Раздел 4. Деревянные конструкции

 

 

4.1 Виды и свойства древесины

Деревянные строительные конструкции, надежные, легкие и долговечные. Строительные конструкции изготовляют обычно из хвойных пород древесины – сосны, ели, лиственницы, пихты, кедра. Эти породы характеризуются прямолинейностью, лучшими, чем у лиственных пород, механическими свойствами и большой стойкостью против гниения, благодаря смолистости. К основным недостаткам можно отнести низкую огнестойкость, способность к загниванию и поражению древоточцами (низкую биостойкость), сильную зависимость физико–механических свойств от температурно-влажностных условий эксплуатации и длительности действия нагрузок, значительной неоднородности. Лесоматериалы, получаемые строительством, делятся на круглые и пиленые (рис.1).

 

 

 

Рис. 1 Лесоматериалы:

1-бревно; 2-пластина; 3-сбег (уменьшение диаметра) бревна; 4-лежень; 5-полуобрезной брус; 6-обрезной брус; 7-брусок; 8-тонкая доска; 9-толстая доска.

Защита древесины от гниения, повреждения насекомыми, возгорания, химической агрессии. Гниение – это разрушение древесины в результате жизнедеятельности грибов, разрушающих целлюлозу. Для защиты древесины от гниения применяют меры конструктивного характера и химическую защиту – антисептирование. Конструктивная защита включает: использование для конструкций только сухой древесины, стерилизацию древесины в процессе сушки прогревом ее при температуре выше 80°С, предохранение древесины конструкции от непосредственного увлажнения атмосферными осадками, устройствами наружного водоотвода в деревянных покрытиях, обеспечение достаточной тепло - и пароизоляции, расположение несущих деревянных конструкций целиком в отапливаемом помещении или вне его. К химической защите древесины прибегают в тех случаях, когда конструктивными мерами нельзя устранить ее увлажнение во время эксплуатации. Химическая защита состоит в пропитке или покрытии элементов конструкций антисептиками – веществами, ядовитыми для грибов. Защита от древесных вредителей осуществляется пропиткой маслеными антисептиками. Применяют также окуривание конструкций ядовитыми газами и впрыскиванием входы, проделанные насекомыми, растворов ядовитых веществ.

 

Преимущества и недостатки деревянных конструкций. К достоинствам деревянных конструкций относятся: высокая удельная прочность, химическая стойкость, долговечность (больше, чем у металла и железобетона), малая теплопроводность, большая сырьевая база и простота обработки, а также отсутствие ограничений при сезонных работах. Недостатки древесины: гигроскопичность и вследствие – усушка, разбухание, растрескивание и коробление; неоднородность строения (анизотропия); большое количество естественных пороков (косослой, сучки и др.), что существенно снижает прочность; возможность гниения; малая огнестойкость.

 

4.2Конструирование соединений элементов деревянных конструкций

Соединения на врубках. Врубками называют соединения, в которых усилия от одного элемента передаются другому по площадке смятия и скалывания, без специальных промежуточных рабочих связей. Чаще всего лобовые врубки применяются в узлах бревенчатых и брусчатых ферм. Наибольшее распространение получили лобовые упоры и лобовые врубки с одним зубом, лобовые врубки с подушкой применяют реже (рис. 2).

 

 

 

 

Рис.2 Лобовые упоры и лобовые врубки:

а, б, в – лобовые упоры; 1 – штырь; 3 – плотная приторцовка; 2 – скоба; 4 – стяжные болты;

г, е – лобовые врубки; д – распределение усилий в опорном узле;

5 – опорная подушка;

6 - подбалка;

7 – аварийный болт;

8 – тяж.

Нагельные соединения. Нагелями называются стержни или пластинки, препятствующие взаимному сдвигу соединяемых элементов. Используют стальные и деревянные нагели. Нагельные соединения бывают односрезными и двухсрезными (Рис.3, б, в), а также симметричными и несимметричными.

