Ю. В. Слицкоухов, В. Д. Буданов, М. М. Гаппоев, И. М. Гусь* ков, 3. Б, Махутова, Б, А. Освенский, В. С. Сарычев, Э. В. Филимонов

КОНСТРУКЦИИ

ИЗ ДЕРЕВА

И ПЛАСТМАСС

Под редакцией заслуженного деятеля науки : и техники РСФСР д-ра техн, наук проф, Г. Г. Карлсена и канд. техн, наук проф.

Ю. В. Слицкоухова

Издание 5-е, переработанное и дополненное

Допущено Министерством высшего и среднего специального образования СССР в качестве учебника для студентов высших учебных заведений, обучающихся по специальности «Промышленное и гражданское строительство»

МОСКВА СТРОЙИЗДАТ 1986

ББК 38.55

К 65

УДК [624.01 и+624.011.78](075.8>

Рецензент—канд. техн, наук доц. А. Ю. Валенти- навичюс (Вильнюсский инженерно-строительный институт).

Конструкции из дерева и пластмасс: Учеб, для К 65вузов/Ю. В. Слицкоухов, В. Д. Буданов, М. М. Гап- поев и др.; Под ред. Г. Г. Карлсена и Ю. В. Слиц- коухова. — 5-е изд., перераб. и доп. — М.: Строй- издат, 1986. — 543 с., ил.

Рассмотрены физико-механические свойства строительной древесины и конструкционных пластмасс. Даны указания по защите деревянных конструкций от возгорания и биологического поражения. Изложены основы проектирования, расчета и изготовления конструкций из дерева и пластмасс с учетом требований новых нормативных документов. Описаны конструктивные особенности сплошных, сквозных и пространственных деревянных конструкций.

Для студентов строительных вузов, обучающихся по специальности «Промышленное и гражданское строительство».

3202000000—336ББК 38.55+38.56

К 101—86

047(01)—866С4.05

© Стройиздат, 1975

© Стройиздат, 1986, с изменениями

ПРЕДИСЛОВИЕ

В решениях XXVII съезда КПСС указано на необходимость применения в строительстве новых эффективных материалов и облегченных конструкций, в том числе клееных деревянных конструкций. Кроме того, обращено внимание на то, 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 и с примене-' нием пластмасс.

С 1982—83 гг. в строительных вузах и факультетах вступил в действие новый учебный план, с учетом которого была пересмотрена типовая программа курса «Конструкции из дерева и пластмасс», для специальности 1202 «Промышленное и гражданское строительство». Согласно этой программе конструкции и изделия с применением пластмасс не выделяются в самостоятельный раздел, как это было в 4-м издании, а рассматриваются совместно с конструкциями из дерева. Вместе с тем в связи с большими работами, которые ведутся в настоящее время по реконструкции промышленных предприятий, в это издание включен раздел «Основы эксплуатации деревянных конструкций», где освещаются вопросы усиления конструкций. Кроме того, с 1 января 1982 г. введен в действие новый СНиП 11-25-80 «Деревянные конструкции. Нормы проектирования», материалы которого положены в основу учебника. Все это потребовало переработки предыдущего издания.

Цель изучения курса «Конструкции из дерева и пластмасс» состоит в том, чтобы будущий специалист приобрел знания в области применения в строительстве деревянных конструкций, использования методов расчета, конструирования и контроля качества конструкций различных типов, умел обследовать состояние сооруже-

нии, рассчитывать и контролировать несущие и ограждающие конструкции с учетом технологии их изготовления.

Эта дисциплина непосредственно связана с курсами «Металлические конструкции» и «Железобетонные конструкции», а также и дополняет их в части особенностей методов расчета и конструирования из материалов, обладающих упругопластическими свойствами, анизотропностью и т. п.

Во время работы над рукописью учебника скончался заслуженный деятель науки и техники РСФСР, д-р. техн, наук проф. Г. Г. Карлсен, в связи с чем общее редактирование учебника выполнено проф. канд. техн. наук. Ю. В. Слицкоуховым.

Работа над рукописью пятого издания учебника распределялась следующим образом: введение, разд. III, кроме § 3.8, разд. V написаны проф. канд. техн, наук Ю. В. Слицкоуховым; гл. 2 разд. I, § 3.7 гл. 3 и гл. 4 разд. IV, гл. 2 и 3 разд. VI — доц. канд. техн, наук В. Д. Будановым; гл. 1, § 2.1 гл. 2, гл. 3, кроме § 3.7, разд. IV и гл. 1 и 7 разд, VII — доц. канд. техн, наук М. М. Гаппоевым; гл. 2, 3 разд. II, гл. 2—6 разд. VII и разд. XI — доц. канд. техн, наук И. М. Гуськовым; гл. 1 разд. II и разд. X — доц. канд. техн, наук 3. Б. Махуто- вой; гл. 1 разд. I, § 2.2 и 2.3 гл. 2 разд. IV, разд. VIII, §2.2 гл. 2 и § 3.6 гл. 3 разд. IX — доц. канд. техн, наук Б. А. Освенским; гл. 1 и 4—7 разд. VI, разд. XII — доц. канд. техн, наук В. С. Сарычевым; гл. 1, гл. 2, кроме §2.2; гл. 3, кроме § 3.6, гл. 4 и 5 разд. IX — доц. канд. техн, паук Э. В. Филимоновым; § 3.8 разд. III написан проф. д-ром техн, наук Ю. М. Ивановым, которому авторский коллектив приносит искреннюю признательность.

■ Авторы выражают глубокую благодарность канд. техн, наук А. Ю. Валентинавичюсу за ценные замечания, сделанные им при рецензировании рукописи, которые были учтены при работе над книгой.

ВВЕДЕНИЕ

Краткий исторический обзор развития конструкций из дерева и пластмасс

Деревянные конструкции. Дерево в качестве строительного материала применяется с древнейших времен. Этому способствовало наличие лесов, легкость обработки и транспортировки деревянных элементов к месту строительства. Кроме того древесина обладает хорошими конструкционными качествами — значительной прочностью и упругостью при сравнительно небольшой массе.

С позиций диалектического материализма историческое развитие деревянных конструкций как отрасли строительной техники неизбежно связано с развитием производства, а следовательно, и общества.

Применительно к нашей стране, в которой сосредоточены огромные лесные богатства, технико-экономическая целесообразность деревянного строительства не вызывала сомнений. С давних пор применялись в строительстве деревянные сооружения оборонительного, общественного, хозяйственного, жилищного и других назначений.

Основной конструктивной формой бревенчатых сооружений стал сруб, который выполнялся из горизонтально расположенных бревен, соединенных врубками, шипами и другими видами соединений, что требовало большой квалификации мастера. В строительстве сооружений, выполняемых в виде сруба, русские мастера достигли большого совершенства. На рис. 1 показаны основные формы бревенчатых несущих конструкций в виде сруба. Сочетанием этих основных форм в деревянном зодчестве были созданы самобытные, выдающиеся по красоте рубленые сооружения. Примерами таких сооружений являются Успенский шатровый храм в Кондопоге высотой 2 м, построенный в 1/74 г. (рис. 2). Четырехгранный сруб (четверик) уширяется вверху с помощью повалов, образующих защитный карниз, а затем переходит в рубленый также с повалами вверху восьмигранник (восьмерик). Покрытие выполнено в виде шатра с пологим карнизом, называемым «полицей».

Еще более сложной является конструкция 22-главого высотой 35 м Преображенского храма в Кижах на онежском озере, построенного в 1714 г. (рис. 3) В

1667—1681 гг. в с. Коломенском под Москвой для царя Алексея Михайловича был построен деревянный рубленый дворец. Строители дворца под руководством плотничного старосты Петрова создали выдающийся образец дворцового деревянного зодчества (рис. 4), объединявший в единую композицию многие основные формы, показанные на рис. 1. Дворец называли восьмым чудом света. Иностранцы, приезжавшие в Москву, восторгались этой постройкой. Мастерство плотников того времени было очень высоким, о чем можно судить по высказыванию Жана Соважа, который в 1586 г. путешествовал по России. Он так характеризует оборонительную ограду Архангельска: «Она составляет замок, сооруженный из бревен, заостренных и перекрестных: постройка его из бревен превосходна, нет ни гвоздей, ни крючьев, но все так хорошо отделано, что нечего похулить, хотя у строителей русских все орудия состоят в

Рис. 3. Многоглавые храмы в Кижах на Онежском озереРис. 3. Многоглавые храмы в Кижах на Онежском озере

Рис. 3. Многоглавые храмы в Кижах на Онежском озере

Рис. 3. Многоглавые храмы в Кижах на Онежском озере

Рис. 1. Основные формы бревенчатых несущих конструкций из горизонтально расположенных бревен в виде сруба

для стен: а — прямоугольный сруб; б— квадратный сруб (четверик); в—многоугольный сруб (восьмерик): для покрытии. а — двускатный сруб; д — че- тырехскатиый сруб (палатка или епанча); шатровый пирамидальный четырехгранный сруб; е — низкий h^b (колпак); ж — высокий к>1,56 (шатер); з — многогранный шатер; и — килевидный сруб (бочка); иа чертеже показана также схема построения бочки; к — кубоватое четырехгранное покрытие (куб): л — кубоватое многогранное по- кры гле

Рис. 2. Успенский шатровый храм в Кондопоге на берегу Онежского озера

Рис. 4. Общий вид дворца в селе Коломенском (по старинной гравюре)

одних топорах; но ни один архитектор не сделает лучше, как они делают».

Можно было бы привести много других примеров выдающихся образцов деревянного зодчества, характеризующих довольно длительный этап строительства из бревен, преобладавший в России до XVIII в. Русские плотники отличались не только конструкторским мастерством. Они владели искусством передовых методов строительства,. обеспечивающих высокие темпы возведения сооружений. Доказательством этого служит строительство крепости Свияжска, выполненное под руководством Ивана Григорьевича Выродкова.

Все сооружения, куда входили: крепостные стены, рубленые «тарасами», шириной 5 м и длиной около 3000 м, имевшие два ряда бойниц, семь стрельниц, семь ворот и 18 башен; 370 домов; четыре лавки; две бани с общим расходом древесины примерно 20 тыс. м3 были зимой 1550—1551 гг. заготовлены и построены под Москвой в районе Углича. После разметки все сооружения были разобраны, собраны в плоты, а затем по Волге сплавлены к устью р. Свияги, где в течение одного месяца была возведена крепость.

В конце XVII в. появилась возможность вначале ручной, а затем механической продольной распиловки

бревен, что способствовало созданию стержневых систем В виде’ брусчатых и дощатых конструкций. Однако для их изготовления по-прежнему требовались высококвалифицированные мастера-плотники, так как соединения элементов этих конструкций по длине и в узлах выполнялись в виде сложных врубок. В это время были созда- пы выдающиеся образцы деревянных конструкций, к которым относятся, например:

построенный в 1736—1738 гг. архит. Иваном Кузьмичем Коробовым шпиль Адмиралтейства в Ленинграде, сохраненный архит. Андреяном Дмитриевичем Захаровым при перестройке башни в период 1806—1823 гг. (рис. 5). Существующая и до настоящего времени деревянная брусчатая конструкция шпиля имеет высоту 72 м;

деревянные фермы быв. Манежа в Москве пролетом около 48 м, построенные в 1817 г. архит. А. А. Бетанкуром (рис. 6);

Останкинский дворец, построенный в 1792—1793 гг. крепостным Назаровым;

железнодорожные девятипролетные мосты через р. Мету с пролетами по 61 м (рис. 7) и через овраг р. Веребьи с пролетами по 54 м при высоте над уровнем воды 49 м на Петербурго-Московской (ныне Октябрьской) железной дороге, спроектированные инж. Д. И. Журавским и возведенные в 1842—1851 гг.

После Великой Октябрьской социалистической революции, когда в стране создавались станкостроительная, авиационная, химическая и другие отрасли промышленности прн малом еще производстве цемента и стали, перед строителями была поставлена задача создать новые формы деревянных конструкций построечного изготовления, не требующих квалифицированных плотников, которых при резком увеличении объема строительства было явно недостаточно.

Советскими инженерами-строителями такая задача была решена. Были предложены и широко внедрены при строительстве промышленных и общественных зданий и сооружений так называемые дощато-гвоздевые конструкции, где основным соединением деревянных элементов были гвозди, забивка которых не требовала от рабочих высокой квалификации. В создании этих новых конструктивных форм принимали активное творческое участие профессора д-ра техн, наук В. Ф. Иванов, Г. Г. Карл-

Рис. 5. Конструкция шпиля Адмиралтейства о Ленинграде (после перестройки А. Д. Захарова)

Рис. 6. Стропильные фермы бывшего манежа в Москве

Рис. 7. Железнодорожный мост через р. Мету на быв. Петербурго-Московской (ныне Октябрьской) железной дороге

сен, В. В. Большаков, В. М. Коченов, М. Е. Каган, Ю. М. Иванов, А. Б. Губенко, доценты канд. техн, наук Г. В. Свенцицкий, Б. А. Освенский, Г. А. Цвингман, К. П. Кашкаров и др.

Вслед за гвоздевыми конструкциями в 1932—1936 гг. В. С. Деревягиным были предложены брусчатые конструкции на пластинчатых нагелях в виде балок пролетом до 6 м и ферм пролетом до 21—24 м (рис. 8).

Формы дощато-гвоздевых конструкций были весьма разнообразными. Они применялись как в виде плоскостных конструкций: сплошных — балки, арки, рамы (рис. 9) и сквозных — балочные и арочные фермы сегментного очертания (рис. 10), так и пространственных конструкций в виде сводов-оболочек (рис. 11), складок, куполов, башен-градирен (рис. 12), башен-оболочек и др. Перекрываемые ими пролеты доходили до 100 м, а автодорожные мосты имели пролеты размером 45—55 м. Один из мостов комбинированной системы, состоящий из гибкой арки и фермы жесткости с тремя пролетами по 44 и каждый, показан на рис. 13.

Рис. 8. Металлодеревянная ферма системы В. С. Деревягина пролетом 18 м в покрытии здания рынка

Мосты комбинированной системы обладают тем достоинством, что их пролетные строения можно собрать на берегу, а затем перевезти на понтонах к месту установки на опоры. Такая перевозка, осуществленная в 1944 г. при строительстве моста через Днепр, видна на рис. 14. ■

После Великой Отечественной войны 1941 —1945 гг. все силы страны были направлены на восстановление в первую очередь разрушенных заводов тяжелой промышленности с кранами большой грузоподъемности, где преобладали металлические несущие конструкции, а несколько позднее с 1954—1955 гг. началось массовое многоэтажное жилищное строительство. Оно решалось на основе крупных железобетонных элементов заводского изготовления. Все это резко сократило объем деревянного строительства в нашей стране. Изменились также требования к строительству.

Вместо конструктивных форм построечного изготовления потребовались конструкции заводского изготовления. Решение, принятое на XXV съезде КПСС о применении деревянных конструкций, способствовало развитию деревянных конструкций нового типа—клееных и клеефанерных, чему значительно содействовали достижения в химической промышленности. Были разработаны водо-

Рис. 9. Ралы досцато-гвоздевые с перекрестной стенкой, построенные ® Москве в 1925—1926 гг.

стойкие прочные синтетические клеи — фенолформальдегидный, резорциновый и др.

В настоящее время в Советском Союзе работает около 20 заводов по производству деревянных клееных конструкций. Они изготовляют трехслойные панели 3 и 6 м, балки пролетом до 18 м, распорные системы треугольного очертания пролетом 12—18 м, арки от 15 до

Рис. 10. Деревянная ферма сегментного очертания пролетом 24,5 л-t с соединениями на гвоздях

Рис. 11. Ребристый свод-оболочка пролетом. 100 м, построенный в 1936 г. пой Москвой

60 м и рамы 12—24 м. За последнее время из клееных элементов были построены: склады минеральных удобрений пролетом 45 м в Солигорске и Березниковском районе (рис. 15); Дворец спорта профсоюзов в Архангель-

и

Рис. 12. Градирня в виде тонкостенной башни-оболочки высотой 22 м, построенная s 1932 г.

Рис. 13. Автодорожный мост через р. Медведицу с фермами комбинированной системы пролетом до 44 м. Спроектирован и построен в 1934 г. Л. А. Кондратьевым

ске, с покрытием арками пролетом 63 м (рис. 16); крытый каток в Калинине пролетом 56,7 м (рис. 17); легкоатлетический манеж спортивного общества «Трудовые резервы» в Минске пролетом 50 м (рис. 18).

Рас. 14. Перевозка, на понтонах к месту установки деревянного пролетного строения с фермами комбинированной системы пролетом 62.5 м

Кроме того, были возведены некоторые другие крупные объекты, а также значительное количество производственных зданий сельскохозяйственного назначения и покрытия промышленных зданий. В ряде организаций п вузов страны — ЦНИИСК, СоюздорНИИ, МИСИ, ЛИСИ, ВИА, НИСИ — проводятся исследования клеефанерных конструкций с использованием бакелизировэиной фанеры, фанерных профилей и фанерных труб. Одним из основных условий экономической эффективности применения древесины в капитальном строительстве является увеличение срока службы деревянных конструкций, поэтому научной разработке проблемы долговечности деревянных конструкций уделяется большое внимание. Много работают в этом направлении сотрудники отдела деревянных конструкций ЦНИИСК им. В. А. Кучеренко под руководством проф. д-ра техн, наук Ю.М. Иванова. Кроме того, в Солнечногорске Московской области находится лаборатория, ведущая работы по защите деревянных конструкций от биологического разрушения, руководимая проф. д-ром техн, наук М. М. Гор- ш:-.иым.

Конструкции с применением пластмасс. В отличие от дерева, природного материала, столетиями используемого в строительных конструкциях, пластмассы и другие

синтетические полимерные материалы начали применять в строительстве лишь несколько десятилетий тому назад.

Развитие коксохимической промышленности и теоре- энческой химии привело в начале XX в. к возникновению промышленного производства синтетических высокомо- .юкулярных соединений — смол. Для развития химиипо- 'имеров огромное значение имели работы творца теории строения органических веществ А. М. Бутлерова (1828—■ 1886 гг.), положившего начало исследованиям процессов синтеза высокомолекулярных соединений путем полимеризации и поликонденсации.

Начиная с 30-х годов XX в. количество синтетичес- ыгх смол и пластмасс, выпускаемых химической промышленностью СССР и зарубежных стран, значительно расширилось. Пластмассы и смолы стали применять в различных отраслях промышленности, чему способствовал ряд их достоинств — высокая прочность при относительно малом собственном весе, стойкость в агрессивной химической среде и в отношении гниения. В СССР организовано производство конструкционных пластмасс (раз- /.ичных видов стеклопластиков, древесно-слоистых пластиков и других, а также изделий из них, используемых в строительстве) и пластмасс (пенопластов, сотопластов и др.) для среднего слоя трехслойных конструкций, выполняющего функции теплоизоляции.

Новым, прогрессивным видом конструкций из пластмасс при возведении сборно-разборных построек (складских, спортивных, зрелищных н др.) являются пневматические конструкции, состоящие из воздухонепроницаемых оболочек из прорезиненной ткани или армированной пленки, внутри которых поддерживается постоянное избыточное давление воздуха. Пневматические конструкции получили за последние годы распространение за рубежом и осуществлены в нашей стране. Экспериментальное строительство с применением пластмасс сопровождалось исследованиями их физико-механических свойств, разработкой конструкций, методов расчета И технологии их изготовления.

В историческом обзоре развития деревянных конструкций, даже очень кратком, нельзя не упомянуть о творческих работах И. П. Кулибина, Д. И. Журавского и Ь. Г. Шухова, внесших огромный вклад не только в область инженерных конструкций, в том числе и деревянных, но также в теорию их расчета.

Рис. 15. Склад минеральных удобрений 4-го Березниковского района

Рис. 16. Дворец спорта профсоюзов в Архангельске (внутренний вид)

Рис. 17. Монтаж крытого катка а Калинине

Рис. 18. Деревянные конструкции покрытия легкоатлетического лш- нежа спортивного общества «Трудовые резервы» в Минске

Рис. 19. Схемы зарубежных конструкций мостов, существовавших в период жизни И. П. Кулибина

а —система Файолэ; б — мост братьев Грубенман; в — тип немецких и швейцарских мостов конца XVIII — начала XIX вв.

Иван Петрович Кулибин (1735—1818 гг.) Отличительной особенностью работ И. П. Кулибина является использование при проектировании сооружения экспериментальных методов, что нашло свое яркое подтверждение при разработке проекта моста через Неву пролетом 298 м. Зарубежные конструкции мостов, которые применялись в XVIII в., характеризовались неясностью в распределении усилий, наличием лишних стержней, громоздкостью н большой трудоемкостью при возведении, требующими в связи с большим количеством сложных врубок высокого индивидуального мастерства плотников. Типичные примеры таких систем даны на рис. 19, е, б, в.

Вопреки таким нерациональным системам И. П. Ку-

либин впервые предложил комбинированную систему, которая состоит из гибкой арки, воспринимающей в основном собственный вес моста, и жесткой бесшарнирной арочной фермы, несущей временную подвижную нагрузку. Применение арки жесткости уменьшило усилия в раскосах по сравнению с балкой жесткости. Мост, спроектированный И. П. Кулибиным, состоял из брусчатых комбинированных систем, соединенных в коробчатое сечение решетчатыми связями (рис. 20).

Выбор И. П. Кулибиным комбинированной системы, оптимальной для конструкций больших пролетов, в сочетании с выгодной для дерева работой на сжатие, обеспечил простое решение стыков лобовым упором. Такое решение остается рациональным с точки зрения н современных принципов проектирования. И. П. Кулибин сконструировал «испытательную машину» (рис. 21), на которой определял зависимость величины распора от отношения высоты арки к пролету. Интересно отметить, что имитирующая арку распорная система треугольного очертания имела переменное по высоте сечение. Переменность сечения учитывала изменение нагрузки от собственного веса по длине проекции, что связано с переменой угла наклона и разной длиной криволинейной арки на 1 пог. м проекции.

То же самое им было учтено при определении очертания гибкой арки, которая была принята по кривой давления от постоянной нагрузки. Для этого к закрепленной горизонтально бечеве длиной около 30 м было прикреплено пятьдесят грузов (рис. 22). Величина грузов по соображениям, отмеченным выше, уменьшалась от опор к середине арки. Очертание прогиба бечевы под нагрузкой наносилось на щит. После поворота щита на 180° линия прогиба явилась кривой очертания оси арки. Таким образом Кулибин впервые применил свойство веревочного многоугольника для построения арки по кривой давления задолго до разработки этой теории Ламэ и Клапейроном, которая была ими дана только в 1823 г., уже после смерти И. П. Кулибина.

Ранее отмечалось, что, применив в системе моста арку жесткости, И. П. Кулибин добился использования свойства древесины хорошо работать на сжатие, а также уменьшения усилия в элементах решетки. Однако это уменьшение еще не могло обеспечить прикрепления решетки к поясам с помощью болтов. Резкое снижение

яя

я

я

wwaiono yoitihj.»mado3OHW rio«nvsodiinroirov ague s wmmgnvlty ц ^ oaoHHQgodnmaodua 'Иээд eadah viaon nn’nnfidioHO'a ywaxy -pg -anj

(htoow) । Tig(htoow) । Tig

(htoow) । Tig

(htoow) । Tig

hcwu ncgoxog

гоугольника для определения очертания оси арки (вес грузов в зогоугольника для определения очертания оси арки (вес грузов в золотниках)лотниках)

гоугольника для определения очертания оси арки (вес грузов в зо

гоугольника для определения очертания оси арки (вес грузов в зо

лотниках)

лотниках)

усилий получено И. П. Кулибиным благодаря уменьшению расстояния между узлами арочной фермы применением впервые многорешетчатой системы раскосов. Общий вид моста показан на рис. 23. Как известно, мост через Неву не был построен. Однако для проверки его конструкции была построена модель моста в */ю его натуральной величины. Модель моста сама являлась солидным сооружением, имеющим пролет около 30 м. При строительстве модели моста И. П. Кулибин соответственно изменению пролета назначал различные поперечные сечения элементов.

Таким образом, И. П. Кулибиным по-существу впервые была разработана теория испытания моста на моде-

Рис. 23. Общий вес моста И. П. Кулибина через Неву пролетом 298 м (по старинной гравюре)

ли и созданы принципы моделирования конструкций. Это положение подтверждается следующей заметкой, напечатанной в номере 12 «Санкт-Петербургских ведомостей» за 1777 г.: «Господин Кулибин в 1773 году дошел сам собою до тех правил, чтоб узнавать по модели, может ли настоящий мост снести собственную свою тягость и сколько может понести постороннего грузу. Сии правила совершенно сходны с теми, кои после произвел из механических оснований славный господин Емлер, здешний академик, и кои напечатаны были в календаре с наставлениями за 1776 год и внесены в Академические комментарии».

Испытание модели моста проводилось комиссией Петербургской Академии наук в присутствии известного ученого академика Леонарда Эйлера. Комиссия полностью одобрила работу И. П. Кулибина.

Иден И. П. Кулибина, заложенные в проекте моста через Неву, составили основу многих систем инженерных конструкций как в дереве, так и в металле, которые появились в строительстве позже. Так, например, можно назвать широко применявшиеся мосты многорешетчатой системы, в том числе металлические старые Крымский и Б. Краснохолмский мосты в Москве, деревянные фермы Тауна, балки, арки и рамы с перекрестной стенкой на гвоздях, своды-оболочки, складки и др.

И. П. Кулибин предложил использовать многорешет-

Рис. 24. Конструкция деревянного прочного покрытия здания пролетом 136 м, предложенная И. П. Кулибиным..

чатую конструкцию для большепролетных покрытий зданий и спроектировал арочное покрытие пролетом 136 м (рис. 24). Он считал рациональным воспринимать распор арок не мощными каменными контрфорсами, а затяжкой. Выдающийся ученый и крупнейший инженер Д. И. Журавский, с именем которого связано дальнейшее развитие инженерного конструкторского искусства, в том числе и деревянного, прекрасно понимал передовое значение работ И. П. Кулибина и высоко оценивал их. Им дана такая характеристика работе Кулибина по проекту моста через Неву: «На ней печать гения; она построена по системе, признаваемой новейшею наукою самою рациональною; мост поддерживает арка, изгиб ее предупреждает раскосная система, которая по неизвестности того, что делается в России, называется американ- скойк

Дмитрий Иванович Журавский (1821 —1891 гг.) Инженер путей сообщения Д. И. Журавский принимал непосредственное участие в строительстве Петербурго-Мос- ковского (ныне Октябрьского) железнодорожного пути. Им были спроектированы крупнейшие железнодорожные деревянные мосты: через р. Мету-—девятипролетный

мост по 61 м каждый пролет, через овраг р. Веребьи — также девятипролетный с неразрезными деревянными фермами каждая по 54 и. Этот мост имел выше уровня воды деревянную конструкцию опор высотой 49 м. Д. И. Журавский не только проектировал, но и руководил строительством моста через овраг р. Веребьи. При строительстве этих мостов их элементы антисептирова- лись глубокой пропиткой под давлением. В связи с отсутствием в то время физико-механических характеристик сосны и ели, произрастающих в России, Д. И. Журавскому пришлось проделать огромную работу по изучению прочности этих пород. В результате им были созданы первые научно обоснованные допускаемые напряжения, которые легли в основу расчета деревянных мостов.

Талантливому инженеру и крупному ученому Д. И. Журавскому принадлежат решения задач, которые до него оставались неизвестными. Занимаясь проектированием мостов, он столкнулся с необходимостью в целях увеличения высоты сечения балок применять их составными из брусьев, соединенных шпонками. Такне составные балки потребовали расчета шпонок, и Д. И. Журавский, решая этот вопрос, вскрыл ранее неизвестное явление сдвига при поперечном изгибе, которое приводило деревянные элементы к разрушению от скалывания. Им впервые получена формула для определения касательных напряжений в брусе прямоугольного сечения и, следовательно, дан метод расчета составной деревянной брусчатой балки с соединением шпонками.

Д. И. Журавским была проведена большая работа по созданию метода расчета запатентованной в 1940 г. в Америке и широко применяемой фермы Гау (рис. 25). В то время считалось, что усилия во всех раскосах, так же как и усилия во всех стойках, одинаковы. Д. И. Журавский сначала теоретически доказал, что усилия в элементах решетки уменьшаются от опор к середине фермы, а при передвижении сосредоточенного груза по ферме могут даже менять в элементах сжимающие усилия на растягивающие, а затем подтвердил это положение экспериментально. Для этого им была выполнена модель фермы, в которой растянутые стойки были из струн, натянутых с одинаковой силой, и поэтому издававших один и тот же тон. После нагружения модели можно было, проводя по струнам смычком, обнаружить,

рис. 25. Схема фермы Гад

что теперь уже они издают различный тон и, следовательно, имеют различные усилия.

Исследуя величину усилий в элементах фермы от единичного сосредоточенного груза, перемещаемого от одного узла к другому, Д. И. Журавский высказал идею линий влияния. Им, по-существу, был создан впервые в истории метод расчета ферм, в том числе и неразрезных, в основе которого использована идея вырезания узлов и составления условий равновесия, причем использован этот метод в 1845 г.— на шесть лет ранее Кульмана, статья которого о расчете ферм была опубликована только в 1851 г. Наконец, Д. И. Журавскому принадлежит приоритет применения метода деформаций при решении статически неопределимых задач. Этим методом он пользовался задолго до Винклера, который предложил его в 1862 г. Таким образом, творческая научная и практическая деятельность Д. И. Журавского дает полное право считать его одним из основоположников русской школы инженерных деревянных конструкций.

Владимир Григорьевич Шухов (1853—1939 гг).— почетный член Академии наук СССР, выдающийся ученый, который внес большой вклад в создание инженерных строительных конструкций новых видов. В конце XIX в. В. Г. Шухов выдвинул идею создания легких, экономичных пространственных конструкций, которую он Осуществил в 1896 г. на Всероссийской художественно- промышленной выставке в Нижнем Новгороде (ныне Горький). Им там были построены деревянные сводчатые покрытия павильонов пролетом до 21,3 м. Они состояли из трех слоев взаимно перекрещивающихся досок толщиной 12,7 мм каждый, которые были соединены между собой гвоздями. Распор свода воспринимался затяжкой, а его устойчивость обеспечивалась наклонными тяжами. В этих сводах доски выполняли функции как несущей, так и ограждающей конструкции (рис. 26). Позже подобные конструктивные формы выполнялись в виде деревянных сооружений, таких, например, как двойные гнутые своды, кружально-сетчатые своды с узлами иа шипах (рис. 27), башни-градирни в виде однополого гиперболоида (рис. 28) и др. В. Г. Шухову принадлежит

математическое обоснование целесообразности применения ферм с криволинейным верхним поясом. Широкое применение в строительстве начиная с 30-х годов нашли фермы сегментного очертания, особенностью которых являются малые усилия в элементах решетки, что позволяло все соединения в узлах выполнять гвоздями.

рас. 26. Схема пространственного сводчатого деревянного покрытия В. Г. Шухова

— разрез; б — план; в — деталь 011орцого Узла А! 1 ^ металлические наклонные тяжи; 2 —- слой досок средний; 3 — то же, нижний; 4 — то ^е, верхний

рис. 27. Конструкция покрытия павильона в виде крестовых крцжально-сетчатых сводов с узлами на ишпах (Песельника)

Рис. 28. Сетчатая башня-градирня системы В. Г. Шухова высотой 35,7 м, построенная в 1938 г. s Орске

Дальнейшее развитие конструкций из дерева и пластмасс и основные области их применения в СССР

Деревянные конструкции. Соответствие конструктивных форм уровню развития производительных сил закономерно для всех этапов развития деревянных конструкций. В соответствии с этой закономерностью и решениями XXVII съезда КПСС, обязывающими повысить уровень индустриализации строительства, увеличить степень заводской готовности строительных конструкций, индустриализация производства является основным методом их прогрессивного развития. Технико-экономической предпосылкой индустриализации являются типизация и стандартизация деревянных конструкций. Вместе с тем комплексная механизация и автоматизация позволяют успешно решить народнохозяйственную задачу всемерной экономии древесины. При этом используются три пути экономии древесины:

индустриализация производства деревянных конструкций, и прежде всего клееных, сводящая к минимуму Потери древесины при ее заготовке и обработке и позволяющая в то же время наиболее полно использовать от-

ходы для изготовления древесных плит и облицовочных материалов;

индустриальное производство прогрессивных форм клееных и, в частности, клеефанерных конструкций из унифицированных элементов позволяет целесообразно отбирать, а следовательно и наиболее экономично использовать лесоматериалы различных сортов;

индустриальное производство из высушенного лесоматериала и применение необходимых конструктивных и химических мероприятий по защите древесины от гниения и пожарной опасности создает условия для существенного повышения капитальности деревянных конструкций.

Ценные строительные свойства древесины определяют и области ее эффективного использования. Малая плотность сухой древесины при сравнительно большой прочности и жесткости ее (вдоль волокон) делает целесообразным применение деревянных конструкций в покрытиях общественных, промышленных и сельскохозяйственных зданий, поскольку в них наряду с наиболее полным использованием лучших конструкционных свойств сухой древесины легче всего осуществить конструктивные меры борьбы с гниением. В ограждающих частях отапливаемых зданий при этом хорошо используется малая теплопроводность сухой древесины поперек волокон. Химическая стойкость сухой древесины оправдывает преимущественное применение безметальных и особенно клееных деревянных конструкций для покрытия сухих химических цехов и складов. Применение деревянных конструкций целесообразно в однопролетных покрытиях одноэтажных зданий (мастерских, зрелищных зданиях на селе, выставочных павильонах, крытых спортивных стадионах и т. п.), а также в сельских производственных и складских зданиях, навесах и пр.

Разработанные советскими и зарубежными учеными новые высокоэффективные способы защиты древесины от гниения позволяют применять деревянные конструкции и в сооружениях, не защищенных от атмосферного увлажнения— в мостах и эстакадах, мачтах и башнях различного назначения.

Доступность заготовки и первичной обработки древесины местных лесов с применением подвижных средств механизации и возможность сборки и возведения деревянных конструкций в любое время года, а также эф- 30

фективность повторного использования легких, транспортабельных деревянных блоков и клеефанерных щитов дЛя сборно-разборных деревянных конструкций определяют целесообразность их применения во временных и вспомогательных сооружениях и легких зданиях инвентарного типа, использование которых особенно эффективно в условиях Крайнего Севера и в других необжитых районах страны.

Конструкции из различных материалов — дерева, металла, железобетона — должны не противопоставляться друг другу, а применяться в сочетаниях, обеспечивающих наиболее эффективное использование в строительстве свойств, присущих каждому из материалов.

Дальнейшее прогрессивное развитие производственной базы заводского изготовления деревянных строительных конструкций должно быть ориентировано на повышение их эксплуатационных качеств и капитальности, на ускорение темпов строительства и повышение производительности труда не только в процессе заводского изготовления укрупненных элементов сборных сооружений, но и при их монтаже.

Конструкции с применением пластмасс. Применение пластмасс в строительных конструкциях при увеличении выпуска пластических масс и синтетических смол рационально с технической и экономической точек зрения в случаях, когда необходимо:

уменьшить вес конструкций;

сократить объем транспортных и монтажных работ (при строительстве в отдаленных и труднодоступных районах);

уменьшить мощность подъемно-транспортного оборудования;

повысить надежность зданий и сооружений;

применить безиетальные конструкции (в условиях воздействия агрессивной среды, а также когда требуется исключить влияние магнитных свойств строительных конструкций и возможность искрообразования).

Важной задачей дальнейшего развития в CCGP строительных конструкций с применением пластмасс является продолжение исследований физических и механических свойств конструкционных пластмасс с целью их улучшения — повышения долговечности (защиты от старения), прочности и деформативности, теплостойкости и огнестойкости, уменьшения ползучести и т. д.

Целесообразными с технической и экономической точек зрения конструктивными формами применения пластмасс в ближайшие годы будут панели стен и малопролетных покрытий, пространственные конструкции из сборных элементов, в том числе в светопрозрачных решениях. Нередко бывает оправдано комплексное решение трехслойных панелей и плит из пластмасс в сочетании с другими материалами (для обшивок) — фанерой, асбестоцементом и т. п. Широкое применение найдут пневматические конструкции, позволяющие перекрывать пролеты более 100 м при малом расходе синтетических материалов.

Необходимо продолжать экспериментальное проектирование н строительство объектов с применением конструкций перечисленных видов, налаживать и развивать заводское производство конструкций с использованием пластмасс, работать над их типизацией и стандартизацией. '

РАЗДЕЛ I. ДРЕВЕСИНА И ПЛАСТМАССЫ КАК КОНСТРУКЦИОННЫЕ СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ, ИХ СВОЙСТВА, ДОСТОИНСТВА И НЕДОСТАТКИ

ГЛАВА 1. ДРЕВЕСИНА - КОНСТРУКЦИОННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ МАТЕРИАЛ

Сырьевая база применения древесины в строительстве

Советский Союз — самая богатая лесом страна в мире, запасы древесины в которой определяются примерно 80 млрд, м, что составляет около 40 % мировых запасов. Основные лесные ресурсы СССР сосредоточены в Сибири и на Дальнем Востоке, занимая 73 % всей площади лесов СССР. Преобладающими породами являются хвойные: лиственница 37 %, сосна 19, ель и пихта 20, кедр 8 %. Запасы березы, являющейся основным сырьем для фанерной промышленности, составляют около 13 %.

Для выполнения целевой комплексной программы увеличения выпуска пластмасс, клееных деревянных конструкций, древесных плит, картона и других видов продукции химической, деревообрабатывающей и целлюлозно-бумажной промышленности необходимо упорно и настойчиво заниматься ускорением научно-технического прогресса.

В строительную практику все шире внедряются прогрессивные деревянные конструкции заводского изготовления; должно существенно возрасти использование отходов лесной и деревообрабатывающей промыЩленнос- тн. Ответственная роль в выполнении этой задачи принадлежит проектировщикам-конструкторам.

Анатомическое строение древесины — основа для правильного понимания ее механических и физических свойств

Деревянные строительные конструкции в основном изготавливаются из древесины хвойных пород (сосна, ель, лиственница), поэтому ограничимся рассмотрением анатомического строения древесины хвойных пород, ко-

77Рис. 1.1. Главные разрезу ств№» ла

7

7

П — поперечный; Р — радиальный! Т — тангенциальный

торая отличается от древесины лиственных пород простотой и однообразием структуры.

На поперечном сечении ствола дерева различают следующие части (рис. 1.1): под корой расположен тонкий слой камбия, отлагающего древесину и работающего с различной интенсивностью, так как деятельность его зависит и от внешних условий. Камбиальной зоной обычно называют слой камбия вместе с молодыми, еще не дифференцированными элементами древесины. В растущем дереве камбий обусловливает прирост древесины и коры. В центре сечения ствола расположена сердцевина, имеющая форму небольшого круглого пятнышка диаметром 2—5 мм.

Вся основная древесина, расположенная между тоненьким слоем камбия и сердцевиной, состоит из двух частей, немного отличающихся одни от других цветовыми оттенками — внутренняя зона, более темная, называется ядром, а более светлая заболонью. С возрастом размеры ядра увеличиваются за счет перехода части заболонной древесины в ядровую, а ширина заболони постепенно уменьшается. В то же время процент площади поперечного сечения ствола, приходящийся на заболонь, увеличивается с переходом вверх по стволу.

На поперечном сечении ствола можно увидеть концентрические слои, окружающие ' сердцевину. ■ Каждое такое кольцо представляет собой ежегодный прирост древесины и называется годичным слоем. Ширина годичных слоев колеблется в зависимости от возраста, породы, условий произрастания и положения в стволе.

Древесина состоит из клеток двух видов — прозеи- хймных и паренхимных. Прозенхима происходит от гре- 84

ческих слов «проз»—«удлиненное» и «енхима»—наполненное, а паренхима от латинского слова «пар»—«одинаковый» и от греческого слова «енхима». Паренхимные клетки имеют примерно одинаковые размеры во всех трех осевых направлениях. К' прозенхимным клеткам, относятся трахеиды — полые клетки, сильно вытянутые в длину с заостренными концами. Среднее отношение длины этих клеток к их размерам в поперечном сечении приблизительно равно 50—60.

Установлено, что в 1 см3 древесины приблизительно размещается 420 000 трахеид. Основными элементами древесины хвойных пород являются трахеиды, которые занимают свыше 90 % общего объема древесины.

Паренхимные клетки в хвойной древесине входят в состав сердцевинных лучей. В растущем дереве по сердцевинным лучам происходит движение питательных веществ и воды в горизонтальном направлении в период вегетации, а в период покоя в них хранятся запасные питательные вещества. В процессе роста трахеиды своими заостренными концами врастают между другими анатомическими элементами или себе подобными элементами.

Таким образом, стыкование трахеид в продольном направлении, решаемое природой, является подсказкой решения стыка в растянутых клееных элементах с помощью так называемого стыка «на ус».

Трахеиды хвойных пород выполняют не только свойственные им. проводящие функции, но и механические. Трахеиды ранней части годичного слоя (рис. 1.2, а) обладают тонкими стенками и большими внутренними полостями, а трахеиды поздней части годичного слоя имеют более толстые стенки и малые полости (рис. 1.2,6). Резкость перехода между ранней и поздней древесиной в пределах одного годичного слоя неодинакова у разных представителей хвойных пород (у лиственницы — резкий, а у сосны менее резкий). Но даже при таком заметном переходе как у лиственницы можно установить промежуточные ряды клеток, которые нельзя отнести по их форме ни к ранней; ни к поздней древесине. На (рис. 1.3) показана объемная схема микроскопического строения сосны.

На основе современных исследований установлено, что стенки клеток трахеид представляют собой слоистую оболочку (рис. 1.4). В стенке каждой нормальной тра-

■ Рис. 1.2. Поперечное сечение ранних и поздних трахеид сосны

Рис. 1.3. Схема микроскопического строения древесины сосны

ТР —трахеиды; о. п. — окаймленные поры; в. с. х, — вертикальный смоляной ход; с. л. — сердцевинный луч; г. с. — годичный слой; р. д. — ранняя {весенняя) древесина; n Д1— поздняя (летняя) древесина

Рис. 1.4. Схема строения оболочки трахеид

хеиды различают: тонкую первичную оболочку Р, значительно более толстую вторичную оболочку 3, состоящую из наружного слоя Зь среднего слоя Si и внутреннего слоя Зз. Трахеиды связаны между собой аморфным межклеточным веществом срединной пластинки М, окружающей каждую клетку (рис. 1.4). Каждый слой оболочки трахеид состоит из микрофибрилл, основой кото-

Рис. 1.5. Микрофибриллы, во вторичном слое S растения еа- лония, увеличенные в 12000 раз (по данным К. Мюлет- галера)

Рис. 1.6. Поперечное сечение ранних и поздних трахеид лиственницы

рых является кристаллическая целлюлоза, инкрустированная матриксом аморфных или паракрйст'аллических полимеров, стабилизирующих структуру микрофибрилл. В составе стенки клетки особую роль играет лигнин. Если высокая прочность при растяжении обеспечивается в основном целлюлозными микрофибриллами, то лигнин придает оболочке прочность на сжатие. Невольно возникает аналогия между микрофибриллами и арматурой, а также между лигнином и бетоном.

Микрофибриллы ориентированы различно в слоях Р, Si, S2 и S3. В слое Р они преимущественно располагаются поперек оси трахеид, а в слоях Si, S2 и S3 по спирали под разными углами (рис. 1.5). Все слои стенок трахеид отличаются одни от других не только углами наклона микрофибрилл по отношению к продольной оси клеток, но и толщиной, которая для отдельных слоев, как и у всей толщины стенки клетки, неодинакова для различных пород древесины (рис. 1.2 и 1.6). Изменчивость также наблюдается в пределах одного вида дерева, что может быть следствием различия условий произрастания. От толщины стенок клеток зависит плотность древесины.

Исследования В. Е. Вихрова показали, что у поздних трахеид вторичная оболочка и срединная пластинка вдвое толще, чем у ранних. Однако соотношение между слагающими клеточную стенку оболочками в обоих случаях одинаково. Целлюлозные микрофибриллы обычно представляют собой тяжи шириной 10—25 нм (последняя величина является максимальной).

В древесине хвойных пород из паренхимных клеток состоят в основном многочисленные сердцевинные лучи (см. рис. 1.3). Они узкие, преимущественно однорядные, но среди них встречаются и многорядные лучи со смоляным горизонтальным ходом посредине. У сосны, ели и лиственницы кроме паренхимных клеток лучи содержат трахеиды.

Только на основе глубокого анализа микро- и субмикроструктуры древесины можно раскрыть действительный характер и особенности механических свойств древесины как материала для строительных конструкций.

Влага в древесине

Различают Два вида влаги, содержащейся в древесине,— связанную (гигроскопическую) и свободную (ка-

пиллярную). Связанная «лага находится в толще клеточных оболочек, а свободная в полостях клеток и в межклеточных пространствах. Кроме свободной и связанной влаги различают влагу, входящую в химический состав веществ, которые образуют древесину (химически связанная влага). Эта влага имеет значение только при химической переработке древесины.

Максимальное количество связанной влаги называется пределом гигроскопичности илн пределом насыщения волокон древесины и составляет 30 %. Дальнейшее, увеличение влажности может происходить только за счет свободной влаги, т. е. путем заполнения пустот в древе- ctjjhe. При изменении влажности от нуля до предела насыщения клеточных оболочек объем древесины увеличивается (разбухает), а снижение влажности в этих пределах уменьшает его размеры (усушка). Чем плотнее древесина, тем больше ее разбухание и усушка. Соответственно различны разбухание и усушка у поздней, более плотной, и у ранней древесины.

Установлено, что линейная усушка вдоль волокон, в радиальном и тангенциальном направлениях существенно различаются. Усушка вдоль волокон древесины обычно так мала, что ею пренебрегают, усушка в радиальном направлении колеблется в пределах 2—8,5%, а в тангенциальном направлении 2,2—14%. Следствием такой неравномерности усушки является коробление досок при высыхании (рис. 1.7). При увеличении влажности свыше точки насыщения волокон, когда, влага занимает полости клеток древесины, дальнейшего разбухания не происходит.

Процесс высыхания древесины состоит из испарения влаги с поверхности и перемещении ее из внутренних, более влажных слоев, к наружным. Испарение влаги с поверхности древесины происходит быстрее, чем продвижение влаги изнутри к периферии, что обусловливает неравномерность распределения влажности; в тонких пиломатериалах эта неравномерность обычно невелика и быстро уменьшается; в толстых элементах влажность выравнивается медленно и неравномерность ее распределения в начале высыхания может быть значительной. Чем выше плотность древесины, тем меньше скорость высыхания. Влагопроводность в радиальном направлении несколько больше, чем в тангенциальном, что объясняется влиянием сердцевинных лучей. Установлено, что в хвойных породах между радиальной и тангенциальной усушкой древесины поздней зоны годичных слоев существует небольшое различие, а тангенциальная усушка ранней зоны в 2—3 раза превосходит радиальную. Све- жесрубленная древесина содержит 80—100 % влаги, причем влажность заболони хвойных пород в 2—3 раза больше влажности ядра. Влажность сплавной древесины доходит до 200 %. Конечная влажность древесины после сушки должна соответствовать ее равновесной влажности в условиях эксплуатации.

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.

Древесина по-разному реагирует на действие химических веществ. При обычной температуре плавиковая, фосфорная и соляная (низкой концентрации) кислоты не разрушают древесину. Серная кислота при концентрации более 5 % и особенно азотная кислота разрушают древе- 40

сину и при низких температурах. Большинство органических кислот при обычной температуре не ослабляют древесину; она устойчива к действию уксусной, муравьиной, лимонной и других кислот. Горячие растворы органических кислот разрушают древесину, особенно при увеличении концентрации и повышении температуры. Газовые среды, например серный или сернистый ангидрид, вредно действуют на древесину при наличии увлажнения и повышенной температуры.

Для зданий с химически агрессивной средой следует применять главным образом сплошные, монолитно склеенные безметальные конструкции, не имеющие зазоров и щелей. Для покрытий лучше всего подходят клеефанерные панели, имеющие гладкую поверхность без выступающих частей.

Физические свойства древесины

Плотность. Древесина имеет трубчато-волокнистое строение. Плотность ее зависит от породы, количества пустот, толщины стеиок клеток и содержания влаги; оиа может быть различна даже в пределах одной и той же породы. Плотность в значительной степени зависит и от влажности.

Температурное расширение. Линейное расширение при нагревании, характеризуемое коэффициентом линейного расширения, в древесине различно вдоль волокон и под углом к ним. Как известно, коэффициент линейного температурного расширения вдоль волокон в 7—10 раз меньше, чем поперек волокон, и в 2—3 раза меньше, чем у стали. Незначительное линейное расширение от тепла вдоль волокон позволяет в деревянных зданиях и сооружениях отказаться от устройства температурных швов.

Теплопроводность. Трубчатое строение клеток древесины превращает ее в плохой проводник тепла. Теплопроводность древесины вдоль волокон больше, чем поперек волокон. Чем больше плотность и влажность древесины; тем больше ее теплопроводность. Малая теплопроводность древесины поперек волокон является основой широкого применения ее в ограждающих частях отапливаемых зданий, в результате чего толщина деревянных стен по сравнению с кирпичными значительно меньше.

Механические свойства древесины

При всей относительной стройности структуры хвойных пород древесины ее трахеиды не стандартны, что является основной причиной изменчивости ее механических свойств.

Механические свойства древесины, являющейся природным полимером, изучаются на основе реологии — науки об изменении свойств веществ во времени под действием тех или иных факторов, в данном случае нагрузок. Известно, что при быстром, кратковременном действии нагрузки древесина сохраняет значительную упругость и подвергается сравнительно малым деформациям. При длительном действии неизменной нагрузки деформации во времени существенно увеличиваются. Если задать древесине неизменную во времени деформацию, например определенный прогиб изгибаемому элементу, то напряжения в нем с течением времени уменьшаются— релаксируют, хотя деформация не меняется.

Реологические свойства древесины учитываются при назначении расчетных сопротивлений. Под действием постоянной нагрузки непосредственно после ее приложения в древесине появляются упругие деформации, а с течением времени развиваются эластические и остаточные деформации. Упругие и эластические деформации обратимы — они исчезают после снятия нагрузки в течение малого (упругие деформации) или более или менее длительного (эластические деформации) промежутка времени. Остаточные деформации, являющиеся необратимой частью общих деформаций, остаются и после снятия нагрузки. '

Для обоснованного назначения размера элементов деревянных конструкций необходимо знать прочность древесины при различных силовых воздействиях, которая зависит от размера пороков, в основном сучков, ослабляющих сечение.

Благодаря особенностям строения древесина является анизотропным материалом, ее механические свойства различны в различных направлениях и зависят от угла между направлением действующего усилия и направлением волокон. При совпадении направления силы и волокон прочность древесины достигает максимального значения, в то же время она будет в несколько раз меньше, если сила действует под большим углом к волокнам.

Рис. 1.8. Стандартные образцы для определения временных сопротивлений (предела прочности) древесины

а — растяжение вдоль волокон; б — поперечный изгиб; 8 — сжатие вдоль волокон; г — скалывание вдоль волокон; О — смятие поперек волокон

Для обоснованного расчета элементов деревянных конструкций необходимо знать прочность древесины при различных видах напряженного состояния и при разнообразном их сочетании (при сложном напряжении). До настоящего времени основой для определения несущей способности конструктивных деревянных элементов служит предел прочности древесины, определяемый испытанием стандартных образцов, выполняемых из чистой, без всяких пороков древесины (рис. 1.8). Однако некоторые из этих образцов не дают правильного ответа на вопрос о величине предела прочности. Так, например, стандартный образец на скалывание вдоль волокон не работает на чистый сдвиг. По плоскости разрушения в нем возникают неравномерные напряжения сдвига в сочетании с неравномерными, нормальными напряжениями сжатия и растяжения поперек волокон.

Тем не менее согласно установленному методу, сопротивление древесины скалыванию, определяют как сопротивление чистому сдвигу, что не соответствует дейст-

вительности. Чистый сдвиг возможен только при работе элемента круглого сечения на кручение.

Испытания показывают значительный разброс показателей прочности даже для одной и той же породы древесины. Это объясняется неоднородностью древесины, связанной с особенностями ее анатомического строения. Так, у хвойных пород, преимущественно применяемых в строительстве, прочность поздней древесины в 3—5 раз выше прочности ранней древесины. Чем толще стенки трахеид и чем больше процент поздней древесины, тем выше плотность древесины и ее прочность. Опытами установлена прямая пропорциональность между пределом прочности и плотностью древесины. На прочность древесины благодаря ее реологическим свойствам значительно влияют скорость приложения нагрузки или продолжительность ее действия. Если серию одинаковых деревянных образцов загрузить, например на изгиб, различной по значению постоянной нагрузкой, то разрушение их произойдет через разные промежутки времени — чем больше нагрузка (напряжение), тем скорее разрушится образец. При этом может оказаться, что часть образцов вообще не разрушится, как бы долго нагрузка ни действовала. Представив результаты таких испытаний графически в координатах «предел прочности — время до разрушения» (рис. 1.9), получим асимптотическую кривую, по которой можно определить, сколько времени пройдет от начала нагружения до разрушения образца, находящегося под тем или иным напряжением. Асимптотический характер кривой показывает, что предел прочности с увеличением длительности приложения нагрузки хотя и падает, но не безгранично — он стремится к некоторому постоянному значению одл, равному ординате асимптоты кривой. Кривая на рис. 1.9 называется кривой длительного сопротивления древесины, а ордината адл — пределом длительного сопротивления древесины; адл характеризует то предельное (максимальное) значение напряжения (или нагрузки), под действием которого образец не разрушится, как бы долго нагрузка ни действовала.

Асимптота на кривой длительного сопротивления делит весь диапазон изменения нагрузки на две области—• область ниже асимптоты с а<адл, в которой разрушение образна не произойдет, как бы долго ни действовала нагрузка, и область выше асимптоты с а>одл, где раз-

8,МПа sot 80 > 70 Н 60О8,МПа sot 80 > 70 Н 60О" Предел ^олговреие^ ю сопротивления" Предел ^олговреие^ ю сопротивленияРис. 1.10. Кривые деформации во времениа —при а<адл; 6 —при о>аДлРис. 1.10. Кривые деформации во времениа —при а<адл; 6 —при о>аДл

8,МПа sot 80 > 70 Н 60

О

8,МПа sot 80 > 70 Н 60

О

" Предел ^олговреие^ ю сопротивления

" Предел ^олговреие^ ю сопротивления

Рис. 1.10. Кривые деформации во времени

а —при а<адл; 6 —при о>аДл

Рис. 1.10. Кривые деформации во времени

а —при а<адл; 6 —при о>аДл

20 40 60 80 100 120 140

Оремя 8c разрушения, дни

Рис. 1.9. Кривая длительного сопротивления древесины

рушение с течением времени неизбежно и где оно произойдет тем скорее, чем больше а превышает одл. Асимптотический характер кривой длительного сопротивления справедлив и для напряженного состояния древесины других видов.

Две области кривой, указанные на рис. 1.9, различаются также по характеру зависимости деформации от времени при заданном значении действующей нагрузки (напряжения). Так, при напряжении а<оДЛДеформации с течением времени затухают, стремясь к некоторому пределу (пунктир на рис. 1.10,а), а при о>одл после некоторого уменьшения скорости деформаций на участке в—г (рис. 1.10,6) наступает развитие деформаций с постоянной скоростью на участке г—д. Далее, в момент времени tt начинается ускоренный рост деформаций, приводящий к разрушению материала.

Как видно нз (рис. 1.10), древесина обладает свойством последействия (ползучести), т. е. роста деформаций в течение некоторого времени после приложения нагрузки. Примером последействия на практике может служить провисание балок, находящихся долгое время под эксплуатационной нагрузкой.

Длительное сопротивление является показателем действительной прочности древесины в отличие от предела прочности, определяемого быстрыми испытаниями на машине стандартных образцов. Переход от предела прочности к длительному сопротивлению производится умножением предела прочности на коэффициент длительности сопротивления, равный отношению предела длительного сопротивления к пределу прочности. По опытным данным, коэффициент длительности сопротивления может быть принят 0,5—0,6. Опыты показывают,

что при очень быстром приложении нагрузки, например при ударе, предел прочности повышается по сравнению с длительным сопротивлением в среднем в 3 раза. Таким образом, относительная прочность древесины при ее испытании с различной скоростью приложения нагрузки изменяется в пределах 1—3.

Фактически деревянные конструкции находятся под совместным действием постоянных (например, собственный вес), временно длительных (например, снеговая) и кратковременных (например, ветровая) нагрузок. Опыты показывают, что в этом случае предел прочности зависит от соотношения этих нагрузок и изменяется от предела длительного сопротивления (при наличии только постоянной нагрузки) до предела прочности, определяемого при, стандартной скорости завружения от действия основных кратковременных нагрузок. Случай преимущественного влияния постоянной нагрузки специально учитывается в расчете (см. табл. III.6). -

В СССР первые систематические работы по исследованию влияния продолжительности действия нагрузки на прочность древесины были проведены Ф. П. Белянкиным, результаты их были опубликованы в 1931 и 1934 гг.

Работа древесины на растяжение, сжатие и поперечный изгиб

Предел прочности древесины при растяжении вдоль волокон в стандартных чистых образцах (влажностью 12%) высок — для сосны и ели он в среднем 100 МПа. Модуль упругости 11—14 ГПа. Наличие сучков и при- сучкового косослоя значительно снижает сопротивление растяжению. Особенно опасны сучки на кромках с выходом на ребро. Опыты показывают, что при размере сучков 'Д стороны элемента предел прочности составляет всего 0,27 предела прочности стандартных образцов. Отсюда видно, насколько важен правильный отбор древесины по размерам сучков для растянутых элементов конструкций. ■

При ослаблении деревянных элементов отверстиями и врезками их прочность снижается больше, чем получается при расчете по площади нетто. Здесь сказывается отрицательное;влияние концентрации напряжений у мест ослаблений. Опыты показывают также, что прочность при растяжении зависит от размера образца; прочность 46

Рис. 1.11. Приведенная диа- Рис. 1.12. Разрушение образца грамма работы сосныпри сжатии вдоль волокон

У — при растяжении; 2 —При сжатии

крупных образцов в результате большей неоднородности их строения меньше, чем мелких.

При разрыве поперек волокон вследствие анизотропности строения древесины предел прочности в 12—. 17 раз меньше, чем при растяжении вдоль волокон. Следствием этого является большое влияние косослоя, при котором направление усилия не созпадает с направлением волокон. Чем значительнее косослой, тем больше составляющая усилия, перпендикулярная волокнам, и тем меньше прочность элемента. Косослой — второй по значимости порок, величина которого в растянутых элементах должна строго ограничиваться.

Диаграмма работы сосны на растяжение (рис, 1.11), в которой по оси абсцисс откладывается относительная деформация е, а по оси ординат относительное напряжение ф, выраженное в долях от предела прочности (так называемая приведенная диаграмма), при <р^0,5 имеет незначительную кривизну и в расчетах может приниматься прямолинейной. Значение ф=0,5 рассматривается при этом как предел пропорциональности. '

Испытания стандартных образцов на сжатие вдоль волокон дают значения предела прочности в 2—2,5 раза меньшие, чем при растяжении. Для сосны и ели при влажности 12 % предел прочности на сжатие в среднем 40 МПа, а модуль упругости примерно такой же, как при растяжении. Влияние пороков (сучков) меньше, чем при растяжении. При размере сучков, составляющих 7з стороны сжатого элемента, прочность при сжатии будет 0,6—0,7 прочности элемента тех же размеров, но без сучков. Кроме того, в деревянных конструкциях размеры сжатых элементов обычно назначаются из расчета на продольный изгиб, т. е. при пониженном напряжении, а не из расчета на прочность. Благодаря указанным особенностям работа сжатых элементов в конструкциях более надежна, чем растянутых. Этим объясняется широкое применение металлодеревянных конструкций, имеющих основные растянутые элементы из стали, а сжатые и сжато-изгибаемые из дерева. <

Приведенная диаграмма сжатия (см. рис. 1.11) при сп>0,5 более криволинейна, чем при растяжении. При меньших значениях <р криволинейность ее невелика иона может быть принята прямолинейной до условного предела пропорциональности, равного 0,5. Разрушение сопровождается появлением характерной складки (рис. 1.12), образуемой местным изломом волокон.

При поперечном изгибе значение предела прочности занимает промежуточное положение между прочностью на сжатие и растяжение. Для стандартных образцов из сосны и ели при влажности 12 % предел прочности при изгибе в среднем 75 МПа. Модуль упругости примерно такой же, как при сжатии и растяжении. Поскольку при изгибе имеется растянутая зона, то влияние сучков и косослоя значительно. При размере сучков в 7з стороны сечения элемента предел прочности составляет 0,5—0,45 прочности бессучковых образцов. В брусьях и особенно в бревнах это отношение выше и доходит до 0,6—0,8. Влияние пороков в бревнах при работе на изгиб вообще меньше, чем в пиломатериалах, так как в бревнах отсутствует наблюдаемый в пиломатериалах выход на кромку перерезанных при распиловке волокон и отщепление их в присучковом косослое при изгибе элемента.

Определение краевого напряжения при изгибе по обычной формуле o=MjW соответствует линейному распределению напряжений по высоте сечения и действн-

Рис. 1.13. Эпюры напряжений в изгибаемом деревянном элементе при увеличении нагрузки до разрушения

тельно в пределах небольших напряжений (рис. 1.13). При дальнейшем росте нагрузки и увеличении кривизны эпюра сжимающих напряжений в соответствии с диаграммой работы на сжатие (рис. 1.11, кривая б) принимает криволинейный характер (рис. 1.13,6, а). Одновременно нейтральная ось сдвигается в сторону растянутой кромки сечения. При этом фактическое краевое напряжение сжатия меньше, а напряжение растяжения больше вычисленных по формуле.

Определение предела прочности по формуле a=M?W удобно для сравнительной оценки прочности различной древесины. В стадии разрушения сначала в сжатой зоне образуется складка, затем в растянутой зоне происходит разрыв наружных волокон. Разрушение клеток в сжатой и растянутой зонах аналогично разрушению при осевом сжатии и растяжении.

Опыты и теоретические исследования показывают, что условный предел прочности при изгибе зависит от формы поперечного сечения. При одном и том же моменте сопротивления у круглого сечения ои больше, чем у прямоугольного, а у двутаврового сечения меньше, чем у прямоугольного. С увеличением высоты сечения предел прочности снижается. Все эти факторы учитываются в расчете введением соответствующих коэффициентов к расчетным сопротивлениям.

Работа древесины на смятие, скалывание и раскалывание

Различают смятие вдоль волокон, поперек волоков и под углом к ним. Прочность древесины на смятие вдоль волокон, например, в стыках сжатых элементов, мало отличается от прочности на сжатие вдоль волокон, и действующие нормы не делают различия между ними. Смятию поперек волокон древесина сопротивляется - слабо. Смятие под углом занимает промежуточное положение. Смятие поперек волокон характеризуется в соответствии с трубчатой формой волокон значительными деформациями сминаемого элемента. После сплющивания и разрушения стенок клеток происходит уплотнение древесины, уменьшение деформаций и роста сопротивления сминаемого образца (рис. 1.14).

В отличие от ранее рассмотренных случаев о работе, древесины на смятие поперек волокон приходится судить главным образом по значению допустимых в эксплуатации (с учетом фактора времени) деформаций. За нормируемый предел здесь обычно принимается напряжение при некотором условном пределе пропорциональности (см. рис. 1.14). Этот предел имеет наименьшее значение при смятии по всей поверхности, среднее значение при смятии на части длины и максимальное; при смятии на части длины и ширины (рис. 1.15). В двух последних случаях деформация уменьшается благодаря поддержке сминаемой площадки соседними незагруженными участками древесины. При смятии на части длины, как показывают опыты, поддерживающее действие возрастает до достижения свободными концами сминаемого элемента длины, равной длине площадки смятия, причем сопротивление тем выше, чем уже сминающий «штамп». При смятии под углом а значение <тнр возрастает с уменьшением угла, и опытные точки хорошо укладываются на эмпирическую кривую (рис. 1.16). Термин «скалывание» означает «разрушение в результате сдвига одной части материала относительно другой»..

Существующие в настоящее время методы расчета - элементов, деревянных конструкций, .работающих иа скалывание и раскалывание, имеют существенные недостатки: а) не .установлен стандартный метод экспериментальной проверки предельной прочности древесины при

Рис. 1.14. Диаграмма работы древесины при смятии поперек волоконРис. 1.14. Диаграмма работы древесины при смятии поперек волоконРис. 1.16. Влияние угла между сминающей силой и направлением волокон на сопротивление древесины смятиюРис. 1.16. Влияние угла между сминающей силой и направлением волокон на сопротивление древесины смятиюРис. 1.15. Смятие древесины поперек волокон а — по всей поверхности; б — на части длины; в — на части длины и части шириныРис. 1.15. Смятие древесины поперек волокон а — по всей поверхности; б — на части длины; в — на части длины и части ширины

Рис. 1.14. Диаграмма работы древесины при смятии поперек волокон

Рис. 1.14. Диаграмма работы древесины при смятии поперек волокон

Рис. 1.16. Влияние угла между сминающей силой и направлением волокон на сопротивление древесины смятию

Рис. 1.16. Влияние угла между сминающей силой и направлением волокон на сопротивление древесины смятию

Рис. 1.15. Смятие древесины поперек волокон а — по всей поверхности; б — на части длины; в — на части длины и части ширины

Рис. 1.15. Смятие древесины поперек волокон а — по всей поверхности; б — на части длины; в — на части длины и части ширины

сложном напряженном состоянии (различном сочетании касательных и нормальных напряжений);

не внедрена, предложенная Б. А. Освенским теория, раскрывающая зависимость прочности древесины от соотношений касательных и нормальных напряжений, увязанная с данными об анатомическом строении древесины.'

Как уже было сказано, стенкн клеток трахеид древесины сосны состоят из слоев Р, S;, S2, Sa, которые отличаются одни От других углом наклона микрофибрилл по отношению к продольной оси трахеид и своей толщиной. По исследованиям многих ученых, ориентация мик-

Рис. 1.17. Схема направления микрофибрилл относительно оси х о слоях радиальной стенки трахеид сосны

Рис. 1.18. Схема расчетной стержневой системы (деформированная схема показана пунктиром).

рофибрилл в первичной оболочке Р близка к поперечной. Расположение микрофибрилл в наружном слое вторичной оболочки Si изменяется от перпендикулярного по отношению к продольной оси клетки до различных степеней распределения по спирали, а в среднем слое вторичной оболочки S2— от спирального до продольного. От угла наклона микрофибрилл в значительной степени зависят физико-механические свойства элементов, слагающих древесину.

За основу принимаем, что отношение толщины отдельного слоя стенки трахеиды, отличающегося ориентацией микрофибрилл, к полной толщине одной стенки сохраняется во всех трахеидах. Таким образом, принятые нами соотношения сохраняются и для любой суммы стенок трахеид.

Заменяя сумму слоев одинаковых по ориентации микрофибрилл эквивалентным стержнем, в итоге получим стержневую систему. При этом распределяем все ориен-

танки микрофибрилл на четыре основные направления: перпендикулярное, два перекрестных спиральных н продольное (рис. 1.17). Средний угол спиральных слоев вторичной оболочки примем на основании данных ' (полученных В. А. Баженовым) для сосны уран=29,2о«30г’ и уПаз9—17,3°. Обозначим толщины отдельных слоев стенки в безразмерных единицах как отношение части к целому: 6„ — суммарная толщина слоев с поперечной ориентацией (Л14-/3-(-51+5з); 6Спл—толщина спирального слоя 32л левого (условно) направления; 6Сппр —толщина спирального слоя S2np правого направления (S2np=S2j; 6а — толщина слоя 52 продольного направления.

Стержневая система принята для участка длиной, равной единице в направлении вдоль волокон древесины (рнс. 1.18). .

Площади поперечного сечения микрофибрилл указанных слоев: ■

~ ^h* ^спл “ ^сппр ~ ®сп sin "V! Са = 6а,

Длина микрофибрилл отдельных слоев на рассматриваемом участке а—1 (рис. 1.18) будет: для слоев с поперечной ориентацией A = atgy; со спиральной ориентацией d=a/cos у, а с продольной ориентацией о=1.

Рассмотрим данную схему как стержневую конструкцию, которая для случая когда сила jVa-so направлена поперек волокон (благодаря симметрии) и является статически неопределимой системой с одним лишним неизвестным.

Исходя из очертания деформированной системы и полагая, что деформации удлинения слоев с поперечной ориентацией весьма малы, а модули упругости у всех слоев одинаковы, получим значение усилия, воспринимаемого суммарным слоем с поперечной ориентацией

У = А^ /1 + 2 cos’ (90° - у) Fcn/Fh. (1.1)

Зная отношение FcJFa и заменяя в зтом выражении силу Ngo. которую считаем приложенной к поверхности, равной 1 см2, получим значение напряжения в слоях с поперечной ориентацией. Приняв Ад0 равным значению предельного сопротивления разрыву поперек волокон, получаемому экспериментально, найдем предельное сопротивление суммарного слоя с поперечной ориентацией микрофнбрилл, так как слои со спиральной ориентацией

Рис. 1.19. Расчетная стержневая система при растяжении, под углом а (деформированная схема показана пунктиром)

Рис. 1.20. Расчетная схема при чистом сдвиге

в этом случае недонапряжены. Полученное таким образом напряжение является приведенным к площади древесины, а не действительным напряжением в микрофибриллах, которое может быть найдено при условии, если будет известна действительная площадь поперечного сечения этих слоев микрофибрилл, приходящихся на 1 см2 сплошного сечения древесины.

Точно так же можно найти и приведенное напряжение в слоях со спиральной ориентацией микрофибрилл, которое не является предельным и разрушающим при растяжении поперек волокон. Их разрушение может произойти последовательно после разрушения слоев с поперечной ориентацией.

Получив таким образом приведенную предельную прочность микрофибрилл, создаем возможность определить прочность ДЛЯ СИЛЫ Na, приложенной под любым углом а к волокнам древесины.

При приложении силы Na под углом а к волокнам (рис. 1.19) по плоскости разрушения возникает сочетание касательных и нормальных напряжений (сложное напряжение). В этом случае симметрия стержневой сис-

темы нарушается и появляется еще одно дополнительное неизвестное условие. Составляем уравнения равновесия:

Zn cos (я + у) + ^ cos (а — у) + У sin а = Na ,(2л + Zn) cos у — ^ cos а = 0.

Решая совместно эти уравнения, после ряда преобразований получим

2л + к = ^(sina + tgycosa).(1.2)

Рассматривая очертание деформированной системы, указанной на рис. 1.19, и пренебрегая изменением углов от перемещения узла, составим два уравнения:

NY = YhlFhE = AZ0 sin

Д2л)=2л^дсп5 = AL0cos:(a —у).

Решая совместно эти два уравнения, после преобразований получим

7 = _tgT£OS_(a —уИсп_ у лFn sin a

Учитывая, что у=30° и ^ = 1; FCn=0,5; FcaIFh=ll2, получим

2Д = 0,25 ^2L2ZV) у(1 3)

sin я

Решая уравнения (1.2) и (1.3) совместно, будем иметь

N _ 1+0,25 [cos (a — y)/sin a]asin a + tg у cos a ’

где на основании формулы (1.1)

У = NJ 1 + 2 cos3 to” 0,5 = NJ 1,125 = a^l 1,125.

Таким образом получим предельное сопротивление разрыву под углом а

°рРаД = р + 0,25 ^.дд ^ У (sin “ + tg Y COS a) 1,125 j a^”.

(1.4)

Уравнение (1.4) применимо для углов а^ЗО”. Для углов a<30°

= Г sin я+0,25 cos (у— a)1 Opso F у^

ра |_ 0,25 cos (у — a) (sin а + tg у cos а) ] 1,25 сп'

Таблица L1. Экспериментальные и теоретические данные предельного сопротивления древесины при растяжении под углом к волокнам

Угол, °Угол, °очистыйсдвиг

Угол, °

Угол, °

9,029,0211,72 11,28 9,411,72 11,28 9,48,94 8,788,94 8,78Теоретические данные,

9,02

9,02

11,72 11,28 9,4

11,72 11,28 9,4

8,94 8,78

8,94 8,78

МПа

Предельное сопротивление по эксперименту, МПа

Предельное напряжение при чистом сдвиге вдоль волокон определяется по схеме (рис. 1.20):

^Д = 2Гсиа^/со5?.1,125. (1.6)

По вышеприведенным формулам нами определены теоретические значения прочности сосны на растяжение под различными углами к волокнам. Результаты выполненных расчетов для разных углов а по предложенной схеме ориентации микрофибрилл (рис. 1.17) приведены в табл. 1.1.

Анализ данных, полученных теоретически, раскрывает причины относительно низкого сопротивления древесины растяжению поперек волокон. Это объясняется тем, что при данном виде напряжения происходит последовательное разрушение отдельных слоев стенки. Наибольшее напряжение возникает в слоях с поперечной ориентацией, в то время как слои со спиральной ориентацией еще слабо напряжены. Это определяет минимальное значение предельного сопротивления древесины при а = = 90°. При а = у = 30° напряжение в слоях со спиральной ориентацией становится равным напряжению в слоях с поперечной ориентацией, и разрушение происходит одновременно в тех и других слоях, что объясняет получающееся при этом угле максимальное сопротивление разрыву.

Разработанная теория дает возможность, ограничившись одним видом испытания на растяжение поперек волокон, также определить предельное сопротивление древесины при растяжении вдоль волокон, что подтверждено экспериментальными данными.

Сопротивление древесины скалыванию при сочетании касательных напряжений вдоль волокон с нормальными напряжениями сжатия поперек волокон

Некоторые исследователи иногда неправильно представляют роль и характер влияния нормальных напряжений поперечного сжатия и растяжения на предельное сопротивление скалыванию, при этом преувеличивают как положительную роль сжатия, так и отрицательную роль растяжения поперек волокон.

В зоне воздействия внешнего поперечного обжима в сопряжениях, например в лобовой врубке или в сборном стыке с обжимными клиньями, где имеет место одностороннее расположение площадки скалывания в растянутых элементах, одновременно с уменьшением нормальных растягивающих напряжений поперек волокон увеличивается концентрация напряжений сдвига. Только при относительно более равномерном поперечном обжатии плоскости скалывания можно несколько повысить сопротивление скалыванию.

Для обоснования этого положения необходимо обратиться к современным данным о микро- и субмикроструктуре стеиок клеток трахеид древесины. За основу примем изложенное ранее положение о том, что отношение толщины отдельного слоя стенки трахеиды, отличающегося своей ориентацией микрофибрилл, к полной толщине стенки сохраняется во всех трахеидах ранней или поздней древесины. Следовательно, принятые ранее соотношения сохраняются и для любой суммы стенок трахеид. За основу, таким образом, берем ранее принятую схему (см. рис. 1.17) направления микрофибрилл относительно оси х. Средний угол спиральных слоев вторичной оболочки принимаем, как и в предыдущем исследовании, для клеток ранней древесины сосны уран=ЗО° и для клеток поздней древесины уПозд=17,3°. Толщины слоев с различной ориентацией микрофибрилл, площади их поперечных сечений, длины отдельных слоев и другие характеристики сохранены прежние. Расчетная схема показана на (рис. 1.21).

Рис. 1.21. Расчетная стержневая система при сжатии поперек волокон (деформированная схема показана пунктиром)

Влияние влажности и температуры на прочность древесины -

Влияние влажности. При повышении влажности древесины от нулевой до точки насыщения волокон примерно до 30 % ее прочность, в том числе и длительная, уменьшается, деформативность увелячивается и модуль упругости снижается. В наименьшей степени влажность влияет иа ударную прочность древесины и на прочность при растяжении вдоль волокон. В других случаях влияние влажности сравнительно велико и при ее изменении на 1 % прочность меняется на 3—5 %. Повышение влажности древесины свыше точки насыщения волокон не приводит к дальнейшему снижению ее прочности.

Для сравнения прочности древесины надо показатели прочности приводить к одной влажности. В настоящее время комиссия по стандартизации СЭВ приняла для показателей физико-механических свойств древесины стандартную влажность 12 %. Приведение к стандартной влажности производят по формуле

В12= S^ [! + «(№-12)],

где Biz — предел прочности при влажности 12 %; W — влажность в момент испытания; Bw— предел прочности при влажности в момент испытания; а — поправочный коэффициент, принимаемый по табл. 1.2.

Формула приведения действительна в пределах изменения влажности 8—23 %.

Влажность определяют взвешиванием до и после высушивания до постоянного веса в сушильном шкафу образцов небольших размеров. В производстве влажность сортаментов можно определять, не вырезая образцов.

Таблица 1.2. Значение коэффициента а

■ Напряжение■ Напряжениеа при приведении к влажности 12% для древесины всех 'пород

■ Напряжение

■ Напряжение

0,050,040,030,050,040,03Сжатие вдоль волокон Статический изгиб

0,05

0,04

0,03

0,05

0,04

0,03

Скалывание вдоль волокон

с помощью электровлагомера, действие которого основано на изменении электропроводности древесины в зависимости от ее влажности.

Влияние температуры. Опыты показывают, что предел прочности при любой влажности зависит от температуры, с ее повышением прочность уменьшается, с понижением — увеличивается. При большой влажности и отрицательных температурах влага в древесине превращается в лед, получается так называемая замороженная древесина, прочность которой на сжатие, поперечный изгиб, скалывание и раскалывание возрастает. В то же время замороженная древесина становится более хрупкой, н сопротивление ее ударному изгибу понижается.

Модуль упругости при повышения температуры понижается, что увеличивает деформативность деревянных конструкций. Уменьшение прочности при повышенных температурах, осложненное усушкой в присучковом косослое, является основной причиной наблюдавшихся иногда разрывов деревянных элементов конструкций в жаркие летние месяцы, когда напряжения в элементах значительно ниже, чем "зимой.

Из изложенного следует, что при экспериментальном определении прочности древесины следует учитывать не только ее влажность, ио и температуру. Предел прочности при данной температуре к прочности при стандартной температуре 20 °C можно пересчитывать по формуле

Ого " от 4* р (Т — 20),

где о20 —искомая прочность при /=20°С; от — прочность при данной температуре С; Р — поправочное число на температуру, принимаемое по чабл. 1.3.

Формула приведения действительна в пределах положительных температур 10—50 °C. Пересчет к температуре 20 °C должен производиться после пересчета к влажности 12 %.

Таблица 1.3. Поправочные инсла 0

Порода древесины

3. МПа, при'

сжатии

ВДОЛЬ волокон

статическом изгибе

. скалыва-

растяжения

вдоль

олокон

Сосна

3,5

4,5

0,4

4

Ель

2,5

3

—

Лиственница

4,5

—

—

—

Пихта

2,5

—

—

—

Береза

4,5

—

—

—

§ 1.11. Требования и качеству и отбор лесоматериалов для элементов несущих конструкций

При наличии значительных пороков, в особенности сучков, прочность досок, брусьев нли бревен бывает на-/ столько низкой, что они не могут быть применены для элементов несущих конструкций, поэтому размеры пороков необходимо ограничивать.

Лесоматериалы разделяются на сорта в зависимости от величины и вида пороков. К древесине для деревянных конструкций кроме требований ГОСТ 8486—66* на пиломатериалы хвойных пород и ГОСТ 9463—72* на круглые лесоматериалы предъявляются следующие дополнительные требования, указанные в СНиП П-25-80:

ширина годичных слоев в древесине должна быть не более 5 мм, а содержание в них поздней древесины— не менее 20 %;

в заготовках из пиломатериалов 1-го и 2-го сортов для крайней растянутой зоны (на 0,15 высоты сечения) клееных изгибаемых элементов и в досках 1—3-го сортов толщиной 60 мм и менее, работающих на ребро при изгибе или на растяжение, не допускается сердцевина.

Пороки по-разному сказываются при работе на растяжение, сжатие и изгиб, скалывание и смятие. Следовательно, ограничение пороков связано с видом работы элемента в конструкции.

§ 1.12. Строительная фанера

Фанера представляет собой слоеный листовой материал, состоящий, как правило, из нечетного числа слоев, 60

называемых шпонами и получаемых лущением прямолинейных отрезков ствола дерева.

Фанерное сырье поступает на заводы в виде кряжей или чураков. Отрезок кряжа, длина которого соответствует установленному размеру форматного листа лущеного шпона по длине волокон с припуском на оторцовку, называют чураком. В кряже может быть два, три и более чураков. Каждый чурак должен иметь припуск по длине 2—3 см, а кряж — по 3 см на каждый чурак.

Смежные шпоны в пакете имеют взаимно перпендикулярное расположение волокон и склеиваются между собой горячим или холодным прессованием. Фанеру толщиной более 15 мм называют фанерными плитами. Вследствие перекрестной структуры фанера обладает меньшей анизотропией свойств, чем природная древесина, а явления усущки и разбухания соответствуют таковым у древесины в направлении вдоль волокон.

Фанере присущи высокие прочностные свойства, малая масса (она в 4 раза легче алюминия), низкая тепло- и звукопроводимость, большая стойкость к воздействию химически агрессивных сред и повышенная водостойкость при изготовлении на водостойкий клеях. Фанера имеет низкий коэффициент линейного температурного расширения (5-Ю-6 мм/м°С) по сравнению с коэффициентом линейного расширения стали (11,3-IO-6) или алюминия (25-10-6).

Совокупность положительных свойств фанеры позволяет использовать ее в строительстве. К строительной фанере относится клееная фанера (ГОСТ 3916—69 «Фанера клееная») марок ФСФ (Ф — фанера, СФ — на смоляном фенолформальдегидном клее), ФК (К—на карбамидном клее) сортов не ниже В/ВВ и бакелизиро- ванная фанера марок ФБС (Б — бакелизированная, С — пропитка наружных слоев и намазывание серединок спирторастворимыми смолами) и ФБСВ (С — пропитка наружных слоев спирторастворимыми смолами, В — намазывание серединок водорастворимыми смолами). К строительной фанере следует отнести также фанерные плиты марки П ПФ-А (П — плита, Ф — фанерная, А — перекрестная структура, изготовляемые аналогично клееной фанере). Сорта клееной фанеры и плит определяются в основном качеством древесины и обработкой шцона наружных слоев. Данные для расчета конструк-

цйй из строительной фанеры содержатся в СНиП 11-25-80. ' - : ' Влагосодержание фанеры колеблется в пределах 5— 10 %, а у фанерных плит не превышает 12 %. Фанера марки ФСФ обладает повышенной водостойкостью и рекомендуется для изготовления клеефанерных конструкций. Фанера марки ФК является фанерой средней водостойкости и рекомендуется для конструкций группы А,, А2 и Б1( т. е. устанавливаемых внутри помещений.

Необходимо ориентироваться на использование в строительстве клееной фанеры, изготовленной из древесины хвойных пород, главным образом лиственницы, которая дешевле фанеры, изготовленной из березовой древесины, и экономически эффективной клееной комбинированной фанеры с наружными тонкими слоями березового шпона и с внутренними слоями толстого шпона хвойных пород.

Бакелизированная фанера выпускается толщиной от 5+0,5 мм до 18У9 мм длиной 1500—7700 мм и шириной 1200—1500 мм; ее влагосодержание составляет 6— 10 %. Бакелизированная фанера характеризуется высокой прочностью *и водостойкостью. Ее используют для строительства специальных конструкций и для изготовления многооборачиваемой опалубки.

- Средняя толщина листов фанеры имеет допустимые отклонения от номинальной толщины, существует также разнотолщинность в пределах листа. В некоторых случаях это отрицательно сказывается на прочности клеевого соединения конструкций, поэтому листы следует более тщательно сортировать по толщине или калибровать с помощью фрез приклеиваемые участки. Бакелизирован- ную фанеру или фанеру повышенной водостойкости с водостойкими защитными покрытиями на слоях применяют в качестве сборно-разборной опалубки для изготовления железобетонных конструкций с большими плоскими поверхностями. Водостойкие покрытия защищают нанесением на поверхность фанеры слоя минерального масла (одноразовое использование), полиуретанового лака или фенольной смолы, а также напрессованием пленок из крафт-бумаги, пропитанной фенолформальдегидными смолами, или стеклоткани, пропитанной водостойкими смоляными клеями. Состыкованные листы опалубочной фанеры могут иметь максимально возможную по условиям транспортирования длину (до 20 м) и Ширину.

.. В настоящее время выпускается опалубочная фанера из древесины лиственных и хвойных пород с защит? ными покрытиями из пропитанных смолами бумажных пленок и разработаны конструкции многооборачиваемой щитовой опалубки, состоящей из дощатого каркаса и обшивки нз опалубочной фанеры (ЦНИИОМТП). Строительная фанера может быть в необходимом случае использована также для изготовления профильных фанерных элементов.

ГЛАВ* 2. ПЛАСТМАССЫ — КОНСТРУКЦИОННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ МАТЕРИАЛ

Общие сведения о пластмассах

Полимеры, являющиеся основой пластмасс, представляют собой высокомолекулярные соединения, молекулы которых состоят из многих элементарных звеньев одинаковой структуры. Эти звенья соединены между собой ковалентными связями в длинные цепи или образуют жесткие и пластичные пространственные ре-" щетки.

Технические свойства высокомолекулярных соединений зависят от строения и природы исходных мономеров и значения молекулярной массы. Чем длиннее цепи этих соединений, тем выше, например при прочих равных условиях, механическая прочность.

Получают.полимеры из исходных низкомолекулярных органических веществ (мономеров), отдельные молекулы которых благодаря двойным или тройным связям способны взаимосоединяться с образованием молекул удвоенной (димер), утроенной (тример) или многократно увеличенной молекулярной массы (полимер).

Название полимера образуется обычно от названия того мономера, из которого он был получен. Так, например, полиэтилен получают из этилена, поливинилхлорид — из винилхлорида, полистирол — из стирола и т. д. Иногда название полимера образуется в зависимости от вида реакционных химических групп, соединяющих молекулы мономеров,— полиамиды, полиэфиры и т. д.

Пластическими массами называются материалы, которые в качестве основного компонента содержат синтетический полимер. Пластмассы могут состоять из одного полимера или содержать кроме полимера некоторые вспомогательные вещества, придающие им определенные свойства.

В основе технологии синтеза высокомолекулярных соединений лежат два основных метода получения полимеров— полимеризации и поликонденсации, различающихся как по механизму основной реакции, так и по строению образующихся полимеров. Поэтому все синтетические полимеры делятся на два основных больших класса — полимеризационные и поликонденсаци- онные.

Полимеризация — это соединение большого числа молекул мономера одного и того же вещества в одну большую макромолекулу. Этот процесс протекает обычно при определенной температуре и давлении без выделения каких-либо низкомолекулярных веществ. При полимеризации химический состав полимера соответствует химическому составу исходного номомера.

Поликонденсация представляет собой химический процесс получения высокомолекулярных соединений из мономеров различных исходных веществ, сопровождающийся выделением побочных продуктов (воды, спирта и др.).

Часто для получения материалов со специальными свойствами в качестве исходного продукта берут несколько различных по составу мономеров в определенных пропорциях. В этом случае процесс полимеризации называется сополимеризацией, а готовый продукт — сополимером. Сополимеры обладают новыми свойствами, отличающимися от свойств исходных мономеров. Таким образом, подбирая мономеры с различными свойствами, сополимеризацией можно получить пластические массы с заранее заданными свойствами.

В зависимости от поведения связующего (смолы) при нагревании пластические массы делятся на две группы — термопластические и термореактивные.

Полимеры, получаемые полимеризацией, чаще всего являются термопластичными материалами. К последним относятся пластические массы (термопласты), полученные на основе поливинилхлорида, полиэтилена, полистирола, полиуретана, полиамидных, акриловых и других

термопластичных смод, которые при нагревании размягчаются и становятся пластичными-, а при охлаждении снова отвердевают." ■ '

К термореактивным пластмассам (реактопластам) относятся материалы на основе фёнолоформальдегид- ных, полиэфирных, эпоксидных, карбамидных и других термореактивных синтетических смол, которые, будучи отформованы в процессе изготовления, переходят в неплавкое, нерастворимое состояние.-

■ Нашей промышленностью вырабатываются пластмассы и смолы многих видов, но в строительстве применяются только некоторые из них.

Пластмассы могут быть неоднородными, состоящими из главного компонента — связующего вещества (смолы) и технологических добавок: пластификаторов, наполнителей, стабилизаторов, антистатиков, красителей, инициаторов, порообразователей и др., и однородными, к которым относятся, например, полиэтилен, полиметилмета кр плат й др.

Связующие вещества (смолы). Для конструкций и изделий строительного назначения в основном применяют полиэфирные, фенолоформальдегидные, ■ эпоксидные, мочевино-.и Меламиноформальдегидные и кремнийорга- нические смолы.

Полиэфирные смолы относятся к числу термореактивных материалов и обладают весьма ценными свойствами: небольшой вязкостью, способностью к отверждению при повышенной и комнатной температурах без выделения летучих продуктов, хорошими механическими показателями в отвержденном состоянии и высокой стойкостью к воздействию воды, кислот, бензина, масел и других веществ. Ненасыщенные полиэфиры получаются в результате конденсации ненасыщенных дикарбоновых кислот с многоатомными спиртами. Их применяют главным образом в качестве связующего при изготовлении стеклопластиков, а также как основу для клеев, лаков, компонентов заливочных составов, пласто- бетонов, шпаклевок и т. д.

Для отверждения полиэфирных смол чаще всего применяют инициатор — гидроперекись изопропилбензола (гипериз) и ускоритель—10 %-ный раствор нафтената кобальта в стироле. Отверждение полиэфирных смол сопровождается выделением большого количества тепла, увеличением плотности и уменьшением объема смолы.

Некоторые полиэфирные смолы (НПС-69-22М, ПН-62 и др.) не содержат летучих мономеров, что способствует улучшению условий труда, а также повышению качества изделий.

В строительстве наибольшее применение находят полиэфирные смолы марок ПН-1, ПН-2, ПН-3, НП-4, ПН-1С, ПН-6 и др. Смолы ПН-1 и ПН-2 используют главным образом при изготовлении крупногабаритных изделий из стеклопластиков контактным методом, намоткой, вакуум-формованием, прессованием и др. Они применяются там, где не требуются высокая стойкость, специальные оптические и другие специфические свойства. Эти смолы дешевы и изготовляются как правило из наиболее доступного сырья.

Смолы ПН-3 и ПН-4 характеризуются повышенной теплостойкостью—150—170 °C. Их применяют главным образом в качестве связующих для стеклопластиков, эксплуатируемых при повышенных температурах.

Смолы ПН-1С и ПН-6 относятся к самозатухающим. Для придания смолам способности к самозатуханию в их состав вводят 25—28 % хлора. При введении в смолы небольшого количества трехокиси сурьмы содержание в них хлора может быть существенно уменьшено.

Для светопроницаемых стеклопластиков рекомендуется применять полиэфирные смолы марок ПНМ-2, ПН-1М и ПНМ-8, которые пропускают до 90 % дневного света и до 75 % ультрафиолетовых лучей.

Фенолоформальдегидные смолы представляют собой продукт конденсации фенола и формальдегида в присутствии катализаторов. В них сочетаются тадие необходимые свойства для стеклопластиков, как термостойкость, высокая механическая прочность и сравнительно хорошая адгезия к стеклянному волокну. Фенолофор- мальдегидные смолы имеют также высокую адгезию к целлюлозосодержащим материалам (древесине, бумаге), что позволяет широко использовать их при производстве древесных и бумажных пластиков, фанеры, клееной древесины и т. д.

При нагревании эти смолы быстро отверждаются и переходят в твердое, неплавкое состояние. Отвержден-

ные смолы имеют высокие физико-механические и диэлектрические свойства, не растворяются в продуктах нефтепереработки и органических растворителях и стойки к действию слабокислых сред.

При отверждении фенолоформальдегидных смол выделяются летучие вещества и вода. Ввиду большой скорости процесса отверждения летучие вещества и вода не успевают полностью удалиться из смолы, что может быть причиной появления вздутий, трещин и рыхлых поверхностей в готовых изделиях. Чтобы избежать этого, при формовании изделий из стеклопластиков создают относительно высокие давления, превышающие давления, создаваемые летучими веществами при отверждении смолы.

Эпоксидные смолы получают при взаимодействии многоатомных фенолов (дифенолопропан и др.) с веществами, содержащими эпоксидную группу (например, эпихлоргидрином). После введения отвердителя эпоксидные смолы становятся неплавкими, нерастворимыми продуктами, обладающими сетчатой трехмерной структурой. В качестве отвердителей чаще всего используют ангидриды кислот или полиамины, например полиэтиленполиамин.

Отвержденные эпоксидные смолы обладают ценными технологическими свойствами и высокими физикомеханическими показателями. Изделия, изготовленные из них, бензо-, масло- и водостойкие. Эпоксидные смолы в отличие от многих других полимерных материалов отверждаются с минимальной усадкой без выделения побочных продуктов и обладают высокой адгезией к большому числу материалов. Эти смолы используют как связующие при изготовлении стеклопластиков и прессовочных композиций, для изготовления различной технологической оснастки, в качестве клеев, герметиков, кор- розие- и водостойких покрытий, обладающих хорошей атмосферо -и светостойкостью.

В последнее время широко применяют эпоксидные смолы, модифицированные различными продуктами, например фурановыми, фенолоформальдегндными, полиэфирными и другими смолами.

Мочевино- и меламиноформальдегидные смолы. Мо- чевиноформальдегидные (карбамидные) смолы получают конденсацией мочевины с формальдегидом в слабощелочной или нейтральной среде. Отверждение этих

смол происходит под действием органических кислот, кислых солей и эфиров. Мочевиноформальдегидные смолы растворимы в воде, но не растворяются в обычных органических растворителях. Будучи отвержденными, они практически ни в чем нерастворимы.

Меламиноформальдегидные смолы получают конденсацией меламина с формальдегидом. Находят применение также смешанные меламино- и мочевиноформаль- дегпдные смолы с различными соотношениями меламина и мочевины.

Карбамидные смолы бесцветны, обладают достаточно высокой теплостойкостью и светостойкостью. Они широко используются в качестве связующего в пресс- порошках, применяемых для изготовления строительных деталей, в качестве клеев для соединения и пропитки тканей и т. п. На основе мочевиноформальдегидных смол получают пористый материал (мипору), имеющий высокие теплозвукоизоляционные показатели и малую плотность.

Кремнийорганические смолы относятся к особому классу высокомолекулярных соединений. В своем составе наряду с органической частью они содержат неорганическое вещество — кремний. Кремнийорганические полимеры обладают повышенной аТмосферо- и светостойкостью.

В строительстве кремнийорганические смолы применяют в качестве лаков, эмалей, красок, а также для придания гидрофобных (водоотталкивающих) свойств поверхности пористых материалов (мрамору, тканям, бумаге и т. п.).

Наполнители уменьшают расход связующего, что снижает стоимость готового изделия, предотвращают усадку при отверждении, придают высокую механическую прочность и т. д. В качестве твердых наполнителей применяют непрерывное и рубленое стекловолокно, стеклоткань, асбестовое волокно, древесную стружку, опилки, тальк и др.

Пластификаторы снижают хрупкость пластмасс, увеличивают гибкость, эластичность и относительное удлинение, а также повышают морозостойкость материала. Кроме того, они улучшают условия переработки пластмасс. „

Для придания полимеру комплекса нужных свойств применяют смеси пластификаторов, чаще всего такие, 68

как трибутилфосфат, дибутнлфталат, трикрезилфосфат и др.

Стабилизаторы способствуют сохранению физикомеханических свойств пластмасс во времени и снижают скорость процессов деструкции (разложения) материалов под влиянием атмосферных условий, повышенных температур, света и микробиологической коррозии.

По характеру действия стабилизаторы делятся на антиоксиданты или термостабилизаторы (против термоокислительной деструкции) и светостабилизаторы (против фотолиза и фотоокисления).

Антистатики уменьшают электризацию полимерных материалов в процессе их переработки и эксплуатации изделий из них. Способность полимерных материалов накапливать заряды статического электричества объясняется тем, что по своим свойствам многие из этих материалов (полиолефины, полистирольные пластики, поливинилхлорид и др.) являются диэлектриками, т. е. обладают значительным удельным поверхностным и объемным электрическим сопротивлением, а следовательно, и ничтожно малой проводимостью.

В качестве антистатика для пластмасс применяют поверхностно-активные вещества и электропроводящие наполнители (сажа, графит, порошки металлов).

Основные виды конструкционных пластмасс, их свойства и области применения

В строительстве наибольшее применение нашли стеклопластики и древесные пластики. Стеклопластики представляют собой пластмассы, состоящие из стеклянного наполнителя и связующего. В качестве последнего используют обычно ненасыщенные полиэфирные, эпоксидные и фенолоформальдегидные смолы, а также некоторые термопласты. Наполнители в настоящее время используются главным образом стекловолокнистые, свойствами которых во многом определяются физикомеханические характеристики стеклопластиков.

Стеклянное волокно является для стеклопластика своеобразной арматурой подобно металлу в железобетоне. Смола выполняет роль связующего и в то же время защищает стеклянные волокна от влияния внешней среды и способствует равномерному распределению усилий, возникающих в них.

Рис. 1.22. Схема получения непрерывного стекловолокна 1—электрическая печь; 2 —замасливающий аппарат; 5 — наматывающий аппарат

По химическому составу стекло, из которого вырабатывают волокна, может быть щелочным с содержанием окиси натрия 5—15 % и малощелочным с меньшим его содержанием. Прочность щелочного стекловолокна ниже прочности малощелочного и в значительно большей степени снижается при увлажнении. В связи с этим для изготовления стеклопластиков применяют малощелочное стекловолокно.

Стекловолокно получают следующим образом (рис. 1.22). Расплавленная в печи стеклянная масса, проходя через фильерные отверстия на дне печи, образует капли, которые увлекают за собой тонкие волокна. Затем эти волокна наматываются на вращающийся барабан.

Во время выработки стеклянные волокна следует замасливать — наносить на их поверхность смеси органических или элементоорганических веществ из расплава, раствора или эмульсии (рис. 1.22). Однако замасли- ватели значительно снижают адгезию связующего к стеклянному волокну, поэтому в дальнейшем замасли- ватель со стекловолокна (если это необходимо) удаляют и наносят новое покрытие — аппрет, которое способствует лучшему совмещению стекла и связующего..

Применяют три вида замасливателей — парафиновый, парафиновую эмульсию и спиртоканифольный. В качестве аппретирующих веществ используют главным образом оргаиосилановые соединения.

Стеклянное волокно имеет все положительные качества, присущие стеклу — негорючесть, высокую теплостойкость, плотность, прозрачность, а также хорошие механические показатели. Так, прочность малощелочного волокна диаметром 6 мк превышает 2 ГПа, а модуль упругости достигает 70 ГПа.

Непрерывные волокна, получаемые из расплава массивного стекла, приобретают новые качества, наиболее важные из которых гибкость и высокая прочность при растяжении.

Первичные стеклянные нити получают непосредственно при выработке непрерывного волокна. Их применяют в основном для изготовления пресс-материалов, вырабатываемых на тех же предприятиях, где производится стекловолокно, так как транспортирование первичных нитей затруднено. На основе первичных нитей производят пресс-материалы типа АГ-4С (ЛОС, АГ-4нС), а также СВАМ (в последнем случае выработка первичной нити совмещается с получением композиционного материала). Первичные нити служат исходным сырьем для получения также крученых нитей, стекложгутов и стеклохолстов (стекломатов).

' Тканые стекловолокнистые материалы благодаря их хорошим технологическим свойствам широко используются в производстве изделий из стеклопластиков. Композиции на основе стеклотканей и связующих называются стеклотекстолитами.

Пресс-материалы. Принцип получения стеклопластикового пресс-материала состоит в совмещении различными способами связующего и стекловолокнистого наполнителя, в результате чего образуется композиция, удобная для дальнейшей переработки в изделие методом прямого или литьевого прессования.

Пресс-материалы типа СВАМ. Стекловолокнистый анизотропный материал (СВАМ), являющийся одним из первых отечественных стеклопластиков, получают непосредственно при выработке первичной стеклонити, применяя связующее в качестве замасливателя.

Стеклоплавильное устройство с фильерной пластиной совершает возвратно-поступательное движение вдоль оси приемного устройства — барабана диаметром 1 м, длиной 3 м, на который наматываются инти (рис. 1.23).

После намотки определенного числа слоев пропитанной нити однонаправленный материал срезают. В развертке он представляет собой квадратный лист размером 3X3 м2. Повернув лист на 90° относительно оси барабана и вновь его закрепив, также наматывают необходимое число слоев пропитанной нити. Таким образом получается стеклошпои с взаимно перпендикулярным

/ — стеклоплавильная печь; 2 — волокна; 3—папылитель смолы; 4— барабан

Рис. 1.24. Схема получения пресс-материала типа АГ-4С

/ — шпулярник; 2 — стеклонить; 3 — лента; 4 — пропиточная ванна; 5 — сушильная камера; 6 — приемное устройство

расположением волокон. После сушки до определенного содержания летучих веществ стеклошпон перерабатывают в изделия методом прямого прессования.

