ДЕРЕВО КАК МАТЕРИАЛ ИНЖЕНЕРНЫХ СООРУЖЕНИЙ. РАСЧЕТ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИИ ЦЕЛЬНОГО СЕЧЕНИЯ. СОЕДИНЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ДЕРЕВЯННЫХ КОНСТРУКЦИЙ. ПРОСТЕЙШИЕ СТРОПИЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ. ПРОСТРАНСТВЕННОЕ КРЕПЛЕНИЕ ПЛОСКОСТНЫХ ДЕРЕВЯННЫХ КОНСТРУКЦИЙ
ВВЕДЕНИЕ
Древесина как строительный материал известна с незапамятных времен. В старину древесина применялась в простых конструктивных формах – в виде стоек и балок покрытий при устройстве жилищ и других простейших зданий. С течением времени искусство строить из древесины совершенствовалось, и появились более сложные формы несущих деревянных конструкций.
В нашей стране при изобилии лесных богатств древесина всегда являлась основным, наиболее доступным строительным материалом. Исторические и географические условия древней Руси способствовали развитию деревянного зодчества, созданию замечательных кадров русских строителей. Накапливая из поколения в поколение опыт и мастерство, русские зодчие создавали непревзойденные по уровню строительного искусства деревянные сооружения: из дерева строили целые города, крепостные сооружения, дворцы, храмы и мосты.
Страницы летописи повествуют о том, что еще в 1115 г. при Владимире Мономахе в Киеве был построен большой деревянный наплавной мост через Днепр. В Новгороде существовал постоянный мост через Волхов, о разрушении которого в 1335 г. ледоходом упоминается в Новгородской летописи. Известны также деревянные мосты, построенные в 1380 г. Дмитрием Донским через Волгу в Твери и через Дон близ Куликова поля.
Шедевром русского инженерного творчества в области деревянных конструкций является проект одноарочного моста пролетом в 300 м через Неву, выполненный механиком Российской Академии наук Иваном Петровичем Кулибиным.
Другим выдающимся деятелем в области деревянного мостостроения в России был Дмитрий Иванович Журавский. Деревянные мосты, построенные Д.И.Журавским в середине XIX века: Веребьинский с девятью пролетами по 51 м, Мстинский – с девятью пролетами по 61 м, Волховский – с пятью пролетами по 52 м – являются гордостью русского инженерного искусства. Замечательные научные труды и практическая деятельность Д.И.Журавского дают полное право считать его одним из основоположников русской школы инженерных деревянных конструкций.
В качестве примеров выдающихся деревянных конструкций гражданских зданий, осуществленных в России, следует отметить: стропильные фермы покрытия Московского Манежа пролетом 49,6 м, построенные в 1817 г. и сохранившиеся до настоящего времени; стропила над декорационным залом Большого театра в Москве пролетом 31 м, установленные в 1854 г. и разобранные лишь в 1950 г. при реконструкции зала.
Потрясают своей красотой конструкции Успенского шатрового храма в Кондопоге высотой 42 м (1774 г.); 22-главого, высотой 35 м, Преображенского храма в Кижах на Онежском озере (1714 г.).
В прошлом веке труды советских ученых (В.С.Деревягина, Г.Г.Карлсена, М.Е.Кагана, В.Ф.Иванова, В.М.Коченова и др.) значительно обогатили науку в области деревянных конструкций.
Советским инженерам (В.Г.Писчикову, Г.В.Свенщицкому, А.Р.Ржаницину, П.Ф.Плешкову) принадлежит приоритет разработки методов расчета деревянных составных стержней на податливых соединениях.
Исследования отечественных ученых (Ф.П.Белянкина, Ю.М.Ива- нова и др.) в области пластичности и длительного сопротивления древесины создали предпосылки для перехода к новым прогрессивным методам расчета деревянных конструкций по предельным состояниям.
Интерес к деревянным конструкциям не снизился и в наши дни. Многие ученые указывают на необходимость применения в строительстве новых эффективных материалов и облегченных конструкций, в том числе клееных деревянных конструкций. Отмечается, что при проектировании и строительстве следует уменьшать вес сооружения, а это возможно при уточненном расчете конструкций и изготовлении их из более легких материалов. Решению этих задач способствует развитие вопросов расчета конструкций на устойчивость плоской формы деформирования, усиление интереса к применению при небольших пролетах и нагрузках дощатых конструкций из цельной древесины с металлическими соединениями различного вида, уточнение расчетных характеристик древесины с учетом ее сортности; происходят также другие изменения в области проектирования конструкций из дерева.
ГЛАВА 1. ДЕРЕВО КАК МАТЕРИАЛ ИНЖЕНЕРНЫХ СООРУЖЕНИЙ
Общие сведения
Древесина – хороший и дешевый строительный материал, широко применяется в строительстве, но, как всякий строительный материал, имеет свои достоинства и недостатки. Поэтому при проектировании и возведении деревянных сооружений и несущих конструкций необходимо максимально использовать положительные свойства древесины и свести к минимуму влияние ее отрицательных свойств. Строительная практика показывает, что при нормальных условиях работы древесины в сооружении срок службы ее, вообще говоря, не ограничен. Например, в одном из монастырей под Новгородом деревянные части зданий прослужили с 1198 г. по 1941 г. без видимых дефектов. Однако при неблагоприятных условиях работы древесина может придти в негодность чрезвычайно быстро. Например, верхушки деревянных свай, находящиеся на уровне переменного горизонта вод, могут разрушиться от гниения через 3-5 лет.
