измерения принимать 1 м площади здания. При соблюдении условий сопоставимости можно определять ТЭП в расчете на одну конструкцию (арку, раму) или на единицу "полезного эффекта", например, на 1 т хранимой в складе продукции.
При выборе вариантов для сопоставления рассматриваются конструкции, отвечающие техническим требованием их применения в данной области. В качестве базы для сравнения рекомендуется принимать:
а) на стадии научно-исследовательских и проектно-конструкторских работ по созданию новых конструкций - наиболее экономичные конструкции аналогичного назначения;
б) на стадии применения для строительства конкретных объектов - вариант конструкции, предусмотренный в проекте.
Сравнение конструкций необходимо производить "в деле" при равной степени их законченности и равном соответствии техническим нормам. Конструкции должны иметь одинаковое назначение, быть рассчитанными на соответствующие расчетные нагрузки по действующим СНиП и предназначаться для эксплуатации в одинаковых температурно-влажностных и климатических условиях. Варианты конструктивных решений должны быть разработаны с одинаковой степенью детальности, т.е. до стадии рабочих чертежей или технических решений.
При сравнении взаимозаменяемых конструкций из различных материалов большое значение имеет учет затрат (или разницы в затратах) на смежные с рассматриваемыми конструкциями элементы зданий и сооружений.
Разница в затратах на смежные элементы вызывается следующими факторами:
- различной собственной массой конструкций;
- неодинаковым очертанием верхнего и нижнего поясов ферм;
- различными габаритами конструкций;
- неодинаковой конструктивной схемой;
- различным решением связей;
- различной степенью огнестойкости конструкций;
- неодинаковым расстоянием между температурными швами;
- различным креплением конструкций к смежным элементам, а также креплением подъемно-транспортного оборудования к несущим конструкциям.
При сравнении конструкций различных типов (балок, рам, арок, ферм) шаг конструкций принимается экономически целесообразным для каждого типа конструкций.
Технико-экономические показатели по вариантам должны быть определены для выбранного территориального района страны в едином уровне цен, с использованием единой сметно-нормативной базы или единых принципов определения расчетных показателей. На стадии научно-исследовательских и проектно-конструкторских работ по
211
созданию новых конструкций рекомендуется их сопоставлять при минимальных, максимальных и наиболее часто встречающихся нагрузках, пролетах и других параметрах конструкций в нескольких характерных районах страны, отличающихся уровнем цен на материалы и конструкции и условиями их транспортировки до строительной площадки.
Экономический эффект определяется по разности приведенных затрат по вариантам в расчете на принятую единицу измерения или на единицу объема или массы приведенных конструкций, а также на намечаемый годовой объем внедрения эффективных конструкций. Дополнительный экономический эффект от сокращения продолжительности строительства объекта с применением данных конструкций (конструктивных решений) определяется по указаниям инструкции.
При сравнении эффективности применения деревянных и сборных железобетонных конструкций в животноводческих и птицеводческих зданиях рекомендуется учитывать дополнительный экономический эффект от повышения продуктивности животных и птиц в деревянных зданиях за счет более надежного соблюдения оптимальных параметров микроклимата помещений.
Последовательность проведения технико-экономической оценки вариантов конструктивных решений:
а) формулируется цель расчета;
б) принимается базовый вариант для сравнения с предлагаемым решением;
в) уточняются:
- состав рассматриваемых конструкций с учетом смежных элементов;
- типы здании по функциональному назначению, в которых намечается применять данные конструкции;
- габаритные размеры зданий, параметры производственной среды;
- условия строительства в принятых для сравнения территориальных районах страны (природно-климатические, экономико-географические и др.);
- схемы транспортировки конструкций до строительной площадки;
г) рассчитываются основные несущие конструкции или, на стадии предварительных расчетов, подбираются требуемые марки конструкций по рабочим чертежам в соответствии с объемно-планировочными параметрами зданий и расчетными нагрузками;
д) выбирается база для определения ТЭП: действующие официальные документы (СНиП, ЕРЕР, ЕНиР, ценники, прейскуранты, каталоги цен); расчетные нормативы; сочетание официальных и расчетных нормативов;
е) определяются ТЭП, вначале на первичную единицу измерения (1 арку, 1 раму), а затем показатели относятся на расчетную единицу измерения (1 м2 площади здания) и сводятся в табл. 15.1;
ж) выбирается наилучший вариант по минимуму приведенных затрат. Определяется экономический эффект. Анализируется система ТЭП. Формулируются выводы и предложения.
