16 Вопрос

Распорные конструкции треугольного очертания из прямоугольных клееных балок, поставленных под углом к горизонту, соединенных затяжкой для восприятие распора и скрепленных в коньке накладками, показаны на рис 35.7. Возможно решение без затяжек с восприятием распора фундаментами.

Pиc. 35.7. Распорная система треугольного очертания с клееными

элементами:

а — геометрические параметры; б — конструкция треугольной системы с затяжкой; в — расчетная схема клееного элемента

Узлы в конструкции этой системы решаются с эксцентриситетом (рис. 35.7), благодаря чему уменьшается расчетный момент:

Где Mq — момент от поперечной нагрузки; MN— разгружающий момент от продольной силы; е — эксцентриситет. При равномерно распределенной нагрузке

где l — пролет всей конструкции.

Клееный элемент проверяют на прочность как сжато-изогнутый эле­мент, а также на устойчивость плоской формы деформирования по фор­муле

где n = 2 — для элементов без закрепления растянутой зоны из плоско­сти деформирования и n = 1 для элементов, имеющих такие закрепле­ния; φ— коэффициент продольного изгиба, определяемый по формуле (33.6) для гибкости участка элемента расчетной длины lр из плоскости деформирования; φм — коэффициент, определяемый по формуле (33.18).

К недостаткам эксцентричного решения узлов относится концентра­ция скалывающих напряжений в зоне опирания, что учитывается введе­нием коэффициентак_ск>1

где к_ckнаходят по графику рис. 35.8

Рис. 35.8.Кэффициентыk_CKi учитывающие опирание элемента частью сечения и концентрацию скалывающих напряжений

Следует ограничивать значение эксцентриситета. Рекомендуется при­нимать e<0,15h.

Подвески, поддерживающие металлическую затяжку, необходимо ставить с шагом не более 400r_н, где r_н — радиус инерции сечения растя­нутой затяжки в вертикальной плоскости.

Дощатоклееные арки

Очертание клееных арок принимают обычно кру­говое с отношением высоты к пролету не менее 1/8. Клееные арки с отношением высоты к пролету более 1/2 называют стрельчатыми. При этом полуарки делают одного радиуса, но со смещением центров окруж­ности с оси симметрии.

Сечение арки представляет собой клееный многослойный пакет гну­тых досок, толщина которых должна быть не более 1/300 радиуса кри­визны и не более 33 мм. Форма сечения обычно принимается прямо­угольной, но бывает и двутаврового сечения.

Дощатоклееные арки бывают двух- и трехшарнирными (рис. 35.9).

Рис. 35.9.Дощатоклееные арки: а — двухшарнирная кругового очертания со стальной затяжкой; б — то же трехшарнирная; в, г — трехшарнирная стрельчатого очертания; д — узлы арок

Нагрузки на арки определяются в соответствии с [1].

Нагрузка от собственного веса арки

Где g и р — постоянная и временная нагрузка на арку;Ксв = 2-4 — коэф­фициент собственного веса арки; l — пролет арки, м.

Статический расчет арки выполняется по правилам строительной механики, в результате которого определяются значения усилий М, N к Q.

Проверку на прочность арки выполняют как для сжато-изгибаемого элемента в сечении с максимальным изгибающим моментом и соответ­ствующей ему нормальной силой:

ЗдесьМс — момент от симметричной нагрузки;Мкс - момент от на­грузки, создающей кососимметричную форму продольного изгиба; ξc и ξkcкоэффициенты, определяемые при значениях гибкостей, соответ­ствующих симметричной и кососимметричной формам продольного из­гиба; N₀ — значение сжимающей силы в ключевом сечении арки.

Расчетную длину арки l₀ при определении ее гибкости принимают:

для двухшарнирных арок при симметричной нагрузке l₀= 0,6S;

для трехшарнирных арок при симметричной нагрузке l₀ = 0,7S;

для двухшарнирных и трехшарнирных арок при несимметричной нагрузке l₀ = 0,5S;

для трехшарнирных стрельчатых арок с углом перелома в ключе бо­лее 10° при всех видах нагрузки l₀ = 0,5S.

Здесь S— длина всей дуги арки.

При отношении напряжений от изгиба к напряжениям от сжатия менее 0,1 производят расчет на устойчивость в плоскости кривизны арки по формуле

Накладки в коньковом узле рассчитывают на поперечную силу при несимметричном загружении арки. Накладки работают на поперечный изгиб. Изгибающий момент накладки (рис. 35.9)

Усилия, действующие на болты

Несущую способность болтов определяют с учетом направления сил поперек волокон — она должна быть больше действующих усилий R1 R2.