Из этого следует, что строительство из древесины требует особого внимания, тщательного анализа условий работы древесины и устранения причин, способствующих проявлению ее отрицательных свойств. При полном соблюдении норм, рекомендаций на проектирование, изготовление, монтаж и эксплуатацию деревянных конструкций, такие конструкции надежны, долговечны и экономичны.
Строение и химический состав
Основными составными частями древесины являются целлюлоза и лигнин. Значение этих веществ в строении древесины неодинаково. Основным структурным… Межклеточное вещество, состоящее в основном из лигнина, имеет весьма небольшую… Строение древесины упрощенно можно представить как пучок трубок, связанных межклеточным веществом.Физические свойства древесины
где G1 – вес образца до высушивания; G2 – вес образца после высушивания до постоянного веса.Химическая стойкость древесины
Древесина является химически более стойким материалом, чем металл и железобетон, поэтому деревянные конструкции можно рекомендовать для применения в зданиях с химически агрессивной средой. В зависимости от вида химической агрессии древесину можно использовать без дополнительной защиты или защищая ее покраской или поверхностной пропиткой. Применение деревянных конструкций целесообразно при строительстве складов для таких агрессивных сыпучих материалов, как калийные и натриевые соли, минеральные удобрения, разрушающие сталь и бетон.
Для зданий с химически агрессивной средой следует применять сплошные, монолитно склеенные безметальные конструкции, не имеющие зазоров и щелей. Для покрытий используют клеефанерные панели, имеющие гладкую поверхность без выступающих частей.
Механические свойства древесины
Реологические свойства учитываются при назначении расчетных сопротивлений. Под действием постоянной нагрузки непосредственно после ее приложения в… Так как древесина является анизотропным материалом, ее механические свойства… Для обоснованного расчета элементов деревянных конструкций необходимо знать прочность древесины при различных видах…Работа древесины на различные виды силовых воздействий
При ослаблении деревянных элементов отверстиями и врезками их прочность снижается больше, чем получается при расчете по площади нетто. Здесь… Диаграмма работы сосны на растяжение, в которой по оси абсцисс откладывается…Достоинства и недостатки древесины как строительного материала
8 Прочность и легкость. 8 Простота заготовки и обработки. 8 Производственные особенности – строительство из древесины не связано с удорожанием работ в зимнее время. Древесина…Классификация и сортамент лесоматериалов
Породы древесины. Для изготовления деревянных несущих конструкций обычно применяют лесные материалы хвойных пород: сосну, ель, лиственницу, кедр и пихту. Среди лесных насаждений России хвойные леса наиболее распространены. Древесина хвойных пород превосходит по прочности древесину большинства распространенных лиственных пород и меньше подвержена загниванию. Стволы хвойных деревьев имеют более правильную форму, что позволяет полнее использовать их объем. Наиболее часто используется сосна.
Сосна, по месту произрастания делится на сосну мяндовую и сосну рудовую. Мяндовая предпочитает низменные почвы, древесина ее неплотная, рыхлая, менее слоистая чем у рудовой сосны и поэтому склонна к загниванию во влажной среде. Она очень хорошо обрабатывается, прекрасно пропитывается и мало подвержена короблению. Рудовая сосна, в отличие от мяндовой, произрастает на холмах, различных возвышенностях и предпочитает каменистую суглинистую или супесчаную почву. Древесина ее смолиста и мелкослойна, обладает достаточно высокой плотностью. Именно эти качества обеспечили рудовой сосне достойное место в сфере домостроительных технологий (полы, конструкции крыш, стены, внутренние перегородки).
Ельпо ряду характеристик уступает сосне. Она хуже обрабатывается, менее плотная и менее прочная, чем сосна. Существенно ухудшает потребительские свойства ели ее сучковатость и повышенная твердость. Склонность древесины ели к загниванию ограничивает ее использование в местах, подверженных влиянию влаги. В домостроении ель используется в изготовлении дверных блоков, полов, внутренних перегородок, мебели.
Лиственница отличается высокой плотностью, устойчивостью против гниения, твердостью. Последнее существенно затрудняет обработку лиственницы, что в какой-то мере ограничивает ее применение в строительстве. Но остальные качества, плюс обладание высокой стойкостью от коробления обеспечивают лиственнице репутацию ценного строительного материала.
Лиственница, как никакой другой материал, требует очень умеренного режима сушки с соблюдением всех мер предосторожности. Дело в том, что при интенсивной сушке в лиственнице появляются трещины. В домостроении лиственница применяется прежде всего там, где требуется высокая устойчивость против гниения. Кроме этого лиственница зарекомендовала себя как хороший материал для изготовления паркетных планок.
Кедр сибирскийпо своим физико-механическим свойствам занимает промежуточное место между елью и пихтой. Древесина у кедра мягкая, легкая, хорошо подвергается обработке. При специальной обработке приобретает повышенную стойкость против гниения. В домостроении задействуется в основном там же, где и сосна. Но это хороший материал и для узлов и конструкций, испытывающих перепады влажностного и температурного режимов.
