Деревянные конструкции

Размещено на http://www.allbest.ru/

Деревянные конструкции

1. Плоские сквозные конструкции. Фермы - основные виды и расчет

Сквозными несущими деревянными конструкциями называются такие, в которых пояса соединены друг с другом не сплошной стенкой из досок или фанеры (как в плоских сплошных конструкциях), а решеткой, состоящей из отдельных стержней - раскосов и стоек.

Применение решетки вместо сплошной стенки уменьшает расход материала на конструкцию, особенно при больших пролетах. В то же время сквозные конструкции имеют большое количество узлов в местах соединения решетки с поясами, что значительно усложняет изготовление таких конструкций. Поэтому выбор типа конструкций - сплошной или сквозной производится на основе технико-экономических данных с учетом назначения помещения.

Сквозные конструкции бывают:

1) балочные (фермы);

2) распорные (арки и рамы);

3) решетчатые стойки.

Ферма

Сквозная арка



Рама с подкосами

Решетчатая стойка

О сквозных распорных конструкциях и о решетчатых стойках говорилось в предыдущих лекциях. Сегодня мы займемся изучением основного вида сквозных конструкций - ферм. Фермы применяют, как правило, в статически определимых схемах в отношении как опорных закреплений, так и решения решетки.

В зависимости от конструктивных особенностей, связанных с методом изготовления, фермы подразделяют на фермы заводского (из клееных элементов) и построечного изготовления (из цельных элементов).

Наибольшее распространение в строительстве получили фермы заводского изготовления. К ним относятся металлодеревянные фермы, верхний пояс и сжатые стержни решетки которых выполнены из клееной древесины, а нижний пояс и растянутые стержни решетки - из стали.

Преимущества клееной древесины позволяют применять в случае необходимости, например, в условиях агрессивных сред, не только стальной, но и деревянный нижний пояс.

По очертанию фермы подразделяются на:

Треугольные;

Трапециевидные;

Многоугольные (чаще пятиугольные);

Сегментные.

С целью уменьшения величины изгибающего момента передача сжимающего усилия в узлах верхнего пояса из прямолинейных элементов осуществляется с эксцентриситетом, как в арках. Первую панель нижнего пояса, в котором отсутствуют усилия, может быть деревянной, а опорный нисходящий раскос, воспринимающий большое растягивающее усилие - стальным, как и среднюю панель нижнего пояса. Трапециевидная односкатная ферма имеет аналогичное конструктивное решение.

Могут применяться так же фермы с параллельными поясами.

Треугольные клееные фермы могут иметь верхний пояс из двух клееных панелей разной длины, более длинной и мощной является первая от опоры панель. Из клееной древесины выполняются также два раскоса. Нижний пояс и растянутый тяж принимаются стальными. Панели верхнего пояса в узлах стыкуют с эксцентриситетом.

Сегментные клееные фермы компонуются с таким расчетом, чтобы дуга верхнего пояса была из криволинейных элементов одинаковой длинны. Все узлы, включая узлы верхнего пояса, центрируют по осям элементов. Верхний пояс такой фермы может быть разрезным или неразрезным. Благодаря криволинейному очертанию верхнего пояса создается обратный выгиб по отношению к оси изгиба пояса под действием внешней нагрузки, поэтому эта ферма имеет мало нагруженную решетку, что упрощает конструкцию ее элементов и узлов.

К фермам построечного изготовления относятся фермы, элементы которых выполнены из цельных не клееных бревен, брусьев или досок с узловыми соединениями на нагелях (болтах, гвоздях) или на лобовых врубках. Растянутые элементы решетки и нижний пояс фермы часто делается стальными.

По очертанию фермы построечного изготовления могут быть треугольными и многоугольными.

Фермы из центральных элементов со стальным нижним поясом при треугольном очертании позволяет просто организовывать плоскую скатную кровлю. В этих фермах верхний пояс и раскосы делают из брусьев, а центральную растянутую стойку - из круглой стали.

При многоугольном очертании, приближающемся к очертанию эпюры моментов в простой балке, усилия в панелях верхнего пояса мало меняются от эпюры к середине пролета и в элементах решетки возникают небольшие усилия. Это дает возможность создавать как верхний пояс, так и элементы решетки из древесины и только нижний растянутый пояс делается из профильной стали.