 

 

Рис.3 Нагельные соединения

а – схемы расстановки; 1 – прямая расстановка; 2 - шахматная; 3 – при стальных накладках; 4 – в соединениях под углом;

б – расчетные схемы; 5 – симметричное двухсрезное; 6 – несимметричное односрезное;

в – схема работы; 5 – симметричное двухсрезное; 7 – эпюра напряжений смятия древесины.

 

 

 

 

Рис.4 Схемы соединений и расстановки нагелей и гвоздей.

а – продольное соединение;

б – угловое соединение;

в – рядовая расстановка ригелей: то же шахматная;

г – то же, косыми рядами;

д, е – рядовая расстановка гвоздей.

 

Клеевые соединения. Склеивание древесины – наиболее прогрессивный способ соединения деревянных элементов. Клеевые швы относятся к неподатливым и обеспечивают монолитность конструкций.

Рис.5 Клеевые соединения

а – поперечные стыки; б – продольные стыки; 1 – стыки по пластям; 2 – по кромкам; 3 – по пласти и кромке; в – угловой стык; 6 – угловой зубчатый шип.

 

Металлические крепления. В деревянных конструкциях применяют две группы металлических креплений: 1)растянутые связи – гвозди и винты (шурупы и глухари), работающие на выдергивание; болты и тяжи, работающие на растяжение; 2) вспомогательные металлические крепления – стяжные болты, хомуты, штыри, скобы и т.д., которые устанавливают конструктивно для восприятия усилий, возникающих при перевозке и монтаже. Все виды связей должны воспринимать расчетные усилия и быть защищены от коррозии. Металлические связи на растяжения рассчитывают в соответствии с требованиями норм проектирования и расчета металлических конструкций. Наиболее широко металлические связи используют при возведении построечных конструкций и в меньшей степени – в заводских условиях. Гвозди, сопротивляющиеся выдергиванию, разрешается использовать только во второстепенных элементах настилов, подшивках потолков и т.д. Запрещается применять гвозди, забитые в торец или заранее просверленные отверстия, а также в случае динамических воздействий на конструкцию. Длина защемленной части гвоздя должна быть не менее 10 d или двух толщин пробиваемого элемента. В свою очередь, толщина прибиваемой доски должна быть не менее 4 d. Расстановка гвоздей аналогична ранее изложенной. Шурупы и глухари удерживаются в древесине не только силами трения, но и упором винтовой нарезки в прорезаемые древесине винтовые желобки. При работе на выдергивание шурупы расставляют так, чтобы расстояние между винтами в продольном направлении составляла S 1 =10d, в поперечном - S 2 = S 3 = 5 d. Болты и тяжи – растянутые металлические элементы применяются в качестве анкеров, подвесок, растянутых элементов металлодеревянных конструкций, а также затяжек арочных и сводчатых конструкций. Диаметр тяжей и болтов должен быть не менее 12мм. При необходимости создания предварительного натяжения используют натяжные муфты с разносторонней резьбой. Стяжные болты имеют преимущественно монтажное значение и применяются для плотного стягивания соприкасающихся элементов. Скобы из круглой или квадратной стали толщиной 10…18мм применяют как вспомогательные фиксирующие связи в сооружениях из брусьев или круглого леса в мостовых опорах, лесах, бревенчатых фермах и т.д. Хомуты отличаются от скоб тем, что полностью охватывают конструкцию, они могут быть П – образными и кольцевыми. Хомуты применяют для изготовления построечных конструкций на строительной площадке из бревен или брусьев (обычно при сопряжении стоек с насадками). Штыри представляют с собой стержни из арматурной стали диаметром 16… 30мм, которые вставляют в заранее просверленные отверстия меньшего диаметра. Их применяют при стыках стоек или свай в торец, а также в узлах сопряжения стоек с насадками и некоторых других случаях.