Пихта сибирскаяпо своим качествам сходна с древесиной ели, но уступает ей по прочности и плотности. И в чем не уступает ели только пихта кавказская. Применение пихты довольно распространенное (особенно пихты кавказской). Это и дверные и оконные блоки, полы, плинтуса, раскладки, фризы и много других изделий. Во внешних деревянных конструкциях пихта не задействуется ввиду низкой стойкости против загнивания.
Применение древесины твердых лиственных пород (дуба, бука, ясеня, граба, клена) допускается лишь в тех районах, где эти породы являются местным строительным материалом.
Дуб черешчатый (летний) обладает большой прочностью и стойкостью против загнивания и употребляется главным образом на мелкие ответственные части деревянных конструкций в виде нагелей, шпонок, вкладышей и т.п. Единственное, что не следует забывать – древесина дуба подвержена раскалыванию при забивании в нее гвоздей или завинчивании шурупов без предварительной проходки канала отверстия сверлом меньшего диаметра.
Бук по основным качествам (прочность и твердость) мало в чем уступает дубу, но его древесина имеет высокую гигроскопичность и поэтому больше подвержена гниению. В то же время древесина бука высокотехнологична: хорошо обрабатывается любым инструментом, хорошо гнется под паром. В домостроении применяется не так широко, как дуб (из-за гигроскопичности), но зато очень востребована в отделочных работах.
Для изготовления открытых наслонных стропил и обрешетки в покрытиях постоянных зданий с чердаком, а также для строительства временных зданий (складов, навесов, сараев и др.) и сооружений вспомогательного назначения (эстакад, вышек и др.) следует широко применять древесину мягких лиственных пород – осину, березу, бук, липу, тополь и ольху, но с обязательной усиленной защитой от гниения.
Круглые лесоматериалы. Применяемые в промышленном и гражданском строительстве лесоматериалы делятся на круглые и пиленые. Для каждого из этих видов материалов соответствующими стандартами установлены их классификация, сортность, сортамент, вид обработки, требования к качеству, допускаемые отклонения от нормальных размеров и условия приемки.
Бревно строительное может использоваться в круглом виде или в качестве сырья для получения пиломатериалов. Пиловочные бревна имеют следующие стандартные размеры.
Таблица 1.1.
| Группа | Толщина, см | Градация по толщине, см |
| Мелкие | 6 – 13 | |
| Средние | 14 – 24 | |
| Крупные | 26 и более |
Длина бревен от 3 до 6,5 м с градацией через 0,5 м. Увеличение толщины бревна по длине называется сбегом. В среднем сбег составляет 0,8 см на 1 м длины. Более массивная часть бревна называется комлем, а противоположная – верхним отрубом. Диаметр бревна замеряется в верхнем отрубе. Бревна длиной более 6,5 м заготовляют по специальному заказу для опор линий электропередач и связи.
Пиленые лесоматериалы. К пиленым лесным материалам относятся:
¨ двукантные брусья, у которых опилены лишь две стороны (рис. 1.2.а);
¨ четырехкантные брусья, у которых опилены все четыре стороны (рис.1.2.б и в);
¨ бруски, опиленные с четырех сторон, толщиной не более 10 см и шириной не более двойной ширины (рис.1.2.г);
¨ доски толщиной не более 10 см и шириной более двойной толщины: доски делятся на тонкие, толщиной до 3,2 см (рис.1.2.д) и толстые – более 3,2 см (рис.1.2.е).
Рис. 1.2. Пиленые лесоматериалы: а – двукантный брус,
б – обзольный четырехкантный брус, в - чистообрезной
четырехкантный брус, г – брусок, д – тонкая доска,
е - толстая доска
Пиломатериалы имеют стандартные размеры, приведенные в таблице 1.2.
Таблица 1.2.
Сортамент пиломатериалов хвойных пород
| Толщина, мм | Ш и р и н а, мм | ||||||||
| - | - | - | - | - | |||||
| - | - | - | - | ||||||
| - | - | ||||||||
| - | |||||||||
| - | - | - | |||||||
| - | - | - | - | ||||||
| - | - | - | - | - | |||||
| - | - | - | - | - | - | ||||
Длина пиломатериалов 1-6,5 м с градацией 0,25 м.
В зависимости от качества древесины и ее обработки на доски установлено пять сортов: отборный, 1-й, 2-й, 3-й и 4-й, а на брусья – четыре сорта: 1-й, 2-й, 3-й и 4-й. Для строительства используют пиломатериалы 1-го, 2-го и 3-го сорта.