Крепление арки в опорных узлах рассчитывают на максимальную поперечную силу, действующую в этих узлах.

Рамы

Рамы отличаются от арок своим очертанием, которое сильно влияет на распределение изгибающих моментов в пролете. В рамах, как и в ар­ках, материал работает на сжатие с изгибом. Но если в арках превалиру­ет сжатие, то в рамах — изгиб. Подобно аркам, рамы являются распор­ными конструкциями.

Рамы рекомендуется делатьтрехшарнирными, так как в статически определимых системах, какой и является трехшарнирная рама, не про­исходит перераспределения усилий при деформировании под длительно действующей нагрузкой, что обеспечивает соответствие их расчетным значениям. Особенность трехшарнирных рам заключается в том, что наибольшие изгибающие моменты возникают в зонах примыкания риге­ля к стойке (карнизные узлы). В результате разгружающего действия распора изгибающие моменты в ригеле уменьшаются.

Дощатоклееные гнутые рамы (рис. 35.10, а, б) имеют прямоуголь­ное, переменное по высоте поперечное сечение. Криволинейность кар­низных узлов создается выгибом досок на заводе при изготовлении рам.

Рис. 35.10.Деревянные клееные рамы: а — дощатоклееная с переменной высотой сечения; б — то же, со ступенчатым изме­нением высоты сечения; в — с карнизным узлом с накладками из фанеры; г — с кар­низным узлом на зубчатом шипе; д — с консолями и ригелем, опирающимся на стойки и подкосы; е — то же, с ригелем, опирающимся только на подкосы;ж ~~ клеефанерная

В связи с переменностью высоты сечения нормальные напряжения следует проверять в различных местах рамы по длине элементов. Про­верку выполняют по формуле для сжато-изгибаемого стержня

Здесь Ni и Mi — нормальная сила и изгибающий момент в рассматри­ваемом сечении; F_i6p и W_iHm — площадь и момент сопротивления рамы в рассматриваемом сечении; λ— гибкость рамы, постоянная для всех се­лений рамы; кс — коэффициент, учитывающий распределение напряжений в кривом брусе в зависимости от отношения высоты поперечного сечения h к среднему радиусу кривизны r (рис. 35.11).

Коэффициент к_с определяют для сжатой внутренней кромки сечения по формуле

Рис. 35.11. Расчетная схема к определению напряжений в криволинейной части гнутоклееных рам

При переменной высоте прямоугольного сечения рамы ее гибкость можно вычислить приближенно

гдеl₀ — расчетная длина, равная длине полурамы по осевой линии;hnp - средневзвешенная высота сечения рамы

Здесь l_i и h_i —- длины и средние высоты сечений участков, на которые разбивается полурама

Дощатоклееные рамы из прямолинейных элементов (рис. 35.10, в-е) Недостаток этих рам — необходимость сбор­ки карнизных узлов в построечных условиях, поэтому от удачного реше­ния стыка в этом узле (где действует наибольший изгибающий момент) зависит успех всей конструкции.

Рамы иногда проектируют с карнизным узлом, решенным с помо­щью парных накладныхкосынок из фанеры марки ФСФ или бакелизированной фанеры (рис. 35.10, в).

Фанерные косынки, приклеиваемые к стойке и ригелю, перекрывают стык, воспринимая нормальные усилия и изгибающий момент. Недоста­ток такого решения состоит в возможности разрушения клеевого шва при усушке и разбухании пакета досок, приклеенного к фанерной косын­ке больших размеров.

Большей надежностью отличаются рамы из прямолинейных элемен­тов с ригелем, имеющим консоли, опирающимся шарнирно на стойки и подкосы (рис. 35.10, д, е). Элементы таких рам работают как сжатоизгибаемые стержни.

В строительстве получили применение также 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 технологическое ослабле­ние, так и криволинейность эпюры напряжений

гдеW_Hm= bh²₆ / 6;F_нт=bh₆; к_Т—коэффициент технологического ослаб­ления сечения, принимаемый для элементов постоянного сечения 0,8 и для элементов переменного сечения 0,9;h_б — высота биссектрисного се­чения; η — коэффициент, учитывающий криволинейность эпюры напря­жений (рис. 35.12); α — угол между биссектрисой и нормалью к оси стойки, °;

Проверку устойчивости плоской фермы деформирования рам произ­водят так же, как и для арок.

Рис. 35.12. Расчетная схема к определению напряжений по биссектрисному сечению карнизного узла

Клеефанерные рамы (рис. 35.10, ж) в поперечном сечении могут быть двутавровыми или коробчатыми.