Пресс-материады типа АГ-4С представляют собой однонаправленную ленту, получаемую на основе крученых стеклянных нитей и анилино-фенолоформальдегид- ной смолы, модифицированной бутваром (Р-2М).

Определенное число крученых стеклонитей сматывается со шпуль, установленных на шпулярнике, и, сближаясь, формируется в ленту, которая направляется в пропиточную ванну. Затем она попадает в сушильное устройство и после удаления растворителя наматывается в рулоны на приемном устройстве (рис. 1.24).

В последние годы начали выпускать пресс-материал типа АГ-4нС, отличающийся от материала АГ-4С видом наполнителя. В качестве наполнителя здесь используют первичные стеклянные нити номера 22—24 м/г (диаметр элементарного волокна 9—11 мк). Физико-механические свойства пресс-материала типа АГ-4нС несколько выше, чем у материала типа АГ-4С; кроме того, он дешевле последнего.

В отличие от пресс-материалов типа АГ-4С на основе крученых нитей ленточные пресс-материалы иа основе первичных нитей иногда называют ЛОС (лента однонаправленная стеклянная).

Пресс-материалы типа АГ-4С предназначены для получения высокопрочных изделий методом прямого прессования или намотки.

Пресс-материалы типа АГ-4В представляют собой стекловолокнит, получаемый на основе срезов первичной стеклонити и смолы Р-2М. Специально подготовленный стекловолокнистый наполнитель смешивают с фенолоформальдегидной смолой в смесителях. Затем полученный продукт выгружают и сушат. Пресс-материал типа АГ-4В поставляют в виде волокнистой массы или в таблетированном виде. Подобным образом готовят во- локниты других типов на основе различных связующих. Режимы прессования определяют заранее в зависимости от вида п толщины изделия.

Для обычных или модифицированных фенолофор- мальдегидных смол давление прессования должно составлять не менее 10 МПа, максимальная температура прессования 140—150 °C, продолжительность выдержки 3—4 мин на 1 мм толщины получаемого изделия.

Отечественный и зарубежный опыт показывает, что использование стеклопластиков в строительстве имеет немало технико-экономических преимуществ, благодаря которым они используются в строительстве главным образом в виде ограждающих конструкций (стеновые и кровельные панели), несущих строительных конструкций, архитектурно-строительных деталей и изделий, санитарно-технических изделий, декоративно-облицовочных материалов, арматуры и опалубки для бетонных конструкций.

В качестве ограждающих конструкций из листовых стеклопластиков наибольшее применение нашли плоские и волнистые полиэфирные стеклопластики, бесцветные

ил» окрашенные в различные цвета. Такие материалы используются в большинстве случаев для покрытия промышленных зданий и сооружений.

Большое распространение в про?.Ш!Шлелиом строите шетзе индустриальных районов, где такие материалы, кал листовая сталь пли асбестоцементные листы, быстро подвергаются коррозии и разрушаются вследствие влияния агрессивных газов, получают кровельные стек- лэлластиковые материалы.

У нас в стране в настоящее время выпускают гладкие и волнистые листы из стеклопластиков на основе смолы ПН-1. Эти материалы имеют удовлетворительные физико-механические свойства, небольшой объемный вес, светопрозрачность и хороший внешний вид. Их используют для устройства световых фонарей, покрытий промышленных и общественных зданий (летних павильонов, кафе и т. д.), навесов, балконных ограждений, стеновых панелей и перегородок.

Плоские и волнистые листы из стеклопластиков (непрозрачные и прозрачные) целесообразно применять при строительстве взрывоопасных помещений, а также зданий и сооружений, расположенных в сейсмических рай- на.х. Такие синтетические материалы при разрушении не дают осколков и имеют небольшую массу по сравнению с другими строительными материалами.

Стеклопластики иа полиэфирных смолах применяют для стеновых и кровельных панелей неотапливаемых зданий, трехслойных панелей, различных профильных изделий, а также в качестве защитного покрытия железобетонных конструкций, подвергающихся воздействию агрессивных сред, а также периодическим замораживанию и оттаиванию, например градирен. Защитное покрытие в этом случае наносят на поверхность элементов методом контактного формования или напылением. Долговечность железобетонных конструкций с защитным покрытием увеличивается в несколько раз.

Волнистый стеклопластик на полиэфирных смолах нашел широкое применение в нашей стране в качестве обшивки башенных и вентиляторных градирен.

В строительстве промышленных, общественных и сельскохозяйственных зданий и сооружений прозрачные листовые кровельные материалы из стеклопластиков в сочетании с другими кровельными и стеновыми материалами используются для устройства отдельных прозрач-

ныл участков кровли и стен. Благодаря применению прозрачных стеклопластиков стало возможным значительно упростить конструкцию фонарей многопролетных промышленных зданий.

Погонажные элементы, изготовленные из стеклопластика типа АГ-4С, могут найти применение в конструкциях ферм, прогонов, решетчатых стоек и т. д. Технология изготовления этих изделий, разработанная в МИСИ им. В. В. Куйбышева, позволяет получать на прессах погонажные изделия практически любого поперечного сечения и любой длины. Несущие конструкции, изготовленные из таких профилей, целесообразно применять в сооружениях, которые подвержены действию агрессивных сред, а также «в радиопрозрачных», немагнитных, электроизоляционных и других сооружениях специального назначения.

Практическая возможность применения несущих конструкций из пластмасс в различных областях строительства подтверждена многочисленными примерами осуществленных сооружений во многих странах мира.

Наиболее эффективными конструкциями из пластмасс являются пространственные конструкции в виде оболочек покрытия, в которых благодаря рациональной геометрической форме в значительной степени компенсируется такой недостаток пластмасс, как повышенная деформативность вследствие относительно низкого модуля упругости.

В оболочках покрытий благодаря совмещению несущих и ограждающих функций материал используется как правило более выгодно, чем в плоских конструкциях. В пространственных конструкциях при одних и тех же пролетах возникают значительно меньшие изгибающие моменты, чем в плоских. Относительный недостаток пространственных конструкций — их более сложный монтаж, особенно конструкций, состоящих из криволинейных элементов. Из пластмасс, используемых для изготовления пространственных конструкций, преимущественное распространение получили стеклопластики и пенопласты.

Оболочки покрытий для неотапливаемых зданий и сооружений выполняют из стеклопластика. Толщина'таких оболочек исчисляется миллиметрами, поэтому в подавляющем большинстве случаев их собственный вес не превышает 20 кг на 1 м2 перекрываемой площади, что в

10—12 раз меньше, чем железобетонной оболочки при аналогичном пролете. Элементы оболочек из пластмасс в основном соединяются на болтах. Реже применяют соединения на клеях, а также в сочетании с болтами, винтами,заклепками.

Древесные пластики—это материалы, полученные соединением синтетическими смолами продуктов переработки натуральной древесины. К ним относятся древесно-слоистые пластики, древесно-волокнистые и древесно-стружечные плиты, бумажный слоистый пластик (гетинакс) и др.

Древесно-слоистые пластики изготовляют из тонких листов сушеного березового, липового или букового шпона, пропитанного и склеенного между собой различными синтетическими смолами при высоком давлении и температуре. В зависимости от расположения волокон шпона в смежных слоях ДСП выпускаются несколько марок. Для строительных конструкций наиболее перспективна марка ДСП-Б, где через каждые 10—20 продольных слоев шпона укладывают один поперечный слой.

Прочность древесно-слоистых пластиков превышает прочность древесины вследствие уплотнения материала прессованием и термической обработкой тонких слоев древесного шпона, глубоко пропитанных прочными и водостойкими смолами. Древесный шпон пропитывают преимущественно резольнымп, фенолоформальдегидны- ми или карбамидными смолами с последующей просушкой. ~

ДСП выпускаются промышленностью в виде плит следующих размеров: длина 0,7—5,6 м. ширина до 1,2 м, толщина 3—60 мм. Плиты ДСП обладают хорошей водостойкостью, стойкостью к органическим растворителям и маслам, легко поддаются механической обработке— пилению, строганию, фрезерованию и т.п.

Относительно высокая стоимость ДСП не позволяет пока широко применять этот листовой материал для крупных элементов строительных конструкций. Его применяют в основном для изготовления средств соединения элементов конструкций в виде шпонок, нагелей, косынок, вкладышей.

Древесно-волокнистые плиты (ДВП) изготовляют из хаотически расположенных волокон древесины, склеенных канифольной эмульсией с добавлением для некоторых типов плит фенолоформальдегидных смол. Сырьем

для изготовления ДВП являются отходы лесопильных и деревообрабатывающих производств (отрезки реек, горбыля, брусков), которые дробят в щепу и растирают в специальных установках до волокнистого состояния. При формовании плит без уплотнения на прессах получаются пористые ДВП, которые применяют для утепления, звукоизоляции и отделки стен, перекрытий и покрытий.

При длительном действии влажной среды древесноволокнистые плиты поглощают значительное количество влаги, в результате чего набухают (в основном по толщине) и теряют прочность.

Древесно-стружечные плиты (ПС и ПТ) получают горячим прессованием под давлением древесных стружек, пропитанных синтетическими термореактивными смолами. Для изготовления ПС и ПТ применяют специально изготовленную стружку, полученную на деревообрабатывающих станках, а также мелкую щепу (дроб- ленку).

Специальную стружку изготовляют из низкосортной древесины, отходов лесопиления и фанерного производства (рейка, горбыль, «карандаш»). Она имеет малые размеры и высокую однородность, поэтому плиты, получаемые с ее применением, обладают высокими механическими свойствами и наиболее гладкой поверхностью. В качестве связующего применяют фенолоформальде- гидные, мочевиноформальдегидные и мочевино-мелами- новые смолы.

Плиты облицовывают с одной или двух сторон древесным шпоном, фанерой, бумагой, пленками и т. п. Облицованные плиты имеют более высокие механические показатели, ровную поверхность и хороший внешний вид.

Изготовляют древесно-стружечные плиты методом горячего прессования в этажных прессах или в специальном прессе непрерывного действия. В последнем случае большинство древесных частиц укладывается волокнами перпендикулярно плоскости плиты (на ребро), и изделия получаются менее прочными и более неоднородными.

Механические свойства плит ПС и ПТ зависят от плотности, вида и количества связующего, породы и размеров древесных частиц. Количество смолы принимают обычно до 10%, а древесной стружки — около 90 %

g Таблица 1.4. Расчетные характеристики пластмасс

»Сопротивления, МПа

Коэффициент

Модуль

Коэффициент

Материал

нормативные на

расчешые на

о

Е

«2 щ

Е

5

6й S

в

5-

3

g L

растяжение, ,;р

изгиб,

срез, Ян ср

растяжение,

ЯР

изгиб, ^Н X

Я*

Rc

8

ср

^ср

йр

1

2

3

4

5

6

7

9

10

11

12

13

11

15

Стеклопластики

Полиэфирный листовой (плоский и волнистый)

60

130

90

45

36

15

78

15

_54_

15

27

0,6

0,2

6

3

—

0,1

25

9

СВАМ

450

70

400

150

337

160

60

525

250

90

300

140

75

112,5

50

0,75

0,5

28,5

24

0,13

10

Прессовочный

АГ-4В марки В

80

120

100

36

54

60

0,75

0,6

0,13

10

пластмасс. 2). Для полиэфирных стеклопластиков нормативные и расчетные сопротивления при срезе даны в направлении, перпендикулярном плоскости листа. 3). Для стеклопластиков СВ АМ и АГ-4 расчетные характеристики даны при соотношении продольных и поперечных стекловолокон 1 : 1 для усилий, действующих в направ- ' S пении стекловолокон.;.

массы. С увеличением содержания связующего прочность плит повышается, однако при этом значительно увеличивается себестоимость изделия, так как стоимость связующего составляет около 40—50 % стоимости всей плиты.

При водопоглощении древесно-стружечные плиты разбухают. Введение гидрофобных добавок снижает разбухание плит до 10 %. Древесно-стружечные плиты обладают малой теплопроводностью и высокой звукоизоляционной способностью. Они хорошо поддаются обработке на деревообрабатывающих станках. Их применяют в строительстве в качестве перегородок и для декоративной отделки стен и потолков.

В настоящее время разработаны древесно-стружечные плиты, армированные металлической сеткой, которые могут найти применение в некоторых видах строительных конструкций.

Влияние влажности и температуры на прочность и деформативность пластмасс

Расчетное сопротивление пластмасс R при нормальных температурно-влажностных условиях принимают равным произведению кратковременного расчетного со-, противления Рк на коэффициент длительного сопротивления &дл

' 0.7)

Длительный предел прочности ОдЛ , т. е. длительное нормативное сопротивление материалов /?дЛ определяют по формуле

Коэффициент длительного сопротивления материала для различных предельных состояний устанавливают при испытаниях до разрушения серии специальных образцов, находящихся под длительной нагрузкой, при напряжениях, составляющих определенную часть предела прочности материала. В некоторых случаях коэффициент длительного сопротивления определяют из условия, максимально допустимой деформативности материала во времени. Расчетные характеристики конструкционных пластмасс приведены в табл. 1.4.

Расчетные сопротивления материалов, эксплуатируемых в условиях воздействия атмосферной среды, повышенных температуры и влажности, определяют умножением соответствующих расчетных сопротивлений на коэффициенты условий работы:

^=Rmt- (1-8)

Rti=Rr,lto‘ (1.9)

R1’® = RmtmQ-. (I-10)

Rf = Rmj, (1.11)

где R* и mi — расчетные сопротивления и коэффициенты условий работы материалов, эксплуатируемых при -повышенных температурах; Ra и m й — то же, при повышенной влажности; /?< ю — расчетные сопротивления при повышенных температуре и влажности; Rf, mj — то же, в атмосферных условиях.

Коэффициенты условий работы полимерных материалов в конструкциях, работающих в различных условиях, приведены в табл. 1.5—1.7.

Учет атмосферных и температурно-влажностных воздействий на модули упругости и сдвига материалов производится так же, как и для расчетных сопротивлений.

Деформативность полимерных материалов под нагрузкой при расчете строительных конструкций с применением пластмасс по деформациям характеризуется кратковременными и длительными модулями деформаций и сдвига соответственно £к и GK, Е и G. Значения £к и GK находят из кратковременных статических испытаний стандартных образцов как отношение приращения

Таблица 1.5. Коэффициенты условий работы стеклопластиков, эксплуатируемых в атмосферных условиях (ту)

Материал

Коэффициенты к расчетным сопротивлениям для районов

Коэффициенты к длительным модулям упругости н сдвига для районов

средней полосы

ЮЖНЫХ

средней полосы

ЮЖНЫХ

Стеклопластик полиэфирный листовой (плоский и волнистый)

0,75

0,65

0,85

0,8

Примечание. Приведенные коэффициенты условий работы учитывают при эксплуатации в атмосферных условиях.

Таблица 1.6. Коэффициенты условий работы материалов в конструкциях, эксплуатируемых при повышенной влажности ('»т<о)

Материал

При длительном увлажнении

При длительном пребывании в ус- ловмях относительной влажности воздуха около

Стеклопластики СВАМ, АГ-4

0,7

0,85

Стеклопластик полиэфирный листовой (плоский и волнистый)

0,5

0,75

Таблица 1.7. Коэффициенты условий работы материалов в конструкциях, эксплуатируемых при повышенных температурах (т()

Материал

Коэффициент при температуре, СС

40

60

V о к £

5Й= 52g,

X 1

2 ™

^ * ”

ЗЕ я

I Е £5

Стеклопластик полиэфирный листовой (плоский и волнистый) :

при сжатий и растяжении при изгибе

0,6

0,4

0,6

0,4

—

Стеклопластики СВАМ, АГ-4

0,84

0,85

0,65

0,65

Пластики древесно-слоистые марки ДСП-Б

0,8

0,7

0,75

0,6

Примечания: I. Коэффициент условия работы материалов в конструкциях, находящихся при /=20сС, принимают равным единице. 2). При промежуточных температурах коэффициент условия работы материала определяют интерполяцией.

напряжения к приращению относительной деформации образца. ■

. Длительные модули упругости и сдвига материалов определяются длительными статическими испытаниями стандартных образцов при уровне напряжений, равном расчетному длительному сопротивлению материала, как отношение напряжения к максимальной относительной деформации образца (при затухании деформаций ползу- чейти).

РАЗДЕЛ II. ЗАЩИТА ДЕРЕВЯННЫХ КОНСТРУКЦИЙ ОТ ПОЖАРНОЙ ОПАСНОСТИ И БИОЛОГИЧЕСКОГО ПОРАЖЕНИЯ

ГЛАВА I. ЗАЩИТА ДЕРЕВЯННЫХ КОНСТРУКЦИЙ ОТ ВОЗГОРАНИЯ

Горючесть древесины

Горение представляет собой реакцию соединения горючих компонентов древесины с кислородом воздуха, сопровождающуюся выделением тепла или дыма, появлением пламени и тления. Возгорание древесины может возникнуть в результате кратковременного нагрева ее до температуры 250 °C или длительного воздействия более низких температур. При горении происходит химическая деструкция (пиролиз) древесины. Вначале в результате повышения температуры из древесины испаряется влага и пока влага не испарится, температура древесины остается 100 °C. С повышением температуры до 150—210 °C древесина высыхает, изменяет цвет (желтеет), появляются первые признаки химической деструкции — обугливание ее. Термическое разложение отдельных компонентов древесины происходит при различной температуре: гемицеллюлозы 160—170, целлюлозы 280— 380, лигнина 200—500 °C. Пиролиз древесины сопровождается выделением летучих веществ, содержащих углерод: СО2, СО, С2Н4, С3Н6, СН4 и др.

Таким образом, при нагревании древесины до температуры пожаров (800—900 °C) происходит ее термическое разложение с образованием смеси газообразных продуктов и твердого остатка в виде угля.

Различают две фазы горения древесины. Первая фаза пламенная — сгорание газообразных продуктов в воздухе, вторая—тление угля, который при температуре 200 °C не обладает свойством летучести и способен окисляться только в результате притока к нему кислорода воздуха. Тление прекращается, если на поверхности угля образуется тончайшая пленка золы. При температуре 1100—1200 °C уголь приобретает свойство летучести и способен гореть пламенем, повышая при этом теплотворную способность древесины.

@ Й

Догки.

Струна Дэрозого

Рис. П.2. Зависимость прочности элементов от температуры пожара

Рис. ПЛ. Огнестойкость раз-личных деревянных элементоз

1 — стандартная кривая изменения температуры во время пожара; 2— остаточная прочность деревянного элемента размером 50X100 мм; 3 — остаточная прочность стального элемента

Интенсивность горения зависит от подачи и количества кислорода воздуха, от поверхностной активности и взаимного обогрева горящих поверхностей древесины. Для полного сгорания I м3 древесины необходимо около 3000 м3 воздуха. Чем больше омываемая воздухом поверхность Frop данного объема древесины и чем интенсивнее движение воздуха (тяга), тем больше скорость горения. Большое значение при этом имеет взаимный обогрев горящих поверхностей. Деревянные элементы, состоящие из отдельных досок с зазорами между ними, быстрее нагреваются до температуры возгорания, чем монолитные, в результате взаимного обогрева. На рис. 11.1 показана огнестойкость различных деревянных элементов. Наиболее огнестойкими являются клееные (а) или массивные элементы из цельной древесины (б). В бревне, распиленном на доски (в), образуются очагн горения из-за взаимного обогрева и сохранения теплоты между горящими поверхностями досок. Еще значительнее происходит обогрев при горении пучка лучин или стружек (г). Воздушная взвесь древесной пыли (д) является взрывоопасной.

Огнестойкость деревянных конструкций

В пожарном отношении деревянные строительные конструкции часто неправомерно рассматриваются более опасными, чем металлические или железобетонные. Во время пожара незащищенные металлические или же-

лезобетонные конструкции быстро теряют прочность и внезапно ломаются, в то время как деревянные массивные конструкции очень медленно теряют свою несущую способность. На рис. II.2 показаны температурная кривая (/) и изменение прочности деревянного (2) и стального (3) элементов одинаковой несущей способности в условиях пожара. Под действием температуры деревянный элемент (кривая /) главным образом благодаря своей низкой теплопроводности значительно медленнее теряет прочность, чем металлический элемент (кривая 2). В течении 20 мин, когда температура пожара достигнет 800 °C, деревянный элемент размером 50ХЮ0 мм сохраняет 40 % своей начальной прочности, в то время как металлический элемент всего лишь 10 %. Чем больше размеры деревянного элемента, тем выше его огнестойкость.

Таким образом, следует выделять различные степени огнестойкости зданий и сооружений, которые определяются пределами огнестойкости основных строительных конструкций и пределами распространения огня по этим конструкциям.

Огнестойкостью называется способность строительных элементов и конструкций сохранять несущую способность, а также сопротивляться образованию сквозных отверстий, прогреву до критических температур и распространению огня. Предел огнестойкости определяется временем (в часах или минутах) от начала огневого стандартного испытания образцов до возникновения одного из предельных состояний элементов и конструкций. Предельное состояние конструкций характеризуется несущей способностью, теплоизолирующей способностью (по повышению температуры на необогреваемой поверхности) и плотностью.

Установленные в результате огневых испытаний в специальных лабораторных печах с соблюдением стандартного нарастания температуры пределы огнестойкости деревянных конструкций приведены в табл. II. 1 для зданий II степени огнестойкости.

При огневых испытаниях температурное воздействие характеризуется зависимостью

7 — 70 = 345 loglo (8/4- 1), °C,

где / — время от начала испытания, мин; Т — температура в печи за время t; То — температура до теплового воздействия.

Таблица 11.1. Пределы огнестойкости деревянных конструкций

Предел огнестойкости, чПредел огнестойкости, ч0,5 0,75 2 0,50,5 0,75 2 0,5Основные деревянные конструкции

Предел огнестойкости, ч

Предел огнестойкости, ч

0,5 0,75 2 0,5

0,5 0,75 2 0,5

Плиты, настилы, прогоны

Балки, фермы, арки, рамы

Колонны

Наружные стены из навесных панелей

Согласно СТ СЭВ 1000—78 предел огнестойкости деревянных конструкций прямоугольного сечения можно определить расчетом по прочности и устойчивости. Установлено, что в условиях пожара древесина сгорает с постоянной скоростью, которая зависит от размеров и формы сечения и колеблется в пределах 0,7—1,8 мм/мин. Обуглившийся наружный слой, имея очень низкий коэффициент теплопроводности (в 4 раза меньше, чем у древесины) , препятствует проникновению тепла и кислорода в зону горения и тем самым защищает центральную часть элемента от возгорания. Толщину слоя, который может сгореть за определенное время, рассчитывают по формуле

г = Г«ТП ,

где у0 — скорость обугливания, мм/мин; тп — время огневого воздействия, мин; т„ = Пр—т0; ПР— предел огнестойкости конструкции; то — время возгорания; для незащищенной древесины равно 3 мин.

Расчет по прочности и устойчивости положения деревянных конструкций при заданной огнестойкости производится на действие нормативных нагрузок с учетом сечения, которое осталось после поверхностного сгорания. При этом к расчетным характеристикам древесины вводятся понижающие коэффициенты, которые зависят от вида напряженного состояния.

Строительные материалы по возгораемости подразделяются на три группы: несгораемые, трудносгораемые и сгораемые. Группы возгораемости материалов устанавливают при стандартных испытаниях. Сущность таких испытаний состоит в определении признаков возгораемости образцов материала диаметром 45 мм, высотой 50 мм, объемом 80 см3 при действии температуры 800—■ 850 °C в течение 20 мин.

За предел распространения огня принимается размер поврежденной зоны образца в плоскости" конструк- 86

ции от границы зоны нагрева перпендикулярно к ней до наиболее удаленной точки повреждения (обугливание или выгорание) для вертикальных конструкций — вверх, для горизонтальных — в каждую сторону. По этим испытаниям незащищенная древесина относится к группе сгораемых материалов, поэтому необходимо применять меры защиты древесины, переводящие ее в группу трудносгораемых материалов, а также соблюдать конструкционные мероприятия, повышающие предел огнестойкости деревянных конструкций.

Конструкционные и химические меры защиты деревянных конструкций от пожарной опасности

При использовании деревянных конструкций следует соблюдать мероприятия по их защите от возгорания. С этой целью не рекомендуется применять конструкции из неклееной древесины в условиях длительного нагрева, если температура окружающего воздуха превышает 50 °C и для конструкций из клееной древесины 35 °C.

Деревянные конструкции должны быть разделены иа части противопожарными преградами из несгораемых материалов. В поперечном направлении здания противопожарные диафрагмы устанавливают вдоль несущих конструкций с шагом не более 6 м. Вентилируемые ограждающие конструкции покрытий также должны расчленяться диафрагмами из несгораемых материалов на отсеки. Деревянные конструкции не должны иметь сообщающихся полостей с тягой воздуха, по которым может распространяться пламя, недоступное для тушения.

В противопожарном отношении предпочтительнее деревянные конструкции массивного прямоугольного сечения с закруглениями, имеющие большие пределы огнестойкости, чем дощатые или клеефаиериые.

Опасны в пожарном отношении металлические накладки, болты и другие детали соединительных и опорных узлов деревянных элементов, так как они, являясь проводниками тепла, снижают предел огнестойкости деревянных конструкций, поэтому металлические узлы и соединения необходимо тщательно защищать огнезащитными покрытиями.

К химическим мерам защиты деревянных конструк- ций'от возгорания относится применение пропитки огие-

защитными составами или нанесение огнезащитных красок. Защитные средства, предохраняющие древесину от возгорания, называются антипиренами. Огнезащитные средства представляют собой вещества, способные при нагревании разлагаться с выделением большого количества негорючих газов, либо увеличиваясь в объеме, создавать защитный слой, препятствующий возгоранию древесины и распространению по ней огня. Как правило, огнезащитные составы включают в себя смесь нескольких веществ и наносятся в виде водных растворов. Способы нанесения антипиренов приведены в разд. X, гл. 5.

К противопожарной защите древесины химическими средствами следует относиться дифференцированно, все зависит от условий эксплуатации конструкции, огнестойкости зданий и сооружений, размеров деревянных элементов и степени защищенности (глубины пропитки). Для клееных конструкций рекомендуется применять вспучивающиеся составы и антипирены, наносимые на поверхность конструкций, для конструкций из цельной древесины можно использовать пропиточные составы, а для защиты деревянных элементов каркаса ограждаю-

Таблица II.2. Защитные средства, предохраняющие древесину от возгорания

Наименование

Нормативный документ

Состав

8=5

Примечания

I

2

3

4

5

Фосфатное огнезащитное покрытие ОФП-9

Ог

ГОСТ 23790—79

незащитные покрыти

Полиметафосфаг натрия

Гидроокись алюминия

Каолин или глина Зола уноса ТЭС Железный сурик или окись цинка

Мочевина или тиомочевина

Растворитель — вода

я

40

15

15

5

20

Расход 0,5 —1 0,7 кг/м2'

Цвет — серый; на прочность древесины не влияет; не вызывает коррозии - металлов

Наименование

Нормативный документ

Состав

*§ v.

8 в s

Примечания

1

2

3

4

5

Вспучиваю-

гост

Меламиномочеви-

31,9

Расход

щее покрытие ВПД

25130—82

ноформальдегид- ная смола ММФ- 50

5 %-ный водный раствор натриевой соли карбоксил- целлюлозы

Мелем Дициандиамид Амос марки А Растворитель — вода

15,9

18,4

6,3

27,5

0,7 кг/м2

Цвет — серый или белый

Пропиточные составы

МС 1:1

Инструкция

Диаммоний фосфат

7,5

Расход 66 кг/м3

ВСН 74-79

Сульфат аммония Фтористый натрий Растворитель — вода

7,5

2

Цвет древесины не меняет: снижает прочность древесины при сжатии вдоль волокон и при изгибе на 10 %; вызывает слабую коррозию металлов

ББ-11

ГОСТ 23787.6—79

Бура техническая Кислота борная Растворитель — вода

10

10

Расход 50 кг/м3 Не окрашивает древесину; не вызывает Коррозии * металлов

МБ-1

ТУ-66 Латвийской ССР

Купорос медный Бура техническая Аммоний углекислый

Кислота борная Растворитель — вода

2,7

3,6

5,3

3,4

Расход 60 кг/м3 Окрашивает древесину в светло-зеленый цвет

Продолжение табл. II.2

Наименование

Нормативный документ

Состав

Примечания

1

2

3

4

ТХЭФ

Три.хлорэтилфос- фат ТУ 6-05-1611- 78

Четыреххлорк- стыйуглерод

ГОСТ 4.75

40

60

Расход 60 кг/м3 Цвет древесины не меняет; не снижает прочность древесины; не вызывает коррозии металлов

щих конструкций требуется глубокая пропитка антипиренами под давлением.

Указанные в табл. II.2 антипирены ОФП-9, ВПД, МС 1 : 1, ТХЭФ повышают предел огнестойкости конструкций сечением менее 120X120 мм на 5 мин и уменьшают пределы распространения огня по деревянным конструкциям (по вертикали менее 40 см, по горизонтали менее 25 см) и переводят древесину в группу трудносгораемых материалов.

Г Л А В А 2. БИОВРЕДИТЕЛИ ДРЕВЕСИНЫ И УСЛОВИЯ ИХ РАЗВИТИЯ

Биологические вредители древесины и материалов на основе древесины наносят огромный ущерб народному хозяйству страны. К биологическим вредителям древесины относятся некоторые виды бактерий, дереворазрушающие грибы, жуки-древоточцы, термиты и морские древоточцы (некоторые виды моллюсков и рачков).

До настоящего времени разрушающее воздействие на древесину бактерий исследовано пока недостаточно. Установлено, что отдельные виды анаэробных бактерий вызывают брожение некоторых веществ, входящих в состав древесины, в результате чего снижается прочность строительных конструкций, находящихся в грунте, например, свай.

Одним из наиболее распространенных вредителей древесины являются грибы, разделяемые на лесные, бир-

жевые (складские) и домовые. Лесные грибы поражают главным образом растущие деревья, на срубленной древесине они не развиваются. Пораженная лесными грибами древесина относится к низким сортам. Применение ее в строительстве возможно и не представляет опасности как источник гнилостного заражения деревянных конструкций и элементов.

Биржевые грибы имеют много разновидностей. Они поражают складированную древесину, в основном соприкасающуюся с грунтом. В некоторых случаях биржевые грибы, например, пластинчатые (заборный гриб, грибы рода лензитес и т. д.), приводят в дефектное состояние деревянные конструкции, эксплуатирующиеся на открытом воздухе (столбы, мачты, башни) или их части, соприкасающиеся с грунтом. Многие биржевые грибы изменяют окраску поверхности или заболонной части древесины, но не снижают ее прочности.

Наиболее серьезную опасность для деревянных строительных конструкций и элементов представляют домовые грибы, из которых особо следует выделить четыре вида: настоящий домовый гриб Serpula lacrymans (Ме- ruliys lacrymans Sebum.), белый домовый гриб Corio- los vaporarius (Fr.) Bond et Sing (Porta oaporaria Pers), пленчатый домовый гриб Coniophora puteana Fr. (Coniophora cerebella) и шахтный или пластинчатый домовый гриб (Paxillus panuoid.es Fr.).

Разрушение древесины вследствие жизнедеятельности грибов называется гниением. Оно протекает при температуре от 4-3 до + 45°С. Принято считать, что,оно начинается при средней влажности древесины не ниже 18—20%. Для возникновение гниения необходимо начальное увлажнение древесины до появления в ее полостях капельно-жидкой влаги, последующее же увлажнение происходит в результате химического разложения древесины при участии гриба. Под водой из-за отсутствия доступа воздуха гниение прекращается. Возможность гниения исключена, если в сооружении поддерживается такой температурно-влажностный режим, при котором влажность древесины составляет не более 20%.

Доступ воздуха является одним из условий развития гниения, которое может происходить даже при незначительном воздухообмене. Однако при интенсивном воздухообмене древесина высушивается, что отрицательно сказывается на гниении. '

■ Грибы размножаются спорами или кусочками грибницы. Споры, легко переносимые на большие расстояния ветром, дождевой водой или насекомыми, попав в трещины и щели деревянных элементов конструкций, прорастают, образуя тонкие грибные нити-гифы, толщина которых составляет 5—6 мкм. Гифы проникают в толщу древесины, образуя внутреннюю грибницу, а на поверхности скапливаются в виде ватообразных пушистых тел, образуя наружную грибницу илн воздушный мицелий. Кроме воздушного мицелия гриб по поверхности древесины образует тяжи и шнуры, а при благоприятных условиях — плодовые тела. В особом слое (гименофоре) плодовых тел образуются споры гриба. Грибница домовых грибов питается в основном клетчаткой древесины (целлюлозой), вызывая деструктивную трухлявую гниль древесины, которая характеризуется наличием на пораженных участках древесины как продольных, так и поперечных трещин. При приложении даже небольшого усилия разрушенная древесина легко распадается и растирается пальцами. Деструктивную гниль разделяют на мелкую, среднюю и крупную.

Биохимический процесс разрушения древесины деструктивной гнилью состоит из двух этапов:

1-ый — осахаривание целлюлозы под действием кислых ферментов, выделяемых клетками гриба, с получением водорастворимой глюкозы

С6Н16О5 + Н2О -► С6Н12Ов;

2-й — окисление глюкозы в результате жизнедеятельности гриба

с8н12ов + 6О2 6СО2 + 6Н2О.

Таким образом, для 1-го этапа требуется некоторое начальное количество воды. На 2-ом этапе из воздуха потребляется кислород, а выделяется вода и углекислый газ, причем воды выделяется в шесть раз больше, чем требуется на 1-ом этапе, т. е. происходит самоувлажне- ние древесины.

Рассмотрим признаки наиболее распространенных видов домовых грибов. Настоящий домовый гриб Serpula lacrymans, часто в литературе именуемый мерулиус, развиваясь, образует крупные белые ватообразные скопления, которые разрастаются и покрываются пятнами канареечно-желтого цвета. В этом виде он чаще всего встречается на древесине. Кроме канареечно-желтых пя-

a I 6 в | гa I 6 в | гРис. П.З. Плодовые тела домовых грибовРис. П.З. Плодовые тела домовых грибова—настоящий домовый гриб: б — белый домовый гриб; в —пленчатый домовый гриб; г—шахтный (пластинчатый домовой гриб)а—настоящий домовый гриб: б — белый домовый гриб; в —пленчатый домовый гриб; г—шахтный (пластинчатый домовой гриб)

a I 6 в | г

a I 6 в | г

Рис. П.З. Плодовые тела домовых грибов

Рис. П.З. Плодовые тела домовых грибов

а—настоящий домовый гриб: б — белый домовый гриб; в —пленчатый домовый гриб; г—шахтный (пластинчатый домовой гриб)

а—настоящий домовый гриб: б — белый домовый гриб; в —пленчатый домовый гриб; г—шахтный (пластинчатый домовой гриб)

тен встречаются пятна розового, фиолетового и оливкового цветов. Со временем наружная грибница, содержащая шнуры и тяжи из ватообразной массы тех цветов, превращается в тонкую пленку грязно-серого цвета. Развитое плодовое тело гриба коричневого цвета по краям имеет беловатую окраску (рис. П.З, а). Гименофор в начальной стадии имеет форму червеобразных складок, а в подсохшем состоянии приобретает трубчато-складчатое строение. Споры желто-коричневые, образуют вокруг гриба пылевидные скопления. Начало развития настоящего домового гриба происходит при относительной влажности древесины, составляющей 19—22 с/о - Развитие гриба возможно в диапазоне влажности древесины 25—150 % и температуре от —2 до +35 °C. Гниль — крупнопризматическая. Гриб способен разрушать древесину как хвойных, так и лиственных пород.

Белый домовый гриб Coriolos vaporarius (Fr.) Bond et Sing, так же как и настоящий домовый гриб, на пораженной древесине образует грибницу, шнуры и плодовые тела. Однако пышная ватообразная наружная грибница и шнуры этого гриба всегда, даже при отмирании, сохраняют белую окраску. Белые ватные образования встречаются либо в виде пышных подушек, либо в виде

сережек. Белые пленки гриба иногда содержат шнуровидные выступающие прожилки. Шнуры гриба белого цвета сохраняют свою эластичность и после подсыхания. Плодовое тело гриба белого цвета по виду напоминает пышную подушку (рис. П.З, б). В подсохшем состоянии плодовое тело приобретает кремовый цвет. Споры белого домового гриба буро-коричневые. Гниль — крупнопризматическая, светло-коричневая или коричневая.

Пленчатый домовый гриб кониофора (Coniophora puteana Fr.) иа пораженной древесине образует слаборазвитую грибницу, шнуры и плодовые тела. Наружная грибница гриба желтого цвета со временем опадает, и приобретает коричневую окраску. Шнуры гриба коричневого или почти черного цвета, очень тонкие с большим количеством разветвлений. Пленки и налеты гриба желтоватого или светло-коричневого цвета и со светлыми краями быстро переходят в плодовые тела, представляющие собой сплошные пленки. Плодовые тела — коричневого или оливкого цвета с беловатыми или светло-желтыми лучистыми краями (рис. П.З, в). Поверхность плодового тела может быть покрыта извилинами, бугорками, либо может быть гладкой. Плодовое тело легко отделимо от древесины. Споры — буро-коричневые. Гниль— среднепризматическая или мелкопризматическая. Обычно развитие гриба происходит при большой влажности древесины. Пленчатый домовый гриб разрушает древесину как хвойных, так и лиственных пород.

Шахтный или пластинчатый домовый гриб (PaxUlus panuoid.es Fr.). Пластинчатый домовый гриб (рис. П.З, г) имеет грибницу, шнуры и плодовые тела. Скудные ватообразные образования, встречающиеся чрезвычайно редко, имеют желтовато-зеленоватую окраску. Пленки, налеты и шнуры имеют также желтовато-зеленоватую окраску, причем шнуры" в основании имеют лиловый цвет, меняющийся при развитии на темный, почти черный. Пластинчатый домовый гриб развивается при очень высокой влажности древесины (50—70 %) и воздуха (100 %) в диапазоне температур от 8—23°C. Гниль — мелкопризматическая красная или красно-бурая с золотистыми прослойками.

Энтомологическими разрушителями деревянных конструкций являются насекомые: жесткокрылые — жуки, перепончатокрылые — рогохвосты; чешуйчатокрылые — бабочки и ложносетчатокрылые — термиты. В отличие от

грибов насекомые способны разрушать как сырую, так и сухую древесину, Повреждения древесины, именуемые червоточиной, представляют собой совокупность ходов и отверстий, проделанных самими насекомыми или их личинками. В основном древесину повреждают не сами насекомые, а их личинки, для которых древесина является источником питания.

Среди насекомых — вредителей древесины наиболее распространены жуки. Развитие всех жуков проходит через четыре стадии: яйцо, личинка, куколка, взрослое насекомое. Самки откладывают яйца в мелкие трещины, в старые летные отверстия, а в редких случаях —и на поверхность древесины.

Личинки появляются через одну-две недели и, обладая твердыми челюстями, вбуравливаются в древесину, прогрызая ее. Часть непереваренной древесины выбрасывается личинкой в виде буровой муки, которая забивает проделанный ход. Развитие личинок внутри деревяй- ных конструкций продолжается от одного года до нескольких лет, после чего происходит окукливание. Развитие куколки продолжается относительно недолго (две- три недели) и завершается появлением молодого жука. Молодой жук прогрызает летное отверстие в тонкой nej регородке, отделяющей проделанный личинкой ход от наружного воздуха, и вылетает через него. Жуки появляются в начале лета и живут до конца августа — начала сентября. '

Рассмотрим некоторые виды Жуков, а) Жуки-точильщики. распространены во всех климатических зоййх СССР. Они разрушают древесину почти всех хвойных И лиственных пород. Некоторые виды жуков-точилыцйков в период спаривания издают стук (тиканье), создаваемый ударами головы о стенки хода. Продолжительность жизни жуков-точильщиков составляет 8—10 сут. В течение этого срока они откладывают яйца и погибают. Разрушителями древесины являются мелкие личинки жуков- точильщиков с телом белого цвета и головкой темно-коричневого цвета. -

Из жуков-точильщиков наиболее часто встречаются следующие виды: ■

мебельный точильщик (Anobium punctatum Deg.), Мебельный точильщик (рис. П.4, а) —жук темно-бурого цвета длиной 2,5—5 мм. Надкрылья покрыты полосками из точек. Личинки жука белого цвета имеют с-об-

Рис. 11.4. Жучки-точильщикиРис. 11.4. Жучки-точильщикиа — мебельный точильщик (жук и личинка); б личинка); в — гребнеусый точильщик (жук)

Рис. 11.4. Жучки-точильщики

Рис. 11.4. Жучки-точильщики

разно изогнутое тело длиной до 6 мм, снабженное тремя парами грудных ног. Самка мебельного жука-точильщика откладывает яйца только в затемненные части деревянных строительных конструкций, мебели и т. д. Летные отверстия мебельного жука-точильщика имеют овальную форму, диаметр их составляет 1—2 мм. При благоприятных условиях мебельные точильщики в течение одного года могут дать два поколения потомства;

домовый точильщик (Pr iobium pertinax L.) (рис. II. 4, б) — жук черно-бурого цвета с двумя золотистыми пятнами из волосков в задних углах переднеспинки. Длина жука составляет 4,5—5 мм. Личинка домового точильщика по виду такая же, как личинка мебельного точиль-

щика, но длина ее составляет 7 мм. Самка жука откладывает яйца в щели и старые летные отверстия. Диаметр летных отверстий домового точильщика 2,5—3 мм. Наибольшему разрушающему воздействию подвергаются части деревянных конструкций, выполненных в основном из древесины хвойных пород, которые расположены в местах периодического увлажнения;

гребнеусый точильщик (Ptilinus pectinicornis L.) имеет длину 3—5 мм (рис. II.4, в). Он поражает главным образом древесину лиственных пород, но встречается также на древесине хвойных пород. Несколько поколений гребнеусого точильщика способны полностью развиваться без вылета жуков на поверхность деревянных конструкций. Когда же будет разрушена почти вся древесина, происходит массовый вылет жуков.

К жукам-точильщикам, являющимся вредителями древесины, часто относят хлебного точильщика. Проведенные в 1975 г. опыты показали, что этот жук древесину не поражает.

Жуки-усачи.

Размеры жуков-усачей и их личинок достигают значительной величины, соответственно 20—25 и 25—35 мм. Разрушителями древесины являются личинки, которые прогрызают ходы, часто близко подходящие к поверхности древесины, но не затрагивающие ее.

К семейству усачей относятся:

черный домовый усач (Hylotrupes bajulus L.)—жук черно-бурого цвета (рис. II.5, а), плоское тело которого покрыто мелкими волосками, образующими на надкрыльях легко стирающиеся пятна (по- два на каждом надкрылье). Шарообразная сверху переднеспинка имеет два блестящих пятна. Длина жука 8—22 мм, а длина усиков не превышает половины длины тела. Личинка домового усача желтовато-белого цвета, головка ее бурая, сильно втянутая в переднегрудь. Грудные ножки (три пары) развиты слабо. Длина личинки максимально составляет 22 мм. Самка откладывает яйца (около 200 шт.) в щели. Развитие личинки, выползающей из яйца через 14— 20 дней, продолжается 2—12 лет. Личинка прогрызает ход, эллиптическое сечение которого с ростом личинки увеличивается. Ход, забитый буровой мукой, направлен вдоль волокон древесины. Куколка жука белого цвета. Через 2—3 недели после окукливания появляется молодой жук, который до полугода продолжает существовать

Put. 11.5. /Куки-усачи (жуки и дичинки)Put. 11.5. /Куки-усачи (жуки и дичинки)д — усач черный домовый: б — усач одноцветный (рыжий) домовыйд — усач черный домовый: б — усач одноцветный (рыжий) домовый

Put. 11.5. /Куки-усачи (жуки и дичинки)

Put. 11.5. /Куки-усачи (жуки и дичинки)

д — усач черный домовый: б — усач одноцветный (рыжий) домовый

д — усач черный домовый: б — усач одноцветный (рыжий) домовый

в древесине; лет жуков происходит в июне — августе. Диаметр летного отверстия 5—10 мм. Поражается главным образом древесина хвойных пород, однако встречаются также поражения древесины лиственных пород. Черный домовый усач чаще всего нападает иа бревенчатые части построек — стропила, балки, а также на столбы, особенно если их древесина имеет повышенную влажность;

одноцветный (рыжий) домовый усач (Stromatium unicolor 01.)—жук буровато-желтого цвета с черными глазами (рис. II.5, б). Приплюснутое тело жука с шарообразной по виду сверху переднеспинкон имеет длину 10,5—25 мм. Усики жука равны длине тела (у самок) или превышают ее (у самцов). Длина личинки не превышает 30 мм. Мясистая личинка с телом белого цвета и с бурой головкой имеет три пары крючковидных ножек. Личинки образуют в древесине перепутанную систему ходов, забитых буровой мукой. Куколка жука белого цвета. Развитие с момента окукливания до появления молодого жука составляет 2—4 недели. Лет жуков происходит в середине лета. Общая продолжительность развития жука

3 года. Одноцветный домовый усач нападает на древесину хвойных и лиственных пород;

Прочие виды жуков:

бороздчатый древогрыз (Lyctus linearis Goeze).

Бороздчатый древогрыз (рис. П.б, а)—жук темно- или желто-коричневого цвета длиной 2,5—5 мм с почти цилиндрической формой тела. Переднеспинка сверху имеет бочковидную форму, по середине проходит продольная бороздка. Личинки жука подковообразные, утолщенные в головной части. Куколки грязно-серого цвета. Промежуток времени от окукливания до появления молодого жука составляет около 1 мес. Летные отверстия круглой-или овальной формы имеют диаметр 1—1,5 мм. Личиночные ходы, забитые тонкой буровой мукой, расположены во всех направлениях. Бороздчатый древогрыз поражает главным образом древесину лиственных пород, ослабленную гниением;

одноцветный древогрыз (Lyctus brunneus Steph..). Относительно недавно этот жук вместе с импортируемой из Африки древесиной был завезен в Европу и, не имея естественных врагов, в настоящее время обнаружен во многих странах, в том числе в СССР.

Жук одноцветный древогрыз (рис. 11.6,6) небольших размеров, имеет приплюснутую форму тела. Цвет тела коричневый. Жук поражает мертвую сухую древесину. В древесине, в деревянных конструкциях, находящихся на открытом воздухе, жук дает одно-два поколения в год. В древесине, хранящейся в закрытых складах, и в деревянных конструкциях, защищенных от действия низких температур, жук дает три-четыре поколения в год;

долгоносик-трухляк (Codiosoma spadix Hbst.) — мелкий блестящий жук темно-коричневого цвета длиной 2—3 мм (рис. 11.6,1s). Головка вытянута в виде хоботка, по бокам ее расположены коленчатые усики. Переднеспинка у головы более узкая, чем у туловища. Тело жука имеет грушевидную форму. Белая личинка долгоио- сика-трухляка безногая и слегка изогнута. Жук в течение 3—4 мес живет в древесине, где совместно с личинками прокладывает ходы и разрушает древесину. Проделанные ходы могут располагаться близко одни к другим, вследствие чего в местах сильного разрушения кроме буровой муки содержится древесная труха. Долгоносик-трухляк обычно поражает древесину хвойных пород,

Рис. П.6. Некоторые виды жуков— вредителей древесины (жуки и личинки)Рис. П.6. Некоторые виды жуков— вредителей древесины (жуки и личинки)

Рис. П.6. Некоторые виды жуков— вредителей древесины (жуки и личинки)

Рис. П.6. Некоторые виды жуков— вредителей древесины (жуки и личинки)

а — бороздчатый древогрыз; б — одно* цветный древогрыз; в — дологоносик* трухляк; г —свайный жук

находящуюся в местах постоянного увлажнения и уже поврежденную гниением;

свайный жук (Nacerda melanura L.) красновато-желтого цвета с черными на вершине надкрыльями имеет размеры 9—13 мм (рис. II.6, г). Личинка свайного жука

Рис. IL7. Термиты

Рис. II.8. Морские древоточцыРис. II.8. Морские древоточцыа—двустворчатый моллюск Teredo navalis; б — лимнория; в — хелюра 'а—двустворчатый моллюск Teredo navalis; б — лимнория; в — хелюра 'а — термит с крыльями; б — муравей с крыльями (в отличие от муравья с крыльями термит не имеет перетянутой талии)

Рис. II.8. Морские древоточцы

Рис. II.8. Морские древоточцы

а—двустворчатый моллюск Teredo navalis; б — лимнория; в — хелюра '

а—двустворчатый моллюск Teredo navalis; б — лимнория; в — хелюра '

светло-желтого цвета, с тремя парами развитых ножек. На брюшке личинки (на третьем и четвертом члениках) расположены парные выросты, способствующие ее передвижению. Длина личинки может достигать 30 мм. Личинки развиваются в сильно увлажненной древесине. Жук поражает древесину свай, балки сырых помещений, главным образом первых этажей и т. п. Личиночные ходы обычно направлены вдоль волокон древесины. В пораженных деревянных элементах личинки скапливаются в большом количестве и разрушают древесину, превращая ее в труху. Лет жуков происходит в мае—июне. Для выхода молодой жук прогрызает отверстие овальной или круглой формы размером 3—6 мм.

Термиты (Jsoptera) (рис. II.7) относятся к подотряду ложносетчатокрылых насекомых. Внешне онй похожи на белых муравьев. Живут образуя большие общества. В отличие от жуков в их развитии отсутствует стадия куколки. Гнездятся термиты, встречающиеся на территории СССР, в земле и поражают находящиеся в соприкосновении с ней части деревянных конструкций. Древесина разрушается термитами изнутри. В СССР термиты встречаются в Закавказье и в Средней Азии.

Морские древоточцы насчитывают более 150 различных видов, В морях обитают морские древоточцы, отно-

сящиеся к группе двустворчатых моллюсков семейства Teredinidae родов тередо (Teredo) и банкия (Bankia), а также относящиеся к группе ракообразных — лимно- рия (Limnoria) и хелюра (Chelura).

Взрослый моллюск тередо, обитающий в морях СССР, может достигать длины 140—250 мм и диаметра 6—12 мм, Тередо обитает в районах Черного, Азовского Японского н возможно Варенцова морей.

Крупный двустворчатый моллюск банкня достигает длины до 500—800 мм при диаметре 10—20 мм, он представляет собой разновидность моллюска тередо, обитающего в северной части Японского моря (рис. II.8, а). Моллюски тередо и банкия обычно разрушают древесину изнутри вдоль волокон. Площадь поперечного сечения ходов может составлять до 90 % площади деревянного элемента.

Лимнория — морской древоточец группы ракообразных имеет длину тела 2—7 мм. Рачок водится в Барен- цовом, Черном и Японском морях (рис. 11.8, б).

Морской древоточец хелюра также распространен в районах Варенцова, Черного и Японского морей. Хелюра разрушает как раннюю, так и позднюю древесину. Биология хелюры (рнс. 11.8, в) почти не изучена. Морские древоточцы группы ракообразных разрушают древесину с ее поверхности.

ГЛАВА 3. КОНСТРУКЦИОННЫЕ И ХИМИЧЕСКИЕ МЕРЫ ЗАЩИТЫ ДЕРЕВЯННЫХ КОНСТРУКЦИИ ОТ БИОВРЕДИТЕЛЕЙ

Общие сведения

В строительной практике находит применение как конструкционная, так и химическая защита деревянных конструкций от биологических вредителей. Для борьбы с гниением пригодна конструкционная и химическая защита, а для борьбы с насекомыми — только химическая защита. Мероприятия по защите древесины и материалов, изготовленных с ее применением, разделяются на профилактические и активные (если поражение гнилью или насекомыми уже имеет место). Все защитные мероприятия должны носить планомерный характер. Это ка-

сается выбора средств защиты и осуществления мер по защите в соответствии со строительным законодательством.

Конструкционные мероприятия по защите деревянных конструкций от гниения

Суть конструкционных мероприятий по борьбе с гниением сводится к тому, чтобы обеспечить воздушно-сухое состояние деревянных элементов здания, что достигается устройством гидро-, пароизоляционных слоев, препятствующих увлажнению древесины грунтовой, атмосферной или конденсационной влагой, или обеспечением надлежащего режима для удаления из древесины влаги.

Недопустимая влажность древесины может возникнуть в результате атмосферных осадков, капиллярной влаги, поступающей из частей зданий, соприкасающихся с древесиной, а также в результате увлажнения конденсатом.

Конструкционные мероприятия по борьбе с недопустимым увлажнением древесины при эксплуатации следующие:

предотвращение увлажнения атмосферными осадками увеличением свесов крыши, надлежащим отводом воды с крыш, устройством достаточно большого (не менее 30 см) разрыва между поверхностью грунта и нижней отметкой расположения деревянных элементов здания для предотвращения увлажнения брызгами падающей сверху воды и др. Деревянная наружная обшивка должна быть по возможности водонепроницаемой, причем при выпадении осадков вода не должна попадать в обшивку и скапливаться там;

удаление влаги из сырых помещений (что в первую очередь касается подпблий). Сюда входит обеспечение достаточно хорошей вентиляции с тем, чтобы средняя относительная влажность воздуха в них была по возможности ниже. Для этой цели необходимо иметь определенное^ число приточных и вытяжных вентиляционных отверстий (продухов). По поверхности грунта рекомендуется устраивать гидроизоляцию. При прямом воздействии влаги на деревянные элементы в сырых помещениях, например в душевых, поверхность этих элементов должна быть защищена гидроизоляционным покрытием;

“ Таблица П.З. Химические составы для защиты деревянных конструкций от биовредителей

Составы для защиты деревянных конструкций от биоповреждений

наименование, нормативные документы

компоненты

= с $

0.0 0 °

0 О ^о

К

II

Свойства состава

Рекомендации к применению

1

2

3

4

5

6

ХМБ-444

(ТУ 65-14-23-75)

Бихромат натрия или бихромат калия Медный купорос Кислота бориая Вода

5

5

5

85

15

Трудновымываемый, древесину окрашивает в зеленоватый цвет, не препятствует склеиванию, вызывает коррозию металлов

Используется как внутри, так и снаружи помещений

ХМББ-3324 (ГОСТ 23787.2—79)

Бихромат натрия или бихромат калия Купорос медный Кислота борная Бура техническая Вода

2,5

2,5

3,3

1.7

90

10

То же

То же

КФА

(ОСТ 6-08-2-75)

Аммоний кремиефто- ристый Вода

10

90

10

Легковымываемый, не окрашивает древесину, не препятствует склеиванию, вызывает слабую коррозию металлов

Используется внутри помещений, не рекомендуется к применению при контакте с цементом, известью н алебастром

111

ТФБА

(ТУ 6-08-297-74)

Тетрафторборат аммония Вода

10

90

10

То же

Используется внутри помещений, снаружи помещений применяется с последующим нанесением влагозащитных покрытий

ББ-32 (ГОСТ 23787.6—79)

Бура техническая Кислота борная Вода

12

8

80

20

Легковымываемый, не препятствует склеиванию древесины, безопасен для людей и животных

Для защиты конструкций овощехранилищ и животноводческих ферм

ФН (ГОСТ 2871—75 с изм.)

Фтористый партий Вода

3,5

96,5

3,5

Легковымываемый, не окрашивает древесину, вызывает Коррозию металлов

Применяется внутри помещений, снаружи помещений используется с последующим нанесением влагозащитных покрытий

защита древесины от увлажнения капиллярной влагой, поступающей из соприкасающихся с ней частей здания, устройством гидроизоляции. Гидроизоляционные прокладки рекомендуется делать под опорными частями деревянных балок, нижней обвязкой стен, опорными плоскостями стоек при опирании их на бутовую кладку или бетон и т. д.;

борьба с образованием конденсата состоит в следующем. Многослойные ограждающие строительные конструкции и их элементы должны иметь такой порядок расположения слоев и их толщину, чтобы устранить возможность скопления конденсата. При проектировании необходимо осуществлять поверочный теплотехнический расчет ограждающих конструкций;

предотвращение увлажнения древесины бытовой влагой, сводящееся к содержанию в надлежащем состоянии систем водоснабжения и канализации (отсутствие протечек), просушке помещений после мытья полов и т. д.

К конструктивным мероприятиям по борьбе с гниением следует отнести правильный подбор породы древесины для изготовления соответствующих деревянных конструкций или элементов.

Химическая защита деревянных конструкций и элементов от биологических вредителей

Химические средства для защиты древесины от биовредителей называются антисептиками, причем химические средства, предназначенные для защиты древесины от поражения грибами, называются фунгицидами, а от поражения насекомых — инсектицидами. Защитные средства изготовляются на основе неорганических (соли) и органических соединений. Водорастворимые средства для защиты древесины поставляются в виде солей, сухих смесей солей или паст. Как правило для химической защиты древесины используют водные растворы солей. Органические вещества применяют в сочетании с органическими разбавителями или растворителями, а также с соответствующими добавками, например пигмента, стабилизатора, эмульгатора и т. д.

Маслянистые защитные средства (каменноугольное масло, антраценовое и т. д.) помимо масел содержат растворитель и другие добавки. Как правило маслянистые средства из-за их специфического запаха использу-

ют для защиты деревянных конструкций и деталей, эксплуатирующихся на открытом воздухе или в воде. Например, для защиты древесины от морских древоточцев применяют пропитку креозотовым маслом.

Согласно СНиП III-19-75, химические средства, применяемые для защиты деревянных конструкций от бйо- вредителей, разделяются на: а) влагозащитные лаки и эмали; б) антисептические водные и малянистые пропиточные составы и пасты. Основные химические составы, применяемые для защиты деревянных конструкций от биовредителей, приведены в табл. Л.З.

Выбор средств для биологической защиты древесины осуществляется с учетом условий эксплуатации деревянных конструкций или элементов (на открытом воздухе, в закрытых помещениях и т. д.), назначения защитного средства, а также способа защитной обработки древесины (нанесение кистью, роликом или напылением, окунание, пропитка под давлением и т. д.), химической совместимости защитных средств с другими материалами. При повторной защитной обработке деревянных конструкций выбор защитного средства зависит также от химической совместимости вновь используемого защитного средства сприменеивым ранее. Если для защитной обработки применялись водорастворимые составы (соли), то для повторной обработки пригодны органические средства. Однако если при предшествующей обработке древесины использовались маслянистые составы, то последующая обработка древесины водными растворами солей невозможна из-за гидрофобных свойств масла.

Существуют различные способы химической защиты древесины, которые рассматриваются в разд. X, гл. 5.

РАЗДЕЛ III. РАСЧЕТ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ ЦЕЛЬНОГО СЕЧЕНИЯ

Основы расчета элементов конструкций цельного сечения по предельным состояниям

Элементы конструкций рассчитывают по методу предельных состояний. Предельным называется такое состояние конструкции, за пределами которого дальнейшая эксплуатация ее невозможна. .

Для конструкций из дерева и пластмасс имеют значение главным образом два вида предельных состояний: 1) по несущей способности (прочности, устойчивости), 2) по деформациям (прогибам, перемещениям). Расчет по первому предельному состоянию производится на расчетные нагрузки, а по второму предельному состоянию производится на нормативные нагрузки, т. е. без учета коэффициента перегрузки. Проф. д-р техн, наук Н. С. Стрелецкий сформулировал основной принцип всякого инженерного расчета, который состоит в том, чтобы было соблюдено условие неразрушимости. Исходя из этого принципа наибольшая возможная или, иначе сказать, предельная нагрузка должна быть меньше или равна наименьшей несущей способности конструкции, вычисленной с учетом рассеяния показателей качества материала, нагрузок и условий работы конструкции, а также с учетом фактора времени.

В СНиП П-25-80, введенном в действие 1 января 1982 г., расчетные сопротивления установлены в зависимости от сорта древесины сосны и ели, а расчетные сопротивления древесины других пород определяются умножением основных расчетных сопротивлений на соответствующие коэффициенты. В соответствии со СНиП 11-25-80, в табл. III.1 даны расчетные характеристики

Таблица III.1. Расчетные сопротивления сосны (кроме веймутовой), ели, лиственницы европейской и японской

Напряженное состояние и характеристика элементов

Расчетные сопротивления, МПа, для сортов древесины

1

2

3

1. Изгиб Ru, сжатие R; и смятие Rcm вдоль волокон;

108

Продолжение табл. 111.1

Напряженное состояние и характеристика элементов

Расчетные сопротивления, МПа, для сортов древесины

1

2

3

а) элементы прямоугольного сечения (за исключением указанных в подпунктах «б», «в») высотой до 50 см

14

13

8,5

6) элементы прямоугольного сечения шириной свыше 11 до 13 см при высоте сечения свыше 11 до 50 см

15

14

10

в) элементы прямоугольного сечення шириной свыше 13 см прн высоте сечения свыше 13 до 50 см

16

15

11

г) элементы из круглых лесоматериалов без вырезок в расчетном сечении

—

16

10

2. Растяжение вдоль волокон, Rp

а) неклееные элементы

10

7

—

б) клееные»

12

9

_

3. Сжатие Яеэо и смятие Ясмэо по всей площади поперек волокон

1,8

1,8

1,8

4. Смятие поперёк волокон, Rcmw» местное:

а) в опорных частях конструкции, лобовых врубках и узловых при- мыканиих элементов

3

3

3

б) под шайбами при углах смятия 90—60°

4

4

4

5. Сдвиг вдоль волокон, RCK:

а) прн изгибе неклееных элементов

1,8

1,6

1,6

б)- при изгибе клееных элементов

1,6

1,5

1,5

в) в лобовых врубках для максимального напряжения

2,4

2,1

2,1

г) местное в клеевых соединениях для максимального напряжения

2,1

2,1

2,1

Иродолжение табл. ПИ

Напряженное состояние я характеристика элементов

Расчетные сопротивления. МПа, для сортов древесяны

1

2

3

6. Сдвиг поперек волокон, Яекю

а) в соединениях неклееных элементов

1

0,8

0,6

б) в соединениях клееных элементов

0,7

0,7

0,6

7. Растяжение поперек волокон элементов из клееной древесины. Rpgo

0,35

0,3

0,25

Примечания: 1) расчетное сопротивление древесины местному смятию поперек волокон на части длины (при длине незагруженных участков не менее длины площадки смятия и толщины элементов). кроме случаев, оговоренных в и. 4 табл, Ш.1, определяют по формуле

^см90 = Ясмэо (1 + /см+ 1>2)'

где Rmso— расчетное сопротивление древесины сжатию и смятию по всей поверхности поперек волокон (п. 3 табл. Ш.1); /см — длина площадки смятия вдоль волокон древесины, см;

расчетное сопротивление древесины смятию под углом а к направлению волокон вычисляют по формуле

R = R /1—1 1 Sin8a;

=ма‘ \ /?смЭ0 /

расчетное сопротивление древесины сдвигу под углом к направлению волокон находят по формуле

R-, =R-, =^ск

R-, =

R-, =

■^^1 ^sin3a

^СК90/

в конструкциях построечного изготовления значения расчетных сопротивлений на растяжение, принятые по п. 2, а этой таблицы, следует снижать на 30 %;

расчетное сопротивление изгибу для элементов настила и обрешетки под кровлю из древесины 3-го сорта следует принимать 13 МПа.

древесины сосны и ели при длительном действии статической нагрузки, а в табл. IIL2— коэффициенты пересчета расчетных сопротивлений для древесины других пород.

НО

Условия работы конструкций учитывают умножением расчетных сопротивлений, приведенных в табл. III.1, на соответствующие коэффициенты условий работы:

при различных условиях эксплуатации значения даны в табл. Ш.З;

Таблица II 1.2. Переходные коэффициенты к расчетным сопротивлениям табл. ИМ для установления расчетных сопротивлений древесины других пород

Древесные породы

Коэффициент тп для расчетных сопротивлений

растяжению, изгибу, сжатию и смятию ВДОЛЬ ВОЛО- кон, Др, Ди, ^С' ЙСМ

сжатию и смятию поперек волокон, ^С9о’ ^CM9G

сдвигу ^сд

Хвойные:

лиственница, кроме евро-

1,2

1,2

1

пейской и японской

кедр сибирский, кроме

0,9

0,9

0,9

Красноярского края

кедр Красноярского ирая,

0,65

0,65

0,65

сосна веймутова

пихта

0,8

0,8

0,8

Твердые лиственные:

дуб

1,3

2

1,3

ясекь, клен, граб

1,3

2

1,6

акаивя

1,5

2,2

1,8

береза, бух

1,1

1,6

1,3

ВЯЗ, ИЛЬИ

1

1,6

1

Мягкие лиственные:

ольха, липа, осина, то-

0,8

1

0,8

ПОЛЬ

Примечание. Коэффициенты, указанные в таблице для конструкций опор воздушных линий электропередачи, изготовляемых из непропитаиной антисептиками лиственницы (при влажности ^25 %) умножают на коэффициент 0,85.

Таблица 111.3. Предельная влажность и коэффициенты условий работы конструкций

Темпера- турно- влажност- ные условия

Условия эксплуатации конструкции

Максимальная влажность древесины для конструкций, %

5g”

клееных

иеклееных

А1

Внутри отапливаемых помещений при температуре до 35 °C, относительной влажности воздуха:

до 60 %

9

20

1

А2

св. 60 до 75 %

12

20

1

АЗ

» 75 » 95 %

15

20

0,9

Б1

Внутри неотапливаемых помещений:

в сухой зоне

9

20

1

Б2

в нормальной зоне

12

20

1

БЗ

в сухой и нормальной зо-

15

25

0,9

В1

нах с постоянной влажностью в помешенин более 75 % и во влажной зоне

На открытом воздухе: в сухой зоне

9

20

0,9

В2

в нормальной зоне

12

25

0,85

ВЗ

во влажной зоне

15

25

0,85

П

в частях зданий н соору-

—

25

0,85

Г2

жений, соприкасающихся с грунтом илн находящихся в грунте

постоянно увлажняемых

Не огра-

0,75

ГЗ

находящихся в воде

—

ннчива- ется То же

0,75

Примечания: 1. Применение клееных деревянных конструкций в условиях эксплуатации А1 при относительной влажности воздуха ниже 45 % не допускается. 2. В неклееных конструкциях, эксплуатируемых в условиях В2, ВЗ, когда усушка древесины не вызывает расстройства или увеличения податливости соединений, допускается использовать древесину с влажностью до 40 % при условии ее защиты от гниения,

для конструкций, эксплуатируемых при установившейся температуре воздуха до +35 °C — на коэффициент тг=1; при температуре + 50 °C — на коэффициент гпт=0,8. Для промежуточных значений температуры коэффициент принимают по интерполяции;

для конструкций, в которых напряжения в элементах, возникающие от постоянных и временных длительных нагрузок, превышают 80 % суммарного напряжения всех нагрузок, — на коэффициент ^д = 0,8;

для конструкций, рассчитываемых с учетом действия кратко- воеменных (ветровой, монтажной или гололедной) нагрузок, а также нагрузок от тяжения н обрыва проводов воздушных ЛЭП и сейсмической на коэффициент пга;

Нагрузка

Коэффициент тн

для сопротивления всех видов, кроме смятия поперек волокон

ДЛЯ смятия поперек волокон

1. Ветровая, монтажная, кроме указан-

1,2

Т,4

ной в п. 3

1,4

1,6

Сейсмическая

Для опор воздушных линий электро-

передачи:

1,45

1,6

гололедная, монтажная, ветровая при гололеде, от тяжения проводов

при температуре ниже среднегодо- , вой

1,9

2,2

при обрыве проводов и тросов

для изгибаемых, внецеитренно сжатых, сжато-изгибаемых и сжатых клееных элементов прямоугольного сечения высотой более 50 см расчетные сопротивления изгибу и сжатию вдоль волокон на те;

Высота сечения, си

50 и ме-

60

70

80

100

120 и бо-

Коэффициент ть

1

0,96

0,93

0,90

0,85

0,8

для изгибаемых, внецеитренно сжатых, сжато-изгнбаемых и сжатых клееных элементов в зависимости от толщины слоев расчетные сопротивления изгибу, скалыванию и сжатию вдоль волокон на коэффициент /пСл;

Толщина слоя, мм

19 н менее

26

33

42

Коэффициент тсл

1,1

1,05

1

0,95

для гнутых элементов конструкций расчетные сопротивления растяжению, сжатию н изгибу на коэффициент тгн;

Напряженное состояние

Коэффициент тги при отношении

150

200

250

500 и более

Сжатие м изгиб, Rc; Ra

0,8

0,9

1

1

Растяжение, Я,

0,6

0,7

0,8

1

Примечание, rK— радиус кривизны гнутой доски нлн бруска; о — толщина гнутой доски, брусиа в радиальном направлении, и) для растянутых элементов с ослаблением в расчетном сечении и изгибаемых элементов из круглых лесоматериалов с подрезкой н расчетном сечении — коэффициент Ото=0,8;

к) для элементов, подвергнутых глубокой пропитке антипиренами под давлением, коэффициент та=0,9.

При расчете по второму предельному состоянию модуль упругости древесины принимают; вдоль волокон £=10 000 МПа, поперек волокон £6о = 400 МПа, а модуль сдвига относительно осей, направленных вдоль и поперек волокон, G = 500 МПа. Коэффициент Пуассона древесины поперек волокон при напряжениях, направленных вдоль волокон, принимают 1/90-0=0,5, а вдоль волокон при напряжениях, направленных поперек волокон, Уб,9о = 0,02.'

Для конструкций, которые находятся в различных условиях эксплуатации, подвергаются повышенной температуре, совместному воздействию постоянной и временной длительной нагрузок, модули упругости (£ и G) умножаются на коэффициенты пп. а, б, в табл. III.3. Кроме того, в СНиП 11-25-80 предусматривается, что в случае расчета конструкций на устойчивость и по деформированной схеме модуль упругости древесины следует принимать Е' = ЗОО7?с, где Rc—расчетное сопротивление сжатию вдоль волокон по табл. III.1. Физико-механические характеристики фанеры марки ФСФ и бакелизиро- ванной даны в СНиП 11-25-80, для различного вида пластмасс они изложены в специальной литературе, а для основных из них были приведены в разд. I.

Центральное растяжение

Деревянные элементы, работающие на центральное растяжение, рассчитывают по наиболее ослабленному сечению:

Ор = N/FHT С R^m». (ПГ.1) Коэффициент mo=O,8 учитывает концентрацию напряжений, которая возникает в местах ослаблений. При определении Fm необходимо учитывать волокнистую структуру древесины.

Если считать, что площадь и жесткость волокон древесины одинаковы, то в сечении /—/ (рис. III.1) все волокна будут загружены одинаково. В первом отверстии у сечения 2—2 часть волокон будет перерезана, в связи с чем их усилия будут переданы соседним волокнам, которые окажутся нагруженными сильнее. Таким образом распределение растягивающих напряжений в сечении 3—3 будет неравномерным. На расстоянии 3 между отверстиями эта неравномерность будет постепенно выравниваться. Однако если расстояние S невелико, то выравнивания не произойдет, а так как в сечении 4—4, где находятся два отверстия, часть волокон ими будет также вырезана, то соседние пока сильно нагруженные волокна еще получат дополнительные усилия. В результате усилия в отдельных волокнах могут достичь их предела прочности на растяжение, что приведет к разрыву волокон, передаче усилий с них соседним волокнам и их последующему разрыву. Так как разрыв будет в наиболее слабых местах волокон, то разрушение элемента произойдет по зигзаг^, как показано на рис. III.1.

Из изложенного следует, что при определении площади ослабления FHT надо учитывать расстояния S между соседними ослаблениями. В СНиП 11-25-80 в связи с

Разрыв по зигзагу

Рис. 111.1. Центральное растяжение элемента

этим устанавливается, что при определении Рит все ослабления, расположенные на участке длиной до 200 мм, следует принимать совмещенными в одном сечении.

Применительно к рис. III. 1 по этому требованию при 5^200 мм FHT = b(h.—2d), а при S<200 мм FHT=b(h— —3d).

Центральное сжатие

Пластические свойства древесины при центральном сжатии проявляются значительно сильнее, чем при растяжении, поэтому при расчете на прочность ослабление учитывают только в рассчитываемом сечении, а при расчете на устойчивость, во-первых, особо учитывают зону работы древесины, в которой модуль упругости нельзя считать постоянным, и, во-вторых, принимают во внимание невозможность обеспечения при защемлении элемента угла поворота, равного нулю.

Расчет на прочность производят по формуле

ас = NIFM < Rc. (III.2) где N — действующее в элементе усилие; Еат — площадь нетто в рассчитываемом сечении.

Расчет на прочность необходим главным образом для коротких стержней, для которых условно длина s^7 6., Более длинные элементы, не закрепленные в поперечном направлении связями, следует рассчитывать на продольный изгиб, который состоит в потере гибким центрально сжатым прямым стержнем своей прямолинейной формы, что называется потерей устойчивости. Потеря устойчивости сопровождается искривлением оси стержня при напряжениях, меньших предела прочности. Устойчивость стержня определяют критической нагрузкой, теоретическое значение которой для абсолютно упругого стержня было в 1757 г. определено Эйлером формулой

Укр= ^ЕЛ?0, (III.3) где Е— модуль упругости; / — минимальный момент инерции стержня; U — расчетная длина стержня, зависящая от схемы опирания концов и распределения нагрузки по длине стержня, вычисляемая по формуле /о=Цо/; / — свободная длина стержня; ц0 — коэффициент, который принимают равным: 1) в случае загружения продольными силами по концам стержня: при шарнирно-закрепленных концах, а также при шарнирном закреплении в промежуточных точках элемента!; при одном шарнирно-закреплеином и другом защемленном конце 0,8; при одном защемленном и другом свободном нагруженном

конце 2,2; при обоих защемленных концах 0,65; 2) в случае распределенной равномерно по длине элемента продольной нагрузки: при обоих шарнирно-закрепленных концах 0,73; при одном защемленном и другом свободном конце 1,2.

Расчетную длину пересекающихся элементов, соединенных между собой в месте пересечения, следует принимать равной: при проверке устойчивости в плоскости конструкций — расстоянию от центра узла до точки пересечения элементов; при проверке устойчивости из плоскости конструкции: а) в случае пересечения двух сжатых элементов — полной длине элемента; б) в случае пересечения сжатого элемента с неработающим — значению /ь умноженному на коэффициент р0:

где й, 'М, Fi — полная длина, гибкость и площадь поперечного сечения сжатого элемента, /2, Лг, F^ — полная длина, гибкость и площадь поперечного сечения неработающего элемента.

Значение р0 следует принимать не менее 0,5; в) в случае пересечения сжатого элемента с растянутым равной по величине силой — наибольшей длине сжатого элемента, измеряемой от центра узлов до точки пересечения элементов.

Разделим левую и правую части равенства (III.3) на площадь стержня F;

Так как радиус инерции стержня r=VTTF, а гибкость стержня 'М=10/г, то после подстановки значений гХ, получим

акр = л2£7/Л (Ш.5)

Известно, что коэффициент продольного изгиба ф является отношением критического напряжения к пределу прочности, т. е. поправочным коэффициентом, на который следует умножить предел прочности, чтобы получить критическое напряжение

ф = Окр/«пч- (Ш.6)

В формуле (III.5) выразим <ТкР через значение ф/?Пч, тогда получим

<₽ = л2£7Х2Яич.

Рис. III.2. Зависимость деформаций от напряжений о— в при сжатии древесины

Рис. 111.3. Коэффициент продольного изгиба при различных гибкостях

Так как для абсолютно упругого материала E=const, а предел прочности материала без учета рассеяния для данного материала также постоянен, то можно считать, что

^EjRn4 = A.<Ш-7)

Окончательнобудем иметь формулудляопределения

коэффициента продольного изгиба

<р=А/ЛА(III.8)

Для каждогоматериала А имеет своезначение.В ча

стности, для древесины А=3000, для фанеры А=2500, для полиэфирного стеклопластика А = 1097; для органического стекла А=580 и т. д. В связи с тем, что древесина является упругопластическим материалом, ее модуль упругости можно считать постоянным только до предела пропорциональности. На рис. Ш.2 показана зависимость о—в при сжатии древесины, из которого видно, что за пределом пропорциональности модуль упругости, характеризуемый углом наклона касательной к горизонтали, резко меняется.

Уравнение (III.8) является гиперболической кривой и называется гиперболой Эйлера. Если построить эту кривую, то будет видно (рис. III.3), что при малых гибкостях, когда критическое напряжение превышает предел пропорциональности, коэффициент продольного изгиба получается больше 1, чего по существу быть не может.

Вопросом расчета на продольный изгиб при работе стержня за пределом пропорциональности занимались

Рис. Ш.4. Виды ослаблений элементов^^

а — не выходящие на кромку; б - выходящие наV

кромку

многие ученые за рубежом, например, Энгессер, Карман, Гетмайер, а в России Ф. С. Ясинский, который обращал большое внимание на явление продольного изгиба за пределом упругой работы и указывал на необходимость в этом случае для каждого материала находить соответствующую экспериментальную кривую. В СССР такая работа для древесины была проведе-* на ЦНИИПС. Для кривой ЦНИИПС Д. А. Кочетковым было подобраномногие ученые за рубежом, например, Энгессер, Карман, Гетмайер, а в России Ф. С. Ясинский, который обращал большое внимание на явление продольного изгиба за пределом упругой работы и указывал на необходимость в этом случае для каждого материала находить соответствующую экспериментальную кривую. В СССР такая работа для древесины была проведе-* на ЦНИИПС. Для кривой ЦНИИПС Д. А. Кочетковым было подобраноииVVNNаналитическое выражение, которое используется и в нааналитическое выражение, которое используется и в настоящее время:q>= 1 — а(МЮ0)$стоящее время:q>= 1 — а(МЮ0)$(III.9)(III.9)

многие ученые за рубежом, например, Энгессер, Карман, Гетмайер, а в России Ф. С. Ясинский, который обращал большое внимание на явление продольного изгиба за пределом упругой работы и указывал на необходимость в этом случае для каждого материала находить соответствующую экспериментальную кривую. В СССР такая работа для древесины была проведе-* на ЦНИИПС. Для кривой ЦНИИПС Д. А. Кочетковым было подобрано

многие ученые за рубежом, например, Энгессер, Карман, Гетмайер, а в России Ф. С. Ясинский, который обращал большое внимание на явление продольного изгиба за пределом упругой работы и указывал на необходимость в этом случае для каждого материала находить соответствующую экспериментальную кривую. В СССР такая работа для древесины была проведе-* на ЦНИИПС. Для кривой ЦНИИПС Д. А. Кочетковым было подобрано

и

и

V

V

N

N

аналитическое выражение, которое используется и в на

аналитическое выражение, которое используется и в на

стоящее время:

q>= 1 — а(МЮ0)$

стоящее время:

q>= 1 — а(МЮ0)$

(III.9)

(III.9)

Для древесины коэффициент а=0,8, для фанеры а — = 1. В точке Х=70 кривая ЦНИИПС и гипербола Эйлера имеют общую касательную. Кривую ЦНИИПС используют при гибкостях 0—70, а формулу Эйлера при Х>70. Формула Эйлера может быть распространена и за предел пропорциональности, если ввести в расчет приведенный модуль упругости £к, например для прямоугольного сечения

Ек = 4Е1^УЕ1Еа л-1)2,Ек = 4Е1^УЕ1Еа л-1)2,(ШЛО)(ШЛО)

Ек = 4Е1^УЕ1Еа л-1)2,

Ек = 4Е1^УЕ1Еа л-1)2,

(ШЛО)

(ШЛО)

где Еа—переменный модуль упругости, определяемый по экспериментальной диаграмме сжатия материала (см. рис. Ш.2) в той ее точке, для которой ищут критическую гибкость.

E„ = d aide. = tg р.

Зная, как определить коэффициент продольного изгиба, расчет на продольный изгиб выполняют по формуле

"< — IV/<р Fpac4 ^ ^с *(IB*И)

где FPac4 — расчетная площадь поперечного сечения элемента, которая принимается равной: 1) при ослаблениях, не выходящих иа кромки (рис. Ш.4, а): а) если их площадь не превышает 25 % Е»,, то Ц«=ч —Fs,,; б) если площадь ослаблений превышает 25%Рбр, то 4

грасч= "^ят; 2) пРи симметричных ослаблениях, выходящих иа кромку (рис. Ш.4, б), Fp„t4=FHI. Здесь Fop —площадь сечення брутто, FHI — площадь сечения нетто.

175250175250

175

250

175

250

Элементы конструкций

Предельная гибкость 1тах

Сжатые пояса, опорные раскосы и опорные стойки ферм, колонны

Прочие сжатые элементы ферм и других сквозных конструкций

Сжатые элементы связей

Растянутые пояса ферм в вертикальной плоскости

Прочие растянутые элементы ферм и других сквозных конструкций

120 .

150

200

150

200

Таблица II 1.4. Предельные гибкости элементов конструкций

Для опор воздушных линий электропередачи

Основные элементы (стойки, приставки, опорные раскосы)

Прочие элементы

Связи

150

Гибкость элементов конструкций не должна превышать значений, приведенных в табл. III.4.

Изгибаемые элементы

Изгибаемые элементы рассчитывают по первому и второму предельным состояниям, или иначе на прочность и жесткость. В расчете по первому предельному состоянию используют расчетную нагрузку, а при определении прогиба нормативную нагрузку, т. е. без учета коэффициента перегрузки.

Расчет деревянных элементов на изгиб по нормальным напряжениям производят приближенно. При болёе точном методе потребовался бы учет различных значений модулей упругости в сжатой и растянутой зонах (рис. III.5). Из этого рисунка видно, что в сжатой зоне развиваются большие пластические деформации, которые нарушают прямолинейность распределения нормальных напряжений по высоте сечения. Таким образом, нормальные напряжения определяют при двух допущениях: во-первых, считается, что модули упругости в растянутой и сжатой зонах равны, т. е. ЕС = ЕР, и во-вторых, принимается прямолинейное распределение напряжений по высоте элемента, как это показано на рис. III.6.

ции 6 %) диаграмма работы древесины при растяже

нии и сжатии

1—при растяжении (модуль упругости tg В); 2 — при сжатии (модуль упругости tg а)

Рис. Ш.6. Распределение нормальных напряжений по высоте поперечного сечения при поперечном изгибе балки

При этих допущениях нормальные напряжения в элементах, обеспеченных от потери устойчивости плоской формы деформирования:

сИ = М^пттб < Rn. ДО. 12)

При определении И7НТ ослабления сечений, расположенные на участке длиной 200 мм, совмещаются в одно сечение; /пе — коэффициент, учитывающий размеры сечения.

Прочность проверяют в сечении, где действуют наибольшие изгибные напряжения и, кроме того, в тех сечениях, в которых имеютсяОслабления. При расчете бревен следует учитывать «сбег» бревна, который принимают 0,8 см на 1 м длины. Следует иметь в виду, что бревна обладают большей прочностью на изгиб, в связи с чем их расчетное сопротивление изгибу больше, чем у досок и брусьев. Это связано с тем, что в бревнах нет перерезанных волокон, которые даже при наличии косослоя имеют длину от одной опоры до другой и, кроме того, пороки имеют в бревнах меньшее влияние.

Известно, что Д. И. Журавским было установлено наличие в элементах, работающих на поперечный изгиб.

не только нормальных, но также и касательных напряжений, поэтому разрушение элемента может произойти как от нормальных, так и от касательных напряжений в зависимости от того, какие из них раньше достигнут предела прочности. Касательные напряжения особенно опасны, например при больших сосредоточенных грузах, расположенных недалеко от опор, или в балках двутаврового сечения.—

В однопролетных элементах прямоугольного поперечного сечеиия, загруженных равномерно распределенной нагрузкой, разрушение от касательных напряжений будет происходить при сравнительно небольшом отношении длины к высоте поперечного сечения.

Такие отношения можно установить следующим образом: так как Mmax=ql218; W=bh2j6; Q=qll2\ ' S = bh2!8, и J=bk3/\2, то будем иметь:

Ra = 6qPJ8b№ откуда b = 3ql4WRa;(III. 13)

/?ск = 12»ZZ>A3/ 1662Д3, откуда b = 3ql/4hRCK. (III. 14)

Приравняв (III.13) к (III.14), после сокращения получим

'Uh = R„IRm.(III. 15)

Например, для пп. 1а, б, в (см. табл. III.1) получим значения отношений, показанных в табл. (III.5).

На прочность от касательных напряжений проверяют по формуле

T = QS/bI69<RCK1(III. 16)

где Q — расчетная поперечная сила; S — статический момент брутто сдвигаемой части сечения относительно нейтральной осн; Др —

Таблица III.5. Отношение 1/й для элементов прямоугольного сечения, загруженных равномерно распределенной нагрузкой ■ однопролетных схемах, цри котором дальнейшее уменьшение будет приводить к разрушению от касательных напряжений

Характеристика элементов

Сорт древесины

I

и | ш

Изгиб неклееных элементов:

высотой до 50 см (кроме указанных в пп. б, в)

7,78

8,12

5,31

шириной свыше 11 до 13 см при высоте сечения свыше 50 см

11 до

8,33

8,75

6,25

шириной свыше 13 см при сечения свыше 13 до 50 см

высоте

8,89

9,37

6,87

момент инерции брутто; b — ширина сечения; Rc„ — расчетное сопротивление сдвигу.

Помимо расчета на прочность изгибаемые элементы, особенно при их малой ширине, проверяют также на устойчивость плоской формы деформирования:

% =-W^M^cp <? ^н, (Ш.17)

где М— максимальный изгибающий момент на рассматриваемом участке /Р; В^бр—момент сопротивления брутто; фм — коэффициент устойчивости изгибаемых элементов, шарнирно закрепленных от смещения из плоскости изгиба и закрепленных от поворота в опорных сечениях, определяемый по формуле

Фм = 140 (.^W VnMl (Ш. 18) b, h— ширина и высота поперечного сечения элемента; /р — расстояние между опорными сечениями элемента, а при закреплении сжатой кромки элемента, в промежуточных точках от смещения из плоскости изгиба — расстояние между этими точками; 6ф— коэффициент, зависящий от формы эпюры моментов на участке Zp, и определяемый в соответствии с формулами, приведенными в табл. Ш.6; «им — коэффициент, который вводят при подкреплении из плоскости

Таблица III.6

Форма эпюры моментов

при закреплении только по концам уиастка ч

при закреплении псковцам и растянутой ат момента м кромке

J-

1

s''

ШШHl 1.11 IIIII ST

1,75 - 0,75*

Q < d, 4 1

3

, 0 <cL< 1 2<-А.

S

[^7^11131

2-(0,5+d.)Z

-1 < <«О

3 . , -2 < *«0

2 + <L

■—

1Jr

1,35+1Л5(С/1р)2

1^17,3 (с/lp)

t!pг WHU^ sf

1,13

1,13

2,5Q

2,32

изгиба в промежуточных точках растянутой кромки элемента на участке 1р н определяют по формуле

fenM = l + [0,142/p/h+l,76/i/Zp+l,4ap-l]lnW + l; (111.19) ар — центральный угол, рад определяющий участок /р элемента кругового очертания (для прямолинейных элементов ар = 0); m — число подкрепленных (с одинаковым шагом) точек растянутой кромки на участке /р (кроме крайних точек). При т>4 значение т^т2 + 1 следует принимать 1.

Как указывалось ранее, изгибаемые элементы проверяют по второму предельному состоянию на жесткость по формуле

/0 = №н/з/£Убр,(III. 20)

Таблица 111.7

Поперечное сечение банки ■

Расчетная схема

к

c

Прямоугольное

л

0

То же

^iJT

0,25->■ 0,11 Е>

16,6 ♦ 1,655

ДЦРР ItH

kt X»

k1У

*}

O^l-O^)^

U5-2Ud.(1-fi^ +J^x

3-^cL

ф 44444144114^

iL-г

0,1 S'-0,8555

15,6'3,8 p

ДВутабробое

меефанерное

« у 4 У 4 У 4 У У У 4 4 ^

0,U У 0,6 Ji

(65,3-6,9^)y

прямо - угольное

,tdL IP „

0,23H0,TTft + nO,6d-(1-J3)

[8,2T?,4(1-J3')tLt

+3,8 &V—

То же

^ t у t t 4-4 . У—V j 1 i '

0,35 +0,65 p>

5,4 + 2,6 J5

Примечание: У- отношение площади поясов к площади стенки дбутабробои балки (высоту стенки ■ принимают между центрами тяжести поясод)

где д — коэффициент, зависящий от вида нагрузки, например для равномерно распределенной нагрузки двухолорнон балки 6 = 5/384;

нормативная нагрузка на элемент, например для равномерно распределенной нагрузки Pn = qHl; Е — модуль упругости материала; j6p _ момент ннерцни брутто.

Для элементов из пластмасс, имеющих малый модуль упругости или для высоких деревянных элементов, у которых отношение пролета к высоте превышает 15, необходимо учитывать влияние па прогиб касательных напряжений. В этом случае прогиб следует находить по формуле

f = foU+c(W],(III.21)

где fo — прогиб без учета деформаций сдвига, вычисляемый по (Ш.20); с — коэффициент, определяемый по табл. III,7.

Прогибы элементов не должны превышать предельных, установленных СНиП для каждого вида конструкции. Предельные прогибы конструкций, выраженные в долях пролета, приведены в табл. III.8.

Таблица 111.8. Предельные прогибы

Элементы конструкцийЭлементы конструкцийПрогибы в доляхпролета, не более

Элементы конструкций

Элементы конструкций

1/250 1/2001/200 1/150 1/3001/250 1/150 1/4001/2501/250 1/2001/200 1/150 1/3001/250 1/150 1/4001/250Балки междуэтажных перекрытий

1/250 1/200

1/200 1/150 1/300

1/250 1/150 1/400

1/250

1/250 1/200

1/200 1/150 1/300

1/250 1/150 1/400

1/250

Балки чердачных перекрытий Покрытия (кроме еидов);

прогоны, стропильные ноги балки консольные

фермы, клееные балки (кроме консольных) плиты

обрешетки, настилы

Несущие элементы ендов Панели и элементы фахверка

Примечания: 1. При наличии штукатурки прогиб элементов перекрытий только от длительной временной нагрузки не должен превышать 1/350 пролета. 2. При наличии строительного подъема предельный прогиб клееных балок допускается увеличивать до 1/200 пролета.

Косой изгиб

Косым называется изгиб, при котором направление Действия усилия не совпадает с направлением одной из главных осей поперечного сечения элемента (рис. Ш.7, а), в этом случае действующее усилие расклады-

Рис. Ш.7. Изгиб, при котором направление действия усилия не совпадает с направлением одной из главных осей поперечного сечения элемента.Рис. Ш.7. Изгиб, при котором направление действия усилия не совпадает с направлением одной из главных осей поперечного сечения элемента.

Рис. Ш.7. Изгиб, при котором направление действия усилия не совпадает с направлением одной из главных осей поперечного сечения элемента.

Рис. Ш.7. Изгиб, при котором направление действия усилия не совпадает с направлением одной из главных осей поперечного сечения элемента.

а —разложение нагрузки при косом изгибе элемента прямоугольного поперечного сечения; б—определение наибольшего расстояния от осн до наиболее удаленкой точки элемента квадратного поперечного сечения

вают по направлению главных осей сечения, затем на- ходят изгибающие моменты, действующие в этих плоскостях.

Нормальные напряжения находят по формуле

aH=Mx/WK + MB/Wv<Re,aH=Mx/WK + MB/Wv<Re,(Ш.22)(Ш.22)

aH=Mx/WK + MB/Wv<Re,

aH=Mx/WK + MB/Wv<Re,

(Ш.22)

(Ш.22)

где М,, М,— изгибающие моменты, например при равномерно распределенной нагрузке от qx и q6.

Полный прогиб равен геометрической сумме прогибов от усилий qx и qy:

f=V fx+f^f^.f=V fx+f^f^.(Ill .23)(Ill .23)

f=V fx+f^f^.

f=V fx+f^f^.

(Ill .23)

(Ill .23)

Для прямоугольного сечения наименьшее значение площади поперечного сечения при косом изгибе будет при условиях расчета: по прочности, если ft/b=ctga; по прогибу, если /z/b = yctga.

Следует иметь в виду, что элемент, имеющий квадратное поперечное сечение, на косой изгиб не работает, так как он всегда деформируется в плоскости действия усилия. Однако формально напряжения в нем определяют по формуле косого изгиба:

(Ш.24)(Ш.24)<ун — Мх -(- MyjW ^ /?и •

(Ш.24)

(Ш.24)

Происходит это по следующей причине. Напишем основную формулу для определения напряжений при изгибе

аи = (Л1//)1/, (III.25) гдс j — момент инерции, являющийся для квадратного сечения постоянным для любой оси; у— расстояние от оси элемента до наиболее удаленной точки (рис. III.7, б) у= (d/2)sin (45 + а).

Если учесть, что tZ/2 = a/ V 2; sin (45+«) =sin 45Х Xcos a+cos 45 sin a, то, подставив эти значения в формулу для у, и произведя несложные вычисления, получим

у = a/2 (sin a-P ccsa). , (III.26) Подстановка значения у из (III.26) в формулу (III.25) даст формулу (III.24).

При косом изгибе увеличиваются размеры прогонов прямоугольного сечения, поэтому надо конструктивными мерами исключать работу элементов на косой изгиб. Так, например, применительно к кровельному покрытию можно исключить работу прогонов на косой изгиб, воспринимая скатную составляющую вспомогательными стропильными ногами, расположенными по прогонам и скрепленными с ними, а также соединенными друг с другом в коньке здания.

Сжато-изгибаемые элементы

Сжато-изгибаемыми элементами называются такие, на которые действует изгибающий момент и центрально приложенное продольное сжимающее усилие. Изгибающий момент может создаваться: а) внецентренно приложенной сжимающей силой и тогда элемент называют внецентренно сжатым или б) поперечной нагрузкой. При расчете сжато-изгибаемых деревянных стержней применяют теорию краевых напряжений, предложенную проф. д-ром техн, наук К- С. Завриевым. В соответствии с этой теорией несущая способность стержня считается исчерпанной в тот момент, когда краевое напряжение сжатию делается равным расчетному сопротивлению.

Эта теория менее точная, чем теория устойчивости, однако она дает более простое решение и поэтому принята в действующих нормах проектирования СНиП Н-25-80.

Так как жесткость стержня не является бесконечной, то он под влиянием изгибающего момента прогибается.

Рис. Ш.8. Прогибы сжато-из- гибаемого элемента

у—полный прогиб элемента при х — от 0 до I; fq —максимальный прогиб элемента от поперечной нагрузки q; tq ^ — максимальный полный прогиб элемента с учетом* дополнительного момента от npov дольной силы

При этом центрально приложенная сжимающая сила теперь уже будет иметь эксцентриситет, равный деформации стержня от момента, и таким образом создаст дополнительный момент (рис. Ш.8). Появление дополнительного момента от нормальной силы увеличит деформацию стержня, что приведет к еще большему возрастанию дополнительного момента. Такое наращивание дополнительного момента и прогибов будет некоторое время продолжаться, но затем затухнет.

Полный прогиб стержня и уравнение кривой неизвестно, поэтому непосредственно по формуле краевых напряжений нельзя найти эти напряжения:

<sc = NIF^MqIW + Nymax!W, (111.27) где Мд — изгибающий момент от поперечной нагрузки; у — деформация стержня.

Полный изгибающий момент стержня

Мх = Mq + Ny. (III.28)

Так как в двух написанных уравнениях есть три неизвестных (т0. У, NU, то следует найти еще одно уравнение. Всякую кривую можно аналитически выразить в виде ряда, который при этом должен быть быстро сходящимся и удовлетворять краевым значениям. Таким является тригонометрический ряд

у = fi sin л хН + /2 sin 2л хЦ + /3 sin Зл хП -f- ... .

Геометрическая интерпретация ряда показана на рис. III.9. Как видно, f; есть максимальная ордината кривой каждого члена ряда.

При симметричной нагрузке первый член ряда дает точность, равную 95—97 %. Для упрощения решения будем считать нагрузку симметричной. Тогда можно ограничиться только первым членом ряда

у = fT sin (л х/1). (111.29)

Рис. П1.9. Геометрическая интерпретация разложения в тригонометрический ряд f sin(nnx/Z)

! 2, 3 — номера членов ряда; Ь, Ь, Ь — максимальные ординаты членов ряда

Однако третье уравнение принесло четвертое.неизвестное fP Поэтому вспомним строительную механику, где было показано, что вторая производная у" уравнения кривой деформирования равна изгибающему моменту, деленному на жесткость с обратным знаком, т. е.

кривой по-(III.31) .кривой по-(III.31) .<Fy!dx* = — MX!EJ. (Ill. 30)

кривой по-

(III.31) .

кривой по-

(III.31) .

d2y „ п2 hi — = _Л-зт—.d2y „ п2 hi — = _Л-зт—.Тогда после дифференцирования уравнения лучим

d2y „ п2 hi — = _Л-зт—.

d2y „ п2 hi — = _Л-зт—.

Приравняв значения (Ш.31) и (Ш.30) получим

(ill. 32)(ill. 32)Mgc Л2 Л Л= Ьsin

(ill. 32)

(ill. 32)

EJ 11 Р /

Теперь значение Мж из (Ш.32) и у из (Ш.29) подставим в выражение (III.28) и после преобразования, имея в виду, что n2EJ/l2=NKP, a sin(nx//) при х— 1/2, где при симметричной нагрузке будет находиться максимальная ордината прогиба Утах=Л, равен единице, получим, что

К = мдг^кр-^.К = мдг^кр-^.(III.33)(III.33)

К = мдг^кр-^.

К = мдг^кр-^.

(III.33)

(III.33)

Найденная зависимость позволяет решить вопрос об определении напряжений. Для этого значение fi=ymax из (Ш.ЗЗ) надо подставить в выражение (III.27):

0c=NiF + MQjW + NMq)\NEp — N)W. (III. 34)

После преобразований и уточнения F и W на РраСч и Н^расч

<тс ~ /V/fрасч ~г ^g/^расч (1 — ^/^кр) •("* '^)

Коэффициент, учитывающий дополнительный момент от продольной силы при деформации стержня, применим при значениях от 1 до 0, g = l—N/NKp, где Мкр = =q)RF6p, поэтому можно уравнение (III.35) написать в виде

°с = AVfpac4 -|- ^деф/^расч ^ Rc»(III.36)

где

М№ф = Мч1^, a £ = 1 -№N/3000FepRc.

При несимметричном нагружении

^деф = Мсим/£сим 4" ^об.сим/боб.сим,

где £Сим и ^об.сим — коэффициенты, определяемые при значениях гибкостей, соответствующих симметричной и обратно симметричной формам продольного изгиба. В связи с тем, что значение ф прн вычислении значения ё всегда определяется как 3000/Х2, то при малых изгиб- ных напряжениях Afg/H7pac4, не превышающих 10 % сжимающих напряжений NjFep, работа стержня будет близка к условиям продольного изгиба и формула (III.36) даст неправильный результат. В этом случае стержень надо рассчитывать на продольный изгиб без учета изгибающего момента по формуле (III.11). Поперечная сила сжато-изгибаемого элемента будет больше, чем у такого же элемента при наличии только поперечной нагрузки:

dx - g •(П1-37)

При определении прогиба сжато-изгибаемого элемента следует также учитывать влияние дополнительного момента, поэтому

f = fe(PHl»IEjy.(III. 38)

Сжато-изгибаемый элемент должен быть также проверен на устойчивость плоской формы деформирования по формуле■

"ОДр + ^деф/^ЛбрГ < 1 •("> • 39)

где fop—площадь брутто с максимальными размерами сечения элемента на участке ZP; №бр— максимальный момент сопротивления брутто на участке 1$ п=1 для элементов без закрепления растянутой зоны из плоскости деформирования и п=1 для элементов, имеющих 130*

такие закрепления; <р,, — коэффициент продольного изгиба, определяемый по формуле AjX1 для гибкости участка элемента расчетной длиной /р из плоскости деформирования; <рм — коэффициент, определяемый по формуле (111.18).

При наличии в элементе на участке /р закреплений из плоскости деформирования со стороны растянутой от момента М кромки коэффициента срлг следует умножать на коэффициент кпм, определяемый по формуле (III.19), а коэффициент ф9— на коэффициент по формуле '=1 + [°-75 + °'06 [т/ + °’6ар "Г -1 ]^1 ’ (Ш;40)

где ар. ip, h> т— имеют прежние значения, указанные при определенны фм.

Растянуто-изгибаемые элементы

В растянуто-изгибаемых элементах кроме изгибающего момента действует центрально-приложенное усилие, которое растягивает стержень (рнс. III.10), т. е. направлено в обратную сторону по сравнению со сжато- изгибаемым элементом. Поэтому после прогиба стержня, вызванного изгибающим моментом, нормальное усилие будет создавать дополнительный момент противоположного знака и таким образом уменьшать основной момент. Так как на деревянные элементы при растяжении сильно влияют пороки древесины, снижая их прочность, то растянуто-изгибаемые элементы рассчитывают в запас прочности без учета дополнительного момента от продольных сил при деформации стержня по формуле

Стр = NlF^ + Л^ч^р/Й^нг^и С Rp >•(Ш.41)

где FHT — площадь сечения нетто; R$, RA — расчетные сопротивления растяжению и изгибу.

' При определении WHt ослабления, расположенные на участке элемента длиной 20 см, совмещаются в одно се-

Рис. II 1.10. Прогибы растянуто- изгибаемого элемента

В — полный прогиб элемента при ^от 0 до /; fq — максимальный прогиб элемента от. поперечной нагрузки q, f максимальный пол- НЫЙ прогиб элемента с учетом дополнительного момента от продольной силы

чение. Не учитывается уменьшение прогиба от дополнительного момента также при проверке элемента по второму предельному состоянию.