Таблица 1.3
Расчетные сопротивления сосны, ели
| Напряженное состояние и характеристики элементов | Расчетные сопротивления, МПа (кгс/см2), для сортов древесины | ||
| 1. Изгиб Rи, сжатие Rс и смятие Rсм вдоль волокон: а) элемент прямоугольного сечения (за исключением указанных в подпунктах б) и в)) высотой до 50 см б) элемент прямоугольного сечения шириной свыше 11 до 13 см при высоте сечения свыше 11 до 50 см в) элемент прямоугольного сечения шириной свыше 13 см при высоте сечения свыше 13 до 50 см г) элементы из круглых лесоматериалов без вырезок в расчетном сечении | 14 15 16 - | 13 14 15 16 | 8,5 10 11 10 |
| 2.Растяжение вдоль волокон Rр | 10 | 7 | - |
| 3.Сжатие Rс90 и смятие Rсм90 по всей площади поперек волокон | 1,8 | 1,8 | 1,8 |
| 4.Смятие поперек волокон Rсм90 местное: а) в опорных частях конструкций, лобовых врубках б) под шайбами при углах смятия 90-60° | 3 4 | 3 4 | 3 4 |
| 5.Сдвиг (скалывание) вдоль волокон Rск: а) при изгибе б) в лобовых врубках | 1,8 2,4 | 1,6 2,1 | 1,6 2,1 |
| 6. Сдвиг (скалывание) поперек волокон Rск90 | 1 | 0,8 | 0,6 |
| 7.Расчетное сопротивление древесины смятию под углом a к направлению волокон Rсмa | 
|
ГЛАВА 2. РАСЧЕТ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИИ ЦЕЛЬНОГО СЕЧЕНИЯ
Основы расчета по предельным состояниям
Рассматривают два вида предельных состояний: 1) по несущей способности (прочности, устойчивости); 2) по деформациям (прогибам, перемещениям).Центральное растяжение
где sр – напряжения растяжения в элементе, N – внешнее растягивающее усилие,Центральное сжатие
Þ прочность (для коротких элементов, длина которых l не превосходит l £ 7b, где b – ширина поперечного сечения элемента); Þ устойчивость (для прочих элементов проводится расчет на продольный… Расчет на прочность. Проводится по формулеИзгибаемые элементы
Рис. 2.2. Распределение нормальных напряжений по высоте сечения при поперечном изгибе балкиСжато-изгибаемые элементы
Проверка на прочность проводится по формуле где sс – сжимающие напряжения в сечении элемента;Растянуто-изгибаемые элементы
, где Ант, Wнт – площадь и момент сопротивления сечения нетто; Mq – изгибающий момент от поперечной нагрузки.ГЛАВА 3. СОЕДИНЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ДЕРЕВЯННЫХ КОНСТРУКЦИЙ
Общие сведения
Размеры деревянных элементов – бревен, брусьев или досок – ограничены сортаментом, как в отношении длины, так и в отношении поперечного сечения. Поэтому при возведении деревянных сооружений или конструкций приходится отдельные элементы соединять между собой по длине, в поперечном сечении, а также под углом.
Соединения элементов деревянных конструкций по способу передачи усилий разделяются на следующие виды:
· соединения, в которых усилия передаются непосредственным упором контактных поверхностей (врубка);
· соединения на механических связях;
· соединения на клеях.
Несущая способность и деформативность деревянных конструкций в большой мере зависит от способа соединения их отдельных элементов. Соединения растянутых деревянных элементов, как правило, связано с их местным ослаблением. В ослабленном сечении растянутых деревянных элементов наблюдается концентрация опасных, не учитываемых расчетом местных напряжений. Наибольшую опасность в стыковых и узловых соединениях растянутых деревянных элементов представляют сдвигающие и раскалывающие напряжения. Она усугубляется в случае наложения этих напряжений на напряжения, которые возникают в древесине вследствие ее усушки.
Соединения на врубках
Соединения на врубках изготовляют простейшими средствами без применения специального оборудования. Все рабочие поверхности современных врубок… В связи с отсутствием рабочих стальных частей соединения на врубках вызывают… Соединения на врубках открыты и доступны осмотру, вследствие чего легко осуществляется контроль за качеством…Соединения на механических связях
Передача сил в соединениях с механическими связями происходит от одного элемента другому через отдельные точки (дискретно). Распределение силы по… Нагельные соединения.Нагелями в деревянных конструкциях называют плотно… Под влиянием действующих на соединение сил, нагель, кроме изгиба, работает еще на срез, а между телом нагеля и…ГЛАВА 4. ПРОСТЕЙШИЕ СТРОПИЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ
Общие сведения
Состав стропильного покрытия. Конструкция стропильного покрытия зависит от вида перекрываемого помещения, а также от наличия и расположения стен, колонн и других частей здания, могущих служить опорами для передачи нагрузок от кровли.
В огромном большинстве жилых и гражданских зданий опоры устраивают на незначительных расстояниях (4¸7 м) друг от друга, что весьма упрощает конструкцию покрытия, которое в этих случаях состоит из следующих основных элементов (рис.4.1.):
- кровли – водоизолирующей оболочки, защищающей здание и несущие конструкции от атмосферных воздействий;
- рабочего настила, воспринимающего через кровлю внешние нагрузки;
- стропильных ног, располагаемых перпендикулярно коньку крыши и служащих опорами для рабочего настила;
- прогонов и опорных брусьев, располагаемых в направлении продольной оси здания и воспринимающих нагрузку от стропильных ног;
- стоек и подкосов, поддерживающих прогоны и передающих нагрузку на внутренние стены и колонны.
Рис. 4.1. Конструктивные элементы стропильного покрытия
Подобные конструкции покрытия известны с давних времен и их называют наслонными стропилами. Наслонные стропила являются одной из наиболее эффективных областей применения древесины в конструкциях зданий: наслонные стропила экономичны, просты по своему устройству и выполнению, долговечны, так как работают в условиях сквозного проветривания, что в значительной степени устраняет возможность их загнивания.
