Конструкции деревянных рам

Рамы являются одним из основных классов несущих дере­вянных конструкций. Их форма вполне соответствует большин­ству производственных и общественных зданий. Вертикальные стойки и наклонные ригели служат основами для настилов по­крытий и обшивок стен. Однако рамы требуют большего расхода древесины на изготовление, чем арки, поскольку форма их осей менее» чем осей арок, соответствует закономерностям действу­ющих в них распределенных и особенно сосредоточенных нагру­зок. В отечественном строительстве в основном применяют однопролетные двускатные рамы при пролетах 12...24 м, в зарубеж­ном строительстве — рамы пролетом до 60 м. Деревянные рамы можно разделить по ряду признаков.

По статическим схемам деревянные рамы могут быть ста­тически определимыми и однократно статически неопределимыми. Трехшарнирная рама (рис. 7, а) является статически опре­делимой. Преимуществом этой схемы является независимость действующих в ее сечениях усилий от осадки фундаментов и относительная простота решений шарнирных опорных узлов. К не­достаткам относится возникновение больших изгибающих момен­тов в карнизных сечениях или узлах.

Двухшарнирная схема с жесткими опорными узлами (рис. 7, б) является однажды статически неопределимой. Преиму­ществами этой схемы являются отсутствие изгибающих момен­тов в шарниных соединениях ригеля со стойками. Это упрощает их конструкцию и дает возможность применения в качестве риге­ля клеедеревянных балок, арок с затяжками, сегментных и тре­угольных ферм. Недостатками этой схемы являются наличие жестких опорных узлов, в которых действуют изгибающие мо­менты и конструкции которых сложнее шарнирных, а также за­висимость величин усилий в таких рамах от осадок опор.

Двухшарнирная схема с шарнирными опорными узлами (рис. 7, в) тоже однажды статически неопределима. Преимущест­вами этой рамы являются отсутствие изгибающих моментов в шарнирных опорных узлах, что позволяет просто решать их конструкцию, и возможность применять в качестве ригеля клеедеревянные балки и фермы, имеющие опорные стойки, например пятиугольные. Недостатком этой схемы является наличие жест­ких карнизных узлов, в которых действуют изгибающие момен­ты, усложняющие решение их конструкций.

 

 

Рис. 7. статические схемы деревянных рам

а – трехшарнирная; б – двухшарнирная жестко опертая;

в - двухшарнирная шарнирно опертая

 

 

По конструкции деревянные рамы делятся на трех- и двухшарнирные клеедеревянные, цельнодеревянные и клеефанерные.

Трехшарнирные клеедеревянные рамы заводского изготовле­ния являются одним из основных видов деревянных рам. Они бывают бесподкосными и могут иметь от двух до четырех подко­сов (рис. 8). Элементы этих рам имеют прямоугольные клееде­ревянные сечения постоянной ширины и переменной, а в подко­сах постоянной высоты.

Гнутоклееная трехшарнирная рама (рис. 8, а) состоит из двух полурам Г-образной формы прямоугольного переменного по высоте сечения, изогнутых при изготовлении в зоне будущего карниза. Первым достоинством этой рамы является то, что она состоит только из двух крупных элементов — полурам, которые соединяются при сборке всего тремя узлами — двумя опорными и одним коньковым. Это сводит к минимуму время и трудоем­кость сборки и установки таких рам. Второе достоинство — это переменная высота сечений — максимальная в зоне выгиба, где действуют максимальные изгибающие моменты, и минимальная в узлах, где моменты отсутствуют. Это позволяет экономить древесину и рационально использовать ее прочность.

Гнутоклееная рама имеет и существенные недостатки. Тран­спортирование крупных изогнутых полурам при значительных расстояниях мест установки от завода-изготовителя встречается со значительными габаритными затруднениями. Сжимающие на­пряжения в сечениях гнутых участков значительно выше, чем в прямых, а расчетные сопротивления сжатию, которые зависят от отношения радиуса выгиба к толщине изогнутых досок, сущест­венно ниже. Это приводит к повышенному расходу древесины и клея и тем большему, чем меньше это отношение. Это отноше­ние, однако, не должно быть меньше, т.е. λ≤150.

Технология изготовления гнутых клеедеревянных полурам переменного сечения более сложна и трудоемка, чем прямых эле­ментов. При изготовлении этих полурам требуются тонкие доски, позволяющие гнуть их по минимальному допускаемому радиу­су— r≥150δ. Это повышает трудоемкость изготовления, расход древесины при острожке и клея. Кроме того, в зонах карниза для опирания на них настила покрытия требуются дополнитель­но наклонные стержни.