Таблица 15.1
Система технико-экономических показателей для оценки эффективности строительных конструкций (конструктивных решений)
Наименование показателей Ед. изм. Значения ТЭП по вариантам
1 2
а б а б
1. Приведенные затраты: - эксплуатационные расходы - капитальные вложения в базу - сметно-расчетная стоимость в деле - себестоимость изготовления - затраты на транспортировку - затраты на возведение руб. руб./год руб.х год руб. руб. руб. руб.
2. Затраты труда: - на изготовление - на возведение чел.-ч чел.-ч чел.-ч
3. Расход основных материалов с учетом отходов: - пиломатериалы - клей - эмали -сталь м3 кг кг кг
4. Масса конструкций в деле кг
5. Объем конструкций в деле Mj
Примечание: а,б- соответственно без учета и с учетом разницы в затратах на смежные элементы.
212
15.2. Определение технико-экономических показателей деревянных конструкций
15.2.1. Расход основных материалов
Правильное определение расхода материалов на изготовление деревянных конструкций имеет большое значение, так как удельный вес затрат на основные материалы в структуре себестоимости конструкций составляет 65 ...75 %.
Расход пиломатериалов 14. кдк на изготовление КДК определяется по формуле
К. клк = KQ Уд = К 2 К3 К4 Уз6 = К2 К3 К4К5 К6 К, (15.1)
где Ко - суммарный коэффициент отходов пиломатериалов;
К > Кб - объем конструкции, соответственно, в деле и в заготовочном блоке;
К\ ... л6 — коэффициенты, учитывающие отходы, соответственно при: раскрое пиломатериалов на черновые заготовки, сращивание их по длине, острожке пластей досок, сращивании заготовок по ширине, острожке боковых поверхностей заготовочных блоков, окончательной обработке заготовочных блоков - торцовке и опиловке по шаблону (рис. 15.1).
Величина коэффициентов отходов зависит от многих факторов (рис. 15.2). Например, коэффициент Ki зависит от сортового состава пиломатериалов, используемых для изготовления КДК (см. рис. 15.2,а), качества сушки пиломатериалов, а также квалификации рабочих, выполняющих операцию раскроя пиломатериалов на черновые заготовки с вырезкой недопустимых пороков. В расчетах на стадии проектирования можно применять Ki - 1,13.
Рис. 15.1. Эскизы заготовочных блоков клееных деревянных конструкций: а - черновая заготовка отдельного слоя досок; б - элемент верхнего пояса металлодеревянных ферм; в - деревянная гнутоклееная полурама типа ДГР; г - ригели рам типа РДП из прямолинейных элементов с соединением ригеля и стойки на зубчатый шип
213
a)
б)
Длина черновых заготовок /Ч11, м
толщина пиломатериалов бп, мм
толщина слоев (5о, мм
Рис. 15.2. Коэффициенты отходов пиломатериалов при изготовлении несущих КДК:
а - при раскрое пиломатериалов; б - при сращивании заготовок по длине; в - при острожке пластей заготовок; г - при обработке заготовочных блоков конструкций:
1 - конструкции прямолинейные постоянного сечения;
2 - рамы типа РДП из прямолинейных элементов переменного сечения;
3 - криволинейные элементы типа арок ДСА постоянного сечения;
4 - гнутоклееные рамы типа ДГР переменного сечения
Коэффициент К2 зависит от типа зубчатого шипа для сращивания заготовок по длине и средней длины черновых заготовок (см. рис. 15.2,6), в среднем 1,02.
Коэффициент К? зависит от толщины используемых пиломатериалов и требуемой толщины слоев после острожки (см. рис. 15.2,в) для конкретных конструкций, при наиболее распространенной толщине слоев для прямолинейных элементов 50 = 0,032 м, для криволинейных 50 = 0,016 м, К3 = 1,37.