В промышленных и гражданских зданиях при значительных расстояниях между наружными и внутренними опорами представленная схема покрытия остается в основном той же, но прогоны опираются не на стойки и подкосы, а на несущие деревянные пролетные конструкции – балки и фермы (рис.4.2.), которые, в свою очередь, передают нагрузку на стены, колонны или непосредственно на фундаменты. Прогоны укладывают преимущественно в узлах несущей конструкции.
Рис. 4.2. Конструктивные элементы покрытия по фермам
Но иногда целесообразна укладка прогонов и между узлами, например, в фермах с криволинейным очертанием верхнего пояса. Прогоны укладывают при таком решении равномерно по длине верхнего пояса на расстояние 1¸1,5 м друг от друга. При этом надобность в стропильных ногах отпадает, и настил опирается непосредственно на прогоны.
Расчетные нагрузки. Кроме постоянных нагрузок (собственный вес), на стропильные конструкции могут действовать следующие временные нагрузки:
Ø снеговая нагрузка, величину которой в зависимости от района строительства, наклона и формы крыши определяют по СНиП 2.01.07-85 «Нагрузки и воздействия»; действует вертикально.
Ø ветровая нагрузка, величина и распределение по высоте здания установлены СНиП 2.01.07-85; действует горизонтально.
Расчет элементов строительных конструкций производят при наиболее невыгодном для данного элемента сочетании постоянной и временной(-ых) нагрузок.
Настилы
Настилы могут быть одинарными или двойными, в последнем случае настилы состоят из верхнего слоя, называемого защитным, и нижнего, называемого…Стропильные ноги
из бревен d=12 см, из пластин d/2=14/2 см и из досок 5´10 см. Бревна и пластины укладывают в дело с сохранением сбега и небольшой окантовкой… Стропильные ноги, опираемые на прогоны ферм, чаще всего конструируют из досок, брусков или пластин, реже - из бревен.…Прогоны
Прогоны своими концами опираются на торцевые или брандмауэрные поперечные стены здания, а в промежутке между ними - на стойки или фермы. В конструкциях покрытий жилых, гражданских и промышленных зданий применяют… Разрезные прогоны. Разрезные прогоны выполняют из бревен или брусьев, стыкуемых на опорах: фермах или стойках…ГЛАВА 5. ФЕРМЫ
Общие сведения.
В современном промышленном и гражданском строительстве применяют деревянные фермы – однопролетные балочные. В отдельных случаях находят применение также трехшарнирные арки, составленные из балочных ферм или клееных блоков. Деревянные фермы изготовляют из круглого леса или пиломатериалов - брусьев и досок. Фермы имеют следующие элементы: верхний пояс, нижний пояс, решетку (стойки и раскосы).
Взаимное сопряжение указанных элементов в узлах осуществляют при помощи различных соединений (врубки, нагели, хомуты, шпонки).
Верхний пояс балочных ферм при вертикальной нагрузке, направленной сверху вниз, работает на сжатие, а нижний - на растяжение. Усилия в стойках и раскосах зависят как от направления этих стержней, так и от расположения нагрузок.
Самыми ответственными элементами деревянных ферм являются стержни нижнего растянутого пояса, на работе которых в большой мере сказывается вредное влияние неизбежных в строительной древесине пороков (сучков, косослоя, трещин), поэтому при конструировании, отборе лесоматериалов, изготовлении и наблюдении за фермами во время их эксплуатации, стержням нижнего пояса нужно уделять особое внимание.
С целью наиболее рационального использования достоинств конструктивных материалов, растянутые элементы деревянных ферм часто выполняют из стали. Такие фермы называют металлодеревянными.
По очертанию наружного контура фермы подразделяют на: треугольные, прямоугольные (с параллельными поясами), трапециевидные или полигональные с наклонным (двускатным или односкатным) прямолинейным верхним поясом[1], сегментные и многоугольные (рис.5.1).
Рис. 5.1. Схемы деревянных ферм: а – треугольная, б - прямоугольная, в – трапециевидная двускатная, г – трапециевидная односкатная, д – сегментная, е - многоугольная
При равномерной загрузке всей фермы вертикальной нагрузкой, усилия в стержнях решетки прямоугольных и пологих (уклон ~1/10) полигональных ферм возрастают от середины пролета к опорам, а в треугольных от опор к середине. Характер изменения усилий в поясах и решетке треугольных, прямоугольных и полигональных ферм представлен на рис.5.2.
Выбор схемы и типа деревянных ферм.
При оценке типов деревянных ферм в отношении расхода древесины необходимо иметь в виду, что стоимость древесины в большой мере зависит от степени… Существенное влияние на расход древесины и металла может оказать очертание… Рис. 5.2. Изменение усилий в стержнях фермы:Статический расчет ферм. Определение узловых нагрузок.
Статический расчет ферм начинают с определения нагрузок. При определении усилий в стержнях фермы принимается, что все нагрузки (включая… Расчет ферм должен установить наибольшие усилия, которые могут возникнуть в каждом элементе фермы при самой невыгодной…Фермы на лобовых врубках.