Ломаноклееная рама (рис. 8,6), называемая также клеедеревянной рамой с жестким стыком на зубчатых шипах, состоит из двух полурам. Каждая полурама имеет Г-образную форму с переломом оси в месте будущего карниза. Полу рама состоит из двух прямых элементов – стойки и полуригеля, имеющих переменные сечения, максимальные в зоне перелома оси. Эти элементы соединяются под необходимым углом наклонным зубча­тым шипом. Ломаноклееная рама имеет существенные достоин­ства. Так же как и гнутоклееная, она малотрудоемка при монта­же, но отличается от нее большей простотой и меньшей трудоем­костью изготовления. Ломаноклееные полурамы изготовляются из прямых заготовок постоянного сечения, которые склеиваются из досок любой допускаемой толщины и затем распиливаются по диагонали для получения сечения переменной высоты. Благо­даря этому экономятся древесина при острожке, а также клеи. Эти рамы не требуют дополнительных стержней для опирания настилов в карнизных узлах.

К недостаткам ломаноклееной рамы относится то, что их трудно транспортировать, древесина в зоне перелома оси и зуб­чатого стыка, где действуют максимальные изгибающие моменты, работает на нормальные напряжения от сжатия с изгибом под значительным углом к направлению волокон. Ее расчетные со­противления при этом существенно снижаются и, следовательно, увеличиваются размеры этого сечения, повышается расход клееной древесины на раму. Замена древесины в этих сечениях более прочным материалом, например древесным пластиком, позволила бы получить значительную экономию материала.

Клеедеревянная трехшарнирная четырехподкосная рама (рис. 8, а) состоит из двух стоек, двух полуригелей переменной вы­соты сечения и четырех подкосов постоянного сечения, соединяю­щих стойки с ригелем. Подкосы создают дополнительные кро­ме стоек опоры для ригеля, что приводит к уменьшению изгибаю­щих моментов в ригеле по сравнению с бесподкосной рамой. Особенно уменьшаются при этом моменты в стойках. Эта рама является сборно-разборной и состоит из прямых клеедеревянных элементов, простых в изготовлении, которые без затруднений могут транспортироваться любым видом транспорта. Основным недостатком этой рамы является большее, чем в бесподкосных рамах, число элементов и узлов, что повышает трудоемкость изготовления и сборки. Подкосы также сокращают свободное пространство помещений, поэтому применение этих рам наиболее рационально в покрытиях навесов.

Двухподкосная клеедеревянная трехшарнирная рама (рис. 8, г) состоит из двух стоек, двух полуригелей переменного сечения и двух подкосов постоянного сечения, К недостаткам этой рамы относится наличие значительных растягивающих уси­лий в карнизных узлах, для воспринятая которых необходимо применение металлических креплений и винтов. Кроме того, из­гибающие моменты в стойках и ригелях этой рамы значительно больше, чем в рамах с парными подкосами. Подкосы уменьшают свободное пространство помещения.

Клеедеревянная трехшарнирная рама с опорными подкосами (рис. 8, д) состоит из двух полуригелей переменного сечения, двух подкосов и двух стоек постоянного сечения. Основные достоинства этой рамы те же, что и прочих подносных рам. Ос­новные недостатки — это работа стоек на растяжение и изгиб от ветровой нагрузки, что усложняет конструкцию их узловых креплений, и значительная длина сжатых подкосов, сечения ко­торых определяются из условия предельно допускаемой гибкости.

Клеедеревянная трехшарнирная рама с наружными раскоса­ми (рис. 8, е) отличается от предыдущей только наружным расположением раскосов. Достоинства ее и недостатки те же, что и прочих подносных рам. Наружные раскосы работают в этой раме на растяжение и могут выполняться как из клееной древесины, так и из стали, при этом они не уменьшают внутреннего пространства помещения.

 

Рис. 8. Клеедеревянные трехшарнирные рамы

а –гнутоклееная; б –ломаноклееная; в – четырехподкосная;

г – двухподкосная; д – с внутренними опорнымиподкосами;

е - с наружными опорными раскоса­ми

 

Двухшарнирные клеедеревянные рамы (рис. 9) состоят из трех конструктивных элементов — двух вертикальных стоек и горизонтального ригеля. Их основное достоинство — это относи­тельная простота изготовления и транспортирования прямых сто­ек и балочных конструкций ригелей по сравнению с гнутыми и ломаными полурамами. Кроме того, их горизонтальные ригели удобны для крепления к ним необходимого в некоторых помеще­ниях подвесного потолка. Недостатком их является большая тру­доемкость сборки и зависимость усилий в элементах от возмож­ных осадок опор.

