Лекція № 1

Рамні конструкції

Рамні конструкції є одними з найбільш поширених типів несучих конструкцій. Вони добре вписуються в поперечний переріз більшості виробничих і громадських будівель.

Рамні конструкції належать до класу розпірних.

Дерев'яні рами зазвичай застосовують однопрогонові при прольотах

12 ... 30 м.

У світовій практиці будівництва зустрічаються рами прольотом до 60 м.

Рами класифікуються за кількома ознаками.

- За статичною схемою рами можуть бути:

1) трьохшарнірними (статично визначеними)

Рис. 1 - Трьохшарнірна рама

2) двохшарнірними жорстко опертими (такі рами є статично невизначені)

Рис. 2 - Двохшарнірна жорстко оперта рама

3) двохшарнірними шарнірно опертими (теж статично невизначені)

Рис. 3 - Двохшарнірна шарнірно оперта рама

Найбільш поширеними є трьохшарнірні рами, тому що в статично визначених системах не відбувається перерозподілу зусиль при деформації від тривало діючого навантаження, що забезпечує відповідність їх розрахунковим зусиллям.

- За конструктивним вирішенням розрізняють:

1) рами, котрі виготовляються на місці будівництва;

2) рами заводського виготовлення.

Рами місцевого виготовлення з дощок і брусів збирають безпосередньо на будівельному майданчику. У цих рамах використовуються переважно податливі види з'єднань: болти, цвяхи, упори.

Ригель та стійки таких рам можуть мати суцільний переріз або виконуватись у вигляді гратчастих систем.

а) б) в)

Рис. 4 – Рами,котрі виготовляються на буд майданчику:

а) з підкосами в карнизному вузлі;

б) з опорними підкосами; в) з гратчастими стійками.

До рам розглянутих вище відносяться також рами з перехресною стінкою на цвяхах. Конструкція таких рам аналогічна конструкції балки з перехресною стінкою на цвяхах.

Рами місцевого виготовлення відрізняються великою кількістю вузлів і вимагають великих затрат праці і високоякісних матеріалів, тому більш поширені рами заводського виготовлення - клеєні рами.

Залежно від технології виготовлення або використовуваних матеріалів клеєні рами можна поділити на три групи:

1) гнутоклеєні (з клеєних по пласту дощок);

2) дощатоклеєні з прямолінійних елементів;

3) клеєфанерні, що мають дощаті пояси і стінки з водостійкої фанери.

Ці рами, як правило, мають прямолінійні елементи ригеля та стійки.

Поширеними конструкціями є гнутоклеєні рами прямокутного перерізу, що складаються з гнутих, клеєних по пласту, дощок.

Рис. 5 - Гнутоклеєна рама

У таких рамах для утворення карнизного вузла дошки вигинаються, утворюючи плавний перехід від ригеля до стійки. Таким чином, жорсткий вузол тут виконується суцільноклеєним, що вигідно відрізняє дану конструкцію від рам з карнизними вузлами на податливих зв'язках.

При невеликій висоті стійки вся рама виконується з двох елементів

Г-подібного обрису, з'єднаних між собою в гребені.

Разом з цим гнутоклеєні рами мають істотні недоліки економічного порядку. У зв'язку з необхідністю вигинати дошки у вузлі з'єднання ригеля і стійки для цих рам необхідний тонкий пиломатеріал (δ = 12 ... 17 мм після острожки), що пов'язано зі значним подорожчанням конструкції: при використанні таких дощок різко збільшуються втрати деревини і витрати клею, а також трудовитрати на виготовлення.

В результаті виявляється, що гнутоклеєні рами є по собівартості, найбільш дорогі з усіх рам.

Більш ефективні рами з прямолінійних елементів з жорсткими клеєними вузлами: ці конструкції відповідають вимогам поточно-конвеєрного виробництва, для їх виготовлення використовується пиломатеріали звичайної товщини. При цьому клеють пакет дощок, який потім розпилюють по діагоналі, отримуючи при цьому дві стійки або два ригеля.

Рис. 6 - Клеєний пакет дощок (заготовка для напіврам)

Існує кілька конструктивних вирішень з'єднання прямолінійних елементів рам в жорсткому вузлі.

1. Ригель і стійка з'єднуються за допомогою приклеєних до них у вузлі двосторонніх накладок з бакелізованої фанери.