Основные закономерности длительной прочности древесины и пластмасс

Так как прочность древесины и пластмасс зависит от фактора времени или иначе времени действия нагрузки, целесообразно рассмотреть их основные закономерности.

При испытаниях деревянных конструкций замечено, что разрушающая нагрузка в случае медленного нагружения меньше, чем в случае быстрого. То же самое наблюдается н при механических испытаниях древесины и пластмасс, в чем находит яркое проявление особенность прочностных свойств этих материалов, отличающая их от стали и бетона, у которых это общее свойство твердых тел выражено слабее. Этот фактор следует учитывать при назначении расчетных сопротивлений и определении расчетной несущей способности конструкций. Для обеспечения надежной работы последних необходимо уметь находить длительную прочность древесины и пластмасс. Рассмотрим имеющиеся экспериментальные данные для древесины.

Испытаниями образцов древесины длительной нагрузкой продолжительностью 5 лет и более, а также испытаниями возрастающей нагрузкой установлена линейная зависимость логарифма времени I, с, до разрушения от напряжения о, МПа, характеризуемая уравнением

lg Z = Ig Л<хсг,(Ш.42)

где А, а — постоянные при постоянной температуре.

Эта зависимость подтверждается данными многочисленных отечественных и зарубежных исследований при разнообразных условиях — разных породах древесины, плотности, влажности, видах напряженного состояния и режимах нагружения. По экспериментальным данным (рис. III.11, а) опытные точки располагаются близко к прямой по уравнению (III.42) с доверительными интервалами + 2—6 % и доверительной вероятностью 0,95 при испытаниях: длительной нагрузкой на изгиб древесины пихты (/); возрастающей нагрузкой на растяжение вдоль волокон лиственницы (2) и сжатие вдоль волокон

Рис. П1Л1; Зависимость времени до разрушения от напряжения а—-экспериментальные данные об изменении прочности древесины во време- нн; б — прогнозирование длительной прочности древесины

сосны при влажности 15 % (5) и 30 % (4); ступенчатой нагрузкой на,сдвиг при кручении трубчатых образцов пихты (5).

Прямая по уравнению (III.42) изображает длительную прочность рядового пиломатериала с доверительным интервалом ±6 % при доверительной вероятности 0,90. Здесь для возрастающей нагрузки время t опреде- ленопо продолжительности испытания ^из выражения / = /i/2,3'(lg Д—1g /) (нагружение ступенями при достаточном их числе приближенно можно приравнять испытанию с постоянной скоростью).

Возникает вопрос, какова природа разрушения твердых тел при действии напряжений, позволяющая выразить этот процесс с помощью уравнения (III.42)? По

современным представлениям это уравнение, которому, подчиняются твердые тела, в том числе полимеры и полимерный композит — древесина, устанавливает связь между макроскопической прочностью твердых тел и их атомно-молекулярным строением через значения Лиа:

Л = То/0^7; а = у/2,3/?Т,

где То — период тепловых колебаний атомов 10-13 с; U» — начальная энергия активации разрушения, равная потенциальному барьеру разрыва химических связей твердого тела, кДж/маль; R — характеристика теплового движения (газовая постоянная), кДж/(моль-град); Т — температура. К; у — структурно-чувствительный коэффициент, кДж/(моль-МПа).

Принципиальное значение этой связи состоит в том, что сопротивление твердого тела силовому воздействию определяется не только возникающим в теле напряжением о, но и временем его действия и температурой. При действии постоянного напряжения в твердом теле время / до разрушения, согласно С. Н. Журкову, имеет выражение

, (О„ -"усО/ДТ .... ,*. / = Тое , (Ш.43)

т. е. здесь потенциальный барьер разрыва химических связей, определяемый числителем показателя степени ^о—у о, снижен по сравнению с его величиной при отсутствии напряжения, т.е. Uq. Очевидно, чем выше напряжение, тем короче время до разрушения, логарифм которого определяется выражением (III.42). Таким образом, существующее в ненапряженном теле динамическое равновесие между разрывами химических связей тепловым движением и их образованием здесь смещено в сторону преобладания разрывов. При этом и последующие стадии разрушения твердого тела, в которых происходит образование субмикроскопических трещин, определяются также, согласно С. Н. Журкову, описанной закономерностью.

Механика разрушения становится применимой здесь при слиянии субмикроскопических трещин и последующем образовании магистральной трещины в твердом теле, причем этот процесс существенно усложняется в аии- зотропном и волокнистом материале, каким является древесина.

При отсутствии напряжений (соответствует экстраполяции прямой по уравнению (III.42) на рис. III.11, а

0 о==0) или достаточно низком их уровне имеет место указанное равновесие. Теоретическое время до разрушения определяемое в этих случаях только всплесками ■теплового движения, весьма велико. Практически важно то что в пределах сроков службы сооружений уравнения (Ш.42) и (111.43) позволяют прогнозировать длительную прочность твердых тел. Основой прогнозирования длительной прочности является отрезок 1g Д, отсекаемый прямой по уравнению (III.42) на оси lg t (рис. III.11, а) и определяемый параметрами разрыва химических связей: Uo — для древесины (природная целлюлоза)» 170 кДж/моль и lgT0=—13 для многих полимеров и древесины, а также температурой Т. Для древесины при обычцой температуре (~20°С) lg4 = 17,L

Из подобия треугольников (см. рис. Ш.11, 6) имеем

□T!at = (1g Л — lgт)/(lgД — 1g/), где <гт — длительная прочность древесины для заданного периода т действия неизменного напряжения.

Располагая средними значениями разрушающего напряжения »т и t, полученными из испытаний кратковременной нагрузкой достаточного числа одинаковых образцов, найдем

aT = ot/K^t),(III. 44)

где Ki(/) = (17,1—Ig/)/(17,l—1gт)—коэффициент длительной прочности древесины для заданного времени т.

Например, из испытаний стандартных образцов древесины сосны при влажности 15 % и ~ 20 °C на сжатие вдоль волокон, т. е. при равномерном распределении напряжений, определены средние (из 12) значения at = =36,6 МПа; lg t= 1,71; для т = 50 лет, lgr=9,2 и 7(1(0 = (15,39/7,90) = 1,95, т. е. средняя длительная прочность древесины для срока действия неизменной нагрузки в течение 50 лет составляет »51,3 % от Оь Если порода, плотность, влажность, пороки строения древесины, абсолютные размеры (масштабный эффект), вид напряженного состояния проявляются в абсолютной величине прочностных показателей древесины, то относительное снижение ее прочности под длительным действием нагрузки от этих факторов не зависит. На этом положении базируется установление расчетных сопротивлений в деревянных конструкциях с учетом длитель-

ности действия нагрузки и оценка результатов испытания конструкций кратковременной нагрузкой до разрушения.

Применение к несущей способности конструкций изложенного метода прогнозирования длительной прочности древесины основано на выполнении требований, обеспечивающих необходимую надежность работы конструкции под нагрузкой. Это: 1) неизменность расчетной схемы конструкции в течение срока ее службы и необхс^ димый уровень длительной несущей способности соединений элементов конструкции; 2) сохранение древесиной и другими материалами, например клеем в соединениях клееных конструкций, исходных качеств, которыми они обладали при изготовлении конструкции. Соблюдение первого условия контролируется расчетным анализом, работы конструкции под нагрузкой в период ее эксплуатации с учетом прогнозирования длительной несущей способности'и деформативности соединений ее элементов на основе экспериментальных данных. Второе требование обеспечинается защитными мерами против биоповреждения древесины, соответствующими условиям службы конструкции.

При выполнении перечисленных требований длительная несущая способность конструкции определяется свойствами ее основного материала — древесины н может прогнозироваться с помощью выражения (III.45) на основании результатов кратковременных испытаний опытных образцов конструкций. Испытания проводятся с точным выполнением временного режима нагружения и определением значения разрушающей нагрузки Я< и времени t, т. е. продолжительности испытаний, приведенной к неизменному действию разрушающей нагрузки Ии При этом искомую длительную несущую способность испытаний конструкции Ят находят из выражения ■

Ят = ^/К„(0, (Ш.45)

где Ки(/) =51-6^;; В1 = ^Л/(^Л — IgT); CL(Bl — l)/lgT.

РАЗДЕЛ IV. СОЕДИНЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ДЕРЕВЯННЫХ КОНСТРУКЦИИ

ГЛАВА 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Основные виды соединений и предъявляемые к ним требования

Появление новых видов и методов изготовления соединений деревянных элементов обусловило значительный прогресс в развитии деревянных конструкций в последние десятилетия. В современных деревянных конструкциях наряду с традиционными, вручную изготовляемыми соединениями, применяют новые соединения усовершенствованного типа.

Применяемый для нужд строительства лесоматериал в виде бревен и пиломатериала имеет максимальные размеры поперечного сечения 25—28 см и предельную длину 6,5 м. Вследствие ограниченности размеров дерева создание из него строительных конструкций больших' пролетов или высоты невозможно без соединения отдельных элементов.

Соединения деревянных элементов для увеличения поперечного сечения конструкции называют сплачиванием, а для увеличения их продольной длины — сращиванием. Наряду со сплачиванием и сращиванием деревянные элементы могут соединяться в узлах конструкций под различными углами.

Необходимость правильного решения соединений отдельных деревянных элементов для работы конструкции в целом объясняется еще и тем, что анизотропное строение древесины проявляет свои отрицательные качества в большей степени в местах соединений.

Развитие соединений деревянных конструкций ведет свою историю еще от древних деревянных сооружений. Одними из первых стали применяться соединения, в которых усилия передавались от одного элемента другому непосредственно через контактные поверхности и вызывали в основном -напряжения смятия (лобовые врубки, упор и др.). Использование таких соединений вело к большому перерасходу древесины. Позже, благодаря применению в соединениях рабочих связей, удалось пе-

редавать большие растягивающие усилия. Наконец, важной ступенью развития отдельных элементов и деревянных конструкций в целом стало возникновение клеевых соединений. Этому способствовало создание новых отраслей химической промышленности по производству синтетических полимерных материалов и строительных клеев на их основе. •

Применение того или другого вида соединений определяется видом всей конструкции, в некоторых случая! можно использовать различные виды соединений в одной конструкции. ■

Преимущество цельной древесины по стоимости по сравнению с клееной делает целесообразным ее применение практически во всех случаях, где позволяют запасы природной древесины или возможно ее использование на обычных (неклееных) соединениях. Применение дощато-клееных конструкций рационально в тех случаях, когда требуется большое поперечное сечение элементов, когда необходимо свести к минимуму количество металлических вкладышей, для увеличения огнестойкости, уменьшения воздействия химически агрессивных сред или в случае, когда предъявляются особые требования к архитектурной выразительности сооружения. Фанера, древесно-стружечные и древесно-волокнистые плиты и другие листовые материалы применяют в качестве обшивок и присоединяют к деревянному каркасу клеем или различными рабочими связями.

Соединения элементов деревянных конструкций по способу передачи усилий разделяются на следующие виды: 1) соединения, в которых усилия передаются непосредственным упором контактных поверхностей соединяемых элементов, например примыканием в опорных частях элементов, врубкой и т. д.; 2) соединения на механических связях; 3) соединения на клеях.

- Механическими в соединениях деревянных конструкций называют рабочие связи различных видов из твердых пород древесины, стали, различных сплавов или пластмасс, которые могут вставляться, врезаться, ввинчиваться или запрессовываться в тело древесины соединяемых элементов. К механическим связям, наиболее широко применяемым в современных деревянных конструкциях, относятся шпонки, нагели, болты, глухари, гвозди, шурупы, шайбы шпоночного типа, нагельные пластинки и металлические зубчатые пластинки. Исполь-

зование механических связей усовершенствованного типа расширяет возможность применения конструкций из цельной древесины, а также упрощает сборку клееных конструкций на строительной площадке.

Передача сил в соединениях с механическими связями происходит от одного элемента другому через отдельные точки (дискретно). Распределение силы по поверхности контакта и в глубину элемента зависит от вида механических связей.

Несущая способность и деформативность деревянных конструкций в целом зависит в большей мере 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.

Скалывание и разрыв вдоль и поперек волокон относятся к хрупким видам работы древесины. В отличие от работы строительной стали в древесине не происходит в этих случаях пластического выравнивания напряжений. Для того чтобы уменьшить опасность последовательного, повестям, хрупкого разрушения от скалывания или разрыва в растянутых элементах деревянных конструкций, приходится,обезвреживать природную хрупкость древесины вязкой податливостью работы их соединений. К наиболее вязким видам работы древесины, характеризуемой наибольшим количеством работы прочного сопротивления, относится смятие. Другими словами, требование вязкости, предъявляемое к соединениям всех видов элементов деревянных конструкций, сводится к требованию обеспечения выравнивания напряжений в параллельно работающих брусьях или досках использованием вязкой податливости работы древесины на смятие, прежде чем могло бы произойти хрупкое разрушение от разрыва или скалывания.

Для придания вязкости соединениям растянутых де- ревянных элементов как правило используют принцип дро Иости, позволяющий избежать опасности скалыва-

Рис. IV.!. Проявление принципа дробности в работе стыкового соединения растянутых досок (5x12 см) при замене одного стального нагеля диаметром 25 мм 16 тонкими нагелями диаметром 6 мм

Ния древесины увеличением площади скалывания. К примеру, применение вместо одной сосредоточенно приложенной связи (чрезмерно жесткой для досок толщиной 5 см) несколько рассредоточено (дробно) приложенных вязкоподатливых связей при одинаковой затрате стали намного увеличивает несущую способность (рис. IV.1).

Вязкость соединений сжатых деревянных элементов обеспечивается вязкой работой древесины на смятие. В сжатых стыках, решаемых простым лобовым упором, не приходится опасаться хрупкого разрушения древесины, если приняты меры, предотвращающие раскалывание древесины поперек волокон.

Указания по расчету соединений

Расчетное усилие, действующее на соединение, не должно превышать несущей способности соединения. Сложное напряженное состояние в соединениях из-за наложения различных напряжений обусловливает определение несущей способности соединения исходя из нескольких условий. Несущая способность соединения определяется расчетом соединяемых элементов на смятие и скалывание с учетом угла между силой и направлением волокон в древесине. Кроме клеевых, соединения элементов деревянных конструкций практически невоз-

можно сделать жесткими, поэтому при расчете деревянных конструкций необходимо учитывать податливость их соединений.

Из опыта эксплуатации деревянных зданий и сооружений предельный относительный сдвиг между соединяемыми элементами ограничивается 1,5—2 мм. Усилие, которое вызывает предельный сдвиг, принимают за несущую способность соединения, если оно меньше несущей способности соединения, определенного из условий смятия и скалывания. Клеевые соединения при расчете конструкций следует рассмартивать как неподатливые.

Передача сил от одного соединяемого элемента другому осуществляется непосредственно через поверхность их контакта или через рабочие связи. Многочисленные исследования показали неэффективность применения в одном соединении различных типов рабочих связей, например болтов и гвоздей. Увеличение несущей способности соединения, не изменяя площади контакта соединяемых элементов, может быть достигнуто установкой накладок и прокладок на нагелях, клеевыми соединениями и др. Сравнение различных соединений на примере (рис. IV.32) растянутого симметричного стыка (табл. IV. 1) показывает, что наибольшей несущей способностью, приведенной к единице контактной поверхности, обладает клеевой шов. Наибольшую несущую способность среди всех других соединений имеют нагели небольшого диаметра (до 5 мм), устанавливаемые в предварительно рассверленные отверстия с шагом, принятым как и для цилиндрических нагелей.

Расчет соединений сводится к определению действующих на них усилий и сравнению их с несущей способностью соединений Т.

Расчетную несущую способность соединений, работающих на смятие и скалывание, следует определять по формулам:

из условий смятия древесины

Т = ^сма^см!

из условия скалывания древесины

7 = ^^

где FCM—расчетная площадь смятия; Рта— расчетная площадь скалывания; R Сма— расчетное сопротивление древесины смятию иод углом к направлению волокон; ^к— расчетное среднее по площадке

Таблица IV.1. Несущая способность соединений растянутых деревянных элементов с различными рабочими связями

Вид рабочих связей

Эскиз

।

о я ^

aS®

1^

£ д сХ

Двухсрезные шайбы шпоночного типа системы Гека диаметром 50 мм

58,3

—1

■ ф ф Ф Ф- I i

•Ф <W' OJ1

Однорядовые шайбы шпоночного типа системы Гека диаметром 115 мм

48,9

444-1-

Цилиндрические нагели в три ряда 15 шт. диаметром 12 мм

#

89,6

g о

-Н-<

№ 4

Цилиндрические нагели в два ряда 8 шт. диаметром 16 мм

75,6

Гвозди односрезные 2x80 шт. диаметром 4,6 мм, 7=130 мм в

: тшшишшб *

33,8

пять рядов

Гвозди двухсрезные 36 шт. диаметром 7,6 мм, 7=260 мм в три ряда

Вид рабочих связей

Эскиз

Проволочные нагели в предварительно просверленных гнездах 2X65 шт. диаметром 4,6 мм, 1= = 130 мм в пять рядов

То же, двухсрезные 27 шт. диаметром 7,6 мм, 1 = 260 мм в три ряда

Клеевые соединения

скалывания сопротивление древесины скалыванию вдоль волокон, определяемое в свою очередь по формуле ■

«с^^к/Ч-ГР^)!-

Здесь Rck — расчетное сопротивление древесины скалыванию вдоль волокон (при расчете по максимальному напряжению), приведенное в нормах; 1СК — расчетная длина плоскости скалывания; е — плечо сил скалывания; р— коэффициент учитывает неравномерность распределения напряжений скалывания и зависит от вида скалывания. Если площадка скалывания располагается по одну сторону от места приложения снл, то имеет место одностороннее скалывание, при котором скалывающие напряжения концентрируются в начале площадки скалывания. Эпюра т имеет несимметричное очертание, приближающееся к треугольному. В этом случае коэффициент 3 = 0,25.

При промежуточном скалывании площадка скалывания располагается между местами приложения сил (рис. IV.2). В этом случае наблюдается меньшая концентрация скалывающих напряжений. Для промежуточного скалывания 0=0,125.

Рис. IV.2. Зависимость среднего расчетного сопротивления скалыванию в соединениях

а — при врубке с одной стороны; б — то же, с обеих сторон

Увеличение длины площадки скалывания за пределами десяти глубин врезки в расчете на скалывание не учитывается, поскольку при допускаемом нормами косослое скалывание может произойти на длине /Ск = = 10АВрИ при большей длине запроектированной площадки скалывания. Для того чтобы уменьшить

опасное влияние растягивающих напряжений поперек волокон и торцевых усушенных трещин на несущую способность соединения длина площадки скалывания должна быть не менее /ск^3е. Во всех случаях требуется обеспечение прижима скалываемой части.

В промежуточных узлах сквозных деревянных конструкций глубина врубок не должна превышать ‘Л полной высоты или толщины элемента. В опорных узлах глубина врубки не должна превышать */з полной высоты бруса. Минимальная глубина врубки должна быть не менее: для брусьев 2 см; для бревен 3 см.

Силы трения между соединяемыми элементами, которые оказывают разгружающее действие, в расчете соединений элементов деревянных конструкций как правило не должны учитываться, за исключением случаев однократного, кратковременного (при аварии и монтаже) действия прижимающих сил.

ГЛАВА 2. СОЕДИНЕНИЯ ДЕРЕВЯННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ БЕЗ РАБОЧИХ СВЯЗЕЙ

Контактные соединения деревянных элементов

При контактных соединениях деревянных элементов подразумеваются соединения, в которых усилия от одного элемента другому передаются через их соответ-, 144’

ние стоек на горизонтальный деревянный элемент

а — фиксацией с помощью цилиндрических нагелей (/); б— то же, металлическими уголками (2); в — с подкладкой из твердых пород древесины (3); г —то же, из стального швеллера (4); д — с деревянными вставками (5); на болтах (6)

ственно обработанные и опиленные контактные поверхности. Дополнительно поставленные в таких соединениях рабочие связи несут обычно функции фиксации отдельных элементов или служат аварийными связями, включающимися в работу при разрушении соединений.

При контактных соединениях деревянных элементов в местах примыканий между собой и с элементами из других строительных материалов решающим оказывается работа древесины иа смятие.

Значительным преимуществом решения соединений деревянных элементов простым опиранием одних на другие является незначительное влияние на их работу деформаций древесины при колебаниях температурно- влажностного режима в период эксплуатации конструкции, особенно если силы сжатия соединяемых деревянных элементов направлены вдоль волокон.

Контактные соединения со сжатием перпендикулярно к волокнам встречаются в соединениях стоек в местах примыканий к горизонтальным ригелям, опираний прогонов, балок, ферм на стены и т. д. (рис. IV. 3, а, б). В этих случаях расчет соединения сводится к определению проверки напряжений смятия по контактным по-

верхностям в деревянном элементе, в котором силы сжатия приложены перпендикулярно к волокнам, и сравнению их с соответствующим расчетным сопротивлением. Поскольку сопротивление древесины на смятие поперек волокон незначительно, то при действии больших усилий часто приходится увеличивать опорные площадки или контактные поверхности соединяемых элементов.

Площадка контакта и распределение усилий сжатия на большую поверхность может быть увеличена с помощью подкладок из твердых пород древесины, имеющих повышенное сопротивление смятию поперек волокон (рис. IV.3, в) или подкладки из металлических профилей (рис. IV.3, г), а также деревянными вставками в опорные части стоек (рис. IV.3, д).

Если опорную площадь нельзя увеличить по каким-то конструктивным соображениям, то для поднятия сопротивляемости древесины смятию в этой части применяют различные накладки, например, из фанеры, прикрепляемые к боковым граням нагелями или клеями (рис. IV.4,а). Эффект повышения сопротивляемости смятию в этом случае достигается не столько вследствие увеличения площади опирания, сколько передачей и распределением усилий с помощью накладок на большую глубину элемента.

Заслуживает внимания и дальнейшей проработки предложенный в нашей стране вариант усиления клееных балок в опорной части (рис. IV.4,б). Суть этого метода состоит в том, что в опорной части дощатоклееных балок большого поперечного сечения выпиливается уголок под углом 45°, затем после разворота на 90° вклеивается обратно. Этим достигается по контактной поверхности балки с опорной частью максимальное сопротивление древесины смятию (вдоль волокон) и при проверке шва по месту склеивания применяется расчетное сопротивление смятию под углом 45°.

Контактные соединения деревянных элементов с действием сил вдоль волокон имеются, например, при наращивании стоек по длине (рис. IV.5). В этом случае сопротивление смятию вдоль волокон максимально и совпадает с сопротивлением сжатию вдоль волокон. Однако при этом возникает опасность взаимопроникновения деревянных элементов из-за того, что более плотные слои древесины в одном элементе совпадают с менее плотны-

Рис. IV.4. Усиление опорных частей клееных балок

а — фанерными накладками; б-* клееной вставкой

Рис. IV.5. Наращивание стоек по длине

а — с фиксацией торцов с помощью цилиндрических нагелей; б — то жё, фанерными накладками; в — промежуточный стык стоек с деревянными накладкамиа — с фиксацией торцов с помощью цилиндрических нагелей; б — то жё, фанерными накладками; в — промежуточный стык стоек с деревянными накладкамими в другом. В результате этого может произойти деформация древесины в торцах.

а — с фиксацией торцов с помощью цилиндрических нагелей; б — то жё, фанерными накладками; в — промежуточный стык стоек с деревянными накладками

а — с фиксацией торцов с помощью цилиндрических нагелей; б — то жё, фанерными накладками; в — промежуточный стык стоек с деревянными накладками

Концы соединяемых элементов должны быть точно совмещены и приторцованы. Чтобы предотвратить смещение концов элементов, устанавливают цилиндрические нагели в торцах или боковые накладки (см. рис. IV.5).

Поскольку размеры поперечного сечения сжатых стоек принимают из расчета на продольный изгиб, этой площади бывает вполне достаточно для восприятия напряжений смятия вдоль волокон, поэтому расчет торцов элемента на смятие при передаче усилий по всей площади поперечного сечения обычно не проводят.

Работа древесины в местах соединения по контактным поверхностям на смятие под углом возникает в со-

Рис. IV.7. Лобовая врубка в опорных узлах брусчатых ферм, несущих узловые нагрузки .Рис. IV.7. Лобовая врубка в опорных узлах брусчатых ферм, несущих узловые нагрузки .

Рис. IV.7. Лобовая врубка в опорных узлах брусчатых ферм, несущих узловые нагрузки .

Рис. IV.7. Лобовая врубка в опорных узлах брусчатых ферм, несущих узловые нагрузки .

Рис. IV.6. Контактные соединения сжатых деревянных элементов под углом

единениях деревянных элементов, находящихся под различными углами, например стык наклонных деревянных элементов (рис. IV.6). В этих случаях древесину по контактной поверхности проверяют на смятие под углом.

Боковые накладки или различные вкладыши между соединяемыми элементами служат для фиксации элементов и восприятия поперечных сил. Соединение наклонных сжатых деревянных элементов с горизонтальными растянутыми элементами без рабочих связей осуществляют чаще на врубках, конструкция и работа которых будет рассмотрена в последующих параграфах.

Лобовая врубка

Врубкой называют соединение (рис. IV.7), в котором усилие элемента, работающего на сжатие, передается другому элементу непосредственно без вкладышей или

Рис. IV.8. Распределение касательных (а) и нормальных (6) напряжений по плбскости ска- лывания для lcJe—5

0,2 OS 0,60,8 У/1у(0,2 OS 0,60,8 У/1у(

0,2 OS 0,60,8 У/1у(

0,2 OS 0,60,8 У/1у(

Рис. IV.9. Распределение касательных (а) и нормальных (б) напряжений по плоскости скалывания для 1ак1е—10

иных рабочих связей. За этим видом соединения сохранилось старое название «врубка», хотя в настоящее время врезки и гнезда выполняют не топором, а электро- пли мотопилой, цепЕОдолбежником и т. п.

Основной областью применения врубок являются узловые соединения в брусчатых и бревенчатых фермах, в том числе в опорных узлах примыкания сжатого верхнего пояса к растянутому нижнему поясу.

Соединяемые врубкой элементы деревянных конструкций (д. к.) должны быть скреплены вспомогательными связями — болтами, хомутами, скобами и т. п., которые следует рассчитывать в основном на монтажные нагрузки.

Лобовая врубка может утратить несущую способность при достижении одного из трех предельных состояний: 1) по смятию площадки упора Fcit^ 2) по скалыванию площадки FtK; 3) по разрыву ослабленного врубкой нижнего пояса.

Площадь смятия определяют глубиной врубки Авр, которая ограничивается нормами Авр^АбР/3, где Абр— высота растянутого элемента. При этом несущая способность врубки из условия разрыва растянутого элемента в ослабленном сечении при правильном центрировании узла всегда обеспечивается с избыточным запасом прочности. Решающее значение имеет как правило несущая способность врубки, исходя из условий скалывания.

Согласно СНиП 11-25-80, лобовую врубку на скалывание рассчитывают определением среднего по длине площадки скалывания напряжения сдвига по формуле

. ^^^«/l + IPMl-

где Ren — расчетное сопротивление древесины скалыванию для максимального напряжения; 1СК — расчетная длина плоскости скалывания, принимается не более 10 глубин врезки в элемент; е — плечо сил сдвига, принимаемое 0,5Л при расчете элементов с несимметричной врезкой в соединениях без зазора между элементами (см. рис. IV.7) и 0,25/г при расчете симметрично загружаемых элементов с симметричной врезкой; 0 — коэффициент, принимаемый 0,25. Отношение ZCn/e должно быть не менее 3.

Однако выполненный анализ сложного напряженного состояния, возникающего по плоскости скалывания, показал, что вышеприведенная формула СНиП 11-25-80 приемлема только для угла а=45°. А для угла а = 30°, при котором несущая способность врубки повышается, формула СНиП не верна и должна быть заменена другой:

«X = «Ск ^ + 0,14 (/ск+) 4-0,139 ^e^Fy

В результате анализа установлено, что с увеличением глубины врубки Авр при постоянной длине плоскости скалывания /ск снижается коэффициент концентрации напряжений сдвига и уменьшаются напряжения сжатия поперек волокон в начале плоскости скалывания. Выявлена зависимость коэффициента концентрации напряже-

Таблица IV.2. Коэффициенты концентрации kt

-St

^^тах^сред

а =0

а =30°

а = 45°

6,-45=/

/fe(—30»

3

0,500/0,333=1,500

0,505/0,333=1,515

0,563/0,333=1,690

1,114

4

0,375/0,250=1,500

0,401/0,250=1,605

0,503/0,250=2,010

1,250

5

0,312/0,200=1,560

0,357/0,200=1,785

0,460/0,200=2,300

1,290

6

0,287/0,167=1,720

0,356/0,167=2,130

0,427/0,167 =2,560

1,200

8

0,271/0,125=2,170

0,322/0,125=2,580

0,374/0,125=2,990

1,160

10

0,266/0,100=2,660

0,303/0,100=3,030

0,330/0,100=3,300

1,088

ний сдвига /max/^сред от отношения /ск/е и от угла смятия а (табл. IV.2). На основе данных, приведенных в табл. IV.1, можно сделать следующие выводы:

чем больше отношение длины плоскости скалывания к е, тем больше коэффициент концентрации напряжений сдвига;

чем меньше угол а, тем меньше коэффициент концентрации напряжений сдвига;

чем больше нормальная к плоскости сдвига составляющая, тем выше значение концентрации напряжений сдвига.

При этом необходимо отметить, что нормальные к плоскости сдвига напряжения сжатия поперек волокон повышают сопротивление скалыванию вдоль волокон,

§ 2.3. Монтажный или аварийный болт

Опорные узлы ферм на лобовых врубках снабжаются монтажными болтами (рис. IV.10), которые выполняют дополнительные функции аварийной связи. Работа болта как аварийной связи в основном расчете опорного узла не учитывается, поскольку начальная жесткость его сопротивления сдвигу, особенно после усушки древесины, ничтожно мала по сравнению с начальной жесткостью работы врубки на смятие и скалывание.

Аварийная связь должна полностью включиться в работу лишь при скалывании зуба растянутого пояса (см.

Рис. IV. 10. Работа аварийного (монтажного) болта в случае скалывания зуба, опорной лобовой врубки в ферме, несущей узловые нагрузки

рис. IV. 10) и обеспечить временное закрепление нижнего конца верхнего пояса в результате соответствующей деформации болта и работы его на растяжение. .

Экспериментальные исследования выявили решающее влияние местного вмятия нижнего концевого ребра верхнего пояса в волокне нижнего пояса на отклонение силы отпора ^oтп от направления, перпендикулярного плоскости скалывания. Образовавшаяся местная вмятина,

увеличиваясь по мере возрастания силы упора, предотвращает дальнейший сдвиг верхнего пояса даже при отсутствии связей.

ГЛАВА 3. СОЕДИНЕНИЯ НА МЕХАНИЧЕСКИХ СВЯЗЯХ

Соединения на шпонках и шайбах шпоночного типа

Шпонки — это вкладыши из твердых пород древесины, стали или из пластмасс, которые устанавливаются между сплачиваемыми элементами и препятствуют сдвигу. Для сплачивания деревянных элементов издавна применялись призматические шпонки из твердых пород древесины. Различают призматические деревянные продольные шпонки (рис. IV.11, а), когда направления волокон древесины шпонок и соединяемых элементов совпадают, и поперечные, когда направление волокон в шпонках перпендикулярно к направлению волокон соединяемых элементов. Во втором случае для обеспечения более плотной посадки шпонок они могут быть выполнены из двух клиновидных элементов'

Призматические шпонки, передавая от одного элемента другому сдвигающие силы, работают на смятие и скалывание. По надежности из деревянных призматических шпонок следует выделить наклонные шпонки. Отличительный признак шпонок — появ1яение опрокидывающего шпонку момента и как результат этого возникновение распора между соединяемыми элементами (рис. IV. 11, б). Рассмотрев равновесие шпонки без учета сил трения, можно приближенно определить распор

= з/2 — т, •

с учетом сил трения

= (^шп//шп) Т.

Для восприятия распора необходимо устанавливать рабочие связи— стяжные болты. Во избежание чрезмерной Деформативности шпоночных соединений, а также для уменьшения количества стяжных болтов, длину, шпонки по нормам принимают не менее 1шп^5Нвр. Глубину врезки шпонок в брусья следует принимать не менее 2 см и

или бревен. При расчете наили бревен. При расчете наРис. IV.11. Соединения на шпонках

или бревен. При расчете на

или бревен. При расчете на

а — призматических продольных деревянных; б — работа призматических шпонок, а—а—плоскость скалывания; в — тавроных металличе*

не более Vs высоты бруса, а бревна — не менее 3 см и не более 'Д диаметра бревна.

Расчет соединений на призматических шпонках подобно расчету соединений на лобовых врубках сводится к проверке несущей способности по смятию и скалыванию древесины шпонок, а также сплачиваемых брусьев

скалывание в многорядовых

соединениях в связи с вероятностью неравномерного распределения усилий между шпонками и снижения несущей способности вводят коэффициент 0,7. При расчете соединений на шпонках требуется подбор стяжных болтов и шайб под его головку и под гайку для восприятия распора.-

В настоящее время в зарубежной практике строительства нашли широкое применение тавровые металлические шпонки (рис. IV.ll.e), Они занимают промежуточное положение между шпонками н пластинчатыми нагелями. Несомненным их преимуществом является просто- • та сборки, упрощенное изготовление гнезда небольшого размера и возможность в связи с этим расположения большего количества шпонок без снижения несущей способности деревянных элементов на скалывание.

Для соединения элементов деревянных конструкций под различными углами в узлах ставят круглые центровые шпонки. Характерная особенность всех центровых шпонок — наличие в центре отверстия для стяжного болта. Отверстие для этого болта в соединяемом элементе можно использовать при нарезке круглых или кольцевых гнезд в каждом элементе порознь. На рис. IV.12 показано развитие центровых шпонок и их переход к шайбам шпоночного типа. Центровые односторонние шайбы шпо-

Рис. IV.12. Развитие соединений на центровых шпонках

а — дисковых деревянных; б — тарельчатых чугунных; в — гладкокольцевых| г — зубчатокольцевых

ночного типа воспринимают усилия от центрального болта и рассредоточенно передают их на деревянный элемент.

В определенный период времени наблюдался спад интереса к применению шпонок. Это объяснялось главным образом тем, что при их применении для соединения деревянных элементов цельного сечения, из-за устройства гнезд под шпонки сильно ослаблялось поперечное сечение. Появление клееных деревянных элементов расширило возможности применения и создания большепролетных деревянных конструкций. Одновременно с этим возникла необходимость устройства соединения клееных элементов для увеличения их длины, а нередко поперечного сечения, так как при больших пролетах бывает экономичнее делать сечение из нескольких клееных элементов, соединенных между собой на механических связях. При этом ослабление поперечного сечения в соединениях клееных элементов составляет не столь ощутимую долю от всего поперечного сечения.

Наибольшее распространение в современных деревянных клееных конструкциях за рубежом нашли шайбы шпоночного и нагельного типов.

Из центровых шайб наиболее технологичными и надежными для сборных узловых соединений элементов деревянных конструкций являются зубчатые и когтевые шпонки. Они получаются из листовой стали штамповкой

Рис. IV.13. Виды кольцевых и зубчатых шпонок

а — когтевая Леннова; б — двусторонняя кольцевая типа Аппель; в — то же, односторонняя; г — тарельчатая типа Христов; д — когтевая системы Фрис н Нильсона; е — двусторонняя зубчато-кольцевая Котова; ж — двусторонняя зубчатая типа Гека; з— то же, односторонняя; и — двусторонняя кольцевая типа Аллигатор

на специальных прессах. Зубчатые шпонки могут иметь зубья или когти с одной или двух сторон. Односторонние зубчатые шпонки применяют обычно для устройства сборно-разборных соединений или для прикрепления деревянных элементов к металлическим. В нашей стране проф. В. Г. Ленновым были предложены штампованные когтевые шайбы (рис. IV.13, а) . Этот тип зубчатых шпонок нашел применение и дальнейшее развитие в зарубежной практике строительства.

Соединения на зубчатых шпонках характеризуются высокой несущей способностью и вязкостью. Зубчатые шпонки вдавливают в тело древесины ударным способом или специальными зажимами. К недостаткам соединений на зубчатых шпонках относится образование трещин в сопрягаемых элементах, а также уменьшение несущей способности из-за неравномерности запрессовки шпонок в многорядовых соединениях. Вследствие этого количество зубчатых шпонок в одном ряду ограничивается десятью.

Основные формы и виды шайб шпоночного типа современных деревянных конструкций показаны на рис. IV.13. В табл. IV.3 даны их основные характеристики. При сплачивании клееных деревянных элементов с помощью шайб шпоночного типа они могут иметь прямую расстановку или располагаться в шахматном порядке с шагом пропорционально диаметру шпонок (см. табл. IV.3).

Металлические шпонки, расположенные внутри деревянных элементов, не требуют в обычных условиях антикоррозионной защиты. При использовании шпоночных соединений в условиях повышенной химической агрессивности окружающей среды применяют антикоррозионное покрытие металлических шпонок, чаще оцинкование,

Соединения на нагелях

Нагели являются одним из наиболее широко применяющихся до настоящего времени механических рабочих связей. Нагелем называется гибкий стержень, который соединяет элементы деревянных конструкций и препятствует их взаимному сдвигу, а сам в основном работает на изгиб.

Работу нагеля можно рассмотреть на примере соединения двух сдвигаемых элементов (рис. IV. 14). Силы,

" Таблица IV.3. Основные технические характеристики шайб шпоночного типа

ОО

Размеры шайб, мм

Наименьшие

Наименьшее расстояние

Тип шайб (шпонок)

Диаметр

ПлощаДь

Диаметр

размеры

Несущая

высо-

толщина

ослабления, см2

болта,

соединяемых элементов,

между шайбами

способность шайбы. кН

^ш

t

см

по осям, см

1

2

3

4

5

6

7

8

9

80

15,3

2

8

20

5X10

16

9,6

Когтевая Леннова

100

120

18,7

22

2

2

12

18

20

24

6X13

7,5X15

20

24

15

21,6

150

27

2,5

28

24

9X18

30

33,8

Двусторонняя и односторон-

65

30

5

7,8

12

4X10

14

11,5

няя (для присоединения ме-

80

30

6

10,1

12

5X11 ■

18

14

таллических пластин) системы

95

30

6

12,3

12

6X12

22

17

«Аппель»

126

30

6

17

12

6X16

25

20

128

45

8

25,9

12

6X20

30

28

Тарельчатые системы «Христо-

60

20

4,5

4,7

12

4X10

16

12,5

фа и Унмака»

80

25

5

8,4

12

5X11

21

16,0

100

30

5

13,1

12

6X13

24

20.0

120

35

5

18,8

12

6X16

27

23,0

Двусторонняя зубчато-коль-

90

30

6,5

9,7

12

6X14

20

14,5

девая системы «Фреерс и .

130

40

8

19,8

12

8X20

25

22,0

Нильсон»

155

45

10

27,6

16

10X20

32

31,50

Двусторонняя

системы

Котова

120

30

3

18

20

6X15

18

140

30

3

21

22

6X18

28

21

160

30

3

24

27

6X20

32

24

180

30

3

27

27

7,5X22

36

27

200

30

3

30

30

7,5X24

40

30

220

30

3

33

30

8X26

44

33

Двусторонняя

системы

«Гека»

50

27

3

2,8

12

4X10

12

8

65

27

3

3,6

16

4X11

14

11,5

80

27

3

4,6

20

5X13

17

17

95

27

3

5,6

24

6X14

20

21

115

27

3

7

32

6X17

23

27

Односторонняя

системы

«Гека»

50

15

3

3,4

12

4X10

12

8

65

15

3

4,5

16

4X11

14

11,5

80

15

3

5,5

20

5X13

17

17

95

15

3

6,9

22

6X14

20

21

115

15

3

8,6

24

6X17

23

27

Двусторонняя

системы

«Алли-

55

19

1,45

2

12

4X10

12

6

гатор»

70

19

1,45

2,6

16

5X12

14

8

95

24

1,5

4,5

20

6X14

17

12

115

24

1,5

5,6

22

8X18

20

16

125

29

1,65

7,3

24

8X19

23

18

to

Рис. IV. 14. Схема работы нагеля

а — первоначальное положение; б — поворот; в —деформированный нагель; г — эпюры сминающих упругопластнческих напряжений древесины; Т — сдвигающее усилие; Ть Т2 — равнодействующие сминающих напряжений древесины

сдвигающие сплачиваемые элементы, стремятся опрокинуть нагель. Под действием этих сил нагель после некоторого поворота, обусловленного неплотностями и обмя- тием древесины, упирается в нее сначала по краям элементов, а затем начинает изгибаться. При изгибе нагеля увеличивается поверхность его контакта с древесиной, что вызывает появление в ней неравномерных напряжений смятия по всей длине нагеля (рис. IV. 14, s). Напряжения смятия древесины нагелем имеют разные знаки, и их равнодействующие образуют две пары взаимно уравновешенных продольных сил (рис. IV. 14, г), препятствующих повороту нагеля. По условию равновесия нагеля моменты этих пар равны: Т1е1 = Т2е2 или Т1/Г2 = = е2/еь

Таким образом, равновесие нагеля в отличие от равновесия шпонки обеспечивается только продольными силами, параллельными направлению сдвига соединяемых элементов. В нагельных соединениях отсутствуют поперечные силы, образующие распор, для восприятия которых в шпоночных соединениях приходится ставить растянутые связи.

Цилиндрические нагели изготовляют в виде гладких стержней круглого сечения из стали, металлических сплавов, твердых пород древесины и из пластмасс. По характеру своей работы в соединениях сдвигаемых элементов к цилиндрическим нагелям относятся также болты, гвозди, глухари (винты большого диаметра с шестигранной или четырехгранной головкой) и шурупы (рис. IV. 15). Цилиндрические нагели устанавливают в пред-

8)<ШШС=^4<штсз5и) CSSSSSSSSSSSS.ДП11) 4ШШШШШШ=Ц8)<ШШС=^4<штсз5и) CSSSSSSSSSSSS.ДП11) 4ШШШШШШ=ЦРис. IV.16. Узловые соединения на цилиндрических нагеляхРис. IV.16. Узловые соединения на цилиндрических нагеляха — с прямой расстановкой; б — с кру- говой расстановкойа — с прямой расстановкой; б — с кру- говой расстановкой

8)<ШШС=^

4<штсз5

и) CSSSSSSSSSSSS.ДП1

1) 4ШШШШШШ=Ц

8)<ШШС=^

4<штсз5

и) CSSSSSSSSSSSS.ДП1

1) 4ШШШШШШ=Ц

Рис. IV.16. Узловые соединения на цилиндрических нагелях

Рис. IV.16. Узловые соединения на цилиндрических нагелях

а — с прямой расстановкой; б — с кру- говой расстановкой

а — с прямой расстановкой; б — с кру- говой расстановкой

Рис. 1VJ5. Основные виды ци- линдрических нагелей а—болт с гайкой и круглыми (могут быть также квадратными) шайбами; б — цилиндрический нагель из стали (/), из твердых пород древесины или стеклопластика (2); в—гвоздь; г — шуруп с полукруглой головкой; б—шуруп с плоской головкой; е — глухарь с головкой болта; аде, э—особые виды гвоздей с профильной поверхностью

варительно рассверленные гнезда. Диаметр отверстия для нагеля обычно принимают равным диаметру нагеля. Однако нормами некоторых стран с целью увеличения плотности соединений, особенно при переменной влажности и усушке древесины, предусматривается диаметр отверстия на 0,2—0,5 мм меньше диаметра нагеля. Для шурупов и глухарей необходимо предварительное просверливание отверстия сверлом диаметром меньше диаметра нарезной части шурупов и глухарей. Обычные гвозди изготовляют из гладкой проволоки диаметром до 6 мм и чаще забивают в древесину без предварительного сверления гнезд.

Цилиндрические нагели и болты применяют для сплачивания элементов деревянных конструкций, соединения их по длине (рис. IV. 16, а), а также в узловых примы-

каниях (рис. IV. 16, б). Соединения деревянных элементов на нагелях бывают симметричными и несимметричными. .

На плотность соединений на нагелях значительно влияет совпадение отверстий под нагели в соединяемых элементах. Чтобы получить хорошее совпадение отверстий и достичь максимальной плотности соединения, необходимо сверлить отверстия в предварительно собранном и обжатом пакете. Для обжатия соединений ставят стяжные болты в количестве около 25 % общего числа нагелей. Если стяжные болты сделаны из того же материала, что и нагели, то их включают в расчетное количество нагелей.

В растянутых стыках по ширине элемента следует ставить только четное количество продольных рядов нагелей. Это требование объясняется тем, что при нечетном числе рядов средний оказывается по оси доски в зоне наиболее возможного появления продольных трещин в результате усушки древесины.

По аналогии с соединениями на заклепках в металлических конструкциях каждое пересечение нагеля с рабочим швом называется «срезом». Однако при общности действующих явлений в том и в другом случае работа ■ нагеля в соединениях деревянных элементов значительно отличается от работы заклепки в металлических элементах. Заклепка соединяет тонкие стальные элементы. Отношение длины заклепки к ее диаметру невелико, что характеризует большую относительную жесткость, при которой изгибные напряжения не имеют существенного значения и могут не учитываться. Несущую способность заклепки определяют из расчета на смятие и срез.

В соединениях деревянных элементов отношение длины нагеля к его диаметру значительно больше, поэтому нагель работает как гибкий стержень главным образом на изгиб и неравномерно сминает древесину в гнезде. Напряжения среза в нагеле не учитываются в расчете, поскольку срезать деревянным элементом нагель, даже деревянный, не говоря уже о стальном, нельзя. Термин «срез» употребляется для характеристики соединения по количеству плоскостей относительного сдвига между соединяемыми элементами, которые пересекаются нагелями. В зависимости от расположения срезов по отношению к осям действия сил различают симметричные и несимметричные соединения (рис. IV.17),

Рис. IV.17. Соединения на цилиндрических нагелях деревянных растянутых элементов

а — симметричное двухсрезное; б — несимметричное односрезное

Расчет нагельных соединений основан на том положении, что действующее на соединение (связь) усилие не должно превышать расчетной несущей способности соединения (связи) Т. Расчетное количество нагелей принимают не менее двух с диаметром 12—24 мм и определяют по формуле

лн > N/nCyTH, где N — расчетное усилие, действующее в растянутом стыке, Н; «ср — количество срезов нагеля; Тв— наименьшая расчетная несущая способность одного среза нагеля, Н.

Для сплачивания двух или трех брусьев, составленных по высоте, применяют пластинчатые нагели, встав-

Рис. IV.18. Соединения на пластинчатых нагелях а — со сквозными пластинками; б — с глухими пластинками

ляемые в гнезда, прорезаемые цепнодолбежным станком (рис. IV. 18).

Применение дубовых или березовых пластинчатых нагелей допускается для сплачивания брусьев в составных элементах со строительным подъемом, работающих на поперечный изгиб и на сжатие с изгибом. Размеры пластинчатых нагелей и гнезд для них, а также расстановку в сплачиваемых элементах следует принимать по нормам (см. рис. IV. 18). Направление волокон в пластинках должно быть перпендикулярно плоскости сплачивания элементов.

Расчетную несущую способность дубового или березового пластинчатого нагеля с размерами, даваемыми

СНиП П-25-80 в соединяемых элементах из древесины сосны и ели, следует определять по формуле

Т = 0,75 £>пл,

где 6пл — ширина пластинчатого нагеля, см, которую следует брать равной ширине сплачиваемых элементов Ьаа = Ь при сквозных пластинках, 6Пл=0,56 — при глухих.

При применении для сплачивания элементов из других пород древесины следует вводить поправочный коэффициент (табл. 4 СНиП 11-25-80).

Для конструкций, эксплуатируемых в условиях повышенной влажности или температуры и рассчитываемых на действие кратковременных или постоянной и длительной временной нагрузок, расчетную несущую способность пластинчатых нагелей следует умножать на поправочные коэффициенты по табл. 5 и 6 (СНиП П-25-80).

Определение расчетной несущей способности одного «среза» нагеля

Для определения несущей способности одного среза нагеля следует рассмотреть напряженное состояние нагельного соединения. Действующие в соединяемых элементах усилия стремятся сдвинуть их относительно друг друга. Нагель, препятствуя этому, изгибается. Изгиб нагеля зависит от жесткости самого нагеля и смятия древесины нагельного гнезда. Нагель можно рассматривать как балку, лежащую на сплошном упругопластическом основании — древесине нагельного гнезда. Напряжения смятия в древесине по длине нагеля неравномерны. Эта неравномерность тем значительнее, чем меньше жесткость нагеля (рис. IV. 19). Неравномерно также распределение сминающих напряжений по контуру нагельного гнезда (рис. IV. 20). Равнодействующие радиальных напряжений, расположенных выше и ниже продольной оси х—х, направлены под углом к этой оси и, будучи разложены, дают две составляющие — продольную Т и поперечную Q. Продольная составляющая 7=7н+Гв вызывает появление напряжений скалывания по площадкам ы—а и а'—а'. Поперечные составляющие QH и QB стремятся расколоть деревянный элемент по линии б—б. Еще более сложно напряженио-деформированное состояние нагельного соединения деревянных элементов, расположенных под различными углами.

Сложное напряженно-деформированное состояние нагельного соединения характеризуется изгибом нагеля, смятием древесины нагельного гнезда, скалыванием и раскалыванием древесины между нагелями.

Рис. IV.19. Эпюры напряжений древесины нагельного гнезда смятия и изгибающих моментов в нагелеа —при диаметре нагеля 25 мм; б —то же, 12 мм; в —то же, 6 ммРис. IV.19. Эпюры напряжений древесины нагельного гнезда смятия и изгибающих моментов в нагелеа —при диаметре нагеля 25 мм; б —то же, 12 мм; в —то же, 6 ммРис. IV.20. Эпюры радиальных напряжений смятия древесины нагельного гнезда

Рис. IV.19. Эпюры напряжений древесины нагельного гнезда смятия и изгибающих моментов в нагеле

а —при диаметре нагеля 25 мм; б —то же, 12 мм; в —то же, 6 мм

Рис. IV.19. Эпюры напряжений древесины нагельного гнезда смятия и изгибающих моментов в нагеле

а —при диаметре нагеля 25 мм; б —то же, 12 мм; в —то же, 6 мм

Критерием идеального подбора нагеля и шага их расстановки может служить равенство несущих способностей нагеля, определенных из условий изгиба нагеля, смятия древесины в нагельном гнезде, скалывания и раскалывания древесины между нагелями.

Несущая способность нагеля из условий скалывания и раскалывания древесины главным образом зависит от расстановки нагелей. Минимальные расстояния между нагелями назначают таким образом, чтобы несущая способность нагеля по скалыванию и раскалыванию заведомо превышала несущую способность нагеля по его изгибу и смятию древесины нагельного гнезда.

Минимальные расстояния между осями нагелей принято выражать в диаметрах нагеля. Они определяются видом нагелей и толщиной соединяемых элементов. Расстановка нагелей в соединениях может быть прямой или в шахматном порядке (рис. IV. 21). В табл. IV.4 приве

та б л и ц a 1V.4. Минимальные расстояния между нагелями

Расстановка нагелей и измеряемое расстояние

Расстояние Для цилиндрических нагелей

стальных

дубовых

Вдоль волокон: от торца до оси

между осями нагелей

Поперек волокон:

между осями нагелей

>3,5dH

от кромки элемента до

>3dH

^- 2,5^н

оси нагеля

дены рекомендуемые СНиП 11-25-80 минимальные расстояния между цилиндрическими нагелями. При соблюдении расстановки нагелей расчетная несущая способность одного среза нагеля Тм определяется только из условий изгиба нагеля и смятия древесины нагельного гнезда в обоих прилегающих к шву элементах. Теоретически нагель, как уже указывалось, рассматривают как балку, лежащую на упругом или упругопластическом основании, за которое принимают древесину соединяемых элементов. В основу расчета могут быть положены различные теоретические предпосылки, характеризующие само основание, режимы нагружения, особенности деформирования во времени и другие факторы. Однако расчет нагеля сложнее, чем расчет балки, лежащей на сплошном основании. Сложность задачи состоит в следующем:

основание, на которое опирается нагель, разделено на части, например, в симметричном двухсрезном соединении имеются две крайние и одна средняя часть;

действующее усилие приложено к деревянным элементам соединения и передается на нагель в виде напряжений смятия нагельного гнезда; -

эпюра давления по длине нагеля неравномерна и зависит от толщины элементов и диаметра нагеля.

Другим более удобным для инженерных расчетов методом определения несущей способности нагеля является экспериментально-теоретический метод. В этом случае эпюры напряжений смятия задают по толщине элементов. Нагель также рассматривают в виде стержня, работающего в упругопластической среде, а соединения расчленяются на три основные схемы: для несимметричной односрезной, схемы для кососимметричной двух- срезиой и симметричной двухсрезной (рис. IV.22). Оии могут быть выражены одной обобщенной схемой (рис. IV, 22, г), которая при изменении соотношений между силами Тх и Г2 и моментами Л(ш1 и Мш2 в пределах от + 1 до —1 охватывает все основные и промежуточные схемы. Так, например, при 7'1 = 0 и МШ1 = 0 получим схему для односрезного или крайних элементов двухсрезных соединений; при Тх =—Т2 и .Мш1 =—Мш2 получим схему среднего элемента кососимметричного соединения; при ТХ = Т2 и Л41п1=^ш2 — схему среднего элемента симметричного соединения.

d)d)РемРемРис. IV.22. Основные схемы нагельных соединений

d)

d)

Рем

Рем

а — несимметричная односрезная; б —• несимметричная двухсрезная; в — енм^ метричная двухсрезная; г —обобщенная схема нагельного соединения

5**Рис. IV.23. Диаграмма деформи-

с“рования идеально упругопластиче

ского материала

При разработке этого метода (автор—д-р техн, наук В, М. Коченов) для упрощения расчета были введены следующие предпосылки:

принята диаграмма деформирования идеального

для древесины расчетнодля древесины расчетноРис. 1V.24. Эпюры напряжений смятия при дп/6уп = 2

для древесины расчетно

для древесины расчетно

упругопластического материала (рис. IV.23) для смятия древесины -и для изгиба нагеля;

в пределах пластическо

го участка напряжения остаются постоянными, равными

му сопротивлению смятию, и для нагеля расчетному сопротивлению изгибу, что для стали приравнивается

пределу текучести;

несущую способность нагеля определяют не разрушением соединения, а расчетной предельной деформацией;

расчетную предельную деформацию ограничивают отношением полной деформации к упругой (рис. IV.24), которое принимают 6п/6уп=2;

ось нагеля принимают прямолинейной до образо

вания в нем пластического шарнира.

На основании перечисленных предпосылок и основных расчетных схем были приняты прямолинейные эпюры напряжений смятию. Так, например, если 6п/6уп = 1, то пластическая зона деформирования не образуется и краевое напряжение смятию будет равно RCM. При 6П/ /буп=2 зона смятия со стороны более напряженной кромки будет иметь две равные части — упругую с напряжениями, равными от 0 до RCM, и пластическую с постоянными напряжениями, равными RCM (рис. IV.24).

Принятые эпюры напряжений смятию дают возможность построить графики, координатами которых являются относительная несущая способность T/^adR), M/(a?dR}, относительный эксцентриситет т = М/^Та^ и другие относительные величины.

Соединение в одну общую задачу отдельных решений для двух соседних элементов выполняют графически. При этом используют равенство углов наклона упругой линии нагеля в соседних элементах около шва.'

Расчетные формулы из условий изгиба нагеля в общем виде имеют вид:

полная несущая способность Тн=Ки<1н V RnRw',

в некоторых случаях характер эпюры моментов по длине нагеля зависит от толщины элементов. При уве-

личеиии толщины или, что то же самое, длины нагеля максимальный момент уменьшается (см. рис. IV. 19), что позволяет увеличить несущую способность. При этом TB = kBdB V ^и^см-Н^зЯ2-

Расчетные формулы из условия смятия элементов, примыкающих к шву: _

Гн = ^«dH^CM;

гн = VdH/?CM,

где кя, kit к2, k3—коэффициенты; а — толщина крайнего элемента, см; с — толщина среднего элемента, см; dB— диаметр нагеля, см; Кем — расчетное сопротивление смятию древесины нагельного гнезда, Па (условно принимают постоянным при всех диаметрах нагеля); RB— условное сопротивление нагеля изгибу;

йи = ^пред/^н>

где №я = лг(3/32,/?и получается больше, чем, например, предел текучести стали, так как при таком условном расчете учитывается пластическая работа нагеля.

Округляя результаты графического решения и вводя расчетные сопротивления древесины смятию и нагеля изгибу, получим формулы для определения несущей способности одного среза различных видов нагелей (табл. IV.5). Формулы отличаются только значениями коэффициентов, равных произведению ки VRhRcm", ^i^?cm; kaR™.

В формулах, приведенных в табл. IV.5, коэффициент ка учитывает уменьшение несущей способности нагеля при действии усилия под углом а к направлению волокон древесины. Коэффициент ka зависит не только от угла между направлением действия силы и направлением волокон древесины, но и от диаметра нагеля. Чем меньше диаметр нагеля, тем сильнее сопротивление смятию древесины нагельного гнезда. На рис. IV.25 приведены кривые, показывающие эту зависимость. При диаметрах нагеля, равных или меньших 6 мм, снижения сопротивления смятию не наблюдается и £« = 1.

В результате исследований (П. А. Дмитриев, Ю. Д. Стрижаков) соединений деревянных элементов на нагелях из стеклопластика АГ-4С были получены расчетные сопротивления древесины смятию. Кроме того установлены: значение коэффициента ки для определения несущей способности нагеля из условия изгиба при длительном действии нагрузки с учетом ограничения деформаций; значения коэффициентов к\, кч.

Таблица IV.S. Формулы для определения расчетной несущей способности Т„ одного среза цилиндрического нагеля, кН

Напряженное состояние соединения

Гвоздь

Нагель из стали €38/23

Нагель из алюминиевого сплава Д16-Т

Нагель из стеклопластика типа АГ-4С

Дубовый нагель

1

2

3

4

5

6

Изгиб нагеля в симметричных и несимметричных соединениях

2,5d= + + 0,01д2, не более 4da

(l,8d2+0,02a2)X хК^, не более , 2,5^К^

(1,6^+0,02дг)Х Х]/ kg^t не более 2,2d2K^

(1,45^2-4-0,02а2) X Хр^ ^а» не более l,8d2/^

(0,45da+0,02a2)X хК ка, не более 0,65d2K^

Смятие крайнего элемента в симметричных соединениях илн более тонкого элемента в несимметричных соединениях

0,8ad

0,Sadko

0,8от№а

0,8adAa

0,5adfea

Смятие среднего элемента в симметричных соединениях

0,5cd

0,5cdka

0,5cd6a

O,5cdAa

0,Scdho

J 73

Напряженное состояние соединения

ГвозДь

Нагель из стали

С38/23

Нагель нз алюминиевого сплава

Д16-Т

Нагель из стеклопластика типа АГ-4С

Дубовый нагель

1

2

3

4

5

6

Смятие более толстого или равных по толщине элементов в несимметричных соединениях

0,35cd

0,35cdfc«

0,35с<№а

0,35cdfyx

0,2cdfea

Смятие более толстых средних элементов в двухсрезных симметричных соединениях

0,25cd

0,25cd^a

0,25л^а

O,25cdAa

0,14cd#a

Продолжение табл. IV.5

Примечание. Размеры крайних и средних элементов а н с, а также диаметр нагеля d формулы в см. Расчетную несущую способность одного среза стального нагеля для соединения накладок с деревянными элементами принимают по максимальному значению 2,5d2 V&« •

подставляют в металлическихподставляют в металлических

подставляют в металлических

подставляют в металлических

Рис. IV.25. Коэффициенты ka снижения расчетного усилия нагеля для соединений на стальных цилиндрических нагелях при направлении действия силы под углом а к направлению волокон древесины

Следует отметить, что формулы (см. табл. IV.5) для определения несущей способности одного среза нагеля из стеклопластика типаАГ-4С получены при следующих условиях:

расчетное сопротивление смятию вдоль волокон при всех диаметрах нагеля Rc«= ГО МПа;

сопротивление изгибу нагеля из стеклопластика АГ- 4СЯи = 318 МПа;

принят минимальный коэффициент при угле смятия а = 0°; £и= 0,264.

В связи с обнаруженным явлением разрушения нагеля от скалывания при его изгибе следует ограничить

Аи ^ Reni"V"RhRcm ,

где Rck — расчетное сопротивление стеклопластика АГ-4С скалыванию при изгибе, Па.

Особенности работы гвоздей

Гвозди в соединениях сдвигаемых деревянных элементов работают как нагели. Их обычно забивают в древесину без предварительного просверливания, что обусловливает некоторые особенности их работы. Как указывалось раньше, исследования показали повышенную несущую способность гвоздей, вставленных в предварительно просверленные отверстия (см. табл. IV.1). Однако в этом случае гвозди принято называть тонкими нагелями и их расчет полностью совпадает с расчетом нагелей.

Диаметр гвоздей, забиваемых в цельную древесину, не превышает 6 мм и поэтому их несущая способность не зависит от угла между направлением действия силы и направлением волокон (см. рис. IV.25). В связи с этим Для гвоздей коэффициент уменьшения несущей способ-

Рис. IV.26. Определение глубины защемления гвоздя

иости fea не вводят в формулы определения несущей способности (табл. IV.5).

При определении расчетной длины защемления конца гвоздя в последней непробиваемой насквозь доске не следует учитывать часть длиной 1,5 dra (рнс. IV.26). Кроме того, из длины гвоздя при определении длины его защемления следует вычитать по 2 мм на каждый шов между соединяемыми элементами. Если расчетная длина защемления конца гвоздя получается меньше 4с/гв, то его работу в примыкающем к шву элементе учитывать не следует. Диаметр гвоздей принимать не более 0,25 толщины пробиваемого элемента. Если последняя доска пробивается гвоздем насквозь, то, учитывая отщеп ее нижнего слоя, рабочая толщина доски уменьшается па 1,5 d^B-

Заостренный конец гвоздя, проникая в древесину, раздвигает ее волокна в сторону, в результате чего происходит уплотнение древесины около гвоздя, что увеличивает опасность раскалывания древесины. Уменьшить эту опасность можно относительно более редкой расстановкой забиваемых гвоздей по сравнению с нагелями.

Минимальные расстояния между осями гвоздей вдоль волокон древесины следует принимать не менее Si = = 15drB при толщине пробиваемого элемента c^lOtZrB; SI=25drB при толщине пробиваемого элемента c=4d. Для промежуточных значений толщины элемента наименьшее расстояние следует определять по интерполяции.

Для элементов, не пробиваемых гвоздями насквозь, расстояние между осями гвоздей следует принимать не-

зависимо от их толщины Si^l5d. Расстояние вдоль волокон древесины от оси гвоздя до торца элемента во всех случаях надо брать не менее Si = 15d. Расстояние между осями гвоздей поперек волокон древесины при прямой расстановке гвоздей принимают не менее S2=4d; при шахматной расстановке или расстановке их косыми рядами это расстояние может быть уменьшено до S2 = 3d, а расстояние от продольной .кромки до оси гвоздя 4d.

Гвозди образуют более плотные соединения, чем нагели. Недостатком гвоздевых соединений является заметная ползучесть при длительно действующих нагрузках. Для увеличения плотности соединений, особенно в случаях прикрепления стальных накладок к деревянным элементам, нашли применение особые гвозди с негладкой поверхностью (см. рис. IV. 15), забиваемые в древесину пневматическими молотками.

Нагельные соединения со вставками в узлах

- Описанные выше соединения осуществлялись с механическими рабочими связями непосредственным примыканием соединяемых деревянных элементов.

Когда в узлах действуют большие усилия илн соединяются несколько элементов, обеспечить передачу усилий через контактные поверхности всех сопрягаемых элементов сложно. В таких случаях целесообразно использовать различные вставки в виде узловых пластин, которые увеличивают площадь узла и одновременно создают многосрезность рабочих сязей. В качестве узловых вставок чаще всего применяют пластинки из стали и фанеры.

Пластинки могут располагаться снаружи (накладки) и присоединяться снаружи к древесине соединяемых элементов с помощью односрезных нагелей или располагаться внутри деревянного элемента (прокладки) в специальных разрезах с тем, чтобы рабочие связи могли работать как миогосрезиые (рис.IV.27) нагели.

Соединения с накладками и прокладками на болтах или глухих цилиндрических нагелях допускаются в тех случаях, когда обеспечена необходимая плотность постановки нагелей. Глухие стальные цилиндрические нагели должны иметь заглубление не менее 5 диаметров нагеля.

Рис. IV.27. Нагельные соединения тинках с — с накладками; б — с прокладкамиРис. IV.27. Нагельные соединения тинках с — с накладками; б — с прокладкамина толстых (более 5 мм) плас-на толстых (более 5 мм) плас-

Рис. IV.27. Нагельные соединения тинках с — с накладками; б — с прокладками

Рис. IV.27. Нагельные соединения тинках с — с накладками; б — с прокладками

на толстых (более 5 мм) плас-

на толстых (более 5 мм) плас-

Рис. IV.28. Соединения деревянных элементов на тонких пластинках системы «Грейм»

а —с трапециевидными пластинками; б—с треугольными пластинками

Передача усилий от одного деревянного элемента другому происходит последовательно через нагели, пластинку и нагели другого деревянного элемента. Сечение пластинок назначают из расчета на растяжение по ослабленному сечению и обеспечения прочности на смятие в гнезде под нагелем, В нагельных соединениях обычно

применяют стальные пластинки толщиной ие менее 5 мм.

Отверстия-гнезда для нагелей сверлят как правило одновременно в дереве и в пластинке. При этом если прокладки стальные, первый раз делают отверстие сверлом с диаметром, соответствующим гнезду нагеля в деревянном элементе (на 0,2—0,5 мм меньше диаметра нагеля), затем металлическую пластинку вынимают из разреза и отверстия в ней рассверливают до размера диаметра нагеля.

Технология изготовления этих соединений относительно трудоемка, но оправдана тем, что при размещении металлических элементов внутри древесины (концы нагеля и болтов оставляют ниже поверхности элемента па 2 см и заклеивают сверху деревянной вставкой) повышается огнестойкость деревянных конструкций и их стойкость к действию химически агрессивных ред. Как правило, нагельные соединения со стальными прокладками применяют в узлах клееных элементов большого сечения.

Намного проще изготовление соединений на узловых пластинках толщиной не более 2 мм, которые без предварительного просверливания могут быть пробиты насквозь гвоздями. К таким соединениям относится система «Грейм» (рис. IV.28). Здесь в тонкие прорези вставляют металлические пластинки толщиной 1 —1,75 мм и пробивают насквозь гвоздями. Пластинка, находящаяся в разрезе внутри деревянного элемента, при восприятии узловых сжимающих усилий работает на продольный изгиб со свободной длиной, равной расстоянию между рабочими связями, которые скрепляют пластинки с деревянным элементом. Чтобы предупредить выпучивание пластинки, необходимо обеспечить ее плотное прилегание к боковым граням разреза и установить рабочие связи с шагом, при котором не происходит выпучивания пластинки.

Нагельные соединения со стальными накладками и прокладками следует рассматривать также как и обычные нагельные соединения деревянных элементов, определяя несущую способность нагелей из условия изгиба нагеля и смятия древесины в нагельном гнезде. При этом в расчете из условия изгиба следует принимать наибольшее значение несущей способности нагеля. Стальные накладки. и прокладки надо проверять иа растяжение по ослабленному сечению и на смятие под нагелем.

Рис. IV.29. Соединения на фанерных накладкахРис. IV.29. Соединения на фанерных накладках

Рис. IV.29. Соединения на фанерных накладках

Рис. IV.29. Соединения на фанерных накладках

Рис. IV.30. Соединения на нагельных пластинках системы «Мениг»

Узловые пластинки можно изготовлять и из других, в частности, слоистых материалов. Наибольшее распространение получили соединения деревянных элементов на пластинках из бакелизированной фанеры.

Их преимущественно применяют для связевых и других соединений, которые изготовляют непосредственно на строительной площадке. Соединения на фанерных накладках и прокладках осуществляют на цилиндрических нагелях из твердых пород древесины, стали и др., на гвоздях или шурупах. Если фанерные пластинки располагаются снаружи деревянных элементов, то они присоединяются односрезными нагелями (рис. IV.29). Возможны также многосрезные соединения, если пластинки

устанавливают в прорези в деревянных элементах или между их отдельными ветвями.

Клеем на основе синтетических смол обрабатывают кромки фанерных листов. Толщину их выбирают в зависимости от диаметра нагеля и из условий работы фанеры на смятие в гнезде.

Последние располагают обычно так, чтобы направление волокон наружных слоев фанеры совпадало с направлением волокон соединяемого элемента, в котором действуют большие усилия, или этот угол составлял 45°. Следует отметить недостаточную изученность вопроса применения фанерных узловых пластинок.

Развитие нагельных соединений с пластинками в узлах привело к появлению нагельных пластин. Одними из первых стали применяться для узловых соединений конструкций с одной или двумя ветвями нагельные пластинки системы «Мениг» (рис. IV.30). Пластинки этой системы изготовляют из пенопласта толщиной 3 мм и слоя синтетической смолы, усиленной стекловолокном толщиной 2 мм. В этой пластинке закреплены сквозные обоюдоострые нагели диаметром от 1,6 мм и длиной по, каждую сторону пластинки от 25 мм и более. Толщина соединяемых деревянных элементов может достигать 80 мм.

Нагельные пластинки устанавливают между соединяемыми деревянными элементами. При запрессовке слой пенопласта сжимается и служит контролем для равномерной запрессовки нагелей в оба соединяемых элемента.

По своей работе соединения на нагельных пластинках могут быть сравнены с работой гвоздевых соединений. Несущая способность соединений на пластинках типа «Мениг» составляет 0,75—1,5 Н на 1 мм2 контактной поверхности.

В нашей стране ведутся иаучно-иссследовательские работы по созданию соединений брусчатых деревянных элементов большого сечения на нагельных пластинках большой несущей способности. Нагельные пластинки этого типа представляют собой металлические пластины с прикрепленными нагелями диаметром 3—4 мм. Нагели могут быть сквозными, запрессованными в отверстиях пластинки, или состоять из двух половин, прикрепляемых к обеим сторонам пластинки точечной сваркой.

Применение соединений на нагельных пластинах требует тщательности изготовления, отбора материала и запрессовки в специальных гидравлических прессах при строгом контроле качества.

Соединения на металлических зубчатых пластинках (МЗП)

Для узловых соединений дощатых элементов в последнее время нашли применение металлические зубчатые пластинки (МЗП). Наибольшее распространение в зарубежной практике строительства получили МЗП системы «Ганг-Нейл» (рис. IV.31).

МЗП представляет собой стальные пластинки толщиной 1—2 мм, на одной стороне которых после штамповки на специальных прессах получаются зубья различной формы и длины. МЗП ставят попарно по обе стороны соединяемых элементов таким образом, чтобы ряды МЗП располагались в направлении волокон присоединяемого деревянного элемента, в котором действуют наибольшие усилия.

В нашей стране применяют соединения на металлических зубчатых пластинках типа МЗП-1,2 и МЗП-2 (рис. IV.31,6). В ЦНИИСК им. В. А. Кучеренко разработаны «Рекомендации по проектированию и изготовлению дощатых конструкций с соединениями на металлических зубчатых пластинках», согласно которым такие конструкции следует применять в зданиях V степени огнестойкости без подвесного подъемно - транспортного оборудования с температурно-влажностными условиями эксплуатации Al, А2, Б1 и Б2 (см. табл. Ш.З).

Изготовление конструкций должно производиться на специализированных предприятиях или в деревообрабатывающих цехах, оснащенных оборудованием для сборки конструкций, запрессовки МЗП и контрольных испытаний конструкций. Ручная запрессовка МЗП недопустима.

Несущую способность деревянных конструкций на МЗП определяют по условиям смятия древесины в гнездах и изгиба зубьев пластин, а также по условиям прочности пластин при работе на растяжение, сжатие и срез.

Материалом для изготовления конструкций-служит древесина сосны и ели шириной 100—200 мм, толщиной 40—60 мм. Качество древесины должно удовлетворять 182

Рис. IV.31. Соединения на металлических зубчатых пластинках (МЗП) а—металлические зубчатые пластинки (МЗП) системы «Ганг-Нейл»; б—узел дощатой фермы на МЗП; в — МЗП-1,2; г,— МЗП-2

требованиям СНиП 11-25-80, предъявляемым к материалам деревянных конструкций.

МЗП рекомендуется изготовлять из листовой углеродистой стали марок 08кп или Юкп по ГОСТ 1050—74 (с изм.) толщиной 1,2 и 2 мм. Антикоррозионную защиту МЗП выполняют оцинковкой по ГОСТ 14623—69 или покрытиями на основе алюминия в соответствии с рекомендациями по антикоррозионной защите стальных закладных деталей и сварных соединений сборных железобетонных и бетонных конструкций. В табл. IV.6

приведены основные расчетные характеристики соединений на металлических зубчатых пластинках типа МЗП- 1,2 и МЗП-2.

Деревянные конструкции на соединениях с МЗП рассчитывают на усилия, возникающие в период эксплуатации зданий от постоянных и временных нагрузок, а также на усилия, возникающие при транспортировке и монтаже. Сквозные конструкции рассчитывают с учетом неразрезности поясов и в предположении шарнирного крепления к ним элементов решетки.

Несущая способность соединения иа МЗП Л/с, кН, по условиям смятия древесины и изгиба зубьев при растяжении, сдвиге и сжатии, когда элементы воспринимают усилия под углом к волокнам древесины, определяют по формуле

NC = 2RF^

где R — расчетная несущая способность на 1 см1 рабочей площади соединения, вычисляемая по табл. IV.6; Др—расчетная площадь поверхности МЗП на стыковом элементе, спределяемая за вычетом площадей участков пластины в виде полос шириной 10 мм, примыкающих к линиям сопряжения элементов и участков пластины, которые находятся за пределами зоны рационального расположения МЗП. Последняя ограничивается линиями, параллельными линии стыка, проходящими по обе стороны от нее на расстоянии половины длины линии стыка.

Учет эксцентриситета приложения усилий к МЗП при расчете опорных узлов треугольных ферм осуществляется снижением расчетной несущей способности соединения умножением на коэффициент гц определяемый в зависимости от уклона верхнего пояса по табл. IV.7. Кроме того проверяют саму пластинку на растяжение и срез.

Несущую способность МЗП Np при растяжении находят по формуле

Np = 2bRp,

где Ь — размер пластины в направлении, перпендикулярном направлению усилия, см; Rp— расчетная несущая способность пластины на растяжение, кН/м, определяемая по табл. IV.8.

Несущую способность МЗП Qcp при срезе определяют по формуле

Qcp = 2/ср/?ср >

где /ср — длина среза сечения пластины без учета ослаблений, см; Rcp — расчетная несущая способность пластины на срез, кН/м, определяемая по табл. IV.8. ' .

Таблица 1V.8. Расчетная несущая способность соединений на МЗП

Обозначение

Напряженное состояние соединения

Характерный угол 9, а, у, град

Расчетная несущая способность соединений с пластинами типа

МЗП-1,2

МЗП-2

1

2

3

4

5

R, МПа, рабочей пло-

Смятие древесины н изгиба

0-15

0,8

0,8

щади соединения

зубьев при углах между направлением волокон и деист-

30

0,7

0,7

вующим усилием р

45

0,6

0,6

60

0,5

0,5

75—90

0,4

0,4

RP, кН/м, ширины ра-

Растяжение пластины при ве-

0—15

115

35

бочего сечеиия лласти-

личине угла между продоль-

45—90

200

65

иы

ной осью пластин и действующим усилием а

Rep, кН/м, длины среза-

Срез пластины при величине

60

35

65

емого сечения пластины

угла между продольной осью

45

50

95

пластины и направлением срезающего усилия у

90

35

65

„ Примечание. Расчетные несущие способности для промежуточных значений р, а, у принимают по ин- $ терполяции.

Таблица IV.9. Коэффициент т], учитывающий снижение несущей способности соединения из-за внецентренного приложения усилия к МЗП в треугольных фермах

Уклон верхнего пояса, град.

0

15

18

22

25

Более

25

Коэффициент

1

0,85

0,8

0,7

0,675

0,65

При совместном действии на пластину усилий среза и растяжения должно выполняться условие

(Л'р/27?р6)2 + (Qcp/2^?cp^cp)s < 1 •

При проектировании конструкций на МЗП следует стремиться к унификации типоразмеров МЗП и сечений пиломатериала в одной конструкции. На обеих сторонах узлового соединения должны располагаться МЗП одного типоразмера. Площадь соединения на каждом элементе (с одной стороны от плоскости соединения) должна быть для конструкций пролетом до 12 м не менее 50 см2, а для конструкций пролетом до 18 м не менее 75 см2. Минимальное расстояние от плоскости соединения элементов должно быть ие менее 60 мм. МЗП следует располагать таким образом, чтобы расстояния от боковых кромок деревянных элементов до крайних зубьев были не менее 10 мм.

Соединения на растянутых связях

К растянутым связям относят гвозди, винты (шурупы и глухари), работающие на выдергивание, скобы, хомуты, стяжные болты и тяжи. Различают связи натяжные и ненатяжные, временные (монтажные) и постоянные. Все виды связей, и особенно постоянные, воспринимающие расчетные усилия, должны быть защищены от коррозии (оцинковкой, покрытием водостойкими лаками и т.п.). Расчет связей на растяжение производят в соответствии с нормами расчета металлических конструкций.

Гвозди сопротивляются ' выдергиванию только усилиями поверхностного трения между ними и древесиной гнезда. Силы трения могут уменьшиться при образовании в древесине трещин, которые снижают силу сжатия гвоздя, поэтому для гвоздей, работающих на выдергива- 186

Рис. IV.32. Растянутый стык деревянных элементов

ние, обязательно соблюдение тех же норм расстановки, которые приняты для гвоздей, работающих как нагели па изгиб.

При статическом приложении нагрузки расчетную несущую способность на выдергивание одного гвоздя, забитого поперек волокон с соблюдением норм расстановки, определяют по формуле

Твыд С /?выд л ^гв^защ >

где Рвыц — расчетное сопротивление выдергиванию на единицу поверхности соприкасания гвоздя с древесиной, которое следует принимать для воздушно-сухой древесины 0,3 МПа, а для сырой, высыхающей в конструкции, —0,1 МПа; drB—диаметр гвоздя, м; 1защ— расчетная длина защемленной, сопротивляющейся выдергиванию части гвоздя м.

В деревянных конструкциях (для временных сооружений) принимают значения ^?Выд, указанные на рис. IV.33. При определении ^выд расчетный диаметр гвоздя принимают не более 5 мм, даже в случае использования гвоздей большей толщины.

Расчетная длина защемления гвоздя ?защ (без учета острия 1,5 drB) должна быть не менее 10 </гв и не менее чем две толщины прибиваемой доски. В свою очередь толщина прибиваемой доски должна быть не менее 4drB.

Шурупы (винты, завинчиваемые отверткой) и глухари (винты диаметром 12—20 см, завинчиваемые ключом) удерживаются в древесине не только силами трения, но и упором винтовой нарезки в прорезаемые ею в древесине винтовые желобки.

Расстановка шурупов и глухарей и размеры просверленных гнезд должны обеспечивать плотный обжим стержня глухаря древесиной без ее раскалывания. Расстояния между осями винтов в продольном направлении должны быть не менее Si = 10 dv, а поперек волокон 52=5з=5</в. Диаметр прилегающей к шву части гнезда

Учитывается d2$ -о, 5 с»Учитывается d2$ -о, 5 с»Рис. IV.33, Учет длины защемления гвоздей, работающих на выдергивание для воздушно-сухой древесины ^выд =0,3—0,4 МПа; для сырой древесины ^ВЫд =2—2,5 МПа

Учитывается d2$ -о, 5 с»

Учитывается d2$ -о, 5 с»

должен точно соответствовать диаметру ненарезной части стержня глухаря. Для надежного упора винтовой нарезки выдергиваемого шурупами глухаря диаметр заглубленной части гнезда по всей длине нарезной части глухаря должен быть на 2—4 мм меньше полного его диаметра.

Если при конструировании можно допустить разреженную расстановку шурупов и глухарей диаметром не более 8—16 мм, то сверлят гнезда уменьшенного на 2— 3 мм диаметра на всю длину защемления.

При соблюдении указанных требований расчетную несущую способность на выдергивание шурупа или глухаря определяют по формуле

Твыд < ^выд Л ^виит^защ'

где Рвыд — расчетное сопротивление выдергиванию неразрезной части шурупа или глухаря, которое для воздушно-сухой древесины принимают ] МПа; <УВиит—наружный диаметр нарезной части, м; Lam — длина нарезной части шурупа или глухаря, м.

Все поправочные коэффициенты к /?выд вводят в соответствии с поправками на сопротивление смятию поперек волокон.

Глухари и шурупы лучше всего использовать для крепления к деревянным брусьям и доскам металлических накладок, хомутов, шайб и т. п. При этом глухари и шурупы заменяют не только нагели, но и стяжные болты. Если с помощью глухарей или шурупов присоединяют деревянные или фанерные элементы, работающие на отрыв, решающее значение приобретает не сопротивление выдергиванию нарезной части, а сопротивление смятию древесины головкой глухаря или шурупа. В таком случае необходимо под головку подкла-

Id*

dji

d/3

ж5/

1шипа=6- 7dCK

Правильно , ,

Рис. IV.34. Правильное и неправильное применение скоб в качестве растянутых вспомогательных связей

дывать металлическую шайбу размером 3,5 ^ВИнтХ X 3,5 ^винтХ^>^5 dвинт-

Скобы (рис. IV.34) из круглой (или квадратной) стали толщиной 10—18 мм применяют в качестве вспомогательных растянутых или фиксирующих связей в сооружениях из круглого леса или брусьев, в мостовых опорах, лесах, бревенчатых фермах и т. п. В дощатых деревянных конструкциях скобы не применяют, так как они раскалывают доски. Скобы как правило забивают концами (шипами) в цельную древесину без сверления гнезд. Несущая способность одной скобы, забитой без сверления, даже при соблюдении увеличенных норм расстановки неопределенна.

Экспериментальные исследования выявили эффективность забивки без сверления скоб из проката крестового профиля dCK=15 мм (t/ен диаметр описанной окружности). При достаточной длине шипа (6—7 dGK) несущая способность таких скоб приблизительно равна несущей способности нагеля из круглой стали диаметром 15 мм.

Хомуты, так же как и скобы, относятся к растянутым связям. Отличительной особенностью хомутов является охватывающее их положение по отношению к соединяемым деревянным элементам. .

Рабочие болты и тяжи, т. е. растянутые металлические элементы, применяют в качестве анкеров, подвесок, растянутых элементов металлодеревянных конструкций, затяжек арочных и сводчатых конструкций и т. п. Все элементы тяжей и рабочих болтов следует проверять расчетом по нормам для стальных конструкций и принимать диаметром не менее 12 мм.

Рис. 1V.35. Простейшие сты* новые соединения тяжей из круглой стали а — складной ненатяжной и неразъемный растянутый стык; б —стяжная муфта для натяж’ лого разборного стыка

При определении несущей способности растянутых стальных черных болтов, ослабленных нарезкой, учитывают уменьшенную площадь Fm и местную концентрацию напряжений ор; поэтому принимают пониженные расчетные сопротивления. Расчетные сопротивления стали в параллельно работающих двойных и более тяжах и болтах снижают умножением на коэффициент 0,85, учитывая неравномерность распределения усилий. В металлических тяжах следует избегать местного ослабления рабочего сечения.

Рабочие болтовые связи и стяжные муфты применяют лишь в тех случаях, когда требуется монтажное или эксплуатационное регулирование их длины. Располагают их в наиболее доступных местах металлодеревянных арок и ферм. Ненатяжное стыковое соединение затяжки из круглой стали, позволяющее транспортировать ее без разборки, показано на рис. IV. 35, а.

Необходимые лишь в редких случаях натяжные сты- - ки затяжек из круглой стали осуществляют с помощью натяжных муфт с разносторонней резьбой. При отсутствии муфт заводского производства можно изготовлять сварные муфты из двух (или лучше из четырех) квадратных гаек левой и правой резьбы, скрепленных на сварке двумя стальными планками (рис. IV.35, б).

Стяжные болты, имеющие преимущественно монтажное значение и не рассчитываемые на восприятие определенного эксплуатационного усилия, применяют почти во всех видах соединений, в том числе в нагельных соединениях и врубках для обеспечения плотного прилегания сплачиваемых досок, брусьев или бревен. Сечение стяжных болтов определяют по монтажным соображе-

Рис. IV.36. Типы клееных стыков а — простой натяжной стык; б — стык со стяжными болтами в опорных уголках; в — стык с обжимными клиньями

Рис. IV.37. Стык с двойным обжимом

ниям; оно должно быть тем больше, чем толще элементы соединяемого узла, т. е. чем больше ожидаемое сопротивление спрямляющему выгибу покоробленных или перекошенных досок или брусьев. В случае разбухания древесины плотно стянутого болтом пакета досок стержень болта подвергается большим продольным растягивающим усилиям. Чтобы избежать при этом разрыва болта по сечению, ослабленному нарезкой, шайбы стяжных болтов назначают с уменьшенной площадью смятия древесины. Безопасное для соединения вмятие шайбы в древесину в случае разбухания должно произойти раньше, чем напряжение стержня болта на разрыв достигнет опасного значения.

Сборно-разборный стык с двойным обжимом для растянутых клееных элементов. Клееные стыки растянутых деревянных элементов были исследованы В. Г. Михайловым в ЦНИИПС (1946—1947 гг). Разрушение стыков происходило от раскалывания при низких напряжениях сдвига по плоскости разрушения. Наивысшее сред-

Рис. IV.38. Влияние поперечного обжима на напряженное состояние по плоскости скалывания

а —нормальные и касательные напряжения при полеречном сжатии; б —то же, при двойном обжатии и сдвиге

нее напряжение сдвига при разрушении, равное 2,4 МПа, было достигнуто в стыке с обжимными клиньями (рис. IV.36, в).

Стык с двойным обжимом (рис. IV.37) перекрывается накладками 1 из полосовой стали, к которым приварены уголки 2. Усилия от растянутых деревянных элементов передаются на стальные накладки через перекрестные болты 3 и 4 и коротыши с нарезкой 5. К стыкуемым элементам приклеивают на концах деревянные накладки 7 со скошенными торцами для упора уголков 6 с таким расчетом, чтобы плоскость скалывания, начинающаяся от уголка, не совпадала с клеевым швом.

Анализ испытаний растянутых стыков показывает, что сила, обжимающая элемент у начала плоскости разрушения при скалывании (рис. IV. 38, а), противодействуя растягивающим напряжениям, одновременно создает дополнительные напряжения сдвига и тем самым увеличивает их концентрацию в опасной зоне. При соз- здании на противоположном конце плоскости скалывания дополнительной силы обжима поперек волокон (как это имеет место в рассматриваемом стыке) напряжения 192

Рис. IV.39.Соединения на

стержнях из арматуры периодического профиля, вклеенных д—в цилиндрические отверстия; б— в профрезерованние вазы ■

сдвига выраниваются, уменьшаются их концентрация и возможность возникновения растягивающих поперек волокон напряжений (рис. IV.38, б).

Стык с двойным обжатием является натяжным

сборно-разборным соединением, создающим начальную плотность и позволяющим поддерживать ее в дальнейшем в условиях эксплуатации (если произойдет некоторая усушка соединяемых элементов). ■

Стык на скалывание по древесине рассчитывают из

условия

l№ > N^bR^.

Среднее значение расчетного сопротивления сдвигу определяют по формуле z г макс

1+P— ’е

где R ™х— определяют по п. 5в; 5г табл. Ш.1; р —0,125; e = 0,25/t.

Соединения на вклеенных стальных стержнях, работающих на выдергивание или продавливание. Применение соединений на вклеенных стержнях из арматуры периодического профиля диаметром 12—25 мм, работающих на выдергивание и продавливание, допускается в условиях эксплуатации конструкций при температуре окружающего воздуха, не превышающей 35 °C.

Предварительно очищенные и обезжиренные стержни вклеивают составами на основе эпоксидных смол в просверленные отверстия или в профрезерованные пазы (рис. IV.39). Диаметры отверстий илн размеры пазов следует принимать на 5 мм больше диаметров вклеиваемых стрежней.

Расчетную несущую способность такого стержня на выдергивание или продавливание вдоль и поперек воло-

кон в растянутых и сжатых стыках элементов деревянных конструкций из сосны и ели следует определять по формуле ■

Т = ^ск л [d + 0,005] lhCK,

где d— диаметр вклеиваемого стержня, м; I — длина заделываемой части стержня, м, которую следует принимать по расчету, но не менее 10d н не более 30d; Ас—коэффициент, учитывающий неравномерность распределения напряжений сдвига в зависимости от длины заделываемой части стержня, который определяют по формуле Ас = 1,2—0,02(//d), Roh — расчетное сопротивление древесины скалыванию.

Расстояние между осями вклеенных стержней, вдоль волокон следует принимать не менее $2 = 3 d, а до наружных граней — не менее S3=2d.

ГЛАВА 4. СОЕДИНЕНИЯ НА КЛЕЯХ

4.1. Требования, предъявляемые к клеям для несущих конструкций

Равнопрочность, монолитность и долговечность клеевых соединений в деревянных конструкциях могут быть достигнуты только применением, водостойких конструкционных клеев. Долговечность и надежность клеевого соединения зависят от устойчивости адгезионных связей, вида клея, его качества, технологии склеивания,эксплуатационных условий и поверхностной обработки досок.

Клеевой шов должен обеспечивать прочность соединения, не уступающую прочности древесины на скалывание вдоль волокон и на растяжение поперек волокон. Прочность клеевого шва, соответствующую прочности древесины на растяжение вдоль волокон, пока еще не удается получить, поэтому в растянутых стыках площадь склеиваемых поверхностей приходится увеличивать примерно в 10 раз косой срезкой торца на ус или на зубчатый шип.

Плотность (беспустотность) контакта клеящего вещества со склеиваемыми поверхностями должна создаваться еще в вязкожидкой фазе конструкционного клея, заполняющего все углубления и шероховатости, благодаря способности смачивать склеиваемую поверхность. Чем

ровнее и чище остроганы склеиваемые поверхности и чем плотнее они прилегают одни к другим, тем полнее монолитность склеивания, тем равномернее и тоньше клеевой шов. Деревянная конструкция, монолитно склеенная из сухих тонких досок, обладает значительными преимуществами перед брусом, вырезанным из цельного бревна, но для реализации этих преимуществ необходимо строгое соблюдение всех условий технологии индустриального производства клееных деревянных конструкций.

После отверждения конструкционного клея от сформировавшегося клеевого шва требуется не только рав- нопрочность и монолитность, но и водостойкость, теплостойкость и биостойкость. При испытаниях разрушение опытных образцов клеевых соединений должно происходить в основном по склеиваемой древесине, а не по клеевому шву (с разрушением внутренних, когезионных связей) и не в пограничном слое между клеевым швом и склеиваемым материалом (с разрушением пограничных, адгезионных связей). .

Виды клеев '

Клеевые содинения применялись давно, главным образом в столярных изделиях. В начале XX в. в Швейцарии, Швеции и Германии стали применять несущие деревянные конструкции, соединенные на казеиновом клее. Некоторые из этих деревянных конструкций, надежно защищенные от увлажнения, сохранились до наших дней. Однако в полной мере удовлетворить требованиям, предъявляемым к соединениям элементов несущих конструкций современных капитальных сооружений, белковые клеи животного и тем более растительного происхождения не могли.

Решающее значение для современного индустриального производства клееных деревянных конструкций на новой технологической базе имеет развитие химии полимерных материалов и производства синтетических клеев. Синтетические полимерные материалы с запланированными свойствами позволяют обеспечить требуемые прочность и долговечность клеевых соединений. Поиск оптимального ассортимента конструкционных клеев и соответствующих режимов поточного производства клееных конструкций продолжается, но уже сейчас имеется

набор синтетических клеев, которые позволяют соединять деревянные строительные детали не только с деревом, но и с синтетическими полимерными материалами и даже с металлическими деталями.

В отличие от казеиновых н других белковых клеев синтетические конструкционные клеи образуют прочный водостойкий ■ клеевой шов в результате реакции полимеризации или поликонденсации. В настоящее время в основном применяют резорциновые, фенольно-резорци- новые, алкилрезорциновые, фенольные клеи. Согласно СНиП 11-25-80, выбор типа клея зависит от температурно-влажностных условий, при которых будут эксплуатироваться клееные конструкции.

Эластичность и вязкость клеевого шва особенно важна при соединении деревянных элементов с металлическими, фанерными, пластмассовыми и другими конструкционными элементами, имеющими температурные, усадочные и упругие характеристики. Однако использование эластичных каучуковых клеев в напряженных соединениях как правило недопустимо из-за недостаточной прочности таких соединений и чрезмерной ползучести их при длительном нагружении.

Чем суше н тоньше склеиваемые доски, тем меньше опасность образования в них трещин..Если усушенное коробление недосушенных досок произойдет еще до отверждения клеевого шва, но после прекращения давления пресса, то склеивание будет необратимо нарушено, хотя возможно, что этот брак обнаружится лишь позднее, когда трещина раскроется по клеевому шву.

Виды соединений на клею

Растянутый стык клееных элементов в заводских условиях изготовляют на зубчатый шип (рис. IV.40, а, б) с уклоном склеиваемых поверхностей зуба примерно 1 : 10. Это унифицированное решение, по прочности не уступающее решению стыка на ус (при том же уклоне), более экономично по затрате древесины и более технологично в производстве; поэтому оно должно полностью заменить при заводском изготовлении все остальные виды стыков.

Зубчатый шип одинаково хорошо работает на растяжение, изгиб, кручение или сжатие. Согласно испытаниям, прочность такого стыка на клее КБ-3 даже на раз-

Рис. IV.40. Нормальное продольное сращивание элементов дощатоклееных ЦК на «зубчатый шип» и фанерных элементов «на ус», осуществляемое в заводских условиях

рыв оказалась не ниже прочности цельного бруска, ослабленного «нормальным» для I категории сучком размером ’А—’/б ширины соответствующей стороны элемента.

На практике рекомендуется использовать наиболее технологичный вариант (рис. IV.40, б) с нарезкой шипов перпендикулярно пласти. Этот вариант применим при любой ширине склеиваемых досок, даже слегка покоробленных (рис. IV.40,в). При стыковании клееных блоков больших сечений приходится применять склеивание холодным (или теплым) способом.

Для сращивания фанерных листов в заводском производстве таким же унифицированным неразборным видом соединения служит стыковое соединение на ус (рис. IV.40, а); его применение в напряженных элементах конструкций требует соблюдения следующих условий: длину уса принимают равной 10—12 толщинам фанеры, а направление волокон наружных шпоиов (рубашек) должно совпадать с направлением действующих усилий. Ослабление обычной фанеры стыком на ус учитывают коэффициентом Косл = 0,6, а бакелизированной фанеры коэффициентом 0,8.

РАЗДЕЛ V. ЭЛЕМЕНТЫ ДЕРЕВЯННЫХ КОНСТРУКЦИЙ СОСТАВНОГО СЕЧЕНИЯ НА ПОДАТЛИВЫХ СВЯЗЯХ

Основы учета податливости связей

Многие деревянные конструкции (балки, арки и рамы) делают составными. Отдельные брусья и доски соединяют с помощью связей, которые могут быть жесткими (клеевые, обеспечивающие монолитность сечения) и податливыми.

Податливостью называется способность связей при деформации конструкций давать возможность соединяемым брусьям или доскам сдвинуться один относительно другого.

Податливость связей ухудшает работу составного элемента по сравнению с таким же элементом цельного сечения. У составного элемента на податливых связях уменьшается несущая способность, увеличивается де- формативность, изменяется характер распределения сдвигающих усилий по его длине, поэтому при расчете и проектировании составных элементов необходимо учитывать податливость связей.

Вопросы учета податливости связей при расчете составных стержней были впервые разработаны в СССР. В этой задаче принято положение об упругой работе материала элементов и связей. Решение задачи может быть приближенным или точным.

В Строительных нормах и правилах проектирования деревянных конструкций приведены расчетные формулы, дающие приближенные решения, получаемые из точных решений рядом упрощений. Эти формулы более удобны и дают результаты, близкие к результатам, получаемым по точным решениям. Ниже приведен принятый метод расчета составных элементов деревянных конструкций на податливых связях.

Расчет на поперечный изгиб

Возьмем три деревянные балки, у которых нагрузки, пролеты и поперечные сечения одинаковы (рис. V.l.a). Пусть нагрузка этих балок равномерно распре-

Pac. V.l. Балки, работающие на поперечный изгиб

Ц —цельного сечения; П — составного сечения на податливых связях; О — составного сечения без связей; а — общий вид балок; б — деформации опор балок под нагрузкой; 6 —прогибы балок под нагрузкой

деленная. Первая балка цельного сечения, т. е. состоит из одного бруса. Назовем эту балку Ц. Момент инерции поперечного сечения балки /ц = Ь/13/12; момент сопротивления Wu=^bk2/6; прогиб f ц = 5q,H/4/384 EJt\.

Вторая балка П составного сечения состоит из двух брусьев, соединенных с помощью податливых связей, например болтов. Моменты инерции и сопротивления ее соответственно будут / пи Wn ; прогиб f п-

Третья балка О составного сечения состоит из таких же двух брусьев, как вторая балка, но здесь связей не поставлено и поэтому оба бруса будут работать самостоятельно. Момент инерции третьей балки Jo =Ыг3/48, что в 4 раза меньше, чем балки цельного сечения. Момент сопротивления Wo =ЬН2П^, что в 2 раза меньше, чем балки цельного сечения. Прогиб fo = 5qV4/384 EJO , что в' 4 раза больше, чем прогиб балки цельного сечения (рис. V. 1,а).

Рассмотрим, что будет происходить на левой опоре балки при деформировании ее под нагрузкой. Левая опора балки цельного сечения повернется на угол ф (рис. V I, 6), а у балки составного сечения без связей кроме поворота на левой опоре произойдет сдвиг 6о верхнего бруса относительно нижнего.

В составной балке на податливых связях сдвигу брусьев будут препятствовать болты, поэтому он здесь меньше, чем в балке без связей. Следовательно, составная балка на податливых связях занимает промежуточное положение между балкой цельного сечения и составной балкой без связей. Поэтому можно написать:

^Ц > ^п > ^о;

ГЦ< ГП < к

Из этих неравенств следует, что геометрические характеристики составной балки на податливых связях Ль Фи можно выразить через геометрические характеристики балки цельного сечения, умноженные на коэффициенты меньше единицы, которые учитывают податливость связей:

•Л = Аж/Ц,

где А® меняется в пределах от 1 до Jq/J^, в частности при двух брусьях Уо Дц =0,25;

где Aw меняется в пределах от 1 до ^о/ИРц, например при двух брусьях 1У0 /№ц =0,5.

Прогиб балки увеличивается соответственно уменьшению момента инерции:

Расчет составной балки на податливых связях сводится, таким образом, к расчету балки цельного сечения с введением коэффициентов, учитывающих податливость связей. Нормальные напряжения определяют по формуле

ои = М/^и^«Ри,(V.1)

где W ц— момент сопротивления составной балки как цельной; Aw — коэффициент, меньший единицы, учитывающий податливость связей.

Прогиб составной балки на податливых связях определяют в общем случае по формуле

?п = №яГ/Е^кж<Гпр,?п = №яГ/Е^кж<Гпр,(V.2)(V.2)

?п = №яГ/Е^кж<Гпр,

?п = №яГ/Е^кж<Гпр,

(V.2)

(V.2)

где /ц — момент сопротивления балки как цельной; &ш— коэффициент, меньший единицы, учитывающий сдвиг, вызванный податливостью связей.

Значения коэффициентов k-w и кж приводятся в СНиП 11-25-80 «Деревянные конструкции. Нормы проектирования».

Количество связей определяют расчетом на сдвигающие усилия. Сдвигающее усилие Г по всей ширине балки, равное тЬ, вычисляют по формуле T—QS/J.

ТТS сиг Tdx = I Qdx =J JoS сиг Tdx = I Qdx =J JoРаспределение сдвигающих усилий по длине аналогично распределению касательных напряжений и показано на рис. V.2 в виде прямой, проходящей под углом к горизонтали. Усилия Т (Н/м) на эпюре являются ординатами. Полное сдвигающее усилие балки на участке от опоры до точки, где Г=0, будет геометрически равно площади треугольника АВС. В нашем случае при равномерно распределенной нагрузке Т=0, если х—//2, и тогда полное сдвигающее усилие, Н

Т

Т

S сиг Tdx = I Qdx =

J Jo

S сиг Tdx = I Qdx =

J Jo

MmaxSJ

В составной балке на податливых связях значение полного сдвигающего усилия Ц^остается постоянным. Однако из-за податливости связей изменится характер

распределения сдвигающих усилий по длине балки. В результате сдвига брусьев треугольная эпюра превратится в криволинейную, близкую к косинусоиде AFC (см. рнс. V.2). Если связи размещать по длине балки равномерно, то каждая связь может воспринять сдвигающее усилие, равное ее несущей способности Тс, а все они должны воспринять полное сдвигающее усилие. Таким образом ncTc = MmaxS/J.