Клеефанерные рамы следует рассчитывать не только по прочности, но и по деформациям. При расчете аналогично клеефанерным балкам принимают приведенные геометрические характеристики сечений.

Плоские сквозные дк.

Фермы

Конструкции, состоящие из поясов и связывающих их решеток, на­зывают сквозными. Пояса в сквозных конструкциях могут состоять из одной 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 материалов на конструкцию. Однако в отличие от сплошных плоскостных конструк­ций в сквозных (фермах) имеются узловые соединения элементов ре­шетки между собой и с поясами, требующие специальных средств со­единения.

При узловой нагрузке в элементах ферм возникают только продоль­ные сжимающие и растягивающие усилия. Нормальные напряжения как по длине стержней, так и по сечению распределяются равномерно, и не­сущая способность материала используется более полно. Деревянные фермы проектируют однопролетными, разрезными, статически опреде­лимыми, с шарнирным прикреплением в узлах.

Чтобы обеспечить надежную работу ферм, применяемых в покрыти­ях капитальных зданий, стремятся исключить работу дерева на растяже­ние. Этому требованию удовлетворяютметаллодеревянные фермы, в которых растянутые элементы выполняют из металла, а сжатые и сжа­то-изогнутые — из дерева.

Решетки соединяют с поясами при помощи лобовых вру­бок, лобовых упоров, стальных или деревянных накладок, прикреплен­ных к элементам ферм нагелями.

Во избежание вредного влияния усушки древесины стыки и узлы ферм проектируют таким образом, чтобы усилия передавались вдоль волокон.

По очертанию верхнего пояса металлодеревянные брусчатые фермы бывают двускатными, односкатными, треугольными, многоугольными и с параллельными поясами.

К фермам заводского изготовления относятся металлодеревянные фермы, верхний пояс и решетка которых выполнены из клееной древе­сины, а нижний — из стали. Эти фермы могут иметь пятиугольное, трапециедальное, треугольное и сегментное очертания (рис. 36.1).

Рис. 36.1.Схемы металлодеревянных ферм из клееных элементов: а — пятиугольная; б — трапециедальная; в — треугольная; г — сегментная; 1 — дощатоклееные элементы; 2 — элементы из стальных профилей; 3 — стальной тяж	Рис. 36.2. Схемы ферм из бревен и брусьев: а — металлодеревянная треугольная; б — мет ал л о деревянная многоугольная; в — треугольная на лобовых врубках; г — пятиугольная на лобовых врубках; 1 — деревянные элементы; 2 — стальные профили; 3 — стальные тяжи круглого сечения

В пятиугольных, трапециедальных, треугольных фермах (рис. 36.1, а, б, в) панели верхнего пояса в узлах стыкуют с эксцентриситетом для уменьшения расчетных моментов. В сегментных же фермах (рис. 36.1, г) все узлы центрируют по осям элементов.

К фермам построечного изготовленияотносятся металлодеревянные треугольные, многоугольные и пятиугольные фермы (рис. 36.2), элементы которых выполнены из цельных неклееных брусьев и сталь­ных профилей; фермы из бревен и брусьев с узловыми соединениями на лобовых врубках (рис. 36.2, д, в, г), шпренгельные фермы из брусьев и бревен, а также простейшие фермы из досок с узловыми соединениями на гвоздях.

Фермы на лобовых врубках имеют треугольное или пятиугольное очертание (рис. 36.2, в, г). Схема решетки в этих фермах принимается таким образом, чтобы раскосы были сжаты, а стойки — растянуты.

Для сохранения геометрической неизменяемости ре­шетку фермы снабжают дополнительными нисходящими раскосами (рис. 36.2, г), которые в этом случае компенсируют выход из работы средних восходящих раскосов.

Многоугольные фермы

Многоугольные фермы применяют для пролетов 12—24 м с шагом до 6 м. Очертание верхнего пояса принимают в виде многоугольника, вписанного в круг. Особенностьюмногоугольныхферм является реше­ние почти всего верхнего пояса из одинаковых прямолинейных балок, выполненных из брусьев (в некоторых случаях из клееных элементов) с передачей усилий в узлах через металлические вкладыши. Соединения перекрывают в узлах накладками на болтах. Нижний пояс делают, как правило, металлическим из профильной стали. Решетку принимают тре­угольной со стойками. Брус верхнего пояса перекрывает две панели и является двухпролетной неразрезной балкой, за исключением опорных панелей, имеющих вдвое меньшую длину (рис. 36.3).