 

4.3 Деревянные конструкции зданий и сооружений

 

Настилы покрытий используют в качестве несущих и ограждающих элементов деревянных покрытий. Они служат основанием водо- и теплоизоляционных слоев покрытия. Конструкция настила зависит от типа кровли и теплоизоляционных свойств покрытия (рис.6). При рулонной кровле настил должен иметь сплошную ровную дощатую или фанерную поверхность. При чешуйчатой кровле в виде волнистых листов асбестоцемента, стеклопластика или черепичных плиток настил должен иметь для них отдельные опоры в виде досок или брусьев обрешетки или открытых ребер клеефанерных плит. С чешуйчатой кровлей особенно эффективно применение

деревянных покрытий. Деревянные настилы делятся на два основных вида – дощатые и клеефанерные.

 

Рис.6 Дощатые покрытия

а – неутепленное под рулонную крышу; б – то же утепленное;

в – неутепленное, обрешетка под асбестоцементную кровлю; г – то же утепленное; 1 – настил; 2 – рулонная кровля; 3 – асбестоцементная кровля;

4 – утеплитель; 5 – пароизоляция.

 

 

Двойной перекрестный настил (рис. 7, а) состоит из двух слоев: нижнего – рабочего и верхнего – защитного. Рабочий настил несет на себе все нагрузки, действующие на покрытие. Защитный настил образует необходимую сплошную поверхность, распределяет сосредоточенные нагрузки и защищает кровельный ковер от разрывов.

 

 

 

Рис.7 Дощато-гвоздевые щиты настилов покрытий

а – щит двойного перекрестного настила; б – щит однослойного раскосного настила; 1 – доски; 2 – гвозди; 3 – косой защитный настил; 4 – разряженный рабочий настил; 5 – раскосы; 6 – поперечный раскос.

В настоящее время широко применяют два типа плит: дощато-гвоздевые щиты, состоящие из брусчатого каркаса, обшитого досками; и клеефанерные щиты и плиты с обшивкой из водостойкой фанеры, приклеенные к деревянному каркасу (рис.8).

 

Рис.8 Клеефанерные ребристые плиты настилов

а – план плит;

б – сечения плит;

1,2 – продольные и поперечные дощатые ребра;

3 – вентиляционные отверстия;

4 – строительная фанера;

5 – пароизоляция;

6 – коробчатая плита с двумя обшивками;

7 – утеплитель;

8 – ребристая плита с верхней обшивкой;

9 – то же, с нижней обшивкой.

 

Балки деревянные. Цельнодеревянные балки применяют при пролетах, не превышающих 6 м, и при относительно небольших нагрузках. Деревянные балки применяют в качестве несущих конструкций настилов покрытий, рабочих площадок платформ и в других деревянных конструкциях. Балки покрытий применяют в зданиях с шириной помещения не более 6 м. Деревянные балки покрытий работают и рассчитываются на изгиб как однопролетные балки, шарнирно опертые на опоры разной высоты. Однопролетные прогоны являются несущими конструкциями скатных покрытий. К опорам прогоны крепятся посредством бобышек - коротких отрезков толстых досок или стальных уголковых коротышек и гвоздей или винтов. Эти крепления препятствуют сползанию прогонов вниз по скату опор (рис.9).

Рис.9 Брусчатые прогоны покрытий:

а – прогоны; б – расчетные схемы; 1 – брусья; 2 –стыки; 3 – болты;

4 – основные несущие конструкции; 5 – бобышки; 6 –гвозди.

 

Составные балки. Из-за ограниченности сортамента древесины под заданный пролет и нагрузку в практике строительства часто нельзя применять конструкцию из цельной древесины, поэтому приходится использовать составные балки (Рис. 10).

 

 

 

 

ис.10 Составные балки

а – простая составная балка;

б – балка на пластинчатых нагелях;

в – двутавровая балка с дощатой перекрестной стенкой.