Работа такого количества связей (см. рис. V.2) будет соответствовать прямоугольнику ADEC, т.е. связи, находящиеся около опор, будут перегружены. Следовательно, при расчете количества связей должны быть соблюдены два условия:

число равномерно поставленных связей на участке балки от опоры до сечения с максимальным моментом должно воспринять полное сдвигающее усилие

«с = MmaxS/ JTC; (V .3)

связи, поставленные около опор, не должны быть перегружены.

Для соблюдения второго условия количество связей надо увеличить так, чтобы их работа соответствовала прямоугольной эпюре AFGC. Так как площадь ADEC= =ADl/'2 должна по первому условию быть равна площади AFC« (2/3)4E(Z/2), то ЛО//2= (2/3)4Т(//2), откуда AF = 1,5 AD.

' Связи около опор перегружены в 1,5 раза, поэтому для соблюдения второго условия надо увеличить их число в 1,5 раза. Таким образом, требуемое количество связей на участке балки от опор до сечения с максимальным моментом будет

и |У = 1 > 5/Ищах5/^бр^с • (V.4)

Расчет на продольный изгиб

Расчет составных элементов на податливых связях при продольном изгибе как и при поперечном изгибе может быть сведен к расчету элементов цельного сечения с введением коэффициента, учитывающего податливость связей. Возможные сдвиги в швах при продольном изгибе значительно меньше, чем при поперечном изгибе. При расчете на продольный изгиб напряжения вычисляют ПО формуле Uc—N/фЕрасч^^с-

Усилие N и расчетную площадь элемента Ерасч определяют как н в элементах цельного сечения, а приведенную гибкость (от которой зависит коэффициент продольного изгиба <р) находят по формуле

^П = 'расч/У^ = ^KW =

= 'расчУ^/^ = У У 5к = ^ ц. (V ■ 5)

Коэффициент приведения гибкости, учитывающий податливость связей ^=1/ Vк», всегда больше единицы. Его значение вычисляют по упрощенной формуле, предложенной В. М. Коченовым:

(V.6) V ‘расчПс

где 6С — коэффициент податливости соединений, учитывающий полученный по опытным данным сдвиг связей; его значения принимают по таблице; 6 — ширина составной части поперечного сечения, см; h—полная высота поперечного сечения, см; 4расч— расчетная длина элемента, м; пш — число швов сдвига; пс—число срезов связей в 1 м одного шва, при нескольких швах с различным числом срезов связей принимают среднее число.

При определении Ас диаметр гвоздей принимают не более 1/10 толщины соединяемых элементов. Если размер защемленных концов гвоздей менее 4d, то работу гвоздей не учитывают. Диаметр дубовых цилиндрических нагелей принимают при определении &с не более 1/4 толщины наиболее тонкого из соединяемых элементов.

Расчетные коэффициенты податливости соединений Кс

Вид связи

кс при

центральном сжатий

сжатии с изгибом

Гвозди

1/10^2

1/5Ц2

Стальные цилиндрические нагели: диаметром dc'/7

l/5d2

1/2,5^2

наименьшей толщины а, см, соединяемых элементов

диаметром Ц>*/7, наименьшей тол-

1,5/йД

З/’ad

щииы а, см, соединяемых элементов Дубовые цилиндрические нагели

l/d2

1,5/d2

Примечание. Для клея Ас = 0.

Значение kc Для стальных цилиндрических нагелей принимают по толщине более тонкого из соединяемых элементов.

Выражение для ц получено из точной формулы рядом упрощений и округлений, оказавшихся возможными на основании пробных подсчетов для наиболее часто встречающихся типов деревянных стержней. Точность выражения ц от этих упрощений пострадала. Так, при Ш = 0 получается 2,п =м и, следовательно, ;VKp = 0, что неверно, так как в этом случае остается несущая способность отдельных ветвей, как это и получается из точного выражения ц. В СНиП оговаривается, что приведенная гибкость составного элемента не должна приниматься больше гибкости ветвей, определяемой по формуле

X — /расч/ ’ (V-И

где 2/,— сумма моментов инерции брутто поперечных сечений всех ветвей относительно их осей, параллельных расчетной оси; Но»— площадь сечения элемента брутто; /РаСч—расчетная длина элемента.

В составном элементе с одинаковым закреплением по концам целесообразно ставить четное количество связей. При их нечетном количестве одна связь будет поставлена в середине элемента, где сдвига не происходит, и, следовательно, поставленная связь не будет работать. Это указание относится особенно к составным элементам с малым количеством связей. Рассмотрим встречающиеся на практике основные типы составных стержней (рис. V.3). .

Стержни-пакеты. Все ветви таких стержней оперты по концам и воспринимают сжимающее усилие, а расстояния между связями по длине стержня малы и не превышают семи толщин ветви. Расчет относительно оси х—х, перпендикулярной швам между ветвями, производят как для цельного сечения, так как в этом случае гибкость составного стержня равна гибкости отдельной ветви.

Расчет относительно оси у—у, параллельной швам, выполняют с учетом податливости связей. При малом расстоянии между связями по длине стержня, равном свободной длине ветви /в^7б, можно не учитывать гибкость отдельной ветви, полагая Хь = 0. Коэффициент продольного изгиба ср^ определяют по приведенной гибкости

^п = P^s >

6) I

Рис. V.3. Основные типы составных стержней на податливых связях о — стержни-пакеты, б — стержни с короткими прокладками; в — стержни, часть ветвей которых не оперта по концам ‘

где ц — коэффициент, учитывающий податливость связей, определяется по формуле (1V.6); Ху— гибкость стержня, как элемента цельного сечение.

Стержни с короткими прокладками. Как показывает само название, ветви такого стержня раздвинуты и сое.

динены между собой короткими прокладками. Все ветви воспринимают сжимающее усилие и опираются по концам. Расстояния между связями превышают семикратную толщину ветви.

Расчет относительно оси х—х производят как для стержня цельного сечения без учета прокладок; расчет относительно оси у—у — с учетом податливости связей. Прокладки в расчете не учитывают. Приведенную гибкость определяют по формуле

ч=/ай<<v-8>

где Х^/в/Гв — гибкость отдельной ветви, вычисляемая по длине, равной расстоянию между соседними связями и радиусу инерции ветви Гв относительно своей осн, параллельной осн д—д.

Стержни, часть ветвей которых (сплошные накладки или прокладки) не оперта по концам. В таких стержнях сплошные накладки или прокладки обрываются, не доходя до опоры, и поэтому не могут воспринимать сжимающее усилие. Однако они увеличивают жесткость стержня, так как соединены с основными несущими ветвями связями. Для расчета стержней, часть ветвей которых не оперта по концам, применяют приближенный эмпирический метод, достаточная точность которого подтверждается проведенными испытаниями таких стержней.

Расчет относительно оси х—х производят по гибкости, вычисляемой по формуле

^■х — ^расчД^^х/^ОН*(V.9)

В этой формуле момент инерции 1Х подсчитывают по приближенной формуле

Jx — Дп Д 0’5 ^Н.ОП >(V.10)

где 7ои — момент инерции поперечного сечения опертых ветвей относительно оси х—х; /н.оп — то же, неопертых ветвей; Fo„— площадь только опертых ветвей; 0,5 — коэффициент, учитывающий неполное использование жесткости неопертых ветвей, соединенных с основными ветвями податливыми связями.

При расчете относительно оси у—у гибкость стержня как цельного элемента определяют по формуле

^,у = ^расч/1/< Л//^оп’(V.11)

где /в — момент инерции всех ветвей относительно осн у—у, Fail— площадь только опертых ветвей.

Приведенная гибкость с учетом податливости связи Хп — Н^у •

Численный коэффициент во втором члене формулы для определения момента инерции (V.LO), принятый 0,5, зависит от длины стержня и числа связей и в действительности нередко значительно отклоняется от указанного среднего значения. Более точно расчетный момент инерции может быть вычислен по формуле, предложенной В. Г. Писчиковым;

7 расч = 7ОП 4- 7н.оп/* +(V.12)

Zvi Hq

где fee — принимают по таблице (графа для сжатия с изгибом); «с — число срезов связей, соединяющих по всем швам опертые ветви с неолертыми, на 1 м длины стержня; I — длина стержня, м.

Несущая способность составного стержня, часть ветвей которого не оперта, меньше, чем стержня цельного сечения, так как в основной формуле

tTc — A7qp Fрасч <> ^с значение /•'расч для цельного элемента значительно больше, чем у составного, опирающегося не всеми ветвями.

Расчет сжато-изгибаемых элементов

Метод расчета сжато-изгибаемых элементов составного сечения на податливых связях остается таким же, как и элементов цельного сечения, но в формулах дополнительно учитывается податливость связей.

При расчете в плоскости изгиба составной элемент испытывает сложное сопротивление и податливость связей учитывают дважды:

введением коэффициента к№, такого же как при расчете составных элементов на поперечный изгиб;

вычислением коэффициента g с учетом приведенной гибкости элемента.

Нормальные напряжения определяют по формуле

а = NIF4„ 4- К™ «R(V. 13)

снг * Д' НТ "'

где

/Ид = Mq/§ и § = I—Л"Л73С00Ддр/?с; Хп = цХп.

При вычислении коэффициента р по формуле (V.6) податливость связей ке определяют по таблице (графа «сжатие с изгибом»).

Прогиб в общем виде р р f =< /Пред.(V.14)

При определении количества связей, которое надо поставить на участке от опоры до сечения с максимальным моментом, учитывают возрастание поперечной силы при сжато-изгибаемом элементе

пс = 1,5 Л11пах5/ЛТД.(V.15)

В стержнях с короткими прокладками помимо общего расчета стержня необходима еще проверка наиболее напряженных ветвей как сжато-изгибаемых стержней по формуле

MFyp + Мд/1Гбр < фв/?с , где фв — коэффициент продольного изгиба для отдельной ветви, вычисленной по ее расчетной длине U; fop, U^cd — площадь и момент сопротивления (брутто) поперечного сечения всего стержня; Мд= = М,Д— изгибающий момент от нагрузок, определяемый из расчета по деформированной схеме.

Сжато-изгибаемые элементы рассчитывают из плоскости изгиба приближенно без учета изгибающего момента, т. е. как центрально-сжатые составные стержни и, кроме того, проверяют на устойчивость плоской формы деформирования по формуле (III.39).

РАЗДЕЛУ!. ПЛОСКОСТНЫЕ СПЛОШНЫЕ КОНСТРУКЦИИ С ПРИМЕНЕНИЕМ ДРЕВЕСИНЫ И ПЛАСТМАСС

ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ ФОРМЫ плоскостных СПЛОШНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

К плоскостным сплошным конструкциям, в которых основные усилия возникают в плоскости действия внешних сил и сечения которых не имеют сквозной решетки, относятся:

при пролетах до 6 м — балки, прогоны, стропила, настилы цельного сечения, состоящие из одного элемента (доски или бруса);

при больших пролетах, превышающих сортамент лесоматериалов по длине, или при малых пролетах, но при значительных нагрузках — более сложные составные конструкции из брусьев, досок и фанеры в виде различного типа панелей, балок, арок, рамных и других распорных систем.

Основные схемы плоскостных сплошных деревянных конструкций

Основные схемы плоскостных сплошных конструкций составного сечения заводского и построечного изготовления, характерные для этих конструкций значения пролетов, а также показатели коэффициентов собственного веса (7<с.в) и расхода металла (Хи) приведены в табл. VI.1. Значения Км даны в % собственного веса конструкций.

При выборе вида и типа конструкций следует учитывать назначение здания, вид кровли, объемно-планировочные параметры здания (пролеты, шаг колонн и др.), параметры нагрузок, условия эксплуатации, архитектурные требования, возможности производственной базы и другие факторы. В качестве критерия сравнительной экономической эффективности различных видов и типов конструкций следует принимать минимум приведенных затрат (подробнее см. раздел XII),

^Таблица V1.1. Основные схемы плоскостных сплошных деревянных конструкций

О

Вид и тип конструкций

Схема конструкций

Пролет, м

Показатель

Ксв

^м

1

2

3

4

5

Балки на пластинчатых нагелях (балки Деревягина)

Г'—и 03

и -1sg

j1

4,5—6

7—12

0—2

Балки двутаврового сечения с перекрестной стенкой на гвоздях

|jigg||gygaig^^

6—12

6—10

5—7

Клееные балки двутаврового сечения со стенкой из досок на ребро

Е | "।

3—7

8—10

0—1

Дощатоклееные балки из пакета досок

Валка лостлмй высат

Двускатная Валка

Гндтоклгенм балка

6—18

12—24

12—24

4—6

4—6

4-6

0—1,5

0—1,5

0—1,5

Клеефанерные балки с плоской стенкой

6—15

3—4

0—1

I/

|2

/-/

•11

»|2

Клеефанериые балки с волнистой стенкой

6—9

3—4

0—1

Продолжение табл. VI.I

Внд и тип конструкций

Схема конструкций

Пролет, м

Показатель

Лс. в

«м

1

2

3

4

5

Армированные дощатоклееные балки

12-24

4—6

1-5

Распорная система треугольного очертания из балок Деревягина

9—12

5—7

10—20

Распорная система треугольного очертания с клееными элементами

• 12—18

4—6

15-25

Арки из балок с перекрестной стенкой на гвоздях

18—36

3-5

20—25

Дощатоклееные арки со стальной затяжкой

^^Т^Чк в

15—36

2—4

20—25

Дощатоклееные арки с опиранием на фундаменты

18—100

2—4

5-10

Рамы с перекрестной стенкой на гвоздях

L\

9—18

7—9

л. -7

Дощатоклееные гнутые рамы

12-24

6-9

5—7

Дощатоклееные рамы из прямолинейных элементов с соединением ригеля и стойки на зубчатый шип

го

12—18

7—9

5—7

Продолжение табл. VI. /

Вид и тип конструкций

Схема конструкций

Пролет, м

Показатель

^.в

1

2

3

4

5

Дощатоклееные рамы из прямолинейных элементов г соединением ригеля н стойки на нагелях

12—18

7—9

6—9

Дощатоклееные рамы из прямоли-

нейных элементов с подкосами и кон-\М7

солямиpQpfr

15—366—85—7

Определение собственного веса конструкций

Предварительное определение нагрузки от собственного веса проектируемой несущей конструкции gc.B в зависимости от ее типа, пролета /, постоянной gH и временной р"р нормативных нагрузок производят по формуле

8.8.gH+^p(1OOO/KC.B.Z) — 1gH+^p(1OOO/KC.B.Z) — 1= Лг(ён+ tip).= Лг(ён+ tip).(VI. 1)(VI. 1)

8.

8.

gH+^p

(1OOO/KC.B.Z) — 1

gH+^p

(1OOO/KC.B.Z) — 1

= Лг(ён+ tip).

= Лг(ён+ tip).

(VI. 1)

(VI. 1)

где КЕ — грузовой коэффициент, который может быть найден ио графику, приведенному на рис. VI.1.

Значения Кс.в для некоторых типов плоскостных деревянных конструкций приведены в табл. VI.1.

После окончания разработки проекта конструкции, включая и составление спецификации, определяют уточненное значение собственного веса конструкции gCB. Если gCB существенно превышает gc.B, то может потребоваться пересчет конструкции. Для запроектированной конструкции

(VI. 2)(VI. 2)10008с.в

(VI. 2)

(VI. 2)

(§” + tip 4" 5с.в.);

Чем меньше собственный вес конструкций, тем меньше затраты материалов. Однако необходимо отметить, что минимум собственного веса конструкции не может быть принят в качестве критерия для выбора экономически наиболее эффективных конструктивных решений и типов конструкций.

Рис. VI.1. Грузовые коэффициенты кт

ГЛАВА 2. ПЛОСКОСТНЫЕ СПЛОШНЫЕ КОНСТРУКЦИИ ЦЕЛЬНОГО СЕЧЕНИЯ

Настилы и обрешетка

Настилы являются несущими элементами ограждающих деревянных покрытий. На их изготовление расходуется до 70 % объема древесины, используемой при сооружении деревянных покрытий. Поэтому проектирование рациональных конструкций настилов во многом определяет экономическую эффективность покрытий в целом.

Настилы из досок применяют в покрытиях в виде сплошной конструкции или обрешетки под кровли разных типов. Под трехслойную рубероидную кровлю неотапливаемых зданий основанием служит настил из двух слоев досок, которые соединяются гвоздями (рис. VI.2, а). Верхний защитный слой досок толщиной 16—25 мм и шириной до 100 мм укладывают под углом 45° к нижнему. Для лучшего проветривания всего настила нижний рабочий настил с толщиной досок по расчету выполняют разреженным.

В покрытиях различных отапливаемых зданий (рис. VI.3, б) для укладки утеплителя применяют одинарный дощатый пастил. Доски соединяют впритык или четверть, толщину их определяют расчетом. Они скрепляются поперечными досками и раскосами из досок.

Для кровли из волнистых асбестоцементных или стеклопластиковых листов и кровельной стали устраивают обрешетку из досок или брусков, расположенных одни от других на расстоянии, зависящем от кровельного материала (рис. VI.4).

Защитный настил образует сплошную поверхность, обеспечивает совместную работу всех досок настила, распределяет сосредоточенные нагрузки на полосу рабочего настила шириной 50 см.

Расчет настилов и обрешеток, работающих на поперечный изгиб, производят по схеме двухпролетной балки при двух сочетаниях нагрузки (рис. VI.5):

нагрузки от собственного веса покрытия и снеговой нагрузки — на прочность и прогиб:

Од — Мпмиг/1^нт ^- ^в >

(VI.3)

Рис. VI.2. Дощатый двойной настил под рулонную кровлю

1 — рубероидная кровля; 2—защитный сплошной иастил из досок, уложенных под углом 45° к оси здания; 3 — рабочий разреженный настил из досок или брусков; 4— лро-

Puc. VL4. Обрешетка из брусков под волнистую кровлю

1 — асбестоцементные или стекло- пластиковые волнистые листы; 2— обрешетка из брусков; 3—стропильные ногн, наклонные балки

Рис. VI.3. Беспустотное покры-тие для отапливаемых зданий

1 — рубероидная кровля; 2 — выравнивающий слой; 3— утеплитель;

4 — парои5оляция; 5 — рабочий сплошной настил из досок; 6—прогон

а — при первом сочетании нагрузок (постоянная и временная снеговая); б —при втором сочетании нагрузок (постоянная и сосредоточенная в одном пролете)

где

^тах = ^2/8;

f = 2,13<?„/»/384£V <fnp.(VI.4)

Нагрузки от собственного веса покрытия и сосредоточенной нагрузки в одном пролете Рн = 1 кН, а с учетом коэффициента перегрузки 1,2, равной Рр— 1,2 кН— только на прочность.

Максимальный момент находится под сосредоточенным грузом, расположенным на расстоянии от левой опоры х = 0,432 и равен приближенно Afmax = 0,07^/2+ +0,207 Ppi, где q — собственный вес покрытия.

Сосредоточенный Р=1,2 кН груз считается приложенным к одной доске полностью (рис. VI.5, в) при шаге досок более 15 см, а при шаге менее 15 см к одной доске прикладывается 0,5Р (рис. VI.5, г). При двойном перекрестном настиле рассчитывают на изгиб только рабочий (нижний) настил и только от нормальных составляющих нагрузок, поскольку скатные составляющие воспринимаются защитным настилом (рис. VI.5, д). Расчетную ширину настила принимают 50 см с учетом всех входящих в нее досок или, иначе можно сказать, что сосредоточенные грузы распределяются здесь на ширину 50 см.

Соединительные гвозди слоев настила (см. рис. VI.3, а) или настила с раскосами (см. рис. V.3, б) в большинстве случаев работают с большими запасами прочности. ,

Прогоны и балки

Прогоны покрытий цельного сечения выполняют из досок на ребро, брусьев и бревен, окантованных с обеих сторон. Разрезные прогоны (рис. VI.6, а) более просты в изготовлении и монтаже, но требуют большого расхода древесины. Они стыкуются на опорах, впритык, на накладках или вразбежку. В консольно-балочных (рис. VI.6, б) и неразрезных прогонах из спаренных досок (рис. VI.6, в) стыки устраивают в пролете.

Консольно-балочные прогоны являются многопролетными статически определимыми системами. Их применение целесообразно в том случае, когда временная нагрузка неподвижна и равномерно распределена повеем пролетам прогона.

Если шарниры расположить на расстоянии от опор х=0,15 I (/ — пролет консольно-балочного прогона), то моменты на опорах будут равны по абсолютному значению максимальным моментам в пролетах, и получается так называемое равиомоментное решение прогона. Для выравнивания моментов в первом и последнем пролетах значение этих пролетов (/[) надо уменьшить до 0,85 L Если шарниры расположить на расстоянии от опор х= =0,21 /, то получится равнопрогибное решение, при котором максимальные прогибы во всех пролетах, кроме крайних, будут одинаковыми. При уменьшении крайних пролетов до 0,791 прогибы в этих пролетах будут равны прогибам в остальных пролетах.

Рис. VL6. Схема и конструкция прогонов

а — разрезного; б — консольно-балочного; в—неразрезного из спаренных досок; г, д — к расчету стыка иеразрезного прогона нэ спаренных досок; е — стык косым прирубом консольно-балочного прогона; / — прогон; 2 — болт;

3 — гвозди

Таблица V1.2. Моменты и прогибы консольно-балочных прогонов

Значение

Решение прогона

равномоментиое

равнопрогибное

Расстояние от опор до- шарниров X

0,15!

0,21/

Изгибающие моменты на оно-

ql1

qP

16

"—

pax Моп

12

То же, в пролетах М„р

ql2

ql-

16

24

Максимальные прогибы [

2<7и-4

7,^

384£V

384EV

Величина первого и последнего пролета It

0,85/

0.79/«0,8/

Значения изгибающих моментов и прогибов для консольно-балочных прогонов приведены в табл. VI.2.

Если крайние пролеты равны остальным, т. е. Л = /, то изгибающий момент на первой промежуточной опоре будет

Mon^/VlO, а прогиб прогона в крайнем пролете /1 = 2,5^/384 Е/.-

При этом сечение прогона в крайних пролетах должно быть усилено, а опорная реакция первой промежуточной опоры будет больше остальных на 13 %, что потребует проверки и возможного усиления опорной конструкции.

Консольно-балочные прогоны выполняют из брусьев. По длине они соединяются в местах расположения шарниров косым прирубом (рис. VI.6, е). Во избежание смещений под действием случайных усилий в середине косого прируба ставят болты. В случае равномоментного решения болты не должны быть затянуты, чтобы обеспечить перелом; упругой линии прогона, образующийся в шарнире, между консолью и подвесной частью прогона. При равнопрогибном решении прогона в местах расположения шарниров упругая линия проходит плавно ипе- 220

релома ие имеет, что позволяет плотно затягивать болты.

К недостаткам консольно-балочных прогонов можно отнести то, что при обычной длине лесоматериала, равной 6,5 м, перекрываемый пролет невелик и не превышает 4,5 м. Кроме того, необходимо либо уменьшить крайние пролеты, либо увеличить поперечное сечение прогонов в этих пролетах. При этом следует иметь в виду, что давление на первую и последнюю промежуточные опоры при равных пролетах больше, чем на остальные опоры. Поэтому при пролетах более 4,5 м целесообразно применять спаренные неразрезные прогоны.

Спаренные неразрезные прогоны (рис. VI.6, в) состоят из двух рядов досок, поставленных на ребро и соединенных гвоздями, забиваемыми конструктивно с шагом 50 см (рис. VI.6,а). Каждый ряд досок выполнен по схеме консольно-балочного прогона с последовательным расположением стыков, но первый ряд не имеет стыка в первом пролете, а второй ряд досок—в последнем пролете.

Доски одного ряда соединяют по длине без косого прируба. Концы досок одного ряда прибивают гвоздями к доске другого ряда, не имеющего в данном месте стыка. Гвоздевой забой стыка должен быть рассчитан на восприятие поперечной силы. Количество гвоздей с каждой стороны стыка определяют исходя из того, что поперечная сила, приходящаяся на один ряд досок Q« «Л/оп/2хгв, в то же время равна Q=nrBTtB, откуда

Игв ~ 440п/2хгв Тгн , (VI .5) где %гв — расстояние от опоры до центра гвоздевого забоя, учитывая, что каждый гвоздь воспринимает одинаковое усилие, равное Г™.

Стыки досок устраивают в точках, где изгибающий момент в неразрезных балках, загруженных равномерно распределенной нагрузкой по всей их длине, меняет знак, т. е. на расстояниях от опор, равных 0,21/.

Спаренный неразрезной прогон в расчетном отношении аналогичен равнопрогибному консольно-балочному прогону и поэтому его расчет производят по формулам, приведенным в табл. VI .2,

Vmas = Ч1г/12;

I = Qh l»/3MEJ <fnp.

При этом крайние пролеты к должны быть меньше и равны 0,8/.

Рис. VI.7. Подрезка балки у опор

Подрезки на опорах. При опирании балок иногда приходится делать подрезку у опор. Около подрезки в месте резкого изменения высоты балки возникают значительные скалывающие и раскалывающие напряжения, которые могут вызвать разрушение подрезанной балки.

Чтобы исключить такое разрушение, допускается делать на опоре подрезку растянутых волокон изгибаемых элементов цельного сечения только глубиной а^0,25/г (рис. VI.7) при условии, что

Ajbh с 0,4 МПа,

где А — опорная реакция балки от расчетной нагрузки; b, h — ширина и высота поперечного сечения балки без подрезки.

Длина опорной площади подрезки с не должна превышать высоты сечения балки.

Для постепенного изменения высоты сечения следует делать скошенную подрезку. Длина скошенной части должна быть не менее удвоенной глубины подрезки Ci^2a. Так как при сосредоточенных нагрузках вблизи опор скалывающие и раскалывающие напряжения в местах изменения высоты имеют повышенную степень концентрации напряжений, то в таких случаях запрещается устраивать подрезку балок.

ГЛАВА 3. ПАНЕЛИ ПОКРЫТИЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ ДРЕВЕСИНЫ И ПЛАСТМАСС

. Трехслойные панели с применением пластмасс

Общие сведения. В ограждающих конструкциях зданий пластмассы применяют в покрытиях в виде панелей и подвесных потолков. Основным преимуществом ограждающих конструкций из пластмасс является их малая масса. Благодаря уменьшению массы ограждающих конструкций снижается нагрузка, передающаяся на несущие конструкции, что уменьшает расход материала. Кроме того, снижаются расходы на транспорт и монтаж конструкций, для которого используются механизмы

Рис. VI.8. Крепление еолниаых листов из стеклопластика к металлическим (а) и деревянным. (6) прогонам

— болт; 2— металлическая шайба с эластичной прокладкой; 3 — деревянные подкладки; 4 — шуруп

Рис. VI.9. Схемы трехслойных светопроницаемых панелей

— плоские листы стеклопластика; 2—волнистые листы; <3 — швеллер обрамления панели из стеклопластика типа АГ-4С

меньшей грузоподъемности. Все это во многих случаях снижает стоимость здания (несмотря на высокие цены некоторых пластмасс).

Панели на основе пластмасс являются высокоиндустриальными конструкциями, они изготовллотся максимальной заводской готовности, что уменьшает объем работ на месте строительства. Панели могут быть свегопрозрачными и непрозрачными, утепленными и неутепленными. Для покрытии неотапливаемых зданий применяют волнистые или плоские листы толщиной 1,5—2,5 мм из светопрозрачиого стеклопластика на полиэфирных смолах.

Рекомендуется использовать светопрозрачные стеклопластики, которые пропускают до 90 % спектра и имеют в своем составе светостабилизаторы, предохраняющие стеклопластик от старения при действии ультрафиолетовых лучей. Для изготовления светопропускающих участков можно использовать также листовое органическое стекло и органическое светотехническое стекло (рассеивающее свет, окрашенное). Волнистые стеклопластиковые листы следует изготовлять тех же профилей, что и асбестоцементные листы. Ограждения покрытий из стеклопластиков могут быть либо сплошными по всей поверхности, либо отдельными участками.

Крепление волнистых листов по гребням волн к металлическим и деревянным элементам оцинкованными болтами н шурупами показано иа рис. VI.8. Диаметр применяемых болтов и шурупов не менее 6 мм. Для свободы перемещения листов стеклопластика При темпера-

Pac. VUO.

Типы ipex- слойных панелей

а — план; б — продольный разрез; о — поперечный разрез пане- Лей I н II типов; г — поперечный разрез панелей III типа; д — поперечный разрез панели IV типа; е— опирание панели

турных воздействиях отверстия под болты и шурупы делают на 2 мм больше их диаметров.

Светопрозрачные панели для отапливаемых зданий выполняют, как правило, трехсложными и реже четырех-

слойными, плоской (рис. VI.9) или криволинейной формы. Они состоят из одного или двух слоев волнистого стеклопластика, склеенных между собой, к которым с обеих сторон приклеивают еще по плоскому листу. Средний слой такой панели может быть выполнен также в виде решетки или ребер из стеклопластика. По контуру панели устраивают обрамление из металлических профилей или из стеклопластика.

Трехслойные светопрозрачные ребристые панели могут быть изготовлены также цельноформованными, что исключает процесс склеивания.

Классификация панелей. Трехслойные панели могут быть разделены на четыре конструктивных типа (рис. VI.10).

Панели 1 типа. Нормальные усилия в этих панелях воспринимаются жесткими ребрами (из металла, дерева, пластмасс и т. д.) и обшивками. Для панелей I типа необходимо выполнение условия, чтобы отношение суммарной жесткости ребер к жесткости двух обшивок было больше Qfiall, где а—шаг продольных ребер, см; I— расчетный пролет панели, см.

Панели II типа. К этому типу относятся ребристые панели с малой изгибной жесткостью ребер, для которых отношение жесткостей ребер и обшивок меньше или равно 0,Sall. При расчете панелей II типа можно принять, что нормальные усилия воспринимаются только обшивками.

Панели III типа имеют ребра и сплошной средний слой из пенопласта, приклеиваемый к верхней и нижней обшивкам.

Панели IV типа имеют сплошной средний слой, но выполняются без ребер, поэтому они характеризуются большой деформативностью.

В панелях III и IV типа обшивки воспринимают нормальные напряжения, вызванные изгибающим моментом, при этом в панели, работающей по схеме простой балки, верхняя обшивка сжата, а нижняя — растянута (рис. VI.11). Металлические и стеклопластиковые обшивки также выполняют роль гидро- и пароизоляции.

Для среднего слоя рекомендуется применять пенопласты беспрессового изготовления, вспениваемые непосредственно в полости панели или в виде готовых блоков размером на панель или часть панели.

I 4 11 111 I I I ПI 4 11 111 I I I ПРис. VI. 1L Схема работы трехслойных ребристых панелей

I 4 11 111 I I I П

I 4 11 111 I I I П

В панелях III и IV типов средний слой обеспечивает совместность работы обеих обшивок, повышает устойчивость сжатой обшивки из тонких металлических и стеклопластиковых листов, участвует совместно с об

шивкой в восприятии местных сосредоточенных нагрузок, выполняет роль тепло- и звукоизоляции.

Сдвигающие усилия в панелях I, II и III типов воспринимаются ребрами, в панелях IV типа — сплошным средним слоем.

Ребристые светопрозрачные панели рассчитывают как панели I или II типов. Они отличаются значительной деформативностью вследствие низкого модуля упругости полиэфирного стеклопластика, из которого обычно выполняются. Для повышения несущей способности и уменьшения прогибов рекомендуется эти плиты закреплять на опорах.

При расчете трехслойных панелей применяют обычные методы строительной механики, но дополнительно учитывая отношение жесткостей обшивок и ребер. При расчете панелей особое внимание следует уделять неравномерности распределения нормальных напряжений в обшивках. Максимальные значения нормальных напряжений, определенные методами теории упругости, превышают средние значения. Эта разница тем больше, чем больше шаг ребер.

Трехслойные панели рассчитывают по двум предельным состояниям (по прочности и деформативности). Кроме этого, обшивку проверяют на устойчивость и местный изгиб от кратковременного действия сосредоточенной нагрузки 1000 Н, с коэффициентом перегрузки 1,2 распределенной равномерно по площадке 10X10 см.

где Рм — интенсивность местной нагрузки, Н/см2.

При расчете на поперечный изгиб трехслойные панели рассматривают как плиты, свободно опертые по двум 226

Сторонам или опертые по контуру. Если панели IV типа с металлическими обшивками оперты по контуру и для них

где q— равномерно распределенная нагрузка, Н/см2; G— модуль сдвига среднего слоя, Па; с = Со+6 — расчетная высота сечения, см;

— толщина обшивки, см,

то их следует рассчитывать как гибкие пластины. Расчетными нагрузками для панелей покрытия будут собственный вес и снег, а для стеновых панелей — собственный вес (при расчете в их плоскости) и ветер (при расчете из плоскости).

Геометрические характеристики панелей. При расчете панелей всех типов необходимо соблюдение следующих трех условий:

E„p/G < 10000; 200 > Со/6 > 4; </с > 10, ^^/(l—р2), (VI.6) где G — модуль сдвига среднего слоя, Па; E„v — приведенный модуль упругости материала обшивки, Па; Е — модуль упругости материала обшивок, Па; ц— коэффициент Пуассона материала обшивок.

Характер работы элементов трехслойных панелей, а также их физико-механические свойства находят свое отражение в приведенных геометрических характеристиках, которые и используются при расчетах. ,

В дальнейшем принято, что верхняя и нижняя обшивки панелей выполнены из одного материала и имеют одинаковые толщины; кроме того, в крайних (обрамляющих) и промежуточных продольных ребрах модули упругости равны. Значения J и W определяют для всех типов по приведенным характеристикам.

Расчет по прочности. При расчете по прочности следует учитывать напряжения, возникающие в элементах панелей от нагрузки о,, влияния влажности ощ и температуры at. '

Ополн — Од 4- °ш + О< < йрасч ■

Напряжения от влияния влажности и t появляются в связи с тем, что панели, соединенные между собой й прикрепленные к несущей конструкции, лишены свободной деформации. • ■

Напряжения и усилия от расчетных нагрузок (панели I, II и Ш типов). Средние нормальные напряжения в обшивках панелей определяют по формуле

(VI. 7)

где q— расчетная нагрузка, Н/см2; М — изгибающий момент на единицу ширины панели, Н-см/см; IV— момент сопротивления сечения панели на единицу ширины, смг/см.

Панели lull типов. Прочность обшивок проверяют по формулам: при среднем напряжении в сжатой обшивке ai<ff„p:

для сжатой обшивки

®max ~ Oifki С Rc'(VI.®)

для растянутой обшивки

°шах ~ °г/^1 < ^н)(VI -9)

где aL2_—термальные напряжения в обшивке, Па; для сжатой обшивки 01=а’+а1'ы; Для растянутой сбшивкн a2=a^+a2'™i

, при среднем напряжении в сжатой обшивке о^окр: для сжатой обшивки

^шах — °1/hi<Rc.(VI. 10)

для растянутой обшивки

Шпах " ^2^1 ^ Rps(VI. 11)

где ф — нормальные напряжения сжатой обшивки; окр — критическое напряжение для сжатой обшивки; Ai — коэффициент, учитывающий влияние ребер на распределение нормальных напряжений в обшивках панелей; при аЦ<0,05; fei = l; при а//>0,05;

Ер 7фр

^ = ^4- 0,24ЛL~«l;(VI.12)

V,—коэффициент, определяемый по графику (рис. VI. 12); Rc— расчетное сопротивление материала обшивки на сжатие; RP— то же, на растяжение; FрР—принимают равным фактической площади сечения ребра, но не более 0,2С2 см2;

Ьк$=кКрЕПр(6/а)=,(VI. 13)

Таблица VL3. Значения коэффициента АКр

аЦа

0,2

0,4

0.6

0,8

1

1.2

1.4

1,6

1.8 и более

^кр

22,2

6,9

4,2

3,45

3,3

3,4

3,65

3,45

3,3

Акр — коэффициент, принимаемый по табл. VI.3 в зависимости от отношения aija (см. рис. VI.10).

Прочность среднего слоя для панелей IV типа

£ 2Н — 6-

Ецр 2£ + 6 "1,2 < «расч!тс £ср;

Оэкв^К о2 4-4т2 с£с. Rp.

где <Т1,2 — нормальное напряжение в сжатой или растянутой обшивке; т — касательные напряжения в среднем слое; Н — расстояние от нейтральной оси сечеиня панели до осн обшивки, см.

Сдвигающие напряжения в ребрах определяют по формуле T = QS{Jb^.Rr.K.

Напряжения и усилия от температурно-влажностных воздействий. Кроме внешних нагрузок на прочность панелей влияют температурно-влажностные воздействия, которые вызывают изменения начальной температуры и влажности ее элементов (обшивок, срединки), имеющих различные коэффициенты линейного температурного расширения и линейной влажностной деформации; в результате в элементах панели могут возникнуть значив тельные напряжения. Напряженное состояние панелей от этих воздействий зависит в основном от физико-механических свойств материалов, из которых они выполнены.

В общем случае значение относительных деформаций материала складывается из температурных и влажностных деформаций. Изменение влажности на деформацию металлов не влияет и расчет производят только на температурные воздействия. Для таких материалов, как асбестоцемент, фанера и т. д. температурными деформациями можно пренебречь, так как они малы по сравнению с влажностными деформациями. При этом обеспечивается точность, достаточная для практических целей.

Расчет напряжений и усилий от температурно-влажностных воздействий приведен в книге А. Б, Губенко

«Строительные конструкции с применением пластмасс». Расчет по деформациям. Прогиб от равномерно распределенной нормативной нагрузки панелей всех четырех типов при свободном опирании по двум противоположным сторонам определяют по формуле

/ = 59н I4 /3840,

где ?я — нормативная нагрузка; D — изгибная жесткость панели (на единицу ширины панели) в направлении расчетного пролета.

Изгибная жесткость панелей в случае, если сжимающие напряжения обшивки меньше критического, определяют следующим образом.

Для панелей I типа при

_^<"<р D = Ep3,

где о *— суммарное напряжение в сжатой обшивке от нормативных нагрузок и температурно-влажностных воздействий; о«р— критическое напряжение; £р— модуль упругости материала продольного ребра; I—момент инерции.

Для панелей II типа при"

о?<акр D = WEa9^

где ЕПр—приведенный модуль упругости материала обшивки; I — момент инерции, определяемый по формуле (VI.14).

У = 6с»/2;(VI. 14)

где ку—коэффициент, вычисляемый по формуле (VI. 12); кг — коэффициент, характеризующий влияние деформативности ребер на прогиб панели;

4>8 v £пр Jb’

Ч f G«p Z^p Z2 ’

3— момент инерции; Vi—коэффициент, принимаемый по графику (рис. VI.12).-

Для панелей III типа

D= (.ку!к2кз) Еар J,

между ребрами;между ребрами;к3 = 1 4-9,6к3 = 1 4-9,6^ИР 3 Ос I2^ИР 3 Ос I2где 6з— коэффициент, учитывающий дополнительный прогиб панели

между ребрами;

между ребрами;

к3 = 1 4-9,6

к3 = 1 4-9,6

^ИР 3 Ос I2

^ИР 3 Ос I2

3—момент ниерцни, определяемый по формуле (VI.14); а — шаг продольных ребер.

Для панелей IV типа

D=(l/A4)£DpJ,

где kt— коэффициент, характеризующий влияние деформативности среднего слоя на прогиб панели;

Прогибы панелей, которыми определяется жесткость от совместного действия нормативных нагрузок и температурно-влажностных воздействий при наиболее неблагоприятном их сочетании, не должны превосходить предельных прогибов:

^ах = /' + Сх < /„ред илн fmax/Z < ^1' где [f/Z]—нормируемый предельный прогиб в долях пролета.

Расчет изгибаемых волнистых листов из пластмасс. Для заполнения участков стен и покрытий неотапливаемых зданий часто применяют волнистые светопрозрачные листы из стеклопластика на полиэфирных смолах. Расчет этих конструкций имеет некоторые особенности. Применяемые для ограждающих конструкций волнистые листы рассчитывают на равномерно распределенную нагрузку по расчетным схемам одно- или многопролетных балок. Расчетный пролет принимают равным расстоянию между прогонами.

Волнистые листы можно рассчитывать по формулам сопротивления материалов применительно к одной волне или к единице ширины сечения. Прочность одной волны, а следовательно, и всего листа проверяют по формуле о = MjW = MbBjWB<Ra,

на изгио;М6В 1,92Ё6/1В4- b'2на изгио;М6В 1,92Ё6/1В4- b'2где IF,,— момент сопротивления одной волны; RB—расчетное сопротивление стеклопластика '

на изгио;

М6В 1,92Ё6/1В

4- b'2

на изгио;

М6В 1,92Ё6/1В

4- b'2

М ИЛИО = "ТТ =

где hi — высота золны; 6 — толщина листа; Ьв—длина волны. Проверку на скалывание производят по формуле т = 0,75(2 sin ctg/Bhy <6 Rcp.

Геометрические характеристики волнистых листов на единицу ширины (1 см) определяют по следующим формулам:

момент инерции

J = О.ОЗбйл^ Гз Ч- ———

\ bB sin а0 /

Таблица VI.4. Геометрические характеристики поперечных сечений стеклопластика

& S

§«

и

%

&

"s

:

3

1

3

« S a s

&

3 = н г

г

к

1,5

11,83

4,27

3,7

1,5

1,82

1,23

2,08

200/54

2

15,8

5,65

4,95

115/28

2

2,42

1,61

2,78

2,5

19,73

7

6,13

2,5

3,03

1,99

3,48

1,5

8,6

3,34

3,17

1,5

1,69

1,07

1,74

167/50

2

11,44

4,41

4,22

90/30

2

2,25

1,41

2,32

2,5

14,32

5,46

5,28

2,5

2,81

1,73

2,9

1,5

3,13

1,71

2,32

1,5

0,61

0,42

1,41

125/35

2

4,17

2,26

3,1

78/18

2

0,68

0,68

1,88

2.5

5,22

2,78

3,88

2,5

0,85

0,83

2,36

момент сопротивления

W = 2J/(hB-\-6y,

площадь поперечного сечения

F = 0,646 1 фF = 0,646 1 ф26вбу Sill OSg26вбу Sill OSg

F = 0,646 1 ф

F = 0,646 1 ф

26в

бу Sill OSg

26в

бу Sill OSg

где hB — высота волны, см; Ьъ— длина волны; а0 — вычисляют из условия tg а0 = лйв/Ьв.

Прогибы листов вычисляют по формулам строительной механики в соответствии с принятой расчетной схемой. Момент инерции JB, момент сопротивления и площадь WB поперечного сечения FB одной волны могут быть определены по табл. VI.4.

Клеефанерные панели покрытия

Панели покрытий состоят из деревянного несущего каркаса и фанерных обшивок, соединенных с каркасом водостойким клеем в одно целое, и образующих коробчатое сечение. Для их изготовления применяют фанеру повышенной водостойкости марки ФСФ, а для конструкций, не защищенных от увлажнения, — бакелизирован- ную фанеру.

Целесообразность применения клеефанерных панелей определяется малой массой при высокой несущей способности, что обеспечивается совмещением в фанерной обшивке ограждающих и несущих функций как поясов панели, так и настила, который воспринимает местную нагрузку. Клеефаиерные панели являются жесткой коробчатой конструкцией, которая состоит из дощатых ребер толщиной после острожки 33 или 43 мм и фанерных обшивок толщиной не менее 8 мм (рис. VI.13). При необходимости ребра можно делать клееными.

В качестве утеплителя применяют, как правило, несгораемые и биостойкие теплоизоляционные материалы, например пенопласт или стекломаты. При изготовлении панели на верхнюю обшивку наклеивают один слой рубероида, образующий кровельное покрытие, второй и третий слои рубероида приклеивают после установки панелей па место.

Клеефанерными панелями можно перекрывать пролеты 3—6 м, а если их ребра клееные— более 6 м. Ширину панели делают равной ширине фанерного листа с учетом обрезки кромок для их выравнивания. Высота панели обычно составляет Узо—'/io пролета. Волокна наружных шпонов фанеры должны быть направлены вдоль оси панели, так как при этом создается возможность, во-первых, стыковать фанерные листы по длине «на ус» и, во- вторых, лучше использовать прочность фанеры.

Рис. VI. 14. К расчету верхней обшивки клеефанерной панели

Количество продольных ребер определяют в основном по условию расчета на изгиб поперек волокон наружных шпонов верхней фанерной обшивки при действии сосредоточенной расчетной нагрузки 1000 Н с коэффициентом перегрузки 1,2. При этом считается, что действие сосредото

ченной нагрузки распределяется на ширину 100 см. Учитывая сопротивление повороту в опорных сечениях верхней обшивки со стороны ребер, можно в качестве расчетной схемы при расчете на временную сосредоточенную нагрузку принять балку с обоими защемленными концами (рис. VI.14). Тогда максимальный момент будет

(VI. 15)(VI. 15)^шах — Рс18.

(VI. 15)

(VI. 15)

Изгибные напряжения в верхней обшивке поперек волокон наружных шпонов фанеры

аИаИ^тахФф^тахФф6Рсс

аИ

аИ

^тах

Фф

^тах

Фф

9=9^ та^И.ф

8'100626=

Здесь ти=1,2 (см. формулу VI.3). Если приравнять Ои= 1,2/?ид, то 9(с/6ф) ^1,27?и.ф, откуда расстояние между осями ребер

= <°.13'^.Ф6Ф- (VT.16)

Клеефанерные конструкций рассчитывают с учетом различных модулей упругости древесины и фанеры по приведенным геометрическим характеристикам, причем приводят к тому материалу элемента конструкции, в котором находят напряжения. Приведенные характеристики вычисляют по формулам:

момент инерции, приведенный к фанере

■^прив = -^ф ^д (£д/£ф)1

статический момент

^ПРИВ= 5ф + 5д(£я/£ф);

' площадь поперечного сечения

^прив = ^ф + f д (^д/^ф);

момент сопротивления

^прив — ^прив/У,

где у—расстояния до наиболее удаленных волокон; при симметричном поперечном сечении y=h!2 (h — высота); /ф, Зф, Дф, £ф— соответственно момент инерции, статический момент, площадь поперечного сечения н модуль упругости материала элемента, к которому делают приведение (в данном случае к фанере); /д, Зд, Ед, Ел— то же, для материала приводимых элементов (древесины).

Неравномерность распределения нормальных напряжений в обшивках в ребристых клеефанерных конструкциях учитывают введением в геометрические характеристики приведенной ширины 6расч, меньшей действительной ширины Ьо. Расчетную ширину сечения ЬраСч вычисляют по формуле Ьрасч=О,96о в случае, если l-^ба; и по формуле Ьрасч = О,15(//а)Ьо при /<6а.

Нормальные напряжения в обшивках определяют по следующим формулам:

для верхней сжатой обшивки с учетом ее устойчивости

Ос — гИтах/И7пр фф ^ ^ф.с>(VI. 17)

где фф — коэффициент продольного изгиба:где фф — коэффициент продольного изгиба:с ’при —— > 50с ’при —— > 5012504,4 ~ (с/6ф)212504,4 ~ (с/6ф)2при —— <50 <Рф = 1Офпри —— <50 <Рф = 1Оф(с/8фУ5000(с/8фУ5000(VI.18)(VI.18)

где фф — коэффициент продольного изгиба:

где фф — коэффициент продольного изгиба:

с ’

при —— > 50

с ’

при —— > 50

1250

4,4 ~ (с/6ф)2

1250

4,4 ~ (с/6ф)2

при —— <50 <Рф = 1

Оф

при —— <50 <Рф = 1

Оф

(с/8фУ

5000

(с/8фУ

5000

(VI.18)

(VI.18)

для нижней растянутой обшивки с учетом ослабления стыком «на ус»

. Ор = Л1/Н7пр бф ^ Т^ф р, (VI. 19) где £ф=0,6 — коэффициент, учитывающий ослабление сечения стыком «на ус»; при отсутстви стыка &ф=1.

Касательные напряжения проверяют в местах приклеивания фанеры к ребрам:

по скалыванию между шпонами фанеры

ТФ — . „с < ^ф.ск,(VI .20)

■>пр

где Зф — статический момент обшивки относительно оси панели; 0р — ширина ребра.

Расчетные сопротивления скалыванию клеевых швов между шпонами фанеры приведены в табл. VI.5;

по скалыванию реберпо скалыванию ребер(VI. 22)(VI. 22)имелинагру-имелинагру-

по скалыванию ребер

по скалыванию ребер

(VI. 22)

(VI. 22)

имели

нагру-

имели

нагру-

Угол между направлением волокон наружных слоев фанеры и усилием, действующим в приклеенном к фанере деревянном элементе, град

Яф ск. МПа, фанеры

ВОДОСТОЙКОЙ (ФСФ)

бакелизированной (ФБС)

0

0,8

1.8

90

0,8

1.8

Та б л и ц a VL5. Расчетные сопротивления скалыванию клеевых швов между шпонами фанеры

Сек тах.(VI.21)

где 5Пр — приведенный статический момент половины сечения относительно нейтральной осн.

Относительный прогиб панели в общем случае / _ №н^I

/0,7Еф;пр250 '

равномерно распределенной нагрузки

6 = 5/384; Рн = 9н1-

Для того чтобы соседние панели покрытия одинаковый прогиб, особенно при неравномерном _ жении, они должны быть соединены. Соединять можно, например, глухими нагелями, которые ставят через 1,5— 2 м, или гвоздями, прибиваемыми сквозь соединительную планку через 50 см (см. рис. VI. 13). Панели прикрепляют к несущим конструкциям, например, так, как это показано на рис. VI. 13. Внутреннюю полость панелей следует проветривать, для чего устраивают осушающий продух.

ГЛАВА 4. ДЕРЕВЯННЫЕ БАЛКИ СОСТАВНОГО СЕЧЕНИЯ НА ПОДАТЛИВЫХ СВЯЗЯХ

Балки на пластинчатых нагелях (балки В. С. Деревягина)

Составные балки на пластинчатых нагелях были разработаны В. С. Деревягиным в 1932 г. Они образуются сплачиванием по высоте двух или трех брусьев, соеди- 236

Рис. VI.15. Балка на пластинчатых нагелях (балка Деревягина)

а — балка из двух брусьев; б — балка из трех брусьев; в — поперечное сечение балки со сквозным нагелем; г —то же, с глухим нагелем

неаных между собой деревянными пластинчатыми нагелями (рис. VI. 15). В этих балках соединять брусья по длине нельзя, поэтому длина балок не превышает 6— 6,5 м. Нагели делают из здоровой и сухой (влажностью не более 8—10%) дубовой древесины или березы. Для получения нагелей одинаковой толщины их изготовляют на рейсмусном станке по пробному гнезду. Гнезда для нагелей следует выбирать с помощью электрического цепнодолбежного станка. Их размеры, лимитируемые размерами цепей станка, должны обеспечивать достаточное защемление нагеля в брусе. Этому соответствуют цепи, позволяющие получить размеры гнезда 58X12 мм. Высота брусьев не может быть меньше 140 мм, так как максимальная глубина врезки нагелей Vs^op.

Балкам при их изготовлении обязательно придают конструктивный строительный подъем, т. е. выгиб в сторону, обратную прогибу под нагрузкой. Выборку гнезд и постановку пластинчатых нагелей производят после того, как брусья балки уложены с плотной притеской одних к другим и после придания ей конструктивного строительного подъема. Такой порядок изготовления обеспечивает защемление нагелей в гнездах, вследствие стремления брусьев распрямиться, а также лучшую плотность соединений.

Конструктивный строительный подъем определяют по формуле

(VI. 23)(VI. 23)(стр — ^Лщ/Зйу,

(VI. 23)

(VI. 23)

где I — длина балки; h0 — расстояние между осями крайних брусьев; пш — число швов в балке; б — расчетная деформация, принимаемая для нагелей 0,2 см.

Для устранения вредного влияния усушки устраивают продольные вертикальные пропилы глубиной Ve высоты бруса. Такие пропилы препятствуют образованию трещин по линии площадок скалывания между нагелями и таким образом обеспечивают надежность в работе балки.

Балки Деревягина рассчитывают как составную балку на податливых связях с введением коэффициентов, учитывающих податливость связей. Ослабление сечения пластинками, расположенными близко к нейтральной оси, не учитывают, так как даже при трех брусьях оно не превышает 10 %. ..

Полученное расчетом количество пластинчатых нагелей следует размещать на соответствующей длине балки при их расстановке с шагом 5 = 96™. Если пластинки не могут быть размещены на балке, то необходимо увеличить ее ширину.

Балки двутаврового сечения с перекрестной дощатой стенкой на гвоздях

Балки двутаврового сечения с перекрестной дощатой стенкой на гвоздях являются конструкциями построен-. ного изготовления. Они состоят из дощатых или брусчатых поясов, перекрестной стенки из досок и ребер жесткости.

В балках с дощатыми поясами (рис. VI. 16) верхние и нижние пояса выполняют из досок толщиной 4—6 см. Перекрестная стенка состоит из двух слоев досок, общая толщина которых должна быть равна толщине доски пояса. Доски стенки рекомендуется наклонять к нижнему поясу так, чтобы угол был равен 45°. Пояса соединяют со стенкой расчетным количеством гвоздей. Ребра жесткости ставят через Vs—Vio пролета, обычно в местах расположения прогонов кровли или других сосредоточенных грузов для лучшего нх распределения между элементами балки. Ребра жесткости делают из поясных досок, но по ширине вдвое меньше, чем пояса, и прибивают теми же гвоздями, что и пояса. При этом гвозди в ребрах жесткости ставят конструктивно, обычно в два ряда. Ширкна опорных ребер равна ширине поясов.

hil/ghil/g

hil/g

hil/g

Рис. VI.16. Балка двутаврового сечения с перекрестной стенкой на гвоздях

а — с поясами из досок; 6 — схема усилий к расчету гвоздевого забоя и стенки

Чтобы закрепить в опорных ребрах жесткости концы досок стенки, расстановку гвоздей в ребрах принимают такой же, как в прилегающих панелях поясов.

Оба слоя досок стенки в пределах между поясами скрепляются гвоздями, концы которых загибают. Гвозди располагают так, чтобы каждая доска прикреплялась не менее чем двумя гвоздями, а ее свободная длина во избежание выпучивания не превышала 30 толщин доски.

Стыки поясов следует устраивать там, где поперечная сила равна нулю, в покрытиях — обычно в середине пролета. Стык верхнего пояса выполняют торцовым упором досок и перекрывают накладками на болтах, поставленных конструктивно. Стык нижнего пояса устраивают с помощью накладок и прокладки, что увеличивает Число «срезов» каждого нагеля с двух до четырех. Для постановки прокладки стенку балки в этом месте вырезают и скрепляют ее с поясами горизонтальными и вертикальными гвоздями, забиваемыми в специально поставленные надстыковые бруски.

Балки с брусчатыми поясами применяют при больших нагрузках, главным образом в мостах. При изготовлении балку расслаивают по стенке на две полубалки. Каждый слой стенки из досок толщиной 2,5—3 см прибивают к своим брусчатым полупоясам гвоздями, длину которых принимают равной тройной толщине доски стенки. Обе полубалки при сборке соединяют между собой в полупоясах болтами, в стенке—косыми гвоздями. Стыки поясов выполняют в таких балках накладками, которые располагают сверху и снизу поясных брусьев, и в растянутом стыке скрепляют с поясами расчетным количеством глухих нагелей.

Балки собирают на бойке с обязательным устройством строительного подъема, равного 1/200 пролета. Строительный подъем балок с дощатым поясом устраивают, располагая поясные элементы наклонно к продольной оси балки. В балках с клееным дощатым поясом, а также с брусчатыми поясами нижние пояса предварительно собирают на всю длину с устройством стыков, и строительный подъем придают выгибом, что благодаря большой длине пояса не представляет затруднений.

В статическом отношении балка с перекрестной стенкой из досок является фермой многорешетчатой системы с растянутыми нисходящими от опор и сжатыми восходящими раскосами, которые образуют дощатую стенку. Поэтому нормальные усилия в балке воспринимаются только поясами, а стенка работает лишь на сдвигающие усилия, которые возникают между поясами и стенкой

d)ц

Эпюры усилий N в поясах

'^ШИЩЖ^

U2

Nnax

Эпюры

^^^^жщ

Зоны гвоздевого забоя

I

п\. ш ш

^■■шж^

сдвигающих усилий Т

II Ш

Рис. VI.11. Эпюры нормальных и сдвигающих усилий и зоны гвоздевого забоя в балках с перекрестной стенкой

а—балка с параллельными пенсами; б — двускатная балка; в — односкатная балка

При изгибе балки. Усилия в поясах балки постоянной высоты при йп^0,25/г могут быть определены по формуле

^п = ^max/S-(VI.24)

где Almax — изгибающий момент; ho — расстояние между центрами поясов; h — полная высота балки; hn— высота пояса.

Так как при двускатных и односкатных балках с увеличением расстояния от опоры возрастает не только изгибающий момент, но и высота балки (рис. VI.17), сечение, в котором усилие в поясе будет максимальным, не совпадает с местом максимального момента. Оно будет находиться на расстоянии от опоры с меньшей высотой, равном при равномерно распределенной нагрузке

х = -^-(|/1 + Z tga/^-l ),(VI.25)

где й0 — высота между центрами поясов балки на опоре с меньшей высотой; а — угол наклона верхнего пояса; / — пролет балки.

Необходимое сечение нижнего пояса

^бр — Nmaxlnip Rp,(VI .26)

где коэффициент тр = 0,8 предварительно учитывают ослабление сечения нагелями.

Верхний пояс проверяют на продольный изгиб из плоскости с расчетной длиной, равной расстоянию меж-

ду прогонами кровли, которые должны быть прикреплены к балке, и без учета взаимной связи между обеими поясными досками

°с ”^тах/ ^расЧф.(VI. 27)

Количество нагелей в стыке нижнего пояса определяют по усилию в поясе. Возможно решение балок без стыка в нижнем поясе. В этом случае каждый полупояс имеет длину, равную длине балки, и состоит из нескольких слоев тонких досок, склеенных по пласти, а по длине, соединенных зубчатым стыком вразбежку. Такое решение облегчает изготовление балки, но возможно только при склеивании поясов балки в заводских условиях.

Гвозди, соединяющие пояс со стенкой, рассчитывают на сдвигающее усилие, равное на единицу длины пояса:

в балках с параллельными поясами

J ap^/sy1 h„’

в балках с наклонным верхним поясом (учитывается уменьшение или увеличение сдвигающего усилия в результате того, что часть поперечной силы воспринимается вертикальной составляющей усилия в верхнем поясе)

d / MS \d ( М X _ М! Ло — MKQq Mtg аТ dx \ J }dx ( h, /‘

(VI. 29)

Знак минус перед вторым членом формулы принимают для двускатных балок, а для односкатных — на участке от опоры с меньшей высотой по сечению, в котором Q—0. Знак плюс принимают для остальной части длины односкатных балок.

По длине пролета устанавливают обычно три зоны гвоздевого забоя (см. рис. VI.17). Учитывая податливость гвоздей, расчетные сдвигающие усилия определяют по сечениям, расположенным в середине каждой зоны.

Количество двухсрезных гвоздей на единицу длины пояса в каждой зоне находят по формуле

„г = 770,8 (т^ + 7^),(VI.30)

где 0,8 — коэффициент, учитывающий отсутствие монолитности стенки, а также возможность попадания части гвоздей в щели между досками стенки; Т® — минимальная несущая способность одного сре-

за гвоздя в шве со стороны забивки; Тр* — минимальная несущая способность одного среза гвоздя в шве со стороны второй поясной доски противоположной забивки.

Горизонтальные и вертикальные гвозди, скрепляющие надстыковые бруски со стенкой и поясами, рассчитывают на сдвигающее усилие в начале стыковой накладки при временной нагрузке на половине пролета. Проверку устойчивости из плоскости балки сжатых досок стенки производят в середине опорной панели.

Усилие в одной доске стенки шириной b (см. рис. VI.16, б)

D = n/sin2p.(VI.31)

Напряжения в сжатой доске стенки

ас = D/b6q> С Rc,(VI.32)

где 6 — толщина доски; ср — коэффициент продольного изгиба, определяемый по свободной длине доски, равной расстоянию между гвоздями стенки, которое не должно быть больше 306.

В балках с брусчатыми поясами гвозди, соединяющие каждый слой стенки со своим полупоясом, являются одиосрезными и рассчитываются иа половину сдвигающего усилия. Гвоздевой забой, соединяющий две полубалки, рассчитывают иа вертикальное усилие на единицу длины, равное (см. рис. VI. 16,б):

V=Ttg^2. (VI.33)

ГЛАВА 5. КЛЕЕНЫЕ БАЛКИ

§ 5.1. Дощатоклееные балки

Дощатоклееные балки обладают рядом преимуществ перед другими составными балками:

они работают как монолитные;

их можно изготовить с поперечным сечением большой высоты;

в балках длиной более 6 м отдельные доски стыкуют по длине с помощью зубчатого шипа и, следовательно, балки не будут иметь стыка, ослабляющего сечение;

в дощатоклееных балках можно рационально размещать доски различного качества по высоте. Слои из досок первого или второго сортов укладывают в наиболее напряженные зоны балки, а слои из досок второго или

Рис. VI. 18. Дощатоклеевые балки из пакета досок

а —балка постоянной высоты; б —двускатная балка; в — гнутоклееная балка; а — поперечное сечение дощатоклееных балок

третьего сортов — в менее напряженные места. В дощатоклееных балках можно также использовать маломерные пиломатериалы.

Опыт применения дощатоклееных балок показывает, что их надежность зависит от качества склейки и тщательного соблюдения технологического процесса изготовления. Это возможно только в заводских условиях, в специальных цехах с необходимым оборудованием при качественной сушке пиломатериалов. Работы по изготовлению балок следует выполнять специально обученным персоналом. ' ,

Для пролетов 6—24 м в качестве основных несущих конструкций применяют балки, склеиваемые из досок плашмя (рис. VI.18). Высоту балок принимаютв пределах 7s—712^ Ширину балок целесообразно, как правило, брать минимальной и определенной из условия опирания панелей покрытия и обеспечения монтажной жесткости. Уклон верхней грани двускатных балок принимают в пределах 2,5—10 %.

Дощатоклееные балки, особенно с большим отношением высоты к ширине поперечного сечения, подлежат проверке на устойчивость плоской формы деформирования. В основном следует применять балки прямоугольного поперечного сечеиия, как более технологичные при изготовлении. Дощатоклееные балки рассчитывают как балки цельного сечения.

Влияние на несущую способность балок размеров, формы поперечного сечения и толщины слоев учитывают коэффициентами условия работы. Нормальные напряжения определяют по формуле

Иц = Л4/И^нт-^ mg тсл У^Е,(VI. 34)

Здесь коэффициент условия работы mg учитывает влияние размеров поперечного сечения, тСл — толщину слоев.

Значения коэффициента mg для дощатоклееных балок разной высоты к приведены в пункте 3.2.д норм, значения коэффициента тсл — в пункте 3.2.е норм.

В двускатных балках при равномерно распределенной нагрузке сечение с максимальным нормальным напряжением не совпадает с положением максимального момента. Это сечение находится из общего выражения для нормальных напряжений

_ Мх _ glxlh — дх2/26дх(1— х)'

а" vx 6 (Ао 4- х tg а)=/626 (Ао-ф х tg а)2

Приравняв нулю выражение, полученное после дифференцирования, и сделав необходимые преобразования, найдем, что указанное сечение отстоит от опоры на расстоянии

х =/ДОц/2Лср.(VI.351

Для балок прямоугольного сечения из пакета досок необходимо производить расчет на устойчивость плоской формы деформирования по формуле

Сти^-М/Фм^бр-С^итдтсл,(VI. 36)

где М — максимальный изгибающий момент на рассматриваемом участке Zp; IVgP—максимальный момент сопротивления брутто на рассматриваемом участке /р.

Коэффициент фм для балок, шарнирно закрепленных от смещения из плоскости изгиба и закрепленных от поворота вокруг продольной оси, определяют по формуле

Фм = 140 (62/Ip/!)^,(VI. 37)

где Zp — расстояние между опорными сечениями балки, а при закреплении сжатой кромки балкн в промежуточных точках от смещения из плоскости (прогонами, ребрами панелей) расстояние между этими точками; b — ширина поперечного сечения; Л — максимальная высота поперечного сечения на участке 1$; Кф— коэффициент, зависящий от формы эпюры изгибающих моментов на участке Zp.

Устойчивость плоской формы деформирования балок двутаврового сечения следует рассчитывать в тех случаях, когда■

Zp>76,(VI.38)

где b — ширина сжатого пояса поперечного сечения.

Расчет следует производить по формуле

6c = Mfq>Wto<.Rcm6mcn,(VI.39)

где <р — коэффициент продольного изгиба из плоскости изгиба сжатого пояса; Rc— расчетное сопротивление сжатию.

Для гнутоклееных балок (см. рис. VI.18, в) при изгибающем моменте М, уменьшающем их кривизну, следует проверять радиальные растягивающие напряжения по формуле

(Во + П;)р—г VI. 40)

в крайнем волокне растянутой зо-в промежуточном волокне сеченияв крайнем волокне растянутой зо-в промежуточном волокне сечениягде <Го—нормальное напряжение ны; ст, — нормальное напряжение

в крайнем волокне растянутой зо-в промежуточном волокне сечения

в крайнем волокне растянутой зо-в промежуточном волокне сечения

для которого определяются радиальные растягивающие напряжения; hi — расстояние между крайним и рассматриваемым волокном; г, — радиус кривизны линии, проходящей через центр тяжести эпюры нормальных растягивающих напряжений, заключенной между крайним и рассматриваемым волокном; /?Раа—расчетное сопротивление древесины растяжению поперек волокон.

Скалывающие напряжения проверяют в сечении с максимальной поперечной силой Q. Проверяют по обычной формуле

т = QSJJb < RfK,(VI. 41)

где Q—расчетная поперечная сила; 3 — статический момент брутто сдвигаемой части поперечного сечения элемента; 7 — момент инерции брутто поперечного сечения элемента относительно нейтральной оси; 6 — ширина балки, а при двутавровом сечении — ширина стенки: b = bct", Rck — расчетное сопротивление скалыванию при изгибе для клееных элементов.

Если нагрузка приложена к нижнему поясу балок таврового или двутаврового сечения, обязательно делают проверку на отрыв нижней полки по эмпирической формуле

N«4bCTc,(\‘.42)

где бст — толщина стенки; с — ширина опирания нагрузки.

Кроме расчета на прочность балки должны быть проверены на прогиб от нормативной нагрузки. Полный прогиб балок может быть получен из общей формулы перемещений. Так как в балке, работающей на изгиб, нормальная сила отсутствует (jV„ = O), для определения прогиба будем иметь известную двучленную формулу

Ш^ (VI.43)

J J Gf и о

При равномерно распределенной нагрузке первый интеграл равен 5ун/4/384£У, а второй ^qHl2i&GFy Для балок малой высоты, когда //Л>20, второй интеграл, учитывающий влияние на прогиб касательных напряжений, не имеет большого значения и не учитывается. Однако, когда //Л <20, что всегда имеет место в главных балках, для которых это отношение находится в пределах 8—12, второй интеграл дает значительное увеличение прогиба и его следует учитывать. Особенно это относится к балкам двутаврового сечения.

Прогиб двускатных балок определяют с учетом переменного по длине момента инерции балок. Наибольший прогиб шарнирно опертых и консольных балок постоянного и переменного сечений с учетом влияния касательных напряжений практически вычисляют по формуле

f = f0/£[l+c(Wl, (VI.44) где f0 — прогиб балки постоянного сечения высотой h без учета деформаций сдвига; Л — наибольшая высота сечения; I — пролет балки; к — коэффициент, учитывающий влияние переменности высоты сечения, принимаемый 1 для балок постоянного сечения; с—коэффициент, учитывающий влияние деформаций сдвига от поперечной силы.

Значения коэффициентов к и с для основных расчетных схем балок приведены в табл. 3 прил 4 СНиП 11-25-80.

§ $.2. Клеефанерные балки

Клеефанерные балки состоят из фанерных стенок и дощатых поясов (рис. VI. 19). Поперечное сечение клеефанерной балки может быть двутавровым или коробчатым. Так как при этом пояса удалены от нейтральной оси, то материал в таких балках используется более эффективно.

Фанерная стенка помимо работы на сдвигающие усилия может воспринимать и нормальные напряжения (при условии, если волокна наружных шпонов расположены вдоль оси балки). Для лучшего использования несущей способности фанерной стенки целесообразно располагать фанеру так, чтобы волокна ее наружных шпонов были направлены вдоль оси балки. При продольном расположении волокон наружных шпонов модуль упругости фанеры примерно на 50 % больше, чем при поперечном их расположении, что предопределяет лучшее использование фанеры на сжатие и растяжение при изгибе на ребро. Кроме того, продольное расположение волокон наружных шпонов позволяет стыковать фанеру «на ус». При поперечном расположении волокон этих шпонов стыки можно выполнять только, используя накладки, что менее надежно; к тому же накладки перекрывают стык стенки лишь в чистоте между поясами и, таким образом, уменьшается момент инерции сечения в стыке.

Клеефанерные балки могут быть постоянной высоты, двускатными, а также с криволинейным верхним поясом (см. рис. VI.19, в). Радиус кривизны верхнего пояса кругового очертания определяют по уравнению окружности

8(йср-Ак)

где R— радиус кривизны верхнего пояса; йСр—высота балки в середине пролета; hK — высота балки на ее конце.

Одним из важных преимуществ клеефанерных балок с криволинейным верхним поясом по сравнению с двускатными является то, что они не имеют стыка в коньке и поэтому могут быть выполнены полностью безметаль- ными, что делает их более пригодными к применению в помещениях с агрессивной средой, в частности для химических производств.

Клеефанерные балки с плоской фанерной стенкой рекомендуется использовать для пролетов до 15 м. Их высоту обычно назначают в пределах Vs—712^ ПРИ этом следует учитывать стандартные размеры фанерных листов. Толщину стеики принимают не менее 8 мм.

Специфическая особенность клеефанерных балок — наличие в них тонкой фанерной стенки, которая требует специальных мер для ее закрепления от потери устойчивости. Придание жесткости фанерной стенке можно обеспечить двумя способами: а) постановкой дощатых ребер

6«

Рис. VI.19. Клеефанерные балки с плоской стенкой и с ребрами жесткости а — балка постоянной высоты, б —двускатная балка; в — балка с криволинейным очертанием верхнего пояса; г — стык фанерной стенки с накладками; д — стык фанерной стенки «на ус>

Г-£

Рис. VI.20. Клеефанерная балка с волнистой стенкой

жесткости (см. рис. VI.19); б) устройством волнистой стенки (рис. VI.20). Для придания волнистости стенке на копировальном станке в досках пояса выбирают криволинейные пазы клиновидного сечения, в которые на клею вставляют фанерную стенку.

Клеефанерные балки, так же как панели покрытия, рассчитывают с учетом различных модулей упругости древесины поясов и фанерной стенки по приведенным геометрическим характеристикам. Приведение осуществляют к материалу, в котором находят напряжения. При определении напряжений в поясах приведенные характеристики сечения вычисляют по следующим формулам:

^пр.д — ^д + Еф (Еф1Ед);(VI.46)

7пР.д = Ед + Еф(Еф/ЕдУ,(VI.47)

5пр.д=5д + 5ф(5ф/£д);(VI. 48)

^пр-д = ^пр.д/й/2,(VI.49)

где Ед, 1д, Sn — соответственно площадь, момент инерции и статический момент поясов; Еф, /ф и Кф — соответственно площадь, момент инерции и статический момент фанерной стенки; Еф — соответственно модуль упругости фанеры и древесины поясов.

Насчет балок с плоской фанерной стенкой при расположении волокон наружных шпонов фанеры вдоль

балки. Расчет клеефанерной балки производят с учетом работы фанерной стенки на нормальные напряжения. Одиако необходимо иметь в виду, что основная доля нормальных напряжений воспринимается поясами. Поэтому при определении напряжений надо сравнивать их с расчетным сопротивлением древесины растяжению и сжатию, а не изгибу, как это делается в обычных балках.

Расчетные формулы имеют следующий вид:

Op = MlWnp<Re;(VI. 50)

ас = M/Fup < ф£с.(VI • 51)

где Wnp — приведенный к материалу поясов момент сопротивления; Rp — расчетное сопротивление древесины поясов растяжению; Rc—расчетное сопротивление древесины поясов сжатию; qp—коэффициент продольного изгиба для пояса на плоскости изгиба.

В двускатных клеефанерных балках аналогично клееным из досок эпюра нормальных напряжений не повторяет эпюру моментов. Сечение с максимальным напряжением находится от опоры на расстоянии, вычисляемом по формуле, имеющей для балок двутаврового сечения более сложный вид, чем для балок прямоугольного сечения (см. рис. VI.35). В клеефанерных балках с криволинейным верхним поясом целесообразно проверять напряжения в ряде сечений по длине балки.

Прочность стенки в опасном сечении на действие главных растягивающих напряжений в балках двутаврового и коробчатого поперечного сечений следует проверять по формуле

аСТ/2 + / ("еЛ^ + ^т <«ф.ра.(VL 52)

где R ф ,,„ — расчетное сопротивление фанеры растяжению под углом о, определяемое по графику, приведенному на рис. 17, прил. 5 СНиП 11-25-80; аст — нормальные напряжения от изгиба на уровне внутренней кромки поясов; тСг — касательные напряжения в стенке на уровне внутренней кромки поясов; а — угол, определяемый нз зависимости

(VI.53)(VI.53)tg 2а — 2тст/ o"uj.

(VI.53)

(VI.53)

К опасным сечениям следует отнести опорное сечение балки и места приложения сосредоточенных нагрузок. Высоту балки на опоре определяют нз расчета иа сдвигающие усилия

(VI. 54)(VI. 54)т — QSnp/J пр 56ф ^ ^?ф.ср,

(VI. 54)

(VI. 54)

где Q—расчетная поперечная сила; Зпр, Л Р — приведенные статический момент и момент инерции балки; 56ф — суммарная толщина фанерных стенок: R».ср — расчетное сопротивление фанеры срезу.

В опорной зоне балок двутаврового сечения с криволинейным верхним поясом, где сдвигающие усилия максимальны, а высота сечения небольшая, суммарную толщину фанерной стенки можно увеличить, приклеивая с наружных сторон поясов две дополнительные фанерные стенки (см. рис. VI. 19,в). Дополнительные стенки обрывают в месте установки ребра жесткости. В этом же сечении надо сделать проверку основной стенки на действующие в сечении сдвигающие усилия.

Кроме того, в опорном сечении по ширине пояса может произойти скалывание между шпонамн фанеры. Расчетное сопротивление сдвигу между шпонами фанеры значительно меньше расчетного сопротивления скалыванию вдоль волокон древесины. Поэтому необходимо проверить напряжения в клеевых швах между шпонами фанеры по формуле

т ~ QSntJJпр S/tn ^ф.ск» (VI.55)

где 5Пр — статический момент пояса относительно - нейтральной оси поперечного сечения балки; /пр — приведенный момент ииерцни балки; Ж— расчетная длина шва. принимаемая равной суммарной ширине приклеенных к фанере деревянных элементов.

При наличии дополнительных фанерных стенок такую же проверку надо сделать в местах их обрыва.

Для того, чтобы придать тонкой фанерной стенке устойчивость, ставят ребра жесткости. Ширину ребер в опорных сечениях принимают равной ширине поясов. По длине балки ребра жесткости ставят на расстояниях Vs—‘Ло^ (^ — длина пролета).

В середине первой, а иногда и второй панели балки (считая за панель расстояние между ребрами жесткости) фанерная стенка должна быть проверена на устойчивость из плоскости. Сначала по обычным формулам вычисляют в середине панели нормальные ост и касательные Тст напряжения. Затем определяют критические напряжения:

(VI. 56)(VI. 56)(VI.57)(VI.57)

(VI. 56)

(VI. 56)

(VI.57)

(VI.57)

где 6ф — толщина фанерной стенки; ft0T — высота фанерной стенки в свету (между внутренними гранями поясов) i ^расч— расчетная высота стенки, которую принимают равной йсг при расстоянии между ребрами а>Аст и равной а при а<1гст.

Расстояние между ребрами жесткости предварительно задается, как это было указано выше. При принятом между ребрами расстоянии должно быть соблюдено следующее условие:

о/<ткр + т/тКр С 1. (VI.58)

Значения Ли и Лх принимают по прил. 5 СНиП П-25-80. Если условие (VI.48) не соблюдается, надо уменьшить расстояние между ребрами.

Прогиб клеефанерной балки находят с учетом влияния сдвигающих усилий по формуле (VI.34). При определении прогиба балки двускатного очертания необходимо учесть переменность момента инерции балки подлине.

Прогиб балки с криволинейным верхним поясом целесообразно определять, пользуясь общей формулой для перемещений

i z

V

C Мл Мп С Qq

G / dx + Sp dx, (VI. 59) ^^ J £ др J np J Одр Г up

где Mx, Qi — изгибающий момент и поперечная сила от единичной нагрузки (Р=1), приложенной в середине пролета балки по направлению прогиба; ЛЕ и Qq— то же, от действующей па балку нормативной нагрузки; Ем, дДР — модуль упругости и модуль сдвига древесины.

В связи с криволинейным очертанием балки при решении интегралов по методу Верещагина балку следует разделить по длине на ряд участков. В пределах каждого участка момент инерции и площадь принимают постоянными и вычисляют для сечений в середине каждого участка.

Расчет балок с волнистой стенкой. Расчет клеефанерных балок с волнистой стенкой отличается от расчета балок с плоской стенкой прежде всего тем, что фанерная стенка не может воспринимать нормальных напряжений, так как при изгибе балки она способна складываться или распрямляться, т. е. обладает податливостью. В результате податливости волнистой фанерной стенки полки балки будут упруго сдвигаться друг относительно друга. Поэтому иа основании исследований' балку с волнистой стенкой следует рассчитывать как составную на подат-

Исследования проведены канд. техн, наук Ю. К, Осиповым и д-ром техн, наук П. А. Дмитриевым в Новосибирском инженерно- строительном институте.

ливых связях. Роль податливых связей здесь играет волнистая стенка. Коэффициент податливости В вычисляют по формуле

(VI.60)(VI.60)л ■ ^д ^др

(VI.60)

(VI.60)

60 Is 6ф Оф ’

где Sn — статический момент пояса относительно оси балкн; Ею — модуль упругости древесины пояса; Оф — модуль сдвига фанеры; / — пролет балки; 6ф —толщина фанерной стенки.

Если обозначить (см. рис. VI.20) длину дуги волны по кривой SB, длину волны U, высоту волны в осях (1/12—l/18Za) h, центральный угол, образующий четвертую часть волны, а, то ka—Sjl^. Вычисляя, получим:

для синусоидального гофра

А„= 1+2,5(й//в)2,(VI.61)

для гофра типа сопряженных равных дуг окружности

Так как значение ha близко к единице, то в формуле (VI.60) его можно принимать равным единице.

Момент инерции балки как цельного элемента определяем без учета работы стенки

j =ьг~^Мн^ (VL63)

(обозначения приведены на рис. V1.20).

1кш~ 1 + (йп///)3;1кш~ 1 + (йп///)3;(VI. 64)(VI. 64)Коэффициенты, учитывающие податливость волнистой фанерной стенки, находят по следующим формулам: коэффициент, уменьшающий несущую способность балки

1

кш~ 1 + (йп///)3;

1

кш~ 1 + (йп///)3;

(VI. 64)

(VI. 64)

коэффициент, уменьшающий жесткость балки £,= 1Л+В.(VI.65)

Напряжения в растянутом поясе

<тр = м/ьш Го с Rp.(VI. 66)

Напряжения в сжатом поясе Oc^M/^W^^Rc,(VI. 67)

где ф— коэффициент продольного изгиба дли верхнего пояса из плоскости; W^IJlHg.

Таблица VI.6. Значения коэффициента fe2

Отношение fea//B

Коэффициент к2

1/12

0,45

1/15

0,41

1/18

0,39

Проверку балки по наибольшим сдвигающим усилиям производят, как правило, в опорном сечении. При этом определяют сдвигающие напряжения в соединении стенки с полками

т = QSU/ JbyaC4 ^ ^ф.ск >(VI *68)

где ЬРасч = 2а; Q — поперечная сила в сечении; S„ — статический момент полки относительно нейтральной осн балки; / — момент инерции балки; а — глубина паза; Лф.ск — расчетное сопротивление скалыванию клеевых швов между шпонами фанеры.

Кроме того, рассчитывают волнистую фанерную стенку на устойчивость по формуле

т =(VI. 69)

/6Ф <рв ф

где /?ф ср — расчетное сопротивление фанеры срезу; <рв—коэффиин- ент устойчивости волнистой фанерной стенки, определяемый из соотношения

ф» = Ткр/Тб = fel ^вст =(VI • 70)

где Тир — критическое сдвигающее напряжение; тс — безопасное сдвигающее напряжение фанеры, принимаемое 7,5 МПа; 6,— коэффициент, принимаемый по формуле 0,054 Ер £^ Сф; Л 2—по данным табл. VI.6; Яв.ст — гибкость волнистой стенки, определяемая по формуле

Хв.ст = th — 2ЛЦ) Убфйв ,(VI.71)

где h— высота балки; hn — высота пояса балки; hB— высота волны стеики; 6» — толщина стенки.

При определении прогиба балки надо учесть коэффициент, уменьшающий ее жесткость из-за податливости стенки, а также влияние на прогиб скалывающих напряжений.

Балки, армированные стальными стержнями

Хорошая адгезия заливочных компаундов на основе эпоксидных вяжущих не только к древесине, но также и

Рис. VL21. Балки, армированные стальными стержнями а — одиночное армирование; б — двойное армирование

к стали позволяет при ограниченном габарите балок по высоте увеличить их несущую способность, армируя их стальными стержнями (рис. VI.21,a, б). Компаунд обеспечивает надежную совместную работу арматуры и дерева, если давление при запрессовке во время изготовления балок будет 0,2—0,3 МПа. Склеиваемые поверхности древесины и стали должны быть без масляных пятен и пыли.

По исследованиям, проведенным канд. техн, наук В. Ю. Щуко в Новосибирском инженерно-строительном институте, предпочтительно в качестве арматуры использовать круглые стальные стержни периодического профиля с пределом текучести не менее 400 МПа.

Пазы в древесине для укладки арматуры выбирают фрезерным станком. Они могут быть полукруглыми или квадратными, размером, не превышающим диаметра арматуры более чем на 1 —1,5 мм. Процент армирования конструкции не должен превышать 3—4:

ц = №а!ЬН^ 100 « 3 - 4%. (VI. 72)

Расчетное сопротивление стальной арматуры принимают по нормам проектирования бетонных и железобе- 256

тонных конструкций СНиП 2.03.01—84. Рассчитывают армированные деревянные конструкции по приведенным геометрическим характеристикам, а их поперечное сечение рассматривают как цельное.

Приведенный к древесине момент инерции армированных балок прямоугольного сечения определяют при двойном симметричном армировании по формуле

Jnp^p + FaMh^,(VI. 73)

где па — коэффициент приведения стальной арматуры к древесине; /др = Ь/13/12;

па = £а/£др-1=20.(VI. 74)

При одинарном армировании определяют ^пр, центр тяжести приведенного сечения и далее момент инерции по формуле

^пр ~ ^др Ч- ^др (А с ж Ttp/2)2 —]— Fa па (Ар о)2. (VI. 75) Приведенные к древесине моменты сопротивления соответственно будут равны:

при двойном симметричном армировании

^пр = 27пр/й,(VI. 76)

при одинарном армировании

Ч^пр — 7пр/^сж >(VI.77)

где йсж — расстояние от оси балки до наиболее удаленного сжатого волокна древесины.

Нормальные напряжения

а = М1МПр<«„;(VI. 78)

касательные напряжения

т — QSnp/Jnp Ь 7^ск,(VI.79

где Snp — приведенный статический момент сдвигаемой части сечения относительно нейтральной оси приведенного сечения; b—ширина сечения; RtK — расчетное сопротивление скалыванию для клееных элементов.

Прогиб вычисляют как для клеедощатой балки с введением жесткости £Др/пр.

ГЛАВА 6. ДОЩАТОКЛЕЕНЫЕ КОЛОННЫ

Дощатоклееные колонны для зданий с напольным транспортом и подвесными кранами проектируют, как правило, постоянного по высоте сечения; Для зданий с

мостовыми кранами характерно применение колонн с уступом для укладки подкрановых балок (рис. VI.22). Колонны в фундаментах защемляют одним из способов, показанных на рис. VI.24.

Колонны рассчитывают: на вертикальные постоянные нагрузки от веса покрытия, стенового ограждения и собственного веса; на вертикальные временные снеговые нагрузки, нагрузки от кранов и различных коммуникаций, размещаемых в плоскости покрытия; на горизонтальные временные ветровые нагрузки и нагрузки, возникающие при торможении мостовых и подвесных кранов.

Поперечная рама, состоящая из двух колонн, защемленных в фундаментах и шарнирно связанных с ригелем (балкой, фермой, аркой), представляет собой однажды статически неопределимую систему (рис. VI.23). Продольное усилие в ригеле такой рамы

Х = Хш + Хд, (VI.80) где Xw=0,5(^5—117,).

От равномерно распределенной ветровой нагрузки на колонны

Х3 = 0/16) ЛГ(—^акЧ-4-оТ). (VL81)

От стенового ограждения (условно считая, что вертикальное усилие от стенового ограждения приложено по середине высоты колонны)

ХСТ = 9Л1СТ/8Я, (VI. 82) где МсТ = Рсче', е^КстГОЦ-кк/З — расстояние между серединой стенового ограждения и осью колонны.

После определения усилия в ригеле определяют изгибающие моменты и поперечные силы. Высоту сечения колонны /гк принимают в пределах 1/8—1/15/7; ширину b^hj^>. Принятое с учетом сортамента пиломатериалов и условий опирания ригеля на колонну сечение колонн проверяют на расчетное сочетание нагрузок; в плоскости рамы — как сжатоизгибаемый элемент; из плоскости рамы — как центрально сжатый элемент.

Предельная гибкость для колонн 120. При определении гибкости расчетную длину колонны в плоскости рамы принимают lQ—2,2H (при отсутствии соединения верха колонн с жесткими торцами здания горизонтальными связями). При вычислении гибкости колонны из плоскости рамы расчетную длину принимают равной рас-

Рис. VL22. Варианты догцатоклееных колонн

а — постоянного по высоте сечения: б — переменного по высоте сечения; в—с уступом для укладки подкрановых балок

Вид AВид AРис. VI.24. Варианты решения узла защемления колонн в фундаментах а — с использованием железобетонного элемента, прикрепляемого к колонне на вклеенных стержнях; б — с применением стальных траверс, прикрепляемых к колонне болтами; 1—вклеенные стальные стержни; 2 — анкерные болты; 3 — траверсы; 4— &М слоя толя; 5 — железобетонный элемент, заделываемый в фундамент; 6—железобетонный фундаментРис. VI.24. Варианты решения узла защемления колонн в фундаментах а — с использованием железобетонного элемента, прикрепляемого к колонне на вклеенных стержнях; б — с применением стальных траверс, прикрепляемых к колонне болтами; 1—вклеенные стальные стержни; 2 — анкерные болты; 3 — траверсы; 4— &М слоя толя; 5 — железобетонный элемент, заделываемый в фундамент; 6—железобетонный фундамент

Вид A

Вид A

Рис. VI.24. Варианты решения узла защемления колонн в фундаментах а — с использованием железобетонного элемента, прикрепляемого к колонне на вклеенных стержнях; б — с применением стальных траверс, прикрепляемых к колонне болтами; 1—вклеенные стальные стержни; 2 — анкерные болты; 3 — траверсы; 4— &М слоя толя; 5 — железобетонный элемент, заделываемый в фундамент; 6—железобетонный фундамент

Рис. VI.24. Варианты решения узла защемления колонн в фундаментах а — с использованием железобетонного элемента, прикрепляемого к колонне на вклеенных стержнях; б — с применением стальных траверс, прикрепляемых к колонне болтами; 1—вклеенные стальные стержни; 2 — анкерные болты; 3 — траверсы; 4— &М слоя толя; 5 — железобетонный элемент, заделываемый в фундамент; 6—железобетонный фундамент

Рис. VI.25. Схема к расчету узла защемления колонны в фундаменте

стоянию между узлами вертикальных связей, поставленных по колоннам в плоскости продольных стен.

Наиболее ответственным в колоннах является жесткий узел, который обеспечивает восприятие изгибающего момента. Для варианта узла, показанного на рис. VI.24, б, усилия в анкерах Na и анкерных болтах Na,6 находят, исходя из расчетной схемы, показанной на рис. VI.25.

При определении усилия Na снеговую и другие временные вертикальные нагрузки, не вызывающие изгибающего момента, не учитывают, момент берут максимальным.

Из двух условий равновесия

'N + Na-Dc = 0;(VI.83)

Мд — ^a Ла + По (х/3) = 0.(VI.84)

Вычисляем значения Na, подставляя соответствующее значение Dc (см. рис. VI.25).

Усилие в анкерном болте

Na.6 = Na/2-0,85,(VI.85)

где 0,85 — коэффициент, учитывающий возможную неравномерность усилий в анкерных болтах.

Необходимую площадь анкерного болта определяем по формуле

^С = Va.6-(VI.86)

где F”^ —площадь анкерного болта нетто (по сечению, ослабленному нарезкой); /?а.б — расчетное сопротивление стали, принимаемое по табл. 60 СНиП 11-23-81 (как для фундаментных болтов).

Отметим, что необходима также проверка фундамента на смятие под деревянной клееной колонной и прочности траверсы и крепления ее к колонне.

ГЛАВА 7. РАСПОРНЫЕ КЛЕЕНЫЕ ДЕРЕВЯННЫЕ КОНСТРУКЦИИ

Распорная система треугольного очертания

Распорную систему треугольного очертания проектируют с применением прямолинейных клеедощатых элементов, со стальной затяжкой или с опиранием непосредственно на фундаменты. Узлы в этой конструкции решают с эксцентриситетом (см. рис.VI.26),благодаря чему уменьшается расчетный изгибающий момент, который будет

^04 = ^-^=^-^. <VI-87> где Ма—момент от поперечной нагрузки; Л1№ — разгружающий момент от продольной силы; е — эксцентриситет.

При равномерно распределенной нагрузке

Mq^ql432. (VI .88)

Клееный элемент проверяют на прочность и устойчивость плоской формы деформирования по обычным формулам расчета сжато-изгибаемых элементов.

К недостаткам эксцентричного решения узлов относится концентрация скалывающих напряжений в зоне опирания, что учитывается введением коэффициента ^ск^К

Т — (QSpp/Jgp брасч) ^си> (VI.89)

где Q — расчетная поперечная сила; S$p — статический момент брутто сдвигаемой части сечения относительно нейтральной оси; /бр — момент инерции брутто поперечного сечения элемента относительно нейтральной осн; к№ — находят по графику рис. VI.27.

Следует ограничивать значение эксцентриситета. Рекомендуется принимать с ^0,15/1.

Дощатоклееные арки

Дощатоклееные арки применяют кругового или стрельчатого очертания с затяжками или с непосредственным опиранием на фундаменты или контрфорсы. При наличии затяжек пролеты арок обычно не превышают 24 м, при опирании на фундаменты или контрфорсы пролеты зданий, осуществленных в СССР, достигали 63 м (здание летнего катка в Архангельске). За рубежом имеются отдельные примеры применения арок с пролетами более 100 м.

Арки обычно склеивают из пакета досок прямоугольного по высоте сечения, что менее трудоемко. При больших пролетах может оказаться целесообразным применение арок переменного по высоте сечения, принятого с учетом изменения момента по длине арки.

Дощатоклееные арки бывают двух- и трехшарнирными (рис. VI.28). При пролетах до 24 м и //7=1/8—1/6 целесообразно применять двухшариириые арки как более экономичные во всех случаях, когда возможна 262

жесткостижесткости

жесткости

жесткости

Рис. VI.27. Коэффициенты hC\<, учитывающие опирание элемента частью сечения и концентрацию скалывающих напряжений

Рис. VI.28. Дощатоклееные арки.

а—двухшарнирная кругового очертания со стальной затяжкой; б — то же, трехшарнирная; в — трехшарнирная стрельчатого очертания с опиранием на фундаменты; г — коньковый узел арки и схемы работы накладок; д — опррный узел

транспортировка криволинейных элементов арок. Криволинейные арки, как правило, делают с постоянным радиусом кривизны, так как изогнуть доски по окружности легче. В дощатоклееных арках толщину слоев (досок после острожки) для удобства их гнутья целесообразно применять, как правило, не более 1/300 радиуса кривизны и не более 33 мм.

Коньковый узел в трехшарнирных арках можно выполнять с деревянными накладками на болтах, воспри-

нимающнми поперечную силу от временной нагрузки и обеспечивающими жесткость узла арки из ее плоскости. В случае, если распор воспринимается затяжкой, она выполняется из профильной или круглой стали.

Арки рассчитываются на нагрузки и воздействия в соответствии со СНиП II-6-74. В результате расчета арок определяют значения М, N, Q.

Нормальные напряжения в арках вычисляют по обычной формуле для сжато-изгибаемого стержня в сечении с максимальным изгибающим моментом и соответствующей ему нормальной силой:

^С = А/^нт + Л^д/Й^нт <: Rc ^гн тб ^СЛ )(VI. 90)

А1д = ^с/^ + Л1к.с/^.с; 5 = l-(VAo/3OOOf6p/?c),(VI.91) где No—значение сжимающей силы в ключевом сечении арки.

При отношении напряжений от изгиба к напряжениям от сжатия менее 0,1 производят расчет на устойчивость в плоскости кривизны арки по формуле

N о с = ~<: RG щГн my Щрл •(VI • 92)

Ф^расч

Расчетную длину арки /о при определении ее гибкости принимают: а) при расчете на прочность по деформированной схеме:

для двухшарнирных арок при симметричной нагрузке /0 = 0,355;

для трехшарнирных арок при симметричной нагрузке /о = 0,585;

для двухшарнирных и трехшарнирных арок при кососимметричной нагрузке — по формуле

/0 = nS/2 V^—а2,(VI. 93)

где а—центральный угол полуарки, рад; S — полная длина дуги арки.

Для трехшарнирных арок при расчете на несимметричную нагрузку расчетную длину допускается принимать /о = 0,585. Для трехшарнирных стрельчатых арок с углом перелома в ключе более 10° при всех видах нагрузок /о = О,55.

Расчет арок на устойчивость плоской формы деформирования производят по формуле Ш-39.

Клеевые швы проверяют на скалывание по формуле

QS/Jb^ cRCH,(VI.94)

Рис. VI.29. Опорный узел дотцатоклееной арки большого пролета

где Q — расчетная поперечная сила в арке; 5 — статический момент; I — момент инерции; b — ширина арки; /?си — расчетное сопротивление скалыванию для клееных элементов.

Накладки в коньковом узле рассчитывают на поперечную силу при несимметричном загружении арки. Накладки работают на поперечный изгиб. Изгибающий момент накладки (см. рис. VI.28, г).

M„ = Qex/2.(VI. 95)

Усилия, действующие на болты (см. рис. VI.28,г):

R^Q/O-e^);(VL96)

R^QKe^-YY(VI.97)

Несущую способность болтов определяют с учетом направления сил поперек волокон; она должна быть больше действующих усилий Rx, R^.

Крепление арки в опорных узлах рассчитывают на максимальную поперечную силу, действующую в этих узлах. В арках больших пролетов опорный и коньковый узлы конструктивно сложнее. Их можно выполнить,

например, с помощью специальных элементов, состоящих из стальных пластинок, соединенных стержнем из круглой стали (рис, VI.29).

Рамы

Рамные конструкции отличаются от арочных своим очертанием, которое сильно влияет на распределение изгибающих моментов в пролете. При ломаном очертании рамы в жестком карнизном узле при загружении как левой, так и правой половины рамы возникают моменты одного знака. В результате при загружении рамы по всему пролету угловые моменты сильно увеличиваются, что ограничивает длину пролетов, перекрываемых рамами, до 18—30 м.

Рамы могут воспринимать горизонтальные нагрузки, обеспечивая поперечную устойчивость здания без защемления стоек и без устройства жестких поперечных стен. Рекомендуется делать рамы трехшарнирными, так как в статически определимых системах не происходит перераспределения усилий при деформировании под длительно действующей нагрузкой, что обеспечивает соответствие их расчетным усилиям.

Дощатоклееные гнутые рамы. Дощатоклееные гнутые рамы (рис. VI.30) выполняют трехшарнирными, что облегчает их изготовление, транспортирование и монтаж. Криволинейность карнизных узлов достигается выгибом слоев (досок) по окружности при изготовлении рам. Радиус кривизны обычно невелик и составляет 2—4 м. Так как по условиям гнутья отношение радиуса кривизны к толщине слоя (^/6) не может быть меньше 150, то толщина слоев для изготовления дощатоклееных гнутых рам после фрезерования будет составлять не более 1,6— 2,5 см. Следовательно, дощатоклееные гнутые рамы более трудоемки в изготовлении, чем арки и требуют большего расхода древесины и клея. Кроме того, расчетное сопротивление изгибу уменьшается умножением на коэффициент гнутья, меньший единицы.

Сечение рамы делают прямоугольным, а высоту сечения— переменной по длине, что достигается уменьшением числа досок в пакете с внутренней стороны рамы. Постепенное плавное изменение высоты сечения (рис. VI.30, а) предпочтительнее с архитектурной точки зрения, но технологически менее выгодно. Менее сложно и

Рис. VI.30. Дацатоклееные гнутые рамы

а —с переменной высотой сечения; б — со ступенчатым изменением высоты сечеиия

ЗаготобкаЗаготобка9££ 1 Ш9££ 1 Ш

Заготобка

Заготобка

9££ 1 Ш

9££ 1 Ш

Рис. V1.31. Доцатоклееная гнутая рама пролетом 18 м

Рис. V1.32. Расчетная схема к определению напряжений в криволинейной части гнутоклееных рам

трудоемко изготовление дощатоклееных гнутых рам с применением ступенчатого изменения высоты сечения (рис. VI.30,б), которые разработаны для пролетов 12 и 18 м (рис. VI.31). Рамы работают на сжатие и поперечный изгиб.

В связи с переменностью высоты сечения нормальные напряжения следует проверять в различных местах рамы по длине. Нормальные напряжения находят по формулам для сжато-изгибаемого стержня:

о = NgiFjHI -J- Л!д^/1Г<НТ кгв с Rc mrH mg тсл; (VI. 98)

Мм =Mtl^ ^ = 1 -(Аг^/ЗООО^др^),

где Nt, Mi — нормальная сила и изгибающий момент в рассматриваемом сечении; Рцр и 1Г,Н1 — площадь и момент сопротивления рамы в рассматриваемом сечении; X — гибкость рамы, постоянная для всех сечений рамы; ктй — коэффициент к расчетному сопротивлеиню, учитывающий криволинейность эпюры напряжений (рис. VI.32).

Коэффициент А,.Б определяют по формулам: а) при проверке напряжений по внутренней кромке

(VI.99)(VI.99)_ 1 — О,5Л/гkrB~ 1—0,17й/г ’

(VI.99)

(VI.99)

при проверке напряжений по наружной кромке

(VI. 100)(VI. 100)1 + 0,5й/г1+0,17й/г

(VI. 100)

(VI. 100)

Расстояние z от центральной оси поперечного сечения до нейтральной оси находят по формуле

г=№№. (VI.10!)

При переменной высоте прямоугольного сечения рамы ее гибкость можно вычислить приближенно

А =/расч/0,289/^.33, (VI. 102) где /расч — расчетная длина, равная длине полурамы по осевой линии; Лср.вэ — средневзвешенная высота сечения рамы;

/ l \ I / \

Лср.вз= ■ (VI.ЮЗ)

\ и / / \ и /

Дощатоклееные рамы из прямолинейных элементов. Дощатоклееные рамы из прямолинейных элементов (рис. VI.33, а—VI.33, е) более технологичны, чем дощатоклееные гнутые рамы, так как на заводе собирают и склеивают из прямолинейных досок отдельно стойку и ригель каждой полурамы.

Наиболее сложным у рам П-образного очертания является карнизный узел (соединение стойки с ригелем), где действует максимальный изгибающий момент.

Рамы пролетом 12 и 18 м иногда проектируют с карнизным узлом, решенным с помощью косынок из фанеры марки ФСФили лучше бакелизированной 1 (рис. VI.33, в). Фанерные косынки, приклеиваемые к стойке и ригелю, перекрывают стык, воспринимая нормальное усилие и изгибающий момент. Клеевой шов проверяют на скалывание.

Недостаток такого решения — возможность разрушения клеевого шва при усушке и разбухании пакета досок, приклеенного к фанерной косынке больших размеров. В последнее время шире применяют соединение стойки с ригелем на зубчатый шип (рис. VI.33,г).

