17 Вопрос

ДЕРЕВЯННЫЕ СТОЙКИ

Деревянные стойки могут быть цельнодеревянными, состав­ными, клеедеревянными и решетчатыми.

Цельнодеревянные стойки представляют собой деревянные элементы — брусья, толстые доски или бревна круглого или окан­тованного сечения. Они применяются в виде опор покрытий, на­весов, рабочих площадок, платформ, элементов каркаса деревянных стен ограждений, вертикальных стержней сквозных кон­струкций, опор линий электропередач и связи.

Рис. 5.8. Составные брусчатые стойки:

а — сплошная; б — сквозная с прокладками; в — схема работы; / — брусья; 2 — болты; 3 — прокладки

Размеры цельнодеревянных стоек и их несущая способность ограничены сортаментом лесоматериалов. Длина их не должна превышать 6,4 м, а размеры сечений практически не превышают 20 см. Большие длины и сечения имеют стойки линий электропе­редач, изготовляемые из лесоматериалов, специально предназна­ченных для них.

Стойки из брусьев квадратного сечения и из круглых бревен применяются в основном в тех случаях, когда их концы закреп­ляются шарнирно и на них действуют только сжимающие нагруз­ки. Стойки из брусьев прямоугольного сечения и из толстых досок с шарнирно закрепленными концами применяются в слу­чаях, если на них действуют не только вертикальные сжимающие нагрузки, но и горизонтальные, например ветровая, вызываю­щая в них изгиб, в направлении которой они ставятся больши­ми размерами сечений.

Шарнирно закрепленные стойки применяются также в сквоз­ных конструкциях.

Стойки из бревен круглого сечения, широко применяемые в качестве невысоких опор линий электропередач, имеют заделан­ные опорные и свободные концы и на них действуют вертикаль­ные и горизонтальные нагрузки.

Крепления цельнодеревянных стоек к опорам имеют различ­ную конструкцию. Они могут крепиться к бетонным или железо­бетонным конструкциям при помощи стальных закладных частей. Крепление заделанных опорных концов стоек линий электропе­редач и связи, которые эксплуатируются на открытом воздухе, обычно выполняются с помощью коротких железобетонных стержней, называемых «пасынками», заглубленных в грунт. Стойка крепится к пасынкам так, что ее нижний конец оказыва­ется над поверхностью земли, не контактирует с грунтовой сы­ростью и дольше сопротивляется загниванию.

Расчет цельнодеревянных стоек производится методами и по формулам расчета деревянных элементов. Шарнирно опертые стойки, нагруженные только вертикальной сжимающей нагруз­кой, рассчитываются по формулам (2.5) расчета сжатых элемен­тов на сжатие и устойчивость. Шарнирно опертые стойки, нагруженные вертикальной сжимающей и горизонтальной изги­бающей нагрузками, рассчитываются в направлении действия изгибающей нагрузки на сжатие с изгибом по формуле (2.11), а в другом направлении проверяются на сжатие и устойчивость.

Составные стойки состоят из цельных брусьев или из толстых досок, соединенных по длине болтами или гвоздями. Стержни составных стоек соединяются пластями вплотную или имеют между ними зазоры, выполняемые при помощи коротких доща­тых или брусчатых прокладок. Длины составных стоек, как и цельнодеревянных, не превышают 6,4 м.

Составные стойки применяются тогда, когда несущая способ­ность цельнодеревянных стоек недостаточна для восприятия действующих нагрузок. Эти стойки обычно имеют шарнирно за­крепленные концы и работают, как правило, только на продоль­ные сжимающие силы от вертикальных нагрузок. В направле­нии относительно материальной оси составные стойки могут работать также на сжатие с изгибом и воспринимать дополнитель­но горизонтальные изгибающие нагрузки.

Расчет составных стоек производится на сжатие и устойчи­вость по формуле (2.5) в двух плоскостях. Расчет относительно материальной оси, которая проходит через центры сечений обоих элементов стойки, производится как стойки цельного сечения шириной, равной ширине сечения обоих брусьев..

Расчет стойки относительно свободной оси, проходящей вне сечений брусьев, производится с учетом того, что ее гибкостьсущественно выше, а несущая способность ниже, чем стойки цельного сечения двойной высоты.