Рис. 7 - З'єднання ригеля та стійки накладками з фанери

Рами цього виду мають безсумнівні технологічні та економічні переваги. Разом з тим надійність вузла на накладках з бакелізованої фанери викликає сумніви: В клейових швах по площинах приклейки накладок до широких дощатих елементів можуть виникнути (при коливаннях вологості) небезпечні внутрішні напруження, обумовлені розходженням вологісних деформацій деревини і бакелізованої фанери. Величину цих напруг теоретично встановити важко, тому що невідома дійсна деформація клеєного пакету.

Для остаточних висновків про надійність рам з фанерними накладками необхідні експериментальні дані, на основі яких і може бути вирішено питання про можливість масового застосування таких конструкцій.

2. З'єднання ригеля зі стійкою на зубчастий шип.

Це більш надійний і перспективний тип з'єднання.

Рис. 8 - З'єднання ригеля зі стійкою на зубчастий шип

Однак при такому з'єднанні стійки і ригеля в карнизному вузлі виникають небажані концентрації напружень, тому найчастіше з'єднання елементів рами в жорсткому вузлі виконують за допомогою спеціальних вставок, з'єднаних з ригелем і стійкою.

3. З'єднання ригеля зі стійкою за допомогою вставок. За формою вставки можуть бути двох видів:

1) п'ятикутні

Рис. 9 - З'єднання ригеля та стійки за допомогою п'ятикутної вставки

2) гнутоклеєні

а) б)

Рис. 10 - Гнутоклеєні вставки для з'єднання ригеля та стійки:

а) змінної довжини б) постійної довжини

Перші (п'ятикутні) вставки з'єднуються з елементами рами під кутом до волокон. Тому в рамах з п'ятикутною вставкою визначальною умовою при призначенні розмірів поперечного перерізу елемента у вузлах є несуча здатність працюючого під кутом до волокон на розтяг з'єднання його зі вставкою.

Крім цього, в самій вставці не виключається виклинювання косозрізних дощок, що виходять на розтягнуту кромку рами в місці найбільшого згинального моменту.

Конструкції жорстких вузлів з такими вставками можна використовувати тільки в легких рамах, де вирішальним фактором при призначенні поперечних розмірів елементів є розрахунок не по першому, а по другому граничному стану.

Більш вдало вирішується жорсткий рамний вузол за допомогою гнутоклеєної вставки. Довжина вставки вздовж рами може бути або постійною (б), або змінною(а). Вставки постійної довжини переважають, тому що тут збільшується площа клейових швів в стику, таким чином підвищується надійність з'єднання.

Застосування гнутоклеєних вставок дозволяє створювати рамні конструкції з широким діапазоном кутів нахилу ригеля до стійки.

Рис. 11 –Види гнутоклеєних рам

Істотну економію пиломатеріалів, полегшення ваги і зменшення вартості конструкції можна отримати в рамах, поперечний переріз яких складається з дощатих поясів і фанерних стінок.

Клеефанерние рами легше Гнутоклеені на 35 ... 40%.

Поперечний переріз рам може бути двотавровий або двотаврово-коробчатим.

При виборі форми перерізу елементів рам перевагу слід віддавати поперечному перерізом, що складається з двох або декількох склеєних по ширині двотаврів. У цьому випадку забезпечується симетричне завантаженні стінок зсувними зусиллями щодо їх поздовжніх осей, а також збільшення кількості площин сколювання при перевірці на сколювання між шарами шпону фанери.

Рис. 12 - Клеєфанерна рама

Для стінок рекомендується використовувати фанеру марки ФСФ, як найбільш доступну за вартістю. Кількість фанерних стінок, а так само їх товщина визначаються розрахунком.

З'єднання поясів (стиснутого і розтягнутого) в жорсткому карнизному вузлі рами рекомендується проектувати з використанням гнутоклеєних вставок, з'єднаних з дощатими поясами рам стиком в зубчастий шип.

У клеєфанерних рамах зазначені стики можуть розміщуватися як в одному перерізі пояса, так і врозбіжку. В останньому випадку досягається збільшення надійності стикових з'єднань.

Гнутоклеєні вставки (внутрішня і зовнішня) можуть бути виготовлені з різних матеріалів: внутрішня, що має менший радіус - зі шпону, зовнішня - з дощок.