Недостатком такой фермы является небольшое число узлов.

Фермы на лобовых врубках имеют треугольное или пятиугольное очертание.

Схема решетки в этих фермах такова, что деревянные раскосы оказываются сжатыми, а металлические стойки - растянутыми. Это позволяет крепить сжатые раскосы к поясам с помощью лобовых врубок, воспринимающих только сжимающие усилия а растянутые стоики (тяжи) делать из круглой стали. Тяжи на одном конце снабжены резьбой и гайкой, что обеспечивает возможность уплотнения узлов при сборке.

В пятиугольных фермах вблизи середины пролета при односторонней снеговой нагрузке раскосы могут получать растягивающие усилия и выключаться из работы.

Для сохранения геометрической неизменяемости решетку фермы снабжают дополнительными компенсирующими нисходящими раскосами.



Пятиугольная ферма из брусьев или бревен на лобовых врубках

Порядок расчета ферм такой же, как и порядок расчета плоских несущих деревянных конструкций:

статический расчет;

подбор сечения элементов фермы;

расчет узлов.

Расчету ферм предшествует сбор нагрузок. Нагрузки, действующие на ферму, складываются из постоянных (от собственной массы фермы и ограждающих конструкций покрытия) и временной (чаще всего только от снега).

Статический расчет фермы сводится к определению усилий от внешних нагрузок в элементах фермы. Для всех стержней определяется значение продольной силы N, а для верхнего пояса еще и изгибающий момент M.

Определение усилий в стержнях можно производить графически или аналитически. При этом в схемах сегментных ферм криволинейные оси панелей верхнего пояса на участках между соседними узлами заменяют хордами, стягивающими эти дуги.

Усилия определяют отдельно:

1) для случая загружения снеговой равномерно распределенной нагрузкой на половине пролета;

2) для случая загружения снеговой нагрузкой на всем пролете;

3) для случая загружения постоянной нагрузкой (собственный вес фермы и вес ограждающих конструкций покрытия) на всем пролете фермы.

Целесообразно сначала определить усилие от единичной нагрузки, а затем, умножив на величины фактических нагрузок, получить истинное значения усилий в стержнях.

При вычислении усилий в средних раскосах учитывают два случая: когда раскос сжат и когда растянут.

Расчетные усилия в стержнях определяются при следующих двух комбинациях нагрузок:

1) Равномерно распределенная постоянная нагрузка на всем пролете, временная (снег) - на половине пролета фермы.

2) Равномерно распределенная постоянная и временная нагрузки на всем пролете фермы.

2. Виды сечений элементов фермы

Подбор сечений элементов фермы.

Ширина сечения элементов фермы определяется по предельному значению гибкости. Для элементов ферм установлены следующие предельные значения гибкостей (л_пр):

- для верхнего пояса л_пр=120;

- для элементов решетки л_пр=150;

- для нижнего пояса из стали л_пр=400.

Ширину сечения верхнего пояса и элементов решетки целесообразно назначать по значению радиуса инерции.

,

где l - расчетная длина стержня фермы

Высоту сечения верхнего пояса определяют, пользуясь приближенной формулой для момента сопротивления:

Момент сопротивления с другой стороны равен:

Отсюда по известным b и W находят h.

После подбора сечений элементов фермы, выполняют проверку их прочности.

Сжатые элементы ферм проверяют на устойчивость по формуле:

ц - коэффициент продольного изгиба, принимаемый по СНиП;

R_С - расчетное сопротивление древесины сжатию.

Растянутые деревянные элементы проверяют на прочность по формуле:

стальные по формуле:

где m - коэффициент условия работы (если пояс состоит из двух элементов, то m=0,85).

В случае, когда верхний пояс нагружен межузловой нагрузкой, его проверяют, как сжато - изогнутый элемент на прочность по формуле:

Изгибающий момент M, вызванный наличием межузловой равномерно распределенной нагрузки, определяется по балочным формулам:

Значение изгибающего момента M_q может быть уменьшено за счет разгружающего момента M_n, создаваемого путем эксцентричного приложения продольной сжимающей силы N.

Суммарный изгибающий момент в середине пролета l, в этом случае вычисляется по формуле

M=M_q-M_n,

где M_n=N?e

В сегментных фермах эксцентриситет силы N получается за счет кривизны оси панели верхнего пояса.