Повышенная гибкость стойки относительно свободной оси на­зываетсяприведенной гибкостью λпр и определяется по формуле

— коэффициент приведения гибкос­ти; Кс — коэффициент податливости соединений зависит от отно­шения диаметра болтаd к толщине бруса h1; при отношении d/h1 < 1/7; Кс = 0,2/d2, при d/h1> 1,7;Kc = 1.5/(h1d) прии гвоздевых соединениях Кс = 0,1d² ;n_ш — число швов плоскостей сдвига; для стойки из двух брусьев без зазоров n_ш = 1. Для стойки из двух брусьев с прокладками и зазорамиn_ш = 2;l — длина стойки, м; n_c — число связей — болтов или гвоздей на дли­не 1 м — гибкость стойки без учета по­датливости соединений; λ₁— гибкость одного бруса, как шарнир- но закрепленного болтовыми соединениями на длине, равной ша­гу l₁ болтов.

Коэффициент устойчивости φ_у определяется в зависимости от гибкости λпр по формулам φ_y = 3000/λ² или φ_y =1- 0,2(λ/100)².

Подбор сечения составных брусчатых стоек производится из условия принятой гибкости относительно материальной оси се­чения, которая не должна превышать допускаемого значения [λ] ≤ 120. При этом требуемая высота прямоугольного сечения h_Тр при длине стойкиl определяется из выражения h_тр = l/(0,29λ).

Порядок расчета приведен в примере 5.4.

Клеедеревянные стойки (рис. 5.9) являются конструкциями исключительно заводского изготовления. Их формы и размеры могут быть любыми и определяются только назначением, вели­чинами действующих нагрузок, расчетом и не зависят от огра­ничений сортамента досок, применяемых для их склеивания. Раз­меры сечений могут превышать 1 м, а их длины — достигать 10 м. Клеедеревянные стойки могут иметь сечения квадратные и прямоугольные постоянные, переменные и ступенчатые по дли­не.

Рис. 5.9. Клеедеревянные стойки:

а — постоянного квадратного сечення; б — постоянного прямоугольного сече-ння; в — переменного прямоугольного сечення

Возможно также изготовление клеедеревянных стоек кругло­го сечения. Трудоемкость изготовления и стоимость этих стоекзначительно выше, чем цельнодеревянных, но они могут иметь значительно большую несущую способность.

Клеедеревянные стойки постоянного квад­ратного сечения (рис. 5.9, а) имеют размеры сечения, значительно превосходящие реальную ширину досок, и поэтому при их изготовлении доски должны стыковаться не только по пластям, но и по кромках. Они в большинстве случаев приме­няются в качестве внутренних отдельно стоящих элементов кар­каса зданий, несущих значительные нагрузки. Эти стойки имеют как правило, шарнирные закрепления концов. Они работают и рассчитываются на действие только продольных сжимающих сил N от расчетных нагрузок по формуле (2.5), на сжатие и устой­чивость— с учетом коэффициентов условий работы m_б и m_сл. Крепление этих стоек к опорам осуществляется с помощью за­кладных частей бетона или железобетона, а крепление к ним деревянных перекрытий — с помощью стальных креплений.

Клеедеревянные стойки постоянного пря­моугольного сечения (рис. 5.9, б)применяются в боль­шинстве случаев в качестве вертикальных стоек деревянных на­ружных стен значительной высоты, например торцевых фахвер­ков. Высота их сечений обычно значительно превосходит шири­ну, которая, как правило, принимается не больше ширины склеи­ваемых досок, чтобы избежать склеивания их по кромкам. Стойки обычно имеют шарнирно закрепленные концы и распола­гаются большими размерами сечений в направлении из плос­кости стен. Эти стойки работают и рассчитываются в направле­нии большего размера сеченияhна сжатие с изгибом от дейст­вия сжимающих сил N от вертикальных нагрузок и изгибающего момента М от горизонтальной ветровой нагрузки. Проверка их несущей способности в этом направлении производится по фор­муле (2.11), как деревянных элементов.