Общие сведения. Фермы, у которых сопряжение основных элементов – верхнего пояса с нижним, сжатых раскосов с поясами - осуществляется врубкой одного элемента в другой без применения других видов рабочих креплений, носят название ферм на врубках. Фермы на врубках выполняют из массивных лесоматериалов – бревен или брусьев.
Достоинства и недостатки ферм на врубках. Такие фермы изготовляют на строительной площадке без применения специального оборудования, они могут выполняться из полусухого, а в случае крайней нужды даже из сырого круглого леса. При этом возможное провисание ферм вследствие усушки древесины и обмятия сопряжений может быть устранено в процессе эксплуатации сокращением рабочей длины тяжей (подтягиванием их путем дополнительного завинчивания гаек).
К числу недостатков ферм на врубках следует отнести кустарность их изготовления, почти исключающую возможность механизации производственных процессов и требующую исполнителей высокой квалификации.
Область применения. Фермы достаточно широко распространены как в гражданском, так и в промышленном строительстве. Областью применения ферм на лобовых врубках с тяжами из круглой стали являются покрытия с кровлями из листовой стали, волнистых асбоцементных плит, черепицы, а также чердачные покрытия с подвесными потолками.
Очертания и схемы ферм. Основным типом стропильных ферм на лобовых врубках являются треугольные фермы для покрытий с крутым двускатным профилем, присущим большинству зданий. Реже применяют фермы с многоугольным или прямоугольным очертанием. Основные схемы применяемых ферм на лобовых врубках изображены на рис.5.3.
Простейшие треугольные фермы, образованные тремя элементами: двумя наклонными стропильными ногами и горизонтальной затяжкой, применяют при небольших пролетах – до 6 м (рис.5.3.а). Чердачное перекрытие ввиду небольшого пролета может быть оперто непосредственно на наружные стены.
Рис.5.3.Схемы ферм на лобовых врубках
При пролетах до 10 м и необходимости подвесить чердачное перекрытие к фермам применяют простейшие треугольные фермы со средней стойкой – подвеской, осуществляемой из круглой стали или дерева (рис5.3.б). Через подвеску нагрузку от чердачного перекрытия передают на верхний коньковый узел фермы.
При небольших расстояниях между фермами (1,5-3 м) нагрузку от кровли распределяют равномерно по длине верхнего пояса, вследствие чего иногда для разгрузки пояса и уменьшения его сечения ставят, кроме подвески, еще два подкоса (рис.5.3.в).
При необходимости перекрытия более значительных полетов применяют многопанельные треугольные (рис.5.3.г,д,е), трапециевидные (рис.5.3.ж) или прямоугольные фермы (рис.5.3.з).
Сопряжения на врубках могут работать только на сжатие, поэтому решетка ферм должна быть направлена так, чтобы раскосы всегда были сжаты, а стойки растянуты. Поэтому в треугольной ферме раскосы – нисходящие, а в трапециевидной или прямоугольной ферме – восходящие. При одностороннем загружении в многоугольных фермах в средних раскосах могут возникнуть растягивающие напряжения, при которых эти раскосы выключаются из работы. Предусматривая эту возможность, в средних панелях можно установить встречные (обратные) раскосы (на рис.5.3.ж,з показаны пунктиром), которые работают при одностороннем загружении на сжатие взамен основных раскосов.
| этих ферм ( |
Деревянный нижний пояс ферм будем проектировать из брусов прямоугольного поперечного сечения bнп´hнп.
Расчет нижнего пояса сводится к нахождению минимальной площади поперечного сечения пояса, обеспечивающей надежную работу конструкции.
Размеры сечения окончательно определяются при расчете опорного узла и стыковых сопряжений.
Сечение нижнего пояса делается постоянным по всей длине фермы. Для нахождения площади сечения нижнего пояса берут стержни с максимальными усилиями. Как мы уже отмечали, они расположены: в треугольных фермах - в опорной панели, в полигональной - в панелях средней части фермы.
Нижние пояса работают на растяжение. При правильном решении узлов фермы, и при отсутствии в рассматриваемой панели перелома оси пояса в стыке, растягивающую силу можно считать приложенной центрально.
Условие прочности нижнего пояса можно записать как
(5.1)
где Nнп – максимальное растягивающее усилие в элементах нижнего пояса,
Ант – площадь поперечного сечения нетто нижнего пояса (с учетом возможных ослаблений сечения), принимаемая обычно:
Ант=0,75×Абр – если конструкция опорного узла на натяжных хомутах,
Ант=0,67×Абр – если опорный узел на лобовой врубке (здесь Абр – полная площадь поперечного сечения),
Rр – расчетное сопротивление древесины растяжению, принимаемое по таблице 1.2.,
mв – коэффициент условий работы, учитывающий условия эксплуатации конструкции,
mо – коэффициент условий работы, учитывающий ослабление поперечного сечения, mо =0,8.
Выбор конструкции опорного узла фермы на данном этапе расчета осуществляется ориентировочно: при сравнительно больших усилиях в нижнем поясе (Nнп³9т) целесообразно выбрать конструкцию на натяжных хомутах, при малых усилиях – конструкцию на лобовой врубке.
Размеры поперечного сечения, определяемые по формуле (5.1), следует принимать в соответствии с сортаментом на пиломатериалы (табл.1.1.) так, чтобы высота сечения превышала ширину в 1,5–1,9 раза.