Рис. 36.3. Многоугольная брусчатая ферма системы ЦНИИСК

Опорный узел ферм выполняется в виде сварного башмака, показан­ного на рис. 36.3. Брус верхнего пояса упирается в упорный элемент (пла­стинка из листовой стали, усиленная ребрами жесткости). Боковые фасонки башмака передают усилия на опорную плиту. К ним сбоку внутри башмака приварены стальные элементы верхнего пояса. В опорном узле, 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.

Основные принципы конструирования узлов, изложенные для мно­гоугольных ферм, применяются также для выполнения треугольных ферм из клееных элементов (рис. 36.4) и других ферм.

Сегментные фермы

Верхний пояс сегментных клееных ферм очерчен по дуге и разбит на панели крупных размеров. Применяют главным образом металлодере­вянные сегментные фермы с клееным верхним поясом и с прямолиней­ным нижним поясом из профильной или круглой стали. Пролеты клее­ных сегментных ферм могут достигать 36 м.

Верхний пояс изготовляется неразрезным на половину пролета или состоит 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

Элементы решетки сегментных ферм изготовляют либо из брусьев, либо из клееной древесины.

Конструкция узлов верхнего пояса различна при разрезном и нераз­резном поясе (рис. 36.5). В обоих случаях к концам раскосов прикрепля­ют на болтах металлические пластинки-наконечники, имеющие в сво­бодном конце отверстие для узлового болта.

Некоторые возможные варианты конструктивного решения проме­жуточных узлов нижнего пояса приведены на рис. 36.5 (узел В).

Рис. 36.5. Конструкции узлов клееных сегментных ферм с разрезным и неразрезным верхним поясом

Опорные узлы сегментных клееных ферм имеют следующие два ос­новных варианта. В первом варианте нижний торец клееного верхнего пояса обрезают так, чтобы создать горизонтальную плоскость для опирания фермы и вертикальную — для упора в сварной элемент, состоя­щий из упорного элемента и боковыхфасонок, к которым приваривают стальные элементы нижнего пояса. Во втором варианте торец клееного верхнего пояса упирается в упорный элемент (упорная пластина из сталь­ного листа, усиленного ребрами жесткости, или швеллер) сварного баш­мака. Боковые фасонки передают усилия на опорную плиту. К ним сна­ружи или внутри приваривают элементы нижнего пояса.

Дощатые фермы на металлических зубчатых пластинах

Применяют­ся они преимущественно при пролетах до 18 м (рис. 36.6). Они могут быть треугольными, многоугольными, односкатными и др. Все элемен­ты таких ферм изготовляют из досок длиной до 6,5 м и шириной до 20 см. Доски в узлах ферм соединяют с помощью металлических плас­тин с выштампованными зубьями, которые при заводском изготовле­нии ферм одновременно впрессовывают с двух сторон, соединяя все схо­дящиеся элементы.

В зависимости от сечения деревянных элементов и действующих в них усилий применяют пластины различных типоразмеров. Сборку та­ких конструкций ведут на автоматизированных стендах.

Рис. 36.6. Дощатая треугольная ферма с соединениями на металлических

зубчатых пластинах: 1 — доска; 2 — металлическая зубчатая пластина

К достоинствам этих ферм относятся низкая стоимость, простота монтажа и изготовления, малая масса, к недостаткам — малая огнестой­кость.

Устойчивость и жесткость деревянных конструкций

на сооружение действует еще и ряд других нагрузок: ветер, сейсмические толчки, случайные эксплуатационные нагрузки, — направление которых не совпадает с плоскостью несущих конструкций. Для восприятия этих нагрузок плоские конструкции должны быть зак­реплены в поперечном направлении специальными связями. Для этой цели может быть использована конструкция кровли в виде двойного до­щатого настила, образующего жесткую пластинку, соединенную с про­гонами, а последние — с узлами верхнего пояса ферм. При отсутствии такого жесткого ската крыши устраивают специальные связи жесткости. В деревянных сооружениях связи жесткости должны обеспечить:

а) поперечную и продольную устойчивость всего остова деревянного сооружения, а также воспринять любые горизонтальные нагрузки, дей­ствующие на сооружение, и передать их на фундамент. Связи эти разме­щают в плоскостях стен и на кровле вдоль стен, в плоскости ската кры­ши или в плоскости нижних поясов ферм;

б) устойчивость сжатого, а иногда и растянутого контура плоских систем (ферм, составных балок, арок и др.), а также принять и передать на нижележащие конструкции (стены) горизонтальные усилия, действу­ющие на отдельные элементы покрытий.

Связи эти размещают в плос­костях скатов кровли между фермами: горизонтальные — в плоскости нижних поясов; вертикальные — в плоскостях опорных и средних стоек ферм.

