Белгородская область, Россия
Белгородская область, Россия
ГРНТИ 67.09 Строительные материалы и изделия
ББК 383 Строительные материалы и изделия
Несмотря на бурное развитие индустрии строительных материалов и конструкций, актуальными остаются традиционные решения. По-прежнему в современном строительстве при проектировании успешно применяется дерево – древнейший конструкционный материал. Разновидностью деревянных конструкций являются клееные трехшарнирные рамы. Они высокотехнологичны, отвечают требованиям поточно-конвейерного производства, экологичны, обладают высокими эстетическими качествами, легкостью и долговечностью материала, что позволяет расширить область их применения и повысить конкурентоспособность. В связи с этим возникает вопрос о выборе наиболее рационального варианта конструктивного решения рамы. В статье рассматриваются различные виды деревянных дощатоклееных рам. Затрагиваются вопросы достоинств и недостатков рам с различным конструктивным решением. Рассмотрены варианты выполнения соединения стойки и ригеля рамы. Выполнен анализ не-сущей способности карнизных узлов рамы из прямолинейных элементов.
деревянная рама, карнизный узел, коньковый узел, клееные деревянные конструкции, зубча-тый шип, пятиугольная вставка.
Различные виды деревянных конструкций успешно применяются в современном строительстве. Это объясняется легкостью и долговечностью материала, экологичностью и высокими эстетическими качествами. Разновидностью деревянных конструкций являются трехшарнирные дощатоклееные рамы. Это один из основных классов несущих деревянных конструкций. В отечественном строительстве широкое применение получили однопролетные рамы пролетом 12–24 м, однако встречаются и рамы пролетом до 60–80 м [1]. В данной статье рассмотрены различные варианты деревянных рам, изложены их основные достоинства и недостатки.
Рис. 1. Гнутоклеенная рама:
1 – полурама, 2 – опорная часть рамы с подрезкой, 3 – коньковая часть полурамы,
4 – фундамент, воспринимающий горизонтальный распор
Гнутоклееная трехшарнирная рама (рис. 1) состоит из двух полурам, имеющих Г-образную форму прямоугольного переменного по высоте сечения, которые изогнуты при изготовлении в зоне карниза. Узел, образуемый плавным переходом от стойки к ригелю, выполняется цельноклееным. Данный вид рам относят к конструкциям полной заводской готовности. Первым достоинством этой рамы является то, что данная рама состоит из двух довольно крупных элементов, называемых полурамами. Элементы при сборке соединяются всего тремя узлами – одним коньковым и двумя опорными. Еще одно достоинство – это переменная высота сечений, которая максимальна в зоне изгиба, где действуют наибольшие изгибающие моменты, и наименьшая в узлах, где моменты отсутствуют. Различную высоту сечения получают путем изменения количества досок в клееном пакете. Это осуществляется в сжатой зоне ригеля, т.к. в растянутой зоне может произойти отрыв досок. Переменное сечение позволяет экономно расходовать древесину и наиболее рационально использовать прочность древесины. Для данных рам в растянутых сечениях используют древесину 1-го сорта, в остальных – 2 и 3-го сортов.
Большое влияние на несущую способность имеет радиус кривизны рамы: чем меньше отношение радиуса кривизны к толщине доски, тем ниже несущая способность клееного элемента [2]. Но не всегда габариты здания позволяют использовать большие радиусы. Увеличение радиуса кривизны позволяет применять доски большей толщины, что приводит к меньшему числу отходов при острожке, уменьшает расход клея. Например, при снижении толщины доски до 16 мм отходы древесины и расход клея увеличивается до 80 % по сравнению с пиломатериалом толщиной 33–35 мм [3]. При этом значительно увеличивается трудоемкость изготовления. В итоге оказывается, что гнутоклеенные рамы являются наиболее дорогими по себестоимости. Еще один недостаток – сложность транспортирования больших изогнутых полурам при значительных расстояниях до мест установки от завода-изготовителя.
Еще один вид рам – это рамы из прямолинейных элементов (рис. 2), состоящие из двух полурам. Каждая полурама имеет Г-образную форму с переломом оси в месте карнизного узла.
|
б) |
|
а) |
Рис. 1. Рама из прямоугольных элементов:
а) с карнизным узлом на зубчатом клеевом соединении; б) с пятиугольной вставкой в карнизном узле:
1 – ригельная часть рамы, 2 – стоечная часть рамы, 3 – соединение ригеля и стойки на зубчатом шипе,
4 – деревянная накладка, 5 – пятиугольная клееная вставка на зубчатом соединении
Полурама состоит из двух прямых элементов – стойки и полуригеля, которые целесообразно получать из клееных заготовок (рис. 3).
Рис. 3. Клееная заготовка для изготовления стойки и ригеля рамы
Наиболее сложным и ответственным является конструирование карнизного узла, в месте стыка ригеля и стойки. В карнизном узле следует обеспечить передачу значительной продольной силы и изгибающего момента.