Более надежны рамы из прямолинейных элементов с ригелем, имеющим консоли и опирающимся шарнирно на стойки и подкосы (рис. VI.33, д, е). Элементы таких рам работают как сжато-изгибаемые стержни и должны быть рассчитаны на действующие в сечениях нормальные усилия, изгибающие моменты и поперечные силы.

Получили применение в строительстве рамы с соединением ригеля в карнизном узле на зубчатый шип. Расчет этих рам производят на прочность и устойчивость плоской формы деформирования. При проверке напряжений по биссектрисному сечению, в котором элементы соединяются на зубчатый шип, учитывают как техноло-

гическое ослабление, так и криволинейность эпюры напряжений

"с = Л'/Йт ^нт + ^т ^нт < R^ тб тсл =<VI • °4)

^ = ^/6; FHT = bh6, где йт —• коэффициент технологического ослабления сечения, принимаемый для элементов постоянного сечения 0,8 и для элементов переменного сечения 0,9; /1г,—высота бнссектрисного сечения; г]— коэффициент, учитывающий криволинейность эпюры напряжений (рис. VI.34); а — угол между биссектрисой и нормалью к оси стойки, °..

т] = (1 — 0.0534К®).(VI.105)

В растянутой зоне бнссектрисного сечения должны быть проверены напряжения растяжения по формуле

»р =—(VI • 106>

FHT k^ ^нт^тЛ/^и

где к — безразмерный коэффициент, принимаемый по графику, приведенному на рис. VI.35; Rp, Rk — соответственно расчетные сопротивления древесины растяжению и изгибу вдоль волокон; /?р7— расчетное сопротивление древесины растяжению под углом а.

Клеефанерные рамы (рис. VI.36) в поперечном сечении могут быть двутавровыми или коробчатыми. Фанеру, как и у клеефанерной балки, лучше располагать так, чтобы волокна рубашек были параллельны оси рамы. Карнизный узел решают с применением стальных накладок (рис. VI.36, б) или с помощью специальных гнутоклееных фанерных вставок ’, являющихся закруглен-

Рис. VI.33. Дощатоклееные рамы из прямолинейных элементен п—е соединением в карнизном узле иа нагелях; б — деталь карнизного узда; е—С карнизным узлом и накладками из фанеры-, г —с карнизным уэ- лим, соединенным зубчатым типом; д — с консолями и ригелями, опирающимися на стойки и подкосы; е — с консолями и ригелем, опирающимся на под-

Рис. VI.34. Значения коэффициента кРис. VI.34. Значения коэффициента кРис. VI.35. Расчетная схема к определению напряжений по биссектрисному сечению карнизного узлаРис. VI.35. Расчетная схема к определению напряжений по биссектрисному сечению карнизного узла

Рис. VI.34. Значения коэффициента к

Рис. VI.34. Значения коэффициента к

Рис. VI.35. Расчетная схема к определению напряжений по биссектрисному сечению карнизного узла

Рис. VI.35. Расчетная схема к определению напряжений по биссектрисному сечению карнизного узла

Рис. VI.36. Клеефанерная рама

й — общий вид; б — деталь карнизного узла со стальной накладкой; в — карнизный узел с гнутоклееными вставками из шпона

ным продолжением прямолинейных поясов ригеля и стойки (рис. VI.36, в). Гнутоклееные фанерные вставки соединяют с прямолинейными досками поясов рамы зубчатым шипом. Стыки располагают вразбежку.

Испытания клеефанерных рам выявили необходимость проверки фанерной стенки на главные напряжения. Для приближенного расчета можно проверить прочность фанерной стенки сравнением расчетного сопротивления фанеры под углом 45° к направлению волокон (Д45) с главными напряжениями

о72 — 1 /2 К а2 + 4т2 < Rte, (VI. 107) где а, т — нормальное и касательное напряжения в стенке на уровне внутренней кромки сжатого пояса.

Клеефанерные рамы следует рассчитывать не только по прочности, но и по деформациям. При расчете аналогично клеефанерным балкам принимают приведенные геометрические характеристики сечения.

РАЗДЕЛ VII. ПЛОСКОСТНЫЕ СКВОЗНЫЕ ДЕРЕВЯННЫЕ КОНСТРУКЦИИ

ГЛАВА 1. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ

Основные формы плоскостных сквозных деревянных конструкций

Конструкции, состоящие из поясов и связывающих их решеток, называют сквозными. Пояса в сквозных деревянных конструкциях могут состоять из одного или нескольких ветвей, которые, в свою очередь, могут быть цельного или составного сечения.

Решетка состоит из отдельных стержней — раскосов и стоек. Применение решетки вместо сплошной стенки уменьшает расход материала на конструкцию. Однако в отличие от сплошных плоскостных конструкций в сквозных имеются узловые соединения элементов решетки между собой и с поясами, требующие специальных средств соединения.

Тип конструкций — сквозных или сплошных выбирают на основе технико-экономических данных. Кроме этого, необходимо учитывать назначение помещения и требования пожарной безопасности. Так, например, при эксплуатации конструкции в условиях повышенной химической агрессивности среды сквозные деревянные конструкции не рекомендуют к применению, так как на открытых горизонтальных поверхностях элементов конструкции накапливается много агрессивной пыли, которая соединяясь с влагой в воздухе образует кислоты и щелочи, приводящие к разрушению древесины. В то же время увеличение поверхности деревянной конструкции и применение деревянных элементов небольшого поперечного сечения повышает пожарную опасность здания. Положение и в том и в другом случае усугубляется еще из-за того, что по сравнению со сплошными деревянными конструкциями в сквозных намного больше металлических включений (растянутые элементы и элементы соединений). Применение сквозных плоскостных конструкций с клееными элементами большого сечения и длины сокращает число элементов и узлов в конструкции и повышает их огнестойкость.

Высокая стоимость клееной древесины и конструкций из них, а также необходимость мощной индустриальной базы для производства клееных деревянных конструкций делает целесообразным во многих случаях использование брусчатых сквозных конструкций со сравнительно большими сечениями брусьев.

Дощатые сквозные плоскостные конструкции наиболее пожароопасны. Кроме того, в них больше проявляется влияние пороков древесины на прочность элементов. Применявшиеся до настоящего времени дощатые конструкции с соединениями на гвоздях имеют недостатки, главный из которых — большая трудоемкость их изготовления. В некоторых случаях для зданий и сооружений V степени огнестойкости допускается использование дощатых ферм на механических связях усовершенствованного вида (нагельные пластинки различных видов и металлические зубчатые пластинки).

Сквозные деревянные конструкции применяют, как правило, в статически определимых системах как в отношении опорных закреплений, так и решения решетки. Вследствие податливости применяемых в деревянных конструкциях соединений, а также деформации древесины от сушки и увлажнения в статически неопределимых системах может произойти перераспределение усилий в элементах сквозных конструкций вплоть до изменения знака действующих усилий. Поэтому сквозные деревянные конструкции не рекомендуется использовать в статически неопределимых системах.

Различают два типа сквозных плоскостных конструкций (табл. -VI. 1), балочные и распорные. Основными применяемыми сквозными плоскостными деревянными конструкциями в покрытиях являются фермы. -

В современном строительстве наиболее широко применяют фермы сегментные с криволинейным клееным верхним поясом, многоугольные и треугольные. В некоторых случаях, например, для покрытия многопролетных промышленных зданий, рациональны трапециевидные, односкатные и двухскатные фермы. Фермы с разрезными и неразрезными поясами рассчитывают по деформированной схеме с учетом податливости узловых соединений. Усилия в элементах ферм следует определять в предположении шарнирности узлов.

Таблица VII.1. Сквозные деревянные конструкции

Вид и схема

1

Многоугольные брусчатые фермы с металлическим нижним поясом

Треугольные . четырехпанельные со сжатыми раскосами и металлическим поясом

L м

нн

кс в

V %

2

3

4

&

12

1/6-1/7

3—4

25—35

15

1/6-1/7

3—4

25—35

18

1/6—1/7

3—4

25—35

21—20

1/6-1/7

3—4

25—35

Клее-

ные

12—24

1/5-1/7

4—5

20-30

Брусчатые 9—12

Вид и схемаZ, мИЦ*с. в

ч- %

1234

5

Треугольные фермы из бревен и брусьев на лобовых срубках

10—201/4 6—4,5

15—20

Треугольные фермы из брусьев на лобовых врубках с металлическим нижним поясом

10—18 1/5—1/4 4—2,5 30—3510—18 1/5—1/4 4—2,5 30—35

10—18 1/5—1/4 4—2,5 30—35

10—18 1/5—1/4 4—2,5 30—35

Дощатые с соединениями на металлических зубчатых пластинках

9—15 1/5—1/7 2,5—33—59—15 1/5—1/7 2,5—33—5

9—15 1/5—1/7 2,5—33—5

9—15 1/5—1/7 2,5—33—5

Ширенгельные системы

6—15 1/8—1/48—620—25

Вид и схема

1

Арки сквозные

20—60

1/7—1/4 hjl =

= 1/25— — 1/15

высота 6—15

h6fh. =

=1/5—

-1/8

„масса фермы

Примечание. 6М = 100 %

масса металла

Выбор материала элементов сквозных конструкций

Отбор древесины при ее применении для растянутых элементов должен быть тщательным, так как ее пороки отрицательно влияют на прочность при растяжении. Несколько в лучшем положении находятся растянутые элементы из клееной древесины, поскольку в склеиваемых досках предварительно можно вырезать места с пороками, а их соединения, выполненные на зубчатый шип, расположить вразбежку. Это объясняет оправданное использование в качестве нижних поясов ферм клееной древесины, особенно с точки зрения повышения огнестойкости конструкции по сравнению с фермами с металлическим нижним поясом (а также стойкости к воздействию химически агрессивных сред).

При применении сквозных конструкций в обычных условиях целесообразно растянутые элементы делать металлическими. В фермах на растяжение работают обычно нижний пояс и подвески. Элементы сквозных конструкций, работающих на сжатие с изгибом, в частности верхние пояса ферм при внеузлояом приложении поперечной нагрузки, выполняют из клееных элементов больших размеров поперечного сечения и значительной длины.

В фермах из брусьев относительно небольшого поперечного сечения верхний пояс иногда выполняют из двух брусьев. Верхний брус служит для восприятия нагрузок от элементов кровли и передачи их на ближайшие узлы, а нижний брус воспринимает только сжимающие силы и проверяется на продольный изгиб с расчетной длиной, равной длине панели верхнего пояса. В этом случае упор нижнего бруса в узловые детали и одного в другой в стыках осуществляется без эксцентриситета.

Решетку в деревянных сквозных плоскостных конструкциях выполняют из элементов прямоугольной формы поперечного сечения из цельной или клееной древесины. В некоторых случаях, например в треугольных фермах, растянутые элементы — стойки выполняются из круглой гладкой стали.

Внецентренное приложение продольных сил в верхнем поясе и местах примыкания решетки.

Учет эксцентриситета действующих сил

В верхнем поясе ферм, выполненном из прямолинейных элементов от действия внеузловой поперечной нагрузки, возникают значительные изгибающие моменты. Чтобы уменьшить сечение верхнего пояса, стремятся снизить действующие в них изгибающие моменты, создавая разгружающий момент обратного знака эксцентричным приложением нормальной силы. Для этого в узлах и стыках верхнего пояса упор элементов в узловые детали или (в стыках) одних в другие производят только нижней частью сечения. Эксцентриситет может быть различным. Нередко его определяют из условия равенства абсолютных значений момента в яролете от нагрузки в панели верхнего пояса, деленного на коэффициент д, и момента от эксцентриситета е

Mq^ = MN=Ne; e^MqfN^.

По абсолютной величине эксцентриситет ие должен превышать 1/4 высоты сечения пояса или, другими словами, опирание концов элементов верхнего пояса в узлах должно быть не менее половины сечения во избежание возможного разрушения от скалывания.

Кроме нагрузки от ограждающих конструкций покрытия фермы могут нести также нагрузку от чердачного перекрытия и подвесного потолка.

Последний применяют в случаях, когда по архитектурным и технологическим требованиям следует оградить объем перекрываемого помещения от конструкций кровли. Потолок следует подвешивать к узлам нижнего пояса, чтобы не вызывать изгибающих моментов в элементах нижнего пояса между узлами. Утеплитель, используемый в подвесном потолке, должен находиться ниже нижнего пояса на 15—20 см. В фермах с клееным верхним поясом возможна внеузловая подвеска к верхнему поясу. Основные прогоны подвесного потолка могут быть расположены вдоль здания под узлами нижнего пояса или поперек здания вдоль фермы под ее нижним поясом.

При подвесном потолке лучше принимать сближенное размещение ферм вдоль здания, располагая их на расстоянии менее 6 м, что позволяет выполнять прогоны подвесного потолка разрезными. Крепление подвесного потолка к фермам должно быть таким, чтобы имелась возможность его подтяжки как во время постройки, так и при эксплуатации. К примеру, рационально устройство подвесного потолка при треугольных фермах благодаря наличию в них растянутых металлических стоек, на которые передается нагрузка оТ подвесного потолка. Ин- дустриальна конструкция подвесного потолка в виде панелей, аналогичных панелям покрытия, но без верхней обшивки. Вся поверхность утеплителя в этом случае открыта со стороны чердака и поэтому осушающий продух здесь не требуется.

При действии на фермы только узловых нагрузок передача усилий от верхнего пояса на опорный башмак происходит через торец опорной панели, опиленной перпендикулярно оси верхнего пояса. Если же на опорную панель действует внеузловая поперечная нагрузка, то плоскость упора верхнего пояса в нижиий уже не нормальна к продольной оси верхнего пояса. В таком случае опорную пластину следует повернуть. Плоскость упора должна быть перпендикулярна к равнодействую-

Рис. VII.1. Поворот плоскости упора в опорном узле при наличии местной нагрузки, в панелиРис. VII.1. Поворот плоскости упора в опорном узле при наличии местной нагрузки, в панелиРис. VIL2. Учет внецентрепнО' го прикрепления решетки а —в узле нижнего пояса; б —в коньковом узлеРис. VIL2. Учет внецентрепнО' го прикрепления решетки а —в узле нижнего пояса; б —в коньковом узле

Рис. VII.1. Поворот плоскости упора в опорном узле при наличии местной нагрузки, в панели

Рис. VII.1. Поворот плоскости упора в опорном узле при наличии местной нагрузки, в панели

Рис. VIL2. Учет внецентрепнО' го прикрепления решетки а —в узле нижнего пояса; б —в коньковом узле

Рис. VIL2. Учет внецентрепнО' го прикрепления решетки а —в узле нижнего пояса; б —в коньковом узле

щей нормальной силы N и поперечной силы Q от местной нагрузки в панели опорного узла (рис. VI 1.1). Подобные повороты плоскости упора полезны во всех узлах, но усложняют изготовление ферм, поэтому их целесообразно делать только в опорных узлах.

Элементы решетки, ферм, сходящиеся в узле, следует центрировать за исключением некоторых типрв ферм, например в фермах на нагелях, где для их расстановки требуется много места в узле, допускается внецентрен- ное прикрепление решетки. Это вызывает в поясах изгибающие моменты, учитываемые в расчете, и увеличивающие сечение пояса. Изгибающий момент определяют как произведение равнодействующей усилий в узле на плечо этой равнодействующей или как сумму моментов, каждый из которых представляет собой произведение усилия во внецентренно прикрепляемом элементе на соответствующее плечо. Считается, что изгибающий момент воспринимается поясом, так как элементы решетки имеют сравнительно небольшую жесткость защемления.

При внецентренном прикреплении решетки в узле нижнего (рис. VII.2) пояса изгибающий момент равен алгебраической сумме:

МЭкс = MJe = £*i ei + ^г ег-

где MJ— разность усилий в соседних панелях нижнего пояса; Di, D2 — усилия во внецентреино прикрепленных раскосах; еь сг — соответствующие эксцентриситеты.-

При отсутствии стыка в панелях нижнего пояса, смежных с эксцентрично решенным узлом, можно считать, что момент распределяется между смежными панелями пояса поровну. При наличии стыка момент воспринимается одной панелью, не имеющей стыка.

Нижний пояс проверяют на внецентренное растяжение в узле. При внецентренном прикреплении решетки в коньковом узле верхнего пояса с восходящими раскосами при загружении всего пролета.моменты невелики н расчетным здесь является узловой момент при односторонней нагрузке, который может быть определен следующим образом (см. рис. VII.2). Произведя вертикальный разрез по оси конькового узла и отбросив левую часть фермы, заменйв ее действие на правую часть соответствующими силами, получим в ковьковом узле горизонтальную нормальную силу от действия постоянной q и временной нагрузки Р

N — (2q-\-Р) I4\6h

и поперечную силу Q = Pl/S.

Равнодействующая этих сил Ri, сложенная с узловой нагрузкой q-V-P/2 левой половины конькового узла, дает изгибающий момент

Мэкс " Rl С1 , на который и рассчитывают верхний пояс в узле как вне- центренно-сжатый элемент, но без введения коэффициента £.

Деформации сквозных конструкций -

Деформации (прогибы) сквозных конструкций являются следствием не только упругих деформаций элементов и соединений в узлах и стыках, но и рыхлых деформаций, например от неплотностей в соединениях при их изготовлении. Кроме того, с течением времени возникают деформации последействия, существенно увеличивающие общие деформации конструкций. Увеличение прогибов происходит преимущественно в первые два-три года эксплуатации, когда древесина еще не достигла равновесной влажности и когда покрытие в первый раз загружается полной нагрузкой. В последующие годы в иор-

мально работающих конструкциях приращение прогиба, как правило, невелико. Испытания металлодеревянных ферм кратковременной нагрузкой показали, что прогиб их под нормативной нагрузкой составляет 1/1000— 1/1250, а перед разрушением 1/200—1/300 пролета.

В цельнодеревянных фермах прогибы обычно больше, чем в металлодеревянных, так как в них имеется большое число элементов и узлов, соответственно большее количество мест смятия, в особенности под углом и поперек к волокнам. Деревянный нижний пояс, имеющий стыки на податливых связях—нагелях, также способствует увеличению деформаций. Испытания показывают, что прогибы цельнодеревянных ферм под нормативной нагрузкой составляют 1/500— 1/1000, а перед разрушением 1/125—1/200 пролета. В фермах с клееным ннжним поясом при стыковании досок по длине с помощью зубчатого соединения прогибы будут меньше.

Во многих случаях может возникнуть необходимость определения прогибов сквозных деревянных конструкций расчетом (например, . при разработке ферм новых типов, в особенности, если они имеют небольшую высоту или новое конструктивнде решение, а также при сравнении прогибов, определенных экспериментальным и теоретическим методами). Прогибы ферм могут быть вычислены по известной формуле строительной механики

f = SN1Np UEF,

где Nx — усилие в элементах фермы от единичной силы, приложенной в том узле, в котором определяется прогиб фермы; Ыт — усилие в элементах фермы от действующей па нее нагрузки; I — длина элемента; Е — модуль упругости материала элементов фермы; F — площадь поперечного сечения элементе.

Суммируют по всем элементам фермы. В деревянных или металлодеревянных фермах прогиб, определенный по приведенной формуле будет занижен, так как в ней учитываются только упругие удлинения или укорочения материала элемента, но не принимаются во внимание деформации в соединениях — в узлах ферм и в стыках элементов, учет которых обязателен, так как они значительно увеличивают прогиб.

В соединениях при полном использовании их расчетной несущей способности по нормам принимают следующие предельные деформации: при соединении на нагелях всех видов (в том числе и в стыках) 2 мм; в примыканиях деревянных элементов под прямым углом 284

мм. При неполном использовании расчетной несущей способности соединений значение деформации принимают пропорционально действующему на соединение усилию. Приведенные значения деформаций даны с учетом длительности действия нагрузки при условии качественного выполнения соединений.

При определении прогибов деформации в соединениях учитывают введением в последнюю формулу приведенной площади сечения элемента, определяемой из выражения

где 56Сдв — сумма узловых деформаций для данного стержня. Таким образом, прогиб фермы с учетом деформаций

соединений

Г^М^рПЕРприв.

Для уменьшения видимого провисания ферм последним при изготовлении придают строительный подъем (обратный выгиб нижнего пояса), принимаемый 1/200 пролета, но не менее значения прогиба фермы. При соблюдении рекомендуемых нормами соотношений между высотой фермы и ее пролетом и при качественном изготовлении конструкции прогиб можно не вычислять, достаточно придать фермам строительный подъем указанной величины.

ГЛАВА 2. СЕГМЕНТНЫЕ КЛЕЕНЫЕ ФЕРМЫ

2.1. Конструкция сегментных ферм с разрезным и неразрезным клееным верхним поясом

Верхний пояс клееных сегментных ферм очерчен по дуге и разбит на панели крупных размеров. В современном строительстве применяют главным образом металлодеревянные сегментные фермы с клееным верхним поясом и с прямолинейным нижним поясом из профильной иЛи круглой стали (рис. VII.3). Пролеты клееных ферм рекомендуется принимать до 36 м.

Сегментные фермы можно изготовлять и значительно больших пролетов, а при обеспечении надлежащего контроля за качеством нижние пояса выполнять клее-

Рис. VII.3. Сегментная клееная ферма пролетом 18 м перед монтажом.

ными, причем очертание нижних поясов может быть не только прямолинейным, но и криволинейным (рис.

VII.4). Далее рассматриваются сегментные фермы с прямолинейным нижним поясом. Отношение высоты ферм к пролету рекомендуется принимать не менее 1/6 в случае прямолинейного клееного н не менее 1/7 в случае металлического нижнего пояса.

Верхний пояс сегментных ферм рекомендуется изготовлять неразрезным на весь пролет, однако в некоторых случаях это невозможно осуществить по условиям транспортирования или заводской технологии. Тогда верхний пояс может быть изготовлен неразрезным на его половину или состоящим из отдельных блоков, соединяемых в узлах. Стыки гнутоклееных блоков выполняют непосредственным упором торцов или через сварные вкладыши в узлах, закрепленных от выхода из плоскости фермы.

В конструктивном отношении верхний пояс представляет собой пакет, склеенный из досок плашмя, имею- ющий прямоугольное сечение шириной b и высотой" h. Поясам сегментных ферм следует придавать строительный подъем, равный 1/200 пролета.

Элементы решетки сегментных ферм изготовляют либо из брусьев, либо из клееной древесины. В сквозных 286

Рис. VH.4. Сегментная ферма пролетом 80 м с клееным верхним и нижним поясами

конструкциях наибольшие трудности вызывает решение узлов. Чем меньше элементов сходится в узле и чем меньше усилия в этих элементах, тем проще конструкция узлов. В этом отношении сегментные фермы являются выгодной конструкцией, так как в ней применяется треугольная решетка и в узлах сходится не более двух элементов, которые центрируют в этих узлах. Очерта-

ние верхнего пояса близко к кривой давления от нагрузки, равномерно распределенной по всему пролету, и усилия в решетке сравнительно малы. Число панелей верхнего и нижнего пояса, а следовательно, и число раскосов зависит от размера пролета. Следует стремиться использовать минимальное число панелей и принимать длину панелей верхнего пояса не менее 6 м. В табл. VII.1 рис. 1—4 показаны схемы сегментных ферм для пролетов 12—36 м.

Фермы пролетом до 24 м включительно желательно полностью изготовлять на заводе и доставлять на место установки в готовом виде.

Конструкция узлов верхнего пояса различна при разрезном и неразрезном поясе (рис. VII.5). В обоих случаях к концам раскосов прикрепляют на болтах металлические пластинки—наконечники, имеющие в свободном конце отверстие для узлового болта.

При разрезном верхнем поясе в его стыке помещают металлический вкладыш (см. рис. VII.5), зажатый между сходящимися в узле торцами элементов верхнего пояса. Узловой болт расположен в центре вкладыша. Усилия от раскосов через пластинки-наконечники воспринимаются узловым болтом, который передает их равнодействующую на металлический вкладыш, а последний— на верхний пояс. Стык верхнего пояса перекрывается деревянными накладками на болтах. Работа узлового болта в металле с последующим распределением усилия по большой поверхности соприкасания вкладыша с торцами верхнего пояса, отсутствие скалывания, шарнирность в присоединении элементов решетки и простота сборки — положительные особенности данного решения узла. Передача усилия в стыках и узлах вдоль волокон древесины уменьшает вредное влияние усушки на деформацию ферм.

Узел разрезного верхнего пояса может не иметь металлического вкладыша. В этом случае торцы панелей верхнего пояса упираются один в другой. Стык перекрывается парными деревянными накладками на болтах. Между панелями верхнего пояса и парными накладками в специально выбранных в накладках пазах помещают наконечники раскосов, выполненные из полосовой стали. Наконечники крепятся к верхнему поясу и к парным накладкам узловым болтом, который хотя фактически работает как четырехсрезный болт, в расче- 288

m-61m-61ЕЕ

m-61

m-61

Е

Е

Рис. VII.5. Конструкции узлов клееных сегментных ферм с разрезным и неразрезным верхним поясом

о—ферма с разрезным верхним поясом, состоящим из отдельных блоков, соединяемых в узлах; б — ферма с неразрезным верхним поясом на половине пролета; в — ферма с неразрезным верхним поясом на весь пролет

те обычно рассматривают как трехсрезный болт (этим учитывают разрезность верхнего пояса в месте расположения болта).

В случае сегментных ферм с неразрезным верхним поясом рекомендуется нижний пояс разбивать на панели одинаковой длины. Верхний пояс таких ферм следует разбивать так, чтобы первые от узла панели не превышали 0,7 длины остальных панелей одинаковой длины.

При неразрезном верхнем поясе конструкция его узлов несколько меняется, хотя основной принцип решения остается неизменным (см. рис. VII.5). Узловой болт проходит через отверстие в металлических пластинках — накладках, прикрепленных к верхнему поясу с обеих сторон в месте узла с помощью стальных нагелей.

Элементы решетки к верхнему поясу обычно прикрепляют с помощью стальных пластинок—наконечников. Последние соединяются с элементами решетки глухими стальными нагелями. В этом случае отверстия в металлических пластинках — наконечниках могут быть просверлены заранее. При использовании сквозных нагелей отверстия для них надо одновременно сверлить в металлических пластинках — наконечниках и в деревянном верхнем поясе, что вызывает известные затруднения. При раздельном сверлении отверстия в металле и дереве могут не совпадать. Только при высоком уровне механизации изготовления ферм и применении точных шаблонов и кондукторов (как это делается в металлических фермах, собираемых, например, на болтах) можно добиться хорошего качества раздельного сверления. Раскосы неразрезного верхнего пояса имеют такую же конструкцию, как и разрезного.

Как и при разрезном верхнем поясе, равнодействующая усилий сходящихся в данном узле раскосов передается металлическими пластинками-наконечниками на узловой болт, от него на узловые металлические накладки, а от них рассредоточено металлическими нагелями на верхний пояс. Нагели эти работают под углом к волокнам верхнего пояса, что должно учитываться в расчете. '

Некоторые возможные варианты конструктивного решения промежуточных узлов нижнего пояса приведены на рис. VII.5. В первом варианте промежуточного узла нижнего пояса к профильным элементам пояса приварены вертикальные фасонки из полосовой стали. Раско- 290

сы размещают между фасонками и прикрепляют к ним монтажными болтами или глухими нагелями. Все элементы ферм в узле центрируют.

Во втором варианте промежуточного узла нижнего пояса сверху к профильным элементам пояса приваривают узловую шпильку с резьбой по обеим концам для крепления пластинок—наконечников раскосов.

Из рассмотренных вариантов промежуточных узлов нижнего пояса предпочтителен вариант с применением узловой шпильки, в котором наилучшим образом создается шарнирность в узле, а также обеспечивается удобство сборки. Тем не менее в расчете необходимо учесть эксцентричное решение узла.

Опорные узлы сегментных клееных ферм имеют следующие основные варианты:

1-й — торец клееного верхнего пояса упирается в упорный элемент (упорная пластинка из листовой стали, усиленная ребрами жесткости или швеллер) сварного башмака (см. рис. VII.5). Боковые фасонки сварного башмака передают усилия на опорную плиту. К боковым фасонкам приваривают снаружи или внутри башмака стальные элементы нижнего пояса. Верхний пояс соединяют со сварным башмаком болтом (глухарями), причем болт (глухари) пропускают либо через боковые фасонки, либо через приваренные к упорной плите специально предназначенные для этой цели накладки из листовой стали;

2-й — нижний конец клееного верхнего пояса обрезают так, чтобы создать горизонтальную плоскость для опирания фермы и вертикальную плоскость для упора в сварной элемент, состоящий из упорного элемента и боковых фасонок. Боковые фасонки глухарями крепят к верхнему поясу. К ним, в свою очередь, приваривают стальные элементы нижнего пояса (см. рис. VII.5).

В опорных узлах обоих вариантов, где сходятся элементы, имеющие большие усилия, должно быть осуществлено строгое центрирование всех элементов. Центром узла является точка пересечения усилий в верхнем и нижнем поясах и опорной реакции.

5 2.2. Расчет сегментных ферм. Особенности расчета ферм с неразрезным верхним поясом

При определении расчетных усилий в элементах сегментных ферм рассматривают следующие сочетания постоянной и временной нагрузок: равномерно распределенные по всему пролету постоянная и временная; равномерно распределенные по всему пролету постоянная и на половине пролета временная; равномерно распределенная по всему пролету постоянная и по закону треугольников временная; равномерно распределенная по всему пролету постоянная и распределенная по закону треугольника на половине пролета временная.

Расчет клееных сегментных ферм начинают с определения продольных усилий в элементах ферм от узловой расчетной нагрузки. Криволинейный верхний пояс заменяют при этом прямолинейным — узлы верхнего пояса соединяют прямыми линиями—хордами, исходя при этом из предположения шарнирности узлов. Комбинированием полученных усилий определяют максимальные расчетные продольные усилия.

Верхний пояс. Вследствие криволинейности верхнего пояса и расположения нагрузки между узлами он работает как сжато-изгибаемый стержень. Принятое сечение проверяют по формуле:

Ос = NIДрасч Ч- Л^д/^расч С Rc, г№>Мд=М^ — изгибающий момент в стержне, определенный из расчета по деформированной схеме.

Расчетный момент М в панели верхнего пояса вычисляют как сумму моментов от поперечной нагрузки Мд и момента МЛ- от продольной силы N, возникающего за счет выгиба панели

Al = Mo±Mw.

В случае разрезного верхнего пояса, загруженного равномерно распределенной нагрузкой (рис. VII.7).

"М = (^/8) —^,

где I — проекция длины панели к; / —стрела выгиба панели, приближенно определяемая по формуле f=lg/8R-, R— радиус кривизны верхнего пояса.

Аналогично, в некоторых случаях упрощенно находят расчетный момент М, когда панели разрезного верх- 292

6)

Pac. V1L5. Определение продольных усилий в элементах сегментной фермы построением диаграмм Кремоны

а —схема фермы (криволинейный верхний пояс заменен многоугольным) н нагрузок; б — диаграмма от нагрузки, распределенной по закону треугольника на левой половине фермы; в — то же. от равномерно распределенной нагрузки на левой Половине фермы; р — снеговые нагрузки; g — постоянная нагрузка

Рис. VII.7. Расчетная схема панели клееной сегментной фермы с разрезным верхним поясом

него пояса загружены неравномерной распределенной временной поперечной нагрузкой (при распределении снеговой нагрузки по верхнему поясу по закону треугольника), сосредоточенными силами и т.д.

В фермах с неразрезным верхним поясом моменты 9 нем от действия поперечной нагрузки Мо определяют как для многопролетной неразрезной балки с равными или неравными пролетами. Моменты Мо можно находить с использованием соответствующих справочников нли решением уравнений трех моментов. Моменты Мкэт продольных сил, возникающие вследствие выгиба паие* лей верхнего пояса, определяют исходя из предположения, что каждая панель представляет собой однопролет* ную балку, причем крайние панели, расположенные у опор фермы, рассматривают как однопролетные балкм, шарнирно опертые с одного конца и с жестко закрепленным другим концом, а средние панели — как одно пролетные балки с жестко закрепленными концами.

В табл. VH.2 приведены значения изгибающих МО- ментов М в панелях неразрезиого верхнего пояса свГт ментных ферм от поперечной равномерно-распределенной

Таблица VI 1.2. Изгибающие моменты в неразрезном верхнем поясе сегментных ферм

Нагрузка

Положение панели

равномерно распределенная, q

сосредоточенная, расположенная в середине панели, Р

У опор

в пролете

ql2 „

O.G4A7

Pt

———0,56^7

(крайние)

на опоре

qP

’0 +0,72^f

Pl

-^—4-0,88^7

Средние

в пролете

qP1

243 Ni

на опоре

qP2

12 + 3

Pl3

+— Nf

84 '

Примечание: N— расчетное продольное усилие в панели; f — стрела подъема панели; I — горизонтальная проекция панели

между центрами узлов.

или сосредоточенной нагрузки для случая, когда все панели верхнего пояса взаимно равны. Данные формулы используют при приближенных расчетах.

При проверке сечения неразрезного верхнего пояса по формуле сжато-изгибаемого стержня его расчетную длину при определении гибкости и коэффициента £ принимают в частном случае при равных панелях и равномерно-распределенной нагрузке в пролете крайней (опорной) панели 0,8 длины хорды, а в средних панелях 0,6 длины хорды.

Сегментные фермы с отношением высоты к пролету меньше 1/7 следует рассчитывать с учетом дополнительных напряжений, возникающих в неразрезных поясах в результате прогиба ферм с учетом деформаций податливых соединений.

Нижний пояс и решетка. Металлический нижний пояс проверяют на растяжение по площади нетто, т. е. с 294

учетом ослаблений от отверстий для узловых болтов. В случае эксцентричного крепления решетки в узлах нижнего пояса необходимо в расчетах учесть влияние возникающего при этом дополнительного изгибающего момента в нижнем поясе. Сжатые раскосы рассчитывают на продольный изгиб с расчетной длиной, равной длине раскоса между центрами узлов фермы; растянутые — на растяжение с учетом имеющихся ослаблений.

Металлические пластинки-наконечники рассчитывают на продольный изгиб. Их расчетную длину принимают равной расстоянию от узлового болта до ближайшего болта в пластинке. Для уменьшения продольного изгиба пластинок-наконечников их стягивают дополнительным болтом, который ставят у торца деревянной части раскоса со стороны пояса.

Узловой болт, на который надевают пластинки-наконечники раскосов, рассчитывают па восприятие силы /?, равной равнодействующей усилий сходящихся в узле раскосов. Усилие /? надо определять при разных положениях временной нагрузки. В зависимости от конкретного случая может быть принята соответствующая схема работы узлового болта.

Проверке подлежит прочность болта на изгиб, срез, сжатие и сжатие древесным в нагельном гнезде и т.д.

ГЛАВА 3. МНОГОУГОЛЬНЫЕ БРУСЧАТЫЕ ФЕРМЫ

Конструкция ферм

Многоугольные брусчатые фермы относятся к металлодеревянным сборным конструкциям заводского изготовления (рис. VII.8). В этих фермах верхний пояс представляет собой многоугольник, вписанный в окружность или описанный около нее. Отношение высоты фермы к пролету принимают таким же, как в сегментных фермах, т.е. от 1/6 до 1/7. Нижний пояс делают, как правило,металлическим из профильной стали; Решетку принимают треугольной со стойками. Длина панели верхнего пояса значительно меньше, чем в клееных сегментных фермах, гак как несущая способность панели ограничена размерами сечения бруса и его длиной. Рекомендуемые схемы многоугольных ферм приведены в табл. VII.1, рис.

Рис. VII.8. Узлы многоугольной брусчатой фермы системы ЦНИИСК

5—8. Как видно из этих схем, брус верхнего пояса перекрывает две панели и является двухпролетной неразрезной балкой, за исключением опорных панелей, имеющих вдвое меньшую длину.

Решение узлов в многоугольных фермах (рис. VII.8) во многом аналогично решению узлов в сегментных клееных фермах. Раскосы и стойки решетки имеют по концам металлические пластинки — наконечники, прикрепленные болтами к деревянному элементу и выполненные из полосовой стали, за исключением верхнего наконечника стойки, который делают из уголка. Применение здесь уголка необходимо потому, что в отличие от средней пластинки-наконечника стойки, которая зажата между пластинками раскосов в нижнем узле (что обеспечивает ей дополнительную устойчивость из плоскости), в верхнем узле пластинка — наконечник стойки была бы свободна в отношении продольного изгиба из плоскости и потому должна быть заменена наконечником из жесткого профиля. В целях унификации пластинки-наконечники для всех раскосов и низа стойки имеют одну и ту же длину и одинаковую разбивку отверстий для болтов. Наконечники— уголки для верха стойки также все одинаковы.

В узлы верхнего пояса, там, где находится его стык, закладывают металлические вкладыши. В центре прохо- 296

дит узловой болт, на который прн сборке надевают пластинки-наконечники.

Аналогично с сегментными фермами узловой вкладыш имеет клиновидную форму в соответствии с переломом верхнего пояса в месте узла. Стойки к верхнему поясу (стойки сжаты) присоединяют также с помощью пластинок, но так как пояс в этом месте не имеет стыка, то узловые пластинки-наконечники надевают на болт, вставляемый в проушины пластинки, которая передает усилия от стойки на верхний пояс (см. рис. VII.8). Пластинку- наконечник заранее скрепляют с брусом верхнего пояса расчетным количеством гвоздей или болтов. Стыки верхнего пояса перекрывают жесткими деревянными накладками на болтах.

Конструкция узлов нижнего пояса несколько отличается от таковой в сегментных фермах. Учитывая, что здесь длина элементов решетки и расчетные усилия в них меньше, можно допустить внецентренное (с небольшим эксцентриситетом) прикрепление элементов решетки в узлах к нижнему поясу, как это показано на рис. VII.8, что упрощает решение узла. Стык нижнего пояса выполняют в любом удобном месте. Он перекрывается или уголками, или пластинками из полосовой стали. Опорный узел может быть решен так же, как в сегментных фермах.

Расчет ферм

Нормальные усилия в элементах многоугольных ферм определяют обычным образом. Многоугольные фермы близки по очертанию сегментным, и расчетные усилия в раскосах и стойках получаются небольшими при загру- жении снеговой нагрузкой всего пролета.

Верхний пояс в многоугольных фермах выполняют из брусьев, длина которых вдвое превышает длину панели. Таким образом, брус верхнего пояса представляет собой двухпролетную балку со средней опорой на стойке решетки. Если нагрузка приложена не только в узлах, но и между ними (обычный случай), то на средней опоре возникает изгибающий момент, значение которого зависит от просадки опоры, т. е. от просадки бруса верхнего пояса иа стойке. Значение этой просадки в общем случае не известно — оно зависит от точности сборки фермы, качества древесины и пр. Поэтому в расчете рассмат-

ривают два крайних случая; 1) средняя опора ие имеет просадки, и брус верхнего пояса представляет собой двухпролетную неразрезную балку; 2) средняя опора имеет такую просадку, что изгибающий момент на средней опоре равен нулю, и брус верхнего пояса представляет собой, следовательно, разрезную балку с пролетом, равным длине панели.

Для уменьшения расчетных изгибающих моментов от межузловой нагрузки в верхнем поясе искусственно создают изгибающий момент обратного знака, для чего в промежуточных узлах верхнего пояса фермы применяют внецентренное стыкование брусьев, осуществляя упор только нижних частей поперечного сечения брусьев. Тот же прием применяют и в опорных узлах. С учетом сказанного верхний пояс, являющийся в любом варианте сжато-изгибаемым стержнем, рассчитывают следующим образом.

Расчет ведут как двухпролетной неразрезной балки. Момент на средней опоре при равномерно распределенной нагрузке

Mq =—q№.

где I — проекция длины панелей.

Нормальная сила N приложена на крайней опоре с эксцентриситетом е, тогда

MN =Ne.

Момент на средней опоре

Л*Л, = 0,5№,так как эпюра моментов проходит через фокусную точ-ку, находящуюся на расстоянии 1/31 от средней опоры.

Расчетный момент на средней опоре (см. рис.

VII.9, а)

М = М^ + Nn =— д№ + 0,5^e.

Внецентренное приложение силы N уменьшило расчетный момент. Положительный момент в половине длины панели.

М = ?<2/16—7Ve/4.

Расчетным моментом обычно является момент на средней опоре. Проверка сечения:

чс “ ^/^расч “Ь ^д/^расч ^ ^с при Мд—М/^.

Рис. V1I.9. К расчету верхнего пояса многоугольной брусчатой фермы

а — как двухпролетной неразрезной балки; б — как разрезной балки

Коэффициент g определяют при гибкости верхнего пояса, подсчитанной по полной длине панели, что идет в запас прочности, так как при неразрезном верхнем поясе возможно определение гибкости по длине между нулевыми точками эпюры моментов.

Рассчитывают как разрезную балку с пролетом, равным длине панели. Момент посередине длины панели от поперечной нагрузки при равномерно распределенной нагрузке

Мд = С)1ЧЪ,

где I — проекция длины панели.

Момент от эксцентричного приложения нормальной силы

MN = Ne.

Расчетный момент

M = Mq-MH.

Проверку сечения производят так же, как в предыдущем случае, причем гибкость определяют по полной длине панели.

Нижний пояс. Раскосы прикрепляют с небольшим эксцентриситетом, равным расстоянию от центра узлового болта до оси уголка пояса (см. рис. VII.8). Изгибающий момент в нижнем поясе при этом равен произведению разности усилий в соседних панелях нижнего пояса на значение эксцентриситета. Разность усилий определяют при временной нагрузке (снеговой) на всем пролете, на левой и правой половинах фермы. Для всех трех случаев подсчитывают изгибающий момент и растягивающее усилие и проверяют напряжение в нижнем поясе по формуле сложного сопротивления как для растянуто- изгибаемого стального стержня, рассчитываемого согласно СНиП П-23-81 «Стальные конструкции. Нормы проектирования».

Решетка. Сжатые элементы решетки проверяют на продольный изгиб так же, как в сегментных фермах, а растянутые—на растяжение по площади нетто с учетом ослаблений.

ГЛАВА 4. ТРЕУГОЛЬНЫЕ ФЕРМЫ

Конструкция ферм с металлическим или деревянным нижним поясом и сжатыми раскосами

Треугольные фермы применяют, как правило, для кровель из материалов, требующих значительного уклона. Отношение высоты фермы в коньке к пролету принимают не менее: для цельнодеревянных ферм 1/5, для ферм с металлическим нижним поясом 1/6. Для ферм с металлическим нижним поясом и клееным верхним это отношение может быть снижено до 1/7 пролета. При этом уклон верхнего пояса и кровли колеблется от 1:2,5 до 1:4. Схемы треугольных ферм приведены в табл. VII.1, рис. 9—11.

Верхний пояс фермы может быть выполнен из клееных блоков (клееная треугольная ферма) или из брусьев (брусчатая треугольная ферма). Нижний пояс рекомендуется делать металлическим из профильной или круглой стали. Преимущество последней состоит в том, что при равной массе она обладает большой огнестойкостью. Возможно применение и деревянного клееного или брусчатого нижнего пояса при условии выполнения его из тщательно отобранной древесины и хорошо отрабо-

тайной склейки со стыкованием по длине на зубчатом соединении.

Решетка в треугольных фермах для повышения ин- дустриальности их изготовления должна состоять из минимального числа элементов. С этой целью рекомендуется применять четырехпанельные (по верхнему поясу) фермы с двумя сжатыми раскосами и соответственное одной растянутой или двумя сжатыми стойками (см. табл. VII.1, рис. 9). Растянутые стойки обычно выполняют из круглой стали.

При применении брусчатых ферм более значительных пролетов приходится увеличивать число панелей верхнего пояса до шести и нижнего пояса до четырех, соединяя узлы верхнего и нижнего поясов треугольной решеткой с центральной растянутой стойкой (см. табл, VII. 1, рис. 12).

Решение узлов в треугольных фермах зависит от принятого типа решетки. Для четырехпанельной фермы со сжатыми раскосами и центральной растянутой стойкой примыкание сжатых раскосов к верхнему и нижнему поясам может быть выполнено путем упора в специальные металлические башмаки (рис. VII.10) непосредственно в верхний пояс с соответствующей его подрезкой (рис. VII.11) или на узловых болтах с металлическим вкладышем (рис, VII.12) аналогично ранее рассмотренным фермам. Треугольные фермы применяют также для подвесного потолка.

Опорйый узел помимо описанных решений с тем или иным типом металлического башмака может иметь другую конструкцию, где деревянный элемент верхнего пояса опиленной горизонтальной плоскостью воспринимает опорную реакцию, а вертикальной—усилие от нижнего пояса с помощью шайбы и гайки.

Помимо ферм с металлическим нижним поясом (основное решение) в некоторых случаях могут быть применены фермы с деревянным нижним поясом, выполненным в виде клееного пакета в клееных фермах или нз бруса в брусчатых фермах. Использование деревянных поясов из брусьев требует тщательного отбора лесоматериалов. Отбор должен производиться из достаточно больших партий лесоматериалов опытными бракерами.

Сведения о треугольных фермах из досок с соединениями в узлах на зубчатых пластинах приведены в гл. 6.

Рис. VIL 10. Детали узлов треугольной брусчатой фермы ЦНИИСК с упором раскосов о металлические башмаки и со складывающимся при перевозке нижним поясом

Расчет ферм

Расчетные нормальные усилия в элементах треугольных ферм определяют обычным способом. Отличительной особенностью треугольных ферм является то, что при загружении временной нагрузкой половины пролета решетка на незагруженной половине не работает. Поэтому расчетные усилия во всех элементах ферм получаются при снеговой нагрузке на всем пролете. Одностороннее загружение снегом может понадобиться в том случае, когда надо рассчитать присоединение подушки в среднем узле нижнего пояса к самому поясу. Его рассчитывают на разность усилий в соседних панелях нижнего пояса, имеющую место при односторонней снеговой нагрузке.

Верхний пояс. В большинстве случаев панели верхнего пояса помимо нормальных сил работают на изгиб от межузловой нагрузки и рассчитывают как сжато-из- гибаемые стержни. Нормальную силу в верхнем поясе, как и в рассмотренных фермах, прикладывают с эксцентриситетом е.

& ел 8

I

Рис. VH.11. Клееная треугольная ферма с упором раскосое в уступ верхнего пояса

Рис. V 11.12. Клееная ферма ЦНИИСК с раскосами на узловых болтах. Общий вид и детали узлов

Если верхний пояс разрезной, то расчетный момент в панели

М = Мо — Ne,

где М,— момент простой балки от данной нагрузки з середине пролета панели; Ne — обратный момент от нормальной силы, приложенной с эксцентриситетом.

Если верхний пояс неразрезной, то расчет производят в двух предположениях: а) средняя опора не имеет просадки и верхний пояс работает как двухпролетная неразрезная балка; б) средняя опора просела на такую величину, что момент на ней стал равен нулю и, следовательно, верхний пояс работает как разрезная балка с пролетом, равным длине панели. Оба эти случая рассмотрены при расчете верхнего пояса многоугольной фермы (см. гл. 3).

Нижний пояс. Металлический нижний пояс рассчитывают на растяжение с учетом имеющихся ослаблений в узлах или стыках. Местная поперечная нагрузка, например от подвесного потолка, вызывающая изгибающие моменты в нижнем поясе, недопустима.

Деревянный нижний пояс рассчитывают на растяжение по площади нетто в стыках или узлах, где учитывают ослабления от нагелей.

Стыки деревянного брусчатого нижнего пояса перекрывают двумя накладками, обычно деревянными, ширина которых равна ширине пояса, а толщина вдвое меньше толщины пояса. Деревянный нижний пояс соединяют с металлическим опорным узлом, как указывалось, накладками из полосовой стали на глухих нагелях. В этом месте на растяжение проверяют деревянный пояс и металлические накладки.

Решетка. Расчет элементов решетки — раскосов и стоек в треугольных фермах ничем не отличается от их расчета в ранее рассмотренных типах ферм: сжатые элементы решетки рассчитывают на продольный изгиб, растянутые проверяют на растяжение с учетом имеющихся ослаблений.

Узлы фермы. Расчет узлов треугольных ферм связан с их конструкцией. В клееной ферме с разрезным верхним поясом и металлическими узловыми вкладышами (см. рис. VII.12) конструкция узлов верхнего пояса аналогична конструкции подобных узлов в сегментных фермах (см. гл. 2).

В клееной ферме с упором раскосов в верхний пояс (см. рис. VII.11) необходимо проверить смятие древесины в опорном и коньковом узлах, а также в месте упора раскоса в верхний пояс и в подушку среднего узла нижнего пояса. Во всех случаях расчетное сопротивление смятию берут с учетом угла между сжимающей силон и направлением волокон сминаемого элемента.

В брусчатой ферме (см. рис. VII.10), кроме того, требуется рассчитать присоединение к верхнему поясу металлического башмака, в который упирается раскос. Нагели (или гвозди), соединяющие башмак с верхним поясом, рассчитывают на усилие, стремящееся сдвинуть башмак вдоль пояса. Таким усилием является составляющая усилий в раскосе по направлению верхнего пояса или, что то же, разность усилий в опорной и коньковой панелях верхнего пояса. Нагели или гвозди работают по схеме односрезного соединения.

Треугольные фермы на лобовых врубках

Несмотря на то что треугольные фермы на лобовых врубках являются одним из старых типов деревянных конструкций построечного изготовления, тем не менее они применяются в строительстве временных зданий и сооружений, а также в сельском строительстве и в настоящее время.

Для того, чтобы обеспечить работу раскосов только на сжатие в треугольных фермах, на лобовых врубках принимают раскосную решетку с нисходящими раскосами.

Верхний и нижний пояса, а также сжатые раскосы треугольных ферм на лобовых врубках обычно выполняются из брусьев (рис. VII.13) или из бревен (рис. VII.14), а растянутые стойки — из круглой стали. Пояса и раскосы брусчатых ферм на лобовых врубках выполняют из брусьев той же ширины поперечного сечения, а высоту сечения элементов определяют соответствующим расчетом.

Стыки верхнего пояса ферм осуществляют лобовым упором и перекрывают парными накладками на болтах. Нижние пояса ферм пролетом до 12 м имеют один стык в середине фермы, перекрытый парными накладками иа болтах, а у ферм пролетом свыше 12 м устраивают либо такие же раздельные стыки в местах перелома

Рис. VII.13. Общий вид и узлы треугольной брусчатой фермы на лобовых врубках

Рис. VII.14. Общий вид и узлы треугольной фермы из бревен на лобовых врубках

нижнего пояса для образования строительного подъема, либо устраивают раздвинутый стык (с накладками большей длины). При выполнении стыков болты следует располагать в два ряда.

При создании верхнего и нижнего поясов бревенчатых треугольных ферм на лобовых врубках бревна располагают так, чтобы их комли были обращены к опорным узлам. Комли бревен для раскосов обращают в сторону верхнего пояса. Соединение верхнего пояса с нижним в опорном узле ферм выполняют на лобовой врубке.

Опорные узлы современных треугольных ферм на лобовых врубках осуществляют лобовым упором на металлических натяжных хомутах или тяжах, передающих усилие от вкладыша, в который упирается верхний пояс, на накладки, соединенные с нижним поясом нагелями из круглой стали и болтов. Подобное решение полностью исключает работу на сдвиг со скалыванием древесины нижнего пояса в опорном узле фермы. В современных треугольных фермах подвесной потолок крепят только к узлам нижнего пояса вместо крепления его между узлами, как это делалось раньше.

Разработаны новые разновидности ферм на лобовых врубках с нижним поясом из профильной стали, благодаря чему существенно повысилась надежность ферм.

Раскосы ферм обычно соединяют с поясами на лобовых врубках одним зубом и дополнительно крепят болтами или скобами. Исключение составляет средний узел нижнего пояса ферм, где сходятся два раскоса. Данные раскосы либо вводят в промежуток между парными накладками растянутого стыка нижнего пояса и крепят к ним болтами, либо упирают в специально предназначенную для этой цели бобышку со скошенными торцами.

Для того чтобы снизить напряжения в ослабленных врубками сечениях поясов ферм из брусьев, центрирование в опорных и промежуточных узлах производят по центру ослабленного сечения пояса.

Узлы ферм из бревен центрируют по осям поясов, ■ так как ослабление бревна врубкой приводит лишь к незначительному смещению оси ослабленного сечения по отношению к оси бревна.

Расчет ферм на лобовых врубках

Расчет ферм на лобовых врубках аналогичен расчету ферм других видов. Отличие состоит в расчете узлов на лобовых врубках, суть которого изложена в разделе IV.

Опорный узел в форме лобового упора рассчитывают следующим образом:

по усилию в крайней панели нижнего пояса подбирают сечение хомутов или тяжей из круглой стали и определяют требуемое число болтов и панелей для крепления накладок к нижнему поясу;

рассчитывают на поперечный изгиб стальной сварной башмак, в который упирается деревянный вкладыш, а также траверсы из уголков, передающие усилия с тяжей на накладки опорного узла;

‘ рассчитывают на сжатие и смятие соответствующие поверхности деревянных элементов сечения, т. е. вкладыша и накладок.

ГЛАВА $. ШПРЕНГЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ

Шпренгельными называются стержневые системы, состоящие из способных самостоятельно работать деревянных конструкций, которые, кроме того, содержат дополнительные элементы, предназначенные для уменьшения изгибающих моментов основных элементов, загруженных внеузловой нагрузкой. Схемы простейших шпренгельных систем даны на рис. VII. 15. Шпренгель- ные системы статически неопределимы.

Верхний пояс шпренгельных систем выполняют из клееных деревянных блоков, брусьев или бревен. Нижний пояс изготовляют из круглой стали или стальных профилей. Как правило, узлы нижнего пояса шпренгельных систем располагаются ниже отметки опорных узлов. Вследствие этого их нижние промежуточные узлы являются неустойчивыми и для устранения возможного выхода их из плоскости фермы осуществляют попарное закрепление конструкций вертикальными связями. Связи крепят к стойкам шпренгельных систем. Решетка шпренгельных систем обычно состоит из вертикально поставленных деревянных стоек.

Расчет шпренгельных систем. Усилия в стержнях системы вычисляют общими методами строительной меха-

ники. Сложные шпренгельные системы рассчитывают на ЭВМ.

Рассмотрим расчет шпренгельной балки (рис. VII.16) при двух возможных схемах ее работы: а) просадки на 310

Рис, VII.16. Детали узлов шпренгельной балки с неразрезным верхРис, VII.16. Детали узлов шпренгельной балки с неразрезным верхним поясомним поясом

Рис, VII.16. Детали узлов шпренгельной балки с неразрезным верх

Рис, VII.16. Детали узлов шпренгельной балки с неразрезным верх

ним поясом

ним поясом

средней опоре нет и верхний пояс представляет собой неразрезную балку; в этом случае имеет место максимальный отрицательный момент на средней опоре; б) просадка средней опоры такова, что изгибающий момент на ней равен нулю, а верхний пояс представляет собой две однопролетные балки; в этом случае имеется максимальный положительный момент в пролете. ■

Расчет системы как неразрезной балки.

Для уменьшения расчетного изгибающего момента нормальную силу N нередко на крайних опорах прикладывают с эксцентриситетом е. Тогда изгибающий момент на средней опоре при равномерно распределенной нагрузке будет (рис. VII.9)

МБ — ql48 + Nell.

Сжимающая нормальная сила в верхнем поясе

N- = l,25qlll tgp.. .-

Растягивающее усилие в нижнем поясе — подпружной цепи

U+ = 1,25<у//2 sin р.

Сжимающее усилие в стойке (с учетом неразрезно- сти верхнего пояса) У_=1,25^/. Проверку сечения верхнего пояса проводят по формуле для сжато-изгибаемых стержней

Чс = Nj^расч 4" ^д/й^расч С ^с»где Мд = М!^. ■

Расчетную гибкость стержня для определения коэффициента £ подсчитывают по полной длине I.

Расчет системы при просадке средней опоры.

Расчетный момент в середине пролета I при равномерно распределенной нагрузке у и при наличии эксцентриситета е будет

Л4 = (<?/=/8) — Ne.

Сжимающая сила в верхнем поясе

w_ = ?//2tgp.

Растягивающее усилие в нижнем поясе — подпружной цепи

U+ = 9//2sinp,

Сжимающее усилие в стойке

V— = ql.

Сечение верхнего пояса проверяют так же, как и в предыдущем случае, по формуле для сжато-изгибаемых стержней. Расчетную гибкость для определения коэффициента g подсчитывают по длине /.

Как видно из приведенных выражений, максимальные нормальные силы в верхнем поясе, нижнем поясе и стойке получаются при работе верхнего пояса как неразрезной балки, т. е. при отсутствии просадки среднего узла. Изгибающий момент следует рассчитывать для обоих рассмотренных случаев.

Для обеспечения надлежащей плотности соединений элементов шпренгельных систем осуществляют натяжение нижнего пояса, называемого подпружной цепью, которое достигается с помощью гаек в опорных узлах, или натяжной муфты, либо опусканием подпружной цепи вдоль стойки с помощью специальной серьги (см. рис. VII. 16). Такое устройство не требует больших усилий

для натяжения цепи и удобно для подтягивания ее во время эксплуатации.

Простейшими шпренгельными системами перекрывают пролеты 9—15 м, сложными шпренгельными системами — до 40 м.

При эксплуатации деревянных конструкций встречается необходимость их усиления. Одним из возможных способов усиления деревянных балок и треугольных распорных систем является превращение их в шпренгельные системы (см. рис. XI.6).

Кроме шпренгельных систем в строительстве применяют треугольные фермы шпренгельного типа, по форме схожие со шпренгельными системами (см. рис. VII.15,а). Однако в отличие от шпренгельных систем в фермах шпрергельного типа все узлы решают шарнирно и они являются статически определимыми.

ГЛАВА 6. ДОЩАТЫЕ ФЕРМЫ И РАМЫ С СОЕДИНЕНИЯМИ НА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ЗУБЧАТЫХ ПЛАСТИНАХ

В современном, главным образом, в сельском строительстве находят применение дощатые фермы различного очертания (треугольные, многоугольные, односкатные и т. д.) и рамы с соединениями на металлических зубчатых пластинах (МЗП).

Пояса и решетки как ферм, так и рам изготовляют из досок (древесина сосны или ели 1-го и 2-го сортов по ГОСТ 24454—80Е) длиной от 2—6,5 м и шириной от 100—200 мм. Пролеты ферм составляют до 18 м.

Узловые соединения ферм осуществляют на пластинках с выштампованными зубьями, которые при заводском изготовлении ферм впрессовывают с двух сторон узла одновременно во все сходящиеся в нем деревянные элементы одинаковой толщины (рис. VII.17).

В зависимости от сечения деревянных элементов и от пролета конструкций применяют пластины соответствующих типоразмеров. Сборку дощатых конструкций производят на автоматизированных стендах. Дощатые фермы и рамы (рис. VII. 18) с металлическими зубчатыми пластинками устанавливают в покрытиях с малым шагом (до 1 м). Монтаж ферм рекомендуется осуществлять блочным способом,

Рис. VIL17. Дощатые треугольные фермы с соединениями на металлических зубчатых пластинах

Расчет и проектирование дощатых ферм и рам на металлических зубчатых пластинках производят согласно указаниям «Рекомендации по проектированию и изготовлению конструкций с соединениями на металлических зубчатых пластинах» (М., ЦНИИСК им. В. А. Кучеренко, 1983 г.).

К достоинствам дощатых ферм и рам с металлическими зубчатыми пластинками следует отнести: малую массу, низкую стоимость, простоту монтажа. Недостаток этих конструкций — малая огнестойкость.

ГЛАВА 7. РЕШЕТЧАТЫЕ РАСПОРНЫЕ СИСТЕМЫ И СТОЙКИ

. Распорные системы

Из распорных плоскостных сквозных деревянных конструкций наиболее широко используют арки. За рубе- 314

Pac. VII.18. Монтаж дощатых рам с соединениями на зубчатых пластинах

жом ограниченное применение находят распорные системы треугольного очертания, составленные из ферм с параллельными поясами из цельной или клееной древесины, а также сквозные решетчатые трехшарнирные рамы.

При отсутствии базы для производства клееных деревянных конструкций или других причин, ограничивающих возможности применения клееных арок, их заменяют достаточно индустриальными сквозными арочными конструкциями, наиболее распространенным^ из которых можно считать трекшарнирные арки из брусчатых ферм (рис. VII.19).

Распор в таких арках может восприниматься металлической затяжкой или непосредственно фундаментами.

Рис. Vil.19. Трехшарнирная арка продетом 26 м из брусчатых ферм

Пролеты, перекрываемые такими арками, 20—40 м. Соединения элементов верхних поясов и прикрепления решеток в фермах, составляющих арку, выполняют аналогично узлам брусчатых ферм. Принципиальным отличием ферм, составляющих сквозные арки, от обычных ферм является то, что в первом случае нижний пояс фермы может работать на сжатие, в то время как во втором ннжний пояс всегда работает на растяжение. Вследствие возможности появления в нижнем поясе усилий сжатия необходимо обеспечить устойчивость его из плоскости фермы. Она обеспечивается постановкой вертикальных связей в плоскости стоек, расстояние между связями принимают обычно равным удвоенной длине панели нижнего пояса.

Отличительной особенностью расчета сквозных арок является необходимость определения усилий в элементах арки при расположении временной нагрузки — снега не только на всем пролете и его половине, но также на четверти и на трех четвертях пролета, поскольку в этих случаях обычно получаются максимальные усилия в элементах решетки арки.

7.2. Решетчатые стойки

Решетчатые стойки применяют для придания- зданию поперечной устойчивости, а также в конструкциях торцовых стен. Решетчатые стойки состоят из двух ветвей, каждая из которых крепится к фундаменту анкерными болтами. Стойки воспринимают вертикальные (вес конструкций покрытия, кровли и т. д.) и горизонтальные (от давления ветра и сил торможения крановой тележки) нагрузки.

В капитальных зданиях и сооружениях обычно'применяют решетчатые стойки с параллельными ветвями (рис. VII.20, б) или при наличии мостового крана ступенчатого очертания (рис. VII.20, а) с размещением их внутри здания. Ранее применялись решетчатые стойки треугольного очертания, которые располагались в виде контрфорсов снаружи здания. Отношение расстояния между центрами ветвей в основании решетчатой стойки к ее высоте рекомендуется применять в пределах 1/5— 1/8.

Каждая ветвь решетчатой стойки может состоять из одного или двух брусьев, составленных в направлении,

нормальном к плоскости стойки. При одиночном сечении ветви применяют двойную решетку, охватывающую ветви с обеих сторон. Узлы стоек конструируют обычно с внецентренным присоединением элементов решетки к ветвям на болтах. Стойки закрепляют в фундаменты с помощью металлических анкеров из полосовой или круглой стали. Конструкция решетчатой стойки высотой 9,24 м приведена на рис. VII.21.

Стойки рассчитывают иа вертикальную и горизонтальную нагрузки. При расчете на вертикальную нагрузку можно считать (пренебрегая продольными деформациями ветвей стойки), что нагрузка, приложенная к одной ветви, передается непосредственно этой ветвью на фундамент, не вызывая усилий во второй ветви стойки.

Две стойки, связанные поверху несущей конструкцией кровельного покрытия, образуют поперечную раму здания (см. рис. VII.20, б). В деревянных рамах связь ригелей со стойкой, как правило, принимается шарнирной, вследствие чего вертикальная нагрузка, изгибающая ригель, не вызывает в стойках изгибающих моментов. Вследствие этого, при расчете на горизонтальную нагрузку следует учитывать взаимную связь стоек с ригелем,

решая в общем случае однажды статически неопределимую раму, состоящую из двух закрепленных в основании стоек, связанных поверху шарнирно присоединенным ригелем.

При определении усилий в элементах решетчатой стойки от действия горизонтальных нагрузок ее рассматривают как консольную ферму, защемленную в фундаменте. Учитывая значительное расстояние между осями ветвей и обычно одинаковое их сечение, расчет можно вести по формуле

У!FHT 4- Ум/У7НТ <Rc, где Fнт — площадь нетто сечения одной ветви стойки; N — усилие в нижнем сечении одной ветви стойки от вертикальной нагрузки; NM = MJho— сжимающее усилие от горизонтальных нагрузок, вызывающих изгибающий момент М у основания стойки.

Расчетную длину стойки при определении ее гибкости и коэффициента £ принимают равной удвоенной действительной длине (как для консоли).

Податливость связей, соединяющих решетку с ветвями стоек, учитывают введением при вычислении коэффициента £ приведенной гибкости Хпр, считая гибкость отдельной ветви Х|=0. Число срезов связей пс (болтов, гвоздей) на один м длины стойки определяют делением числа срезов в узле на длину панели стойки.

Устойчивость отдельной ветви стойки проверяют по формуле;

У/^бр + Мд/Wбр < Ус Фг,

где ф1 — коэффициент продольного изгиба, определяемый по расчетной длине /1, равной расстоянию между узлами стойки; Fsv — площадь брутто сечения ветви; 1Гбр — момент сопротивления брутто сечения ветви; Ms = Mj^ — изгибающий момент в стойке, определяемый по деформированной схеме; М — изгибающий момент у основания сюйки.

Расчет элементов стойки из плоскости рамы производят без учета изгибающего момента М, отдельно для каждой ветви стойки по расчетной длине, равной расстоянию между пространственными связями, раскрепляющими ветви. Если сечение ветви составное, то расчет ведут как для составного центрально-сжатого стержня. Усилия в элементах решетки определяют как в ферме с последующим делением на коэффициент g. Анкеры рассчитывают по максимальному растягивающему усилию в ветвях стойки при действии постоянной вертикальной минимально возможной и максимальной горизонтальной нагрузок.

РАЗДЕЛ VIII. ПРОСТРАНСТВЕННОЕ КРЕПЛЕНИЕ ПЛОСКОСТНЫХ ДЕРЕВЯННЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Общие положения

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. При этом передача усилий от одних частей сооружения на другие вплоть до его основания должна проходить без какого- либо нарушения пространственной неизменяемости, устойчивости, жесткости и прочности всей пространственной конструкции в целом и отдельных ее частей.

При транспортировании и монтаже сборных конструкций может возникнуть необходимость устройства специальных креплений, обеспечивающих неизменяемость, прочность и устойчивость этих конструкций.

Принципы проектирования конструктивного остова деревянного здания

Общая устойчивость остову деревянного здания может быть придана следующими 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. VIII.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 устанавливать связи с интервалом 20—30 м (см. рнс. VIII.1, VIII.2). 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 болта-

111-11-1

1

1

1-1

1-1

Рис. VIII.1. Поперечное сечение деревянного каркасного здания с защемленными в земле стойками, имеющими на концах пасынки (деревянные антисептированные, железобетонные или металлические)

С— подкосы; 2— пасынкиС— подкосы; 2— пасынки

С— подкосы; 2— пасынки

С— подкосы; 2— пасынки

Рис. VIII.2. Каркас здания е консольно защемленными в фундаментах стойками сплошной или сквозной конструкции

ми или хомутами к сменяемым деревянным, а еще лучше — железобетонным пасынкам. Этот способ получил широкое распространение в строительстве временных зданий.

Второй способ. Поперечная устойчивость здания обеспечивается защемлением в фундаментах плоских деревянных стоек, решетчатых или клееных (см. рис.

VIII.2).

Решетчатые стойки защемляют натяжными анкерами (см. рис. VII.30 и VII.31). Прикрепление клееных стоек к фундаменту показано на рис. VIII.3.

Анкерами служат стальные полосы, заделываемые в фундамент и рассчитываемые на максимальное отрыва-

Рис. УШ.З. Способ защемления деревянных клееных стоек

Ж^жМ^

ющее усилие Na, определяемое при наиневыгоднейшем сочетании нагрузок. К анкерным полоскам приварены равнобокие уголки. В опорной части клееная стойка на длине /Ск, определяемой по расчету на скалывание с прижимом, имеет увеличенную высоту сечения для образования наклонных площадок смятия под углом 30—45°, на которые укладывают уголки. Сквозь консольные части уголков с двух сторон стойки проходят перекрестные тяжи с нарезкой на обоих концах. В месте пересечения они приварены к стальным пластинкам, прилегающим вплотную к боковым граням клееной стойки.

Усилие в тяже определяют по формуле

NT = Wa/2cosa;

усилие, воспринимаемое площадкой смятия,

Усм = 2УТ;

Рис. VI1I.4. Схема каркасного здания при шарнирном опирании стоек на фундаменты и шарнирном примыкании к элементам кровельного покрытия

площадка скалывания воспринимает усилие

Nck = Na.

Продольную устойчивость здания с плоскими стойками создают постановкой связей по продольным стенам и между внутренними стойками, если таковые имеются, в продольном направлении. Для неизменяемости каркасных торцовых стен в их крайних пролетах также ставят аналогичные связи.

Третий способ. Поперечную устойчивость здания обеспечивают, применяя простейшие комбинированные и подкосные системы (см. рис. VII.27), рамные системы или арочные конструкции, передающие распор непосредственно на фундаменты. Конструктивные решения и принципы расчета этих систем изложены в разд. VI и VII.

Продольная устойчивость здания может быть создана постановкой связей по продольным линиям стоек (рис. VIII.4). Стеновые щиты при этом располагают с наружной стороны стоек. Продольную устойчивость зданию с арочными конструкциями, опертыми непосредственно на фундаменты, придают связи, расположенные в конструкции кровельного покрытия, а пространственную устойчивость нижним поясам — поперечные связи, соединяющие арки попарно.

Четвертый 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 для восприятия всех действующих на них нагрузок, но и создадут неизменяемые, жесткие и устойчивые диафрагмы, образуя тем самым неизменяемую, жесткую и устойчивую пространственную коробку. 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 (см. рнс. VIII.2 и VIII.4).

Участие ограждающих частей здания в обеспечении его пространственной устойчивости, которую устанавливают поверочным расчетом, возможно только при относительно малых размерах здания.

Устойчивость и жесткость зданий, собираемых из готовых щитов дощато-гвоздевой или клеефанерной конструкции заводского изготовления, перекос которых предотвращается устройством внутренних раскосов, диагональной обшивкой или оклейкой фанерой, может быть обеспечена, как и в предыдущем случае, жесткой горизонтальной диафрагмой чердачного перекрытия или наклонным кровельным покрытием, надежно сопротивляющимся перекосу стен. Для этого необходимо, чтобы жесткость и устойчивость поперечных стен была достаточной для восприятия в своей плоскости горизонтальных сил от ветра, передающихся от продольных стен через горизонтальную диафрагму (рис. VIII.5). При этом щиты продольных стен, непосредственно воспринимающих ветровую нагрузку, работают как однопролетная плита, опертая внизу на фундамент, а вверху на

Рис. VIH.5. Расчетная схема работы стеновых щитов на ветровую нагрузку

1 — щиты чердачного перекрытия; 2 — стеновые щиты

горизонтальную диафрагму. Щиты поперечных стен, параллельных направлению ветра, работают в своей плоскости на перекос и опрокидывание.

Рассматривая устойчивость поперечной стены как суммарную устойчивость составляющих ее щитов, связанных между собой нащельниками на гвоздях, определяем расчетное ветровое давление, воспринимаемое поперечной стеной •

где п — число щитов в поперечной стене; Gt—постоянная вертикальная нагрузка от веса перекрытия н кровли, передающаяся через верхнюю обвязку на эднн щнт; Ог — вес одного щнта; b—ширина щита; h— высота стены; Т™ — расчетное усилие, воспринимаемое одним гвоздем; пг„ — количество гвоздей, прикрепляющих нащельиик к одному щиту; Wt — ветровая нагрузка с наветренной стороны на 1 м длины верхней сбвязки продольной стены; Wi — то же, с заветренной стороны; I — расстояние между поперечными стенами; А3—■ коэффициент запаса на опрокидывание, принимаемый 1,4.

Пространственные связи в покрытиях

Ветровое давление, передающееся на деревянную торцовую стену каркасной конструкции небольшой высоты, распределяется между фундаментом и верхним покрытием с помощью работающих на изгиб вертикальных стоек каркаса (см. рис. V11L4). Конструкция покрытия в этом случае должна передавать ветровое давление через верхнюю обвязку продольным стенам, которые, в свою очередь, должны иметь в своей плоскости связи, рассчитанные на передачу этих усилий фундаментам. При устройстве в качестве основы под рубероидную кровлю щитового перекрестного настила покрытие превращается в неизменяемую и жесткую диафрагму. В этом случае расчет сводится к проверке прочности:

прикрепления верхних концов стоек каркасной стены к прогонам на передачу ветрового давления;

гвоздевой пришивки прогонов к щитовому настилу, скрепленному диагональными элементами;

соединения гвоздями обоих щитовых настилов для перекрытия их стыков, расположенных вразбежку;

прикрепления настила, связанного с диагональными элементами, к верхней обвязке каркасных деревянных стен.

Указанное решение покрытия обеспечивает хорошее закрепление плоских деревянных конструкций в проектном положении.

Жесткость покрытий с одинарным настилом или с обрешеткой без диагональных элементов недостаточна для восприятия ветровой нагрузки и закрепления плоскостных деревянных конструкций в проектном положении. В этом случае при наличии дёревянных каркасных стен необходимо устройство в плоскости верхних поясов несущих конструкций горизонтальных связей, располагаемых в торцовых частях здания и по его длине на расстоянии не более 20 м (рис. VIII.6). .

Для покрытия, выполненного из разрезных кровельных панелей, жестких и неизменяемых в своей плоскости, требуется установка монтажных связей, которые прикрепляют непосредственно к основной несущей конструкции (рис. VIII.6, б).

Горизонтальные связи, воспринимающие ветровую нагрузку, образуют в плоскости верхних поясов двух соседних несущих конструкций решетчатую ферму, кото-

Глухари или болтыГлухари или болты

Глухари или болты

Глухари или болты

Рис. VIII.6. Торцовые и промежуточные связи, расположенные в плоскости верхних поясов конструкции а — для варианта с неразрезнымн прогонами; б — для разрезных кровельных панелей

Рис. VIII.7. Примеры крепления прогонов кровли

а —к ферме; б —к торцовымстенам

Рис. VIII.8. Устройство ветровых связей при покрытии по пятиугольным фермам

— связи в плоскости покрытия (такие же связи должны быть с противоположного конца, на рисунке ие показаны); 2 —вертикальные связи см. рнс. VIII.9; 3 — надворотная ветровая ферма; 4 — ворота

рая передает действующие в ее плоскости усилия на продольные стены. При жестких торцовых стенах, воспринимающих ветровую нагрузку, и небольшой длине здания (до 20 м) устойчивость плоских деревянных конструкций может быть создана прогонами кровли, надежно скрепленными с верхним поясом фермы и заанкеренными своими концами в торцовые каменные стены (рис. VIII.7). При этом стыки разрезных или консольнобалочных прогонов должны быть перекрыты накладками на гвоздях.

В средней части зданий большой протяженности, кроме того, устраивают горизонтальные связи (см. рис.

Рис. VIII.9. Перекрестные связи световой плоскости фонарей (к рис. VJIJ.8)

VIII.6) па расстоянии около 20 м от торцовой стены.и. одни от других.

На рис. VIII.8 показана пространственная схема здания с покрытием по пятиугольным фермам; в торце здания сделан проем для ворот. Ветровую нагрузку, приходящуюся на площадь Ръ воспринимают нижние опорные устройства раздвижных ворот. Давление на площадь F3 передается через прогоны бесчердачному покрытию, а давление на площадь F2 воспринимается специальной горизонтальной надворотной фермой, подвешенной к основным фермам на уровне затяжек и передающей ветровую нагрузку продольным стенам здания. •

Кровельное покрытие, воспринимающее давление ветра с площади Fs, не примыкает непосредственно к настенному брусу. Для передачи этого ветрового давления на настенный брус в панелях фонаря должны быть предусмотрены связи. Для большей светопрозрачности фонаря такие связи часто выполняют перекрестными из круглой стали (рис. VII 1.9).

Обеспечение пространственной устойчивости плоскостных деревянных конструкций .

Рассмотренные ранее пространственные крепления, воспринимающие ветровые усилия, в то же время служат для предупреждения выпучивания сжатого контура плоскостных деревянных конструкций. В большинстве

a? jс\2QMc

Рис. VIII. 10. Вертикальные поперечные связи а —правильно; б, в — неправильно

случаев сжатый пояс в них раскрепляют прогонами кровли, которые должны быть прочно прикреплены к верхнему поясу, и настилам кровли. Различные способы крепления описаны в разд. VI и VII, а также показаны на рис. VIII.7, а.

В арочных конструкциях помимо верхних (сжатых) поясов следует раскреплять и нижние сжатые пояса арок, а в некоторых рамных конструкциях — внутренний контур рамы, который может быть сжат на всей своей длине нли на части ее, особенно при несимметричном приложении нагрузок. Нижние пояса раскрепляют (при пространственно устойчивом верхнем покрытии) устройством вертикальных связей. Учитывая деформации в соединениях связей, за расчетную длину сжатого нижнего пояса при проверке его устойчивости следует принимать расстояние между связями, увеличенное на 25 %.

Основным типом поперечных вертикальных связей являются жесткие связи, соединяющие попарно вдоль здания соседние конструкции (рис. VIII.10). Вертикальные связи не следует делать непрерывными по всей длине здания, так как при обрушении по какой-либо причине одной из несущих конструкций она перегрузит через связи соседние конструкции, что может привести к последовательному обрушению всего покрытия.

Устройство вертикальных связей в виде подкосов (рис. VIII.10, б) нецелесообразно. Если по длине здания будет действовать снеговая нагрузка различной интенсивности (рис. VIII.10, в), то подкосы не предупредят, а наоборот, будут способствовать выпучиванию закрепляемого ими пояса фермы.

Связи рассчитывают на усилия, направленные перпендикулярно плоскости раскрепляемой конструкции. В случае раскрепления верхнего сжатого пояса ферм связями, расположенными в плоскости покрытия, расстояние между узлами закрепления b устанавливают в соответствии с условиями гибкости пояса из плоскости фермы. При этом каждый узел закрепления рассчитывают на силу Q = bqCB. Значение qCB определяют по формулам

в покрытиях по фермам, однопролетным балкам и пологим аркам (///<1/6)

?св=О,039в(ч + 1)/2/;(VIII.1)

в покрытиях по трехшарнирным рамам и высоким аркам (Z/f> 1/3)

9св = 0,0015?в (л + 1)/2/;(VIII.2)

в покрытиях по консольным балкам и рамам при положительном изгибающем моменте в пролете

?cb=0,01.7b(« + 1)/2I;(VI1I.3)

при отрицательном изгибающем моменте в пролете

9св = 0,005?в (п + 1)/2Z.(VIII.4)

Узловую нагрузку на связевую поперечную ферму или на точку крепления элементов покрытия к несущим конструкциям определяют по формуле

^св = ?св Scb-(VIII.5)

В формулах (V111.1—VIII.5) qB— расчетная равномерно распределенная вертикальная нагрузка на 1 м горизонтальной проекции несущей конструкции покрытия, Н/м; при наличии иных видов нагрузок (сосредоточенной, распределенной на части пролета и т. п.) они должны быть приведены к эквивалентной равномерно распределенной по всему пролету; п — общее число основных несущих кон-

Рис. V111.II. Схемысвязей

а — поперечные связи; 6 — связи, располагаемые в плоскости сжатых нижних поясов

Рис. VIII.12. Условия устойчивости и пространственное крепление узла Г нижнего пояса шпренгельных ферм

струкций на всю длину здания в рассматриваемом пролете; t — общее количество поперечных связевых ферм (в том числе заменяющих их торцовых стен) на всю длину здания в одном пролете; Sob — горизонтальная проекция длины панели связевой фермы или расстояние между точками крепления элементов покрытия к несущим конструкциям, м.

При раскреплении нижних поясов ферм арочной конструкции попарно поперечными связями (рис. VIII.11, а) последние воспринимают, таким образом, горизонтальные силы Q от двух смежных поясов и передают их в

плоскости верхних поясов или на жесткую систему кровельного покрытия, образуемую щитовым настилом, либо на ветровые фермы или специальные связи.

Близко расположенные друг от друга арочные или рамные конструкции иногда соединяют попарно решетчатыми связями, располагаемыми в плоскости нижних сжатых поясов (рис. VIII.11, б). Такие связи рассчитывают как горизонтальные фермы, имеющие пролет, равный длине нижнего пояса полуарки. Такое решение связей менее рационально. При этом связи по верхнему поясу должны быть рассчитаны на восприятие не только горизонтальных сил от закрепляемых узлов верхнего пояса, но и от реактивных сил в верхнем шарнире и от горизонтальных ферм по нижнему поясу.

Если к одной системе связей прикреплены сжатые контуры нескольких плоских конструкций, то усилия, передающиеся на узлы связей, принимают равными nQ (п — количество раскрепляемых конструкций).

Бывают случаи, когда даже при отсутствии активных сил, действующих перпендикулярно плоскости конструкции, приходится принимать меры к пространственному креплению ее растянутого контура. Примером таких конструкций являются шпренгельные системы (рис. VIII.12).

Шпренгельные конструкции характеризуются пониженным по отношению к линии опор расположением нижнего пояса в средней части пролета и по крайней мере одним переломом в его очертании—в месте сжатой стойки. Если при этом верхний пояс расположен выше уровня опор, то равновесие узла Г устойчивое (рис. VIII.12, а). При отклонении узла Г из плоскости системы он стремится вернуться в прежнее положение. Если верхний пояс расположен ниже уровня опор, узел Г находится в неустойчивом положении (рис. VIII. 12, в). При прямом верхнем поясе равновесие узла Г становится безразличным (рис. VIII. 12, б).

На практике применяют шпренгельные конструкции с расположением верхнего пояса по схемам, приведенным на рис. VIII. 12, а, б. Однако неизбежный прогиб под максимальной нагрузкой превращает схему б в схему а и узел Г становится также неустойчивым. Поэтому варианты б и а требуют обязательного устройства вертикальных связен. Устройство вертикальных связей необходимо при любой схеме конструкции, если к инжнему поясу ее приложены активные силы, действующие перпендику-

лярно ее плоскости, например силы торможения от подвесного транспортного оборудования. Во многих случаях сечения элементов связей приходится назначать по конструктивным соображениям, при этом предельная максимальная гибкость элементов не должна превосходить 200.

При применении в конструкции покрытия кровельных панелей последние могут быть использованы также для закрепления сжатого контура плоских деревянных конструкций. При этом связи, соединяющие панели с закрепляемым сжатым элементом, располагают равномерно по всей его длине и рассчитывают на усилие q,

РАЗДЕЛ IX. ПРОСТРАНСТВЕННЫЕ КОНСТРУКЦИИ ПОКРЫТИЙ

ГЛАВА 1. ОСНОВНЫЕ ФОРМЫ, КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ

Общая характеристика. Конструктивные системы, которые обеспечивают совместную работу составляющих их элементов в двух и более плоскостях, являются пространственными конструкциями. ■

Пространственные конструкции из древесных и синтетических материалов отличаются большим разнообразием видов и конструктивных особенностей. Они могут быть такими же, как конструкции, выполняемые из стали, железобетона, армоцемента, имея в то же время свои особенности. Как и любые пространственные конструкции они, как правило, совмещают в себе несущие и ограждающие функции, при одном и том же расходе материала обладают более высокой надежностью и несущей способностью, их характеризует меньшая материалоемкость, а при агрессивности среды — большая долговечность.

Пространственные конструкции используют в зданиях и сооружениях, где нежелательны или недопустимы промежуточные опоры (спортивные сооружения, промышленные здания с гибкой технологией и т. п.) и в зданиях с жесткой планировочной сеткой опор (зонтичные оболочки кассовых вестибюлей, торговых павильонов, выставочных залов, служебных помещений и т. д.). Пространственные конструкции из дерева и пластмасс успешно применяют при малых пролетах (3—4 м), средних (до 36 м) и больших — висячие покрытия до 100 м, сводчатые до 140 м, купола до 257 м. Эти материалы позволяют создавать разнообразные конструктивные формы, реализующие практически любые замыслы проектировщиков.

Подобрать универсальный классификацк-онный признак и сгруппировать пространственные конструкции не представляется возможным, поскольку любая классификация будет условной. Можно лишь говорить о материале конструкций, геометрии и способе образования поверхности, пологости и крутизне, характере работы и

конструктивных особенностях, способе опирания и очер-. тании плана здания, пролете и т.д. Поэтому для удобства дальнейшего рассмотрения отдельных видов конструкций из всего многообразия существующих форм расчленим их сначала по геометрическому признаку, а затем в каждой группе по возможности учтем конструктивные и другие особенности покрытия.

С точки зрения формы применяемые в конструкциях из древесины и синтетических материалов оболочки можно разделить на следующие типы: 1) призматические (складки, своды); 2) цилиндрические (нулевой гауссовой кривизны); 3) эллиптические (положительной гауссовой кривизны); 4) гиперболические (отрицательной гауссовой кривизны). Меньшее распространение получили оболочки комбинированные (из частей различной кривизны) и произвольной формы.

С точки зрения конструктивного признака целесообразно выделить два наиболее распространенных типа покрытий — своды и купола (сферические, конические, гиперболические и г. д.). По общему конструктивному исполнению оболочки могут быть тонкостенные, ребристые, сетчатые; по типу поперечного сечения — одно-, двух- и трехслойные.

ГЛАВА 2. РАСПОРНЫЕ СВОДЫ, СКЛАДКИ, СТРУКТУРЫ

§ 2,1. Конструктивные формы сводов

Конструкции сводчатых покрытий бывают двух типов — безраспорные своды-оболочки и распорные своды. Рассмотрим распорные своды.

В зависимости от применяемого материала своды могут быть пластмассовыми, деревянными, клеефанерными и комбинированными, сочетающими разные материалы. По конструктивному исполнению их можно разделить на гладкие, ребристые, волнистые, складчатые, сетчатые, структурные, а также сплошные, двухслойные и трехслойные. По форме покрытия — на цилиндрические, стрельчатые, параболические, полигональные, призматические, бочарные, тороидальные. По способу передачи распора — на фундаменты, поддерживающие конструкции, и затяжки. По уровню расположения опор — на своды, опирающиеся непосредственно на фундаменты, и

на поддерживающие покрытия конструкции. По статической схеме—на двух- и трехшарнирные.

По частоте применения конструктивной формы среди пространственных конструкций своды занимают второе место после куполов. Доля сводов в пластмассовых покрытиях достигает 25 %. Большое распространение получили кружально-сетчатые своды из деревянных цельных, значительно реже из клееных и клеефанерных элементов. Максимальные пролеты, которые можно перекрывать пластмассовыми сводами, могут достигать 20—40 м, клеефанерными 30—60 м, кружально-сетчатыми — до 100 м.

Сводчатые покрытия получили распространение в самых разнообразных зданиях и сооружениях гражданского, промышленного и сельскохозяйственного назначения.

Гладкие пластмассовые своды сплошные, однослойные и двухслойные обычно применяют для небольших пролетов (до 4 м) в закрытых переходах и световых фонарях. Своды могут быть предварительно напряженными, светопрозрачными и несветопрозрачными. Основной материал — полиэфирный стеклопластик.

Гладкие трехслойные своды имеют обшивки из листовых материалов (фанера, стеклопластик) и средний слой из пенопласта. Панели свода могут быть криволинейного очертания или плоскими, вписывающимися в окружность. В зависимости от пролета и длины дуги свода размер панели по хорде принимают обычно до 6 м. Ширина панели 1,5; 2; 3 м. Учитывая сборную конструкцию свода, особое внимание уделяется конструированию стыков панелей.

Расчетной схемой свода является трехшарнирная арка шириной 1 м. Методика расчета панели на прочность аналогична расчету плоских панелей покрытия с дополнительным учетом продольной силы.

Ребристые своды имеют одну или две обшивки из листового материала (стеклопластик, водостойкая фанера) и деревянные, пластмассовые или металлические ребра. В отапливаемых зданиях между обшивками размещают утеплитель из пенопласта или минераловатных плит. Для сокращения числа монтажных элементов секцию свода проектируют из двух частей. Форма поверхности покрытия может быть разнообразной, но чаще всего цилиндрической или стрельчатой. Сборные элементы соединяют выступающими ребрами с помощью стяжных

болтов, обеспечивающих необходимую плотность для герметизации стыков. Ребра сводов могут быть криволинейными из клееных элементов или из одиночных досок на ребро, соединенных между собой зубчатым клеевым соединением или фанерными накладками.

Примером сборных ребристых сводов могут быть сводчатые покрытия складских помещений, показанные на рис. 1Х.1,а, б. Стрельчатый свод пролетом 12 и 18 м состоит из криволинейных клеефанерных панелей шириной 1,5 м с двумя обшивками из водостойкой фанеры. Для соединения смежных панелей болтами запроектированы выступающие ребра. Для складов минеральных удобрений целесообразно использовать стеклопластиковые болты. Свод опирается непосредственно на фундаменты.

Сводчатое многогранное покрытие (рис. 1Х.1,б) из дощатых ребер и стеклопластиковой обшивки пролетом 12 и 18 м разработано применительно к складам минеральных удобрений. Состоит из двух монтажных блоков в каждой секции, стыкуемых в коньке болтами. Диагональные элементы каркаса предназначены для увеличения жесткости и обеспечения устойчивости тонкой обшивки (2—3 мм). Для повышения естественной освещенности часть блоков или все блоки могут иметь обшивки из светопроницаемого полиэфирного стеклопластика.

Статический расчет ребристого свода выполняют по схеме двух- или трехшарнирной арки на нагрузки от собственного веса конструкции, снега и ветра. Для расчета выделяют полосу шириной, равной ширине панели. При определении приведенных геометрических характеристик сечения (F, W, J) учитывают различные модули упругости материалов (древесины, фанеры, стеклопластика и т. д.).

Волнистые своды наибольшее распространение получили в пластмассовых покрытиях пролетом до 18—20 м, хотя имеются разработки волнистых сводчатых покрытий пролетом 30 м из фанерных элементов двоякой кривизны.

Лотковые пластмассовые элементы волнистых сводов обычно изготовляют из полиэфирного стеклопластика (светопрозрачного или несветопрозрачного) толщиной 1—4 мм, шириной 0,75—1,6 м, при высоте поперечного сечении до 0,6 м. Элементы соединяются внахлестку на клею или на болтах. Швы герметизируются стекложгу- том или лентой на полиэфирном клее. Очертание попе-

Рис. IX.1, Сборные сводчатые покрытия .

а — клеефанерный свод из криволинейных ребристых панелей; б — клеефанерный полигональный свод; в — сводчатое волнистое покрытие из стеклопластиковых элементов *

речного сечения лотковых элементов может быть самым разнообразным. На рис. 1Х.1,в показано стеклопластиковое светопроницаемое сводчатое покрытие теплицы в г. Гроссбеерене (ГДР), пролетом 18 м. Элементы свода представляют собой оболочку двоякой кривизны, усиленную ребрами-диафрагмами с эллиптическим очерта-

Рис. IX.2. Складчатое сводчатое покрытие из ромбических элементов а —поперечный разрез; б — торцовый фасед; в—размеры ромбических элементов; г — расчет грани на местную нагрузку; д — боковой фасад свода

нием оси. Для лучшего светопроницания элементы' армированы только одним слоем стекломата. Оболочки изготовляли вручную способом контактного формования. Свод не рассчитан на снеговую нагрузку.

Общий расчет волнистых элементов ведут как арочных конструкций. Местный расчет лотков в поперечном направлении зависит от конструктивных особенностей и формы элементов.

Складчатые своды чаще всего выполняют из ромбических элементов, согнутых по большой диагонали (рис. IX.2). Ромбические панели состоят из контурных ребер и обшивок. Обшивки делают из одного или двух слоев листового материала — стеклопластика, фанеры. Ребра могут быть стеклопласгиковыми, фанерными или деревянными. Для утепленных покрытий вводят слой пенопласта. Осуществленные стеклопластиковые складчатые своды из ромбических панелей имеют пролет до 20 м п используются для покрытия спортивных, торговых, складских, производственных и других зданий. На рис, IX.2 показано сводчатое покрытие, собираемое из стекло-

пластиковых трехслойных панелей толщиной 48 мм с размером диагоналей 3 и 6 м. Дверные проемы в покрытии размещают в торцах и боковых сторонах свода. Некоторые элементы выполнены светопроницаемыми.

Расчет свода из ромбовидных складчатых элементов можно выполнить как арочной полоски шириной, равной ширине панели. При этом площадь поперечного сечения арки считается постоянной, а момент инерции переменным. Усредненный момент инерции поперечного сечения арки можно определить из уравнения

U/ = 1 /3(1/J max Н- 2//min) > где Jmin, Jmax — соответственно минимальный и максимальный моменты инерции поперечного сечения арки с учетом краевых ребер.

Расчет на местную нагрузку треугольной грани сводят к расчету на сосредоточенную силу круглой пластинки радиусом Го, вписанной в треугольный контур. Прогиб треугольной пластинки соо под точкой приложений силы определяют из выражения

(С00/5)2 + А (О>0/6)3 = В (Р^/Е^,

где б — толщина пластинки; Р — сосредоточенная сила; Е — модуль упругости материала; Д и В — константы, зависящие от коэффициента Пуассона и характера закрепления сторон пластинки. При коэффициенте Пуассона ц = 0,35; А —0,194 — для пластинки со свободной стороной; Д = 0,453^ для пластинки с защемленной стороной; В=0,209—для пластинки с любым закреплением сторон.

Структурные сводчатые покрытия изготовляют из однотипных тонкостенных объемных элементов стеклопластиковых или фанерных и соединяющих их вершины стержней. Объемные элементы могут быть пирамидальной формы или седловидной. Стержни выполняют из стеклопластиковых или металлических профильных элементов. Можно применять предварительно напряженные тросы. В любом случае образуется двухпоясная конструкция, одним поясом которой являются стержни, соединяющие вершины объемных элементов, другим—ребра пирамид, которыми они соединяются один с другим. Объемными раскосами системы служат грани пирамид. При объемных элементах в форме гипаров поясами являются стержневые элементы, соединяющие соответственно верхние у нижние вершины параболических гиперболоидов. Продет сводчатых покрытий структурной конструкции 12—24 м.

Рис. IX.3. Структурное сводчатое покрытие из пластмассовых пирамидальных элементов

а — пирамидальный элемент; б — поперечный разрез свода; в —план покрытия

На рис. IX.3 приведена конструктивная схема свода из пластмассовых пирамидальных элементов и стержневого каркаса из предварительно напрягаемых алюминиевых труб.

Структурные сводчатые покрытия рассчитывают с применением ЭВМ как многократно статически неопределимые конструкции. Для предварительного назначения сечения можно расчленять покрытие на арочные полосы, рассматривая их как сквозные арки.

Своды бочарного очертания из древесины и пластмасс не нашли в строительстве широкого применения, хотя и обладают большими потенциальными возможностями и используются в железобетонных иармоцементных конструкциях. В Ленинградском инженерно-строи-

тельном институте спроектирован бочарный свод пролетом 24 м из панелей длиной 6,4, шириной 1,2 м с фанерной обшивкой двоякой кривизны, приклеенной к продольным и поперечным криволинейным ребрам. Фанера двоякой кривизны может быть изготовлена по обычной технологии с заменой плоских прессовых плит на плиты с поверхностью двоякой кривизны.

Кружально-сетчатые своды ■

Общие сведения. Кружально-сетчатые своды (рис. IX.4, IX.5) представляют собой пространственную конструкцию, которая состоит из отдельных, поставленных на ребро стандартных элементов—косяков, идущих по двум пересекающимся направлениям и образующих ломаные винтовые линии.

В кружально-сетчатых конструкциях выгодно сочетаются индустриальность изготовления элементов с преимуществами пространственных конструкций. Прочность и надежность свода определяются средней прочностью многих элементов, и влияние качества древесины отдельных элементов имеет меньшее значение, чем в плоскостных конструкциях.

Построенные в нашей стране свыше 50 лет назад деревянные кружально-сетчатые своды и купола продолжают эксплуатироваться и находятся в хорошем состоянии. Длительная эксплуатация таких конструкций за рубежом также свидетельствует об их надежности и долговечности и находит широкое применение, а их пролеты становятся все более значительными. Так, в 1964 г. в г. Спрингфилде (США) построен сетчатый свод над бассейном с пролетом 52 м, выполненный из клееных косяков.

Кружально-сетчатые своды в поперечном сечении имеют снаружи круговое или правильное многоугольное очертание. В первом случае верхняя грань косяков имеет близкое к круговому эллиптическое очертание, а во втором — ломаное. Распор покрытий воспринимается либо металлическими затяжками, либо непосредственно опорами.

Характерными особенностями всех кружально-сетчатых покрытий являются:

унификация формы н размеров косяков, дающая возможность заготовлять их заводским способом, что

Рис. 1Х.4. Кружально-сетчатый свод с узлами на болтах покрытия над спортивным залом в Барвихе (Московская область)

полностью отвечает современным требованиям индустриализации и стандартизации строительства;

транспортабельность элементов при их перевозке;

простота и быстрота сборки конструкции;

возможность и необходимость устройства кровельного настила непосредственно по несущей конструкции (без прогонов и вспомогательных стропильных ног).

В зависимости от способа узлового соединения косяков различают два конструктивных варианта кружально-сетчатых сводов: 1) с узлами на шипах; 2) с металлическими связями в узлах. Оба варианта можно выполнять либо из косяков цельного сечения, которое ограничено размерами сортамента пиломатериалов, позволяющего применять своды с предельным пролетом не более 20 м, либо нз клеефанерных косяков, которые дают возможность перекрывать значительно большие пролеты (до 100 м).

В конструкции покрытий всех систем (см. рис. IX.5) различают три типа узлов: основные (средние); опорные, в которых косяки соединяются с настенными брусьями,

Рис. 1X5. Безметальный кружально-сетчатый свод системы Песельника с косоугольной сеткой

и торцовые, в которых косяки соединяются с торцовой аркой. Основные узлы сетки образуются из трех косяков, один из которых является сквозным и проходит через узел, не прерываясь, а два других набегающих косяка примыкают к сквозному косяку.

Конструкция кружально-сетчатых сводов (системы С. И. Песельника) с узлами на шипах. Своды этой системы изготовляют из косяков цельного сечения, имеющих на концах шипы, а посередине сквозное гнездо. В каждом узле сетки сопрягаются три косяка, из которых два избегающих косяка входят с обеих сторон своими шипами в гнездо сквозного косяка. В кружально-сетчатом своде с узлами на шипах применяют сетку как прямоугольную, так и косоугольную с углом i|)=45°.

Верхняя кромка косяка может быть криволинейного (эллиптического или приближающего к круговому) очертания либо с двумя или одним переломом по очертанию описанного или вписанного в окружность правильного многоугольника (см. рис. IX.10). Косяк с двумя перёло- 346

Рис. 1Х.6. Узлы без.«стального кружально-сетчатого свода с точной формой шипов (с учетом необходимого поворота) "

а — нецентрированный; б — центрированный

мами имеет большую жесткость, меньшую длину пропила и дает меньше отходов при изготовлении, чем косяк с одним переломом.

Оси сквозного гнезда для шипов располагаются соответственно посередине длины и высоты косяка. Форма гнезда прямоугольная. Высоту гнезда, а следовательно, и шипа обычно принимают 'Д высоты косяка (Лк). Для удобства монтажа свода, который ведут от опор к ша- лыге, рекомендуется решать узел так (см. рис. IX.5), чтобы шип вышележащего набегающего косяка располагался в гнезде над шипом нижележащего" косяка. Такое решение вызывается также необходимостью обеспечить в гнезде взаимный упор набегающих косяков для восприятия одной из действующих в узле сил, направленной нормально к их оси (рис. IX.6).

Косяки в своде помимо продольной силы сжатия и изгибающего момента воспринимают поперечные силы (см. рис. IX.21), которые передаются таким образом, что вызывают опасность раскалывания косяков. Чем больше длина косяка, тем меньше поперечная сила, вызывающая эту опасность. Рекомендуется принимать /К/А„^13. Толщина косяка b должна быть не менее 2,5 см, а йк/&к^4,5. .

Концы косяков прямоугольной сетки свода имеют более простую форму, а потому проще в изготовлении.

Однако при одинаковом шаге с косяки в прямоугольной сетке получаются меньшей длины, чем в косоугольной, что во многих случаях не позволяет обеспечить рекомендуемое отношение /К/АК^13; тем самым повышается опасность разрушения косяков от раскалывания. Поэтому своды с прямоугольной сеткой применяют для пролетов не более 12 м, а при больших пролетах следует использовать косоугольную сетку. _

Узловое соединение может быть решено двояко — с эксцентриситетом (рис. IX.6, а) и без него (рис. IX.6, б). У узла с эксцентриситетом шипы в гнезде расположены так, что они взаимно упираются только своими нижними ребрами, которые должны воспринять таким образом одну нз составляющих сил, уравновешивающих узел (см. рис. IX.20). Это возможно только тогда, когда ребра сильно обомнутся и образуется площадка смятия, достаточная для восприятия действующего усилия, что увеличит деформацию свода.

В узле без эксцентриситета площадка для взаимного упора шипов в гнезде обеспечена. Оси набегающих косяков почти совпадают. Дополнительные деформации в узлах отсутствуют. В центрированном узле не возникает дополнительного изгибающего момента в направлении наименьшего момента инерции косяка от продольных усилий в набегающих косяках. Несмотря на то, что в не- центрированном узле форма шипов несколько проще и их легче изготовить, нежели в центрированном, предпочтение следует отдать последнему.