Продольная сила, направленная по хорде дуги создает разгружающий изгибающий момент

M_n=N?f₀

Значение f₀ можно вычислить по формуле:

l₀ - длина хорды;

r₀ - радиус дуги, по которой очерчен верхний пояс.

Для неразрезного верхнего пояса изгибающие моменты в крайней от опоры панели будут равны:

- в середине пролета

- на опоре

Прогибы ферм при соблюдении требований по отношению стрелы подъема и длины пролета (f\l) не проверяют, так как эти соотношения обеспечивают требуемую жесткость ферм.

Для предотвращения нежелательных последствий, вызванных перемещениями узлов и прогибов нижнего пояса, возникающих все же в процессе эксплуатации, фермы проектируют со строительным подъемом (). При вычислении усилий строительный подъем не принимают во внимание.

3. Расчет и конструирование узлов ферм

Опорные узлы ферм из дощатоклееных элементов, осуществляют путем упора крайней панели верхнего пояса в стальной опорный башмак, к которому приварены стальные элементы нижнего пояса.

Опорный узел проверяется на смятие по площадке смятия F_см по формуле:

Стальная опорная диафрагма рассчитывается на изгиб.

Узлы верхнего пояса.

Средний коньковый узел треугольной фермы решается в виде наклонного лобового упора, перекрытого деревянными или металлическими накладками на болтах.

Растянутая стойка в виде стального тяжа с нарезкой на конце пропускается через отверстие, проходящее через центр узла, и закрепляется гайкой на шайбе.

Расчетом этого узла проверяется напряжение смятия под углом к волокнам в лобовом упоре и на смятие под углом б2 под шайбой стойки. Поперечная сила в узле воспринимается накладкой с болтами.

Узлы верхнего пояса сегментных ферм решается с помощью стальных накладок - наконечников, соединенных с раскосами болтами и прикрепленных к болту, проходящему через центр узла.

Центровой болт рассчитывают на восприятие равнодействующей силы от продольных сил в раскосах.

Расчетом также определяется количество болтов в наконечниках и напряжение смятия торцов верхнего пояса. Промежуточные узлы примыкания стоек и раскосов к верхнему поясу решаются аналогичным образом.

Узлы нижнего пояса металлодеревянных ферм выполняются с помощью двух фасонок, приваренных к поясу. К фасонкам болтами крепятся деревянные раскосы.

Болты рассчитываются на максимальные усилия в раскосах.

Узлы ферм из цельных элементов на лобовых врубках решаются и рассчитываются по правилам конструирования и расчета соединений на врубках (на смятие и скалывание).

4. Плоские балочные фермы. Классификация и характеристики

Балочные фермы представляют собой стержневые системы, состоящие из шарнирно-соединенных в узлах элементов, работающих в основном на продольные усилия, чаще всего применяются статически определимые однопролетные фермы.

По внешнему виду фермы бывают треугольные, прямоугольные, трапециевидные, многоугольные, сегментные и шпренгельные. Решетку в фермах применяют треугольную и раскосную. направление раскосов имеет существенное значение, так как от его изменения меняется знак усилия, что необходимо учитывать при выборе элементов конструкции.

Наиболее ответственные элементы ферм - пояса, особенно деревянные растянутые. Надежность их работы зависит от качества лесоматериалов, использованных при их изготовлении. Ввиду больших затруднений при подборе высококачественной древесины в массовом строительстве растянутые пояса часто выполняются стальными. Это значительно повышает жесткость и надежность ферм, упрощает конструкцию узлов. Такие фермы называются металлодеревянными. Схемы ферм приведены в таблице.

Для бесчердачных покрытий рекомендуются фермы 1-4, 7-9. При этом фермы с криволинейным верхним поясом и трапециевидные используются при рулонной кровле, а треугольные - при асбоцементной. предпочтительнее в использовании фермы с клееным верхним поясом.

В чердачных покрытиях с подвесным перекрытием выбирают фермы с короткими панелями (5,6,8) Бревенчатые и брусчатые фермы (5-7) выполняют плотники высокой квалификации если нет возможности изготовления в заводских условиях.

Дощатые фермы на зубчатых пластинах (7) применяются при легких покрытиях и их ставят на расстоянии L=1.5-2 м. Их применение ограничено повышенной пожароопасностью.