 

В практике строительства стали применяться и армированные балки, представляющие собой новый вид индустриальных конструкций. Армирование повышает несущую способность и снижает деформативность балок.

Деревянные стойки могут быть цельнодеревянными, составными, клеедеревянными и решетчатыми. Применяют в виде опор покрытий, навесов, рабочих площадок, платформ, опор линий электропередач и связи. Стойки из брусьев квадратного сечения и из круглых бревен применяют в основном в тех случаях, когда их концы закрепляются шарнирно и на них действует только сжимающие нагрузки. Составные стойки состоят из цельных брусьев или из толстых досок, соединенных по длине болтами или гвоздями. Длина составных стоек, как и цельнодеревянных, не превышает 6.4м. Клеедеревянные стойки (рис.11) являются конструкциями исключительно заводского типа. Их формы и размеры могут быть любыми и определяются только назначением, действующими нагрузками, расчетом и не зависят от ограничения сортамента досок, применяемых для их склеивания.

Рис.11 Клеедеревянные стойки: а – постоянного квадратного сечения; б – постоянного прямоугольного сечения; в – переменного прямоугольного сечения.

 

Деревянные фермы - это сквозные решетчатые конструкции балочного типа. Основной недостаток деревянных ферм - значительное число элементов и узлов. В практике строительства наибольшее распространение получили следующие типы ферм: с параллельными поясами (рис. 12, а); треугольные - (рис.12, б); трапециевидные (рис. 12, в); сегментные (рис. 12, г) и т.д. Решетка ферм, как правило, треугольная. Деревянные и металлодеревянные фермы рекомендуется применять при пролетах до 24-36 м.

 

 

 

Рис.12 Типы деревянных ферм:

а – с параллельными поясами; б – треугольные; в – трапециевидные; г – сегментные.

Фермы из бревен и брусьев на лобовых вырубках могут иметь треугольное и пятиугольное очертания или быть с параллельным очертанием поясов. Такими фермами можно перекрывать пролеты до 18…24м. Металлодеревянные брусчатые фермы применяют при пролетах до 30 м. Нижний пояс и растянутые элементы решетки выполняются из круглой стали с металлическими узловыми соединениями. Верхний пояс и сжатые раскосы - из деревянных брусьев. Дощатые фермы с гвоздевыми накладками получили широкое распространение при пролетах до 18м (рис.13).

 

Рис. 13 Дощатые фермы с гвоздевыми накладками:

1 – доски;

2 – металлические пластинки.

 

 

Деревянные арки и рамы. Конструкция арок. Деревянные арки применяют в покрытиях производственных промышленных, сельскохозяйственных и общественных зданиях с пролетами 12…80м. По статическим схемам деревянные арки разделяются на трехшарнирные, имеющих два опорных и один коньковый или иногда, так называемый, ключевой шарнир, и двухшарнирные, у которых только два опорных шарнира. Клеедеревянные арки (рис. 14), их формы, размеры и несущая способность могут отвечать требованиям сооружения покрытий самого различного назначения, в том числе уникальных по своим размерам и формам. Элементы арок могут иметь любую из указанных выше форм оси в покрытиях с пролетами 12…80м.

 

Рис. 14 Клеедеревянные арки: а – сегментные; б – треугольные;

в – стрельчатые;

г – двухшарнирные.

1 – без затяжек;

2 –с затяжками.

 

 

Конструкции деревянных рам. Рамы один из основных классов несущих деревянных конструкций. В строительстве в основном применяют однопролетные двускатные рамы при пролетах 12…24м. По статическим схемам деревянные рамы могут быть статически определимыми и однократно статически неопределимыми. Трехшарнирная рама (рис. 15, а) является статически определяемой. Преимущество этой схемы – независимость действующих в ее сечениях усилий от осадки фундаментов и относительная простота решений шарнирных опорных узлов. Двухшарнирная схема с жесткими опорными узлами (рис. 15, б) является однажды статически неопределяемой. Преимущество – отсутствие изгибающих моментов в шарнирных соединениях ригеля со стойками. Двухшарнирная схема с шарнирными опорными узлами (рис.15, в) также однажды статически неопределима. Преимущество этой рамы – отсутствие изгибающих моментов в шарнирных опорных узлах. По конструкции деревянные рамы делятся на трех- и двухшарнирные, клеедеревянные, цельнодеревянные и клеефанерные.