Коэффициент К4 учитывает дополнительные отходы пиломатериалов при сращивании слоев досок по ширине, К4—1 + 0,15aw, где аш - доля заготовок, склеенных по
214
ширине, в объеме конструкции в деле. На стадии проектирования можно принять: аш =0 при Ь < 0,14 м; «ш =0,5 при b - 0,15.. .0,2 м; осш = 1 при Ь > 0,2 м, где Ь - проектная ширина сечения. Отметим, что склеивание по ширине приводит к существенному возрастанию расхода пиломатериалов и клея, увеличению трудоемкости и себестоимости производства КДК в 1,8...2,2 раза. При проектировании деревянных конструкций (за исключением уникальных) необходимо избегать склеивания по ширине.
Коэффициенты К$ и К& связаны с размерами заготовочных блоков конструкций (см. рис. 15.1, 15.2,г). Припуски на обработку боковых поверхностей заготовочных блоков зависят от проектной ширины сечения элементов и требуемой чистоты обработки поверхности (под непрозрачную или под прозрачную отделку) и составляют: 8 ... 10 мм при Ь< 0,14 м; 10...15 мм при Ь= 0,15...0,2 м; 15...20 мм при £>>0,2 м.
Длина заготовочного блока Ljg (см. рис. 15.1) назначается с учетом припусков на торцовку и обрезку по контуру, которые составляют с каждой стороны блока по Д£ = 60...80 мм при £з.б< 15 м; AL = 100...200 мм при L3,g> 15 м.
Для основных типов КДК значение коэффициента Кб можно принять по рис. 15.2, для двухскатных балок Kf, = 1,15.
Расход пиломатериалов для изготовления элементов из досок и брусьев Уп определяется по формуле
V =KV = 7?^чз V
vn -Л/*ч.з я о , , гд, (15-2)
бо Ьо
где К] - коэффициент, учитывающий отходы при раскрое пиломатериалов на черновые заготовки;
Уч.з - объем пиломатериалов в черновых заготовках, м ,
L,ti - длина черновой заготовки, м;
/д - средняя длина элемента в деле, м, /чл/ 1а в среднем составляет 1,02;
£)п, 80, Ьо - размеры, соответственно заготовки и элемента в деле, м.
При изготовлении элементов конструкций из 2-го сорта пиломатериалов коэффициент К\ может быть принят равным: для накладок, прокладок, связей и т.п. - 1,15; для прогонов, элементов ферм - 1,25.
Расход фанеры на изготовление клеефанерных конструкций Уф определяется по формуле
Гф=Ко^.д, (15.3)
где Ко -коэффициент, учитывающий отходы при раскрое фанерных листов на черновые заготовки, торцовке их по размеру и сращивании по длине, Ко=1,2;
Уф.д - объем фанеры в деле, м3.
Расход клея на изготовление КДК Рк определяется по формуле
Тк=Хп(Р1+Р2 + Р3+Р4)Кд (15.4)
или по более точной формуле
Рк
+ 1,5Кг+4ашК3
(15.4.а)
где Кп - коэффициент, учитывающий потери клея в производстве, Ка = 1,1;
Ру Рг, Р3 - расход клея при нанесении его соответственно на пласта заготовок, зуб-чтые шипы при сращивании заготовок по длине и ширине (кг/м3) объема конструкций в деле, Pi принимается по рис. 15.3, Рг = 1,5, Рз = 4;
215
Р4 — расход клея на дополнительные операции, например, на зубчатый стык при соединении ригеля и стойки в карнизном узле рам РДП, Р4 = 1,2 кг/м3;
qi - суммарный удельный расход клея при нанесении его на пласти заготовок, ф = 0,4 ... 0,6 кг/м2 площади клеевого шва;
пс - количество слоев по высоте сечения заготовочного блока;
К3,К5,К6 - коэффициенты, учитывающие отходы клея при механической обработке заготовок и заготовочных блоков, - см. формулу (15.1);
ССщ - доля заготовок, склеенных по ширине.