Подбор сечения верхнего пояса.
Центрально сжатые верхние пояса рассчитывают на прочность по формуле (5.2) и устойчивость по формулеПодбор сечения сжатых раскосов.
Раскосы рассчитывают как центрально сжатые стержни аналогично вышеприведенному расчету центрально сжатых поясов по формулам (5.2),(5.3). За расчетные длины раскосов lx и ly (в конструкциях, приведенных на рис.5.3. lx=ly) принимается расстояние между центрами узлов фермы. Раскосы выполняются из деревянного бруса сечением bpxhp. Как уже было отмечено bp=bнп=bвп, высота сечения раскоса может быть как больше ширины сечения, так и меньше ее.
Полученное расчетом сечение раскосов является минимально необходимым для обеспечения прочности ферм. Однако, из конструктивных соображений (см. проектирование и расчет промежуточных узлов) это сечение часто увеличивают.
Расчет растянутых стоек.
Рис. 5.4. Детали круглых стальных тяжейОпорные узлы деревянных ферм.
Опорные узлы брусчатых деревянных ферм решают на лобовых врубках с одним-двумя зубьями или на стальных хомутах.
Лобовую врубку с одним зубом применяют в опорных узлах простейших треугольных ферм при небольших пролетах и нагрузках. Лобовую врубку с двумя зубьями применяют в опорных узлах многопанельных ферм, когда врубка с одним зубом при ограниченной площади смятия не может обеспечить передачу значительных усилий, возникающих в этих фермах. Общим недостатком опорных узлов на врубках является наличие длинного участка нижнего пояса, работающего на скалывание, нередко мешающего правильному размещению фермы на верхней связке стены и требующего большого выноса карниза кровли.
Если усилия в элементах фермы велики, то опорные узлы могут быть решены на стальных хомутах, с тяжами из круглой стали.
Опорный узел на натяжных хомутах.
Рис. 5.5. Опорный узел фермы на натяжных хомутах Верхний сжатый пояс упирается во вкладыш. Усилие от опорного вкладыша… Опорные узлы на натяжных хомутах являются мощным, компактным и, вместе с тем, надежным средством сопряжения. Их…Расчет опорного узла на натяжных хомутах.
1) опорного вкладыша на смятие по плоскости примыкания верхнего пояса (или опорного раскоса в случае полигональной фермы) , где Nс – сжимающее усилие в верхнем, примыкающем элементе;Промежуточные верхние и нижние узлы.
Рис. 5.6. Промежуточный узел верхнего пояса Врубки с двумя зубьями, требующие точной подгонки большогоРасчет промежуточных верхних и нижних узлов.
Расчет промежуточных узлов ферм на врубках состоит в проверке смятия в лобовых врубках или упорах раскосов в пояс, а также в проверке прочности других сходящихся в узле элементов.
Напряжения смятия во врубках определяют по обычной формуле:
,
где Nр – сжимающее усилие в раскосе,
Aсм – площадь смятия врубки.
Проверку прочности ослабленных сечений поясов в промежуточных узлах и определение размеров шайб производят так, как было изложено выше.
Рис. 5.13. Центральный узел нижнего пояса
Рис. 5.14. Центральный узел нижнего пояса
Подвесные чердачные перекрытия
Основные сведения. При устройстве покрытий по фермам на врубках часто применяют подвесные чердачные перекрытия (подвесные потолки). Устройство… Рис. 5.15. Конструкция подвесного чердачного перекрытияСтроительный подъем.
Вследствие уплотнения многочисленных неплотностей в узлах, неизбежных при изготовлении деревянных конструкций, в начальный период эксплуатации неминуемо появление небольшого провисания фермы. В дальнейшем этот прогиб будет медленно возрастать, но уже в результате пластических деформаций. Между тем, для глаза такое провисание ферм очень неприятно. Поэтому всем нижним поясам ферм при изготовлении придается подъем, называемый "строительным", обычно принимаемый fстр=l/200. Этот подъем получают за счет перелома очертания нижнего пояса в местах стыков. Строительный подъем вызывает в сечении нижнего пояса дополнительный момент, что должно быть учтено в расчетах.
Расчет стыков поясов, выполненных из брусьев.
Стык элементов верхнего пояса не нуждается в дополнительных расчетах и выполняется конструктивно. Для предотвращения смещения сопрягаемых элементов из плоскости системы с двух сторон стыка ставят накладки, соединенные с элементами стяжными болтами d=12-16 мм, в количестве не менее двух болтов с каждой стороны стыка. Длину накладок принимают не менее трех высот соединяемых брусьев.
Расчет стыков нижних поясов сводится к определению количества и размера связей (расчет нагельного соединения), необходимых для передачи растягивающей силы, действующей в стыкуемом элементе, от одной его части на другую, и к проверке прочности наиболее ослабленного болтовыми отверстиями сечения.
Противогнилостные и противопожарные мероприятия.