В направлении меньшего размера сечения hoэти стойки ра­ботают и рассчитываются только на сжатие и устойчивость по формуле (2.5) при их расчетной длине, равной расстоянию меж­ду их закреплениями вертикальными связями каркаса стен. Крепление этих стоек к опорам и несущим конструкциям вы­полняется аналогично креплению стоек квадратного сечения, од­нако они должны быть рассчитаны также на действие горизон­тального ветрового давления.

Клеедеревянные стойки переменного пря­моугольного сечения (рис. 5.9, в) обычно служат опо­рами основных несущих конструкций покрытий производственных однопролетных зданий значительной высоты. Они имеют жесткое соединение с фундаментом и шарнирное с опорными узлами конструкций покрытия. Сечения этих стоек имеют постоянную по длине ширину Ь и переменную высоту: максимальнуюh— у нижнего опорного конца, где действуют наибольшие усилия, и минимальную h₀— у верхнего конца, где изгибающие моменты отсутствуют.

Высота сечения верхнего конца стойки определяется в основ­ном требованиями прочности и удобства опирания на него несу­щих конструкций покрытия. Высота сечения нижнего опорного конца определяется условиями предельной допускаемой гибкости стойки, ее несущей способности и конструкции ее жесткого крепления к фундаменту.

В средней части торца нижнего конца стойки рекомендуется делать треугольный вырез. При этом нормальные напряжения сжатия при изгибе концентрируются в крайних зонах торца стойки, увеличивается плечо пары внутренних сил при изгибе и уменьшаются усилия в опорных креплениях. Такие стойки рабо­тают на вертикальную сжимающую силу N,равную опорному давлению несущей конструкции от собственного веса, снега и ве­са самой стойки. Кроме того, на стойку действуют горизон­тальные равномерно распределенные нагрузки от давления или отсоса ветра. Максимальный изгибающий момент М возникает в опорном сечении стойки. Он определяется с учетом того, что сила N действует вдоль условной вертикальной оси стойки с эксцентриситетом относительно опорного сечения е =(h— h₀)/2и что изгибающий момент того же знака возникает от отсоса ветра ω. При этом суммарный изгибающий момент

Поперечная сила, максимальная на опоре, возникает от поло­жительного давления ветра и поэтому Q= ω+l.Отсос ветра на покрытии может не учитываться, поскольку он уменьшает про­дольную силу в стойке. При конструкциях покрытия в виде балок или ферм с жесткими нижними поясами следует учитывать до­полнительное горизонтальное сосредоточенное давление на верх стойки от различной величины ветрового давления и отсоса, рав­ное

Расчет такой стойки в направлении большей высоты сечений в плоскости действия ветровых нагрузок производится на сжатие с изгибом по формуле (2.11). Расчетная длина стойки, как заде­ланной на опоре и имеющей свободный верхний конец, прини­маетсяl_р= 2,2l. Если свободный конец стойки шарнирно закреп­лен в плоскости покрытий от горизонтальных смещений, то ее расчетная длина принимается l_р=0,8l.Радиус инерции опорного сечения стойки определяется из выражения , где момент инерции / = b(h³— а³)/12, а — высота выреза. Коэффициент, учитывающий переменность высоты сечения, К_жn = 0,07 + 0,93 h_o/h. Коэффициент устойчивости φ=3000 К_жN/λ², Коэф­фициент учета деформаций изгиба стойки при вычислении изги­бающего момента М_д=М/ξ, где ξ=1— N/λ²/(3000R_CA)определя­ется с учетом полного опорного сечения, так как вырез не влияет на деформации стойки.

Расчетное сопротивление древесины 2-го. сорта сжатию при ширине сечения b> 13 см принимается R_c= 15 МПа, причем учитываются коэффициенты условий работы m_б и m_сл. Коэффи­циентm_H = 1,2 учитывается кратковременность действия ветро­вой нагрузки.

Стойка проверяется на устойчивость плоской формы деформи­рования, как сжато-изгибаемый элемент переменного сечения по методике норм СНиПа, При этом ее расчетная длина принимает­ся равной расстояниям между ее креплениями вертикальными связями. При этом расчетная длина l₁, принимается равной расстоянию между закреплениями стойки в этом направлении вертикальными связями.