Конструктивні можливості при створенні різноманітних форм у клеєфанерних рамах з гнутоклеєними вставками більші, ніж у клеєдощатих: легко конструюються рами з консолями, причому збільшення перерізу в защемлених стійках досягається без перевитрати матеріалів, що дозволяє створювати оригінальні за архітектурним вирішенням будівлі.

Рис. 13. Види клеєфанерних рам

Геометричні розміри клеєних рам

Прольоти: 12 ... 24 м,

Висота стійок: 2.6 ... 4.5 м,

Ухил ригеля: 1 / 4 ... 1 / 3,

Крок: 3 ... 6 м.

Висота перерізу в гребені - не менше 0.3 висоти перерізу в карнизному вузлі.

Висота перерізу в карнизному вузлі: 1 / 12 ... 1 / 30 прольоту.

Висота перерізу стійок біля опор: не менше 0.4 висоти в карнизному вузлі.

Розрахунку рами передує встановлення її розрахункової схеми (двохшарнірна або трьохшарнірна) і розрахункової осі.

Розрахунок рами виконують в такій послідовності:

1) статичний розрахунок, тобто обчислення зусиль в елементах рами від дії зовнішніх навантажень (сніг, вітер), власної ваги рами і ваги покриття;

2) перевірка перерізів рами;

3) розрахунок вузлів рами.

При статичному розрахунку визначають зусилля і будують епюри M, N, Q від дії рівномірно розподіленого навантаження окремо від власної ваги конструкцій, від снігового навантаження ліворуч, праворуч від гребеневого вузла і на всьому прольоті, а також- від дії рівномірно розподіленого навантаження від вітру зліва і справа.

При висоті стійки до 4 м розрахунок на вітрове навантаження можна не проводити.

Наприклад, так виглядає завантажені від власної ваги.

Рис. 14 - Завантаження рами від власної ваги

Зусилля в рамі можна визначати або відносно її геометричної осі, або відносно зовнішнього контура. В останньому випадку необхідне коригування згинальних моментів внаслідок перенесення нормальної сили з навантаженого контура на вісь перетину.

Рис. 15 - Варіанти завантаження рам

Зусилля визначаються методами будівельної механіки в характерних точках по периметру рами, наприклад А, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8. Кількість точок визначається характером епюр.

Для прикладу покажемо епюри M, N, Q від рівномірно розподіленого навантаження ліворуч від гребеневого вузла.

Рис. 16 - Епюри M, N та Q

Доцільно спочатку визначити зусилля і епюри від рівномірно розподіленого одиничного навантаження (q₁ = 1), а потім з урахуванням коефіцієнта k = q/q₁, (де q - реальне навантаження, q₁ - одиничне навантаження) визначати зусилля від реальних навантажень.

В результаті статичного розрахунку визначаються розрахункові зусилля в перетинах рами при основних і додаткових сполученнях навантажень:

а) розрахункова постійна і тимчасова на всьому прольоті;

б) постійна на всьому прольоті, тимчасова - на половині прольоту;

в) за схемами а і б в поєднанні з вітром.

При виконанні статичного розрахунку рами, також як і при розрахунку інших конструкцій необхідно користуватися ДБН В.1.2.-2-2006 «Навантаження і впливи».

Оскільки в даний час у практиці будівництва застосовують тільки клеєні рами, то надалі мова буде йти про ці рами.

Перевірка перетинів рами

Найбільш напруженими перерізами по нормальним напруженням, якщо звернути увагу на епюри M і N, для рам є карнизні вузли, а для рам з підкосами – перерізів біля кінців підкоса в місцях примикання його до стійки і ригеля.

1. Розрахунок на міцність елементів трьохшарнірних рам в їх площині допускається виконувати за правилами розрахунку стиснуто-згинаних елементів з розрахунковою довжиною, яка дорівнює довжині піврами по осьовій лінії:

2. Стійкість плоскої форми деформування трьохшарнірних рам допускається виконувати за формулою:

Криволінійні ділянки гнутоклеєних рам

Рис. 17 - Криволінійна ділянка гнутоклеєної рами

Криволінійні ділянки гнутоклеєних рам при відношенні h / r ≥ 1 / 7 (h - висота перерізу, r - радіус кривизни центральної осі криволінійної ділянки) належить розраховувати

Тут під час перевірки напруження по внутрішній кромці розрахунковий момент опору необхідно множити на коефіцієнт k_rb:

Розрахунок вузлів рами.