На плане покрытия (рис. 37.1) вертикальные связи в продоль­ных и торцевых стенах показаны пунктиром.

Для раскрепления уз­лов верхнего пояса остальных ферм покрытия через каждые 20—25 м по длине здания в плоскости верхних поясов устраивают аналогичные связевые фермы. Промежуточные фермы раскрепляются при помощи про­гонов, которые должны быть закреплены как в узлах связевых ферм, так и в узлах промежуточных раскрепленных ферм.

Поясами связевых ферм являются верхние пояса двух соседних ос­новных ферм, стойками служат прогоны, а раскосы выполняют в виде досок, прибитых снизу к прогонам, или накрест расположенных тяжей из круглой стали. Вертикальные поперечные связи, служащие для со­здания неизменяемого пространственного блока, ставятся между каж­дой парой ферм с интервалом в один шаг ферм (рис. 37.1, в).

При кирпичных жестких стенах, воспринимающих ветровую нагруз­ку, ветровые фермы у торцевых стен можно не ставить. В этом случае устойчивость сжатых поясов ферм (составных балок, арок, рам и т.д.) может быть обеспечена прогонами кровли, заанкеренными в кладке тор­цевых стен. При большой длине здания связевые фермы ставятся через каждые 20—25 м.

Рис. 37.1. Схемы расположения связей в каркасных зданиях: я — поперечный разрез; б — план связей; в — продольный разрез; 1 — прогон кров­ли; 2 — вертикальные связи в торцевой стене; 3 — горизонтальная ветровая ферма; 4 — продольная ветровая ферма в плоскости кровли; 5 — вертикальные поперечные связи; б — основные фермы, несущие покрытие; 7 — вертикальные связи в стенах

Верхним концам стоек продольной стены для

оперечной устой­чивости здания необходима неподвижная опора, которой являются про­дольные ветровые фермы в плоскости кровли, опирающиеся на жесткие в поперечном направлении торцевые и промежуточные стены. Расстоя­ние между этими поперечными стенами также не должно превышать 20—25 м (рис. 37.1, а).

Поперечная устойчивость здания может быть обеспечена также за­щемлением в фундаментах плоских деревянных, решетчатых или клее­ных стоек, рассчитанных на восприятие горизонтальных нагрузок.

В деревянных одноэтажных зданиях к элементам жесткости отно­сятся также продольные и чердачные перекрытия. Жесткость продоль­ных и поперечных стен возрастает при обшивке фрагментов каркаса или щитов фанерой или ориентированно-стружечной плитой (ОСП). Таким образом создается неизменяемая, жесткая и устойчивая коробка.

Устойчивость сжатых элементов

При соблюдении оптимального отношения высоты сечения к проле­ту сплошные и сквозные деревянные конструкции обычно бывают дос­таточно жесткими и устойчивыми в плоскости действия внешних верти­кальных нагрузок. Но они обладают весьма малой жесткостью и устой­чивостью из плоскости и нуждаются в пространственном креплении.

Устойчивость сжатых поясов ферм, балок, арок и рам достигается устройством прогонов, надежно прикрепленных к поясам, и горизонталь­ных и вертикальных связей (рис. 37.1). Прогоны кровельных покрытий необходимо устраивать неразрезными или стыки разрезных и консольно-балочных прогонов перекрывать деревянными накладками, скрепля­емыми с прогонами нагелями или гвоздями. Чтобы препятствовать пе­ремещению сжатых поясов из плоскости, к прогонам подшивают дере­вянные бобышки (рис. 37.2, а).При наличии жестких фронтонов стен концы прогонов должны быть надежно заанкерены в них (рис. 37.2, б).

Рис. 37.2. Примеры крепления прогонов кровли: а — к ферме; б — к торцевым стенам; 1 — верхний пояс фермы; 2 — бобышки; 3 — прогон; 4 — полосовая сталь

Связи жесткости, раскрепляющие сжатые элементы конструкций, рассчитывают на фактическую нагрузку (в частности, ветровую) или на условную нагрузку, равную 0,02 максимального сжимающего усилия N в раскрепляемом элементе. Если к связевой ферме с помощью прогонов прикреплено n плоских систем (ферм, арок и т.п.), то считается, что в каждом узле связевой фермы приложена дополнительная нагрузка 0,02 nN. Конструкция вертикальных и горизонтальных связей между ферма­ми показана на рис. 37.3.

Рис. 37.3. Конструкция вертикальных и горизонтальных связей между

фермами:

а — вертикальные связи; б — горизонтальные связи; 1 — верхний пояс фермы; 2 — нижний пояс фермы; 3 — прогоны; 4 — раскосы связей; 5 — уголок; 6 — болт