Проверка опорного конца стойки на скалывание от попереч­ной силы производится по формуле (2.16).

Жесткие крепления опорного конца стойки к фундаменту осуществляются с применением вклеенных анкерных столиков или наклонно вклеенных стержней, клеедеревянных накладок или других соединений.

Жесткое крепление с анкерными столиками (рис. 5.10) состоит из четырех стальных столиков, прикрепленных к крайним зонам стойки болтами, и четырех анкеров из прутковой стали, замоноличенных в бетоне фундамента, притягивающих к нему столики. Это соединение позволяет подтягивать гайки анкеров в процессе эксплуатации здания и при необходимости менять стойки.

Рис. 5.10. Жесткие опиранияклеедеревянных стоек переменного сечения:

а — крепление с анкерными столиками; б — крепление с вклеенными стальными стержнями; 1 — анкерные столики; 2 — анкеры; 3 — болты; 4 — вклеенные арма­турные стержни

Жесткое крепление стойки и фундамента с вклеенными стальными стержнями состоит из двух групп коротких арматурных стержней, вклеенных в древесину крайних зон сечения стойки и замоноличенных внешними концами в анкерных гнездах фунда­мента. Это соединение отличается простотой, небольшой трудоем­костью и жесткостью, но оно не дает возможности замены стойки.

Расчет жестких креплений стойки к фундаменту производит­ся на действие максимальной растягивающей силы N_p. Она воз­никает от действия максимального изгибающего момента в опор­ном сечении М_д и определяется с учетом продольной силы N по формулеN_p= Мд/е — N/2.Здесь е = h— h₀— плечо пары внутренних сил.

В противоположном креплении при этом возникает сжимаю­щая сила, которая воспринимается лобовым упором торца стой­ки в фундамент.

Расчет жесткого крепления стойки к фундаменту с анкерными столиками заключается в следующем. Требуемое число болтов крепления двух столиков к стойке с учетом их симметричной двухсрезной работы между металлическими накладками опреде­ляется по формуле (3.2).

Требуемое сечение анкеров по нарезке, соединяющих стойку с фундаментом и работающих на растяже­ние, определяется по формуле (3.1)

нарезки.

Расчет жесткого крепления стойки к фундаменту вклеенными стержнями заключается в определении числа стержней, рабо­тающих на выдергивание растягивающей силой. При этом несу­щая способность стержня определяется в зависимости от его диаметра d, глубины вклеивания в древесину I и расчетного сопротивления скалыванию R_CKпо формуле (3.4).

Решетчатые стойки (рис. 5.11.) применяют в качестве опор несущих конструкций покрытий и стен деревянных производст­венных зданий в районах, где нет возможности изготовить клеедеревянные стойки. Их высота может достигать 10 м и более. Они состоят обычно из брусьев, соединяемых в узлах болтами. Такие стойки могут иметь прямоугольную форму с дву­мя вертикальными поясами или треугольную с одним вертикаль­ным и другим наклонным поясами.

Рис. 5.11. Решетчатые стойки: а треугольная; б — прямоугольная; в — виды сеченнй

Высота сечения прямоугольных стоек должна быть не менее 1/6 их длины. Высота максимального опорного сечения треуголь­ных стоек должна быть не менее четверти их длины. Прямоуголь­ные стойки проще в изготовлении, поскольку размеры стержней их решетки не меняются по длине, но они имеют два верхних узла, требующих закрепления из плоскости стойки. Треугольные стой­ки более экономичны по расходу древесины и имеют только один верхний узел, но более трудоемки в изготовлении, так как размеры элементов решетки изменяются по их длине.

Пояса решетчатых стоек могут быть двух-иоднобрусчатыми. Двухбрусчатые пояса с короткими прокладками имеют большую жесткость в направлении из плоскостей стойки, а также зазоры, что упрощает крепление к ним решетки из брусьев или изтолстых досок. Однобрусчатые пояса менее трудоемки в изготов­лении, но для крепления к ним стержней решеткитребуются стальные накладки. Решетка этих стоек имеет обычно раскосно-стоечную схему.