Толщина 42. юсв после острожки (5с. мм
Рис. 15.3. График для определения расхода клея на изготовление КДК
Расход клея на сборку (запрессовку) клеефанерных конструкций Р$ (без учета расхода клея на клееные деревянные пояса) можно определить по формуле
Р5 = Кп(д5Рш+д5Рш), (15.5)
где Кп - коэффициент, учитывающий потери клея в производстве, = 1,15;
- суммарный удельный расход клея, в кг/м2 площади клеевого шва, = 0,6; q's - суммарный удельный расход клея, в кг/м погонный клеевого шва, д'5 = 0,15; Гш - суммарная площадь клеевых швов (площадь поясов, ребер жесткости и других элементов, приклеиваемых к фанерной стенке, а также стыков фанеры по длине, м2;
Ьш - суммарная длина клеевых швов (пазов) в клеефанерной конструкции, м.
Расход клея (эпоксидного состава) при изготовлении армированных КДК определяется по формуле
Л=^п?б^а. (>5-6)
где Кп — коэффициент, учитывающий потери клея в производстве, Кп = 1,15; q(i - удельный расход клея, в кг/м длины арматурных стержней, д^~ 0,4; La - суммарная длина вклеенных арматурных стержней, м.
Расход клея на изготовление КДК зависит от многих факторов: способа нанесения, типа оборудования для нанесения клея, вида клеевого соединения, марки и состава клея, соблюдения режимов склеивания и прочих факторов. Рекомендуемые показатели удельного расхода клея получены в результате выборочных замеров фактического расхода клея, а также путем систематизации и анализа данных лабораторных цехов КДК.
Расход эмали для защиты КДК Рэ определяется по формуле
P3=Kng3F, (15.7)
где Кп - коэффициент, учитывающий потери эмали в производстве, Кп = 1,1; дэ - суммарный удельный расход эмали, в кг/м2 поверхности конструкций;
216
F - площадь окрашиваемой поверхности, м2.
Удельный расход лакокрасочных материалов зависит от требуемой толщины защитного покрытия, которая определяется условиями эксплуатации конструкций. При стандартной толщине 100...150мкм (2...3 слоя) q3 - 0,25 ...0,4 кг/м2.
Расход остальных материалов определяется по формулам, аналогичным формуле (15.3), с применением соответствующих коэффициентов отходов, в частности, для стальных элементов KG= 1,05.
15.2.2. Трудоемкость изготовления конструкций
Трудоемкость основных технологических операций изготовления КДК Т» на стадии проектирования может быть определена по формуле
^и ~ ^и^д * (15.8)
где ZH - суммарные удельные затраты труда основных производственных рабочих (чел.-ч/м3) объема конструкции в деле (рис. 15.4);
Уд - объем конструкции в деле, м3.
При изготовлении большепролетных конструкций трудоемкость изготовления КДК, определенную по формуле (15.8), необходимо умножать на коэффициент сложности Кс, учитывающий увеличение трудоемкости изготовления таких конструкций.
Коэффициент сложности Кс можно определить по формуле
L h
18 1,2
Кс
(15.9)
где L, h, b - размеры большепролетной конструкции, м;
18; 1,2; 0,14 - размеры типовых конструкций (длина, высота и ширина в м), при которых рассчитаны показатели затрат труда (см. рис. 15.4).
При изготовлении большепролетных конструкций сложной конфигурации в ряде случаев применяется гвоздевая запрессовка конструкций на специальных стапелях.
Трудоемкость выполнения этой операции Т3 г определяется по формуле
-г ^с"1 г
з.г , (15.10)
«с
где Гг- затраты труда на забивку одного гвоздя, чел.-ч/шт., tr =0,005 чел.-ч/шт.;
пГ - количество гвоздей на 1 м длины слоев, шт.;
Пс - количество слоев по высоте сечения элемента, пс = h /50;
Lc - суммарная длина слоев.
В расчетах можно принять лг= 8 шт. (при 60= 32 мм); пг =16 шт. (при = 16 мм). При других значениях 50 величина п, определяется по интерполяции.
Рис. 15.4. Показатели затрат труда на изготовление типовых несущих КДК:
1 - конструкции прямолинейные постоянного сечения; 2 - рамы типа РДП из прямолинейных элементов переменного сечения; 3 - криволинейные элементы типа арок ДСА постоянного сечения; 4 - гнутоклееные рамы типа ДГР
217
При изготовлении армированных конструкций учитываются дополнительные затраты труда на вклеивание арматурных стержней Tai определяемые по формуле
TaataI'a, (15.11)
где ta - суммарные затраты труда на вклеивание арматурных стержней, чел.-ч/м длины вклеенных арматурных стержней, Га=0,18;
La - суммарная длина вклеенных арматурных стержней, м.