От значения шага сетки с вдоль образующей свода и шага As вдоль дуги его поперечного сечения зависит вся геометрия свода. В косоугольной сетке, где угол между косяками может быть взят в определенных пределах (35—50°), следует принимать с и As таким образом, чтобы длина образующей свода В (в чистоте) была кратной шагу с, а длина дуги s, поперечного сечения свода была кратна шагу As. Это обеспечивает стандартность опорных узлов с одной и другой стороны свода, а также стандартность торцовых узлов. В прямоугольной сетке эти условия выполнить полностью невозможно и приходится ограничиваться выбором только одного параметра — либо As, либо с, так как они связаны между собой стабильным (прямым) углом при заданных значениях пролета (Z) и стрелы (/) свода.

От величины шага с также зависит значение усилий,

воспринимаемых косяками. При прочих равных условиях чем больше с, тем значительнее изгибающий момент и нормальная сила, воспринимаемые косяками, и тем больше изгибающий момент в элементах кровли, для которых с является расчетным значением пролета. Исходя из этих соображений для сводов с пролетами до 20 м рекомендуется назначать с=0,8...1,5 м.

При стандартном решении опорных узлов оба косяка своими концами входят в специальное гнездо, вырезанное в опорном брусе, и прикрепляются к нему гвоздями. Скошенные торцы косяков передают на основание гнезда максимальную нормальную силу, возникающую в опорных сечениях свода, что требует особой проверки гнезда опорного бруса на смятие поперек волокон (рис. IX.7). В торцах свод замыкается двух- или трехслойными кружальными арками.

Общее количество косяков различных типов, включая расположенные по контуру свода, при их стандартном примыкании к торцам в косоугольной сетке равно семи, а в прямоугольной сетке — шести.

Кружально-сетчатые своды с узлами на болтах. В своде этой системы косяки в основных (средних) узлах соединяются между собой болтами, работающими на растяжение (рис. IX.8 и IX.9). При этом набегающие косяки примыкают к сквозному косяку близ середины его длины с некоторым смещением з. Смещение должно быть минимальным и выбирают его так, чтобы отверстия для болтов на концах косяков находились вне скошенной торцовой поверхности последних.

В обычных конструкциях, где угол а между косяками н образующей свода не менее 67°, минимальное сме-

щение 5=2 6+30 мм, где 6— толщина косяка. Ось болта проходит через центр узла, совпадающий с серединой сквозного косяка.

Косяки имеют на концах круглые отверстия, размер которых равен диаметру болтов плюс 4 мм, а посередине— продолговатое отверстие такой же ширины. Длину h отверстия выбирают так, чтобы болт мог свободно пройти через него под нужным углом (рис. IX. 10).

При высоте 6К косяка более 22 см и при высоте hi торца косяка более 18 см рекомендуется ставить два узловых болта вместо одного. В этом случае оси болтов делят высоту торца косяка hi на три приблизительно равные части.

Опорный узел образуется из основного среднего узла разрезом последнего по оси О—О (отброшенная половина основного узла показана на рис. IX.7 пунктиром). Косяки в опорных узлах врубают в настенные брусья. Глубина врубки обычно бывает не менее 10 см. Опорные косяки соединяют с настенными брусьями гвоздями и прижимными клиновидными брусками, скрепляемыми болтами или глухарями диаметром 12—16 мм (см. рис. IX.8).

Торцовый узел (см. рис. IX.8) образуется также из основного среднего узла разрезом последнего по оси А—А (отброшенная половина основного узла показана на рис. IX.8 пунктиром). Торцовые косяки соединяют с фронтонной аркой болтами.

Из четырех узлов покрытия (рис. IX.11) два узла, расположённых по одной диагонали прямоугольного плана покрытия с концами косяков, смещенных внутрь от осевой фронтонной линии А—А (рис. IX.11, а^, конструируют с вставкой клина, аналогично нормальному опорному узлу. Два других угловых узла, расположенных по другой диагонали плана покрытия (рис. 1Х.11,б) и смещенных наружу от осевой фронтонной линии А—А, представляют собой промежуточную конструкцию между опорными и торцовыми узлами и образуются косяками № 5.

При проектировании сетки свода для пролетов до 20 м рекомендуется назначать постоянный шаг косяков с (см. рис. IX.8) размером 0,8—1,5 м. Угол ф (см. рис. IX.8) между косяками принимают 30—50°, а угол а между нижними ребрами косяков и образующей свода — 75—65°.

h3=H&h3=H&

h3=H&

h3=H&

Сетка кружально-сетчатого свода с узловыми соединениями на болтах состоит из косяков шести различных типов (см. рис. IX.9). Из них два косяка № 1 правый и левый являются основными, а остальные — производными от этих косяков. В отличие от кружально-сетчатого свода с узловыми соединениями на шипах в своде с узловыми соединениями на болтах косяки проще в изготовлении, при сборке они не требуют закручивания.

Своды из составных клеефанерных косяков. Применение составных клеефанерных косяков с узлами на шипах (рис. IX.12) позволяет перекрывать кружально-сетчатыми сводами большие пролеты при сравнительно небольшом собственном весе конструкции.

Наличие фанерной стенки в косяках устраняет опасность их разрыва поперек волокон, а сложная форма шипа упрощается изготовлением клеефанерных косяков крыловатой (винтообразной) формы (рис. IX. 12, а), что исключает необходимость закручивания косяка при сборке свода. Угол поворота 0 торцовых сечений по отношению к сечению в середине длины косяка определяют по формуле -

• tge= cos сс tgAP,где Др — центральный угол, стягиваемый дугой, равный t^s/i. .

Косяки имеют коробчатое сечение и состоят из поясов, выполненных из досок толщиной 33 мм и ребер жесткости, служащих для придания фанерным стенкам достаточной устойчивости. На концах и посередине косяки имеют сплошное сечение. Стыки листов фанеры перекрывают накладками на клею. Решение основного узла свода из клеефанерных косяков и разложение продольных сил в узле показаны на рис. IX. 12. Конструкция И расчет составных косяков аналогичны составным балкам с фанерной стенкой.

Клеефанерные косяки варианта со стальными деталями в кружально-сетчатом своде с бесшарнирными узлами выполняют прямолинейными крыловатой формы (рис. IX.13) с таким расчетом, чтобы концы набегающих косяков располагались несколько выше сквозного косяка (рис. IX.14) и работали не только на сжатие, но и на растяжение от изгиба.

Рис. IX.12. Клеефанерный косяк безметального свода (а) и узел свода (б)

Разница в высоте расположения осей косяков в узле равняется величине стрелки f0 (рис. IX.15) дуги поперечного сечения свода, соответствующей расстоянию между двумя смежными узлами сетки вдоль направляющей свода и стягивающей центральный угол, который составляет 2 Др . Удобнее принимать высоту поясов коробчатого косяка равной f0 (рис. IX. 15). При таком решении на-

Рис. IX.13. Клеефанерный косяк варианта с бестиар- нирным узлом крыловатой формыРис. IX.13. Клеефанерный косяк варианта с бестиар- нирным узлом крыловатой формыРис. IX.14. Бесшаркарный узел сетчатого сводаРис. IX.14. Бесшаркарный узел сетчатого сводаУ —накладка: 2— стальные деталиУ —накладка: 2— стальные деталиРис. 1ХЛ5. Схема расположения пряможнеймьбх косяковРис. 1ХЛ5. Схема расположения пряможнеймьбх косяков

Рис. IX.13. Клеефанерный косяк варианта с бестиар- нирным узлом крыловатой формы

Рис. IX.13. Клеефанерный косяк варианта с бестиар- нирным узлом крыловатой формы

Рис. IX.14. Бесшаркарный узел сетчатого свода

Рис. IX.14. Бесшаркарный узел сетчатого свода

У —накладка: 2— стальные детали

У —накладка: 2— стальные детали

Рис. 1ХЛ5. Схема расположения пряможнеймьбх косяков

Рис. 1ХЛ5. Схема расположения пряможнеймьбх косяков

бегающие косяки в узлах передают один другому нормальные усилия сжатия непосредственно упором торец в торец, а не в боковую грань сквозного косяка поперек волокон, как в обычных кружально-сетчатых конструкциях. Для пропуска торцов нижнего пояса набегающих косяков в сквозных косяках посередине их длины в фанерных стенах над нижним поясом вырезают соответствующих размеров и формы отверстие (см. рис. IX.14).

На концах косяка к поясам приклеивают с двух сторон ступенчатые накладки. Растягивающие усилия от изгибающего момента, который действует в стыковом сеченин между торцами набегающих косяков, воспринимаются сварными стальными деталями (см. рис. IX.14), расположенными в специальных вырезах в торцах кося-

ков. При таком выполнении узлового соединения косяков создается возможность полноценного восприятия в узлах набегающими косяками изгибающих моментов наравне со сквозными косяками. Кроме того, натяжением болтовых элементов сварной детали обеспечивается плотность узлового соединения, исключающая рыхлые деформации.

Отсутствие шарнирного соединения в узлах приводит к тому, что поперечная сила в косяках уменьшается во много раз и становится равной поперечной силе в арке. При этом значительно облегчается конструкция свода, повышается его жесткость, надежность.

Центрирование узлов сетки не только повышает архитектурные достоинства свода, но также улучшает его работу, исключая возникновение изгибающих моментов, действующих из плоскости косяков.

Своды из клеефанерных косяков с бесшарнирными узлами можно выполнять с косоугольной (ромбической) и прямоугольной сеткой. Последняя менее экономична, если длина перекрываемого здания существенно превышает его ширину (т. е. пролет свода).

Сетка свода образуется (рис. IX.16) из двух типов косяков № 1-—правого и левого, которые различаются только направлением углов закручивания. Левый косяк является зеркальным отображением правого косяка. Угол закручивания правого косяка направлен (если смотреть со стороны торцов) по часовой стрелке, а левого — против часовой стрелки.

По контуру свода соединение сетки с окаймляющими конструктивными элементами (фронтонная арка и опорные брусья) выполняют с помощью двух косяков в каждом узле, из которых косяк № 1 является основным, а косяк № 2 образуется из соответствующего косяка № 1 перепиливанием его посередине длины нормально к продольной оси. Таким образом, из одного косяка № 1 правого илн левого получают соответственно два одинаковых косяка № 2 (правых или левых). На одной половине свода во всех опорных и фронтонных узлах к арке примыкают левый косяк № 1 и правый № 2, а на другой половине свода — правый косяк № 1 и левый № 2.

Клеефанерные косяки приняты коробчатого сечения с двумя фанерными стенками, приклеенными с наружных сторон поясов. Наружное очертание сетки свода из-за прямолинейности верхней кромки косяка получается 356

Рис. IX. 16. Схема сетки сводаРис. IX. 16. Схема сетки сводаа —поперечный разрез свода: б — развернутая поверхность сетки покрытияа —поперечный разрез свода: б — развернутая поверхность сетки покрытия

Рис. IX. 16. Схема сетки свода

Рис. IX. 16. Схема сетки свода

а —поперечный разрез свода: б — развернутая поверхность сетки покрытия

а —поперечный разрез свода: б — развернутая поверхность сетки покрытия

Рис. IX.17. Определение изгибающего момента в косяке

слегка волнистым. Во избежание этого к верхней грани косяков прикрепляют клиновидные накладки. Фронтонные арки выполняют из двух слоев клеефанерных косяков коробчатого сечения.

Расчет кружально-сетчатых сводов. Кружально-сетчатый свод представляет собой сложную пространственную стержневую систему, точный расчет которой весьма сложен. В практике применяют расчет по приближенному методу, точность которого, как показали многочисленные опыты, вполне достаточна для использования при проектировании и правильно отражает действительную работу этой конструкции. Этот метод состоит в следующем.

Из свода нормально к его оси выделяют расчетную полосу шириной, равной шагу сетки с ^ем. рис. IX.5 и IX.8). В соответствии со схемой свода выделенную полосу рассматривают как плоскую двух- или трехшарнирную арку постоянной жесткости, нагруженную приходя-

щейся на нее нагрузкой. Площадь сечения арки принимают равной площади .сечения двух косяков, а момент инерции арки приравнивают моменту инерции одного косяка (в кружально-сетчатом своде из клеефанерных косяков с бесшарнирным узлом момент инерции арки приравнивают моменту инерции двух косяков).

В каждом узле сетки обычного свода изгибающий момент воспринимается полностью только одним сквозным косяком. Полученный из расчета изгибающий момент Л1а, действующий в плоскости арки, не совпадает с плоскостью сквозного косяка, что дополнительно вызывает в косяках крутящий момент, одинаково воспринимаемый обоими косяками (сквозным и набегающим). Если представить изгибающий момент, действующий в данном сечении, в виде силы N, приложенной с соответствующим плечом по отношению к центру рассчитывае- могосечения (рис. 1Х.17),то изгибающий момент ЛЬ,воспринимаемый сквозным косяком, будет создаваться составляющей N', а составляющие N", действующие нормально к осям косяков, создадут в них крутящие моменты М". Таким образом, изгибающий момент в сквозном косяке

M1 = Ma/sina, (IX.1) где Ма — расчетный момент в арке; a — угол между косяками и образующей свода.

Крутящий момент в расчете косяков обычно не учитывают, так как он в основном воспринимается настилом, прикрепляемым к косякам.

В бесшарнирном узле из клеефанерных косяков, где оба направления косяков воспринимают изгибающий момент,

М* = Л1а/2 sin a. (IX.2)

Благодаря пространственной работе покрытия на значение: изгибающих косяки моментов оказывают влияние жесткие фронтоны, которые увеличивают жесткость покрытия и уменьшают прогибы и изгибающие моменты в косяках. Разгружающее действие жестких фронтонов определяют коэффициентом йф (табл. IX.1) в зависимо-

Таблица 1Х.1. Коэффициенты Дф фронтонов

5/5л

1 и менее

;1,5

2

2,5 и более

&ф

2

1,4

1,1

1

Рис. IX.18. Схема работы косяков в плоскости их меньшего момента инерции

Рис. IX.19. Схемы разложения нормальных сил в узлах свода а — в среднем узле; б — в торцовом узле

сти от отношения B/sa, где В — расстояние между жесткими фронтонами; $д — длина дуги поперечного сечения свода.

Таким образом, расчетный изгибающий момент в косяке

-Wpacq =Afa/^sin а,(IX.3)

а в бесшарнирном варианте из клеефанерных косяков

Мраоц = Л(а/^£ф 2 SHI OS.(IX.4)

При внецентренном узловом соединении неизбежно появление дополнительных изгибающих моментов, действующих в направлении меньшего момента инерции косяков (рис. IX. 18). Однако, как правило, при наличии продольного настила эти дополнительные моменты обычно в расчете не учитываются. Необходимо иметь в виду, что прикреплять каждый элемент настила к каждому косяку обязательно следует не менее чем двумя гвоздями.

(IX. 5)(IX. 5)В выделенной арочной полосе нормальные силы N* воспринимаются одинаково обоими косяками (рис. IX. 19). На каждый косяк передается усилие

(IX. 5)

(IX. 5)

^1 = ^/2 sin а-

Проверяют напряжение в косяках по формуле

Na/2FHT sina-^- Л4а/^фй7нг sin а с Rc, (IX.6) где Fst, W«i —площадь и момент сопротивления нетто косяка в середине его длины; а—угол между продольной осью косяка и образующей свода;

3000.2f0p Rc sin а3000.2f0p Rc sin а(IX. 7)(IX. 7)

3000.2f0p Rc sin а

3000.2f0p Rc sin а

(IX. 7)

(IX. 7)

с узлами на(IX. 8)с узлами на(IX. 8)где л — гибкость свода, определяемая для варианта болтах из косяков цельного сечения по формуле

с узлами на

(IX. 8)

с узлами на

(IX. 8)

Q,6ZO _3Z0

sinaKj6p/2F6p 3'П“Лк

где 0,6 — эмпирический коэффициент, учитывающий пространственную работу сетки свода.

Для свода стрельчатого очертания этот коэффициент равен 0,7.

Так как суммарная деформация свода определяется длиной, на которой происходит накопление элементарных деформаций под действием изгибающего момента, то, учитывая косое направление косяков, расчетная длина свода увеличивается делением на sin a.

Свободную расчетную длину дуги свода принимают при наличии односторонней нагрузки Zo=O,58Sa.

Для свода с бесшарнирными узлами из клеефанерных косяков

,0,6Z„0,6Zo

X = —= - . 0,(IX.9)

sinaKjep/fop Sina'’“

где 0,6 — эмпирический коэффициент.

Для сводов с узловыми соединениями на шипах

—>sitiaK Jgp/2f

где 0,75 — эмпирический коэффициент.

При стрельчатом очертании свода коэффициент надо принимать 0,85.

В узлах кружально-сетчатых сводов всех вариантов, кроме свода с бесшарнирными узлами, следует проверять боковые грани сквозного косяка на смятие поперек волокон торцами набегающих косяков (рис. IX.20), Силу смятия находят по формуле

(IX.11)(IX.11)Nс = A'a/(2sin a sin 2a).

(IX.11)

(IX.11)

Разложение сил в узле кружально-сетчатого свода с узловыми соединениями на болтах показано на рис. (IX.23, а). Натяжение болтов

2 sin а

Сжимающие усилия в косяках, примыкающих к торцовой стене дают равнодействующую в направлении образующей свода NP=Nactga (см. рис. IX.19, б).

Во избежание передачи усилий N9 на торцовые стены они воспринимаются досками продольного настила (обрешеткой), прикрепляемыми к верхнему поясу торцовой арки. Стыки досок продольного настила располагают вразбежку. Необходимое количество гвоздей для прикрепления одной доски продольного настила шириной b к торцовой арке находят по формуле

«гв = Np ь/^тгв. ' (IX. 13)

На участке, равном расстоянию между стыками двух смежных досок, каждую из них прикрепляют к косякам сетки гвоздями в количестве, не меньшем полученного по формуле '(IX. 15). Расчет продольного иастила ведут на совместное действие изгиба от внешней нагрузки на пролете между косяками и на растяжение, вызываемое силой Np.

В кружально-сетчатых сводах всех систем, кроме, выполненных из клеефанерных косяков с бесшарнирным узлом, каждый косяк работает в основном как однопролетная балка с нагрузками, сосредоточенными в середине пролета (рис. IX.21).

В своде с узловыми соединениями на шипах опорная реакция воспринимается шипами и передаётся на соответствующие грани гнезда, а в варианте с узловыми соединениями на болтах — силами трения между торцами косяков и боковыми гранями сквозных косяков. "Причина такого различия в том, что диаметр гнезда, как указывалось выше, приходится делать больше диаметра болта на 4 мм из-за несовпадения оси болта с осью гнезда, что исключает работу болта как нагеля. Анализ показывает, чтр сила трения, равная kTVNt при отношении /к/йк= 10... 13 больше силы Q в 1,5—1,7 раза.

В варианте с соединениями на шипах силу трения учитывать не следует, так как нельзя обеспечить плотность сопряжения торцов набегающих косяков с боковы-

Рис. IX.20. Разложение сил a узле кружально-сетчатого сводаа — на болтах^ б — на шипахРис. IX.20. Разложение сил a узле кружально-сетчатого сводаа — на болтах^ б — на шипахРис. IX.21. Эпюра изгибающих моментов в отдельных косяках (а) и характер разрушения косяка (6)

Рис. IX.20. Разложение сил a узле кружально-сетчатого свода

а — на болтах^ б — на шипах

Рис. IX.20. Разложение сил a узле кружально-сетчатого свода

а — на болтах^ б — на шипах

ми гранями сквозного косяка из-за невозможности изготовления косяков с допусками (по длине), равными нулю. В варианте с соединениями на болтах в узлах сила трения надежно обеспечивается болтами при практически осуществимых допусках соответствующим завинчиванием гаек при сборке свода.

Передача поперечных сил Q с узлами на болтах трением происходит равномерно по всей высоте торца, а не сосредоточенно по линии верхних или нижних граней гнез^ и соответствующих граней шипов, что немного повышает опасность раскалывания косяков в этом варианте свода. Для уменьшения этой опасности рекомендуется увеличивать длину косяка (?к//гк^13), так как при этом уменьшается поперечная сила (см. рис. IX.24), ко

торая равна У 2Мрасч2Ма

1„— 26 £A$sina(/K— 26) ‘

(IX. 14)(IX. 14)Конструкция жестких фронтонов, а также примыкание свода к фронтону должны быть проверены расчетом

(IX. 14)

(IX. 14)

на нагрузку, приходящуюся на единицу длины горизонтальной проекции фронтонной арки, по формуле

^ = 9S/2[1-(2/ЗАф)], (IX. 15) где q*— соответствующая (симметричная или односторонняя) нагрузка на горизонтальную проекцию свода. Значение В в формуле (IX. 17) следует принимать не более 2,5зд.

В зависимости от схемы настенные брусья рассчитывают на изгиб: а) при опирании на отдельно стоящие стойки — на косой изгиб от действия вертикальной и горизонтальной (распор) нагрузки от свода; б) при опирании на стену — на изгиб в горизонтальной плоскости от действия распора.

Расчетный пролет при расчете на вертикальные нагрузки — расстояние между стойками, на горизонтальные нагрузки — расстояние между затяжками свода.

Складки

Складчатое покрытие представляет собой поверхность, образованную из системы наклонных плоских граней, которые примыкают одни к другим под углом по длинным сторонам и опираются на торцовые диафрагмы или ребра — по коротким.

Форма поверхности складок может быть треугольной, трапециевидной или прямоугольной. Чаще всего применяют многоволновые покрытия, но встречаются и одноволновые. По расходу материала складчатые конструкции уступают другим формам покрытия, но им присущи повышенная архитектурная выразительность и относительная простота изготовления. Форма плана сооружений, перекрываемых складками, может быть прямоугольного, многоугольного или криволинейного очертания. В последнем случае складки располагаются радиально. Для повышения несущей способности складок иногда их проектируют с небольшими разгружающими консолями.

Складки изготовляют из древесины и полимерных материалов. В качестве граней складок могут быть применены клееные, клеефанерные, древесностружечные, дощатогвоздевые балочные элементы и плоские трехслойные пластмассовые панели. Для повышения поперечной жесткости складок используют распорки, ребра жесткости или затяжки, устанавливаемые по длине складки. Схемы складчатых покрытий приведены на рис. IX.22. •

Рис. IX. 22. Схемы складчатых покрытий

а — складки с прямоугольными гранями; б — складки с треугольными гранями; в — форма профиля многоволновой складки; a — параметры складки; д—радиальные складки

Пролет складок — расстояние между осями опорных элементов обычно не превышает 20—25 м; хотя в отдельных сооружениях пролет клеефанерных складок достигает 30,4 м. Отношение стрелы подъема f к пролету / из древесных материалов колеблется в пределах 1/2—1/9, для полимерных материалов до 1/15 (1/18). Угол наклона граней 20—45е. Ширина складок из древесных материалов изменяется от 1,8 до 6,8 м, из полимерных материалов до 1 м. Толщину t принимают не менее (1/20— 1/30) I.

Рис. IX.23. Призматические складки треугольного очертания

а — клеештыревые соединения элементов трехслойных складок; б —складки из клеедощатых элементов.

По конструктивному оформлению складки могут быть тонкостенными, ребристыми или трехслойными. В первом случае грани складок представляют собой стенки дощатогвоздевых, дощатоклееных или клеефанерных двутавровых балок. Ребристые складки изготовляют из брусков с высотой сечения до 15 см, к которым на гвоздях или на клею с одной или двух сторон крепят обшивку из листовых материалов (файеры, древесностружечных плит, стеклопластика) или досок. Трехслойные складчатые элементы изготовляют чаще всего из пластмасс — с обшивками из стеклопластика или жесткого поливинилхлорида со средним слоем из пенопласта. Вместо стеклопластика могут быть применены обшивки из фанеры. Отдельные элементы складок соединяются между собой болтами, на гвоздях, клеем или клеештыревыми соединениями через продольные ребра или брусья ендовы (рис. IX.23). ~

Призматические складки применяют для покрытия складских, промышленных, гражданских и общественных зданий. В г. Чехове складчатое покрытие треугольного очертания возведено над залом кафе-ресторана. Двух- консольпые складки длиной 20 м из склеенных досок смонтированы с уклоном в одну сторону. Неизменяемость контура крайних складок обеспечивается металлическими затяжкйми. Расход древесины на 1 м2 покрытия составил 0,165 м3.

Призматические складки являются пространственной, многократно статически неопределимой системой. Точный расчет такой системы довольно трудоемок. В. 3. Власов показал, что наиболее целесообразным является применение смешанного метода расчета.

В случае симметрии поперечного сечения и нагрузок относительно продольной оси складки, предположений о малости взаимных перемещений точек контура поперечного сечения, по сравнению с прогибами ребер,соединения смежных граней складок по линии ребер цилиндрическим шарниром, не учитывающим сопротивление граней продольному сдвигу для длинных складок (//6>3) допустима упрощенная расчетная схема балки-складки. Тогда складки рассматривают как изгибаемую балку соответствующего поперечного сечения. В ней определяют продольные нормальные и касательные напряжения от изгиба.

В поперечном направлении грани складок рассчитывают на составляющую нормальной нагрузки как пластинки, шарнирно опертые по длинным сторонам на смежные грани, а по коротким — на концевые диафрагмы или ребра жесткости. В длинных складках соотношения сторон грани, как правило, больше двух, поэтому можно считать, что грань в поперечном направлении деформируется от местной внешней нагрузки по балочной схеме. Наружную обшивку клеефанерных складок между ребрами необходимо проверить на местный изгиб как пластинку, защемленную по четырем сторонам.

Особого внимания требует несимметричная нагрузка, вызывающая кручение складки относительно центра кручения и работа крайних складок. Чтобы не рассчитывать крайние складки точными методами, необходимо конструктивными мероприятиями увеличить их жесткость, ограничив перемещения в поперечном направлении.

Структурные конструкции

Дальнейшим развитием плоских сплошных и сквозных конструкций в современном строительстве являются конструктивные схемы из перекрестных балок, ферм, объемных пластинчатых и стержневых элементов. К. таким системам относятся пространственные плиты и оболочки, состоящие из регулярно-стержневых или регулярно-пластинчатых образований, носящие общее название структурные конструкции или просто структуры.

Количество пересекающихся в одном узле балок или ферм, а также их отклонение от вертикали дают самые разнообразные структурные построения. Структуры, образованные из перекрестных линейных элементов, идущих в трех направлениях, способны работать на кручение и поэтому являются более жесткими, по сравнению со структурами, образованными из двух линейных пересекающихся элементов.

К положительным качествам структур относятся: унификация конструктивных элементов, принципиальная простота их монтажа, большая пространственная жесткость конструкций, способствующая увеличению пролета покрытия, архитектурная выразительность решения, мно- госвязность системы, повышающая степень надежности конструкции при локальных разрушениях, частота узлов сетки, позволяющая закрепить подвесной транспорт и оборудование, простота транспортировки, снижение конструктивной высоты н др.

К недостаткам структурных систем относится повышенная трудоемкость изготовления и сборки.

Самыми простыми по конструктивной схеме являются структуры из пересекающихся в двух или трех направлениях клееных или клеефанерных сплошных балочных элементов. Угол между балками в плане может составлять 90, 60 или 45°. При жестком соединении балок в узлах получается пространственная статически неопределимая система. В зависимости от размера покрытия и вида кровельного ограждения размер ячейки структуры изменяется от 2,4 до 7,2 м.

Пролет структурных плит колеблется в пределах 12—28 м. Высота балочных элементов структуры составляет 1/16—1/30 пролета. Общая устойчивость системы может обеспечиваться настилом или второстепенными балками. Расчет структуры, как многократно статически

Рис. IX.24. Структуры, из деревянных перекрещивающихся балок и фанерных элементов з форме тетраэдров а — схемы структур из не* рекрещнвающихся балок; б — узловые соединения балок; в — структура из регулярно-пластинчатых фанер* ных элементов

неопределимой системы, производят на ЭВМ. Для некоторых структурных схем можно воспользоваться табл. IX.2. Наиболее распространенным решением узловых соединений являются соединения на нагелях с помощью металлических планок.

Балочные элементы могут быть одиночными или спаренными. На рис. IX.24,а, б приведены некоторые схемы структур из перекрещивающихся балок и их узловые соединения. Примером структуры из регулярно-пластинчатых элементов может служить покрытие, которое было представлено на строительной выставке в Лондоне. В

24—423. 369

Таблица IX.2, Нагрузки й изгибающие моменты в перекрестных балках при квадратных в плане перекрытиях (,g — нагрузка на 1 м2)

Схема перекрытия

О s

Нагрузка на балку g /

Максимально изгибающий момент g/L8

Схема перекрытия

7

а—а

0,562

0,0703

б—б

0,412

0,0520

б —

(У

Л—

L

—р-р

а—а

0,550

0,0686

б—б

0,316

0,0395

й

а—а 0,6350,0794

-а6—б0,5230 0654

6 6

SА Ол осиЛ ГНА£

а—а б—б

Нагрузка на балку

Максимально изгибающий момент g/L*

0,3050,0382

0,5960,0746

0,2400,0425

0,3020,0378

0,5830,0729

а—а

0,311

0,0389

б—б

0,341

0,0427

в—в

0,308

0,0385

г—г

0,570

0,0713

этой конструкции (рис. 1Х.24, в) раскосы заменены объемными элементами в форме тетраэдра, каждый из которых собран из четырех треугольных листов фанеры, соединенных брусками. Одно из ребер тетраэдра входит в паз элемента нижней решетки, другое — в паз элемента верхней решетки, перпендикулярного нижнему. Объемные связи между поясами структуры обладают более высокой жесткостью, чем линейные раскосы.

В последнее время разработано много вариантов металлодеревянных конструкций, в которых растягивающие усилия воспринимаются металлическими стержнями, а сжатые и внецентренно сжатые стержни выполнены из древесины. Примером такой комбинированйой конструкции может быть структурное покрытие размером в плане 18X18 м, разработанное в ЦНИИСК им. В. А. Кучеренко, для применения в труднодоступных районах в период их освоения. Высота структуры 1,7 м. Растянутые нисходящие раскосы и стержни нижнего пояса выполнены из уголков 50x5 мм. Стойки деревянные 130X130 мм, установлены с шагом 3 м. Верхний пояс образуют сборные клеефанерные плиты размером 3X3 м. Узловые соединения решены с помощью металлических оголовников заводского изготовления, закрепленных на деревянных стойках. Масса покрытия с утеплителем 45 кг/м2, расход стали 10 кг/м2, трудозатраты 1,72 чел.-ч/м2, расход древесины 0,03 м3/м2, фанеры — 0,016 м3/м2.

В пластмассовых структурах, как в плоских (плитах), так и в криволинейных (сводах) используют объемные свегопрозрачные или светонепроницаемые пирамидальные или гиперболические элементы, соединенные в вершинах металлическими профилями. Размер основания пирамид 1,2—1,8 м, высота 0,5—0,6 м, толщина стенок около 3 мм. Нижний пояс структуры образуется ребрами пирамиды, верхний — металлическими профилями.

Размер по диагонали гиперболических элементов структуры в форме ромба достигает 7 м. Такие гиперболические элементы из стеклопластика толщиной 5 мм, соединенные в углах металлическими профилями, образуют пояса структуры покрытия рынка пролетом 21 м в г. Лезу (-Франция).

ГЛАВА Э. КУПОЛА

Общие сведения

Купольные покрытия являются самой распространенной формой пространственных конструкций, в том числе из древесины, фанеры, пластмасс. Будучи одним из наиболее экономичных видов оболочек на круглом или многоугольном плане, они получили широкое распространение в гражданском, промышленном и сельскохозяйственном строительстве. Очертание куполов зависит от архитектурных и технологических требований, вида материала, типизации элементов, простоты изготовления, транспортировки и монтажа конструкций. Купольные оболочки из пластмасс имеют диаметр от одного метра (световые фонари) до 50—60 м (сферы укрытия антенных устройств). При усилении пластмассовых куполов деревянными или металлическими ребрами их пролеты могут превышать 100 м. Купола из клеефанерных элементов достигают диаметра 90 м. Известные к настоящему времени возведенные деревянные купола достигают пролета 153 и 162 м, а покрытие над стадионом, разработанное фирмой «Вайерхозер» (г. Такома, США) в форме ребристого купола с сетчатым заполнением из клееной древесины и фанеры, запроектировано диаметром 257 м.

Классифицировать купола покрытия можно по самым различным признакам. По материалу — из древесины, фанеры, пластмасс и их сочетаний. По конструктивному решению — тонкостенные купола-оболочки, ребристые купола, ребристо-кольцевые, ребристо-кольцевые купола с решетчатыми связями, сетчатые. По форме поверхности, получаемой вращением образующей вокруг вертикальной оси, купола могут быть сферического очертания, эллиптического, конического, в форме гиперболоида вращения и т. д. Пластмассовые купола часто проектируют из волнистых (лотковых) и складчатых элементов.

Основными нагрузками, действующими на купольное покрытие, являются: собственный вес конструкции, снеговой покров, технологическая нагрузка от массы оборудования и приспособлений; для подъемистых куполов — ветровая нагрузка.

Методика расчета купольных покрытий зависит от типа оболочки н вида нагрузки — осесимметричной и

неосесимметричной. К первой, как правило, относится собственный вес конструкции; как вариант—масса сплошного снегового покрова и симметрично подвешенного оборудования. Ко второй — ветровая нагрузка; как вариант — односторонняя снеговая и масса несимметрично расположенного оборудования.

Оболочка купола считается пологой, если отношение стрелы подъема купола к его диаметру не превышает 1/5. При отношении стрелы подъема купола к его диаметру не более 1/4 ветровой напор создает на поверхности купола отсос, который разгружает купол и при достаточном собственном весе покрытия может не учитываться. Однако легкие пластмассовые купола необходимо проверять расчетом на действие отсоса ветра.

Тонкостенные купола-оболочки

По характеру работы к этой конструктивной схеме ближе всего относятся пластмассовые гладкие купола- оболочки однослойные, двух- и трехслойные. Однослойные пластмассовые купола изготовляют из полиметилметакрилата (органическое стекло), полиэфирного стеклопластика (чаще всего светопрозрачного) и пенопласта (пенополистирол и др.). Трехслойные купола-оболочки общей толщиной от 15 до 50 мм имеют стеклопластиковые обшивки толщиной до 3 мм и средний слой из пенополистирола, пенополиуретана, пенополивиннлхлорида, пенофенопласта, сотопласта и просто воздушной прослойки. Двухслойные оболочки состоят из наружного стеклопластикового слоя и внутреннего пенопластового.

Диаметр и толщина однослойных куполов из полиметилметакрилата соответственно достигают 10 м и 20 мм; из стеклопластика—9 м и 6 мм; из пенопласта—24 м н 200 мм. Трехслойные купола возводят диаметром до 25 м с общей толщиной оболочки до 50 мм.

Параметры двухслойных куполов аналогичны однослойным стеклопластиковым, так как внутренний пенопластовый слой в основном выполняет функцию утеплителя.

Интересным примером трехслойного пластмассового купола является покрытие выставочного павильона в г. Бергамо (Италия) (рис. IX.25). Диаметр купола 25 м, высота подъема 9 м, общая толщина оболочки 50 мм, 372

Рис. IX.25. Трехслойный пластмассовый купол покрытия выставочного павильона в г. Бергамо (Италия)

обшивка из стеклопластика толщиной 3 мм, средний слой — пенопласт. Купол собран на болтах из 24 однотипных сегментов с размером понизу около 3,3 м, имеющих круглые проемы диаметром 1 м, заполненные акриловыми фонарями. Сегменты опираются на полое железобетонное кольцо с размещенным на нем техническим оборудованием. С двух сторон по диаметру купола устроены крупногабаритные проемы для въезда грузовых автомобилей. При необходимости можно стыковать несколько куполов по выступам входного обрамления проемов, получив тем самым многокупольное помещение. Масса покрытия на 1 м2 перекрываемой площади 20 кг.

Деревянные тонкостенные купола-оболочки проектируют диаметром 12—35 м; они, как правило, имеют сферическое очертание. Купол состоит (рис. IX.26) из меридианных ребер (арочек), верхнего и нижнего опорных колец, кольцевого и косого настилов.

Меридианные ребра воспринимают сжимающие усилия в оболочке по направлению меридиана и передают их на верхние и нижние опорные кольца. Ребра состоят из нескольких слоев склеенных или сбитых гвоздями досок, общей высотой поперечного сечения не менее 1/250 диаметра купола, которую принимают из условия его жесткости. Шаг ребер по инжнему опорному кольцу назначают 0,8—1,5 м. Верхние концы ребер присоединяют шарнирно к верхнему сжатому кольцу. Ребра передают на кольцо продольную и поперечную силу. Соединения осуществляют металлическими накладками, присоединя-

Рис. IX.26. Тонкаи-енньш. купол-оболочк®

а — поперечный разрез и план; б — притиякаляе к верхнему опорвиму таяыи; в — детали -покрытия; г—прниъиканне к нижнему сворному к-ольцу; / — дощатые ребра; 2 — нижний слой кольцевого настила; 3 — верхний слой кольцевого нвстила; 4—косой настил; 5 — кровля; 6— верхнее опорное кольцо;

7 — нижнее железобетонное опорное кольцо; 8 — фон-ар ь; S — металлическая деталь креплении ребер

емыми к ребрам болтами, глухарями или зубчатыми шпонками. При значительных поперечных усилиях применяют сварные металлические башмаки.

Верхнее кольцо изготовляют металлическим или деревянным. Деревянные кольца могут быть клееными или кружальными на гвоздях. Диаметр верхнего кольца принимают таким, чтобы и нему беспрепятственно примыкало требуемое количество меридианных ребер. Отверстие кольца часто используют как световой или аэрационный фонарь. ‘

Нижнее опорное кольцо воспринимает распор меридианных ребер и работает на растяжение. Оно может быть железобетонным, деревянным или металлическим в зависимости от уровня опирания купола и вида нижних опорных конструкций (железобетонные фундаменты, металлические или деревянные стойки и г. д.). Концы ребер должны быть- заанкерены в опорном кольце, а последнее надежно соединено с нижележащими конструкциями.

Кольцевые настилы воспринимают усилия, действующие в кольцевом направлении оболочки. В нижней части купола, где могут возникать растягивающие кольцевые усилия, кольцевой настил выполняют из двух слоев досок. Нижний укладывают непосредственно на меридианные ребра, верхний—перекрывает стыки нижнего, сдвигаясь относительно их на половину длины доскн. Оба слоя прибивают гвоздями. Доски не выкружаливают и поэтому между ними образуются зазоры. Вместо досок можно применять склеенные по длине плети брусков. В этом случае настил может быть одинарным, стыки плетей располагаются вразбежку и соединяются гвоздями через меридианное ребро или смежные бруски. Толщину досок кольцевого настила принимают 19—25 мм. В верхней части купола, где действуют сжимающие кольцевые усилия, настил выполняют из одного слоя досок (брусков) толщиной, равной двойному нижнему кольцевому настилу.

Косой настил воспринимает сдвигающие усилия, которые возникают при несимметричной нагрузке на купол. Он состоит из одного слоя досок толщиной 16—25 мм, укладываемого сверху кольцевого настила от одного меридианного ребра к другому, под углом около 45°, образуя на поверхности купола елочку.

Купола-оболочки могут быть выполнены из крупнопанельных клеефанерных элементов, что значительно снижает трудоемкость возведения покрытия.

Деревянные тонкостенные купола-оболочки собирают

с помощью лесов. Особое внимание обращается на при- торцовку стыков сжатого кольцевого настила.

Статический расчет куполов-оболочек производят по безмоментной теории, согласно которой для сферической оболочки при действии на нее осесимметричной нагрузки основное уравнение напряженного состояния имеет вид

Тг + T2 = qR,(IX. 16)

где Т1 — меридиональное усилие на единицу длины кольцевого сечения; Тг — кольцевое усилие на единицу длины дуги меридиана; q — равномерно распределенное нормальное к поверхности купола давление, направленное к центру сферы; R — радиус сферического купола (рис. 1Х.27,а).

Определение усилий от собственного веса. Постоянная нагрузка от собственного веса g считается равномерно распределенной по всей поверхности купола (рис. IX.27, о). Для определения меридионального усилия 7*1 рассмотрим равновесие верхней части купола, отсеченной горизонтальной плоскостью, проходящей на расстоянии у от центра сферы (рис. IX.27, а). На отсеченный сферический сегмент действует нагрузка от собственного веса вышележащей части купола

' 2nRfg = 2лЯ(R—R cos<р)g, которая уравновешивается проекцией на вертикальную ось меридиональных усилий Ti, действующих по периметру кольцевого сечения радиусом r=7?sin<p,

Тг 2лл sin q> = 7\ 2nR sin2 <р,

отсюда меридиональное усилие на единицу длины колы ца равно

(IX. 17)(IX. 17)_ gRU— cos ср)R

(IX. 17)

(IX. 17)

sin2 ф1 -|- COS ф

Для тонкостенного деревянного купола-оболочки при числе меридианных ребер m и расстоянии между ними по длине дуги рассматриваемого горизонтального сечения а усилие в одном ребре в данном горизонтальном сечении определяется:

.7'1Ре0=Т1а.■

Кольцевое усилие Г2 найдем из основного уравнения безмоментной сферической оболочки (IX. 1), выражая дав-

Рис. IX.27. Нагрузки и усилия в куполе-оболочке

с —расчетная схема; б — эпюры меридиональных и кольцевых усилий от собственного веса купола; в—то же. от снеговой нагрузки; г, е — эпюры ветрового давления иа купол в поперечном сечении и в плане; д, »с — симметричная и кососимметричная эпюры ветрового давления на купол

ление у через вертикальную нагрузку g, a Tt через значение уравнения (IX. 17) Q=gcos<p,.

R® 1 + cos <рR® 1 + cos <р+ т2=— gcostp/?.+ т2=— gcostp/?.

R

® 1 + cos <р

R

® 1 + cos <р

+ т2=— gcostp/?.

+ т2=— gcostp/?.

откуда кольцевое усилие на единицу длины меридиана

(IX. 18)(IX. 18)Т2 =— I?g[cos<p — —

(IX. 18)

(IX. 18)

(1 + cos <р /

При угле <р=5Г49' кольцевое усилие меняет свой знак, переходя от сжимающего к растягивающему.

Усилия h и Гг, определенные по формулам (IX. 17) и ’(IX.18) справедливы для сплошного замкнутого купола. Если в куполе имеется фонарное отверстие и масса фонаря более чем в 1,5 раза отличается от массы вырезанной части купола, то необходимо учесть нагрузку Рк (рис. IX.27, а), линейно распределенную по краю сечения фонарного выреза

Тг=— Рк (sinq^/sin2 ф);

7*2 =-Рк (sin <p1/sin2 ф).

Растягивающие усилия в опорном кольце от собственного веса купола можно определить по формуле

^к = QU 2л tg фо,

где Q Ф1— масса купола.

Q% = 2.чР2 g (1 — cos ф0).

Для случая кольцевой нагрузки по фонарному вырезу

WKРи/? sin ф1 ctgq>0.

Определение усилий от снеговой нагрузки. Интенсивность снеговой нагрузки по поверхности купола обычно принимают по закону косинуса P=P0cos<p, где Ро— равномерно распределенная нагрузка по проекции поверхности на горизонтальную плоскость.

Меридиональное усилие на единицу длины кольца в любом сечении имеет постоянное значение

т ^Р» _ pU

2лг sin ф 2

Усилие на одно меридианное ребро составит

PoR7\реб~~" 2“’

Кольцевое усилие на единицу длины меридиана определится с учетом нормальной составляющей нагрузки в уровне кольцевого сечения g = P0cos2<p из уравнения (IX.16)

7*2 =— qR+Poy ^ Р» cos 2ф.

Кольцевое усилие меняет знак при ф = 45°.

Усилие растяжения в опорном кольце

WK = (Р0Р2/4) sin 2ф0.

При действии на купол несимметричной нагрузки в оболочке кроме меридиональных и кольцевых усилий возникают сдвигающие усилия S. Расчет сферического купола на одностороннюю снеговую нагрузку, исходя из нормальной к поверхности купола нагрузки

Р = О,4Ро (1 -}- sinq? sin -ф), где Ро — нагрузка на единицу площади горизонтальной поверхности; ф — угол широты в плане нижнего круга сферического купола, отсчитываемый от диаметра, перпендикулярного направлению ветра, при котором получается одностороннее загружение (рис. IX.27,с).

7'1 = О,4Ро^[^+—(2 4- cos ф) (1 — со$Ф)2$тф

3 sin3 tp

Г2 = 0,4Р0^(~~ + [sin tp — - C°S (2 + со$ф) (1 — cos<p)2l sin ф

I 2 L 3sin3 q)J

O,4PoR (2 + cos<p)(l—cos ф)2

S =—cos ф.

3sin3 ф

Определение усилий от ветровой нагрузки производят приближенно заменой действительной эпюры ветрового давления (рис. IX.27, г) суммой двух эпюр — симметричной (рис. IX.27, <?) ^^” = ^8 003 2<р, где g, — расчетная нагрузка от давления ветра на вертикальную плоскость на уровне основания купола, и кососимметричной (рис. IX.27, ж) §Т = £вЗП1ф31Пф.

Усилия от симметричной эпюры:

^сим __ о R 1 + COS ф + COS2 ф ,

1в 314- cos ф’

1 4" COS ф 4" COS2 ф 1

3 (1 4- cos ф) ]'

Усилия от кососимметричной эпюры ветрового давления:

„ П „ COS ф Т = su R—1 Sb sin3V„ П „ COS ф Т = su R—1 Sb sin3V^2 = £в Я [sin ф -^2 = £в Я [sin ф -COS фsin3 фCOS фsin3 ф— cos ф 4- — cos3 фу sin ф,/ 21,I-^~ —cos ф 4- "^ cos3<p || sin ф.— cos ф 4- — cos3 фу sin ф,/ 21,I-^~ —cos ф 4- "^ cos3<p || sin ф.

„ П „ COS ф Т = su R—

1 Sb sin3V

„ П „ COS ф Т = su R—

1 Sb sin3V

^2 = £в Я [sin ф -

^2 = £в Я [sin ф -

COS фsin3 ф

COS фsin3 ф

— cos ф 4- — cos3 фу sin ф,

/ 21,

I-^~ —cos ф 4- "^ cos3<p || sin ф.

— cos ф 4- — cos3 фу sin ф,

/ 21,

I-^~ —cos ф 4- "^ cos3<p || sin ф.

Кососимметричная нагрузка дает сдвигающие усилия, которые можно определить из табл. IX.3.

Купольные покрытия обладают хорошей обтекаемостью. Поэтому при Щ^Х/^ достаточно учесть только симметричный отсос. Для купола с f!l>\/^ следует при-

Таблица IX.3. Сдвигающие усилия в сферическом куполе при кососимметричной ветровой нагрузке

ф. Град

Сдвигающие усилия S

10

0,5ggV? (0,0356 cos ф—0,0048 cos Зф)

30

0,5gg/? (0,1165со$ф—0,0571 cos Зф)

50

0, б^в R (0,2134 cos ф—0,1897 cos Зф)

70

0,5gg R (0,3506 cos ф—0,4906 cos Зф)

90

0,5ggl? (0,5657 соз ф—1,3254cosЗф)

иимать во внимание и кососимметричную ветровую нагрузку.

В деревянных тонкостенных куполах-оболочках гвозди, соединяющие настилы купола с меридианными ребрами, рассчитывают на разность усилий Ti по их длине. Двойной кольцевой растянутый настил проверяют на прочность по площади /7нт=0,5/:'бр. Гвозди в растянутом кольцевом настиле рассчитывают из условия перекрытия его стыков и размещают в местах пересечения досок настила с меридианными ребрами. Доски косого настила проверяют на усилия S, на эту же силу рассчитывают гвозди, соединяющие косой настил с меридианными ребрами. Верхнее кольцо купола проверяют на сжатие е учетом опасности потери устойчивости и на смятие в стыках.

Усилие сжатия в кольце

Лк = Т^ гк cos фк.

Проверка кольца на устойчивость

°кр —°кр —^крГк^крГкЗ^к ^кЗ^к ^к

°кр —

°кр —

^крГк

^крГк

З^к ^к

З^к ^к

где FK, Ер., Jk, Гк—площадь поперечного сечения, модуль упругости материала, момент инерции и радиус кривизны кольца относительно вертикальной осн.

Критическое напряжение потери устойчивости сферической оболочки проверяют по формуле £6

^кр — у«<2.ас^/?Уз(1-н8)

где 6 — толщина оболочки; Е, ц — модуль упругости и коэффициент Пуассона материала (древесины, пластмасс, фанеры); Хас— суммарное сжимающее напряжение от всех видов загружения; R — радиус кривизны сферической оболочки.

Ребристые купола

Ребристые купола — одна из первых конструктивных схем купольных покрытий, состоящая из отдельных, поставленных радиально плоскостных несущих криволинейных или прямолинейных ребер, опирающихся в верхнее и нижнее опорные кольца или фундаменты (рис. IX.28). Ограждающая часть покрытия, уложенная по верхним граням ребер, образует поверхность купола. Покрытие состоит из дощатых щитов или настила по кольцевым прогонам, клеефанерных или стеклопластиковых панелей.

Несущие меридианные деревянные ребра постоянного или переменного сечения могут быть выполнены в виде полуарок (поверхности положительной гауссовой кривизны) или прямолинейных элементов (конические купола) из клееной древесины, фанеры или досок со сплошной или сквозной стенкой на гвоздях, а иногда из ферм. Несущие ребра увеличивают жесткость купола, позволяют воспринимать сосредоточенные нагрузки от оборудования, способствуют приданию оболочки проектной формы при возведении и облегчают монтаж покрытия. Высоту поперечного сечения ребер принимают в пределах 1/50—1/75 диаметра купола. Ребра устанавливают по нижнему опорному кольцу с шагом 4,5—6 м. Для обеспечения устойчивости ребер из плоскости и повышения общей жесткости покрытия между двумя соседними ребрами купола устанавливают связи. Количество пар ребер, соединенных связями, принимают не менее трех. Чаще всего ребра соединяют попарно по всему покрытию.

Дощатый настил укладывают по прогонам в два слоя — продольный и косой.

Верхнее сжатое кольцо (круглое или многоугольное) в отличие от кольца тонкостенных куполов-оболочек про-

рез конического ребристого купола; j — ребро;

1-11-1

1-1

1-1

2 — прогоны или панели; з — скатные связи; 4 — кровля; 5 —верхнее металлическое опорное кольцо: 6 — металлическая планка; 7 •— зубчатая шпонка; 8 — ребро жесткости; 9 — пластичный шарнир; 10— клин из клееной древесины; Н — полимербетон; 12 — столик опорного кольца

ектируют более жестким, учитывая его работу на изгиб и кручение, так как два ребра, расположенные в одной диаметральной плоскости, работают как арочная конструкция, прерванная в коньковом шарнире кольцом. При большом диаметре верхнее кольцо для повышения его жесткости и устойчивости раскрепляют внутренними распорками. Нижнее опорное кольцо как в тонкостенных куполах может быть круглого или многоугольного очертания из железобетона, металла или древесины. Соединение ребер с верхним и нижним кольцами осуществляется шарнирно (рис. IX.28).

Пример ребристого купола — покрытие крытого рынка в Волоколамске (рис. IX.29). Основными элементами ребристого купола диаметром 30 м являются 12 клееных деревянных меридианных ребер (полуарок). На отметке около 7 м сделано кольцо-затяжка из напрягаемой арматуры класса AI сечением 2020 мм. Нижние концы полуарок через пластинчатые шарниры опираются на железобетонные фундаменты (см. рис. IX.28,г), а верхние— в металлическое опорное кольцо из трубы диаметром 1020 мм (см.рис. IX.28, в); между основными ребрами устроены 12 витражных полуарок. Панели покрытия деревянные трехслойные с обшивкой из досок толщиной 19 и 25 мм. Заполнение панелей — мниераловатные полужесткие плиты толщиной 80 мм. Панели опираются на клееные прогоны шагом 1,5 м. Кровля из оцинкованной стали. Высота купола 14,5 м. Вверху устроен фонарь.

По характеру работы к ребристым куполам относятся складчатые купола из древесины, фанеры, пластмасс и волнистые из стеклопластика. На рис. IX.30 показано складчатое купольное покрытие здания павильона детских игр в г. Блекпуле (США) диаметром около 20 м, высотой в центре зала 7 м. Каждое из 16 ребер собрано из четырех треугольных решетчатых элементов. Кровля купола выполнена из алюминиевых листов, распор воспринимается металлическим кольцом, опирающимся на стальные стойки. 1

Волнистые стеклопластиковые купола из лоткообраз- ных криволинейных элементов (волн) меридианной разрезки выполняют диаметром до 30 м. Масса покрытия на 1 м2 проекции составляет 10—20 кг. Толщина волны колеблется от 4 мм в центре до 8 мм по краям. Соединение болтовое. На рис. IX.31 приведен пример покрытия рынка в пригороде Парижа Сент-Уан диаметром 18 м, со

Рис. IX.29. Крытый рынок, на 100 торговых мест в Волоколамске

Рис. IX.30. Складчатое купольное покрытие павильона детских игр в Блекпуле (США)

стрелой подъема 3,3 и. Каждый из 20 волнистых элементов имеет ширину в основании 2,8, высоту 1,1 м, толщину 7 мм. Купол установлен в верхней части здания размером 36X18 м.

Расчет ребристых куполов на вертикальную симметричную относительно оси купола нагрузку может быть 384

Рис. 1Х.31. Волнистый стеклопластиковый купол диаметром !8 м над зданием рынка в Сент-Уан (Франция)

Рис. 1Х.32. Расчетные схемы арок ребристых (а) и ребристо-кольцевых (б) куполов

выполнен расчленением покрытия на отдельные плоские арки, каждая из которых воспринимает нагрузку с приходящейся на нее грузовой площади треугольного очертания. .

При расчете купола на горизонтальную ветровую или несимметричную вертикальную нагрузки конструкцию также расчленяют на диаметрально расположенные арки. Арка, получающая от нагрузки наибольшее горизонтальное смещение, испытывает упругий отпор остальных арок, расположенных под углом к ней. Для простоты считают, что горизонтальные сечения купола не деформируются, а только смещаются в горизонтальном направлении одно относительно другого. Тогда упругий отпор на рассматриваемую арку можно считать приложенным в ключе арки (рис. IX.32, а) и усилия определяются из условия совместности деформаций всех арок в ключевом шарнире, используя при этом уравнение метода сил. Такой расчет можно выполнить по методике,

изложенной в курсе «Металлические конструкции» под общей редакцией проф., д-ра техн, наук Е. И. Беленя.

Для приближенного расчета в запас прочности можно рассчитывать арки на все виды загружения как обычные плоские системы.

При подборе сечения арок в зависимости от жесткости и надежности их соединения с кольцевыми прогонами последние могут обеспечивать общую устойчивость меридианных ребер из их плоскости, уменьшая расчетную длину ребер при проверке устойчивости плоской формы деформирования. Расчет верхнего и нижнего колец выполняют аналогично куполам предыдущего типа.

Ребристо-кольцевые купола

В ребристо-кольцевых схемах купольных покрытий в общую работу каркаса купола включены непрерывные кольцевые прогоны, которые пересекают меридианные ребра и работают не только на местный изгиб, но и воспринимают растягивающие кольцевые усилия, являясь ярусными затяжками. Сечения такого купола в плоскости кольцевых прогонов не имеют свободных горизонтальных перемещений. Высота поперечного сечения ребер благодаря участию в общей работе купола кольцевых прогонов уменьшается до 1/100—1/150 диаметра купола. Ребра с кольцевыми прогонами соединяются, как правило, шарнирно. Кольцевые прогоны и ребра чаще всего изготовляют из клееной древесины, но могут быть и клеефанерными. При диаметре купола 90—100 м высота поперечного сечения ребер составляет 30—50 см.

Верхнее и нижнее кольца, а также скатные (по верхнему поясу ребер) и поперечные (вертикальные) связи между ребрами, устраивают как и в ребристых куполах. Внешний вид ребристо-кольцевого купола аналогичен ребристому куполу.

При осесимметричной нагрузке расчет купола можно вести, расчленяя его на плоские арки е условными затяжками-кольцами (рис. IX.32, б) , каждая из которых полностью воспринимает приходящуюся на ее долю нагрузку, так как силы взаимодействия между арками в ключе равны нулю. Площадь сечения условных затяжек определяют по формуле

„ 2п.Ек Е«

Рис. 1Х.ЗЗ. Схемы сетчатых куполовРис. 1Х.ЗЗ. Схемы сетчатых куполова — ребристо-кольцевая со связями; б — звездчатая, в — схема Чивитта; г — схема «ромб»а — ребристо-кольцевая со связями; б — звездчатая, в — схема Чивитта; г — схема «ромб»

Рис. 1Х.ЗЗ. Схемы сетчатых куполов

Рис. 1Х.ЗЗ. Схемы сетчатых куполов

а — ребристо-кольцевая со связями; б — звездчатая, в — схема Чивитта; г — схема «ромб»

а — ребристо-кольцевая со связями; б — звездчатая, в — схема Чивитта; г — схема «ромб»

где п — количество ребер в куполе; Рк, Е„ — площадь и модуль упругости кольца; Fa, Е3 — площадь и модуль упругости условной

затяжки.

Неизвестные усилия в затяжках проще всего вычислить методом сил, решая систему с количеством неизвестных, равным числу условных затяжек. При несимметричных нагрузках купол рассчитывают так же, как и ребристый.

Следующей конструктивной схемой купола, которой предусмотрено увеличение связанности системы, является ребристо-кольцевой купол с решетчатыми связями (рис. IX.33,а), устанавливаемыми в каждой четырехугольной ячейке ребристо-кольцевого купола. Диагональные связи участвуют в общей работе купола, что приводит к уменьшению усилий в ребрах и кольцах. Именно по такой конструктивной схеме чаще всего проектируют

Рис. 1Х.34. Ребристо-кольцевой купол с решетчатыми связями диаметром 91,5 м

купола большого диаметра (около 100 м) — например, купол диаметром 92,2 м над крытым стадионом в г. Бозмене (США), купола над спортивными сооружениями диаметром 63 м в г. Ньюкасле и 67 м в г. Перте (Великобритания) и т. д. Общий вид купола такой системы представлен на рис. IX.34.

Анализ усилий в ребристо-кольцевом куполе с шарнирным присоединением колец к меридианным ребрами' с жестким соединением (рамный купол), а также в ребристо-кольцевом куполе со связями по всей поверхности показал, что при осесимметричных нагрузках усилия во всех перечисленных куполах практически одинаковы. Однако при неосесимметричных нагрузках значение усилий в ребристо-кольцевом куполе со связями значительно меньше, чем в ребристо-кольцевых. В рамном куполе изгибающие моменты в ребрах примерно на 15% меньше, чем в ребристо-кольцевом с шарнирным присоединением колец к ребрам.

Сетчатые купола

Сетчатые купола — это многогранники, вписанные чаще всего в сферическую поверхность вращения. Сетка обычно образуется из треугольников, трапеций, ромбов, пятиугольников, шестиугольников и других фигур. Стержни решетки в узлах сетчатых куполов соединяются шарнирно. Сетчатый купол является распорной системой, который воспринимается нижним опорным кольцом. В последнее время при проектировании деревянных куполов большого диаметра (до 257 м) сетчатые схемы получили широкое распространение. Они отличаются легкостью, четкостью и декоративностью рисунка конструктивных элементов. '

Наиболее часто применяют купола с треугольной ячейкой и ее разновидностью. Предопределяют этот класс куполов ребристо-кольцевые купола с решетчатыми связями. Различают два метода построения сетчатых поверхностей. Для сравнительно пологих куполов характерен первый метод, основанный на построении плоской сети для одного из одинаковых пространственных секторов поверхности с последующим проектированием этой сети на. криволинейную поверхность купола. К таким схемам сетчатых куполов относятся; 1) ребристокольцевая со связями (купол Шведлера) (рис. 1Х.ЗЗ;а); 2) звездчатая схема (купол Феппля) (рис. IX.33, б); 3) схема Чивитта (рис. IX.33, а); 4) схема ромба (рис. IX.33,г).

Второй метод построения сетчатых поверхностей наиболее выгоден для подъемистых сферических куполов и основан на последовательном членении вписанных в сферу правильных многогранников — додекаэдра (двенадцатигранник) и косаэдра (двадцатигранник). Элементарные треугольники после членения сферы могут быть объединены в ромбические, пятиугольные, шестиугольные панели. .

Этот метод построения сетчатых поверхностей широко используют в пластмассовых, клеефанерных и деревянных куполах, собираемых из плоских или криволинейных панелей.

Пластмассовые купола с такой разрезкой из плоских стеклопластнковых панелей диаметром 6—8 м применяют для жилых домиков, до пятидесятиметровых усеченных сферических оболочек — для безметального укрытия

61

Рис. IX.35. Многогранный сетчатый купол

а —фасад н план; б—определение усилий в стержнях сетчатого купола^ в — расчет на местную устойчивость сетчатого купола

антенн радиотелескопов. Пример многогранного купола из клеефанерных или стеклопластиковых панелей, образующих пяти- и шестигранные пирамиды,— купол, показанный на рис. IX.35, а.

Клееный деревянный сетчатый купол покрытия стадиона в г. Флагстафф (США) имеет диаметр 153 м и стрелу подъема 29,2 м. Сетка купола в форме треугольных ячеек со сторонами от 18,9 до 10,7. м изготовлена из криволинейных деревянных элементов, соединенных между собой стальными болтами и фасонками. Купол поддерживается железобетонным кольцом, опирающимся на 36 контрфорсов. Кровля из стекловолокна на битумной мастике выполнена по деревянному настилу из шпунтованных досок толщиной 25 мм, уложенных по деревянным прогонам с шагом 2,4 м. Снизу к доскам подшит утеплитель из стекловолокнистых плит толщиной 76 мм.

Сетчатые купола рассчитывают по безмоментной теории как сплошные осесимметричные оболочки (см. § 3.2). Усилия в стержнях купола определяют умножением меридиональных Tt и кольцевых Тг усилий на со- 390

ответствующие расстояния между стержнями в рассматриваемых сечениях купола, и проектировании этих усилий на направления стержней (рис. IX.35,б). При ячейке в виде равностороннего треугольника усилия в стержнях:

Nt = (//2Уз) (З^-Ту;

Л'2 = (//Уз)(г2-'Уз5);

л’3 =(//Кз] (т2-У5).

Кроме осевых усилий М, Ni, N3 в стержнях могут возникать изгибающие моменты от местной нагрузки, которые необходимо учитывать при расчете стержней на внецентренное сжатие.

Местная потеря устойчивости сетчатого купола состоит в явлении продавливания узла к центру сферы (рис. IX.35,в). Для расчета на местную устойчивость необходимо проверить на продольный изгиб стержень узла при расчетной длине, равной

Zp = (wcV" / Уз/ft®) l,

где rc—радиус инерции сечения стержня; I—длина стержня; h — величина превышения вершины узла пирамиды над примыкающими к нему соседними узлами.

Чтобы избежать общей потери устойчивости сетчатой оболочки необходимо, чтобы равномерное радиальное давление на сферический купол не превышало критического '

где £, F, гс, Z—модуль упругости, площадь, радиус инерции и длина стержня; г — радиус сферы.

Кружально-сетчатые купола из сомкнутых сводов

Конструкции кружально-сетчатых сомкнутых сводов. Купол из сомкнутых сводов образует в плайе правильный многоугольник и состоит из одинаковых секторов (рис. IX.36 и IX. 37), являющихся частью цилиндрического свода. Смежные секторы сомкнутого свода соединяются между собой специальными ребрами, называемыми гуртами. Шаг сетки с, угол ф между косяками и угол а между нижними ребрами косяков и образующей

Рис. 1X36. Сомкнутый сетчатый свод над станцией обслуживания автомобилей в Москве

свода принимают такими же, как в цилиндрических кружально-сетчатых сводах.

Косяки, примыкающие к гуртам, соединены с ними «по месту». Гурт имеет эллиптическое очертание, которое при f^LJb может быть практически заменено окружностью, построенной по трем точкам — одна посередине и две по концам гурта. Для покрытий, особенно где косяки сетки клееные, целесообразно гурты выполнять также клееными — либо из стандартных косяков, как кружальные арки, либо из пакета гнутых досок, как клееные арки.

Нижнее распорное кольцо, имеющее очертание правильного многоугольника, может быть из стали или железобетона либо металлодеревянным из горизонтальных шпренгельных ферм, где изгибающие моменты воспринимаются деревянным поясом, а замкнутая многоугольная Схема металлических шпренгелей воспринимает

Рис. IX.37. Схематический план и разрез сетчатого сомкнутого свода со стандартными косяками

растягивающие усилия от распора. Верхнее сжатое кольцо решают обычно по принципу многослойной кружальной арки.

Представляет интерес разновидность сомкнутого сетчатого свода, разработанного в США для пролета 257м (рис. IX.38). Проект этого свода предусматривает использование его для покрытия стадионов в городах Портленде, Филадельфии, Детройте и Новом Орлеане. Стрела подъема этого покрытия 76 м. Гурты клееные,

С)

Рис. IX.38. Проект перекрытия стадиона диаметром 257 м, разработанного для четырех городов США а —схема купола; б — сечение гурта

переменного коробчатого сечения. Максимальная высота сечения 334 см. Верхний пояс представляет собой пакет шириной 91 см, а нижний пояс состоит из двух пакетов шириной по 36 см. Высота поясов одинаковая и равна 61 см. Устойчивость стенок гурта, выполненных из фанеры толщиной 76 мм, обеспечивается изнутри ребрами жесткости. Нижнее распорное кольцо полое клееное. Внутри кольца проходят предварительно напряженные стальные тросы. Ромбическая сетка между гуртами выполнена из клееных косяков. По сетке уложены клеефанерные панели, которые имеют размеры и формы, соответствующие ромбовидной ячейке. Кровля — из листов алюминиевого сплава. Это купольное покрытие было принято для строительства, как самое экономичное по сравнению с вариантами из других строительных материалов. ■

Расчет кружально-сетчатых куполов из сомкнутых сводов. Отдельные секторы кружально-сетчатых куполов из сомкнутых сводов работают как своды, опертые по трем сторонам. Чем больше секторов в сомкнутом своде, тем ближе его работа к работе куполов вращения. Приближенный расчет сомкнутых сводов обычно производят по безмоментной теории расчета куполов

вращения. Преобразуя формулу (IX. 1) с учетом поверхности граненого куцола, получим меридиональное усилие 7, от собственного веса купола на 1 м горизонталь-' ного сечения

Г,-® = (5ф/2 sin ф) (IX. 19) где 5ф —длина дуги, стягивающая угол ф. (рис. IX.39).

Меридиональные усилия от снеговой нагрузки и кольцевые усилия от собственного веса и снега определяют по соответствующим формулам для сферических куполов-оболочек. Меридиональные усилия сжатия 1\ и кольцевые усилия сжатия воспринимаются косяками сетки, а кольцевые усилия растяжения — кольцевым настилом. Усилие Nv (рис. IX.40), приходящееся на один косяк, находят по формуле

2cos(;^+ 2sin(;/2) > (ix.20) где Т^Т j,B+7" CjH —суммарное меридиональное усилие на 1 м образующей свода в сечении с-углом ф: 7'2=7'2В+7’2М —суммарное кольцевое усилие на 1 м дуги поперечного сечения свода-при угле ф; с — шаг косяков сетки вдоль образующей цилиндра; 5^ —шаг косяков сетки вдоль дуги поперечного сечения цилиндра.

Если в рассматриваемом узле Г2 является усилием растяжения, то последний член в формуле для Nv отпадает; само же усилие 72 должно быть воспринято кольцевым настилом.

Сечение косяков обычно подбирают из условия смятия торцами набегающих косяков боковых граней сквозного косяка по формуле

М/Ент < Rcmso >

где Рнт — площадь нетто нормального сечения косяка в торце для метального варианта; для варианта с узловым соединением на шипах из этой площади вычитают площадь нормального сечения шипа; высота косяка посередине его длины Лк нс должна быть меньше 1/150Ас.

Кроме того, вдоль образующей свода в секторе проверяют отдельные полосы на продольный изгиб под действием сил сжатия Т2. Рассчитываемую полосу свода принимают равной по ширине з£ (см. рис. IX.39), а по длине — расстоянию а„ между осями смежных гуртов на уровне, соответствующем положению продольной оси расчетной полосы. -

Рис. 1Х.40. Расчетная схема разложения сил в типовом узле сетчатого куполаРис. 1Х.40. Расчетная схема разложения сил в типовом узле сетчатого купола

Рис. 1Х.40. Расчетная схема разложения сил в типовом узле сетчатого купола

Рис. 1Х.40. Расчетная схема разложения сил в типовом узле сетчатого купола

Рис. 1X39. Расчетная схема одного сектора сетчатого сомкнутого свода

Длину ап определяют по формуле an = 2j?c sin tp tgaj, где ф — центральный угол, соответствующий положению осевой линии ад о, — половина центрального угла сектора в плане.

Положение расчетной полосы устанавливают подбором. Напряжение в косяках с учетом продольного изгиба проверяют по формуле

Т„-«Яс.^Fк Фпр s*n gгде фпр—коэффициент продольного изгиба.

Приведенная гибкость расчетной полосы an

X = 3,5an//iK.

Сечение растянутого кольцевого настила подбирают аналогично подбору сечения куполов-оболочек. Кольцевые растягивающие усилия между отдельными секторами передаются с помощью гуртов. Прикрепление кольцевого настила к гуртам проверяют на соответствующее усилие в кольцевом настиле. Соединение косяков с настенным брусом и гуртом проверяют на смятие от усилий Ns в косяках. В сжатой зоне кольцевых усилий при симметричной нагрузке кольцевой настил воспринимает только местную нагрузку в пролете между косяками. При несимметричной нагрузке неизменяемость сетки обеспечивается кольцевым настилом, который воспринимает при этом продольный распор в каждом секторе свода, определяемый на единицу длины дуги поперечного сечения свода по формуле

Л'п = —. (IX.21)

Прикрепление кольцевого настила к гуртам проверяют также на усилие Nn по аналогии с кружально-сетчатыми сводами. В растянутой зоне прикрепление кольцевого настила к гуртам проверяют на суммарное усилие Nn и Т2.

Нижнее опорное кольцо (многоугольное в плане) рассчитывают на растяжение и изгиб в горизонтальном направлении от распора свода при наличии сплошной вертикальной опоры и на косой изгиб при опирании кольца в отдельных точках (совпадающих обычно с положением гуртов). Растягивающее усилие в многоугольном кольце (см. рис. IX.39). '

Np = О.бГ, cos % Belg at. (IX.22)

Верхнее сжатое кольцо при многоугольном плане рассчитывают на сжатие усилием, определяемым по формуле '

. Nc = 0,57, cos «pjajctga,, (IX.23) где at — сторона верхнего многоугольника кольца.

При круговом очертании верхнее кольцо рассчитывают так же, как в куполах-оболочках.

Узловые болты в конструкции сетчатого купола с узлами на болтах рассчитывают аналогично кружальносетчатым сводам на усилие

N6 = Nt etg 4. (IX.24)

Если необходимо, чтобы сомкнутый свод воспринимал в условиях эксплуатации сосредоточенные нагрузки, их непосредственно передают на гурты, которые при этом рассчитывают как плоские трехшарнирные аркн. Также рассчитывают гурты, если при монтаже к ним подвешивают подмости или другие монтажные приспособления.

Возведение кружально-сетчатых сомкнутых сводов. При сборке сомкнутых сводов в качестве монтажных элементов часто используют усиленные гурты. Сборку свода ведут в такой последовательности. Сначала устанавливают и закрепляют нижнее опорное кольцо и центральную башню, на которую укладывают верхнее кольцо. После этого ставят усиленные гурты свода, которые рекомендуется поднимать и устанавливать спаренными для придания им пространственной жесткости. Гурты раскрепляют монтажными дощатыми раскосами, затем к ним подвешивают небольшие подмости в пределах одного сектора или даже части его.

Свод собирают секторами. Целесообразно собирать одновременно два противоположных сектора. Переходя к сборке следующих секторов, предварительно переносят и закрепляют подвесные подмости. В остальном сборка аналогична сборке кружально-сетчатых сводов. Может быть и другой способ возведения сомкнутых сетчатых сводов. Сначала собирают внизу все основные элементы (гурты, косяки, сетки и опорные брусья) отдельных секторов, а затем их поднимают и устанавливают на место. При этом примыкающие друг к другу секторы образуют спаренные гурты, что должно быть учтено при их расчете и конструировании.

ГЛАВА 4. ЦИЛИНДРИЧЕСКИЕ, ЭЛЛИПТИЧЕСКИЕ

И ГИПЕРБОЛИЧЕСКИЕ ОБОЛОЧКИ

§ 4Л. Своды-оболочки, крестовые своды, оболочки двоякой положительной кривизны

Своды-оболочки нулевой гауссовой кривизны представляют собой безраспорные покрытия цилиндрической формы, опертые на торцовые стены или диафрагмы. Оболочка должна обладать свободой перемещения продольных краев (бортовых элементов). Для деревянного свода-оболочки характерна однорядная схема с про-

Рис. )Х.41. Своды-оболочки

а — однорядная ребристая из древесины или с применением фанеры; 6 — пластмассовые многорядные

Рис. 1Х.42. Цилиндрическая замкнутая оболочка транспортной галереи

дольным расположением оси (рис. 1Х.41,а), для пластмассовых оболочек и клеефанерных чаще применяют многорядные решения (рис. IX.41, б).

Своды-оболочки из дощатых элементов на гвоздях являются конструкциями построечного изготовления. Они обладают повышенной деформативпостью и в настоящее время не применяются, хотя в прошлом известны примеры, когда такими оболочками перекрывали стометровые

пролеты, например в г. Хин/кн Моск. обл. Индустриальные своды-оболочки изготовляют из криволинейных деревянных ребер, соединяемых с клеефаперными криволинейными панелями.

Жесткость свода оболочки в продольном направлении определяется моментом инерции поперечного сечения всего свода оболочки, а в поперечном направлении—• жесткостью ребер, препятствующих горизонтальному смещению краев и обеспечивающих неизменяемость контура поперечного сечения.

В зависимости от соотношения Ц1 цилиндрические оболочки условно разделяют на два вида—длинные при £//>2 и короткие при Ljl^2.

В Москве для стадиона «Локомотив» разработан проект перекрытия здания катка размером 42X76 м короткими цилиндрическими оболочками 42X12 м. Оболочки состоят из сборных панелей, диафрагм в виде без- раскосных ферм или арок с затяжкой, бортовых элементов в виде балок прямоугольного сечения и стержней косой арматуры, установленных в углах оболочки.

Пластмассовые и клеефанерные цилиндрические оболочки могут быть замкнутого и незамкнутого профиля. Первые применяют в качестве закрытых переходов, транспортерных галерей, временных жилых помещений. На рис. IX.42 представлена секция замкнутой цилиндрической оболочки закрытой транспортерной галереи, разработанной в ЦНИИСК им. В. А. Кучеренко.

Пластмассовые цилиндрические своды-оболочки из полиэфирного стеклопластика толщиной 4—6 мм обычно применяют в миоговолновом варианте, перекрывая пролет до 12 м. Своды-оболочки структурного типа из стеклопластиковых пирамидальных элементов на клею с толщиной стенки 3—4 мм способны перекрывать пролеты 26 м и более.

Как показали многочисленные исследования, длинные цилиндрические оболочки можно рассчитывать только на продольные усилия, определенные как в балочных элементах, а поперечные усилия учитывать в диафрагмах. В поперечном направлении гак же, как в обычной сводчатой конструкции, возникают сжимающие напряжения.

В многоволновых оболочках распор, возникающий ио длине промежуточных бортовых элементов, взаимно погашается. У крайней оболочки и в одноволновых обо-

Рис. IX.43. Образование крестового свода

Рис. 1Х.44. Стеклопластиковые трехслойные крестовые своды пролетом $2 м станции технического обслуживании автомобилей

дочках для этой иели приходится устраивать горизонтальную балку, которую, как правило, включают в конструкцию бортового края оболочки. Короткие оболочки в исправлении длины рассчитывают как балку криволинейного сечения. В направлении пролета усилие в оболочке на 1 п. м длины бортового элемента определяют приближенно в предположении работы свода как двух- шарнирной арки.

При рассечении цилиндрической поверхности диагональными плоскостями (рис. IX.43, а) образуются две

пары сводиков. Сводики типа 1 называются распалубками, типа 2— лотками. Свод-оболочку, составленную из четырех и более лотков, называют сомкнутым сводом, которая является распорной конструкцией и рассматривается в разделе куполов из сомкнутых сводов.

Свод-оболочку, составленную из распалубок, называют крестовым сводом (рис. IX.43, б). Образующие распалубок могут быть горизонтальными или наклонными. В первом случае крестовые своды похожи на пологую оболочку, во втором—на волнистый купол. В месте пересечения распалубок устраивают ребра — гурты, а по торцам—диафрагмы жесткости. Ребра-гурты работают на внецентренное сжатие. Торцовые диафрагмы обеспечивают устойчивость оболочек и выполняются в виде арок с затяжкой, сегментных ферм или криволинейных балок. Крестовые своды сооружают на квадратном, прямоугольном или многоугольном планах. Пролеты деревянных или клеефанерных крестовых сводов достигают 30 м, из стеклопластиков—12—15 м (рис. IX.44).

При расчете распалубки рассматривают как усеченные цилиндрические оболочки, ребра-гурты — как трехшарнирные арки. Нагрузкой на диафрагмы является опорное давление оболочки, передаваемое в виде сдвигающих сил, касательных к срединной поверхности оболочки. Распор воспринимается затяжкой торцовых диафрагм. По расходу материала сомкнутые своды уступают пологим оболочкам и куполам.

Оболочки двоякой положительной гауссовой кривизны на выпуклом контуре с относительно небольшим подъемом (не более 1/5 короткой стороны плана) называются пологими. Форма поверхности оболочки может быть образована вращением или переносом. При параллельном скольжении параболы по параболе получается оболочка с поверхностью эллиптического параболоида, дуги окружности по окружности — оболочка с круговой поверхностью переноса. Рассекая поверхность тора, образованную вращением окружности вокруг оси, лежащей в ее плоскости, получим тороидальную оболочку вращения.

Для многослойных дощатых оболочек чаще применяют поверхность переноса, так как при ней снижается трудоемкость изготовления оболочки.

Для сборных оболочек предпочтительна тороидальная поверхность, которая при членении радиальными се402

кущими отсекает внутри поверхности оболочки равновеликие полосы, что способствует сокращению типоразмеров сборных элементов при их максимальном увеличении.

Пологие оболочки могут быть квадратными и прямоугольными. Опорами пологих оболочек являются контурные диафрагмы в виде арок, сегментных ферм, балок или криволинейных элементов. Пролет пологих деревянных оболочек достигает 30 м. Примером ребристой оболочки из клееных деревянных элементов является покрытие цеха щитового паркета на Волоколамском экспериментальном заводе строительных конструкций. Оно состоит из трех пологих оболочек двоякой кривизны 20X20 м. При проектировании оболочки старались использовать в качестве сборных элементов продукцию массового заводского изготовления — прямолинейные и криволинейные,брусья, добиться, чтобы сборные конструкции из клееной древесины были размером на пролет, не требуя подмостей при монтаже; избежать использования металлических деталей с выходом на поверхность конструкции.

Оболочка имеет клееные ребра трех типов: контурные 130X570 мм, арочные 130X500 мм с монтажными затяжками, ребра-вставки между арками 130x500 мм, которые соединяются с арками врезкой шипа в гнезда на глубину 150 мм от верхней грани. Стрела подъема арок 1400 мм (1/14,5). Расход древесины на 1 м2 плана 0,08 м3, стали 1,92 кг, в том числе гвоздей 0,97 кг. По сравнению с плоскими металлодеревянными фермами расход древесины снижен на 0,033 м3/м2, стали — на 0,6 кг/м2, уменьшена масса конструкции на 17,1 кг/м2.

В Ленинградском инженерно-строительном институте разработаны сборные клеефанерные пологие оболочки положительной кривизны с размером в плане до 42Х Х42 м. Конструкция оболочки представляет собой многогранник из плоских ребристых панелей открытого или коробчатого сечения, вписанный в часть сферической поверхности и ограниченный квадратным или прямоугольным планом. Панели соединены на основе заливочных клеевых композиций, в пересечении швов усилены стержневой арматурой. Опорный контур может быть в виде балок, ферм или криволинейных брусьев.

Пластмассовые эллиптические оболочки из полиэфирного стеклопластика однослойной конструкции име-

Рис. IX.45. Трехслойная замкнутая эллиптическая оболочка диаметром 8 м коттеджа горнолыжников в Домбае

ют небольшие пролеты— при толщине оболочки 2— 2,5 мм пролет до 6 м. Замкнутые эллиптические пластмассовые оболочки изготовляют, как правило, трехслойными и применяют в качестве служебных или жилых помещений. Например, в Финляндии разработана трех- елойная замкнутая эллиптическая оболочка, используемая в качестве жилых домиков. На рис. IX.45 показан коттедж горнолыжников в Домбае. Оболочку диаметром 8 м собирают на болтах из 16 сегментов меридиональнокольцевой разрезки шириной до 314 мм. Обшивка из полиэфирного стеклопластика толщиной 2,5 мм. Средний слой из пенополиуретана толщиной 40 мм.

В общем случае в оболочке двоякой положительной кривизны действуют нормальные усилия ^1 и М2, поперечные силы Qj и Q2, сдвигающие усилия Sj и S2, изгибающие Mi и М2 и крутящие Мм и Мц моменты. В зависимости от конструктивных факторов — степени пологости, вида нагрузки, условия опирания и конструктивных особенностей расчет оболочек можно проводить по безмоментной или моментной теориям с применением ЭВМ.

Гиперболические оболочки

Среди деревянных оболочек с поверхностью двоякой кривизны гиперболические оболочки получили наибольшее распространение. Это в значительной степени объясняется возможностью таких оболочек образовывать свою криволинейную поверхность посредством прямолинейных образующих. Из ряда геометрических форм с прямолинейными образующими в строительстве чаще всего применяют два типа поверхности — гиперболический параболоид (гипар) и параболоид вращения. Эти поверхности называются неразвертывающимися или косыми линейчатыми поверхностями. Благодаря этому свойству оболочки могут быть выполнены из прямолинейных элементов-досок, брусков, фанерных полос и т. п. Наиболее часто в покрытии применяют оболочки в фор- _ме гиперболического параболоида с прямолинейными бортовыми элементами. Покрытия могут состоять из одного гипара, двух, трех и более, образуя многосекционные оболочки. Этими конструкциями перекрывают здания с квадратным, прямоугольным, многоугольным и криволинейными планами.

Поверхность гипара образуется различными способами. Наиболее простыми и наглядными являются способы трансформации плоского четырехугольника в пространственный смещением по вертикали одного или двух диагонально расположенных углов, или скручиванием противолежащих прямолинейных элементов контура относительно один другого (рис. IX.46, а).

Достоинствами пологих гипаров, в особенности с прямолинейными краями, является простота образования линейчатой поверхности, повышенная устойчивость в связи с наличием поверхности отрицательной гауссовой кривизны. В Англии, где деревянные гипары получили широкое распространение, масса гиперболических оболочек в 1,5 раза меньше массы эллиптических оболочек при одной и той же несущей способности. Гипары имеют меньшую строительную высоту и простую форму Контурных диафрагм, хорошие акустические свойства, возможность создания разнообразных архитектурных форм.

Недостаток гиперболических оболочек — некоторая зыбкость и достаточно высокие для древесины касательные напряжения.

Рис. IX.46. Гиперболическая оболочка

а-~ схема образования гииара; б — усилия в оболочке; в — одиночная и Сдво< енная гиперболические оболочки; г—четырехсекционная гиперболическая оболочка

Деревянные гиперболические оболочки состоят из пролетного строения и бортовых элементов (рис. IX.46,г). Сечение оболочки при пролетах до 8—10 мео-

стоит из двух слоев шпунтованных досок толщиной 20^ 25 мм, уложенных параллельно диагоналям. При пролете 10—12 м сечение оболочки выполняют из трех-четырех слоев досок или брусков. Слои располагаются под углом 45° относительно один другого в различных сочетаниях, комбинируя направления вдоль прямолинейных образующих и параллельно сжатой или растянутой диагонали. Толщину слоя досок или брусков определяют расчетом и конструктивной схемой укладки, учитывая, что слон, положенные параллельно образующим, необходимо скручивать относительно продольной оси.

Доски соединяются на гвоздях, склеиванием или комбинированно (на гвоздях и склеиванием только в зоне бортовых элементов). При соединении досок оболочки на гвоздях сначала прихватывают одиночными гвоздями второй слой к первому. После укладки третьего слоя производят сплошную забивку гвоздей по всей поверхности с шагом 100—150 мм. Длину гвоздя принимают с таким расчетом, чтобы их концы не доходили до нижней грани сечения пакета на 3—4 мм.

Фанерные оболочки могут состоять из фанерных полос, укладываемых в два или три слоя по направлению, параллельному прямолинейным образующим или криволинейным диагоналям, а также из ребристых клеефанерных панелей с одной или двумя обшивками.

Как деревянные, так и клеефанерные оболочки могут быть построечного изготовления и сборными, монтируемыми из отдельных частей. Клеефанериые панели в этом случае изготовляют на весь пролет оболочки, с закручиванием концевых сечений относительно продольной оси.

Бортовые элементы гиперболических оболочек изготовляют из клееной древесины и имеют ширину 50— 200 мм при высоте 150—300 мм. Они могут быть криволинейного очертания или закрученные относительно продольной оси; оболочка примыкает к бортовому элементу сверху или снизу и соединяется с ним гвоздями со склейкой. Бортовые элементы могут состоять из двух частей (рис. IX.46). Как правило, гипары являются распорными конструкциями. Распор воспринимается затяжкой или отпором грунта фундамента. Масса деревянных оболочек составляет 20—30 кг/м2. Наибольший пролет возведенных одинарных оболочек 23,2X23,2 м — два слоя досок толщиной 32 мм (ФРГ. Лавигсбург. Зал обществен-

ных собраний). Вариант конструкции деревянной оболочки показан на рис. IX.46, а.

Среди форм пластмассовых пространственных покрытий гиперболические оболочки составляют около 10%. Однако, если не считать тонкостенные мембраны, работающие только на растяжения, то примеров жестких гиперболических оболочек остается не так много. К ним относятся однослойные стеклопластиковые оболочки в форме гипаров толщиной 3—5 мм со стороной до 12 м, изготовленные способом контактного формования и воронкообразные гиперболические оболочки одно- и трехслойные. Например, построенное здание аэропорта размером в плане 233X116 м перекрыто трехслойными воронкообразными гиперболическими оболочками, установленными с шагом стоек 19,4 м. Высота подъема оболочек 4,5 м, обшивка из полиэфирного стеклопластика толщиной 3,5 мм, средний слой из пенофенопласта толщиной 50 мм.

Приближенный расчет гипаров можно выполнить по безмоментной теории. В этом случае в оболочке определяют нормальные и касательные усилия (напряжения). В пологой гиперболической оболочке на квадратном плане (рис. IX.46, б) при действии равномерно распределенной по горизонтальной проекции нагрузки g возникают только сдвигающие усилия S постоянной интенсивности. Главные растягивающие (параллельно вогнутой диагонали) и главные сжимающие (параллельно выпуклой диагонали) усилия по интенсивности равны сдвигающим усилиям и направлены к ним под углом 45°.

S= ^=-^ = £/2/8/.

Сдвигающее усилие в бортовом элементе Ny = S//cosa,

где а — угол наклона бортового элемента к горизонтальной плоскости.

Распор в однолепестковом гипаре

Н = 2SZ cos 45°.

Для гладких однослойных стеклопластиковых оболочек, как показывает опыт проектирования, решающим критерием в определении толщины оболочки является не прочность, а устойчивость. Во избежание выпучивания пластмассовой оболочки сжимающие напряжения в ней не должны превышать 1/3 критических, вычисляемых для

гиперболических прямоугольных в плане оболочек по формуле

Аб

°кр — Е-

abv 3(1 — ц2)

где Е — модуль упругости; ц — коэффициент Пуассона; 6 — толши- на оболочки; А — подъем оболочки; а, b — размеры сторон оболочки в плане.

В производственных зданиях, с большими размерами в плане, с естественным освещением со стороны кровли применяют покрытия шедового типа, состоящие из деревянных или клеефанериых коноидальных оболочек. Форма поперечного сечения таких оболочек может быть параболической, эллиптической, круговой. В другом направлении оболочка состоит из прямолинейных образующих. Часто верхняя часть оболочки опирается на арку, а нижняя — на ее затяжку.

В последнее время в практике строительства начали применять оболочки произвольной формы, выполненные из различных материалов. Примером такой оболочки в дереве является покрытие павильона садоводства в г. Мюнхене (ФРГ). Несущими конструкциями покрытия являются деревянные бруски сечением 5X5 см, длиной до 30 м, образующие ячейки размером 50X50 см. Бруски соединяются стальными болтами диаметром 8 мм, пропущенными в овальные отверстия через пружинные и уплотнительные шайбы. Оболочка имеет сложную поверхность с участками положительней и отрицательной кривизны. Максимальный пролет оболочки-60 м, высота 20 м. В наиболее напряженных участках оболочки размещены стальные связи из сдвоенных канатов диаметром 6 мм. Кровля выполнена из светопрозрачиой ткани с двусторонним поливинилхлоридным покрытием. Поверхность оболочки выбрана экспериментально с таким расчетом, чтобы все элементы работали на сжатие. Решетка собрана на платформе высотой 4 м. Во время сборки элементы в узлах имели возможность сдвигаться и поворачиваться вокруг болтов. По мере готовности секции оболочки поднимались в проектное положение и болты плотно затягивались. Массу оболочки принимали 20 кг/м2.

ГЛАВА 5. ПНЕВМАТИЧЕСКИЕ СТРОИТЕЛЬНЫЕ КОНСТРУКЦИИ ПОКРЫТИЙ

Общие сведения

Пневматические строительные конструкции покрытий по характеру работы очень близки к пространственным висячим и тентовым мембранам. Оболочки этих конструкций, изготовленные из тканых материалов, способны стабилизировать свою форму только при наличии предварительного напряжения, В отличие от тентовых мембран, где предварительное напряжение создается механическим путем, пневматические конструкции реализуют предварительное напряжение вследствие разности давления (избыточного или вакуума) в подоболочечном и окружающем конструкцию пространстве.

Возникнув в конце сороковых годов нашего столетия благодаря успехам химии полимеров, пневматические конструкции сразу вступили в полосу своего бурного развития, подготовленную высоким уровнем техники и технической культуры производства.

Среди преимуществ пневматических конструкций следует отметить малый собственный вес, высокую мобильность, быстроту и простоту возведения, возможность перекрытия больших пролетов, высокую степень заводской готовности и др.

Пневматические строительные конструкции в зависимости от характера работы обычно разделяются на две самостоятельные группы — пневмокаркасные (надувные) и воздухоопорные (рис. IX.47). Пневмокаркасные конструкции — это надувные стержни или панели, несущая способность которых (сопротивление сжатию, изгибу, кручению) обеспечивается повышенным давлением воздуха в замкнутом объеме элемента. Большое внутреннее давление воздуха (до 150 кПа) требует высокой степени герметичности и прочности материала. Это же условие ограничивает пролет конструкций, который с учетом экономической целесообразности для рядовых сооружений не превышает 15—16 м. Стоимость пневмокаркасных конструкций в 3—5 раза выше, чем воздухоопорных. Эти недостатки сдерживают их применение и серийный выпуск конструкций до сих пор в мире не налажен.

Основным достоинством пневмокаркасных конструкций является отсутствие избыточного давления воздуха

Рис. 1Х.47, Пневматические строительные конструкции

а — воздухонесомые (пневмокаркасные); б — воздухоопорные; в — воздухо- опорные, усиленные канатами или сетками

в эксплуатируемом пространстве и, как следствие этого, потребности в процессе шлюзования. Пример неординарных пневмокаркасных конструкций — павильон Фудзи (рис. 1Х.48) и покрытие пневматического плавучего театра (рис. IX.49) на ЭКСПО-70 в г. Осаке.

Павильон Фудзи состоит из 16 пневмоарок диаметром 4 и длиной 78 м, расположенных по окружности диаметром 50 м. В обоих торцах оставлены проемы шириной 10 м. Тканевая основа материала с разрывной прочностью 400 кН/м и массой 3,5 кг/м2 состоит из поливинилспиртового волокна. Наружная сторона ткани покрыта хайпалоном, внутренняя — поливинилхлоридом. Обычное давление в арках 10 кПа. Оно может быть повышено до 25 кПа при штормовых ветрах. Обычно диаметр пневмокаркасных элементов не превышает 1 м. Увеличение диаметра арок в павильоне Фудзи позволило снизить внутреннее давление в них и величину растягивающих усилий.

Оболочка покрытия театра (см. рис. IX.49) поддерживается пневматическими трубчатыми элементами диаметром 3 м, образующими три арки пролетом 23 м. Внутренняя оболочка потолка была выполнена в виде мембраны с канатами. Обе оболочки — кровельная и потолочная герметично прикреплялись по периферии

Рис. IX.48. Павильон. Фудзи з г. Осаке

Рис. IX.49. Пневматический плавучий театр в г. Осаке

аудитории к основанию и пространство между оболочками находилось под отрицательным давлением (вакуумом) 0,1 кПа. При штормах для предотвращения флаттера оболочки давление повышалось до 0,2 кПа. В этом сооружении сочетаются конструкции двух типов — пнев- мокаркасные и воздухоопорные.

Воздухоопорные конструкции представляют собой оболочки, стабилизированные в проектном положении незначительной разницей давления в разделяемых оболочкой пространствах. Это конструкции, которые опираются на воздух. Для противодействия внешним нагрузкам давление воздуха под оболочкой по сравнению с атмосферным повышается в пределах 10—40 кПа. Такое незначительное избыточное давление не осложняет тре-

Рис. IX.50. Анкерные устройства пневматических конструкций с креплением

а — канатом: б — рукавов, заполненных водой, и земляных анкеров

бований к герметичности и к самочувствию находящихся под оболочкой людей. Некоторые схемы воздухоопорных конструкций приведены на рис. IX.47, б, в.

' Воздухоопорные сооружения получили в строительстве большое распространение. Покрытия этого типа отличаются простотой конструкции, безопасностью и надежностью в эксплуатации, низкой стоимостью, способностью перекрывать большие пролеты. Около 50—70 % возведенных в настоящее время воздухоопорных покрытий используются как складские помещения; 20—40 %—как покрытия для спортивных сооружений. Часть конструкций используют как выставочные павильоны, покрытия строительно-монтажных площадок, различного рода укрытия.

Наибольшее распространение получили оболочки в форме цилиндрических сводов и сферических куполов. Поскольку оболочка «лежит» на воздушной подушке, пролеты воздухоопорных конструкций теоретически не имеют ограничений. Практически пролет оболочек без усиления канатами или тросовыми сетками достигает 50—70 м. Пролеты оболочек, усиленные тросами, достигают 168 м, что не является предельным. Например, проект покрытия города на 20 тыс. жителей, разработанный под руководством Ф.Отто (ФРГ) в форме купола, имеет диаметр 2 км, высоту 240 м, диаметр несущих канатов из полиэфирного волокна 270 мм. Гарантированный срок службы покрытия 100 лет. Давление под оболочкой всего 250 Па. Схемы покрытий из воздухоопорных оболочек приведены на рис. IX.47, б, в.

В нашей стране приняты следующие размеры воздухоопорных оболочек: сферические купола диаметром 12, 24, 36, 42, 60 м; цилиндрические оболочки пролетом 12, 18, 24, 30, 36, 42, 48, 60 м; длина цилиндрических оболочек в зависимости от пролета изменяется от 24 до 90 м, высота от 6 до 20 м.

Любая классификация таких конструкций условна. Поэтому двухслойные покрытия, называемые пневмолинзами (на круглом, овальном или многоугольном плане) и пневмоподушками (на прямоугольном плане), занимают промежуточное положение между первой и второй группами. По принципу статической работы их следует относить к воздухоопорным конструкциям, хотя по отсутствию избыточного давления в эксплуатируемом пространстве они близки к воздухонесомым.

Другие виды конструкций, такие, как пневмооболочка на жестком каркасе или пневмооболочка, поддерживаемая вантами и т. п., принципиально по характеру работы не отличаются от рассмотренных и благодаря дополнительным устройствам являются модификацией внутри группы.

Основными частями воздухоопорной пневматической конструкции являются собственно оболочка, шлюз, контурные элементы с анкерными устройствами, воздуходувные и отопительные установки. Основу несущей конструкции шлюза обычно составляет жесткий каркас из металла, дерева, пластмассы, по которому закрепляют герметизирующую оболочку покрытия. Размеры шлюза зависят от назначения сооружения и колеблются от 1Х2Х Х2 м для запасных входов до размеров, обеспечивающих шлюзование реактивных самолетов.

Очень ответственной частью оболочки является анкерное устройство. Из большого числа вариантов анкерных устройств заслуживает внимания конструкция крепления оболочки к фундаменту или к отдельным сваям с помощью двух труб — верхней и нижней. Нижнюю трубу крепят к фундаменту, а верхнюю — к полотнищу оболочки. Затем трубы соединяются скобами. Эффективно анкерное крепление оболочки с применением каната (рис. IX.50, а). В сельском строительстве получили распространение схемы креплений с применением вантовых анкеров, земляных анкеров, рукавов,, заполненных водой (рис. IX.50, б).

Первоначальная стоимость пневматических сооруже-

ний ниже стоимости сооружения из традиционных материалов, однако эксплуатационные расходы на содержание пневматических конструкций выше. Поэтому, оценивая экономическую эффективность пневматических конструкций, необходимо принимать во внимание, что со временем наступает момент, когда суммарные расходы на приобретение и эксплуатацию пневматических конструкций будут превышать таковые для конструкций из других материалов. По данным ЧССР воздухоопорная оболочка размером 21X57 м после 15 лет эксплуатации по суммарным расходам уравнивается со зданием размером 21X60 м из стальных рам и гофрированной стали.

Материалы для пневматических конструкций

Наибольшее распространение для пневматических конструкций получили тканевые материалы, обрезиненные или покрытые полимерами. Реже применяют высокопрочные синтетические пленки одинарные или двойные с внутренним армирующим слоем из синтетических волокон. .

Тканевые материалы изготовляют из естественных, искусственных или синтетических волокон. К естественным относятся: лен, хлопок, пенька; к искусственным — вискоза, стекловолокно. Синтетические волокна, получившие наибольшее распространение, делятся на группы: полиамидные (капрон, найлон, дедерон, перлон, силон, стилон и др.), полиэфирные (лавсан, дакрон, гризутен, диолен, тревира, теторон, терилен и др.); полиакрилнит- рильные (нитрон, орлон, дралон и др.); реже поливинилспиртовые (винол, винилон и др.).

Прочность волокна характеризуется его длиной, в км, при которой происходит разрыв от собственного веса (разрывная длина L, км). Номер волокна показывает количество метров в одном грамме (У, м/г).

Тканевая основа может иметь полотняное (одна нить) или рогожное (две или три нити) переплетение. Основными характеристиками тканей являются прочность на разрыв, прочность на раздирание (сопротивление ткани распространению локальных повреждений), относительное удлинение.

Для обеспечения воздухо- и водонепроницаемости тканевую силовую основу покрывают с одной или двух сторон синтетическими каучуками или пластмассами.

416

Марка

Технические УСЛОВИЯ

Тканевая основа

Структура

Покрытие

S 3

о

S

2

о|

Я

с §

= Sse о . oli

- 6 я и о* С* о.

51-019

ТУ 38-5- 3-86-69

Капроновая ткань,арт.

56026

Двухслойная параллельно лированная

дуб-

Синтетический каучук СКВ + + полиизобутилен

0,69

600-

700

4600

3100

23 1

26

610

670

У-92

То же

То же

То же

Синтетический каучук СКЭПТ + 4- полиизобутилен

0,7

700

4400

3100

23

26

640

680

У-93

Однослойная

То же

0,47

430

2350

2140

28

31

340

310

23-М

МРТУ 38-5-60- 42-65

Капроновая ткань,арт.

56026

Двухслойная параллельно дублированная

Наирит

0,71

500—

600

Таблица IX.4. Технические характеристики основных отечественных тканей

Примечание. Над чертой даны значения по основе, под чертой — по утку.

Первые несколько дороже и применяются реже. Основными полимерными покрытиями являются хлорсульфиро- ванный полиэтилен (ХСПЭ), пластифицированный поливинилхлорид (ПВХ). Последний светопроницаем, окрашивается в любой цвет, морозостоек до —30...—40 °C.

Основные требования, предъявляемые к материалу оболочек, без которых невозможны пневматические конструкции, являются прочность и воздухонепроницаемость. к этим двум требованиям добавляют еще долговечность, светопроницаемость, эластичность и легкость, стойкость против химической и биологической агрессии, действия низких и высоких температур, технологичность изготовления и возведения конструкции.

Для массовых серийных оболочек пролетом до 60 м прочность материалов пневматических конструкций колеблется в пределах 20—200 кН/м. Обычный срок службы оболочек из них составляет 5—10 лет.