Существует несколько конструктивных решений жестких карнизных узлов. На рисунке 4 представлена рама с карнизным узлом на зубчатом клеевом соединении. В данном случае следует учитывать, что продольное усилие, действующее в рaссматриваемом сечении, направлено под углом α. Еще одним вариантом карнизного узла является узел с пятиугольной вставкой. Проанализировав данные варианты, получим, что величина расчетного сопротивления сжатию вдоль волокон больше расчетного сопротивления древесины сжатию под углом α к направлению волокон. Из этого следует, что карнизный узел с пятиугольной вставкой способен выдержать большие напряжения, в сравнении с узлом на зубчатом клеевом соединении [4, 7].
|
б) |
|
а) |
Рис. 4. Схема продольного усилия в карнизном узле:
а) соединение зубчатым шипом под углом; б) соединение пятиугольной вставкой
К недостаткам рамы из прямолинейных элементов относится сложность транспортировки.
Двухподкосная клеедеревянная трехшарнирная рама (рис. 5а) состоит из двух полуригелей переменного сечения, двух стоек, и двух подкосов постоянного сечения. Недостаток этой рамы - наличие больших растягивающих усилий в карнизных узлах.
|
а) |
|
б) |
Рис. 5. Двухподкосная рама (а) и рама с внутренними опорными подкосами (б):
1 – ригель рамы; 2 – стойка рамы, 3 – дощатый подкос на стяжных болтах, 4 – монтажный стык, 5 – фундамент с анкерными пластинами, 6 – деревянные накладки с овальными отверстиями, 7 – защитная доска на клею,
8 – коньковый узел с деревянными накладками, 9 – цельнодеревянный или клееный подкос
Клеедеревянная трехшарнирная рама с опорными подкосами (рис. 5б). Она состоит из двух полуригелей, имеющих переменное сечение, двух подкосов и двух стоек постоянного сечения. Подкосы служат дополнительной опорой для ригеля, что приводит к значительному уменьшению изгибающих моментов в ригеле рамы. Это рама сборно-разборная рама, состоящая из прямых клеедеревянных элементов, являющихся простыми в изготовлении, Они без затруднений могут транспортироваться к месту монтажа любым видом транспорта. Основным недостатком этой рамы является значительно большее, чем в бесподкосной раме, количество элементов и узлов, а также работа стоек на растяжение и изгиб от ветровой нагрузки и значительная длина сжатых подкосов.
Еще один вариант сборно-разборной рамы – трехшарнирная на нагелях по кругу в карнизном узле. Карнизный узел выполнен путём соединения на цилиндрических нагелях, которые располагают по одной или двум окружностям. В данном случае стойка состоит из двух ветвей, между которыми заводится одинарный ригель. Впервые такая конструкция рамы была изобретена в Германии. Сборно-разборные узлы весьма облегчают транспортировку. Сборка рамы производится на строительной площадке.
|
б) |
Рис. 6. Рама на нагелях по кругу в карнизном узле: а) общий вид; б) варианты карнизных узлов: 1 – ригель рамы; 2 – стойка рамы; 3 – нагели, расставленные по окружностям; 4 – монтажный болт с квадратной шайбой; 5 – деревянная прокладка; 6 – деревянная накладка; 7 – стяжные болты
Конструктивные решения трехшарнирных рам весьма разнообразны. Поэтому при выборе конструктивного решения рам следует учитывать их основные преимущества и недостатки, имеющие определяющее значение в той или иной ситуации.
1. Малыхина В.С., Денисов А.Н. Совре-менное деревянное строительство // Вестник Белгородского государственного технологи-ческого университета им. В.Г. Шухова. 2017. № 5. С. 30-36.
2. Малыхина В.С. Проектирование и рас-чет конструкций из дерева и пластмасс: учеб-ное пособие для студентов направления бака-лавриата 270010 - Строительство. М-во обра-зования и науки Российской Федерации, Бел-городский гос. технологический ун-т им. В.Г. Шухова. Белгород: БГТУ, 2014. 368 с.
3. Малыхина В. С. Конструкции из дере-ва и пластмасс. Учеб. пособие. 2 е изд. испр. и доп. Белгород: Изд-во БГТУ, 2008. 226 с.
4. Малыхина В.С., Рязанова А.А. Вариан-ты коньковых узлов трехшарнирных дощатых клееных рам// Наука и инновации в строи-тельстве (к 45-летию кафедры строительства и городского хозяйства): сборник докладов международной научно-практической конфе-ренции: в 2 т. Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухо-ва. 2017. С. 67-73.
5. Офицерова Л.И. Конструкции из дере-ва и пластмасс: Курс лекций для студентов строительных специальностей. Часть 2. Томск: STT, 2006, 132 с.
6. Шмидт А.Б., Дмитриев П.А. Атлас строительных конструкций из клееной древе-сины и водостойкой фанеры. М.: Изд-во Ас-социации строительных вузов, 2001. 292 с.
7. Чебыкин А.А., Фрицлер Ю.А., Кудряв-цев С.В. К расчету зубчато-шипового клеево-го соединения карнизных узлов рам // Акаде-мический вестник УралНИИпроект РААСН. 2015. №2. С.86-89.
8. СП 64.13330.2017. Деревянные кон-струкции. Актуализированная редакция СНиП II-25-80. Минстрой России. М., 2017.
9. Арискин М.В., Гуляев Д.В., Агеева И.Ю. Исследование напряженно-деформированного состояния деревянных гнутоклееных рам // Молодой ученый. 2013. №3. С.16-19.
10. Арискин М.В., Куценко Е.В. Моделирование рам с гнутоклееными стой-ками и прямолинейным ригелем // Новый университет. Серия: Технические науки. 2013. №10(20). С.23-27.