1. Все части деревянных ферм, арок и других конструкций должны находиться полностью в пределах помещения или чердака. Не допускается заделывать… 2. Опорные части несущих деревянных конструкций устанавливают на выступающих… 3. Древесину опорных частей несущих конструкций при их сборке обрабатывают антисептической обмазкой. Так же…ГЛАВА 6. СТОЙКИ СОСТАВНОГО СЕЧЕНИЯ
ГЛАВА 7. ПРОСТРАНСТВЕННОЕ КРЕПЛЕНИЕ ПЛОСКОСТНЫХ
ДЕРЕВЯННЫХ КОНСТРУКЦИЙ
7.1. Общие сведения
Плоскостные конструкции (балки, арки, рамы, фермы, и т.д.) предназначены для восприятия нагрузок, действующих в их плоскости. В зданиях или сооружениях различные плоскостные конструкции при взаимном соединении образуют пространственную конструкцию, которая должна обеспечить надежное восприятие внешних сил любого направления при наиневыгоднейшем сочетании их в соответствии с условиями эксплуатации. Здание должно обеспечивать пространственную неизменяемость, устойчивость, жесткость и прочность всей конструкции в целом и отдельных ее частей.
Конструктивная схема деревянного здания
Общая устойчивость каркасу деревянного здания может быть придана несколькими способами.
Первый способ. Поперечную и продольную устойчивость здания создают пространственным защемлением каждой из стоек каркаса в грунте. Верхние концы стоек связывают через обвязку с элементами покрытия (рис. 7.1.). Во избежание возможного в некоторых случаях перекашивания зданий в связи с деформациями грунта в местах защемления стоек, в крайних пролетах продольных и торцовых стен, а также в промежуточных пролетах целесообразно устраивать крестообразные связи с интервалом 20-30 м. Для увеличения срока службы такого здания необходимо нижнюю часть стоек, зарытую в землю, антисептировать, чтобы не было быстрого загнивания. Предпочтительнее нижние концы стоек располагать выше уровня пола и прикреплять их болтами или хомутами к сменяемым деревянным, а еще лучше - железобетонным пасынкам. Этот способ получил широкое распространение в строительстве временных зданий.
Рис. 7.1. Поперечное и продольное сечения деревянного
каркасного здания с защемленными в земле стойками,
имеющими на концах пасынки.
Второй способ.Поперечная устойчивость здания обеспечивается защемлением в фундаментах деревянных стоек. Конструкция такого защемления обычно предполагающая использование заделанных в фундамент металлических анкеров, приведена в главе 6. Продольную устойчивость здания с плоскими стойкими создают постановкой связей по продольным стенам и между внутренними стойками в продольном направлении. Для неизменяемости каркасных торцовых стен в их крайних пролетах также ставят аналогичные связи.
Третий способ.Устойчивость каркасного здания при шарнирном опирании стоек на фундаменты и шарнирном примыкании их к элементам покрытия можно создать лишь в том случае, если конструктивные элементы покрытия и стен не только будут достаточно прочными, жесткими и устойчивыми, но и создадут неизменяемые, жесткие и устойчивые диафрагмы, образующие пространственную коробку обладающую вышеперечисленными свойствами. Для этого в плоскости покрытия можно использовать применяемый в качестве основы под рулонную кровлю щитовой настил, связанный гвоздями с прогонами; в стенах могут быть использованы косые обшивки или специальные связи между стойками каркаса (рис. 7.2.).
Рис. 7.2. Схема каркасного здания при шарнирном опирании
стоек на фундаменты и шарнирном примыкании к
элементам кровельного покрытия
Участие ограждающих частей здания в обеспечении его пространственной устойчивости, которую устанавливают поверочным расчетом, возможно только при относительно малых размерах здания.
Пространственные связи в покрытиях
В покрытиях связи располагают в плоскости верхнего, а иногда и нижнего поясов ферм – так называемые горизонтальные связи, а также в некоторых… Связи в плоскости верхнего пояса. Связи в плоскости верхнего пояса должны… Эти цели могут быть достигнуты путем надежного и прочного скрепления ферм с пространственно неподвижным, жестким в…ГЛАВА 8. ОСНОВЫ ЭКСПЛУАТАЦИИ ДЕРЕВЯННЫХ КОНСТРУКЦИЙ
Общие сведения
Наряду со строительством новых жилых, общественных, производственных зданий и сооружений одной из важнейших государственных задач является задача сохранения существующих, среди которых значительная часть содержит деревянные несущие и ограждающие конструкции. Правильная эксплуатация зданий и сооружений обеспечивает их исправное состояние, т.е. сохранность и безотказную работу деревянных и других конструкций в пределах не менее нормативного срока службы, а во многих случаях позволяет значительно увеличить срок их службы.
В практике эксплуатации деревянных конструкций и элементов встречаются следующие виды их дефектного состояния:
Þ превышение в деревянных конструкциях и элементах установленных строительными нормами значений напряжений и деформаций вследствие изменения схемы их работы или из-за повышения требований норм;
Þ механические повреждения деревянных конструкций и элементов;
Þ повреждение деревянных конструкций и элементов вследствие использования для их изготовления материалов ненадлежащего качества;
Þ повреждения деревянных конструкций и элементов дереворазрушающими грибами;
Þ повреждение деревянных конструкций и элементов насекомыми;
Þ повреждение морскими древоточцами;
Þ повреждения при воздействии огня и повышенной температуры;
Þ повреждение от воздействия агрессивных сред;
Þ повреждение вследствие неправильного учета температурно-влажностных условий эксплуатации.