Для оболочек уникальных сооружений, предназначенных для длительной эксплуатации, применяют ткани из волокон неорганических материалов (стеклянных,

Таблица IX.5. Коэффициенты однородности, длительной прочности и расчетные сопротивления основных отечественных тканей

Марка

Коэффициент однородности ткани ^одн' прн степе- ни обеспеченности

Коэффициент длительной прочности ткани Кдл. прн сроке службы

Расчетное сопротивление ткани. Н/м. при сроке службы пневмооболочки

5 лет

10 лет

ткани

надежности

пневмооболочки

при

степени обеспечения

0,955

0,997

5 лет

10 лет

надежности

0,955

0,997

0,955

0,997

51-019

—

0,674

0,44

0,40

ОДО

0,30

0,35

—

—

—

—•

У-93

0,85

0,75

0,30

0,28

12700

11200

11900

10500

0,65

0,75

0,40

0,37

9900

6800

9100

6800

У-92

0,80

0,70

0,30

0,28

21600

18900

20100

17600

0,65

0,45

0,37

0,35

11500

7900

10900

7500

23-М

0,80

0,70

0,30

0,28

23000

21500

21500

18800

0,65

0,45

0,37

0,35

12600

17200

17200

11900

Примечание. Над чертой даны значения по основе, под чертой — по утку..

стальных, угольных), прочных и стойких к ультрафиолетовому излучению. Поскольку долговечность материала оболочки зависит и от срока службы полимерного покрытия, эту задачу решили с помощью применения фторосодержащего полимера тефлона (политетрафторэтилен). Такие покрытия могут служить 20—30 лет, они светопроницаемы, отталкивают грязь, но пока примерно в 5 раз дороже серийного материала.

В табл. IX.4 приведены технические характеристики основных отечественных тканей, применяемых для воздухоопорных оболочек пролетом до 30 м, а в табл. IX.5—коэффициенты однородности, длительной прочности и расчетные сопротивления.

Принципы расчета пневматических конструкций

Проектирование строительных пневматических, конструкций включает решение следующих задач: 1) нахождение оптимальной формы оболочки; 2) установление характера и величины силового воздействия; 3) выяснение физико-механических свойств материалов оболочек и обоснование расчетных сопротивлений; 4 ) выявление перемещений оболочки под действием нагрузок; 5) определение напряжеино-деформированного состояния оболочки.

Эти задачи, общие для всех конструкций, применительно к пневматическим оболочкам требуют специального подхода.

Формальным признаком оптимальной формы оболочки может служить состояние равйонапряженности во всех направлениях по ее поверхности. К таким поверхностям можно отнести мыльную пленку. Однако найденные таким образом формы будут оптимальными только для воздействия внутреннего давления. При действии любой другой нагрузки это условие будет сразу нарушено и может привести к появлению на поверхности оболочки морщин и складок либо повышению расчетных усилий до уровня расчетных сопротивлений материала. Поэтому учет реальных условий работы оболочки требует анализа ее напряженно-деформированного состояния и коррекции формы поверхности образованной мыльной пленки.

Основными нагрузками на пневматическую конструкцию является избыточное давление, ветровые и снеговые воздействия. Влияние собственного веса оболочки, вви-

ду его малости по сравнению с другими нагрузками, обычно не учитывают. Однако в некоторых случаях при небольшом давлении под оболочечным пространством собственный вес может значительно влиять на очертание контура оболочки. Так, при отношении избыточного давления Р к собственному весу оболочки g, равному Pjg—4...5, форма поперечного сечения оболочки отличается от круговой заметно, а при P/g = 2...3— значительно. Распределение избыточного внутреннего давления на оболочку показано иа рис. IX.51, а.

Для расчета пневматической конструкции на ветровое воздействие необходимо выявить картину обтекания оболочки потоком воздуха, выраженную в эпюре распределения ветрового давления по ее поверхности. Пока еще это не удалось сделать с достаточной точностью.

Распределение ветрового давления на оболочку меняется не только с изменением геометрии, но и скорости воздушного потока. Ветровое давление, и в частности отсос, из-за исключительной легкости покрытия является силовым воздействием на него. Поэтому для наиболее ответственных сооружений приходится в каждом отдельном случае^прибегать к аэродинамическому моделированию. В результате таких испытаний были установлены для некоторых оболочек критические соотношения ф значений скоростного напора воздушного потока g и избыточного давления Р, при котором на поверхности воздухоопорной оболочки появляются «ветровые ложки» и она входит в неблагоприятный режим колебаний («бафтинг») ^ = P/g. Для оболочек в форме три четверти сферы ф^1,1; для полусферы ф^0,8; для полуцилиндра со сферическими торцами ф^0,7. Вариант ветровой нагрузки на пневматическое сооружение показан на рис. IX.51,6.

Снеговая нагрузка вследствие подвижности и колебания поверхности оболочки ие достигает интенсивности, характерной для жестких покрытий. На этом основании принято считать расчетную интенсивность снеговой нагрузки, равную суточному максимуму выпадения снега в данном районе (по статистическим данным за последние 10 лет). Так, например, в зоне умеренных широт европейской части СССР она составляет Р = = 220 Па. Считается возможным принять распределение снеговой нагрузки на оболочке по закону P(<p)=Pcosq) или даже Р(ф)=Рсоз2ф (рис. 1Х.51,в), где ср —угол

Рис. IХ.51 * Расчет пневматических конструкций

а •—распределение внутреннего давления; б — распределение ветрового давле* ния; в — распределение снеговой нагрузки; г — усилия в пневматической обо дочке

наклона касательной к оболочке. При ф^45° снег не задерживается на оболочке, если последняя сохраняет свою форму. ,

Согласно методике расчета по предельным состояниям, расчетное сопротивление материала оболочки разрыву определяют произведением нормативного сопротивления 7?н на коэффициенты однородности /?одн и коэффициенты условия работы конструкций Кусл- За нормативное сопротивление RH принимают среднюю кратковременную прочность образцов материала покрытия по результатам статистической обработки заводских или лабораторных испытаний.

Коэффициент однородности находят по формуле Кодн= (1—3)и, где и— коэффициент вариации (см. табл. IX.5). Сопротивление ткани разрыву зависит от времени действия усилия и учитывается коэффициентом длительной прочности КДл (см. табл. IX.5). ;

Таким образом, расчетное сопротивление ткани без учета старения материала в условиях эксплуатаций определяют по формуле

R — R" ^одн ^дл •

Степень старения свойств материала оболочки можно учесть коэффициентом старения

К„ = 1 — У/2Г,

где N — порядковый номер года эксплуатации оболочки; Г — гарантируемый заводом-изготовителем материала срок службы в годах.

Прочность швов соединения полотнищ по отношению к прочности основного материала в разных странах принимают от 70 до 100 %.

Последние две задачи расчета пневматических конструкций особенно тесно взаимосвязаны и их целесообразно рассматривать совместно.

Пневматические оболочки являются кинематически подвижными и геометрически изменяемыми системами. Перемещение оболочки может быть следствием двух причин: 1) упругого или пластического удлинения материала (деформации) и 2) изменения геометрии оболочки при приложении нагрузок — кинематического перемещения, которое в значительной степени обусловливает интенсивность и характер ветровой и снеговой нагрузок.

Изменение геометрии оболочки под действием нагрузок (переход в новое равновесное состояние) соизмери мо с размерами самой оболочки, требует учета геометрической нелинейности, что существенно усложняет задачу расчета.

Прямое использование уравнений классической без- моментной теории оболочек (названной элементарной) оказалось возможным только для решения немногих частных задач — оболочек вращения с осесимметричной нагрузкой и длинных цилиндрических оболочек, загруженных вдоль образующих.

Теория, учитывающая нелинейные зависимости между усилиями и деформациями, с одной стороны (физическая нелинейность) и деформациями и перемещениями, с другой стороны (геометрическая нелинейность), названная математической, приводит к сложной системе дифференциальных уравнений в частных производных, интегрирование которых даЖе численными методами с применением ЭВМ вызывает большие затруднения и в настоящее время не имеет выхода к решению практических задач.

Создавшееся положение привело к возникновению технической теории, занимающей промежуточное положение между математической и элементарной. В технической теории используют некоторые обоснованные допущения, позволяющие решать практические инженерные задачи, часто с оценкой погрешности относительно общей (математической) теории мягких оболочек.

По технической теории деформируемое состояние оболочки раскладывается на два — основное и дополнительное. Определяются малые перемещения при дополнительном состоянии, которые накладываются на деформируемую оболочку при основном состоянии. Геометрия основного состояния предполагается известной, а усилия находятся по элементарной теории.

Для вычисления перемещений оболочки в последнее время успешно применяют метод конечного элемента (МКЭ). После приложения к оболочке нагрузок вся система конечных элементов, соответствующая исходной (раскройной) форме оболочки, для достижения нового равновесного состояния совершает необходимые перемещения, определяемые последовательными приближениями с помощью ЭВМ.

Для нахождения максимальных значений растягивающих усилий в воздухоопорных оболочках при действии невыгоднейшей комбинации расчетных нагрузок для рядовых оболочек сферической или цилиндрической формы небольших пролетов (до 50 м) можно использовать простые формулы:

Тм = 0,6РР + №.

TK=aPR + PqR,

где Т„, Тк — меридиональные и кольцевые усилия (рис. IX.51, г); Р — избыточное давление воздуха под оболочкой; q — скоростной напор ветра; а, Р — коэффициенты, значения которых установлены методами элементарно или какой-либо другой уточненной теории. Значения а и Р приведены в табл. IX.6.

По усилиям на контуре оболочки, найденным по аналогичным формулам, рассчитывают анкерные устройства оболочек, которые должны проектироваться с особой тщательностью, так как при неудачных решениях их

Таблица IX.6. Значения коэффициентов а и р в формулах меридиональных Тм н кольцевых Тк усилий пневматических оболочек

Примечание. Диапазоны изменения значений коэффициентов р даны по нормам Великобпнтании, Канады, Италии, Японии, ФРГ. ‘

стоимость может быть выше стоимости самой оболочки. Коэффициент запаса для расчета прочности и устойчивости анкерных устройств опорного контура в разных странах колеблется в пределах 1,2—3 в зависимости от площади перекрываемого помещения.

Хотя расчет оболочки позволяет определить наибольшие усилия и этим обозначить места наиболее вероятных разрушений оболочки, тем не менее изучение причин аварий воздухоопорных сооружений показывает, что формой их разрушения является не разрыв, а раздирание, т.е. по причинам, не учитываемым расчетом, но требующим детального изучения напряжений, приводящих к раздиранию. Положение выравнивается пока благодаря введению высоких коэффициентов запаса от 2,5 до 5.

РАЗДЕЛ X. ИЗГОТОВЛЕНИЕ ДЕРЕВЯННЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Создание современных деревянных конструкций ориентировано в основном на индустриальные конструкции заводского изготовления, преимущественно это клееные деревянные конструкции. Склеивание древесины дает неограниченные возможности для получения легких, большепролетных, разнообразных конструкций эффективных сечений и форм. Заводской способ производства при строгом соблюдении технологического процесса обеспечивает высокое качество и долговечность конструкций, а сборность элементов позволяет существенно сократить сроки монтажа.

В настоящее время, когда благодаря успехам химии создаются новые высокопрочные синтетические клеи и в то же время уменьшается средний диаметр пиловочных бревен, проектирование и производство клееных деревянных конструкций приобретает особенно важное значение.

За последнее десятилетне в нашей стране создана промышленная база по производству клееных деревянных конструкций (КДК), насчитывающая около 20 заводов КДК мощностью около 15 тыс. м3 в год каждый. В настоящее время клееные деревянные конструкции нашли применение в таких областях строительства, как большепролетные общественные здания, промышленные здания с химически агрессивной средой, сельскохозяйственные производственные здания, клееные мосты, здания и сооружения по индивидуальным проектам и др. В то же время в некоторых областях нашей страны и в случаях, когда требуются небольшие пролеты зданий, целесообразно изготовление и применение деревянных конструкций из цельных неклееных элементов.

Технологический процесс изготовления деревянных конструкций как клееных, так и из цельной древесины состоит из следующих основных операций: сушка древесины до определенной влажности в зависимости от условий эксплуатации; сортировка по природным порокам и дефектам, полученным при сушке древесины; механическая обработка; нанесение защитных покрытий; сборка конструкций. '

ГЛАВА 1. ЛЕСОПИЛЬНОЕ ПРОИЗВОДСТВО

Основным направлением развития деревообрабатывающей промышленности является удовлетворение потребности народного хозяйства в лесоматериалах в результате рационального использования заготовляемой древесины без увеличения объема лесозаготовок.

Лесопромышленный потенциал страны — это сотни лесозаготовительных предприятий, оснащенных современной техникой: агрегатными лесосечными машинами, трелевочными тракторами, челюстными погрузчиками, автолесовозами, полуавтоматическими линиями для разделки древесины на нижних складах и другим оборудованием. В настоящее время идет процесс технологического перевооружения лесозаготовок на основе внедрения валочно-трелевочных, валочно-пакетирующих и сучкорезных машин, безчокерных тракторов, автоматизированных средств раскряжевки и сортировки древесины.

Использование в лесной промышленности современных машин и оборудования высвобождает с трудоемких операций сотни рабочих и производство деловой древесины доводится до 88,7 %.

Один из главных путей комплексного использования древесного сырья — производство древесностружечных (ДСП) и древесноволокнистых (ДВП) плит, позволяющее повысить коэффициент использования древесины и получить листовой материал, эффективно заменяющий пиломатериалы. Большое значение при этом имеет внедрение оборудования по производству щепы из тонкомерной низкокачественной древесины и отходов лесозаготовок, лесопиления и деревообработки. Эффективность лесопильного производства повышается также за счет агрегатной переработки бревен на пиломатериалы и технологическую щепу с использованием фрезерно-брусую- щих и фрезерно пильных станков.

В настоящее время большое внимание в нашей стране уделяется охране окружающей среды и, в первую очередь, охране лесов, бережному их использованию, сохранению и приумножению лесных богатств. Лесопиление неотделимо от лесовосстановительных работ. Для работ по лесовосстановлению и защитному лесоразведению создано немало новых машин, позволяющих механизировать работы в питомниках, полезащитном разведении, при облесении горных и овражно-балочных склонов.

Для охраны лесов от пожаров используют авиацию, обеспечивающую высадку парашютистов-пожарных непосредственно к месту возникновения пожаров, а также универсальные пожарные агрегаты и полосопрокладыва- тели, позволяющие устраивать заградительные противопожарные минерализованные полосы. Защиту лесов от вредных насекомых и болезней осуществляют авиационными и наземными методами с использованием масляных и водных растворов, суспензий и эмульсий пестицидов.

Круглые лесоматериалы

На лесопильные предприятия пиловочное сырье — хлысты (стволы срубленного дерева, у которого отделены корни и сучья) поступает сплавным путем, железнодорожным или автомобильным транспортом. При поперечной разделке хлыстов получают круглые сортименты, имеющие различное назначение.

Бревнами называют сортименты, предназначенные для использования в круглом виде или в качестве сырья для получения пиломатериалов. На пиловочные бревна ГОСТами устанавливаются требования по качеству и размерам. В зависимости от качества древесины и дефектов обработки лесоматериалы заготовляют 1-го—4-го сортов, причем мелкие сортименты могут быть только 2-го или 3-го сорта.

Пиловочные бревна имеют следующие стандартные размеры:

Группе

Толщина, смГрадация по толщине, см

Мелкие Средние Крупные

6—131

14—242

26 и более2

Длина 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. Бревна длиной более 6,5 м заготовляют по специальному заказу для опор линий электропередач и связи.

Кряжами называют сортименты, используемые для выработки специальных (авиационных, резонансных)

пиломатериалов, лущеного или строганого шпона, шпал. Отрезки кряжей, соответствующие по длине рабочим размерам деревообрабатывающего оборудования, называют чураками. Балансы—круглые сортименты для переработки на целлюлозу и древесную массу.

Пиломатериалы

Пиломатериалы получают при продольной распиловке бревен и кряжей. Качество пилопродукции зависит от состояния технологической подготовки пиловочника перед распиловкой. Она включает в себя сортировку и подборку сырья по породам, размерам и качеству, окорку сырья, оттаивание в зимнее время, обмывку и очистку от загрязнения. Пиловочник во избежание загнивания хранят либо в спецальных водных бассейнах глубиной 1,5—2 м, либо на суше в штабелях с применением дождевальных установок для увлажнения древесины. Влажность древесины в этих условиях около 200 %, при этом гниение прекращается. Затем для предохранения от загнивания древесины пиловочник необходимо высушить до влажности 20 %.

Окорка бревен является одной из эффективных операций по подготовке сырья к распиловке, при этом уменьшается затупление пил, улучшается точность и чистота поверхности пиломатериалов, повышается качество отходов как вторичного сырья.

Массовую распиловку бревен осуществляют на лесопильных рамах (рис. Х.1), основной частью которых является набор пил, называемый поставом, который устанавливают в соответствии с толщиной пиломатериалов. Постав совершает возвратно-поступательное движение, навстречу ему Подаются бревна, в результате получают пилопродукцию, основные виды которой показаны на рис. Х.2. По форме и размерам поперечного сечения пиломатериалы делят на доски — если ширина вдвое больше толщины (рис. Х.2, е, ж, з, и), бруски — если ширина меньше двойной толщины, и брусья — если ширина и толщина более 100 мм. По числу пропиленных сторон брусья могут быть двухкантными (рис. Х.2, б), трехкант- ными и четырехкантными. В пиломатериалах продольную широкую сторону называют пластью, узкую кромкой, а линию пересечения пласти и кромки — ребром.

D)

б — распн- с брусов- вал рамы;

3 — шатун

Рис. Х.1. Схема лесопильной рамы и способы распиловки бревен

а — схема лесопильной рамы; ловка вразвал; в — распиловка кой; / — главный или коренной 2— кривошипный механизм;

для передачи от главного вала поступательно-возвратного движения постава с пилами; 4 — рамные пилы; 5 — ползуны; б — направляющие; 7 — вальцы для механической подачи бревна

Рис. Х.2. Виды пилопродукции

а — пластина; б — двухкантиый брус; в — четырехбитный брус; г — горбыль; д — рейка; е—необрезная доска; ж— обрезная доска С острым обзолом; 3 — обрезная доска с тупым обзолом; и — чистообрезная доска

Необрезными называются доски, пропиленные только с двух сторон (рис. Х.2, е, ж) — по пласти, обрезными досками (рис. Х.2, з, и) — обработанные с четырех сторон. Часть поверхности бревна, сохранившаяся на кромке пиломатериалов, называется обзолом (рис. Х.2,з).

Различают два способа массовой групповой распиловки бревен по количеству проходов пиловочника через лесопильную раму — вразвал и с брусовкой. При распиловке вразвал бревно проходит через лесопильную раму один раз; получаются необрезные доски (см. рис. Х.1,б). При распиловке с брусовкой бревно проходит через ра-

Рис. Х.З. Схема фрезернопильного агрегата

/ — нижняя головка узла первичного фрезерования; 2 —верхняя головка узла первичного фрезерования; 3 — подающие вальцы; 4 — нижняя головка узла вторичного фрезерования; 5 —верхняя головка узла вторичного фрезерования;

6— распиловочный узел; 7 — вертикальные вальцы

му 2 раза. За первую операцию получают горбыли и двухкантный брус, а за вторую — обрезные доски и горбыли.

На лесопильных предприятиях предпочтительна распиловка бревен с брусовкой, в результате которой получают чистообрезные пиломатериалы и, кроме того, повышается количественный и качественный выход пило- продукции.

При раскрое ценных пород древесины или толстомерного пиловочника применяют индивидуальную распиловку на круглопильных или ленточнопильных станках. Преимущество этого способа состоит в доступности осмотра обработанной поверхности непосредственно после отпиливания каждой доски.

Перспективна агрегатная переработка бревен на пиломатериалы и технологическую щепу с использованием фрезернобрусующих и фрезернопильных станков. Последовательность переработки бревен агрегатным способом показана на рис. Х.З. Фрезерование позволяет за одну операцию получить брус, две пласти которого обработаны с уступами, за вторую и третью операции формируется ступенчатый брус, который затем на четвертой операции распиливается на доски.

Технологический процесс лесопильного цеха состоит

Техмолоеииеская щепаТехмолоеииеская щепакороткие доскакороткие доскакрупныекрупные1616Обрезные баскиОбрезные баскиБрейнаБрейнабревнабревнаОбрезные баски или брусьяОбрезные баски или брусьяГорбылиГорбыли

Техмолоеииеская щепа

Техмолоеииеская щепа

короткие доска

короткие доска

крупные

крупные

16

16

Обрезные баски

Обрезные баски

Брейна

Брейна

бревна

бревна

Обрезные баски или брусья

Обрезные баски или брусья

Горбыли

Горбыли

Мелкие пиломатериалы из горбылей

Мелкие пиломатериалы из реек

отходы

Рис. Х.4. Схема лесопильного цеха

лесопильная рама, выпиливающая брус; 2 — лесопильная рама, распиливающая брус на доски; 3— двухпильный станок для обрезки кромок необрезных досок; 4 — браковочно-торцовочкаяустановка; 5 — сортировочная площадка, б — торцовочный станок для вырезки деловой части горбылей; 7—ребровой станок для выпиливания мелких пиломатериалов из горбылей; 8 — многопильный станок для обрезки мелких пиломатериалов; 9 — концеравнитель; 10 — торцовочный станок для вырезки деловой части реек; // — реечный станок; 12 — концеравнитель; 13 — круглопильиый станок для продольного выпиливания коротких досок; 14 — торцовочный станок; /5 — рубильная машина для переработки крупных отходов в щепу; 16 — пакетоформующая машина

Таблица X.l. Сортамент пиломатериалов хвойных пород

Ширина, ммШирина, ммТолщина, мм

Ширина, мм

Ширина, мм

161922253240445060751001251501752001619222532404450607510012515017520075 100 125 150 — — — — — 75 100 125 150 175 — — — — 75 100 125 150 175 200 225 — — 75 100 125 150 175 200 225 250 275 75 100 125 150 175 200 225 250 275 75 100 125 150 175 200 225 250 275 75 100 125 150 175 200 225 250 275 75 100 125 159 175 209 225 250 275 75 100 125 150 175 200 225 250 275 75 100 125 150 175 200 225 250 275 — 100 125 150 175 200 225 250 275 — — 125 150 175 200 225 250 — — — 150 175 200 225 250 — — — — — 175 200 225 250 — — — — — — 200 225 250 —

16

19

22

25

32

40

44

50

60

75

100

125

150

175

200

16

19

22

25

32

40

44

50

60

75

100

125

150

175

200

из трех потоков: 1) основного лесопильного (рис. Х.4); 2) переработки отходов (горбылей, реек и отрезков досок); 3) сортировки досок. Переработку отходов выделяют в отдельный поток или выносят за пределы цеха.

Пиломатериалы имеют стандартные размеры, приведенные в табл. Х.1.

Длина пиломатериалов 1—6,5 м с градацией 0,25м. Указанные в табл. Х.1 номинальные размеры пиломатериалов установлены для древесины с влажностью 20 %. При выпиливании пиломатериалов из древесины с большей влажностью следует учитывать припуски на усушку, которые указываются в ГОСТе на пиломатериалы. Для пиломатериалов хвойных пород ГОСТ 24454—80 установлены отклонения от номинальных размеров: по длине ±50—25 мм; по толщине при размерах: до32мм± ±1; от 40 до 100 мм ±2; более 100 мм ±3.

Качество распиловки определяется точностью размеров, формы, шероховатостью поверхности и зависит от подготовки и правильности установки режущего инструмента, технического состояния и наладки оборудования, режимов пиления.

В зависимости от качества древесины и ее обработки на доски установлено пять сортов: отборный, 1, 2, 3 и 4-й, а на брусья — четыре сорта: 1, 2, 3 и 4-й. Для строительства используют пиломатериалы 1, 2 и 3-го сортов.

Качественный выход определяют сортностью пиломатериалов, полученных из данного сырья. Объемный выход пиломатериалов находят из отношения:

О = А/Б-100%,

где О — объемный выход пиломатериалов, %; А — объем пиломатериалов, м3; Б — объем распиленных бревен, м’.

В среднем баланс древесины от объема распиленных на лесопильных рамах бревен составляет: доски 55 %, шахтовка или обапол (подгорбыльная часть бревна) 3%, технологическая щепа 20,5%, опилки 10%, отсев щепы 5,5%, усушка и распыление 6%.

Из общего количества вырабатываемых в СССР пиломатериалов 85 % составляет древесина хвойных пород (сосна, ель и др.), 14 %—мягких лиственных пород (в основном береза) и около 1 % —лиственных пород.

Складирование пиломатериалов

Пиломатериалы хранят в штабелях под навесами или на складах в закрытых помещениях. Штабель пиломатериалов необходимо выкладывать правильной геометрической формы — боковые и торцовые поверхности должны быть строго вертикальны. Средние размеры штабеля: ширина 1,8—2,4, высота 2,6—5, длина 6,5—6,8 м.

Штабель формируют из одинаковых по породе и толщине пиломатериалов на прокладках, в качестве которых используют антисептированные рейки сечением 25Х Х40 мм. Прокладки ставят строго вертикально, одна над другой. Крайние прокладки должны быть расположены заподлицо с торцами штабеля. Для того чтобы избежать коробления и провисания досок, необходимо укладывать определенное количество прокладок по длине штабеля, которое зависит от породы древесины, толщины и длины укладываемых пиломатериалов (табл. Х.2).

При формировании штабеля можно использовать вертикальные подъемники (Л = 15) или штабелеры, но тем не менее горизонтальную раскладку досок производят вручную и эта операция является одной из самых трудоемких.

Поэтому помимо укладки пиломатериалов целым штабелем (рядовой штабель) в последнее время на лесопильных предприятиях внедряется пакетный способ с использованием пакетоформующих машин ПФМ-10. Он ос-

Таблица Х.2. Количество прокладок в горизонтальном ряду пиломатериалов по длине штабеля

Толщина пиломатериала. мм

Число прокладок, шт., по длине штабеля, м, для пород

хвойных

листвеииых

2,25

3,25

4,5

6,5

2,25

3,25

4,5

6,5

13—25

5

6

8

12

6

8

11

13

32—40

4

4

5

8

4

5

7

9

50 и более

3

3

4

6

3

3

4

6

новая на том, что иа сортировочной площадке лесопильного цеха формируют часть штабеля — сушильный пакет шириной 1,2—1,9, высотой до 1,5 и длиной 4,3; 5,8; 6,8 м.

В зависимости от требований машина ПФМ-10 формирует пакеты на прокладках со шпациями для хранения и атмосферной сушки в штабелях, на прокладках без шпаций для сушки в камерах и плотные пакеты без прокладок и шпаций для переработки в цехе или отгрузки потребителю.

На рис. Х.5 приведены схемы планировки складов пиломатериалов прн рядовой укладке (а) и при пакетной укладке башенными (6) или консольно-козловыми кранами (в). Основанием штабеля служат железобетонные колонны, имеющие форму усеченной пирамиды со средним поперечным сечением 0,6X0,6 м или деревянные сваи, пропитанные маслянистыми не вымываемыми водой антисептиками. Высота штабельного основания должна обеспечить хорошую проветриваемость низа штабеля и составлять 0,5—0,75 м.

При складировании пиломатериалов под навесами следует обеспечить защиту пиломатериалов от атмосферных осадков и солнечной радиации. Для этого над рядовыми штабелями монтируют односкатные крыши с уклоном 0,2, над пакетными штабелями — одно- или двускатные крыши с уклоном 0,06;. свесы на стороны штабеля 0,3—0,5 м.

Открытый склад устраивают на сухом, хорошо проветриваемом участке, территорию которого тщательно выравнивают, обрабатывают химикалиями для уничтожения растительности, покрывают щебенкой и опрыскивают кузбасс-лаком.

Рис. Х.5. Схемы планировок складов для пиломатериалов а — при рядовой укладке; б — при пакетной укладке башенным краном; а — при пакетной укладке козловым краном

гюб „ а

СП ПС пп. сп п п пи пп<п п^пп пп! пп|сп: п п t п с 8 с с'

Поперечный проезд

ПП^ П П1ПП пп&п с|СП

ПП

ПродольныйразрыВ

п п2500

ПП

2500

моа^^о

00 000 00 0 00^

□□□□0 ОПОРА 11

■Продольный проезд с

□ □□□О □□□□□ □□□□□ 00000 Провальный разрыВ □□□□□ □□□□□ □□□□□ □□□□□

§

Продольный проезд

□□□□□ □□□□□

Продольный проезд ^^

□□ □□□ □□□

ГП ^ п

Продольный проезд ^

□□ ODD □□□ fc]B

ГЛАВА 1. СУШКА ДРЕВЕСИНЫ

Сушка является одной из основных и самых сложных операций технологического процесса при использовании древесины. Ее проводят для повышения удельной прочности древесины, предохранения от загнивания, предупреждения коробления деревянных элементов при эксплуатации, а также для улучшения склеивания, пропитки и отделки древесины. В результате сушки древесина из природного сырья превращается в промышленный материал, отвечающий самым разнообразным требованиям, предъявляемым к ней в различных областях народного хозяйства.

Сушкой называется удаление влаги из древесины. При этом одновременно протекает несколько процессов: теплообмен — передача тепла древесине от агента сушки или источника тепловой энергии; теплопроводность — перемещение тепла внутри материала; влагоотдача — испарение влаги с поверхности древесины.

По методу передачи тепла различают конвективную и электрическую сушку пиломатериалов. Конвективная сушка происходит вследствие передачи тепла древесине конвекцией от нагретой газообразной или жидкой среды. К основным способам конвективной сушки относятся: атмосферная сушка на складах или под навесами; камерная или газообразная сушка в газообразной среде (воздух, топочные газы, перегретый пар) при атмосферном давлении; сушка в нагретых гидрофобных жидкостях или солевых водных растворах.

Способ сушки выбирают в зависимости от назначения древесины, ее конечной влажности и требований к качеству древесины, указанных в табл. Х.З.

Состояние влаги в древесине

Влажность свежесрубленной древесины колеблется в широких пределах (табл. Х.4) и зависит от породы и анатомического строения древесины.

Наиболее распространен весовой способ определения влажности древесины. На рис. Х.6 показана схема вырезки образцов или секций для определения влажности.

Таблица Х.З. Требования к качеству сушки пиломатериалов

Категория качества сушки

Средняя конечная влажность древеси-' ны, %

Допускаемые отклонения влажности в партии от средней, %

Допускаемый перепад влажности по толщине материала. %, при толщине, мм

Остаточное напряжения, %

Уменьшение прочности древесины

16—22

25—40

44—60

70—100

До транспортной влаж-

19

*3—4

Не контролируется

Не коптролиру-

Не допускается

ности

ются

Для высокоответствен-

6

*1,5

1,5

2

2,5

3

ных соединений и конструкций

8

*2

1,5

2

2,5

3

Не более 2

То же

Для ответственных де-

6

*2

2

3

3,5

4

В зависимости от

талей и соединений

8

*2,5

2

3

3,5

4

Не более 2

10

*3

2

3

3,5

4

назначенияпи

ломатериалов

Для менее ответствен-

8

*3

2,5

3,5

4

5

То же

ных изделий

10

±4

2,5

3,5

4

5

Не контролиру-

12

*5

2,5

3,5

4

5

ются

15

. *5

2,5

3,5

4

5

Рис. Х.6. Вырезка секций для определения влажности

Образцы взвешивают, высушивают в сушильном шкафу при 100—105 °C до постоянной массы (абсолютно сухого состояния), после чего вновь взвешивают, затем вычисляют влажность древесины:

1Р= '”н~'”с 100%,«с

где тн — начальная масса образца, г; тс — масса абсолютно сухого состояния, г.

Кроме того, влажность древесины можно определить с помощью электровлагомеров ЭВ-2К или ЦНИИМОД- 2, принцип действия которых основан на зависимости электрического сопротивления древесины от ее влажности, при этом погрешность может быть ±(2—5) %.

Как уже отмечалось ранее, древесина имеет сложное строение и состоит в основном из толстостенных клеток (для хвойных пород — трахеид) удлиненной формы, ориентированных вдоль ствола. Полости клеток, соединенные между собой порами, образуют в древесине макро- капиллярную систему. Стенки клеток состоят из мелких волоконец — микрофибрилл, представляющих собой суб-

Таблица Х.4. Влажность свежесрубленной древесины

Порода древесины

Влажность, %

ядра или спелой древесины

заболони

средняя

Сосна, ель

30—40

100—120

60—100

Лиственница

40—50

100—120

50—70

Береза

—

70-90

70—90

Дуб

50—80

70—80

60—80

микроскопические образования. Влагу, находящуюся в порах и полостях клеток, называют капиллярной или свободной, а в клеточных стенках (микрофибриллах) — гигроскопической.

Состояние древесины, при котором в ней отсутствует свободная влага, но содержится максимально возможное количество гигроскопической влаги, называется пределом насыщения волокна древесины 1УПН. Влажность предела насыщения практически не зависит от породы древесины и составляет в среднем 28—30 % при температуре 20°C. При повышении температуры предел гигроскопичности понижается. При этом часть гигроскопической влаги, которая содержится в стенках клеток, перемещается в полости клеток и превращается в свободную влагу.

Свободная влага связана с древесиной лишь механически и ее удаление при сушке не вызывает структурных изменений древесины. Удаление гигроскопической влаги повышает прочностные характеристики древесины, а также влечет за собой изменение размеров структурных элементов, что проявляется в виде усушки древесины.

Абсолютно сухой древесиной называется такая, из которой удалена вся свободная и гигроскопическая влага.

Древесина обладает свойством гигроскопичности — изменять свою влажность в зависимости от температуры л влажности окружающей ее среды. Так, например, при постоянных температуре и влажности воздуха влажность древесины будет стремиться к определенной величине, которая называется устойчивой влажностью. Последнюю древесина может достигнуть либо поглощая влагу из воздуха (сорбция), либо отдавая ее в воздух (десорбция) .

Устойчивую влажность, практически одинаковую при сорбции и десорбции, называют равновесной влажностью (1Ур). Разность устойчивой влажности при сорбции и десорбции

для пиломатериалов не превышает 2,5 %, а для древесного шпона составляет всего лишь 0,2 %.

Влагу из воздуха могут поглощать только клеточные стенки — микрофибриллы. Появление свободной влаги при этом невозможно, даже если воздух будет макси-

мально насыщен водяными парами. Максимальная устойчивая влажность называется пределом гигроскопичности— это максимально возможное количество гигроскопической влаги при сорбции. При температуре 20'С и влажности воздуха 100 % предел гигроскопичности равен 30 % и соответствует точке насыщения влагой волокон древесины.

При сушке древесины пользуются диаграммами равновесной влажности, разработанными П. С. Серговским и полученными экспериментально в зависимости от температуры и степени насыщения воздуха. Диаграмма равновесной влажности древесины представлена на рис. Х.7.

Усушка и разбухание

Во время сушки древесины при уменьшении гигроскопической влажности от точки насыщения волокон до абсолютно сухого состояния происходит уменьшение размеров и объема древесины — усушка. Разбухание—обратный процесс. Кривые усушки и разбухания во време- 440

ни практически совпадают. Расхождение между ними носит название гистерезиса и составляет 1—2 %. Уменьшение свободной влаги не влияет на усушку и разбухание древесины.

Как уже указывалось ранее в § 2.1, гигроскопическая влага заполняет субмикроскопическую структуру стенок клеток, и так как микрофибриллы в основном ориентированы по направлению продольной оси клетки, то уменьшение гигроскопической влаги приводит к уменьшению толщины клеточных стенок и поперечных размеров клетки. Вследствие этого наибольшая усушка древесины происходит в поперечном направлении. Продольная усушка, обусловленная наклоном микрофибрилл, значительно меньше усушки в поперечном направлении.

Максимальная усушка /м при удалении всего количества гигроскопической влаги называется полной и определяется в радиальном, тангенциальном и продольном направлениях по формуле

^м (^м — aeVао' 100% , где Ом — размер (объем) образца при пределе насыщения, мм (мм3); «о — размер (объем) образца в абсолютно сухом состоянии, мм (мма).

Полная усушка древесины в продольном направлении незначительна и составляет 0,1—0,3 %, в радиальном 3—5 % и наибольшая усушка в тангенциальном направлении 6—10%. Величина усушки пропорциональна плотности — чем выше содержание клеточных стенок в единице объема, тем больше усушка.

Для практических расчетов можно считать, что усушка древесины прямо пропорциональна изменению гигроскопической влаги, при этом пользуются коэффициентами усушки (К), значения которых определяют как среднюю усушку при изменении гигооскопической влаги на 1 %

Ку= Тм/ЗО,где 30 — среднее значение предела насыщения волокна, %.

В табл. Х.5 приведены коэффициенты усушки для некоторых пород древесины в зависимости от направления волокон.

Практическое значение усушки велико и ее приходится учитывать при использовании древесины (при распиловке бревен на пиломатериалы, при сушке древесины), принимая во внимание припуски на усушку, кото-

Таблица Х.5. Коэффициенты усушки и разбухания древесины

Порода

Значения ку н

по объему

по радиальному направлению

по тангенциальному направлению

S

кб

S

КР

5

Лиственница

0,52

0,61

0,19

0,2

0,35

0,39

Сосна

0,44

0,51

0,17

0,18

0,28

0,31

Ель

0,43

0,5

0,16

0,17

0,28

0,31

Береза

0,54

0,64

0,26

0,28

0,31

0,34

Дуб

0,43

0,5

0,18

0,19

0,27

0,29

рые предусмотрены для пиломатериалов хвойных пород в ГОСТ 6782.1—75 (с изм.) и для пиломатериалов лиственных пород в ГОСТ 6782.2—75. Неравномерная усушка является одной из причин возникновения внутренних напряжений в древесине и может привести к трещино- образованию в деревянных элементах.

Закономерности движения влаги в древесине при сушке

При сушке древесины происходит перемещение влаги внутри материала, называемое влагопереносом, и испарение влаги с поверхности материала в окружающую среду, называемое влагоотдачей. Основным параметром характеризующим условия протекания этих процессов/ является температура среды: при /<100сС сушка называется низкотемпературной и при />100 °C— высокотемпературной. Такое разделение обусловлено особенностями парообразования — испарением в первом и кипением во втором случаях.

При конвективной низкотемпературной сушке (атмосферная, камерная) тепло к древесине подводится извне, температура внутри материала остается ниже температуры окружающей среды в течение всего процесса сушки. При этом наружные слои высыхают быстрее внутренних и так как длина пиломатериалов намного больше их толщины, то можно рассматривать неравномерное распределение влаги не по всему объему, а лишь по сечению пиломатериалов.

Итак, основными причинами движения влаги в древесине при низкотемпературной конвективной сушке являются:

неравномерное распределение влажности по сечению пиломатериалов, что приводит к движению влаги (вла- гопроврдности) из слоев с большей влажностью к слоям с меньшим содержанием влаги, т. е. изнутри к поверхности;

температурный перепад по сечению пиломатериалов, что обусловливает движение влаги (термбвлагопровод- ность) в направлении пониженной температуры, т. е. это движение влаги имеет обратное направление н несколько тормозит основную сушку. В противоположность этому при сушке в поле токов высокой частоты электрическая энергия преобразуется в тепловую в толще древесины и температура внутренних слоев материала оказывается выше окружающей. При этом оба потока движения влаги вследствие переноса влажности и температуры имеют одно направление—изнутри к поверхности пиломатериалов.

Влагоперенос или движение влаги внутри древесины начинается с того момента, когда с поверхности древесины в результате испарения будет удалена вся гигроскопическая влага. С этого момента между внутренними слоями древесины, где влага находится в полостях клеток, и поверхностью, где влага содержится только в клеточных стенках, возникает разность капиллярных давлений. Интенсивность движения влаги в древесине определяется в основном условиями прохождения ее через стенки клеток.

При высокотемпературной сушке (в жидкостях, в среде перегретого пара при температуре более 120 °C) основной причиной движения влаги является перепад давлений. Поверхностные слои древесины быстро прогреваются до температуры среды, влага закипает и переходит в парообразное состояние. При этом возникает повышенное давление во внутренних слоях древесины. Под действием возникшего перепада давлений происходит перемещение влаги в виде пара к поверхности пиломатериалов.

Внутренние напряжения в древесине при сушке. Коробление

При сушке древесины происходит неравномерное распределение влаги по толщине пиломатериалов. Это вызывает неравномерную усушку древесины и приводит к

образованию в иен внутренних напряжений. В процессе сушки перепад влажности по толщине пиломатериалов определяют по образцам послойной влажности, которые разрезают на слои, как показано на рис. Х.8, б, в. По полученным результатам строят кривые распределения влаги по толщине пиломатериалов на различных этапах сушки. Пока влажность поверхностных слоев древесины выше или равна влажности предела насыщения клеточных стенок WVh, усушки нет и напряжения в материале отсутствуют (кривая 1 на рис. Х.8, а).

После снижения влажности ниже П7п.н поверхностные слои стремятся к усушке, но этому препятствуют внутренние слои, влажность которых пока еще выше И^.н (кривая 2 на рис. Х.8, а). В этот момент поверхностные слои испытывают растягивающие напряжения, а внутренние слои — напряжения сжатия. -

Возникающие в древесине напряжения уравновешиваются в пределах данного образца. Чтобы их обнаружить, надо нарушить это равновесие, разделив образец на части. Каждая часть будет стремиться к новому равновесному состоянию путем деформаций. В производстве для установления внутренних напряжений выпиливают образцы, представленные на рис. Х.9. Для первого этапа сушки, когда поверхностные слои испытывают растягивающие напряжения, характерна форма образца I (рис. Х.9).

На конечном этапе сушки влажность поверхностных слоев приблизилась к заданной влажности, усушка их будет значительно меньше, чем внутренних (кривая 4 на рис. Х.8). В этот момент в древесине появляются сжимающие усилия на поверхности и растягивающие во внутренних слоях пиломатериалов (образец II, рис. Х.9). Таким образом, происходит смена напряжений — на некотором промежуточном этапе сушки напряжения отсутствуют. При достижении внутренними напряжениями величины выше предела прочности древесины на растяжение может произойти разрушение в виде трещин, т. е. в первой стадии сушки на поверхности, а на конечной стадии — внутри материала.

Для получения высококачественных пиломатериалов с минимальными напряжениями необходимо применять мягкие режимы сушки, регулярно контролировать возникающие в материале напряжения и проводить специальную влаготеплсобработку материала. Ее проводят

Рис. Х.8. Кривые распределения влажности в процессе сушки по толщине пиломатериалов (а) и образцы для определения послойной влажности для пиломатериалов толщиной до 32 мм (6) и свыше 32 мм (в)

Рис. Х.9. Образцы для определения внутренних напряжений

а — форма образца характерная для начального этапа сушки; б — для конечного этапа сушки; е — длн промежуточного этапа сушки

Рис. Х.10. Коробление древесины

а — при тангенциальной распиловке; б — при радиальной распиловке; в — поперечное коробление; г — продольное коробление по пласти; д — продольное коробление по кромке; е — винтообразное коробление

обычно после окончания сушки (кривая 4 на рис. Х.8) или в момент смены напряжений (кривая 3 на рис. Х.8). Благодаря влаготеплообработке поверхностные слои увлажняются и тем самым устраняются причины напряжений, возникающих в древесине к концу сушки. Чем толще пиломатериалы, тем больше перепад влажности по сечению и, следовательно, для снятия внутренних напряжений следует неоднократно в течение сушки проводить влаготеплообработку.

К дефектам сушки относятся коробление (изменение формы) пиломатериалов и появление наружных и внутренних трещин в материале. Причиной коробления является также различная усушка в радиальном и тангенциальном направлениях. На величину коробления влияют косослой и крень, вызывающие скручивание и продольное коробление материала (см. рис. Х.10).

Конвективная атмосферная сушка

Атмосферную сушку древесины производят в штабелях на складах или под навесами (см. раздел X, § 1.3), где происходит омывание пиломатериалов атмосферным воздухом без подогрева. Состояние атмосферного воздуха зависит от климата дайной местности, сезона и погоды. На складе вследствие испарения из древесины большого количества влаги создается свой микроклимат. На его территории воздух имеет пониженную температуру и повышенную влажность. Регулировать атмосферную сушку можно плотностью укладки пиломатериалов з штабеле и рациональным расположением шта-

беля на складе в зависимости от климатических условий района.

Правила атмосферной сушки регламентируются ГОСТ 3808.1—80 для древесины хвойных пород и ГОСТ 7319—80 для древесины твердых лиственных пород. Для проведения атмосферной сушки вся территория СССР разделена на четыре климатические зоны: 1 — северная (северные области европейской части РСФСР, север Урала и Сибири); 2 — северо-западная (Карелия, западные области европейской части РСФСР); 3 — центральная (Прибалтика, центральные области европейской части РСФСР, Белоруссия, Южная Сибирь); 4 — южная (южные области РСФСР, Украина, Кавказ, Средняя Азия).

Штабели на складе рекомендуется располагать по отношению к господствующим ветрам последовательно в зависимости от толщины пиломатериалов: до 25 мм— с наветренной стороны, свыше 50 мм — в середине, от 25 до 50 мм — с подветренной стороны. Плотность укладки пиломатериалов в штабели зависит не только от размеров прокладок в вертикальном направлении (см. § 1.3 и табл. Х.2), но и от расстояний между элементами в горизонтальном ряду (шпаций).'

Размеры шпаций зависят от ширины пиломатериалов и климатических зон:

Ширина пиломатериалов, мм

Ширина шпаций, мм

Для 1—2 зон

для 3—4 эон

До 150 175—275

100—125

75—100

150—175

125—150

Атмосферную сушку древесины постоянно контролируют — систематически определяют влажность пиломатериалов весовым способом и визуально наблюдают за видимыми дефектами сушки. При появлении растрескивания торцов или пластей досок, что свидетельствует об интенсивности процесса сушки, ограничивают доступ воздуха в штабель установкой у его боковых стенок щитов.

К недостаткам атмосферной сушки относятся большая продолжительность и сезонность процесса. Она мо-

Таблица Х.6. Ориентировочные сроки атмосферной сушки пиломатериалов

Климатическая

Срок сушки, ди., при толщине

Месяц укладки штабеля

пиломатериалов, мм

16—25

32—50

60-75

Март

4

12—28

25—32

35—45

1

34— 38

43—51

55—64

Апрель, май

2

30—34

38—47

51—60

3

25—30

34—36

43—51

4

13—15

17—22

22—30

1

13—17

22—43

43—55

Июнь, июль

2

10—13

17—34

34—51

3

9—10

15—22

26—34

4

8—9

13—15

17—25

Август, сентябрь

1 2

30—34

26—34

43—51

36—43

55—60

47—55

3

22—30

30—38

43—47

Октябрь

4

4

11—17

12—28

20—26

25—32

30—34

34—45

жет происходить только в активные сезоны года (весна, лето, начало осени) и ограничивается влажностью 18— 22 %. В табл. Х.6 приведены ориентировочные сроки сушки пиломатериалов хвойных пород до влажности 22 %.

Большая продолжительность атмосферной сушки связана с недостаточной циркуляцией воздуха в естественных условиях. Воздух движется в штабеле с малой скоростью, быстро насыщается, при этом его способность испарять влагу снижается, в результате, замедляется сушка. Атмосферную сушку можно интенсифицировать установкой осевых вентиляторов между штабелями на складах, которые обеспечивают равномерную циркуляцию воздуха в штабеле.

Атмосферную сушку, благодаря ее низкой себестоимости и возможности получать пиломатериалы без по-

терн прочности и цвета древесины, рекомендуется использовать на деревообрабатывающих заводах как законченный процесс сушки пиломатериалов до транспортной влажности и предназначенных для конструкций, эксплуатируемых на открытом воздухе.

Применение комбинированного (атмосферного и камерного) способа сушки позволяет не только снизить себестоимость процесса, но и повысить качество продукции благодаря подаче в камеры пиломатериалов одинаковой начальной влажности, что позволяет использовать высокопроизводительные сушильные камеры, отрегулированные на автоматический режим.

Конвективная газопаровая [камерная] сушка

Конвективная газопаровая сушка осуществляется в лесосушильных камерах различных конструкций, куда пиломатериалы загружают штабелями. Сушка происходит в газообразной среде, которая конвекцией передает тепло древесине. Для нагревания и циркуляции сушильного агента камеры снабжают нагревательными и циркуляционными устройствами.

Сушильным агентом может быть: воздух, газ или перегретый пар. По принципу действия различают камеры периодического и непрерывного действия. Работа камеры периодического действия состоит из полной загрузки камеры материалом, технологического процесса сушки и выгрузки материала из камеры. Камеры непрерывного действия выполняют в виде длинного туннеля, вмещающего несколько штабелей. По мере продвижения штабеля в камере происходит сушка древесины. С противоположного конца камеры выгружают пиломатериалы, высушенные до требуемой влажности (рис. X. 11).

Для высококачественной сушки пиломатериалов, при которой не допускается появление внутренних напряжений в материале, рекомендуется применять воздушные сушильные камеры периодического действия, обеспечивающие равномерную циркуляцию сушильного агента по всему объему штабеля (рис. Х.12).

Режимом сушки называется расписание во времени основных параметров сушильного агента в зависимости от породы, начальной и заданной конечной влажности древесины, категории сушки и размера пиломатериалов. Определяющими параметрами сушильного агента явля-

Рис. Х.11. Принципиальная схема сушильной камеры непрерывного действия

/ — электродвигатель: 2— вентилятор; 3 — приточный канал; 4 —вытяжной канал; 5 —калорифер; 6 — циркуляционный канал; 7 — горизонтальный экран;

3 — штабель

Рис. Х.12. Принципиальная схема сушильной камеры периодического действия

/ — штабель; 2 —калорифер; 3 — вентилятор; 4 — электродвигатель; 5 — конденсатор; 6 — компрессор;

7 — испаритель; 8 — приемник конденсата

ется температура t, степень насыщения <р и психрометрическая разность.

Степень насыщения воздуха водяным паром определяют отношением парциального давления пара Рп к давлению его насыщения при данной температуре

Ф = Рц!Рц •

Если Рп=Рн и <р=1, то воздух содержит максимально возможное при данной температуре количество пара. Степень насыщения <р может быть определена по психрометрическим диаграммам, полученным экспериментально, которыми пользуются в процессе сушки для установления ее режимов. При этом необходимо знать температуру предела охлаждения /п-о.

Температурой предела охлаждения называется температура, при которой воздух, испаряя влагу, достигает насыщения. Оиа измеряется психрометром. Психрометр — это прибор, который состоит из обычного сухого термометра и термометра, у которого чувствительный элемент — шарик обернут тканью, смачиваемой в воде.

Мокро?? тело, омываемое воздухом, при достаточной

длительности процесса приобретает температуру, равную температуре предела охлаждения. При атмосферном давлении температура предела охлаждения воздуха всегда ниже 100 °C.

В зависимости от требований к качеству древесины (см. табл. Х.З) пиломатериалы можно высушивать различными по температурному уровню режимами.

Мягкие режимы (/„=40 °C, /с<58°С) обеспечивают бездефектную сушку пиломатериалов без снижения прочности и изменения цвета, рекомендуются для пиломатериалов высших сортов, в том числе для пиломатериалов, идущих на изготовление клееных конструкций.

Нормальные режимы (/„=67°C, /с<100°С) обеспечивают бездефектную сушку пиломатериалов при полном сохранении прочностных показателей древесины с незначительными йзменениями ее цвета.

. Форсированные режимы (/„ = 75 °C, /с<1 Ю °C) обеспечивают бездефектную сушку пиломатериалов при сохранении прочности на статический изгиб, растяжение и сжатие, но при возможном снижении (до 20 %) прочности на скалывание и раскалывание и потемнении древесины. Применяются для пиломатериалов, предназначенных для элементов, работающих с большим запасом прочности.

Высокотемпературная сушка (/„=100 °C, /с^130°С) или сушка перегретым паром в паровых камерах обеспечивает незначительное снижение прочности на статический изгиб, растяжение и сжатие, но заметно снижает прочность (до 30—35 %) иа скалывание и раскалывание и вызывает потемнение древесины.

■ Технологический процесс камерной сушки состоит из нескольких операций — начального прогрева древесины, собственно сушки по выбранным режимам, влаготепло- обработки и.кондиционирования материала.

Сырую древесину прогревают в среде сушильного агента со степенью насыщения 0,98—1 и при температуре, которая на 5 °C выше температуры выбранного режима сушки. Длительность прогрева для пиломатериалов хвойных пород составляет 1 —1,5 ч на каждый сантиметр их толщины.

■ Режимы (температура и степень насыщения сушильного агента) собственно сушки устанавливают в зависимости от породы, начальной влажности, размеров н требуемого качества высушиваемых пиломатериалов. Во

время сушки периодически контролируют текущую влажность весовым способом (см. §2.1, рис. Х.6) и внутренние напряжения в древесине.

Для контроля за внутренними напряжениями в штабель закладывают образцы длиной 1—1,2 м. Торцы образцов изолируют масляной краской. Регулярно от них отпиливают торцовые срезы толщиной 10 мм, из которых вырезают на ленточнопильном станке силовой образец (см. рис. Х.9). О знаке и примерной величине напряжений судят по направлению и величине изгиба зубцов

Изгиб зубцов наружу свидетельствует о наличии растягивающих, а изгиб внутрь — сжимающих напряжений в поверхностных слоях пиломатериалов.

Тепловлагообработку проводят для снятия или уменьшения остаточных внутренних напряжений (см. § 2.4) после достижения древесиной заданной средней конечной влажности. Температура сушильного агента на 10 °C выше последней ступени сушки, степень насыщения 0,98— 1, продолжительность в среднем 2,5—2 ч на каждый сантиметр толщины пиломатериалов.

Кондиционирующую обработку древесины проводят для выравнивания влажности как по объему штабеля, так н по толщине пиломатериалов, при этом поддерживают такое состояние сушильного агента, при котором недосушенные пиломатериалы подсыхают, а пересушенные увлажняются — температура на 5° выше последней ступени собственно сушки, а степень насыщения соответствует (по диаграмме равновесной влажности, приведенной на рис. Х.7) средней заданной конечной влажности древесины.

Камерная сушка позволяет высушить древесину до любой заданной конечной влажности, требуемого качества. Срок сушки зависит от породы, размеров, начальной н конечной влажности пиломатериалов и колеблется от десятков часов до нескольких суток. Стоимость сушки 1 м3 приблизительно 10 руб. Сушка поддается надежному регулированию; в настоящее время имеются высокопроизводительные отечественные автоматические сушильные камеры: СПМ-2К или СПВ-62М, а также зарубежные камеры, например «Больман», «Термак».

Конвективная сушка в жидкостях

Агентом конвективной сушки могут быть гидрофобные маслянистые или парафинообразные жидкости, которые не смешиваются и не растворяются в воде, расплавленные металлы, сера, а также водные растворы гигроскопических минеральных солей. Наибольшее промышленное распространение получила сушка в петролатуме (парафинообразное вещество, являющееся отходом при перегонке нефти). Сушка осуществляется чаще всего при атмосферном давлении в ваннах, заполненных петролатумом, нагретым до 120—130 °C. Внутри древесины вследствие кипения влаги создается избыточное давление, под действием которого пар выходит в атмосферу, преодолевая сопротивление древесины и слоя жидкости над материалом. Расход петролатума составляет 25—40 кг/м3, продолжительность сушки 6—8 ч.

К недостаткам этого способа относится загрязнение поверхности древесины, что затрудняет последующую ее механическую обработку и склеивание. Часто сушка в петролатуме совмещается с пропиткой древесины маслянистыми антисептиками. Область рационального применения этого способа сушки — обработка столбов линий электропередачи и связи, шпал, мостов и других крупномерных сортаментов.

Сушка в поле токов высокой частоты

Древесина обладает высокими диэлектрическими свойствами (ее удельное сопротивление равно 108— 1017 Ом •см) и способна прогреваться в поле токов высокой частоты за счет диэлектрических потерь. Способ удаления влаги из древесины, основанный на этом принципе, получил название диэлектрической сушки. Он принципиально отличается от конвективной сушки, так как прогрев осуществляется внутри материала равномерно по его объему, а не подводится извне. '

Установка для диэлектрической сушки состоит из трансформатора, выпрямителя, высокочастотного генератора и колебательного контура с рабочим конденсатором, между обкладками которого размещают высушиваемую древесину.

Температура и влажность на поверхности древесины в результате испарения и тепловых потерь оказывается

ниже температуры и влажности внутренних слоев пиломатериалов. При диэлектрической сушке имеют место положительные градиенты температуры и влажности, вследствие этого движение влаги путем влаго- и термо- влагопроводности направлено изнутри на поверхность материала. Чем выше влажность, тем до более высокой температуры прогревается древесина, и если температура будет превышать температуру точки кипения воды, то внутри материала возникает избыточное давление. Благодаря равномерному нагреву по всему объему, возникновению положительного перепада температуры и избыточного давления внутри древесины продолжительность диэлектрической сушки в 50—60 раз меньше конвективной и составляет 2—4 ч. Тем не менее из-за сложности оборудования, большого расхода электроэнергии этот способ не находит широкого применения.

Более эффективно применение комбинированных способов сушки, например камерно-диэлектрического. В этом случае к штабелю, размещенному в камере, с помощью электродов подводят высокочастотную энергию от специального генератора ТВЧ для создания положительного перепада температур (2—5 °C) по сечению материала. Комбинированная сушка позволяет сократить срок сушки по сравнению с камерной в 2—3 раза и получить пиломатериалы высокого качества благодаря небольшому перепаду влажности по толщине материала.

ГЛАВА 3. МЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА ДРЕВЕСИНЫ

В производстве деревянных строительных деталей, изделий и конструкций для придания им необходимых размеров, форм и чистоты поверхности применяют обработку древесины резанием. Обработку резанием со снятием стружки осуществляют инструментами, имеющими один или несколько резцов. В общем виде резец имеет форму клина (рис. Х.13), в котором различают переднюю грань abcb, по которой происходит удаление стружки; заднюю грань ab'c'd, обращенную к обработанной поверхности; две боковые грани; лезвие резца ad — линия пересечения передней и задней граней; задний угол а — угол между задней гранью и поверхностью резания; угол заострения или угол заточки р — угол

Рис. Х.13. Элементарный резец (а) и виды элементарного резания (б)

1 — торцовое; 2 — продольное; 3 — поперечное

между передней и задней гранями; угол резания б — угол между передней гранью и поверхностью резания и передний угол у—угол между передней гранью и перпендикуляром, восстановленным к поверхности резания.

При резании необходимо затрачивать усилие на внедрение резца в материал, на преодоление сил трения, на деформирование элементов стружки. Это суммарное усилие носит название силы резания и определяется по формуле ’

P = kbh.

где к — удельное сопротивление резания, кг/мм2; b — ширина стружки, мм; Л — толщина стружки, мм.

При подсчете силы резания пользуются понятием удельного сопротивления резанию (6), которое представляет собой значение силы резания, отнесенное к 1 мм2 площади поперечного сечения стружки. Численное значение удельного сопротивления резанию зависит от механических свойств материала. Для древесины оно. определяется в первую очередь породой и направлением резаиия относительно направления волокон. В зависимости от направления движения резца по отношению к направлению волокон древесины различают торцовое, продольное и поперечное резание (см. рис. Х.13).

При торцовом резании резец движется в плоскости, перпендикулярной направлению волокон древесины, при этом стружка скалывается в виде отдельных не связанных между собой элементов. При продольном резании движение резца совпадает с направлением волокон, в

этом случае стружка снимается тонкой лентой. Поперечное резание происходит при движении резца в плоскости волокон перпендикулярно их длине, элементы стружки взаимосвязаны слабо. Этот вид резания применяют при получении строганого или лущеного шпона при производстве фанеры. В среднем соотношение между значениями удельного сопротивления резанию для торцового, продольного и поперечного резания составляет (4,5—6) ; (2—3) ; 1. Коэффициент к возрастает при увеличении угла резания 6, затуплении резца, уменьшении толщины стружки и снижении влажности древесины.

Древесина имеет по сравнению с металлами низкие значения удельного сопротивления резанию от 0,5 до 15 кг/мм2, что позволяет обрабатывать ее при режимах в несколько раз более интенсивных, чем это принято в металлообработке.

Различают элементарное и сложное резание. Элементарным называется резание, которое производится только одной прямолинейной кромкой резца — лезвием, направлено прямолинейно и имеет постоянную скорость. Стружка получается одинаковой толщины по ширине и направлению резания. Резец занимает по отношению к волокнам одно из рассмотренных выше положений. Всякий другой случай резання называется сложным.

Распиловка

Распиловка — наиболее распространенный способ резания древесины. Пилы представляют собой многорезцовый инструмент. Они состоят из полотна и резцов, которые называются зубьями. Различают рамные, дисковые и ленточные пилы.

Рамные пилы, представляющие собой длинные тонкие стальные полотна толщиной 1,8—2,2 мм, предназначены для продольной распиловки бревен на лесопильных рамах. На рис. Х.14 приведены профили зубьев рамных пил. .

Круглые пилы представляют собой стальные диски толщиной 1—5,5, диаметром 200—1250 мм; на периферийной части нанесены зубья, профили которых показаны на рис. Х.14. Они применяются для продольной и поперечной распиловки. Пилы с переменной толщиной диска называются строгальными.

Рис. Х.14. Профили зубьев пил и способы устранения заедания пилы в пропиле

а — рамных; б —круглых; в — ленточных; г— утолщение полотна к зубьям; О — расплющивание -кромки зуба; е — развод зубьев; /—ломаный зуб; 2 — прямой зуб: 3 — для продольной распиловки; 4— для поперечной распиловки; 5 — для досок; 6 — для бревен

Рис. Х.15. Схема круглопильного станка для продольного распиливания с ручной подачей материала

станина; 2— стол; 3—пила;

— расклинивающий нож; 5 — направляющая линейка; 6 — электродвигатель; 7 —ограждение нижнее;

— ограждение верхнее; 9 — упоры

Ленточные пилы имеют вид непрерывной ленты с режущими зубьями на передней кромке шириной полотна до 40—50, толщиной 0,6—2,2 мм. Длину пильной ленты выбирают в зависимости от габаритов станка, концы ленты спаивают. Они применяются для продольной распиловки пиломатериалов и для криволинейных пропилов.

Для устранения трения полотна пилы о древесину между пилой и боковыми стенками пропила создается зазор разводом зубьев или расплющиванием их кромки. Для этого строгальные пилы имеют утолщение зубьев (рис. Х.14). Развод зубьев на каждую сторону обычно составляет: у рамных пил 0,7 мм, у дисковых пил 0,3— 0,6 мм, у ленточных пил 0,2—0,35 мм.

Пильные станки разделяются на станки круглопильные для продольного, поперечного и смешанного распиливания и ленточные станки. Круглопильные станки для продольной распиловки могут быть с ручной и автоматической подачей материала. Схема станка с ручной подачей представлена на рнс. Х.15.

Станок имеет станину 1 с размещенным на ней столом 2, в прорезь которого выходит полотно пилы 3. На расстоянии 15—20 мм от пильного диска располагаются расклинивающий нож 4, который, входя в пропил, несколько расширяет его и устраняет трение входящей части пильного полотна о стенки пропила. Расклинивающий нож также устраняет возможность обратного выброса материала восходящими зубьями пилы. Направляющая линейка 5 располагается строго параллельно плоскости полотна пилы и для регулирования ширины отпиливаемой заготовки может переставляться по ширине стола. Пильный диск получает вращение от шкива, связанного ременной передачей с электродвигателем 6. Пила имеет ограждение в нижней и верхней частях. Нижнее ограждение 7 является одновременно приемником для сбора опилок. Последние удаляют от станка отсосом в эксгаустерную систему. Верхнее щитковое ограждение 8 полностью закрывает выступающую часть пильного диска, поднимаясь проходящим материалом только на высоту пропила. Для предотвращения возможности обратного выброса материала применяют тормозные упоры 9.

Наибольшее распространение для продольного раскроя древесины получили станки с гусеничной подачей материала (рис. Х.16), обеспечивающие при большой производительности высокую точность обработки, а при применении строгальных пил и высокое качество обработки.

Станок состоит из литой станины 1, стола 2, суппорта пилы 3, гусеничной подачи 4 и прижимных вальцев 5. Станок имеет электродвигатель с удлиненным валом, на конце которого крепится пила. Электродвигатель шарнирно подвешен к стойке и может поворачиваться вокруг оси качания, что позволяет установить пилу таким образом, чтобы зубья пилы при любом диаметре пильного диска немного заглублялись в канавку гусеницы. Прижимные вальцы вместе с несущей коробкой можно устанавливать по высоте в соответствии с толщиной распиливаемого материала. Гусеница состоит из отдельных звеньев, шарнирно скрепленных один с другим. Верхняя ветвь гусеницы движется по направляющим стола, привод ее осуществляется барабаном с фигурными вырезами — туером. Натяжение гусеницы производится весом нижней ветви. Звенья гусеницы имеют риф- 458

Рис. Х.16. Схема круглопильного станка с гусеничной подачей материала

а—общий вид; б — кинематическая схема; / — станина; 2—стол: 3 — суппорт пилы; 4 — гусеничный механизм подачи; 5 — прижимные ролики

левую поверхность с канавкой для выхода пилы. Станок снабжен переставной направляющей линейкой и предохранительными упорами, исключающими возможность обратного вылета материала.

Станок ЦДК-4-3 с одной пилой предназначен для отпиливания от материала по одной заготовке. Станки ЦДК-5 и ЦМР-1 оборудованы несколькими пилами для получения ряда заготовок по ширине материала за один

Рис. Х.17. Схема торцовочного станка

/ — педаль для включения гидропривода подачи; 2 — маховичок механизма настройки пильной части по высоте; 3— стойка; 4— тяга для крепления стола; 5— колонка; 6—пильный шпиндель с электродвигателем; 7—манометр; 8—направляющая обойма; 9—суппорт пилы; 10— гидропривод; 11— электродвигатель гидронасоса

проход. Поперечную распиловку выполняют на однопильных торцовых станках ЦМЭ-2 с ручной или ЦМЭ-3 с пневмогидравлической прямолинейной подачей суппорта пилы на материал.

Станок ЦПА-40 (рис. Х.17) с прямолинейным гидро- фицированным движением суппорта предназначен для точного поперечного распиливания досок, брусьев и щитов. Поворот суппорта пилы в горизонтальной плоскости дает возможность производить распиловку под углом к кромке пиломатериалов.

Отличительной особенностью торцового станка ТС-3 является нижнее расположение пилы и пневматический прижим обрабатываемых деталей.

Для прямолинейного и криволинейного распиливания пиломатериалов и фанеры служат ленточнопильные станки ЛС-40, ЛС-80-4 и ЛС-100. Ленточнопильный станок (рис. Х.18) имеет два шкива — верхний / и нижний 5, движущую пильную ленту 6, поворотный стол 3 и направляющие устройства. Стол может быть установлен под углом 45° к горизонтальной плоскости. Для обра-

Рис. Х.18. Схема ленточнопильного станка

— верхний иатя,ккой шкив; 2 — распиливаемая заготовка; 3 — с юл;

4 — поворотный сегмент; .5 — пиж- НЬЙ Приводной ШКНВ; 6 — пильная лента; 7 — противовес

Рис. Х.19. Схема обработки древесины а — строгание; б — фрезерованиеРис. Х.19. Схема обработки древесины а — строгание; б — фрезерованиеботки кромок щитов, древесных плит и фанеры служат форматнообрезные (концеравнительные и четырехсторонние) станки. -

Рис. Х.19. Схема обработки древесины а — строгание; б — фрезерование

Рис. Х.19. Схема обработки древесины а — строгание; б — фрезерование

Режим обработки древесины при пилении определяется в основном техническими характеристиками станков и составляет скорость резания 1200—5400 м/мин; на круглопильных станках скорость автоматической подачи может достигать 60 м/мин, тогда как при криволинейном распилинании на ленточнопильных станках скорость ручной подачи обычно не превышает 4—8 м/мин.

Строгание и фрезерование

Операции строгания и фрезерования тождественны по своему принципу. Под строганием понимают процесс плоскостной обработки заготовок, тогда как при фрезеровании производят фасонную обработку по прямоли-

Рис. Х.20. Фрезы

а — насадные цилиндрические сборные для обработки плоских поверхностей; б — для обработки зубчатых шипов; в — концевые для выборки прямых и фасонных пазов

нейному или криволинейному контуру (рис. Х.19). Строганием удаляют с поверхности заготовок неровности, образовавшиеся при других видах механической обработки или получают шпон и стружку для плит. Строгание выполняют на строгальных, циклевальных, лущильных, стружечных станках. В качестве строгального инструмента используют строгальные ножи. Они могут быть толстыми (толщиной 8—12 мм) и тонкими (толщиной 2,5—5 мм). Длина ножей в зависимости от типа станка составляет 100—1800 мм. Толстые ножи устанавливают на квадратных ножевых валах и применяют для обдирочных операций; тонкие ножи закрепляют, только в круглых ножевых валах и применяют для чистового строгания.

Основными типами фрезерного инструмента являются насадные цельные фрезы, фрезы со вставными сменными резцами и концевые фрезеры (рис. Х.20).

При фрезеровании древесина разрезается вращающимися фрезами или плоскими ножами, укрепленными во вращающихся ножевых головках. При фрезеровании получают прямоугольные заготовки точных размеров, выбирают пазы и гнезда, нарезают шипы, обрабатывают

Рйс. Х.21. Схемы станков для фрезерования

фуговальные: а, б—с ручной подачей; в—с конвейерной подачей; рейсмусовые: г, д — односторонний и двусторонний с вальцовой подачей; е — двусторонний с конвейерной подачей; ок—и — четырехсторонние и многосторонние с вальцовой и вальцово-гусеничиой подачей: / — ножевые валы; 2 — заготовки; 3 — столы; 4 — конвейер подачи; 5—подающие вальцы; 6 — пружины; 7—при- жнммые башмаки; 8 — прижимные ролики; 9 —гусеничный механизм подачи; 10 — гладильные ножи; // — питательный стол

детали криволинейного или ломаного профиля. Универсальность этого вида обработки обусловлена сменностью режущего инструмента и конструкцией соответствующих станков: фуговальных (рис. Х.21, а—в), рейсмусовых (рис. Х.21, г—:е), четырехсторонних (рис. Х.21,яс—• м), строгальных, фрезерных и шипорезных.

Фуговальные станки предназначаются для выверки и фрезерования под плоскость одной или двух смежных

Рис. Х.22. Обработка на фуговальном, станке

а — схема работы фуговального станка: / — ножевой вал; 2 —задняя плита стола; 3— передняя плнта стола; 4— обрабатываемая заготовка; е — толщина снимаемого слоя древесины; б — выравнивание пласти заготовки под плоскость на фуговальном станке; в. г — схема фрезерования двух граней под плоскости н прямой угол на фуговальном станке: / — направляющая линейка

граней под заданный между ними угол, составляющий обычно 90°. Эти плоскости являются базовыми при дальнейшей обработке заготовки (рис. Х.22).

Фуговальный станок имеет горизонтальный стол, состоящий из двух плит (передней 3 и задней 2), и расположенного внизу между ними ножевого шпинделя /. Плиты стола могут перемещаться по вертикали и горн- зонталн. Плоскость задней плиты должна быть касательной к цилиндрической поверхности, описываемой лезвием фрезерующих ножей. Переднюю плиту устанавливают обычно на 1,5—2 мм ниже задней плиты, что определяет, величину снимаемого слоя при фрезеровании.

При ручной подаче для получения базовых поверхностей сначала фрезеруют на фуговальном станке под плоскость широкую грань (пласть) заготовки, а затем также под плоскость обрабатывают смежную грань (кромку) с получением, как правило, прямого угла (рис. Х.22, в, г).

На двустороннем фуговальном станке С2Ф-4 одновременно можно обрабатывать две смежные плоскости заготовки — пласть и кромку. Станок имеет горизон-

Рис. Х.23. Схема работы одностороннего рейсмусового станка

/ — заготовка; 2— ногтевая завеса; 3— рифленый подающий валик; 4 — стружколоматель; 5 — ножевой вал; 6 — прижим; 7 — гладкий подающий ва« лик; 8, /0 — нижние валики, 9— стол

Рис. Х.24. Схема фрезерования заготовок

а — на фуговальном станке; б — на рейсмусовом стайке; /—заготовка; 2 и 2а— передняя и задняя плиты фуговального станка; 3—ножевой вал; 4 — стол рейсмусового станка, иа иотором базируется заготовка плоскостью, обработанной на фуговальном стайке

тальный ножевой вал и вертикальную ножевую головку. Материал на ножи подают роликовым механизмом.

Рейсмусовые станки выпускают односторонними и двусторонними. Односторонние станки (рис. Х.23) имеют один ножевой вал, находящийся над столом, по которому подают обрабатываемый материал. На этих станках можно обрабатывать заготовки в размер по толщине и ширине, соблюдая при этом параллельность

противоположных сторон (рнс. Х.24). Параллельность граней заготовок при фрезеровании в размер может быть ; обеспечена на одностороннем рейсмусовом станке за две операции, так как здесь предварительно обработанные на фуговальном станке под плоскость и прямой угол две смежные грани последовательно базируются на столе рейсмусового станка, и ножевой вал, расположенный над заготовкой, фрезерует поочередно две другие смежные грани параллельно первым (рис. Х.22, в, г).

Для одновременной обработки заготовки с двух противоположных сторон применяют двусторонние рейсмусовые станки с двумя ножевыми валами — нижним и верхним (рис. Х.21, д, е).

В производстве деревянных конструкций для продольного фрезерования часто применяют четырехсторонние станки (см, рис. Х.21), позволяющие за один проход обрабатывать четыре стороны заготовки и получать детали в форме прямоугольного параллелепипеда. Четырехсторонний станок С16-5П состоит из пяти шпинделей — двух горизонтальных, двух вертикальных и одного дополнительного, который может быть установлен под углом к заготовке. Наиболее совершенен шестишпиндельный фуговально-фрезерный станок СФ 16-1.

Вертикальные фрезерные станки относятся к универсальному оборудованию и предназначаются для фрезерования прямых и криволинейных поверхностей, выборки пазов и канавок, нарезки шипов, а также для копировальных работ.

Фрезерование шипов для соединения деревянных конструкций выполняют на фрезерных или шипорезных станках. Применяются односторонние рамные шипорезные станки с ручной или механической подачей, на которых обрабатывают по одному концу заготовки, и двусторонние с механической подачей, на которых обрабатывают одновременно оба ее конца. На рис. Х.25 показана схема четырехшпиндельного шипорезного станка ШО 151-5. Для подачи материала станок имеет каретку с гидроприводом и прижимные устройства (боковые и верхние). Механизм резания состоит из торцовочной пилы, диска для выборки проушин и двух зубчатых фрез. Шпиндели установлены по ходу обработки в следующем порядке — один горизонтальный с пилой, один проушеч- ный и два вертикальных с торцовыми шипорезными фре

зами.

Рис. Х.25. Схема одностороннего рамного шипорезного станка

/ — каретка; 2 — гндрсприжни; 3 — кронштейн каретки; 4 — нижняя я верхняя направляющие каретки; 5, 6— пульты управления; 7 — электродвигатель верхней фрезы

Двусторонние шипорезные станки ШД 10-3 и ШД 15-3 для одновременной нарезки шипов с двух торцов заготовки имеют по восемь шпинделей. Четыре шпинделя смонтированы на неподвижной станине, правая станина с четырьмя шпинделями перемещается по направляющим и устанавливается в зависимости от длины обрабатываемых заготовок.

Режимы обработки древесины строганием и фрезерованием определяются видом работы и техническими возможностями станков. Частота вращения инструмента составляет для фуговальных и рейсмусовых станков 3500—5700 мин-1, для фрезерных станков с нижним расположением шпинделя 6000—8000 мин-1 (средние станки), до 24 000 мин-1 (легкие станки), Что при обычно

Рис. Х.26. Виды сверл для обработки древесины

о — с центром и подрезателями для труднообрабатываемых древесных матс- рии.юв; б — спиральные с центром и подрезателями для сверления отверстий поперек волокон

применяемых радиусах резания соответствует скорости резания 1500—2500 м/мин.

Скорость автоматической подачи 8—30 м/мин, при ручной подаче скорость не более 5 м/мин; наименьшая скорость подачи при криволинейном фрезеровании.

Сверление

Волокнистое строение древесины и анизотропия ее механических свойств обусловливают особенности конструкции сверл для древесины (рис. Х.26). Для сверления отверстий перпендикулярно волокнам используют сверла с подрезателями. Последний перерезает волокна, а режущая кромка скалывает волокна в их плоскости. Во избежание увода сверла часто применяют направляющий центр, заточенный в виде пирамиды.

Для продольного сверления используют ложечные и спиральные сверла. При глубоком сверлении нужно снабжать сверла канавками для отвода стружки. Высокое качество обработки при глубоком сверлении поперек волокон дает шнековое сверло.

На сверлильных станках высверливают гнезда и пазы для соединений элементов с помощью шипов, болтов, винтов и т. п. Сверлильные станки разделяются на одношпиндельные, вертикальные и горизонтальные, с механической и ручной подачей. Для сверления нескольких отверстий применяют многошпиндельные сверлильные станки, например вертикальный сверлильный станок СВ12, предназначенный для одновременного сверлени? до 12 отверстий,

Частота вращения шпинделя сверлильных станков составляет 3000—10 000 мин1. Подача на один оборот сверла 0,1—0,3 мм для древесины твердых пород и фанеры и 0,5—2мм для древесины мягких пород.

Ручное оборудование для механической обработки

Для механизации трудоемких ручных работ при обработке и сборке элементов конструкций применяют ручные электрические и пневматические машины и инструменты, представляющие собой упрощенные и уменьшенные до портативных размеров деревообрабатывающие станки.

Дисковые электропилы (ИЭ-5106, ИЭ-5102Б) служат для продольного и поперечного раскроя пиломатериалов и щитов, а также для пригонки деталей при монтаже деревянных конструкций. Ленточные электропилы позволяют обрабатывать древесину по криволинейному контуру. Машина ИЭ-6009 предназначена для строгания, продольного и поперечного пиления, фрезерования и сверления древесины. Паркетно-фрезерные машины (СО-40А, СО-97) в некоторых случаях могут быть использованы для обработки боковых поверхностей клееных дощатых конструкций. К переносным электрифицированным инструментам относятся электрофуганки, сверлильные, фрезерные, долбежные инструменты, гайковерты и шуруповерты. Привод инструмента может быть электрическим или пневматическим.

Чистота обработки поверхности древесины и обеспечение сборности конструкций

В результате механической обработки на поверхности древесины могут быть различные неровности — бороздки, риски от резца, волнистость от вращающегося инструмента, выколы и вырывы кусков древесины при пилении, ворсистость и мшистость при шлифовании. В зависимости от назначения изделий к поверхности древесины предъявляют различные требования. Чистоту поверхности оценивают степенью шероховатости, которую определяют средним значением максимальных высот неровностей Нм, замеренных от нх вершин до дна соответствующих впадин. Степень шероховатости дре-

весины значительно колеблется в зависимости от метода обработки:

Рамное пиление 500—2500мкм

Ленточное пиление 130—500»

Пиление дисковой пилой 150—750»

Обработка строгальными пилами ,25—130»

Фрезерование 30—200»

В зависимости от размеров неровностей по ГОСТ 7016—82 «Древесина. Шероховатость поверхности. Параметры и характеристики» установлено 12 классов шероховатости поверхности древесины:

Класс шероховатости

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

И

12

Параметры шероховатости, мкм

1600

1200

800

500

320

200

100

60

32

16

8

4

Требования к чистоте поверхности древесины определяются назначением деталей и указываются на чертежах специальным знаком с обозначением класса шероховатости, в зависимости от которого выбирают способ обработки древесины. Например, обработку древесины под склеивание следует проводить для зубчатых шипов по 8-му классу шероховатости (V д8), а для пластей и кромок по 7-му классу (V д7), что соответствует величине неровностей в пределах 60—100 мкм и достигается фрезерованием.

Для обеспечения точной сборки деталей и конструкций необходимо, чтобы размеры соединяемых деталей находились в определенных пределах. Это достигается при соблюдении системы допусков и посадок при обработке элементов. Действительный размер обработанной детали может отличаться от номинального размера, заданного чертежом. Для обеспечения взаимозаменяемости деталей на чертеже дают два размера, указывающих пределы действительного размера. Разность между наибольшим и наименьшим предельными размерами называется допуском на неточность изготовления. Чем больше допуск, тем меньше требования, предъявляемые к точности изготовления деталей.

Таблица Х.7. Значения допусков, мм

Размер, мм

Квалитет .

11

12

13

14

15

16

1?

1В

10—18

0,18

0,27

0,43

0.7

1,1

1,8

2,7

18—30

0,21

0,33

0,52

0,84

1,3

2,1

3,3

30—50

—

0,25

0,39

0,62

1

1,6

2,5

3,9

50—80

0,19

0,3

0,46

0,74

1,2

1,9

3

4,6

80—120

0,22

0,35

0,54

0,87

1,4

2,2

3,5

5,4

120—180

0,25

0,4

0,63

1

1,6

2,5

4

6,3

180—250

0,29

0,46

0,72

1,15

1,85

2,9

4,6

7,2

Совокупность допусков, соответствующих одинаковой степени точности для всех номинальных размеров, называется квалитетом. Числовые значения допусков для наиболее широко используемых размеров соединительных элементов строительных конструкций приведены в табл. Х.7.‘

Припуски на механическую обработку.

Расчет потребности в лесоматериалах

При изготовлении деталей п заготовок следует исходить из существующего сортамента пиломатериалов (см. табл. X.I) и учитывать припуски на механическую обработку. Припуском называется превышение размеров заготовки над номинальными размерами детали, т. е. это слой материала, подлежащий удалению при механической обработке. Необходимо стремиться к минимальным припускам, так как это позволяет рациональнее использовать древесину. Припуски зависят от вида механической обработки и технических возможностей оборудования. Припуски на фрезерование пиломатериалов хвойных пород приведены в табл. Х.8 и Х.9.

При расчете количества лесоматериалов, требующихся для изготовления изделий заданных размеров и качества, следует учитывать:

количество отходов при раскрое (торцовка, вырезка дефектных мест и т. п.);

размеры необходимых припусков на чистовую обработку (строгание, фрезерование и пр.);

величину ожидаемых потерь в производстве.

Таблица Х.8. Припуски на фрезерование по пласти с двух сторон, ммТаблица Х.8. Припуски на фрезерование по пласти с двух сторон, ммТаблица Х.9. Припуски на фрезерование кромок заготовок с двух сторон, ммТаблица Х.9. Припуски на фрезерование кромок заготовок с двух сторон, ммНоминальнаяширина заго-товки, ммНоминальнаяширина заго-товки, ммДо 95 95—195Свыше 195До 95 95—195Свыше 195Припуски приноминальнойтолщине за-готозок. ммПрипуски приноминальнойтолщине за-готозок. ммсвыше40свыше404,5 55,54,5 55,555,5 655,5 6

Таблица Х.8. Припуски на фрезерование по пласти с двух сторон, мм

Таблица Х.8. Припуски на фрезерование по пласти с двух сторон, мм

Таблица Х.9. Припуски на фрезерование кромок заготовок с двух сторон, мм

Таблица Х.9. Припуски на фрезерование кромок заготовок с двух сторон, мм

Номинальнаяширина заго-товки, мм

Номинальнаяширина заго-товки, мм

До 95 95—195

Свыше 195

До 95 95—195

Свыше 195

Припуски приноминальнойтолщине за-готозок. мм

Припуски приноминальнойтолщине за-готозок. мм

свыше

40

свыше

40

4,5 5

5,5

4,5 5

5,5

5

5,5 6

5

5,5 6

Выходом черновых заготовок называется отношение (в %) объема заготовок, полученных в результате раскроя, к объему раскроенных досок, фанеры, столярных плит и т. п. Окончательным выходом называется отношение объема обработанных деталей и изделий к объему раскроенных досок, фанеры, плит и т. п.

Размер выхода зависит от вида продукции, породы и сортности сырья, методов раскроя и обработки. Исходными данными в определении выхода служат чертежи, ГОСТ и технические условия на эти изделия.

Пример. Рассчитать объем пиломатериалов для изготовления многослойной балки, склеенной из досок по толшине на пласть, со стыковкой по длине зубчатым шипом.

Пиломатериалы сосновые, обрезные 1-го и 2-го сортов, высушенные до влажности 10—12 %. Размер балки в чистоте 160Х825Х X 12000 мм. Число слоев (досок) в одной балке 25.

Размеры досок (черновых заготовок) для каждого слоя до фрезерования и нарезки зубчатых шипов (с припуском на обработку по длине, ширине и толщине), мм: длина 12 400, ширина 175, толщина 40.

Припуски на обработку черновых заготовок (включая предварительную чистовую торцовку досок, нарезку зубчатых шипов н чистовую торцовку балки), мм: по длине 400, по ширине 15, по толщине 7.

Размеры одного слоя в чистоте (после фрезерования с четырех сторон и наращивания по длине на зубчатый шип), мм: длина 12 000, ширина 160,.толщина 33.

Объем черновых заготовок (досок) до фрезерования и нарезки на зубчатый шип на одну балку: 12,4-0,175-0,04-25=2,17 м3.

Выход черновых заготовок (отрезков досок до нарезки зубчатых шипов) при поперечном раскрое пиломатериалов с вырезкой дефектных мест 85 %. •

Объем пиломатериалов иа одну балку: 2,17 : 0,85 = 2,55 м3. Объем досок (плетей) в чистоте на одну балку 12 0,16-0,033-25 = 1,584 м3. Чистый выход (1,584/2,55) 100 = 62,1 %.

ГЛАВА 4. ПРОИЗВОДСТВО КЛЕЕНЫХ ДЕРЕВЯННЫХ КОНСТРУКЦИЯ

Клееные деревянные конструкции выпускают двух видов — несущие и ограждающие. К несущим конструкциям массового производства относятся балки, рамы, арки и фермы, сечения которых показаны на рис. Х.27. Ограждающие конструкции представляют собой деревянный каркас и приклеенные к нему обшивки из фанеры или других листовых материалов.

Для изготовления деревянных клееных конструкций рекомендуется в основном использовать пиломатериалы хвойных пород (сосна, ель), по ГОСТ 24454—80 с преимущественной поставкой их в рассортированном виде. Толщину склеиваемых слоев в элементах, как правило, не следует принимать более 33 мм, которую получают при фрезеровании пиломатериалов толщиной 40 мм. Ширину пиломатериалов выбирают согласно номинальным, размерам элемента с учетом суммарных припусков на усушку и механическую обработку. Эти припуски для пиломатериалов шириной от 75 до 100 мм равны в среднем 10 мм; от 125 до 175 мм — 15 мм; от 200 до 250 мм— 20 мм.

Для комбинированных конструкций следует применять березовую водостойкую фанеру толщиной не менее 8 мм по ГОСТ 3916—69 марки ФСФ, а также фанеру бакелизированную марки ФБС по ГОСТ 11539—73 с изм. Синтетические клеи для соединения древесины и древесины с фанерой следует назначать в зависимости от условий эксплуатации, согласно требованиям СНиП 11-25-80 «Деревянные конструкции».

Подготовка древесины, сушка, сортировка

Древесина, предназначенная для несущих клееных конструкций, эксплуатируемых при влажности до 75 %, должна быть высушена до влажности 9—12 %. Для получения пиломатериалов заданной влажности с минимальными внутренними напряжениями и минимальным перепадом влажности ио толщине отдельных досок рекомендуется проводить сушку в три этапа — атмосферную, камерную и кондиционирование пиломатериалов в условиях цеха.

Рис. Х.27. Виды сечений клееных деревянных конструкций

а — сплошное прямоугольное; б — двутавровое с фанерной стенкой; в — двутавровое с волнистой стенкой; г — армированное; д — ксробчагое; е—коробчатое с волнистыми стенками

Атмосферную сушку в штабелях часто совмещают со складированием пиломатериалов, так как для бесперебойной работы предприятий по выпуску клееных конструкций необходимо создать запас древесины в объеме не менее шестимесячной потребности. Начальная — атмосферная сушка позволяет выравнять влажность древесины до 25—30 %, что сокращает сроки камерной сушки, дает возможность отрегулировать сушку на автоматический режим и применять высокопроизводительные сушильные камеры.

Сушильное отделение состоит из нескольких камер, количество которых определяется производительностью цеха. В среднем годовая производительность предприятий колеблется 1500—2500 м3 клееной древесины, вместимость камеры составляет 30 м3 пиломатериалов. Качество сушки зависит от правильной укладки пиломатериалов в сушильные штабели. Чтобы уменьшить поперечное коробление пиломатериалов при их сушке, штабель формируется из досок одной толщины на про-

кладках, количество и размеры которых следует выбирать согласно табл. Х.2. Недопустима недогрузка штабеля по высоте камеры, так как нарушается циркуляция сушильного агента, что приводит к неравномерному просыханию материала и увеличению сроков сушки.

Штабели укладывают на подъемно-гидравлических столах или вертикальных подъемниках, откуда пиломатериалы подают в сушильную камеру с помощью специальной платформы, состоящей из двух треков, один из которых перемещается по рельсам, уложенным вдоль сушильного отделения, а второй — по рельсам, уложенным в поперечном направлении.

Во избежание появления в материале внутренних напряжений сушку проводят, выбирая мягкие или нормальные режимы (§ 2.6), контролируя по силовым образцам характер внутренних. напряжений, текущую влажность и постепенно переходя с одной операции сушки на другую: прогрев, собственно сушку, тепловла- гообработку, охлаждение. ■

Пиломатериалы кондиционируют после их выгрузки из камеры в условиях цеха при температуре 18—20 °C и влажности воздуха 50—70 % не менее трех суток. Для кондиционирования в цехе предусматривается специальная площадка. Эта операция необходима для выравнивания влажности древесины как по объему штабеля, так и по сечению пиломатериалов, так как указанные температурно-влажностные условия в цехе соответствуют равновесной влажности в древесине 8—12 %. После кондиционирования пиломатериалы автоматически сортируют по влажности.

Пиломатериалы, поступающие в сушильное отделение после лесопильных рам, имеют грубо обработанную поверхность (V дЗ), большие отклонения от номинальных размеров (например по толщине ±2 мм) и, кроме того, после сушки могут возникнуть дефекты в виде поперечного коробления или других недопустимых повреждений. Поэтому они проходят обязательное фрезерование по пластн на рейсмусовых или. четырехсторонних строгальных станках с целью их калибровки по толщине, получения базовых поверхностей для дальнейшей обработки и лучшего выявления недопустимых природных пороков и дефектов обработки.

Сортировка пиломатериалов— это вторая очень ответственная и трудоемкая операция, так как до послед»

него времени она проводилась визуально и вручную. К недопустимым природным порокам относятся сучки, косослой, гниль; к дефектам обработки — коробление, трещины.

В настоящее время на предприятиях по производству клееных конструкций внедряется машинная, так называемая силовая сортировка. Она основана на прямолинейной зависимости между прогибом и напряжениями изгиба. Доски проходят через машину, где им на пролете 95 см задается определенный прогиб. Через компьюг тер установлено три вида напряжений, соответствующих 1, 2 и 3-му сортам древесины, все слабые места окрашиваются краской. Машинная сортировка пиломатериалов освобождает рабочих от ручного труда, позволяет полностью механизировать изготовление клееных конструкций и дает количественную оценку прочности пиломатериалов. Отсортированные по влажности и качеству пиломатериалы укладывают на подстопные места в соответствии с их влажностью и качеством, откуда транспортером и приспособлениями для поштучной выдачи досок они поступают на торцовку.

Вырезка дефектных мест, сращивание досок по длине и ширине

Выявленные визуально или при силовой сортировке недопустимые пороки и дефекты вырезают на торцовочных станках. После торцовки пиломатериалы поступают на линии склеивания досок по длине в плети.

В современном механизированном производстве клееных конструкций для склеивания досок по длине целесообразно использовать зубчатое соединение (рис. Х.28), которое обеспечивает при небольшой длине соединения высокую прочность и технологичность. Нарезку зубчатых шипов производят специальными фрезами (рис. Х.20,6) на шипорезных или фрезерных станках (рис. Х.25).

В зависимости от способа фрезерования зубчатые шипы могут быть вертикальными, горизонтальными, диагональными и угловыми. Параметры их регламентированы ГОСТ 19414—79 «Древесина клееная массивная. Общие требования к зубчатым соединениям».

Для получения плетей при склеивании по длине принимают зубчатые соединения типов 1-32, П-20, II-10 476

Рис. Х.28. Виды торцовых клеевых соединений

<z — впритык; б— «на ус»; е — зубчатое клеевое соединение; г — вертикальное зубчатое клеевое соединение; д — горизонтальное зубчатое клеевое соединение; /— шаг шипа; L— длина шипа; b — затупление; / — зазор

Для склеивания по всему сечению многослойных клееных элементов несущих конструкций принимают соединения типов 1-50 и 1-32, для склеивания по длине и ширине фанеры — типов П-10 и П-5. Размеры зубчатых соединений приведены в табл. Х.10.

Отфрезерованная поверхность шипов должна соответствовать 2-му классу точности плотной посадки согласно ГОСТ 6449—82 «Допуски и посадки». После нанесения клея запрессовка заготовки на зубчатый шип не сложна и производится с первоначальным торцовым давлением в зависимости от типа соединений:

Соединение

1-50

1—32

II—20

П-10

II—5

Давление, МПа

1,5

2,5

3,5

6

10

После впрессовки шипов одного торца в проушины другого торцовое давление снимают, что возможно в этом соединении, благодаря силам трения в поверхностях склеиваемых шипов, так как угол скоса склеиваемых поверхностей шипов (не более 7°) меньше угла трения древесины по древесине отфрезерованных поверхностей (18—20°). Плети после соединения их по

Таблица Х.10. Параметры зубчатых соединений

Размеры, мм

Тип соединения

затупление

уклон

длина шила

соединения

1-50

50

12

2

1:11

1-32

32

8

1

1:10,5

И-20

20

6

1

1:10

П-10

10

3,5

0,5

1:8

П-5

5

1,75

0,2

1:7,5

длине проходят счетчик длины н на торцовочных станках обрезаются до размеров в соответствии с пролетом конструкции и укладываются в пакет. После каждой уложенной плети стол пакетоукладчика опускается на толщину одной доски. Обычно пакеты формируют высотой 1 м, после чего их на специальных тележках перемещают на выдержку в условиях цеха в течение 10— 12 ч для окончательного отверждения клея. Нарезку шипов, нанесение на них клея и соединение заготовок производят на полуавтоматических линиях, максимальная длина плетей при этом достигает 30—40 м.

Наиболее технологично сечение конструкции, состоящее из досок, склеенных только по пласти, т. е. когда ширина конструкции равна ширине одной доски. В настоящее время появилось оборудование, позволяющее получать составное сечение. Линия соединения досок по ширине состоит из термокамеры, клеенаносящего устройства и гидравлического пресса. _

Подготовка поверхности под склеивание. Приготовление и нанесение клея -

Качество склеивания в большей степени зависит от чистоты подготовленной поверхности. В производстве несущих конструкций поверхности под склейку следует обрабатывать по 7-му классу шероховатости, что достигается фрезерованием со снятием провесов, образовавшихся в соединениях на зубчатый шнп. Склеиваемые поверхности должны быть свежеотфрезерованными (время с момента фрезерования до нанесения клея не должно превышать 8 ч), очищенными от пыли и плотно прилегать одна к другой. Фрезерование и нанесение клея

Рис. Х.29. Клеенамазываю- щий станок.

1, 3 — клей: 2 — клеенаносящие вальцы; 4— заготовка; 5—дозирующие валики; 6 — поддон для стока клея; 7 — насос для подачи клея

Рис. Х.ЗО. Образец для испытания клеевого соединения на скалывание

осуществляют на полуавтоматических линиях. С подъемника плети по транспортеру подают на двусторонний рейсмусовый станок и после фрезерования пластей они проходят под клеенаиосящим устройством. В конце транспортера и параллельно ему установлен приемник- накопитель, который представляет собой подъемный стол, автоматически опускаемый на толщину плети всякий раз как на него поступает плеть с нанесенным на нее клеем. Накопитель пакета работает автоматически до полного набора вертикального пакета в соответствии с высотой сечения изготовляемой конструкции.

Клеенаносящие устройства могут быть двух видов: двусторонние — для нанесения клея одновременно на обе пласти пиломатериалов и односторонние — струйные или наливные. Для двустороннего нанесения клея на поверхности пластей обычно применяют клеенамазывающие станки с двумя вальцами — обрезиненными клеенаносящими и стальными дозирующими (рис. Х.29). Подачу клея регулируют поджатием дозирующих валиков к клеенаносящим вальцам, что позволяет накладывать клей равномерным слоем заданной толщины. Рабочая длина

вальцов 900 мм, скорость подачи 0,25 и 0,5 м/с, мощность электродвигателя 2,1 кВт.

Перспективным является нанесение клея непрерывными струями, вытекающими из отверстий трубы, расположенной над движущейся плетью. Смолы и отвердитель под определенным давлением подают отдельно и смешивают лишь в трубе, что увеличивает жизнеспособность клея и позволяет направлять компоненты клея из центрального пункта по двум самостоятельным трубопроводам без опасения частичного или сплошного перекрытия труб загустевшим клеем. При таком способе клей наносят только на одну поверхность струями, имеющими овальное поперечное сечение с расстоянием между ними 5—10 мм.

Клей следует наносить тонким слоем толщиной 0,1 — 0,3 мм — чем тоньше клеевой шов, тем прочнее соединение, расход клея 350—500 г/м2.

■ Клеи для изготовления строительных деревянных конструкций должны быть прочными, водостойкими, долговечными, технологичными и выбираются в зависимости от условий эксплуатации в соответствии со СНиП 11-25-80.

. Прочность клеевых соединений на скалывание вдоль волокон определяют на образцах, показанных на рис. Х.ЗО, и должна быть выше прочности образцов из цельной древесины (4 МПа). Такие же образцы используют для определения водостойкости клеевых соединений. Водостойкость клеев определяют по остаточной прочности образцов на скалывание вдоль волокон после серии испытаний. Часть образцов вымачивают в воде при 20°C в течение 48 ч, другую часть образцов выдерживают в кипящей воде в течение 3 ч. После выдержки образцы извлекают из сосуда, вытирают фильтровальной бумагой, одну половину испытывают в мокром виде, другую высушивают до начальной влажности и затем испытывают. По остаточной прочности образцов различают малую, среднюю и повышенную водостойкость клеев (табл.

Х.11). -

К основным технологическим показателям клеев относятся вязкость и жизнеспособность клея. Вязкость клеев устанавливают на вискозиметре ВЗ-4 по времени истечения определенного количества (150 г) клеевого состава из стакана с калиброванным отверстием (диа-

Таблица X. 11. Относительная прочность клеевых соединений

Водостойкость

Прочность образцов, %

после выдержки в воде при ;=20° С; Т=48 ч

после выдержки в воде при f=100 °C; т=3 ч

мокрых

^нач

мокрых

^нач

Малая Средняя Повышенная

До 60

Более 60 »

До 70

Более 70

Более 90

До 60

Более 60

До 90

Более 90

метром 5 мм) и измеряют в секундах. Условная вязкость клеев должна находиться в пределах 60—400 с.

Жизнеспособность клея — это время, в течение которого сохраняется его рабочая вязкость. Вязкость зависит от количества вводимого отвердителя и температуры. Для большинства клеев, применяемых в производстве клееных конструкций, их жизнеспособность равна 2 чпри 20 °C.

В табл. Х.12 приведены виды промышленных клеев, применяемых для склеивания древесины.

Для склеивания древесины холодным способом промышленность выпускает резорциновый клей ФР-12, который обеспечивает долговечность клеевых соединений в жестких температурно-влажностных условиях. К достоинствам резорциновых смол следует отнести стабильность их свойств во времени (при хранении смолы до 9 мес.), использование в качестве отвердителя параформальдегида — нетоксичного вещества в виде порошка, который удобно перевозить и хранить. Резорцинофор- мальдегидная смола ФР-12 представляет собой продукт конденсации кристаллического резорцина с формальдегидом в щелочной среде в присутствии этилового спирта я этиленгликоля. Кристаллический резорцин является в нашей стране дефицитным материалом и поэтому клеи ФР-12 дороги и применяются только для ответственных конструкций.