Трудоемкость изготовления дощатых конструкций (ферм) с узловыми соединениями на металлических зубчатых пластинках (МЗП) типа "Гэнг-Нейл" Аид может быть определена по упрощенной формуле
^и.д ~ ^и.д Lg , (15.12)
где Ги,д - трудоемкость изготовления конструкций, чел.-ч/м длины элементов, tK R = 0,2; Lg - суммарная длина элементов (поясов, стоек, раскосов) в конструкции, м;
Трудоемкость изготовления ограждающих конструкций на деревянном каркасе с обшивками из листовых материалов (асбоцементных листов, фанеры) Тп можно приближенно определить по формуле
T’n = ‘aS . (15.13)
где tn - затраты труда на изготовление ограждающих конструкций, чел.-ч/м2 площади панелей, /п = 1,1... 1,5;
5 - площадь панели, м2.
15.2.3. Себестоимость изготовления конструкций
Себестоимость изготовления конструкций Си может быть выражена формулой
с„ = [(См+С„ Хг.3+СсИп +С, +СХЖ,», (15.14)
где См - затраты на основные материалы для изготовлении КДК, руб.;
Сст - стоимость стальных элементов и деталей (покупных изделий), руб.;
Атз - коэффициент, учитывающий транспортно-заготовительные расходы предприятий, АТ( — 1,05;
Сс - себестоимость сушки пиломатериалов, руб./м3;
С? - заработная плата основных производственных рабочих, руб.;
Сд - заработная плата с начислениями, (фонд оплаты труда) руб.;
А"н - коэффициент, учитывающий накладные расходы (содержание и эксплуатацию оборудования, цеховые и общезаводские расходы);
Кт - коэффициент, учитывающий внепроизводственные расходы, 7CBH = 1,02.
Величина накладных расходов зависит от типа предприятий, уровня использования проектной мощности, степени механизации производственных процессов, номенклатуры выпускаемых конструкций и других факторов, на стадии проектирования можно принять: для дощатых и брусчатых конструкций А"н = 3...4; для КДК - Ан ~ 6.. .9.
Затраты на основные материалы и изделия См определяются по формуле
С„=^ЦЛ, (15.15)
где Ц| - цена i-ro материала в руб. за единицу', принимается по оптовым ценам;
Vi - расход материалов на изготовление конструкций в соответствующих единицах измерения.
Себестоимость сушки пиломатериалов зависит от способа сушки, типа сушильных камер, территориального района, начальной влажности (1УН) поступающих пиломатериалов и требуемой конечной влажности (И’к) пиломатериалов, размеров пиломатериалов, режимов сушки (нормальный, мягкий, жесткий) и других факторов. При отсутствии необходимых данных можно принять в среднем для условий 1 территориального района при сушке в отечественных сушильных камерах:
а) для клееных деревянных элементов Сс - 600 руб./мэ (при =12%);
б) для дощатых и брусчатых конструкций Сс - 300 руб./м3 (при VVK = 20%).
Затраты на заработную плату С3 определяются по формуле
218
с, = С°КарК„Кт = а,Т.лКирКгКт, (5.16)
где ат - средневзвешенная ставка основных производственных рабочих, руб./чел.-ч, для условий Пермской обл. йт - 25;
Ги -трудоемкость изготовления конструкций, см. формулу (15.8);
ASip ~ коэффициент, учитывающий премиальные доплаты, К™ = 1,4;
Кр - районный коэффициент к заработной плате; для Урала лр =1,15;
Кот - коэффициент, учитывающий отчисления в различные фонды.
В настоящее время этот коэффициент КО1 учитывает суммарные отчисления с заработной платы в пенсионный фонд, фонд обязательного медицинского страхования и другие аналогичные фонды (так называемый, единый социальный налог) и может быть принят в расчетах Кот = 1,365 (2002 г.).
