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; b — затупление шипа. Для сращивания заготовок по длине чаще всего используются шипы со следующими параметрами: L = 20 мм, t = 6 мм, b₁ = 1 мм; L= 32 мм, t 8 мм, b₁ = 1 мм. Для соединения клееных элементов под углом применяется шип со следующими параметрами: L= 50, t=12, b₁ = 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).

а)                                                                               6)

Вид Б

Вид Б

Вид А

Рис. 4.12. Клеевые соединения элементов деревянных конструкций под углом:

а — в карнизном узле рам; б — в коньковом узле треугольных 2-шарнирных арок

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, МПа: при L = 20 мм — 10;                 при L= 32 мм — 8; при L = 50 мм — 4.

Лекция

«Сплошные плоскостные конструкции»

Учебные вопросы.

1. Общие сведения.

2. Балки цельного сечения.

3. Наслонные стропила.

4. Балки Деревягина.

5. Двутавровые балки с перекрестной дощатой стенкой на гвоздях.

6. Клееные деревянные балки.

7. Клеефанерные балки.

8. Армированные клееные деревянные балки.

                        Учебная литература.

9. Конструкции из дерева и пластмасс. Под ред.               Г.Г. Карлсена, Москва, Стройиздат, - 1975 г.

10. Конструкции из дерева и пластмасс: учеб. /М.М. Гаппоев и др. – М.; Издательство АСВ, 2004 г.;

11. Деревянные конструкции. Примеры расчета и конструирования: учебное пособие / под ред. Д.К. Арленинова. – М.; Издательство АСВ, 2006 г.;

12. Деревянные конструкции. Учебное пособие / А.В. Калугин. – М.; Издательство АСВ, 2008 г.

ДЕРЕВЯННЫЕ БАЛКИ

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. подразд. 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.

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):

M _б = (q + p) (l – 2 a ₁)² / 8    (6.1)

 

       где q — постоянная нагрузка; 

               p — временная нагрузка;

               l — пролет балки;

        a ₁ — длина консоли, уменьшенная за счет несимметричного поворота подбалки при отсутствии временной нагрузки в соседних проле­тах: а₁ = qa ₂ /( q + p );   a ₂ — максимальный вылет консоли;

 

б) в подбалке максимальный момент возникает при загружении посто­янной и временной нагрузкой по всем пролетам:

                             M _пб = [(q + p) l / 2] a (6.2)

где a — теоретический вылет консоли, a = 0,17 l.

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 опреде­ лимых 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 — х = 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		Схемы
	Обозначение в формулах	Равномомент- ная M оп = Мпр	Равнопрогибная f оп = f пр
Расстояние от опор до шарниров	X	0,15 l	0,21l
Изгибающие моменты на опорах	моп	-g р l^2/16	-q р l^2 /12
Изгибающие моменты в пролетах	Мпр	q р l^2/16
			q р l^2 /24
Максимальные прогибы в пролетах без шарниров	f	2qн l^4/384EJ	q н l^4/384EJ
Длины крайних пролетов	l1	0,85 l	0,80 l

Примечания: а) если длины крайних пролетов равны остальным, то изгибающий момент на первой промежуточной опоре М_{оп1 =}- q _р l ² /10, а на всех последующих М оп i = — q _р l ² /12;

 б) прогиб в крайних пролетах (для равнопрогибной схемы) определяется по                    формуле f = 2,5 q _н l ⁴ /384 EJ

По конструктивным соображениям предпочтительнее равнопрогибное решение. По такой схеме выполняются консольно-балочные прогоны (рис. 6.4, б). 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 l

Поперечная сила, приходящаяся на один ряд досок, Q = М_оп /2х_гв. В то же время поперечную силу можно определить по формуле Q = n _гв [ T _гв], от­сюда, количество гвоздей, которые ставятся с каждой стороны стыка, оп­ределяется по формуле:

 

                   n _гв = М_оп /2х_гв [ T _гв ]       (6.3)

где х_гв — расстояние от опоры до центра гвоздевого забоя (см. рис. 6.4);

[Тгв ] — расчетная несущая способность одного односрезного гвоздя.

 

 

                              Наслонные 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.

 

Балки Деревягина

Балки Деревягина относятся к составным балкам на податливых связях. Балки разработаны инженером В. С. Деревягиным в 1932 году. 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.

Строительный подъем определяется по формуле

             f _стр = 0,1 l / h ₁                                           (6.4)

.

где h ₁ — 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 l _пл = 58 мм; толщина пластинок b _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 (см. рис. 6.6, б).

При равномерно распределенной нагрузке по пролету балки теорети­ческой эпюрой сдвигающих усилий является треугольник 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 к/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):

 

       n _пл = 1.5 M_max S _бр / J _бр T _пл (6.5)

 

1

где M_max — максимальный (расчетный) изгибающий момент в балке;

S _бр — статический момент брутто сдвигаемой части сечения относительно нейтральной оси;

J _бр — момент инерции брутто всего сечения;

T _пл — расчетная несущая способность одного пластинчатого нагеля. Расчетная несущая способность одного пластинчатого нагеля при су­ществующих параметрах пластинок T _пл = 0,75 b _пл (кН). 

Порядок расчета балок Деревягина:

  1. Определяется требуемый момент сопротивления балки:

W _тр = M_max / R _и k_w     

Где k_w — коэффициент, учитывающий податливость связей (см. табл. 1 3 [2]).

2. Задается ширина брусьев с учетом существующего сортамента.

3. Определяется требуемая высота сечения балки: Н=

 

4. В зависимости от требуемой общей высоты балки компонуется сече­ние балки из двух или трех брусьев по высоте, при этом h ₁ ≥ 1 50 мм.

5. Проверяется прогиб балки от нормативных нагрузок с учетом введе­ния к моменту инерции сечения поправочного коэффициента k _ж,
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) поформуле (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 /, тогда для балки из двух брусьев формула (6.5) примет вид

            n _{пл =} 1.8 M_max / h T _пл   (6.6)

 

Если полученное количество пластинчатых нагелей не размещается по длине балки, то необходимо увеличить размеры балки либо изменить кон­струкцию балки.