Для рам заводського виготовлення виконується розрахунок опорного і гребеневого вузлів. Опорні шарнірні вузли клеєних рам можуть бути дуже різноманітними.

Покажемо кілька варіантів опорних вузлів:

Рис. 18 - Варіанти опорних вузлів

Для всіх варіантів опорних вузлів поздовжня стискаюча сила N сприймається зминанням вздовж волокон деревини стійки. У цьому випадку перевірку виконують за формулою:

Поперечна сила Q може передаватися на фундамент через болти або глухарі, що кріплять стійку до сталевих елементів, заанкерених у фундамент. У цьому випадку розраховується кількість болтів, що сприймають силу Q.

В іншому варіанті опорного вузла поперечна сила передається через дерев'яний брусок або через вертикальний лист сталевого черевика. У цьому випадку

Гребеневий вузол найчастіше вирішується з дерев'яними накладками на болтах, хоча можливі й інші варіанти гребеневого вузла (при великих величинах поперечної сили), наприклад, з металевими з'єднувальними деталями.

Рис. 19 - Гребеневий вузол

Кількість болтів розраховується з умови сприйняття ними поперечної сили.

Лобові упори з'єднання ригелів розраховують на зминання під кутом і вздовж волокон на дію поздовжньої сили N.

Лекція № 2

Арки. Загальна характеристика. Схеми арок, конструкція і розрахунок

Арки також як і рами відносяться до розпірних конструкцій, тобто для них характерна наявність горизонтальної складової опорної реакції (розпору).

Арки використовуються як основні несучі конструкції будівель різного призначення. Їх застосовують у покриттях промислових, сільськогосподарських та громадських будівель прольотом від 12 до 70 м. У зарубіжному будівництві з успіхом застосовують арки прольотом до 100 м і більше.

За статичною схемою арки поділяють на трьохшарнірні і двохшарнірні.

Рис. 20 - Трьохшарнірна і двохшарнірна арка

За схемою обпирання їх ділять на арки з затяжками, що сприймають розпір і на арки без затяжок, розпір яких передається на опори.

Рис. 21 - Арка без затяжки і з затяжкою

Затяжки виготовляють у більшості випадків з арматури або профільної сталі. Можливе застосування дерев'яних клеєних затяжок, в умовах хімічно агресивних середовищ, де метал буде піддаватись корозії.

За формою осі арки ділять на:

- Трикутні з прямих піварок;

- П'ятикутні.

Рис. 23

- Сегментні, осі піварок розташовуються на загальному колі;

- Стрільчасті, що складаються з піварок, осі яких розташовуються на двох колах, що змикаються в гребені під кутом.

Рис. 24

По конструкції арки поділяються на:

1) цільні (тільки трикутної форми);

2) арки з ферм (гратчасті арки);

Рис. 25 - Арка з ферм (l = 30 ... 60 м, f = l / 3 ... l / 2)

3) арки з балок на пластинчастих нагелях (Деревягіна);

4) кружальні арки, що складаються з двох чи більше рядів косяків, з'єднаних між собою нагелями;

Рис. 26 - Кружальная арка

5) арки з перехресною дощатою стінкою на цвяхах;

Рис. 27 - Арка з перехресною дощатою стінкою (l = 20 ... 40 м, f ≥ l / 6)

6) клеєні арки (дощатоклеєні і клеєфанерні).

З перерахованих видів арок найбільш широке застосування отримали клеєні арки заводського виготовлення. Розпори і несуча здатність таких арок можуть відповідати вимогам спорудження покриттів самого різного призначення, у тому числі унікальних за своїми розмірами.

Дощатоклеєні дерев'яні арки виготовляють з пакету клеєних по пласті гнутих дощок.

За формою осі дощатоклеєні арки можуть мати будь-який з перерахованих вище видів, тобто вони можуть бути трикутними (без затяжок - при висоті 1/2 l і з затяжками - при висоті 1/6 ... 1/8 l в покриттях до 24 м), п'ятикутними з гнутими ділянками в місцях переломів осей, пологими сегментними двох- або трьохшарнірними із стрілою підйому не менше 1/6 l (іноді 1/7...1/8 l) і високими трьохшарнірними стрілчастими з елементів кругового обрису із стрілою підйому