15.2.4. Сметно-расчетная стоимость конструкций в деле
Сметно-расчетная стоимость конструкций в деле Сд может быть представлена в следующем виде:
Сд = КСи + СТ Хз.с +СВ+Н + П]Кзу, (15.17)
где Сн - себестоимость изготовления конструкций, руб., см. формулу (15.14);
Ст - затраты на транспортировку конструкций до строительной площадки, руб.;
/С.с - коэффициент, учитывающий заготовительно-складские расходы, Кзс ~ 1,02;
Св - затраты на возведение конструкций (укрупнительную сборку, монтаж), руб.;
Н - накладные расходы, руб.;
П - плановые накопления, руб.;
К3 у - коэффициент, учитывающий дополнительные затраты при производстве работ в зимнее время, принимается по СНиП.
Затраты на транспортировку конструкций до строительной площадки определяются путем составления калькуляции и зависят от дальности транспортировки, принятой транспортной схемы, а также затрат на погрузочно-разгрузочные работы и реквизит. Затраты на возведение конструкций определяются сметным расчетом.
Накладные расходы и плановые накопления можно рассчитать по формулам вида:
Н=аСв, П=$СВ (15.18)
где а - коэффициент, зависящий от вида работ, а = 0,7;
0 - коэффициент, отражающий норму плановых накоплений, 0 ~ 0,3.
15.2.5. Приведенные затраты
Количество факторов, учитываемых при определении приведенных затрат, зависит от цели расчета и наличия необходимых исходных данных.
При сопоставлении конструкций одного вида: различных типов клееных деревянных конструкций между собой или с деревянными конструкциями из брусьев и досок, показатели трудоемкости и продолжительности монтажа конструкций по вариантам отличаются несущественно. В этом случае капитальные вложения в основные фонды и оборотные средства строительно-монтажных организаций можно не учитывать.
Структурная формула для определения приведенных затрат П имеет вид
= М (Сд+ДЛ)+~“ , (15.19)
^нл
где ц - коэффициент, учитывающий затраты на восстановление (замену) конструкций в период расчетного срока функционирования объекта, приведенные к году пуска объекта в эксплуатацию, ц =1,06;
Ен - нормативный коэффициент сравнительной эффективности капитальных вложений, 1/год, Ен = 0,15;
К - приведенные удельные капитальные вложения в базу по производству конструкций, руб. х год;
Э - эксплуатационные расходы, руб./год;
Енп - норматив для приведения разновременных затрат, Ен,п =0,1.
219
Приведенные капитальные вложения в базу по производству конструкций определяются по формуле
K"YAiKiVi^ (15.20)
i=i
где А, - коэффициент, учитывающий продолжительность создания базы по производству гго вида конструкций, А, =1,07;
Kt — удельные капитальные вложения в производство i-ro вида конструкций, руб.х год на единицу продукции;
Vi - объем z-й конструкции в соответствующих единицах измерения;
п - количество конструкций, данные о себестоимости производства которых учтены при определении сметно-расчетной стоимости конструкций в деле.
При подстановке в формулу (15.19) вместо себестоимости конструкций Сд стоимости конструкций (цены) капитальные вложения в базу учитывать не надо.
Эксплуатационные расходы в расчетах на стадии проектирования можно считать условно равномерно распределенными во времени и определять по упрощенной формуле
СК,
Э =----(15.21)
100
где С - первоначальные затраты (сметно-расчетная стоимость конструкции в деле), руб;
К3 - среднегодовые отчисления на капитальный и текущий ремонты конструкций и прочие виды эксплуатационных расходов, в % от первоначальных затрат (табл. 15.2).
Таблица 15.2
Показатели среднегодовых отчислений на капитальный и текущий ремонты зданий в % от первоначальных затрат (Лэ)
Конструктивные элементы Типы зданий по назначению
1 2
Лер к3 Лер
Колонны, стойки: железобетонные 40 0,9 15 5,0
металлические 40 0,9 40 7,5
деревянные (КДК) 20 2,3 30 1,7
Фермы, арки, рамы: железобетонные 40 0,9 15 5,0
металлические 40 0,9 10 7,5
деревянные (КДК) 30 1,7 30 1,7
Покрытия (прогоны, плиты, настилы): железобетонные 40 0,9 20 2,3
металлические 30 1,7 15 5,0
деревянные (КДК) 25 1,9 25 1,9
Примечание: типы зданий: 1 - отапливаемые производственные здания с нормальным температурно-влажностным режимом; 2 - холодные здания с нерегулируемым температурно-влажностным режимом и химически агрессивной средой (склады минеральных удобрений); ?кр - периодичность проведения капитальных ремонтов конструкций, лет (расчетный срок функционирования зданий 50 лет).