Фермы на вклеенных стальных стержнях (8,9) применяются при большепролетных конструкциях.

В зданиях с химически агрессивными средами рекомендуются фермы с защитой стальных элементов от коррозии.

При окончательном выборе типа и схемы фермы учитываются все особенности применения, а также материалоемкость, трудоемкость изготовления, стоимость.

5. Металлодеревянные фермы с прямолинейным верхним поясом

Металлодеревянные фермы с прямолинейным верхним поясом (1,2,3) являются конструкциями индустриальными. Верхние пояса изготавливаются прямоугольного сечения неразрезными от опоры до конька, а в фермах прямоугольных с параллельными поясами - на всю длину. Если нельзя изготовить длинные элементы, пояса стыкуют в каждом узле.

Сечения клееных элементов комплектуют из досок толщиной не более 33 мм после острожки.

Верхние пояса ферм можно изготавливать из брусьев, соединенных пластинчатыми нагелями. Нижние пояса устраиваются из профильной или круглой стали. применение профильной стали несколько усложняет узлы, но значительно увеличивает жесткость ферм из плоскости, что важно при монтаже конструкции. В зависимости от величины и знака усилия элементы решетки могут выполнятся деревянными или металлическими.

Благодаря большой жесткости верхних поясов прогоны и плиты покрытия располагаются непосредственно на панели вне узлов ферм. В этом случае верхний пояс фермы кроме усилия сжатия испытывает изгибающие моменты от внеузловой нагрузки. Для уменьшения пролетных моментов в панели элементы верхнего пояса упираются в узлах частью сечения таким образом, чтобы сжимающее усилие приходилось ниже оси сечения. в результате возникает разгружающий изгибающий момент.

При проектировании узлов желательно, чтобы эксцентриситет в каждом узле был одинаковым. В ином случае при расчете принимается среднее значение эксцентриситетов соседних узлов панели.

В опорных узлах эксцентриситет создается за счет смещения оси опорного башмака или шайбы, закрепляющих опорный раскос.

6. Металлодеревянные сегментные фермы с клееным верхним брусом

Фермы с криволинейным верхним поясом это и индустриальные конструкции, выгодно отличающиеся от других ферм.

Они легки, имеют небольшое число монтажных элементов, просто решенные узлы. Недостатком таких ферм является сложность установки их на крыши, что ограничивает их применение.

Усилия в верхнем поясе одинаковые по всей длине, что позволяет рационально использовать древесину при одинаковом сечении пояса. В элементах решетки усилия очень малы, поэтому можно применять простое крепление их в узлах.

Верхний пояс может быть выполнен из отдельных клееных блоков, соединяемых шарнирно либо сплошным на всю длину или половину длины пояса со стыком в середине фермы. Сечение пояса принимают прямоугольным.

В фермах с разрезным верхним поясом панели верхнего пояса принимаются одной длины, а с неразрезным - опорная панель составляет 0,7 длины средних одинаковых по длине панелей; нижний пояс узлами разбивают на равные участки. Нижний пояс изготавливают из профильной стали или клееной древесины.

Раскосы ферм выполняются деревянными и крепят к узловым болтам с помощью стальных планок.

В ферме с разрезным верхним поясом верхние узловые болты закрепляются в сварных башмаках, которые ставятся торцами верхнего пояса.

В нижнем поясе узловые болты ставятся в отверстия, просверленные в поясе или привариваются сверху пояса, учитывая при его расчете внецентренное прикрепление решетки. стыки верхнего пояса перекрываются деревянными клееными накладками на болтах.

7. Фермы бревенчатые и брусчатые на лобовых врубках

Фермы бревенчатые и брусчатые на лобовых врубках рекомендуется выполнять из бревен или обзольных брусьев. Чистообрезные брусья применяются при предъявлении к открытым фермам повышенных архитектурных требований.

Все узлы примыкания раскосов к поясам решаются на лобовых врубках или упорах, вследствие чего раскосы должны работать только на сжатие. Поэтому в фермах принята раскосная решетка: в треугольных - с нисходящими раскосами, в трапециевидных и односкатных - с восходящими.