Двухшарнирная клеедеревянная рама с жесткими опорными узлами (рис. 9, а и б) может иметь две клеедеревянные стойки постоянного, переменного или ступенчатого сечения. Стойки пе­ременного сечения наиболее экономичны по расходу древесины, так как в опорном сечении, где действуют максимальные момен­ты, имеют наибольшую высоту. Стойки постоянного сечения проще в изготовлении, а стойки ступенчатой формы позволяют опирать на их ступени клеедеревянные балки мостовых кранов небольшой грузоподъемности.

Ригель этой рамы может представлять собой клеедеревянную двускатную балку, арку с затяжкой, сегментную или треуголь­ную клеедеревянную ферму, шарнирно опирающуюся на стоики. Решение шарнирных узлов опирания этих конструкций настойки не представляет затруднений. Основным недостатком этой рамы является относительно большая сложность жестких опорных узлов стоек, чем шарнирных. Двухшарнирная рама с жесткими опорными узлами может иметь также комбинированную кон­струкцию. При этом клеедеревянные конструкции ригеля шар­нирно опираются на сборные, жестко опираемые железобетонные колонны. Деревянные конструкции ригеля здесь менее подверже­ны опасности загнивания и повреждения, а конструкции жестких опорных узлов железобетонных колонн являются стандарт­ными.

Двухшарнирная клеедеревянная рама с шарнирными опор­ными узлами(рис. 9, 0) может иметь две стойки постоянного или переменного клеедеревянного сечения наименьшей высоты в опорных узлах, где нет изгибающих моментов. Ригелем этой рамы может служить клеедеревянная двускатная балка или пя­тиугольная ферма. Они крепятся к стойкам на разных высотах, образуя жесткое рамное соединение. Достоинством этой рамы является простая конструкция шарнирных опорных узлов, а не­достатком — более сложное решение жестких креплений ригеля к стойкам. Однако значительная жесткость ригелей позволяет не учитывать при решении этих креплений изгибающих моментов от действующих на ригель основных вертикальных нагрузок.

Трехшарнирная дощато-гвоздевая рама состоит из дошато-гвоздевых двутавровых стоек и полуригелей переменной высоты. Пояса этих элементов состоят из толстых двойных досок, а стен­ка — из двух слоев перекрестных слоев тонких досок. Соединени­ями их служат гвозди и болты. Такие рамы являются простыми, но трудоемкими в изготовлении и в настоящее время применяют­ся редко.

Трехшарнирные сквозные цельнодеревянные рамы состоят из стоек и полуригелей переменной высоты из брусьев или толстых досок, соединенных болтами. Эти рамы являются трудоемкими в изготовлении и в настоящее время не применяются.

Рис.9.Двухшарнирные клеедеревянные рамы

а - с жесткими опорами и аркой; б - с жесткими опорами и фермой;

в – с шарнирными опорами клеедеревянной балкой

Узлы клеедеревянных рам (рис. 10).

Опорные и коньковые узлы гнутоклееных и ломаноклееных рам могут иметь конструкции, аналогичные конструкциям опор­ных и коньковых узлов клеедеревянных арок. Опорные узлы этих рам выполняются с применением стальных башмаков с опорными листами, двойными фасонками и диафрагмами, пере­дающими усилия в стойках на фундаменты. При этом в гнутоклееной раме с постоянным сечением стойки диафрагма может быть приварена к опорному листу (рис. 10, а), а в ломаноклееной ра­ме со стыками переменной высоты между диафрагмой и опор­ным листом может быть оставлен зазор (рис. 10,6).

Коньковые узлы этих рам могут выполняться аналогично коньковым узлам трехшарнирных арок с применением стальных креплений или двусторонних клеедеревянных накладок и болтов.

 

Рис.10. Опорные узлы клеедеревянных рам

а – со стойкой постоянного сечения; б - со стойкой переменного сечения;

1 – стойки; 2 – стальной башмак;

3 – болт; 4 – анкер; 5 - сварка

 

 

Карнизные стойки ломаноклееных рам решены с применением зубчатых шипов, иногда с использованием вставок из древесного пластика повышенной прочности (рис. 11).