220
В табл. 15.3 даны усредненные технико-экономические показатели основных типов несущих клееных деревянных конструкций. Показатели рассчитаны для условий Пермской области на примере цеха по изготовлению КДК, входящего в состав крупного деревообрабатывающего комбината, ритмично выпускающего 8... 10 тыс. м3 клееных деревянных конструкций в год. При изготовлении КДК по отдельным разовым заказам (эпизодически) себестоимость КДК возрастает примерно в 1,5 раза.
Таблица 15.3
Усредненные ТЭП основных типов несущих КДК (для условий Пермской области)
№ п/п Наименование показателей Ед. изм. Типы несущих КДК
АМД РДП ДСА ДГР
1 Расход пиломатериалов м3 1,55 1,75 1,60 1,85
2 Расход клея кг 16 19 17 32
3 Стоимость основных материалов при клее ФРФ-50 руб. 2720 3130 2840 4125
4 Затраты на сушку пиломатериалов руб. 930 1050 960 1110
5 Трудоемкость изготовления чел./ч 12 16 20 24
6 Основная заработная плата руб. 300 400 500 600
7 Фонд оплаты труда (основная заработная плата с премиальными доплатами и отчислениями в различные фонды) руб. 660 880 1100 1320
8 Накладные расходы, ~ 750% к основной зарплате руб. 2250 3000 3750 4500
9 Производственная себестоимость (2002 г.), см. формулу (15.14), сумма позиций 3,4,7, 8 руб. 6560 8060 8750 11045
10 Стоимость конструкций (при величине плановых накоплений 10% к себестоимости) руб. 7216 8866 9625 12150
Примечания:
1. Показатели даны в расчете на 1 м3 конструкций в деле (без учета операции склеивания
заготовок по ширине и стоимости стальных деталей) и без НДС;
2. Типы несущих КДК:
АМД - прямолинейные элементы постоянного сечения: верхние пояса металлодеревянных ферм, балки, прогоны;
РДП - рамы из прямолинейных элементов с зубчатым соединением ригеля и стойки в карнизном узле;
ДСА - криволинейные элементы: арки круговые, стрельчатые и другие;
ДГР — деревянные гнутоклееные рамы.
221
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. СНиП 2.01.07-85*. Нагрузки и воздействия. - М.: ГП ЦПП, 1996 - 44 с.
2. СНиП И-25-80. Деревянные конструкции. Нормы проектирования / Госстрой СССР. - М.: ГУП ЦПП, 2000.- 30 с.
3. СНиП 11-23-81*. Стальные конструкции. Нормы проектирования / Госстрой СССР. -М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1990.- 96 с.
4. Пособие по проектированию деревянных конструкций (к СНиП П-25-80) / ЦНИИСК им. Кучеренко. - М.: Стройиздат, 1986.-216 с.
5. Руководство по изготовлению и контролю качества деревянных клееных конструкций / ЦНИИСК им. Кучеренко - М.: Стройиздат, 1982 - 79 с.
6. Руководство по обеспечению долговечности деревянных клееных конструкций при воздействии на них микроклимата зданий различного назначения и атмосферных факторов - М.: Стройиздат, 1982 - 96 с.
7. Рекомендации по проектированию панельных конструкций с применением древесины и древесных материалов для производственных зданий - М.: Стройиздат, 1982-120 с.
8. Конструкции из дерева и пластмасс: Учеб, для вузов / Ю. В. Слицкоухов, В. Д. Буданов, М. М. Гаппоев и др.; Под ред. Карлсена Г. Г. и Ю. В. Слицкоухова. - 5-е изд., перераб. и доп. -М.: Стройиздат, 1986.- 543 с.
9. Индустриальные деревянные конструкции. Примеры проектирования: Учеб, пособие для вузов / Ю. В. Слицкоухов, И. М. Гуськов, Л. К. Ермоленко и др.; Под ред. Ю. В. Слицкоухова. - М.: Стройиздат, 1991- 256 с.