При одностороннем нагружении в раскосах средних панелей трапециевидных и односкатных ферм может появляться растягивающее усилие. В связи с этим в средних панелях ставят встречные раскосы, которые будут работать на сжатие, а основные раскосы выключают из работы. Растянутые стойки выполняют из круглой стали.

Фермы можно изготавливать из полусухого лесоматериала, при этом прогибы фермы вследствие усушки древесины легко устраняются натяжением гаек стоек-стяжек. Так же ликвидируется начальная деформация, возникающая в узлах при изготовлении ферм.

В фермах из бревен учитывают их сбег. Комлями бревна располагают в панелях поясов с большими усилиями, а в раскосах - в узлах верхнего пояса.

В брусчатых поясах все элементы выполняются одинаковой ширины, а высоту подбирают по расчету с учетом сортамента брусьев. Опорные узлы ферм лучше проектировать на лобовых врубках с одним или двумя зубьями, а если это возможно, то на металлических тяжах.

Стыки верхнего пояса осуществляются лобовым упором и располагаются вблизи узлов средних панелей, их перекрывают дощатыми накладками толщиной не менее половины толщины пояса и длиной не менее трех высот пояса и ставят с каждой стороны стыка 2-4 болта.

Стыки нижнего пояса перекрывают деревянными накладками, закрепляемыми стальными нагелями и болтами в соответствии с расчетом на действующие усилия. Располагают стыки в середине фермы или (при пролете более 12 м) в местах перелома пояса для образования строительного подъема. В последнем случае лучше устраивать раздвинутый стык, в котором накладки имеют большую длину, чем в двух раздельных стыках, но число нагелей уменьшается почти вдвое.

Оси элементов фермы центрируются в узлах, пари этом в брусчатых фермах оси элементов решетки рекомендуется центрировать по ослабленному сечению нижнего пояса.

Прогоны покрытия и подвесного перекрытия следует устанавливать в узлах или вблизи их во избежании возникновения изгибающего момента в поясах.

8. Фермы на вклеенных стержнях

Фермы из клееных элементов с соединением в узлах на вклеенных стержнях разрабатывались в ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко и начали применяться в СССР примерно с 1979 г. Сейчас применяются фермы прямолинейных форм, треугольные безраскосные, линзообразные, а также трапециевидные.

Пояса ферм выполняются клееными, прямолинейными или криврлинейными по расчету. Решетка может применятся раскосной или в виде стоек из элементов сплошного сечения. Элементы решетки соединяются с поясами с помощью вклеенных в древесину стальных стержней периодического профиля класса A-II и A-III, располагаемых вдоль раскосов и с помощью болтов или стальных крепежных элементов, приваренных к вклеенным стальным стержням.

Наиболее экономичными являются линзообразные конструкции. В них усилия в поясах по длине практически одинаковы, а в решетке очень малы, что позволяет легко крепить их в узлах, симметричных для обоих поясов. Элементы фермы наиболее унифицированы: при раскосной решетке 2 типоразмера, при стоечной 3-4.

В опорном узле линзообразных ферм пояса соединяются с помощью анкерных пластин, к которым приварены под углом 30⁰ стальные стержни класса A-II и A-III. Гребенку из стержней вклеивают в древесину поясов эпоксидными или полиамидными клеями. Опираются фермы на стены или колонны через клееные деревянные подушки, которые передают опорное давление на вклеенные вертикальные стержни, приваренные к опорным пластинам. Концы анкерных пластин подкреплены вертикальными вклеенными стержнями, которые обеспечивают восприятие составляющей пары сил от внецентренной передачи сдвигающего усилия. Анкерные пластины соединяются между собой болтами или на сварке. При соединении болтами анкерные пластины делаются шире пояса.

Рассматривая все вышеперечисленное многообразие возможностей применения деревянных конструкций в архитектурной практике, следует признать, что дерево не только не потеряло свое значение, но и приобрело новые возможности, связанные с применением современных технологий.

Использованная литература

1. Гринь «Строительные конструкции из дерева и синтетических материалов» 1990 г.

2. Шмидт «Атлас строительных конструкций из клееной древесины и водостойкой фанеры» 2001 г.

3. Отрешко «Деревянные конструкции» 1957 г.

4. Thallon Rob «Graphic Guide to Frame Construction» 2008 г.

ферма сечение балочный конструкция

Размещено на Allbest.ru