Узловые соединения стержней решетки с двухбрусчатыми поясами выполняются обычно путем введения их концов в зазоры между брусьями поясов и соединения их болтами (рис. 5.12.). Условия расстановки болтов требуют некоторого смещения осей стержней с центра узлов. При этом возникает незначительный эксцентриситет усилий, действующих в стержнях решетки, и небольшой изгибающий момент в стойках, которым можно при расчете пренебрегать.

Рис. 5.12. Узлы решетча­тых стоек:

а — верхние; б — опорные; в — промежуточные; / — пояса; 2 — болты; 3—сталь­ная балка; 4 — анкеры; 5 — стальной уголок; 6 — стер­жни решетки; 7 — стальные накладки

Верхний конец прямоугольной стойки выполняется обычно с помощью горизонтальной балки из стальных профилей, которая стальными фасонками и болтами крепится к поясам стойки, на середину длины этой балки опирается несущая конструкция покрытия. Верхний узел треугольной стойки крепится болтовым соединением концов вертикального и наклонного поясов стойки. При этом опорный узел основной несущей конструкции опираетсянепосредственно на торец вертикального пояса. Опорные узлы этих стоек могут также решаться с помощью стальных накладок, анкеруемых в бетоне фундамента.

Расчет решетчатых стоек основывается на том, что они несут как вертикальные N, так и горизонтальные нагрузки ш и с точки зрения расчета являются вертикально стоящими консольными фермами, шарнирно прикрепленными к фундаменту. Стойки меньшей высоты, чем рекомендуемая, должны рассчитываться как сжато-изгибаемые элементы, жестоко прикрепленные к фундаментам и имеющие свободный или шарнирно закрепленный конец.

На эти стойки действует вертикальная сосредоточенная на­грузка от собственного веса вышележащих конструкций и веса снега sи горизонтальные нагрузки от давления w+и отсоса ветра, аналогичные нагрузкам на клеедеревянные стойки перемен­ного сечения, которые условно сосредоточиваются в узлах. От этих нагрузок в стержнях стоек возникает растягивающие или сжимающие силы, которые определяются общими методами строительной механики, например при помощи построения диаг­раммы Максвелла — Кремона. Максимальные усилия возникают в поясах и стержнях решетки, примыкающих к опорному узлу. Усилия в стержнях решетки возникают только от действия гори­зонтальных ветровых нагрузок.

Пояс стойки работает и рассчитывается по прочности и устойчивости при сжатии в двух плоскостях. В плоскости стойки его расчетная длина принимается равной расстоянию между узла­ми. Из плоскости стойки его расчетная длина принимается равной расстоянию между его горизонтальными связями. При этом учиты­вается податливость связей

двухбрусчатого пояса, как при расчете двухбрусчатой составной стойки. Прочность пояса дополнительно проверяется при максимальной растягивающей силе от ветровой нагрузки.

Стержни решетки стойки рассчитываются по прочности и устойчивости при сжатии или по прочности при растяжении с учетом их длины и шарнирного крепления в узлах. Верхняя бал­ка прямоугольной стойки рассчитывается на изгиб от действия сосредоточенной нагрузки в середине ее пролета.

Болтовые соединения элементов решетки с двухбрусчатыми стойками рассчитываются на усилия в этих элементах как двух- срезные,

работающие симметрично под углом к волокнам древесины поясов. Болты стальных накладок стержней решетки рассчитываются как двухсрезные, симметрично работающие вдоль волокон древесины. Болт крепления этих иакладок к одно- брусчатому поясу рассчитывается на разность усилий в примыка­ющих к узлу панелях пояса. Болтовое соединение поясов треу­гольной стойки в верхнем узле работает и рассчитывается как односрезное несимметричное, работающее под углом к волокнам древесины.

Опорные крепления стойки к фундаменту рассчитывается на действие максимальных растягивающих усилий в поясах, примы­кающих к опорам. При двухбрусчатых поясах определяется требуемое число

двухсрезных симметрично работающих болтов, крепящих прокладку к брусьям пояса. Уголковая траверза, опирающаяся на прокладку, рассчитывается на изгиб как балка, опирающаяся на гайки анкерных тяжей и нагруженная реактив­ным давлением торца прокладки. Однобрусчатые пояса могут крепиться к фундаменту с помощью стальных башмаков, болтов и анкеров.