10. Проектирование и расчет деревянных конструкций: Справочник / И, М. Гринь и др. -Киев: Будивельник, 1988-240с.
11. Конструкции из дерева и пластмасс / В. А. Иванов, В. 3. Клименко. - Киев: Вища школа, 1983.- 279 с.
12. Иванов В.Ф. Конструкции из дерева и пластмасс. М.: Из-во лит. по строительству, 1966. - 352 с.
13. Зубарев Г. Н. Конструкции из дерева и пластмасс: Учеб, пособие для студентов вузов, обучающихся по спец. "Промышленное и гражданское строительство".-2-е изд. перераб. и доп.- М.: Высшая школа, 1990 - 287 с.
14. Прокофьев А. С. Конструкции из дерева и пластмасс: Общий курс: Учебник. - М.: Стройиздат, 1996.- 218 с.
15. Проектирование клееных деревянных конструкций / Кормаков Л.И., Валентинавичус А.Ю. Киев: Будивельник, 1983.- 152 с.
16. Серов Е.Н., Санников Ю.Д. Проектирование клееных деревянных конструкций: Учебное пособие. СПб гос. архит. строит, ун-т. СПб., 1995.- 140 с.
17. Щуко В.Ю., Рощина С.И. Армированные деревянные конструкции в строительстве: Учебное пособие. / Владим. гос. ун-т. Владимир, 2002.- 68 с.
18. Сарычев В.С., Калугин А.В. Резервы повышения эффективности производства клееных деревянных конструкций / ВНИПИЭИлеспром. М., 1982-40 с.
19. Проектирование и расчет ограждающих конструкций: Метод, указания по выполнению курсового проекта по курсу " Конструкции из дерева и пластмасс "/ Сост. А. В. Калугин, И. Н. Файзов; Перм. политехи, ин-т. Пермь, 1990 - 70 с.
20. Методические указания по технико-экономической оценке клееных деревянных конструкций в дипломном проекте для студентов специальности ПГС. ч.1, 2 / Сост. А. В. Калугин; Перм. политехи, ин-т. Пермь, 1985,- 56 с.
222
Александр Васильевич Калугин родился в 1950 г, в г. Чусовом Пермской области.
В 1973 г. закончил строительный факультет Пермского государственного технического университета по специальности ПГС -«Промышленное и гражданское строительство».
Работал по распределению мастером, инженером производственно-технического отдела в строительно-монтажном тресте № 6/29 Главзападуралстроя.
С 1975 г. и по настоящее время работает на кафедре строительных конструкций Пермского государственного технического универси
тета в должности доцента, а с 2001 г. в должности заведующего кафедрой.
В 1984 г., после окончания очной аспирантуры при кафедре «Экономика строительства» МГСУ (МИСИ), защитил там же кандидатскую диссертацию, посвященную проблемам эффективного применения клееных деревянных конструкций в современном строительстве.
Основное направление научной деятельности - изучение действительной работы строительных конструкций в условиях Западного Урала, оценка технического состояния стальных, железобетонных и деревянных конструкций, эксплуатирующихся в агрессивной среде калийных комбинатов.
Активно привлекает к научно-исследовательской работе студентов старших курсов строительного факультета, руководит аспирантами.
Опубликовал 10 учебно-методических работ и более 50 брошюр и статей по научной тематике.
223
Учебное пособие
Калугин Александр Васильевич
ДЕРЕВЯННЫЕ КОНСТРУКЦИИ
Конспект лекций
Редактор: Н.В. Бабинова Дизайн обложки: Н.С. Кузнецова Компьютерная верстка: К). В. Козлова
Лицензия ЛР № 0716188 от 01.04.98. Сдано в набор 23.06.2003
Подписано к печати 30.03.2003. Формат 70x100/16. Бумага офсетная. Гарнитура Таймс. Печать офсетная.
У си. 14 п. л. Тираж 2000 экз. Заказ № 8556
Издательство Ассоциации строительных вузов (АСВ) 129337, Москва, Ярославское шоссе, 26 тел., факс 183-57-42 e-mail: iasv@noma.ru
Отпечатано в полном cootbcictbhii
с качеством предоставленного оригинал-макета в ППП «Типография «Наука»
121099, Москва. Шубинский пер., 6