Ввиду дефицитности кристаллического резорцина широкое распространение получили модификации этих клеев, такие как алкилрезорциновые клеи марок ФР-100 и ДФК-1АМ. Алкилрезорциновая смола ФР-100 конденсируется на основе суммарных алкилрезорцинов и формальдегида в среде этиленгликоля, водного раствора

ю

Наименование

Марка

Состав клея

5 6

5s

1^ ч - о Ч

■8

Область применения

смола

отвердитель

количество на 100 м. ч- смолы

Резорциновый

ФР-12

ФР-12 ТУ 6-05- 1748-81

Параформальдегид

ТУ 6-05-930-73

10—13

2—4

3

Для ответственных конструкций, эксплуатируемых при влажности более 70 %

Фенолрезорциновый

ФРФ-50

ФРФ-50

ТУ 6-05- 1880-79

То же

10—13

3—5

5,3

1,7

Для конструкций массового выпуска, эксплуатируемых при влажности более 70 %

Алкилрезорциновые

ФР-100

ФР-100

ТУ 6-05- 1638-78

То же

10—13

1

—

1,4

То же

ДФК- 1АМ

ТУ 6-38- 109-52-80

10—13

0,5

1,2

1,8

>

Продолжение табл. Х.12

Состав мея

Наименование

Марка

смола

отвердитель

количество на 100 м. ч. смолы

К ©

и-е

'О

5 m

О5ласть применения

Фенольные

КБ-3

СФХ

СФЖ-3016 гост 20907—75 с изм. СФХ

ТУ 6-05- 281-12-76

Керосиновый контактОСТ

380-1116-76

18—25

18—25

2

2

5

1

0,3

0,35

Для конструкций массо- вого выпуска, эксплуатируемых при влажности более 70 %

То же

Карбамидно- меламиновый

кс-в-ск

ТУ 6-05-211-

1006-79

Щавелевая кислота — 10 %-ный водный раствор, ГОСТ 22180—76

10—15

2—3

—

0,6

Для конструкций массового выпуска, эксплуатируемых при влажности до 70 %

Карбамидные

КФ-5

КФ-Ж

ГОСТ 14231—78 с изм.

То же

10—15

2—3

—

0,25

То же

Эпоксидные

ЭПЦ-1

К-153

МРТУ6-О5- 1251-76 ТУ 6-05- 1584-73

Полиэтиленполиамин

ТУ 6-02-594-70

То же

15

15

1

I

—

4

Для склеивания древесины с металлом, пластмассами и др.

То же

щелочи и этилового спирта. Основой клеев ДФК являются дифенолы, получаемые термической переработкой горючих сланцев. Стоимость этих клеев, благодаря широкой сырьевой базе, в 1,5 раза ниже стоимости клея ФР-12, а разносторонние испытания показали, что они с успехом могут применяться для несущих конструкций, эксплуатируемых в условиях повышенной влажности более 70 %.

Широкое применение фенолоформальдегидного клея ФРФ-50 обусловлено большой (до 5 ч) жизнеспособностью его. Клей ФРФ-50 отверждается инертным пара- формальдегидом. По физико-механическим свойствам, долговечности клеевых соединений и стоимости этот клей соответствует алкилрезорциновым клеям и рекомендуется к использованию для тех же областей. К недостаткам этого клея следует отнести наличие свободного фенола (Д° 2%). Смола марки ФРФ-50 представляет собой продукт конденсации феиолоспиртов с резорцином в водной среде в присутствии пластификатора этиленгликоля.

Фенолоформальдегидные смолы являются основной составной частью многочисленных клеевых композиций, обеспечивающих прочные и водостойкие соединения при невысокой их стоимости. Наиболее широко применяют клеи холодного отверждения марок КБ-3 на основе фе- нолоформальдегидной смолы СФЖ-3016. Клеящие состав# приготовляют смешиванием смолы с отвердителем — контактом Петрова, представляющим собой сульфонафтеновую кислоту — продукт сульфирования (реакция с серной кислотой) керосина. В клен вводят также стабилизирующие добавки — этиловый спирт, ацетон. Клеи готовят в клеемешалке с водяным охлаждением. В нее вливают определенное количество смолы, температуру которой поддерживают в пределах 15—20°C. Затем постепенно при непрерывном перемешивании добавляют требуемое количество ацетона или спирта, а потом контакт Петрова. Перемешивают в течение 10—15 мин до получения однородной смеси.

Вместе с такими достоинствами, как высокая начальная прочность и водостойкость, эти клеи имеют существенные недостатки, к которым в первую очередь следует отнести малый срок хранения (2 мес) и нестабильность свойств смолы, большие колебания технологических свойств (особенно жизнеспособности) клеев, приготовля-

емых на смолах различных партий, токсичность (до 5 % свободного фенола) и трудность очистки оборудования. Сульфоконтакт, применяемый в качестве отвердителя, постепенно разрушает древесину в зоне клеевого шва. Применяя режим склеивания, предусматривающий нагревание склеиваемых конструкций до 60 °C, можно несколько сократить количество вводимого отвердителя и уменьшить отрицательное влияние его во времени.

Расширение объема выпуска клееных деревянных конструкций требует изыскания новых синтетических клеев, отличающихся меньшей токсичностью, более низкой пожаро- и взрывоопасностью, лучшими технологическими свойствами. Положительные результаты получены при разработке малотоксичной фенолоформальдегидной смолы СФХ.

Карбамидные клеи благодаря высокой адгезионной способности к древесине, относительно малой токсичности и стоимости широко применяют для склеивания древесины, особенно в мебельной промышленности. Основное преимущество клеев на основе карбамидных смол — большая скорость отверждения по сравнению с феноло- формальдегидными и резорциновыми смолами. Однако клеевые соединения на карбамидных смолах менее устойчивы к переменным температурно-влажностным воздействиям, что ограничивает использование этих клеев и они рекомендуются для конструкций, эксплуатируемых при влажности менее 70%. Отверждение карбамидных смол сопровождается усадкой, приводящей к возникновению внутренних напряжений и к растрескиванию клеевого шва. Этот недостаток может быть устранен введением наполнителей (древесной муки, лигнина) и пластификаторов (тиокола, дибутилфталата). Свойства карбамидных клеев могут быть улучшены добавками меламина или резорцина. Так, например, клей марки КС-В-СК, изготовленный на основе модифицированной меламином и поливинилацетатом карбамидной смолы, по прочности и водостойкости приближается к фенольным. Перспективным направлением модификации карбамидных клеев является получение карбамиднобензогуанаминовых смол (КБФ-25-В-К).

Эпоксидные клен отличаются высокой прочностью, водостойкостью, химической стойкостью, при отверждении не выделяют летучих веществ, усадка их не превышает 2 %. Из-за высокой стоимости эти клеи для склеивания

древесины применяют редко, но благодаря своей универсальной адгезии эпоксидные клеи используют в тех случаях, когда необходимо склеивать древесину с другими материалами, например при вклеивании металлической или стеклопластиковой арматуры. В состав входят смолы, получаемые поликонденсацией эпихлоргидрина с дифенилолпропаном, отвердители — полиэтиленполиамин или гексаметилеидиамин, наполнитель — цемент и пластификатор—тиокол. ‘

Сборка пакета и запрессовка конструкций

После нанесения на плети-заготовки клея технологическим процессом предусмотрены сборка пакета конструкций из подлежащих склеиванию заготовок, транспортирование их к запрессовочным устройствам, запрессовка и выдержка под давлением для создания прочных монолитных соединений. При выполнении перечисленных операций особое внимание уделяют продолжительности сборочных операций, которая зависит от вида применяемых клеев и температуры.

Время с момента нанесения клея на первую пласть заготовки до полного обжатия всего пакета называется временем полной сборки и для всех указанных клеев оно ограничивается 30—40 мин, при этом нельзя путать понятие время сборки с жизнеспособностью клея. Жизнеспособность клея — это время от начала приготовления состава до момента, когда клей начинает густеть — терять вязкость, при этом затрудняется нанесение клея на материал. Жизнеспособность рассматриваемых клеев в клеемешалке колеблется в пределах 2—5 ч. Когда же клей нанесен на поверхность древесины тонким (0,1— 0,3 мм) слоем, он гораздо быстрее сохнет на открытом воздухе и теряет свои адгезионные качества. Поэтому при панесенин клеев следует различать время открытой сборки — период от нанесения клея на поверхность доски до ее соприкосновения с другой доской и время закрытой сборки, т. е. интервал времени от соединения двух обмазанных клеем досок до их полной запрессовки. Время открытой выдержки не должно превышать 5—10 мин, а закрытой не более 30 мин.

Сформированный пакет мостовым краном и специальными траверсами подают на запрессовку. Для плотного соединения склеиваемых поверхностей, создания тонкого

1-Т

Рис. Х.31. Гидравлический многоцилиндровый пресс для склейки прямолинейных элементов

основание пресса; 2—неподвижный элемент, работающий на растяжение и изгиб; 5 — упорная балка; 4— гидроцилиндр; 5—прессовочная плитка, шарнирно соединенная со штоком цилиндра; б — прокладка; 7 — склеиваемый элемент из пакета досок; 8 — закладной элемент с роликовой обоймой для центровки пакета; 9 — откидной элемент, работающий на растяжение и изгиб; 10 — закладной элемент с роликовой обоймой для бокового выравнивания и центровки пакета; 11 — стойка пресса

Рис. Х.32. Запрессовка криволинейных элементов

клеевого слоя и получения прочного монолитного сечения конструкций необходимо создать равномерное давление по всей склеиваемой поверхности.

Необходимое давление запрессовки зависит от вида

клея, его вязкости и качества подготовки склеиваемых поверхностей. Чем выше концентрация и вязкость клеевого раствора, тем должно быть больше удельное давление запрессовки. z

При склеивании несущих деревянных конструкций оптимальное давление колеблется — 0,5—1 МПа. Для запрессовки конструкций применяют механические, .пневматические-и гидравлические прессы. Прямолиней- ине конструкции чаще всего запрессовывают при гори, зонтальиом положении клеевых швов с использованием ' пневматических и гидравлических прессов. Наиболееэф- фективны гидравлические многоцилиндровые прессы .(рис. Х.31), в которых обеспечивается одинаковое давление на все поршни от общего трубопровода гидронасоса. Давление на склеиваемые элементы передают прижимными башмаками или траверсами, соединенными с поршнями штоками.

Прессы запрессовывают — одну или две прямолинейные конструкции длиной 30—45 м. Для получения равномерного давления по всей поверхности необходимо применение распределительной прокладки, и расстояние между обжимающими устройствами (башмаками) не должно превышать 40—50 см.

Гнутоклееные конструкции запрессовывают при вертикальном положении клеевых швов (рис. Х.32), для чего применяют кронштейны с винтовыми обжимающими устройствами, закрепленные на силовом полу по криволинейному очертанию конструкции. Для выравнивания давления по длине конструкции необходимо кронштейны устанавливать не реже 25—30 см, запрессовку выполнять начиная с середины к краям конструкции и использовать электрогайковерты, отрегулированные на одинаковое давление. ■

Время запрессовки зависит от марки применяемого клея и вида конструкции, чем сложнее конфигурация конструкции, тем больше время выдержки под давлением. Сокращать выдержку в прессе можно, повышая температуру. В табл. Х.13 приведены выдержки запрессовки для указанных выше клеев в зависимости от температуры и вида конструкции. Установлено, что если отверждение происходит при повышенной температуре, то прочность шва повышается в 5—6 раз. Для несущих конструкций повышать температуру склеивания выше

Т а б лица Х.13. Режимы склеивания конструкций

ВИД конструкций

Выдержка, ч, запрессовки пр« температуре, сС

18—20

21-25

50—60

Прямолинейные

12-14

8—10

3—4

Криволинейные

20—24

16—20

6—8

60 °C не рекомендуется, так как воздействие на древесину одновременно давления запрессовки (до 1 МПа) и температуры может вызвать снижение ее прочностных характеристик, особенно на скалывание.

В связи с тем, что после распрессовки конструкций полимеризация клея полностью не завершена, необходимо перемещать склеенные элементы с особенной осторожностью на кондиционирование в условиях цеха, которое должно продолжаться не менее 3 сут для окончательного отверждения клея.

Окончательная обработка конструкций

Окончательная механическая обработка включает фрезерование боковых поверхностей, торцовку конструкций и сверление отверстий под болты и соединительные детали. Чистота поверхности под прозрачные покрытия должна быть не ниже 5-го класса шероховатости. Конструкции фрезеруют на поворотном двустороннем строгальном станке, который позволяет обрабатывать пакет толщиной 12—300 мм. Припуски на фрезерование боковых поверхностей конструкций должны составлять при длине до 12 м —15 мм, свыше 12 м — 20 мм.

Для увеличения долговечности и срока службы деревянных конструкций необходимо их защищать от увлажнения, гниения и возгорания, применяя различные лаки, эмали, антисептики и антипирены (см. раздел И).

Поскольку для изготовления клееных конструкций применяют древесину, высушенную до * влажности 9— 12%, то при условии эксплуатации конструкций при влажности воздуха ниже 75 % достаточно применять только защитные влагостойкие покрытия. При этом для общественных зданий желательно применять прозрачные лаки, сохраняющие текстуру древесины: перхлор-

виниловые (ХВ-784, ГОСТ 7313—75), пентафталевые (ПФ-170, ПФ-171, ГОСТ 15907—70 с изм.); уретановые (УР-293, ТУ 6-10-1462-74); сополимерные (ХС-76, ГОСТ 9355—81). Особое внимание следует обращать на влагозащитную обработку торцов конструкций и элементов, соприкасающихся с грунтом, каменной кладкой, металлическими деталями, применяя тиоколовые мастики У-ЗОм и УТ-32, а также составы на основе эпоксидных смол К-153, К-115 нли на основе эпоксидной шпатлевки ЭП-0010.

Защитные покрытия на клееные конструкции наносят кистью или краскораспылителями, применяя пневматическое или безвоздушное распыление.

Контроль качества и приемка конструкций

На всех стадиях технологического процесса изготовления клееных конструкций производят пооперационный контроль прочностных характеристик древесины и фанеры, влажности и внутренних напряжений при сушке пиломатериалов, прочности зубчатых соединений на растяжение и изгиб, качества подготовки поверхности под склеивание, технологических свойств клеев и качества поверхностной защиты древесины, согласно ГОСТ 20850—75 «Конструкции деревянные клееные несущие. Общие требования».

Для окончательной проверки качества изготовления проводят испытания отдельных конструкций, доводя их до разрушения. Для испытания из каждой партии отбирают изделия до нанесения на них защитных покрытий, имеющие наихудший внешний вид. Испытания проводят на специальных стендах, оборудованных системами передачи нагрузки в виде рычагов или гидравлических домкратов. Нагружают ступенями, с выдержкой на каждой ступени загружения в течение 5 мин, во время которой проводят визуальный осмотр конструкции для выявления трещин, смятия древесины или других признаков разрушения древесины или клеевого шва. При испытаниях замеряют деформации и доводят конструкцию До разрушения. Результаты испытаний оценивают по величине отношения

К = Рразр/Рконтр, где Рраэр — разрушающая нагр.узка, кг; Рковтр—расчетная нагрузка, умазанная в чертежах.

Рис. Х.ЗЗ. Схема цеха по производству КДК

/ — формирование штабелей сырых пиломатериалов для сушки,* 2— сушильные камеры периодического действия; 3 — склад сухих пиломатериалов: 4 — поток клееных рам и арой; 5 — поток клееных балок и клеефаиерных панелей; б — полуавтоматическая линия раскроя пиломатериалов на заготовки с вырезкой дефектных мест; 7 — полуавтоматическая линия сортировкч заготовок по категориям качества и размерам; 8 — полуавтоматическая линии склеивания заготовок по длине на зубчатый шин; 9 — линия склеивания рам и арок; 10 — линия склеивания балок; // — линия фрезерования боковых поверхностей рам и арок; /2 —линия фрезе- |Ь роваиия боковых поверхностей и обработки торцов балок; 13 — участок обработки торцов, контрольной сборки и испытания рам и со арок; 14 — участок антиссптирования, антипирирования и окраски конструкций; /5 — полуавтоматическая линия обработки брусков каркасов клеефаиерных панелей; /6 —линия склеивания панелей; /7 —участок испытания балок и панелей; 18 — склад готовых конструкций и их упаковки

Партию конструкций, прошедших внешний осмотр и обмер, считают принятой, если при контрольных испытаниях К>1. Принятые ОТК завода-изготовителя конструкции маркируют.

§ 4,7, Технологические схемы цехов по производству несущих и ограждающих конструкций

Таблица Х.14. Основные операции технологического процессаизготовления несущих и ограждающих конструкций

Клееные деревянные конструкции изготовляют на специализированных предприятиях, которые могут быть самостоятельными или входить в состав крупных деревообрабатывающих комбинатов. Производительность заводов или цехов по выпуску КДК колеблется в пре- лах 15000—25000 м3/год. Наиболее целесообразно организовывать производство несущих клееных конструкций

в комплексе с производством ограждающих конструкций с тем, чтобы предприятия могли бы поставлять полный комплект конструкций для полносборных зданий. В табл. Х.14 приведены основные операции технологического процесса изготовления несущих и ограждающих конструкций. Производственные цехи располагаются в одноэтажных зданиях пролетом до 30 м, в своей планировке строго соответствуют технологии изготовления клееных конструкций. На рис. Х.ЗЗ дана принципиальная схе.. а цеха, производящего клееные дощатые и клеефанерные конструкции. Цех состоит из двух потоков — один для производства рам и арок и другой для производства балок и клеефанерных панелей.

ГЛАВА 5. СПОСОБЫ ЗАЩИТНОЙ ОБРАБОТКИ ДЕРЕВЯННЫХ КОНСТРУКЦИИ

Способы защиты древесины химическими средствами (см. разд. II, § 3.3) выбирают в зависимости от условий эксплуатации конструкций, вида химических средств защиты и требуемой глубины проникновения химических веществ, что определяется сроком службы конструкций.

При выборе способа защиты большое значение имеет плотность древесины и ее влажность. Большинство способов предполагает, что влажность древесины должна быть не более 12—15 %. Влажную древесину (50— 70%) следует пропитывать легкорастворимыми и лег- кодиффундирующими составами, такими, например, как ББ-32 или К.ФА.

В зависимости от породы и анатомического строения древесина обладает различной способностью впитывать защитные средства. Так, например, заболонь сосны и березы относится к легкопропитываемым материалам, а ель, лиственница, ядро березы — к труднопропитывае- мым материалам. Иногда для улучшения пропитки применяют специальную подготовку поверхности древесины накалыванием. Глубина накалывания должна соответствовать глубине пропитки, но не превышать для крупных лесоматериалов 20 мм, для пиломатериалов толщиной более 50 мм — 15 мм и для пиломатериалов толщиной от 25 до 50 мм •/< их толщины. Накалывание произ-

водят по всей поверхности лесоматериалов и изделий, за исключением торцов. Размер накола в направлении вдоль волокон древесины 10—20 мм, поперек — 2—3 мм.

Наиболее простым способом защиты древесины является поверхностная обработка химическими составами кистью или краскораспылителем в один или три слоя с интервалами после каждого слоя для лучшего впитывания раствора. Такой способ используют для защиты готовых, например клееных, конструкций. Толщина защитного слоя 0,3—мм.

К поверхностной обработке древесины относится также панельный способ, разработанный Сенежской лабораторией консервирования древесины специально для защиты деревянных памятников архитектуры. Пропитку проводят непрерывным пропусканием пропиточного раствора по поверхности объекта защиты, плотно покрытого пропиточной панелью, состоящей из двух слоев: наружного из полиэтиленовой пленки или целлофана и внутреннего нз фильтровальной бумаги, беленой целлюлозы или хлопчатобумажной ткани типа бязи. Продолжительностью пропитки и концентрацией раствора определяют глубину защитного слоя, которая колеблется от 3 до 5 мм. .

Использование для защиты древесины такого несложного способа пропитки, как вымачивание материала в ваннах с защитным средством, позволяет механизировать защиту применением конвейеров (с принудительным погружением пиломатериалов) или автопогрузчиков (при пакетном способе пропитки). Ванны снабжают противовсплывиым устройством, уровень раствора должен быть выше уровня материала на 100 мм, пиломатериалы и заготовки укладывают на прокладки. Глубина пропитки зависит от температуры, концентрации раствора и времени выдержки и должна быть не менее 3 мм.

Для увеличения глубины пропитки применяют предварительный прогрев материала и затем осуществляют выдержку его в ванне с раствором антисептика при нормальной температуре (способ горяче-холодных ванн). Сущность этого способа состоит; в том, что при нагреве в древесине возникает избыточное давление, в результате чего паровоздушная смесь вытесняется из поверхностных слоев материала. При охлаждении в древесине (из-за конденсации пара) возникает разрежение, и раствор в результате разности давлений всасывается в

материал. Материал часто прогревают в ваннах водорастворимыми антисептиками при температуре 90—95°C в течение от 30 мин до 10 ч, затем древесину помещают в ванну с раствором при температуре 20 °C. Максимальная глубина пропитки при этом может достигать 10 мм.

Для сокращения сроков пропитки применяют способ (вакуум — атмосферное давление — вакуум). Этот способ требует специальных пропиточных емкостей в виде цилиндров или герметичных ванн. После загрузки материала в ванны создается вакуум 0,075—0,09 МПа в течение 10—15 мин, затем в емкость, не прерывая вакуумирования, подают пропиточную жидкость, после чего снимают вакуум и древесину выдерживают в растворе 5—30 мин. В результате перепада давлений жидкость проникает в древесину. После пропитки в емкости создают осушающий вакуум в течение 10—15 мин. Глубина пропитки такая же, как по способу горяче-холодных ванн (до 10 мм), время пропитки сокращается до 1 ч.

Глубокую пропитку можно получить при использовании автоклавного способа под давлением выше атмосферного (вакуум — давление — вакуум). Этот способ пропитки позволяет ввести в древесину максимальное количество пропиточного состава на наибольшую глубину и часто применяют для глубокой пропитки древесины антипиренами (см. табл. П.2). Древесину помещают в автоклав, где создается вакуум 0,07—0,085 МПа на 15—60 мин. Затем вводят пропиточный состав и создают давление 0,8—1,4 МПа либо до полной пропитки материала либо до заданной глубины пропитки, что определяется взятием проб. После пропитки создают вакуум 0,07—0,085 МПа в течение 40 мин для подсушивания материала.

Качество пропитки определяют взятием проб и вычислением величины поглощения защитного вещества и глубины пропитки по окрашиванию древесины самим веществом или индикатором на него.

Поглощение защитного вещества рассчитывают по формуле

q = QC/100V,

где Q — поглощение пропиточного раствора, кг; С — концентрация пропиточного раствора, %; V — объем пропитываемого материала, м5.

ГЛАВА 6. ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ В ПРОИЗВОДСТВЕ ДЕРЕВЯННЫХ КОНСТРУКЦИИ

Требования техники безопасности при изготовлении деревянных конструкций следует выполнять исходя из трех основных положений:

производство связано с использованием древесины—• опасного в пожарном отношении материала;

механическую обработку материала производят при больших скоростях режущего инструмента, так как удельное сопротивление резанию древесины во много раз меньше, чем при обработке металла;

применение антисептиков, антипиренов, а в случае изготовления клееных конструкций и клеев связано с выделением токсичных, пожаро- и взрывоопасных летучих веществ.

Цехи производства деревянных конструкций рекомендуется размещать в отдельных одноэтажных корпусах. Отделения сушки, механической обработки, приготовления клеев, прессования и окраски следует располагать в отдельных помещениях цеха. Снижению производственного травматизма способствует правильная расстановка оборудования, чистота в помещениях и проходах. Ширина проходов между отдельными машинами, станками, а также между машинами и стенами помещений должна быть не менее 0,6—1 м. Ширину проезда при одностороннем движении автопогрузчиков, электрокаров принимают 2,2—2,5 м, а при двустороннем — 3,5—4 м.

Сушильные камеры оборудуют системой дистанционного контроля и управления сушкой. При работе в сушильном отделении строго соблюдают правила пожарной безопасности.

Все станки должны быть оборудованы безотказно действующими ограждениями. Во избежание обратного выброса заготовки или отходов станки должны иметь противовыбрасывающие устройства, расклинивающие ножи, колпаки, щитки, эксгаустерные приемники. Рекомендуется применять блокировку, не позволяющую открывать ограждения до полной остановки станка и прекращения движения режущих инструментов.

Для улавливания и своевременного удаления отходов (стружек, опилок, пыли) от режущих инструментов

и станков применяют вытяжные установки, имеющие приемники-коробки. '

Производственные цехи оборудуют общей вентиляционной системой. Особое внимание следует уделять устройству вентиляции в местах приготовления клеев и защитных составов, предусматривая местные отсосы. Прн работе с фенолоформальдегидными клеями необходимо учитывать, что выделяющийся из клея свободный фенол тяжелее воздуха, поэтому требуется устройство нижних отсосов. К рабочим местам клеи и отделочные материалы следует доставлять только в закрытой таре и в минимально необходимых количествах.

Вещества, применяемые для защитной обработки древесины, также часто являются вредными для здоровья людей и опасными в пожарном отношении. Растворы пропиточных составов должны поступать в ванны и удаляться из них только закрытым способом по трубопроводам. Детали, заготовки и конструкции следует погружать в растворы механизированным способом — в пакетах, контейнерах и т. п. Во время пропитки, а также в нерабочее время ванны закрывают крышками.

Для соблюдения правил личной гигиены с целью предохранения кожи и внутренних органов от попадания токсичных веществ персонал цеха, работающий непосредственно с такими веществами, должен обеспечиваться спецодеждой, резиновыми перчатками и защитными очками. Для защиты кожи от раздражения токсичными веществами следует применять защитные пасты, в частности ХИОТ-6. *

При контрольных испытаниях конструкций необходимо стенд оборудовать предохранительными устройствами во избежание обрушения самой конструкции и установленных на ней измерительных приборов. Во время нагружения обслуживающий персонал не должен находиться в непосредственной близости от конструкции.

При производстве деревянных конструкций следует руководствоваться правилами техники безопасности, санитарно-гигиеническими нормами и другими нормативными документами, установленными органами государственного надзора.

РАЗДЕЛ XI. ОСНОВЫ ЭКСПЛУАТАЦИИ ДЕРЕВЯННЫХ КОНСТРУКЦИЙ

ГЛАВА 1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Классификация зданий по капитальности. Эксплуатация деревянных зданий, сооружений и конструкций

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.

■ По капитальности жилые здания разделяются на шесть групп, а общественные — на девять. В основу классификации положено деление зданий на группы в зависимости от материала стен и перекрытий. Для каждой группы зданий математико-статистическим методом установлены нормативные усредненные сроки службы с учетом того, что во время эксплуатации зданий будут своевременно производиться профилактические текущие ремонты. ,

Поскольку терминология в области эксплуатации зданий, сооружений н их конструкций окончательно не утвердилась, приведем лишь основные, наиболее часто встречающиеся понятия (термины) и определения.

Эксплуатация деревянных зданий, сооружений и конструкций представляет собой (исходя из терминов и определений ГОСТ 18322—78 «Система технического обслуживания и ремонта техники. Термины и определения» и ГОСТ 13377—75 «Надежность в технике. Термины и определения») процесс их использования по технологическому назначению при проведении работ по техническому обслуживанию и ремонту.

Техническое обслуживание деревянных зданий, сооружений и конструкций — это комплекс организацион-

но-технических мероприятий по поддержанию их в исправности в заданных пределах. В состав работ по техническому обслуживанию входят, например, диагностирование дефектов, соблюдение надлежащих условий эксплуатации, химическая защита от биовредителей и т. д.

Ремонт деревянных зданий, сооружений н конструкций— это работы по восстановлению до проектного уровня утраченных ими при эксплуатации свойств. Одну из разновидностей восстановления утраченных свойств представляет собой усиление деревянных конструкций зданий и сооружений, в результате осуществления которого достигается повышение несущей способности, прочности и устойчивости усиляемых конструкций. Ремонты разделяются на:

текущие, заключающиеся в устранении мелких неисправностей, которые возникают при эксплуатации здания, сооружения или конструкции, практически не препятствующих выполнению зданием, сооружением и их элементами заданных функций. В свою очередь текущий ремонт может быть плановым профилактическим текущим или непредвиденным (аварийным) ;

капитальные, состоящие в замене и восстановлении разрушенных частей, конструкций и оборудования зданий или сооружений.

При комплексном капитальном ремонте восстанавливают все изношенные и поврежденные части, конструкции и оборудование зданий или сооружений, а при выборочном капитальном ремонте — лишь отдельные.

Ремонтные работы могут проводиться также при таких видах переустройства зданий и сооружений, как модернизация и реконструкция.

Переустройство зданий и сооружений состоит в проведении ремонтных работ для улучшения их эксплуатационных качеств и устранения износа (капитальный ремонт, модернизация, реконструкция).

Реконструкция зданий или сооружений представляет собой разновидность капитального строительства, связанную с изменением в сторону повышения их первоначальных функциональных, конструктивных или эстетических свойств, которое осуществляется во время эксплуатации, В состав работ по реконструкции входят 500

как ремонтные работы, так и работы, связанные с новым строительством. При реконструкции изменяется объемно-планировочное, а отчасти конструктивное решение зданий или сооружений.

Модернизация деревянных зданий и сооружений представляет собой разновидность капитального ремонта с целью устранения износа, состоящего в несоответствии их планировки, конструкций и инженерного оборудования современным нормативным требованиям.

Виды дефектного состояния деревянных конструкций, возникающие при эксплуатации зданий и сооружении.

В практике эксплуатации деревянных конструкций и элементов встречаются следующие виды их дефектного состояния:

превышение в деревянных конструкциях и элементах установленных строительными нормами значений напряжений и деформаций вследствие изменения схемы их работы или из-за повышения требований норм;

механические повреждения деревянных конструкций и элементов;

повреждение деревянных конструкций и элементов вследствие использования для их изготовления материалов ненадлежащего качества;

повреждения деревянных конструкций и элементов дереворазрушающими грибами;

повреждение деревянных конструкций и элементов насекомыми;

повреждение деревянных конструкций и элементов морскими древоточцами;

повреждение деревянных конструкций и элементов при воздействии огня и повышенной температуры;

повреждение деревянных конструкций и элементов от воздействия агрессивных сред;

повреждение деревянных конструкций и элементов вследствие неправильного учета температурно-влажностных условий эксплуатации.

ГЛАВА 2. ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБСЛУЖИВАНИЕ ДЕРЕВЯННЫХ КОНСТРУКЦИЙ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИИ

. Диагностирование дефектов деревянных конструкций

Рассмотрим некоторые важнейшие виды технического обслуживания деревянных конструкций.

Наблюдение за условиями эксплуатации и состоянием деревянных конструкций складывается из следующих составных элементов: надзор за нагрузками на деревянные конструкции; надзор за температурно-влажностным режимом эксплуатации деревянных конструкций; надзор за состоянием деревянных конструкций, работающих в условиях воздействия агрессивных сред; надзор за пожарной безопасностью деревянных конструкций.

Осмотры деревянных конструкций бывают: 1) плановые текущие. Нормативные документы обязывают один раз в 10 дней осуществлять осмотр основных конструкций производственных зданий с тяжелым крановым оборудованием или зданий и сооружений, эксплуатирующихся в сильной агрессивной среде.

Текущий осмотр деревянных конструкций осуществляется техником-смотрителем жилого и общественного здания или инженерно-техническим работником из персонала производственного подразделения (цеха, мастерской, отдела), эксплуатирующего производственное здание (сооружение), назначенным приказом начальника этого подразделения;

плановые периодические общие технические осмотры зданий и сооружений представляют собой обследование всего здания илн сооружения, включая деревянные и иные конструкции, инженерное оборудование и т. д. уполномоченной на то комиссией. Как правило, общие технические осмотры выполняют 2 раза в год — весной и осенью;

плановые частные (частичные) осмотры включают в себя обследование отдельных зданий или сооружений комплекса, содержащих деревянные конструкции, или отдельные деревянные конструкции здания. Частные осмотры деревянных конструкций жилых домов проводят в зависимости от цели осмотра либо комиссией того же состава, что и при общих осмотрах (общая комис- 502

сия), либо плотником-столяром. Частные осмотры деревянных конструкций производственных зданий проводят комиссией, состоящей из инженера-смотрителя производственных зданий (председатель) и представителей от осматриваемого цеха. Частные осмотры осуществляют за период, не превышающий десяти дней со дня обнаружения дефекта;

внеочередные осмотры деревянных конструкций зданий и сооружений производят после стихийных бедствий (ливней, снегопадов, землетрясений) и пожаров не позднее одного-двух дней после стихийного бедствия или пожара. Комиссия для внеочередного осмотра деревянных конструкций жилых зданий имеет такой же состав, что и общая комиссия.

Исследования (обследования) деревянных конструкций специализированными экспертными комиссиями осуществляются в сложных случаях. Выбор специализированной организации, объем детального исследования деревянных конструкций и состав экспертной комиссии зависят от задач исследования, которое обычно проводят по излагаемой методике.

До обследования эксплуатирующая организация выдает экспертной комиссии техническое задание и представляет ей всю имеющуюся техническую документацию по обследуемому объекту.

Первым этапом работы экспертной комиссии является знакомство с имеющейся технической документацией, на основе которого во многих случаях складывается общее представление о здании или сооружении, о видах и схеме работы деревянных конструкций, подлежащих обследованию. Знакомство с технической документацией позволяет наметить решение некоторых задач обследования, установить причины возникновения дефектов деревянных конструкций, определить влияние этих дефектов на их работу.

Второй этап работы экспертной комиссии состоит в предварительном общем осмотре здания или сооружения, включая предварительный осмотр открытых деревянных конструкций. Экспертная комиссия знакомится с эксплуатационным состоянием здания или сооружения, его моральным и физическим износом, архитектурной ценностью, фиксирует все отступления от нормативных установлений по эксплуатации здания в отношении обеспечения надлежащего температурно-влажностного

режима внутри здания, ухода за строительными конструкциями, наличие явных и крупных дефектов частей и конструкций здания, в особенности тех, которыми обладают деревянные конструкции, и т. д. При проведении предварительного осмотра составляют схемы здания, фиксируют генеральные размеры конструкций, их вид и форму, намечают места вскрытий, отмечают места, где обнаружены явные дефекты и где требуется тщательное обследование деревянных конструкций. Одновременно выявляют главные причины неудовлетворительного состояния отдельных видов деревянных конструкций, составляют формы фиксации дефектов этих видов конструкций и намечают примерную программу проведения детального обследования деревянных конструкций.

Обследование деревянных конструкций по намеченной программе составляет третий этап работы экспертной комиссии. Обычно программа включает в себя следующие пункты:

осмотр с необходимыми вскрытиями несущих деревянных конструкций для выявления их действительного состояния; составление ведомостей дефектов с перечнем обнаруженных дефектов, а также с зарисовкой или с фотографированием наиболее существенных дефектов;

выполнение обмерных чертежей деревянных конструкций или сверку полученных замеров с имеющимися рабочими чертежами, а также фотографирование основных видов несущих деревянных конструкций;

изучение фактически действующих на деревянные' конструкции эксплуатационных нагрузок и воздействий;

анализ пространственного раскрепления деревянных конструкций;

измерение основных значений деформаций несущих деревянных конструкций (прогибов, относительных смещений узлов, искривления сжатых элементов);

выборку (в случае необходимости) из деревянных элементов конструкций образцов для лабораторного исследования физико-механических свойств древесины, определения вида грибов или жучков-древоточцев, влажности и т. д.

При необходимости в программу обследования может входить испытание эксплуатируемых конструкций.

Результаты обследования конструкций и исследова-

ния условий их эксплуатации фиксируют в соответствующих журналах, ведомостях, таблицах.

На нетвертом этапе работы обрабатывают данные, полученные на основе предшествующих этапов обследования, т. е. выполняют чертежи деревянных конструкций, планы их расположения, уточняют схемы работы деревянных конструкций с учетом фактических условий эксплуатации и обнаруженных дефектов. На этом же этапе делают наметки по усилению деревянных конструкций. '

Пятый этап работы экспертной комиссии состоит в производстве поверочных расчетов несущих деревянных конструкций. Расчеты выполняют на основе действующих СНиП.

Одновременно с поверочными расчетами целесообразно выполнять эскизную разработку возможных вариантов усиления несущих деревянных конструкций, имеющих дефекты или недостаточную прочность и жесткость. "

Оценка состояния деревянных конструкций на основе анализа, результатов обследования и расчетов является наиболее ответственным шестым этапом работы экспертной комиссии. Если необходимо, экспертная комиссия разрабатывает проект усиления несущих конструкций, мероприятия по защите деревянных конструкций и определяет условия их дальнейшей эксплуатации. Если по техническим и экономическим признакам обследуемые деревянные конструкции далее эксплуатировать невозможно, то комиссия выносит решение о их сносе или замене другими строительными конструкциями.

Завершающий седьмой этап работы — составление заключения или акта о состоянии деревянных конструкций, к которому прилагают все необходимые материалы: поверочные расчеты, чертежи, рекомендации и т. д.

2.2. Защита деревянных конструкций от биовредителей в условиях эксплуатации

Защита деревянных конструкций лакокрасочными материалами. Определенный эффект в защите деревянных строительных конструкций и деталей от увлажнения, поражения деревоокрашивающими и дереворазрушающими грибами, поражения насекомыми-вредителями (на окрашенную поверхность насекомые не отклады-

вают яйца), а также от механических повреждений до- стирается покраской поверхностей соответствующими влагозащитными лакокрасочными материалами. Последние наносят в жидком виде тонким слоем кистью или опрыскивателем на поверхность эксплуатируемой деревянной конструкции или детали. Лакокрасочные материалы разделяют на поверхностно-пропиточные составы, образующие тонкую и толстую пленки. Слой лакокрасочного материала может обладать паро- и водонепроницаемостью и другими специальными свойствами, например прозрачностью, укрывистостью и т. д.

Лакокрасочные материалы, применяемые для влаго- защиты деревянных конструкций и элементов, могут быть следующими: лаки пентафталевые и уретановые; эмали уретановые, пентафталевые, меламиноалкидные, перхлорвиииловые; составы на основе эпоксидных смол; органосиликатные составы.

Толщина слоя лакокрасочного покрытия должна составлять 100—250 мкм в зависимости от условий эксплуатации, а также от вида лакокрасочного материала.

Поверхностная и глубокая пропитка деревянных конструкций. При поверхностной обработке водными и маслянистыми пропиточными составами защитные средства наносят на поверхность древесины напылением, окрашивают поверхность кистями. Древесина при поверхностной обработке маслянистыми средствами должна находиться в сухом или полусухом состоянии, а при обработке водорастворимыми защитными средствами — должна иметь сухую поверхность. Обычно водный раствор должен содержать не менее 10 % защитного средства. При обработке сырой древесины содержание защитного средства необходимо повысить до 20 % • При обработке вертикальных и наклонных поверхностей рекомендуется учитывать потери от разбрызгивания, которые могут составлять до 50 % расходуемых защитных средств. Напыление или окрашивание проводят в один или несколько приемов, обычно с интервалами для просушивания; 1 м2 древесины способен удерживать 150— 300 г пропиточной жидкости; глубина проникновения жидкости в здоровую древесину составляет до 1 мм. Глубокая пропитка рекомендуется для защиты неклееной древесины в тех случаях, когда влажность при ее эксплуатации составляет более 18%, а также, если древесину используют в зонах повышенной опасности пораже-

иия гнилью из-за прямого увлажнения или образования на ее поверхности конденсата.

Метод непрерывного нанесения на поверхность эксплуатируемой деревянной конструкции или элемента защитной жидкости кистью или опрыскивателем рекомендуется использовать в тех случаях, когда необходимо получить более глубокую пропитку (до 10 мм) древесины, чем это достигается в случае многократного нанесения защитной жидкости кистью или опрыскивателем с интервалом для просушивания.

Метод панельной пропитки деревянных конструкций и элементов состоит в том, что поверхность обрабатываемой деревянной конструкции, элемента или детали покрывают плотно прижатой к ним непроницаемой оболочкой, например из полиэтиленовой пленки (рнс. XI.1).

Оболочка может быть общей или чаще расчлененной по участкам на отдельные панели. Панель крепят по контуру рейками или планками. Швы оболочки герметизируют клеем или липкой лентой. Между непроницаемой оболочкой и поверхностью древесины в некоторых случаях размещают выравнивающую прослойку из фильтровальной бумаги или ткани. В пространство между непроницаемой оболочкой и поверхностью древесины дозированно подают пропиточную, обычно легко проникающую в древесину, жидкость.

Пропиточная жидкость непрерывно поступает из резервуара, расположенного над панелью, а избыток ее стекает в резервуар, расположенный ниже панели. При пропитке рубленых стен органорастворимыми препаратами расход пропиточной жидкости на десятый день составляет 400—560 л/м3, а при пропитке водорастворимыми препаратами — до 380 л/м3.

Метод глубокой пропитки деревянных конструкций и элементов в подставных или подвесных ваннах состоит в том, что вокруг эксплуатирующейся конструкции из непроницаемого материала, например из полиэтилена, создают плотно прижатую к ней оболочку в форме ванны, заполняемой впоследствии легко проникающей пропиточной жидкостью, В тех случаях, когда ванна опирается на грунт, ее называют подставной, а при опирании не на грунт — подвесной (рис. XI.2).

Метод инъекционной пропитки деревянных конструкций и элементов в условиях их эксплуатации используют относительно редко. Он состоит в том, что пропиточ-

Рис. XL2. Пропитка модели дощатой кровли памятника архитектуры в подвесных ваннахРис. XL2. Пропитка модели дощатой кровли памятника архитектуры в подвесных ваннах

Рис. XL2. Пропитка модели дощатой кровли памятника архитектуры в подвесных ваннах

Рис. XL2. Пропитка модели дощатой кровли памятника архитектуры в подвесных ваннах

Рис. XI.1. Панельная пропитка рубленых стен

— выравнивающая прослойка из бумаги или ткани; 2 — питатель;

— резервуары; 4 — пропиточная жидкость; 5 — оболочка из непроницаемого материала. 6— планка для крепления оболочки

ную жидкость с помощью специального пистолета (рис. XI.3), снабженного шприцем или полой иглой, вводят в древесину под давлением в местах вдавливания или вбивания соответственно иглы или шприца. Обычно иглу вводят в древесину в направлении поперек волокон. Пропиточную жидкость подают из баллона под давлением 0,1—0,3 МПа.

Метод пропитки деревянных конструкций в просверленные отверстия состоит в том, что пропиточную жидкость с помощью шланга, медицинской груши или через воронки вливают или впрыскивают в существующие или специально просверленные для этой цели в древесине глухие отверстия. -

В качестве пропиточной жидкости используют концентрированные растворы химических защитных средств (не менее 10 %-ных) или масла. Пропиточную жидкость следует подавать в глухие отверстия не менее, чем 5 раз под избыточным давлением или без него. Сверлить отверстия надо вертикально или горизонтально с уклоном

Рис. XI.3. Приспособление для пропитки деревянных конструкций инъекционным методом

а — пистолет для инъекции; б — баллон для гропиточной жидкости; /—ручка; 2 — штуцер; 3 — клапан; 4 — корпус; 5 — переходной штуцер; 6 — наконечник; 7 — сменная игла; 8 — пружина

вниз. Отверстия просверливают вразбежку на глубину 2/3 — 3/4 толщины деревянного элемента. Расстояния между отверстиями зависят от степени поражения древесины, ее породы, а также от способа подачи защитного средства.

В некоторых случаях сверлить отверстия в основных несущих деревянных конструкциях можно через пришитые к ним второстепенные деревянные конструкции, например через доски пола. Защитные средства можно вводить в отверстия также в сухом состоянии или в виде паст. При этом пропитка достигается при увлажнении древесины атмосферной или бытовой влагой. В случае необходимости по окончании защитной обработки отверстия затыкают пробками.

В ГДР разработан и запатентован новый способ обработки эксплуатирующихся деревянных конструкций и элементов средствами для защиты древесины от биологических вредителей, состоящий в том, что деревянную конструкцию или элемент в рабочем положении подвергают пропитке вспененным раствором фунгицида, инсектицида или комбинации солей с различными защитными свойствами, содержащими, кроме того, поверхностно-активные вещества.

Для защиты древесины вспенивать можно водные растворы химических средств весьма высокой концентрации (до 30%). Объем исходного раствора и объем пены находятся в соотношении до I : 30. Вспененные растворы вводят в любые замкнутые объемы, содержащие деревянные конструкции или элементы, например в перекрытия, в деревянные каркасные стены и т. д.

Эффект обработки деревянных конструкций и элементов вспененными растворами средств для защиты древесины в течение нескольких минут может быть сравним с эффектом пропитки древесины в ваннах в течение нескольких часов.

Защитная обработка деревянных конструкций газами или горячим воздухом. Иногда для борьбы с биовредителями осуществляют газовую дезинфекцию деревянных конструкций н элементов (фумигация) нли обработку древесины горячим воздухом.

Газовую дезинфекцию выполняют химическими составами на основе синильной кислоты HCN, фосфина РНз, бромметана СНзВг или акрилонитрила. При производстве работ вокруг деревянного здания, конструкции или элемента создают газонепроницаемую оболочку из синтетического материала, под которой скапливают токсичный газ, выделяемый из таблеток препарата.

Древесину обрабатывают горячим (подогретым до 100—120 °C) воздухом, подавая его в закрытое помещение, чаще всего в чердачное помещение. Древесина в течение часа должна быть прогрета так, чтобы внутри ее была достигнута температура, при которой наступает гибель соответствующего вида биовредителя.

Защитная обработка декоративных архитектурностроительных деревянных элементов радиоактивным облучением. В научно-исследовательском институте ядерной энергии (близ Праги) разработан метод обработки ценных деревянных декоративных архитектурно-

строительных элементов (деревянных скульптур, резных изделий и т. п.) с целью ликвидации существующего поражения биологическими вредителями (например, насекомыми, грибами) радиоактивным облучением этих элементов. Для облучения используют изотоп кобальта 60Со. Лучи проникают на глубину свыше 1 м, при этом все биологические вредители (яички, личинки, куколки насекомых, насекомые, плесневые и гнилостные грибы) погибают. В древесину вводят жидкий мономер, который при облучении полимеризуется и придает прочность поврежденной древесине. В институте разработана передвижная установка для обработки деревянных элементов, находящихся в условиях эксплуатации.

Защитная обработка деревянных конструкций антисептическими пастами.

Антисептические пасты диффузионного действия, содержащие антисептик (фтористый натрий, бура) и связующие материалы (каменноугольные лаки, экстракты сульфитных щелоков, латексы, поливинилацетатные эмульсии), применяют для защиты деревянных конструкций и элементов, эксплуатирующихся в условиях повышенной влажности или если сама древесина имеет высокую влажность.

ГЛ А В А 3. УСИЛЕНИЕ ДЕРЕВЯННЫХ КОНСТРУКЦИИ

Основные принципы усиления деревянных конструкций

Деревянные конструкции следует усиливать после соответствующей разработки проекта, в основу которого могут быть положены следующие принципы:

усиленные деревянные конструкции должны либо полностью выполнять свои прежние функции, либо частично. В последнем случае в проекте должен быть решен вопрос о передаче части прежних функций усиляе- мых конструкций на другие существующие или новые строительные конструкции;

усиленные деревянные конструкции по несущей способности, деформативности и т. д. должны удовлетворять требованиям действующих в момент разработки проекта усиления строительных норм;

целесообразность усиления деревянных конструкций и выбор варианта усиления должны быть экономически обоснованы. Рационально обеспечить максимально возможную сохранность существующих строительных конструкций, элементов, отделки и т. д. Ремонтные работы целесообразно выполнять без нарушения технологического режима здания или сооружения;

однотипные деревянные конструкции с характерными для них дефектами следует усиливать единообразными методами. В основу разработки проекта усиления большого числа однотипных конструкций может быть принят вероятностно-статистический подход.

Классификация методов усиления деревянных конструкций

Деревянные конструкции можно усиливать как в целом, так и их отдельные элементы. Выбор конкретного метода усиления зависит от ряда факторов: задачи усиления, состояния здания в целом и деревянной конструкции, в частности; наличия достаточного пространства, площади и т. д. для размещения элементов усиления; условий эксплуатации и т. и.

В практике ремонтно-строительного дела, как правило, используют положительно зарекомендовавшие себя методы усиления традиционных деревянных конструкций, некоторые из которых применимы и для усиления современных клееных деревянных конструкций. Тем не менее одной из актуальных задач сегодняшнего дня является разработка новых методов усиления клееных деревянных конструкций, которые все шире внедряются в строительство.

Методы усиления деревянных конструкций можно классифицировать по различным признакам. По назначению методы усиления деревянных конструкций можно разбить на две группы: 1) временного усиления; 2) стационарного усиления. По влиянию элементов усиления на схему работы усиляемой конструкции методы усиления также разделяются на две группы: 1) без изменения прежней схемы работы деревянных конструкций; 2) с изменением прежней схемы работы деревянных конструкций.

Рис. XI.4. Усиление разорванной деревянной стойки стальными тя* жами

а, б — возможные варианты усиления

Рис. XI.5. Способ усиления поврежденных гниением концов балок протезами из синтетических материалов

а — разделение опорного конца балки на зоны с различной степенью повреждения гнилью; б — конец балки, зачищенный от гнилн (в здоровой части просверлены отверстия под стеклопластиковую арматуру); в — вклеивание стеклопластиковой арматуры; г — завершение изготовления пластмассового протеза

Методы усиления деревянных конструкций - без изменения прежней схемы их работы

Без изменения схемы работы можно усилить деревянные конструкции следующими методами:

установкой дополнительного числа крепежных изделий (болтов, гвоздей, шурупов и т. п.);

установкой дополнительного числа самостоятельно работающих конструкций, разгружающих усиляемую конструкцию;

заменой или усилением целиком элемента деревянной конструкции, который содержит дефекты, работает с перенапряжением и т. д. (рис. XI.4). Элементы усиления можно выполнять либо из того же материала, из которого изготовлены усиляемые конструкции, либо из других материалов;

усилением деревянных конструкций или их элементов протезами. Протез представляет собой специальную конструкцию, включаемую в состав усиляемой конструкции для замены в работе дефектного участка или узла ее самой или какого-либо из ее элементов. Протезами, например, наращивают удаленные из-за сильного повреждения домовыми грибами опорные концы деревянных балок, опорные узлы деревянных ферм и т. д. В настоящее время в практику строительства начинают внедряться протезы, выполненные из полимерных материалов— из полимербетона на основе модифицированной эпоксидной смолы, изготовляемого на месте, и стеклопластиковой арматуры в форме стержней круглого сечения (рис. XI.5);

усилением неклееных конструкций, содержащих усушенные трещины или клееных конструкций с усушечны- ми трещинами и расслоившихся по клеевым швам, клеевыми составами.

Выполненные из брусьев или досок балки перекрытий часто содержат продольные и косые усушенные трещины, существенно снижающие сопротивление этих балок сдвигу (скалыванию). Клееные деревянные конструкции при эксплуатации иногда расслаиваются по клеевым швам.

Усиление деревянных конструкций, содержащих трещины и расслоения, иногда можно осуществить клеевыми составами (клеи, клеи-пасты), которыми заполняют трещины и непроклеенные швы для обеспечения моно-

Рис. XL6. Усиление треугольных распорных систем с расслоившимися по клеевым швам деревянными блоками методами превращу кия в шпренгельную систему и вклеивания болтов/ — дощатоклееный блок, частично расслоившийся по клеевым швам; 2—вклеенные болты; 3 — стойка шпренгельной системы; 4—клиньяРис. XL6. Усиление треугольных распорных систем с расслоившимися по клеевым швам деревянными блоками методами превращу кия в шпренгельную систему и вклеивания болтов/ — дощатоклееный блок, частично расслоившийся по клеевым швам; 2—вклеенные болты; 3 — стойка шпренгельной системы; 4—клиньяРис. XL7. Усиление стяжными болтами растрескавшегося конца деревянной балки

Рис. XL6. Усиление треугольных распорных систем с расслоившимися по клеевым швам деревянными блоками методами превращу кия в шпренгельную систему и вклеивания болтов

/ — дощатоклееный блок, частично расслоившийся по клеевым швам; 2—вклеенные болты; 3 — стойка шпренгельной системы; 4—клинья

Рис. XL6. Усиление треугольных распорных систем с расслоившимися по клеевым швам деревянными блоками методами превращу кия в шпренгельную систему и вклеивания болтов

/ — дощатоклееный блок, частично расслоившийся по клеевым швам; 2—вклеенные болты; 3 — стойка шпренгельной системы; 4—клинья

литности конструкций. Один из методов усиления клееных деревянных конструкций состоит в том, что расслоившиеся швы предварительно по краям заклеивают лентами из специальной фольги, а затем к каждому участку с двух сторон сверлят наклонные отверстия для нагнетания эпоксидного клея. Расстояния между отверстиями составляют до 30 см. Затем в непроклеенные участки через просверленные отверстия нагнетают специальной форсункой эпоксидный клей;

усилением деревянных конструкций вклеиванием стальных стержней и болтов. Метод усиления клееных деревянных конструкций (балок) вклеиванием стальных стержней и болтов применим в случаях, когда необходимо повысить сопротивление балок сдвигу на участках, расположенных близ опор, ослабленных отверстиями, в случаях расслоения клееных деревянных конструкций по клеевым швам, а также если необходимо повысить сопротивление растяжению поперек волокон в зонах перегиба двускатных гнутоклееных балок (рис. XI.6).

Наиболее распространенный вариант этого метода усиления деревянных балок состоит в том, что в предварительно просверленные в балках вертикальные или

наклонно расположенные глухие отверстия вклеивают специально изготовленные для этой цели болты, снабженные резьбой на всю длину стержня и продольным пазом прямоугольного сечения. Паз предназначен для того, чтобы при ввинчивании болта обеспечить возможность выхода из глухого отверстия избыточного количества клеевого состава. Глухие отверстия сверлят либо с верхней, либо с нижней грани балки. Глубину глухого отверстия принимают на 1 см больше длины вклеиваемого стержня болта. Перед вклеиванием стержень болта обезжиривают промывкой соответствующими химическими средствами, а глухое отверстие очищают от стружки и пыли струей сжатого воздуха. Клеевой состав вводят в глухое отверстие специальным шприцем, заполняя его на половину глубины;

усилением деревянных конструкций стяжными болтами и хомутами. В случаях, если деревянные конструкции выполнены из неклееной древесины, то усиление состоит в обжатии составных пакетов деревянных элементов, в обеспечении восприятия болтами и хомутами в деревянных балках растягивающих усилий, поперек волокон в местах глубоких подрезок у опор, где иногда образуются горизонтальные трещины и т. д.

Работающие с перенапряжением иа растяжение поперек волокон, а также частично расслоившиеся по клеевым швам клееные деревянные конструкции и их элементы могут быть усилены постановкой стяжных болтов и хомутов (рис. XI.7). Усилением частично расслоившихся клееных деревянных конструкций и элементов по клеевым швам с помощью хомутов достигают восприятия в конструкциях и элементах растягивающих усилий поперек волокон. Преимущество использования хомутов перед использованием стяжных болтов состоит в том, что для постановки хомутов не требуется предварительного сверления сквозных отверстий;

усилением деревянных конструкций нашивкой накладок или двойной перекрестной обшивкой досками. Этот метод широко используется для усиления клееных и неклееных деревянных конструкций, которые имеют глубокие усушенные трещины, расслоения по клеевым швам, работающих с перенапряжением и сильно деформированных. Накладками из досок обычно усиливают деревянные конструкции небольших сечений, а конструкции больших сечений усиливают двойной перекрестной об-

шивкой досками или обшивкой из листовых древесных материалов, чаще всего фанерой. Накладки и обшивки крепят на гвоздях, шурупах или болтах. Фанерную обшивку выполняют либо с использованием отдельных, либо состыкованных по длине на ус листов фанеры.

Методы усиления деревянных конструкций с изменением прежней схемы их работы

В ремонтно-строительном деле в некоторых случаях рационально использовать методы усиления деревянных конструкций, изменяющие схему их работы. Так, например, подведением под однопролетную балку средней опоры можно превратить ее в двухпролетную балку.

При эксплуатации сельскохозяйственных производст- ственных зданий часто приходится сталкиваться с проблемой усиления трехшарнирных клееных деревянных арок и треугольных распорных систем. Усиление указанных конструкций можно осуществить превращением их в фермы. Трехшарнириая арка может быть превращена в сегментную ферму, а трехшарнирная распорная система — в двускатную ферму шпренгельного типа с двумя стойкамй (см. рис. XI.6). Одним из методов усиления плоскостных несущих деревянных конструкций с изменением схемы их работы является раскрепление связями, обеспечивающими пространственную устойчивость, если раньше пространственная устойчивость не была обеспечена. Как правило, при этом изменяется схема работы усиляемых деревянных конструкций и элементов из их вертикальной плоскости.

РАЗДЕЛ XII. ОСНОВЫ ЭКОНОМИКИ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ ДРЕВЕСИНЫ И ПЛАСТМАСС *

Отбор вариантов конструкций для анализа и условия их сравнимости

Лучшие конструктивные решения (отдельные конструкции или их комплекс) выбирают на основе сопоставления технико-экономических показателей по вариантам. При определении экономической эффективности предлагаемых новых решений конструкций зданий и сооружений в качестве базы для сопоставления следует принимать: а) на стадии строительства конкретных объектов— вариант конструкций, предусмотренный в проектах; б) на стадии научно-исследовательских, проектных и конструкторских работ по созданию новых конструкций с применением древесины и пластмасс и при решении вопросов, связанных с развитием базы по их производству и внедрением в массовое строительство—наиболее экономичные конструкции аналогичного назначения.

При обосновании выбора варианта конструкций из дерева и пластмасс при разработке дипломных или курсовых проектов в качестве базы для сравнения принимают один из рассмотренных вариантов.

Конструкции следует сравнивать в деле при равной степени их законченности и равном соответствии нормам проектирования конструкций из древесины и пластмасс. Стоимостные показатели определяют в едином уровне цен и для одного и того же района строительства.

При сравнении конструктивных систем зданий и сооружений объемно-планировочные решения (сетка колонн и другие параметры) следует принимать экономически оптимальными для каждой конструктивной системы. Конструктивные элементы зданий и сооружений, не зависящие от особенностей данной конструктивной системы, принимают одинаковыми во всех вариантах.

Сопротивление теплопередаче по вариантам ограждающих конструкций утепленных зданий рекомендуется принимать экономически оптимальным. При различиях в уровне сопротивления теплопередаче, вызываемых особенностями конструктивных решений ограждающих конструкций, необходимо для варианта с меньшим со-

противлением теплопередаче учитывать дополнительные единовременные и эксплуатационные затраты на отопление зданий.

В некоторых случаях при сравнении вариантов конструкций и оптимизации их параметров следует учитывать разницу в затратах на элементы, смежные с рассматриваемыми конструкциями. Изменения в смежных элементах могут вызываться, например, следующими факторами:

различным собственным весом конструкций;

неодинаковой конструктивной схемой в сравниваемых вариантах и различным решением связей;

неодинаковым очертанием верхнего и нижнего поясов ферм или балок покрытий, различной строительной высотой элементов покрытий и перекрытий;

неодинаковым расстоянием между температурными швами, различной степенью огнестойкости, теплопроводности и электропроводности конструкций;

различным креплением рассматриваемых конструкций к смежным конструкциям и креплением подвесного подъемно-транспортного оборудования к рассматриваемым конструкциям;

особенностями монтажа и эксплуатации конструкции.

Так, при сравнении арок и двускатных ферм трапециевидного очертания для покрытия отапливаемых зданий необходимо учитывать в случае варианта с арками дополнительные затраты на панели покрытия и кровлю, а Для варианта с фермами'—дополнительные затраты на вертикальные связи и наружные стены. При применении арок дополнительные затраты на панели покрытия вызываются значительной снеговой нагрузкой, а также большей их площадью. Дополнительные приведенные затраты на кровлю связаны как с большей площадью кровли, так и с меньшей ее долговечностью (при значительно большем уклоне в зоне, примыкающей к наружным стенам). Дополнительные затраты на наружные стены и связи при применении двускатных ферм вызываются значительно большей их высотой на опоре, чем у арок.

Чтобы правильнее выявить степень экономической эффективности рассматриваемых вариантов решения данного конструктивного элемента, рекомендуется при сопоставлении учитывать не полный размер затрат на

смежные конструктивные элементы, а разницу в затратах по каждому смежному элементу. Разница в затратах на смежные элементы распространяется на все ва- рнаиты, для которых эти затраты больше по сравнению с базисным вариантом.

Система технико-экономических показателей. Критерий эффективности

Эффективность применения конструкций оценивают методом сопоставления технико-экономических показателей по вариантам. Для обеспечения сопоставимости технико-экономические показатели относят на общую для сравниваемых вариантов единицу измерения. Например, при оценке вариантов конструкций каркасов и покрытий показатели рекомендуется определять в расчете на 1 м2 площади здания.

Когда применение той или иной конструкции приводит к изменениям в объемно-планировочном решении здания (например, при использовании в покрытии оболочек с большей сеткой колонн вместо плоскостных конструкций), в качестве расчетной единицы измерения принимают единицу мощности размещаемых в здании производств или единицу вместимости зданий.

Конструкции рекомендуется сравнивать по техникоэкономическим показателям. Перечень материалов устанавливают в зависимости от особенностей сравниваемых конструкций. В необходимых случаях учитывают затраты материалов на сборочные стеллажи, подмости, монтажные кондукторы и т. п. (с учетом оборачиваемости). Система технико-экономических показателей для оценки конструктивных решений и отдельных конструкций зданий и сооружений включает в себя:

стоимость в деле, руб.; ■

себестоимость в деле, руб.;

капитальные вложения в базу, руб-год;

эксплуатационные расходы (среднегодовые), руб/ /год;

приведенные затраты, руб.;

масса конструкций, кг;

расход основных материалов по проекту:

древесина, м3;

сталь, кг;

пластмассы, кг;

асбестоцемент, м3;

расход основных материалов с учетом отходов: пиломатериалы, м3;

фанера, м3;.

синтетические смолы и пластмассы (по видам), кг; приведенный расход деловой древесины, м3;

трудоемкость изготовления, чел.-ч;

трудоемкость возведения, чел.-ч;

продолжительность возведения, дн.

В качестве показателя (критерия) сравнительной экономической эффективности применения конструкций следует принимать показатель минимума приведенных затрат, определяемых в общем случае с учетом себестоимости в деле, капитальных вложений в базу, эксплуатационных расходов и фактора времени. Вариант, для которого приведенные затраты минимальные, признают экономически эффективным (лучшим).

Использование таких локальных критериев, как, например, минимум массы, минимум расхода материалов, минимум затрат труда на строительной площадке, минимум стоимости в деле не может обеспечить в общем случае выбор экономически наиболее эффективных конструкций.

Если говорить о минимуме массы для конструкций только из дерева и пластмасс, то следует иметь в виду, что стоимость исходных материалов, используемых для изготовления этих конструкций (в расчете на одну тонну их массы), может изменяться в весьма широких пределах— от 100 руб. (для пиломатериалов III сорта толщиной 40—60 мм) до 5490 руб. (для стеклопластика АГ-4с на основе крученой нити). Из этих цифр ясна непригодность критерия минимума массы для выбора экономически эффективных конструкций.

Минимум себестоимости в деле может во многих случаях характеризовать экономически эффективный вариант. Однако и этот критерий в общем случае не пригоден для выбора экономически наиболее эффективного варианта, поскольку могут быть существенные различия в долговечности конструкций, в затратах на капитальный и текущий ремонты конструкций.

Анализ остальных технико-экономических показателей (помимо приведенных затрат) позволяет более полно установить преимущества и недостатки рассмотрен-

дых вариантов, выявить факторы, влияющие на их эффективность, наметить пути совершенствования конструкций.

Методика определения технико-экономических показателей (основные положения]

Расход материалов, требующихся для изготовления конструкций с применением древесины и пластмасс, следует определять с учетом отходов, возникающих при их производстве.

Расход пиломатериалов; а) для клееных конструкций

Удил " ^р ^с.ш ^<з.шАфКосрУд,(ХП. 1)

для конструкций из брусьев и досок

Упил = Ар Уч.з,(XII .2)

Уч.з = Уд при использовании нестрогаиых деталей прямоугольной формы и постоянного сечения, где Кр, Кс.ш, Кз.ш, Кф, Кобр — коэффициенты, учитывающие соответственно отходы при раскрое пиломатериалов на черновые заготовки, сращивание заготовок по ширине, сращивание заготовок по длине на зубчатый тип, фрезерование досок по пласти, обработке заготовочных блоков (включая фрезерование боковых поверхностей блоков); Уц, Уча, Уз.б— объем древесины соответственно в деле (по проекту), в черновых заготовках и в заготовочном блоке конструкции.

Расход фанеры

Уф — Ар Уч.з,(XII.3)

Расход круглого леса

Укр.Л = Ар Уч.з Уфакт.Упр)2.(XII.4)

где dnp—проектный диаметр бревен; йфакт— фактический диаметр бревен, используемых при изготовлении конструкций.

Приближенно можно принять ^aKT=dirp+l см. Приведенный расход деловой древесины (в круглом лесе)

^.л=^р.л-Ц,61УпиЛ+2,5уф,(XII .5)

где Уко.л, Улил, Уф — расход соответственно круглого леса, пиломатериалов и фанеры, определяемый по вышеприведенным формулам; 1,61 и 2,5—расход, м3, круглого леса на изготовление соответственно 1 м3 пиломатериалов и 1 м3 фанеры.

Расход клея для изготовления многослойных клееных деревянных конструкций

Аил = Ркл Рз.б '(XII.6)

где Ркл — расход клея на 1 м3 объема заготовочного блока, зависящий от толщины слоев.

Расход стали на изготовление стальных элементов вычисляют с учетом отходов в размере 5 % их массы.

Определив расход основных материалов, можно найти их стоимость, используя прейскуранты оптовых цен, введеные в действие с 1 января 1982 г. на обрезные пиломатериалы, на синтетические смолы, клей, пластмассы, на прокат черных и цветных металлов и металлоизделия.

Трудоемкость основных технологических операций изготовления деревянных конструкций слагается из затрат на обработку деталей, сборку (склейку) и окраску ‘(или огнезащитную обработку конструкций). Трудоемкость изготовления конструкций может быть определена с использованием соответствующих методических рекомендаций илн составлением калькуляций.

Трудоемкость возведения конструкций может быть определена по данным соответствующих сборников элементных сметных норм на строительные конструкции и работы или для новых конструкций составлением калькуляций с использованием ЕНнР на строительные, монтажные и ремонтно-строительные работы. Продолжительность возведения конструкций определяют в зависимости от трудоемкости монтажа, принятого количества монтажных кранов и состава бригады. Стоимость изготовления конструкций

Сил = [сс.м Ст,з -р Сс 1/лил + Ц3 7и ^1 "4" [qq ^j ^вн KDn, (XII.7) где Со м — затраты на основные материалы и изделия, вычисляемые с использованием соответствующих прейскурантов оптовых цен; Кт.а — коэффициент, учитывающий транспортно-заготовительные расходы предприятия; Сс — себестоимость сушки пиломатериалов, руб/м3; Уциа — расход пиломатериалов, м3; Ц3— среднечасовая заработная плата основных производственных рабочих; Ти— трудоемкость основных технологических операций но изготовлению конструкций; Н — накладные расходы предприятия (цеховые и общезаводские расходы, затраты на содержание и эксплуатацию оборудования) в % к основной заработной плате; Км, Кил — коэффициенты, учитывающие соответственно виезаводские расходы предприятия и плановую прибыль.

Себестоимость конструкций в деле

с = Спр,8 + Н = (CILK + Ст) Дас + Ссб -f- суст + сокр + Н ,

. (XII.8)

где Спр.а — прямые затраты; Н— накладные расходы; Сс», СуОг, СОкр — стоимость соответственно укрупнительной сборки, установки конструкций в проектное положение и окраски (огнезащитной обра-

ботки); Кз.с—коэффициент, учитывающий заготовительно-складские расходы.

Накладные расходы при сравнении конструкций рекомендуется определять в зависимости от затрат на основную заработную плату С0.3 и затрат по эксплуатации строительных машин Сэ.м по формуле

Я = 0,7(Со.3 + Св.м).(XIL9)

Затраты на укрупнительпую сборку, установку и окраску конструкций могут быть найдены по соответствующим сборникам единых районных единичных расценок на строительные конструкции и работы, а для новых конструкций составлением калькуляций с использованием ЕНиР.

При определении стоимости конструкций в деле плановые накопления принимают в размере 8 % себестоимости в деле. .

Приведенные затраты в общем случае вычисляют с учетом себестоимости конструкций в деле (единовременных затрат), капитальных вложений в базу, эксплуатационных расходов и возможности получения в некоторых случаях экономического эффекта от сокращения продолжительности строительства и ускорения ввода объектов в действие при применении конструкций с меньшей продолжительностью возведения.

При дипломном проектировании приведенные затраты могут быть найдены (при продолжительности функционирования объектов более 25 лет) по упрощенной формуле с учетом влияния основных факторов

П = С'+ЕнК + Пэ = С'+EHK + 3THj (ХП.10)

где Ей — нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений; К — капитальные вложения в основные фонды в сфере строительства; Па — часть приведенных затрат, зависящая от эксплуатационных расходов; Э — эксплуатационные расходы (среднегодовые); Ты—нормативный срок окупаемости капитальных вложений. '

Эксплуатационные расходы определяют с учетом затрат на замену конструкций (при сроке службы конструкций Тф — меньшем, чем срок функционирования объектов Тм), затрат на капитальный и текущий ремонты. При сравнении вариантов ограждающих конструкций отапливаемых зданий, отличающихся сопротивлением теплопередаче, при вычислении эксплуатационных расходов следует учитывать затраты на тепловую энергию,

Сд Су(1 + Енп) тмСд Су(1 + Енп) тмC3J + Сд — Су + Ср,; (1 + Енп) /a.iC3J + Сд — Су + Ср,; (1 + Енп) /a.iCpJ + C0J(1 + Еда) ^р./CpJ + C0J(1 + Еда) ^р./ф Ст q) #ф Ст q) #(XII. 11)(XII. 11)

Сд Су

(1 + Енп) тм

Сд Су

(1 + Енп) тм

C3J + Сд — Су + Ср,; (1 + Енп) /a.i

C3J + Сд — Су + Ср,; (1 + Енп) /a.i

CpJ + C0J

(1 + Еда) ^р./

CpJ + C0J

(1 + Еда) ^р./

ф Ст q) #

ф Ст q) #

(XII. 11)

(XII. 11)

Рис. ХП.1. .Зависимость коэффициента <р от продолжительности функционирования объекта Т»

идущую на отопление зданий и зависящую от сопротивления теплопередаче.

При существенно различных сроках службы конструкций и затратах на их ремонты, а также при относительно малой продолжительности функционирования объектов Пэ рекомендуется находить по следующей формуле, учитывающей большее количество факторов:

Пэ

где Сд, Су, Сз.г, Ср,; — стоимость, руб., соответственно разборки конструкций и вывоза нереализуемых материалов от разборки, реализации утилизируемых материалов от разборки; возведения новой конструкции вместо старой, отслужившей свой срок Тф, одного капитального ремонта; Ст — стоимость текущих ремонтов и прочих видов эксплуатационных расходов, равномерно распределенных во времени, руб/год; Со — возможные потери от остановки или сокращения объема производства в период проведения t замены конструкций или в период / капитального ремонта; Тм — продолжительность функционирования объекта (иль срок морального износа здания, сооружения илн отдельных конструкций); f3.o бщ— время, год, от начала эксплуатации объекта соответственно от i замены конструкций и срока проведения / капитального ремонта; п, т — число замен конструкций и капитальных ремонтов за весь период функционирования объекта Т„: <р — условное время (см. рис. XII. 1), за которое учитывают полностью текущие эксплуатационные расходы С, год.

При определении затрат, связанных с заменой рассматриваемых конструкций, не следует забывать о тех смежных конструкциях, которые, возможно, придется заменять одновременно с рассматриваемыми конструк-

Области применения деревянных конструкций

Рис. ХП.2. Области применения деревянных конструкций циями при невозможности или затруднительности замены этих конструкций без нарушения целостности смежных конструкций.

Понятие об областях рационального применения конструкций из древесины и пластмасс.

Факторы, влияющие на их эффективность

В целях ускорения научно-технического прогресса и наиболее эффективного использования производственных ресурсов техническая политика в строительстве должна базироваться на научно обоснованных рекомендациях по областям и конструктивным формам рационального применения конструкций из различных материалов, в том числе конструкций с применением древесины и пластмасс, металлических и железобетонных. При разработке рекомендаций не следует противопоставлять конструкции из древесины и пластмасс металлическим и железобетонным конструкциям, а необходимо добиваться экономически оптимального их

Области применения строительных конструкций

Рис. Х11.3. Области рационального применения строительных конструкций

сочетания, в максимальной степени используя преимущества каждого из рассматриваемых видов конструкций и в полной мере учитывая их недостатки.

Под областями применения строительных конструкций понимают здания и сооружения с определенными параметрами (объемно-планировочными, нагрузок, условий эксплуатации), строящиеся в тех или иных районах строительства, которые характеризуются определенными природно-климатическими и экономико-географическими условиями. Области применения деревянных конструкций показаны на рис. XII.2.

Технически возможную область применения конструкций из древесины и пластмасс, исходя из технических критериев, можно разбить на три лодрбласти: технически необходимую, технически рациональную и технически нерациональную.

Сейсмичность района строительства

Требования к надежности в эксплуатаций~|-

Гидрогеологические условия площадки строительства

S

Требования к архитектурно-художествен ^ ным качествам зданий и сооружений i

Температура и продолжительность зимнего и летнего периодов

Скорость ветра, высота снегового покрова, гололед

Продолжительность функционирования объектов, сроки морального износа

8

I

"Степень агрессивности среды

2

Габариты оборудования.Технологические нагрузки

Пожароопасность и взрывооласность производства

i 5 8

Состояние сырьевой и производственной базы и возможности ее развития

Степень дефицитности материальных, трудовых и финансовых ресурсов

Степень рассредоточенности объектов строительства и удаленности от баз строительной индустрии

Условия поставки и транспортировки конструкций и материалов

Уровень себестоимости н цен на • Конструкции и материалы

Уровень себестоимости и тарифов на электро- и теплоэнергмю и на транспортировку конструкций

Уровень сметных норм, цен и единых . расценок

Уровень и степень дифференциации норм расхода материалов

8

I8

Параметры внутренней среды, степень ее агрессивности

Требования к типу здания, сооружения и конструкции-

Количество этажей

Вид и грузоподъемность лодъемно- транспортного оборудования

Наличие и тип фонарей. Вид и уклон кровли

Наличия подвесных потолков

Габаритные размеры зданий и сооружений

Сетка колонн и др. объемно- планировочные параметры

Конструктивная форма и параметры конструкций

1 5

1

1:

-1:1

Ш

Я X

ч

7

34-423

Рекомендации и требования дшеитивных органов

Рекомендации я требования строительныхминистерств п ведомств, Госстроя СССР

Требования строительно-монтажных организаций, осуществляющих строительство объектов

Рекомендации и требования нормативных документов ле строительному проектированию

Направленность типового проектирования и орактика привязки типовых проектов

Показатели, по которым Оценивается деятельность организаций,и методы их определения

Особенности ценообразования в проектировании, промышленности 'и строительстве

Система стимулирования внедрения эффективных конструкций

Условия и степень привлекательности труда иа предприятиях, изготовляющих данные конструкции и материалы

Условия труда на строительной площадке

Эстетические и санитарно-гигиенические свойства конструкций и материалов

Традиции, привычки, престиж

Прочностные свойства. Удельная прочность

Сопротивляемость динамическим воздействиям

Огнестойкость. Жаростойкость.

Возгораемость

Морозостойкость. Хладостойкость

Бностойкость

Долговечность. Надежность в эксплуатации

Теплопроводность. Электропроводность

Газо-7 вода,— и радмолроницаемость

Обрабатываемость. Легкость ремонта, усиления и реконструкции

Акустические свойстве

Факторы

Научно—исследовательские работы в области конструкций

Типовое и индивидуальное проектирование _

Унификация

Изготовление конструкций-

Транспортировка конструкций

Возведение конструкций

'Эксплуатация конструкций

Исходя из экономических критериев технически возможную область применения конструкций из древесины и пластмасс можно разделить на три подобласти: экономически эффективную и экономически неэффективную и экономически целесообразную, определенную с учетом ограничений в материальных и других ресурсах.

Исходя из социальных критериев область возможного применения конструкций из древесины и пластмасс можно разделить на три подобласти: эффективную с социальной точки зрения, неэффективную и целесообразную с социально-экономической точки зрения, определенную с учетом ограничений в финансовых и других видах ресурсов.

В области рационального применения конструкций из древесины и пластмасс следует Включать (рис. ХП.З), главным образом, области, экономически целесообразные и технически необходимые. К экономически эффективным областям применения конструкций из древесины и пластмасс того или иного типа следует относить те области, где их применение по сравнению с конструкциями из других материалов или по сравнению с конструкциями из древесины и пластмасс других типов обеспечивает снижение приведенных или суммарных народнохозяйственных затрат и получение экономического эффекта. .

Критерием для определения областей экономически целесообразного применения строительных конструкций с учетом ограничений в ресурсах рекомендуется принимать показатель экономического эффекта в расчете на единицу массы или объема дефицитного ресурса (например, металла или древесины).

При определении областей экономически целесообразного применения конструкций из древесины и пластмасс следует учитывать фактор дефицитности материальных ресурсов и, в первую очередь, металла. Учитывая дефицитность металла, область экономически целесообразного использования конструкций из древесины и пластмасс должна быть шире, чем область экономически эффективного их применения.

Для многих зданий общественного назначения (выставочные павильоны, летние театры, кафе и др.) и ряда сооружений (городские мосты, лыжные трамплины и др.) большое влияние на выбор материала и формы конструкций могут оказывать требования к архитектур-

но-художественному качеству объектов и эстетические свойства конструкций. В этих случаях может быть признано рациональным применение вариантов конструкций с большими приведенными затратами, позволяющих получать социально-экономический эффект. Поэтому в сферу рационального применения конструкций в общем случае включают и часть областей, эффективных с социальной точки зрения, но экономически неэффективных. .

При определении областей рационального применения конструкций из древесины и пластмасс, в частности в жилищно-гражданском строительстве, следует учитывать санитарно-гигиенические свойства материала конструкций. Например, в деревянном заводском домостроении применение древесно-стружечных плит повышенной токсичности следует признать нерациональным, даже если это приводит к снижению приведенных затрат на строительство и эксплуатацию домов.

Разрабатывая рекомендации по областям рационального применения конструкций из древесины и пластмасс, необходимо учитывать многообразие их видов и типов (см. рис. XII.2) н большое количество факторов, влияющих на их эффективность и выбор материала и конструктивной формы конструкций, (рис. ХП.4) и формулировать рекомендации более конкретно, указывая, в какой области рационально применение того или иного вида или типа конструкций.

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

СНиП П-25-80, Нормы проектирования. Деревянные конструкции.— М.: Стройнздат, 1982. — 65 с.

СНиП 11-23-81. Нормы проектирования. Стальные конструкции. — М.: Стройиздат, 1982. — 93 с.

СНиП 2.01.07—85. Нормы проектирования. Нагрузки и воздействия.— М.: Стройиздат, 1976. — 60 с.

СНиП III.19-76. Правила производства и приемки работ. Деревянные конструкции. — М.: Стройиздат, 1976. — 48 с,

СН 497-77. Временная инструкция по проектированию, монтажу и эксплуатации воздухоопорных пневматических сооружений.— М.: Стройиздат, 1978.— 16 с.

Руководство по обеспечению долговечности деревянных клееных конструкций при воздействии на них микроклимата зданий различного назначения и атмосферных факторов./ЦНИИСК им. В. А. Кучеренко.— М.: Стройиздат, 1981. — 96 с.

Рекомендации по проектированию панельных конструкций с применением древесины и древесных материалов для производственных зданий. / ЦНИИСК им. В. А. Кучеренко. — М,: Стройиздат, 1982. — 120 с.

Зубарев Г. Н., Лялин И. М. Конструкции из дерева и пластмасс.— М.: Высшая школа, 1980. — 311 с.

Иванов В. А., Клименко В. 3. Конструкции из дерева и пластмасс.— Киев: Вица школа, 1983. — 279 с.■

Кормаков Л. И., Валеитинавичюс А. Ю. Проектирование клееных деревянных конструкций. — Киев: Буд1вельник, 1983.— 152 с.

Канн Э. А;, Серов Е. Н. Деревянные конструкции в современном строительстве. — Кишинев: Штиинца, 1981.— 180 с.

Максимович Б. Г. Проектирование и производство конструкций из клееной древесины. — Минск: Высшая школа, 1981. — 211 с.

Хрулев В. М. Производство конструкций из дерева и пластмасс.— М.: Высшая школа, 1982. — 231 с.

Пневматические строительные конструкции./Под ред. В. В. Ермолова.— М.: Стройиздат, 1983. — 436 с.

Губенко А. Б. Строительные конструкции с применением пластмасс. — М.: Стройиздат, 1970. — 326 с.

Гуськов И. М. Эксплуатация деревянных конструкций,— М.: МИСИ им. В. В. Куйбышева, 1982, — 101 с.

Гуськов И. М. Ремонт деревянных конструкций. — М.: МИСИ им. В. В. Куйбышева, 1982. — 76 с.

Гуськов И. М. Примеры проектирования конструкций из дерева и пластмасс. — М.: МИСИ им. В. В. Куйбышева, 1984.— 110 с.

Освенский Б. А. Скалывание и раскалывание в деревянных конструкциях./МИСИ им. В. В. Куйбышева.— 1978. — Вып. 169, с. 28—34.

А

Антипирены 88, 90 Антисептики 106 Антистатики 69 Арки дощатоклееные 213, 214, 262 — сквозные 315, 316

Б

Бактерии 90

Балки армированные стальными стержнями 255 двутаврового сечения с перекрестной дощатой стенкой иа гвоздях 210, 238 дощатоклееные 211, 243 клеефанерные 211, 247 на пластинчатых нагелях 210 236 шпренгельные 310—313

Биовредители 90—107 Болт аварийный 151 Болты и тяжи рабочие 189

В

Виды

нагелей 161 шпонок 156

Влажность 481

— гигроскопическая 439

— при склеивании 473

— равновесная 439

— свободная 439

— способы определения 436, 437

Водостойкость клеевых соединений 481

Волокно стеклянное 69

Врубка лобовая 148

Г

Глухари 188

Гниль деструктивная 92 Грибница внутренняя 92 наружная 92

Грибы биржевые (складские) 90, 91 домовые 91—94

лесные 90 мицелий 92

д

Древесина

анатомическое строение 33— 38

влияние влаги 38—40, 58, 59

— скорости и продолжительности на прочность 44, 45 1— температуры 59

— химических веществ 40, 41 гниение 91

горение 83

ориентация микрофибрилл 38 плотность 41

режим сушки 451

резание 455

сверление 468

способы защиты 494

сырьевая база 33

теплопроводность 4

температурное расширение 41

трахеиды сосны 36

фрезерование 461

Древоточцы морские 90, 101, 102

Ж

Жуки 90, 94—101

3

Закономерности длительной прочности древесины и пластмасс 132—136

Запрессовка пресса 486

режимы 489

Защита от биовредителей в условиях эксплуатации 505—511

И

Изгиб

косой 125—127

иа податливых связях 198 продольный элементов сечения

цельного 116—120

составного на податливых связях 202—207

Инсектициды 106

к

Клей 195, 481

— архирезорциновый 481

— вязкость 480

— жизнеспособность 481

— карбамидный 485

■— резорциновый 481

— фенолоформальдегидный 484

Колонны дощатоклееные 257 Конструкции

— диагностирование 500,501, 502—505

дефектное состояние 501

— деформации 283

— дощатогвоздевые 9—14

— заводского изготовления

дощатые 16

клеефанерные 16 защита конструкционная 102—107

— от биовредителей 102—107 — от возгорания 88

от увлажнения 489

— химическая 104—107

— исследование экспертной комиссии 503—505

— из брусьев и досок 9 — клееные

производство 483, 491— 493

области применения 527

— на пластинчатых нагелях 10

■— плоскостные сквозные 274 виды 276—279

с применением пластмасс 16, 17

пропитка при эксплуатации 506—510

в подвесных или подставных ваннах 507

— в просверленные отверстия 508, 509

вспененным раствором защитных средств 510 глубокая 506—510 инъекционная 507

непрерывным нанесением на поверхность 507 панельная 507 поверхностная 506 пневматические

воздухоопорные 410

магистральные 415

— — пневмокаркасные 410

■принципы расчета 418 пропитка при изготовлении — окунанием 107

— под давлением 107

при эксплуатации 107 пространственные 336

с применением пластмасс структурные 367

Коэффициент

6, 151

Ла 175

-Пуассона 114

условий работы 11—114

Красители 65

Крепление пространственное обеспечение устойчивости зданий, способы 321—326

Критерий эффективности 521

Купола 371

— тонкостенные 372

.— — расчет 376

от ветровой нагрузки 379

от нагрузки собственного веса 376

от снеговой нагрузки 379

— кружально-сетчатые 391

■возведение 398

— — расчет 394

— ребристые 381

— ребристо-кольцевые, 386

— сетчатые 389

М

Материал элементов сквозных

Д. К. 279

Модернизация 501

Модули

сдвига 114

упругости 114

Мономеры 63

Н

Нагрузка критическая 116

Наполнители 68

Напряжения при сушке 445

Настилы 216

Нагели

расстановка 168 соединения

— с накладками 181

— с прокладками 177

о

Оболочки 308

— гиперболические 405

— своды 398

— крестовые 402

— эллиптические 403

Обработка защитная при эксплуатации 510, 511

антисептическими пастами 511

газами 510

горячим воздухом 510

радиоактивным излучением 510

Образцы для определения предела прочности 43 Обрешетка 216

Обследование 503—505

Обслуживание техническое 499, 500, 502—505

Огнестойкость 85

Определение технико-экономических показателей методика 522

Осмотры 502

— внеочередные 503

— плановые периодические общие 502

■— текущие 502

—- частичные 502

II

Панели покрытий трехслойные с применением пластмасс 222 клеефанерные 232

Переустройство зданий и сооружений 500

Пиломатериалы 428

— виды 429

— коробление 446

— сортамент 432

— хранение 433

Пилы 456, 457

Пластинки

металлические зубчатые

(МЗП) 85 нагельные 180 слоистые (ДСП) 76

Пластификаторы 65, 68

Пластмассы 63

— расчетные характеристики 78, 79

— термопластичные 64 — термореактивные 64, 65

Плиты древесно-волокнистые (ДВП) 76 стружечные 77

Податливость связей коэффициенты 203 определение 198 число в составных балках 201, 202

Подрезки на опорах 222

Поликонденсация 64

Полимеризация 64

Полимеры 63

Пресс-материалы

СВАМ 71

АГ-4С 72

АГ-4В 73

Припуски 471, 472

Прогоны

консольно-балочные 218

спаренные неразрезные 221

Прогнозирование длительной прочности 135, 136

Р

Разрушители энтомологические (насекомые) 94—101 Рамы дощатоклееные гнутые 213, 266

нз прямоугольных элементов 213, 260 клеефанерные 271

с перекрестной стенкой на гвоздях 213

с соединением ригеля и стойки в карнизном узле на зубчатый шип 214, 269 дощатые с соединениями на МЗП 313, 314

Распиловка 456

Растяжение внецеитренное 131, 132 центральное 115, 116

Реконструкция 500

Ремонт

выборочный 500 комплексный 500 - непредвиденный 500 плановый 500 текущий 500

с

Сверла 468

Своды распорные 337

бочарные 343

■волнистые 339

— — гладкие пластмассовые 338

кружальпо-сетчатыс 344 нз клеефанерных косяков 353

-— с узлами на бол

тах 349

■на шипах 345

•расчет 357

складские 341

—— структурные 342

Сжатие

центральное 116 внецентренное 127

Сила поперечная сжато-изги- баемого элемента 130

Система комбиниоованная моста 20, 21 треугольного очертания 212, 261

технико-экономических показателей 520

шпренгельная — расчет 309—313

Складки 363

Скобы 189

Смолы кремнийорганические 65, 68 мочевино- и меламинофор- мальдегидные (карбамидные) 65, 67 полиэфирные 65

фенолформальдегидные 65, 66

эпоксидные 65, 67

Соединение досок по длине 476

■— виды 477

— параметры 478

— схемы 170

Сополимеры 64 Сопротивление древесины сосны скалыванию и раскалы- ваник: 50—54 смятию 54

сочетанию нормальных и касательных напряжений 54-58

— ели 109, ПО

Состояние предельное виды 108 определение 108

Сортировка 475, 476

Способность расчетная несущая из условия изгиба и смятия 171 — 173

МЗП 184, 185

на выдергивание 188 одного «среза» нагеля 165 соединение 141—143

Средства защитные 104—107 — водорастворимые 104—106 — маслянистые 106, 107 — органические 106, 107

Срез 165

Сруб 5—7

Стабилизаторы 69

Станки

пильные 457, 459, 460

рейсмусовые 465

сверлильные 468 фрезерные 463 фуговальные 464 шипорезные 467

Стеклопластики 69

Стойки решетчатые 317

Стык сборно-разбориый 191

Сушка 436, 474

— атмосферная 446

— в петролатуме 453

,— в поле токов высокой частоты 453

— камерная 449

требования к качеству 437

У

Упор лобовой 148

Усиление 511—517

Условия

наблюдения 500

сравнимости конструкций 519

эксплуатации 502

Устойчивость плоской формы деформирования 123, 124

при центральном сжатии 116 стержней с короткими прокладками 205, 206 — пакетов 204, 205

часть ветвей которых не оперта по концам 206, 207

Усушка 440

ф

Факторы, влияющие на эффективность и области применения Д. К. 528, 529

Фанера 60—622

Фермы дощатые с соединениями на МЗП 313, 314 многоугольные брусчатые 295—300

прогибы 283, 284

сегментные клееные 285—295 треугольные клееные брусчатые и из бревен 300

— на лобовых врубках 305—' 309

шпренгельного типа 313

Фрезы 462

Фунгициды 106

X

Хомуты 189

Ч

Чистота поверхности 469

Ш

Шурупы 187

Э

Эксплуатация зданий 499 Эксцентриситет действующих сил 280 Элемент

гибкость предельная 120

коэффициент приведения 203

площадь 119

прогибы 125

растянуто-изгибаемый 131, 132

расчетная длина 116, 117 сжато-изгибаемый

сечения цельного 127— 131

составного на податливых связях 207, 208 соединения

контактные 144

на вклеенных стержнях 193, 194

на гвоздях 175

на клеях 194, 196

на МЗП 194, 196

на растянутых связях 186 на пластинчатых нагелях 164

на шпонках 156

на цилиндрических нагелях 157

ОГЛАВЛЕНИЕ

Стр.

Предисловие 3

Введение 5

Краткий исторический обзор развития конструкций из дерева и пластмасс 5

Дальнейшее развитие конструкций из дерева и пластмасс

и основные области их применения в СССР29

Раздел I. Древесина и пластмассы как конструкционные ■ строительные материалы, их свойства, достоинства и недостатки33

Глава 1. Древесина — конструкционный строительный материал 33

Сырьевая база применения древесины в строительстве ■ 33

Анатомическое строение древесины — основа для правильного понимания ее механических и физических свойств 33

Влага в древесине38

Химическая стойкость древесины 40

Физические свойства древесины 41

Механические свойства древесины42

Работа древесины на растяжение, сжатие и поперечный изгиб ,,46

Работа древесины на смятие, скалывание и раскалывание .....50

Сопротивление древесины скалыванию при сочетании касательных напряжений вдоль волокон с нормальными напряжениями сжатия поперек волокон ...,,,57

Влияние влажности и температуры на прочность древесины 58

Требования к качеству п отбор лесоматериалов для элементов несущих конструкций60

Строительная фанера ...60

Глава 2. Пластмассы— конструкционный строительный материал ............63

Общие сведения о пластмассах63

Основные виды конструкционных пластмасс, их свойства и области применения 69

Влияние влажности и температуры на прочность и де- форматнвность пластмасс80

Раздел II. Защита деревянных конструкций от пожарной опасности и биологического поражения .,83

Г лава Г Защита деревянных конструкций от возгорания.83

Горючесть Древесины 83

Огнестойкость деревянных конструкций ....84

Конструкционные и химические меры защиты деревянных конструкций от пожарной опасности87

Глава 2. Биовредители древесины и условия их развития 90

Глава 3. Конструкционные и химические меры защиты деревянных конструкций от биовредителей , .102

Стр.

Общие сведения 102

Конструкционные мероприятия по защите деревянных конструкций от гниенияЮЗ

Химическая защита деревянных конструкций и элементов от биологических вредителей 106

Раздел 111. Расчет элементов конструкций цельного сечения 108

Основы расчета элементов конструкций цельного сечения по предельным состояниям108

Центральное растяжение 115

Центральное сжатие 116

Изгибаемые элементы120

Косой изгиб125

Сжато-изгибаемые элементы127

Растянуто-изгибаемые элементы131

Основные закономерности длительной прочности древесины и пластмасс .. ..132

Раздел IV. Соединения элементовдеревянных конструкций 137

Глава I. Общие сведения137

Основные виды соединений и предъявляемые к ним требования137

Указания по расчетусоединений140

Глава 2. Соединения деревянных элементов без рабочих связей144

Контактные соединениядеревянных элементов.,144

Лобовая врубка148

Монтажный илиаварийныйболт ......151

Глава 3. Соединения на механических связях . . . . 153 § 3.1. Соединения на шпонках и шайбах шпоночного типа . 153

Соединения на нагелях157

Определение расчетной несущей способности одного «среза» нагеля 165

Особенности работы гвоздей175

Нагельные соединения со вставками в узлах ...177

Соединения на металлических зубчатых пластинках (МЗП) 182

Соединения на растянутых связях186

Г л а в а 4. Соединения на клеях194

Требования, предъявляемые к клеям для несущих конструкций 194

Виды клеев195

Виды соединений наклею196

Раздел V. Элементы деревянных конструкций составного сечения на податливых связях ,...198

Основы учета податливости связей198

Расчет на поперечный изгиб198

Расчет на продольный изгиб202

Расчет сжато-изгибаемых элементов .....207

Раздел VI. Плоскостные сплошные конструкции с применением древесины и пластмасс ....209

Глава 1. Основные формы плоскостных сплошных конструкций 209

Основные схемы плоскостных сплошных деревянных конструкций 209

Определение собственного веса конструкций ...215

Глава 2. Плоскостные сплошные конструкции цельного сечения 216

Настилы н обрешетка216

Прогоны н балки .218

Глава 3. Панели покрытий с применением древесины и пластмасс ... 222

Трехслойные панели с применением пластмасс ,,222

Клеефанерные панели покрытия232

Глава 4. Деревянные балки, составного сечения на податливых связях 236

Балки на пластинчатых нагелях (балки В. С. Деревягина) .236

Балки двутаврового сечения с перекрестной дощатой стенкой на гвоздях238

Глава 5. Клееные балки 243

Дощатоклееные балки243

Клеефанерные балки 247

Балки, армированные стальными стержнями . , ,255

Глава 6. Доцатоклееные колонны 257

Глава 7. Распорные клееные деревянные конструкции .261

Распорная система треугольного очертания ..,261

Дощатоклееные арки262

Рамы 266

Раздел VII. Плоскостные сквозные деревянные конструкции 274

Глава 1. Обилие вопросы проектирования274

Основные формы плоскостных сквозных деревянных конструкций 274

Выбор материала элементов сквозных конструкций .279

Виецентреппое приложение продольных сил в верхнем

поясе и местах примыкания решетки. Учет эксцентриситета действующих сил 280

Деформации сквозных конструкций283

Глава 2. Сегментные клееные фермы285

Конструкция сегментных ферм с разрезным и неразрезным клееным верхним поясом285

Расчет сегментных ферм. Особенности расчета ферм с неразрезным верхним поясом292

Глава 3. Многоугольные брусчатые фермы ....295

Конструкция ферм295

Расчет ферм297

Глава 4. Треугольныефермы300

Конструкция ферм с металлическим или деревянным нижним поясом и сжатымираскосами300

Расчет ферм 302

Треугольные фермы на лобовых врубках .305

Расчет ферм на лобовых врубках309

Глава 5. Шпренгедьные системы309

Глава 6. Дощатые фермы и рамы с соединениями на металлических зубчатых пластинах .. ..313

Глава 7. Решетчатые распорные системы и стойки ..314

Распорные системы ..314

Решетчатые стойки317

Раздел VIII. Пространственное крепление плоскостных деревянных конструкций .,,...321

Общие положения321

Принципы проектирования конструктивного остова деревянного здания 321

Пространственные связив покрытиях327

Обеспечение пространственной устойчивости плоскостных деревянных конструкций. 330

Раздел IX. Пространственные конструкции покрытий .336

Глава 1. Основные формы, конструктивные особенности .336

Глава 2. Распорные своды, складки, структуры .. .337

Конструктивные формы сводов337

Кружально-сетчатые своды 344

Складки363

Структурные конструкции367

Глава 3. Купола371

Общие сведения371

Тонкостенные купола-оболочки372

Ребристые купола 381

Ребристо-кольцевые купола 386

Сетчатые купола 389

Кружально-сетчатые куполаиз сомкнутых сводов .391

Глава 4. Цилиндрические, эллиптические и гиперболические оболочки 398

Своды-оболочки, крестовые своды, оболочки двоякой положительной кривизны398

Гиперболические оболочки405

Глава 5. Пневматические строительные конструкции покрытий ...........410

Общие сведения,410

Материалы для пневматических конструкций ...415

Принципы расчета пневматических конструкций..418

Раздел X. Изготовление деревянных конструкций . .425

Глава 1. Лесопильное производство426

Круглые лесоматериалы 427

Пиломатериалы428

Складирование пиломатериалов 433

Глава 2. Сушка древесины436

Состояние влаги в древесине .......436

Усушка и разбухание440

Закономерности движения влаги в древесине при сушке 442 § 2.4. Внутренние напряжения в древесине при сушке. Коробление 443

Конвективная атмосферная сушка446

Конвективная газопаровая (камерная) сушка...449

Конвективная сушка в жидкостях453

Сушка в поле токов высокой частоты453

Глава 3. Механическая обработка древесины . . . . 454 §3.1.Распиловка456

Строгание и фрезерование461

Сверление 468

Ручное оборудование для механической обработки .469

Чистота обработки поверхности древесины н обеспечение сборпости конструкций 469

Припуски на механическую обработку. Расчет потребности в лесоматериалах471

Глава 4. Производство клееных деревянных конструкций 473 §4.1. Подготовка древесины, сушка, сортировка ....473

Вырезка дефектных мест, сращивание досок по длине и ширине 476

Подготовка поверхности под склеивание. Приготовление и нанесение клея478

Сборка пакета и запрессовка конструкций ....486

Окончательная обработка конструкций ...,489

Контроль качества и приемка конструкций...490

Технологические схемы цехов по производству несущих

и ограждающих конструкций ....'492

Глава 5. Способы защитной обработки деревянных конструкций 494

Глава 6. Техника безопасности в производстве деревянных конструкций .,497

Раздел XI. Основы эксплуатации деревянных конструкций 499

Глава 1. Общие сведения499

Классификация зданий по капитальности. Эксплуатация деревянных зданий, сооружений н конструкций . .. .499

Виды дефектного состояния деревянных конструкций, возникающие прн эксплуатации зданий и сооружений. .501

Глава 2. Техническое обслуживание деревянных конструк

ций зданий и сооружений502

Диагностирование дефектов деревянныхконструкций502

Защита деревянных конструкций от биовредителей в условиях эксплуатации 505

Глава 3. Усиление деревянных конструкций ....511

Основные принципы усиления деревянных конструкций 511

Классификация методов усиления деревянных конструкций -512

Методы усиления деревянных конструкций без изменения прежней схемы их работы514

Методы усиления деревянных конструкций с изменением прежней схемы их работы ,.517

Раздел XII. Основы экономики конструкций из древесины и пластмасс ..,518

Отбор вариантов конструкций для анализа и условия их сравнимости 518

Система технико-экономических показателен. Критерий эффективности 520

Методика определения технико-экономических показателей (основные положения)522

Понятие об областях рационального применения конструкций из древесины и пластмасс. Факторы, влияющие иа их эффективность 526

Список рекомендуемой литературы 532

Предметный указатель ..........533

УЧЕБНИК

Юрий Владимирович Слицкоухов, Владимир Дмитриевич Б у- данов, Мурат Максимович Г а п и о е в, Игорь Михайлович Г у с fa- ко в, Зоя Борисовна Махутова, Борис Абрамович Освенскнй, Владимир Сергеевич Сарычев, Эдуард Владимирович Филимонов

КОНСТРУКЦИЙ ИЗ ДЕРЕВА И ПЛАСТМАСС

Редакция литературы по строительным материалам и конструкциям

Зав. редакцией п. И. Филимонов

Редактор Л. И. Круглова

Оформление обложки художника А. Г. Моисеева

Технический редактор М. В. Павлова

Корректоры К. М. Корепанова, Е. А. Степанова

ИБ № 3449

Сдано в набор 20.01.86. Подписано в печать 27.С3.86. Формат 84Х1087з2 Д. л. Бумага кн.-журн._ ими* * Гарнитура литературная. Печать высокая. Усл. печ. л. 28,56, * Усл. кр.-отт. 28,56. Уч.-изд. л. 28.72. Тираж 68 000 экз. Изд. № AI-712. Заказ 423. Цена 1 р. 30 к.

Сгройиздат, 101442, Москва, Каляевская, 23а

Владимирская типография Союзполиграфпрома при Государственном комитете СССР по делам издательств, полиграфии и книжной торговли

600000, г. Владимир, Октябрьский проспект, д. 7

тозаровой и Е. Н. Серовым в ЛИСИ в 1969 г. Ими же предложен

и метод расчета,