 

 

Рис.15 Статические схемы деревянных рам

а – трехшарнирная; б – двухшарнирная жестко опертая; в – двухшарнирная шарнирно опертая.

 

Трехшарнирные клеедеревянные рамы бывают бесподкосными и могут иметь от двух до четырех подкосов (рис. 16). Гнутоклееная трехшарнирная рама (рис. 16, а) состоит из полурам Г- образной формы прямоугольного переменного по высоте сечения, изогнутых при изготовлении в зоне будущего карниза. Первое достоинство этой рамы в том, 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. Ломаноклееная рама (рис.16, б), 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. Полурама состоит из двух прямых элементов – стойки и полуригеля, имеющих переменные сечения, максимальные в зоне перелома оси. Имеет существенные достоинства, она малотрудоемка при монтаже, проста в изготовлении. Эти рамы не требуют дополнительных стержней для опирания настилов в карнизных узлах. Клеедеревянная трехшарнирная четырехподкосная рама (рис.16, в) состоит из большого числа 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.16, 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 восприятия которых необходимо применять металлические крепления и винты. Изгибающие моменты в стойках и ригелях этой рамы значительно больше, чем в рамах с парными подкосами. Клеедеревянная трехшарнирная рама с опорными подкосами (рис. 16, д) состоит из двух полуригелей переменного сечения, двух подкосов и двух стоек постоянного сечения. Достоинство этой рамы те же, что и прочих подкосных рам. Недостатки – это работа стоек на растяжение и изгиб от ветровой нагрузки, что усложняет конструкцию их узловых креплений, и значительная длина сжатых подкосов, сечение которых определяется из условий предельно допускаемой гибкости. Клеедеревянная трехшарнирная рама с наружными раскосами (рис.16,е) отличается от предыдущей только наружным расположением раскосов. 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 помещений.

 

Рис.16 Клеедеревянные трехшарнирные рамы: а – гнутоклееная; б – ломаноклееная; в– четырехподкосная; г –двухподкосная; д– с внутренними опорными подкосами; е – с наружными опорными подкосами.

 

Двухшарнирные клеедеревянные рамы (рис. 17) состоят из трех конструктивных элементов – двух вертикальных стоек и горизонтального ригеля. Двухшарнирная клеедеревянная рама с жесткими опорными узлами (рис. 17, а и б) может иметь две клеедеревянные стойки постоянного, переменного или ступенчатого сечения. Основным недостатком этой рамы – относительно большая сложность жестких опорных узлов стоек, чем шарнирных. Такая рама может иметь также комбинированную конструкцию. Двухшарнирная клеедеревянная рама с шарнирными опорными узлами (рис. 17, в) может иметь две стойки постоянного или переменного клеедеревянного сечения наименьшей высоты в опорных узлах, где нет изгибающих моментов. Ригели этой рамы крепятся к стойкам на разных высотах, образуя жесткое рамное соединение.

Рис. 17 Двухшарнирные клеедеревянные рамы: а – с жесткими опорами и аркой; б – с жесткими опорами и фермой; в – с шарнирными опорами и клеедеревянной балкой.

 

Трехшарнирная дощато-гвоздевая рама состоит из дощато-гвоздевых двутавровых стоек и полуригелей переменной высоты, в настоящее время не используются. Расчет рам производится на различные сочетания нагрузок от собственного веса, ветровой, снеговой нагрузки и т.д. Раму рассчитывают как трехшарнирную конструкцию. В результате расчета получают значения изгибающих моментов, поперечной и продольной сил.