Узлы подносных клеедеревянных рам решаются в основном с применением наклонных лобовых упоров сжатых раскосов в ри­гели и в стойки и накладок и болтов. При этом для упора подко­сов в стойках и ригелях делаются соответствующие площади путем изменения их сечений. Опорные и коньковые узлы этих рам решаются аналогично таким же узлам гнутоклееной и лома­ноклееной рам. Карнизный узел подносной рамы может быть решен с помощью гнутой стальной накладки и винтов, соединя­ющих наружные кромки стойки и ригеля, где действуют растяги­вающие усилия. Опорный узел рамы с опорными подкосами мо­жет быть осуществлен с применением сварного башмака с удли­ненными боковыми фасонками, к которым болтами крепится растянутая стойка. Сжатый раскос упирается в опорный лист и крепится болтами. Крепление растянутой стойки к ригелю выпол­няется с помощью П-образного стального хомута и болтов.

Узлы двухшарниных клеедеревянных рам решаются в соот­ветствии с их жесткой или шарнирной схемой. Жесткий опор­ный узел решается аналогично жесткому опорному узлу клеедеревянной стойки. Шарнирный опорный узел такой рамы выполняется аналогично таким же узлам трехшар­нирных клеедеревянных рам. Шарнирный карнизный узел двухшарнирной рамы решается аналогично опорным узлам кон­струкций, служащих ригелями этих рам.

Жесткий карнизный узел двухшарнирной клеедеревянной ра­мы может быть эффективно решен с применением стальных креплений и вклеенных стальных стержней. Крепления могут состоять из листовых фасонок и приваренных к ним стержней из арматуры периодического профиля. Стержни вклеиваются в древесину ригеля и стойки на разных уровнях. Листовые фасонки соединяются между собой при сборке рамы болтами. Эти крепле­ния обеспечивают воспринятие опорных реакций ригеля и изги­бающих моментов.

Узлы подносных рам из брусьев и бревен выполняются в виде лобовых упоров и врубок. Опорные узлы этих рам могут иметь простейшие конструкции опорных узлов шарнирно опертых цельнодеревянных стоек.

 

 

Рис.11. Карнизные стыки ломаноклееных рам

а – с зубчатым шипом; б – со вставкой из древесного пластика;

1 – стойка; 2 – ригель; 3 – зубчатые шипы; 4 - вставка

Цельнодеревянные рамы из брусьев или бревен или из тол­стых досок имеют определенные достоинства. Они могут быть изготовлены в пределах любой строительной площадки в помеще­нии или под навесом в любое время года и не обязательно в за­водских условиях. Их могут изготовлять подсобные организации строек. Их стоимость ниже клеедеревянных.

К недостаткам относится то, что их изготовление трудно ме­ханизируется, требует расхода дефицитных лесоматериалов крупных сечений и больших затрат ручного труда рабочих высо­кой квалификации. Пролеты этих рам невелики, обычно до 15 м.

Основная область применения — небольшие здания, возводи­мые в районах, где нет заводского изготовления деревянных конструкций.

Подносные рамы (подносные системы) из брусьев или бревен являются наиболее простыми по конструкции. Пролеты их в большинстве случаев не превышает 9 м (рис. 12). Подкосная трехшарнирная рама (рис. 12, а) состоит из двух стоек, двух полуригелей и четырех подкосов. При малых пролетах и нагрузках эта рама может иметь только два внутренних подкоса.

Подбалочно-подкосная трехшарнирная рама (рис. 12, б) име­ет дополнительно две подбалки над стойками и повышенную несущую способность.

Ригельно-подкосная двухшарнирная рама (рис. 12, в) имеет дополнительный ригель между подкосами и еще большую несу­щую способность. Такая рама применяется также в небольших мостах. Подносные цельнодеревянные рамы могут объединяться в многопролетные конструкции, позволяющие перекрывать поме­щения с большими площадями. При этом степень их статической неопределимости может быть значительной.

Трехшарнирная клеефанерная рама состоит из коробчатых клеефанерных элементов переменной высоты, максимальной в карнизном узле и может найти применение. Она отличается от­носительно малой массой и небольшим расходом клееной древе­сины. Однако она требует расхода дефицитной строительной фанеры, но является трудоемкой в изготовлении и имеет пони­женный предел огнестойкости..

 

Рис.12. Цельнодеревянные рамы из брусьев или бревен:

а – трехшарнирная подкосная;

б - трехшарнирная подбалочно – подкосная;

в - двухшарнирная ригельно – подкосная;

1 – стойка; 2 – ригель; 3 – подкос;

4 – подбалка; 5 - ригель