Клееные деревянные арки. Деревянные рамы. Геометрические схемы. Конструирование и рачет.

По статической схеме арочные конструкции являются наиболее эконо­мичными по расходу материала конструкциями покрытия. Благодаря свой­ствам древесины в процессе склеивания принимать различные формы кри­волинейного очертания, арочные гнутоклеенные конструкции нашли широ­кое применение. В первую очередь для покрытий большепролетных зданий различного назначения.

Арки относятся к распорным конструкциям, т.е. к конструкциям у кото­рых помимо вертикальной опорной реакции существует и горизонтальная, которая называется распором. В зависимости от нагрузки, пролета и высо­ты арки величина распора достигает значений в десятки тонн и для воспри­ятия этого усилия принимаются при проектировании зданий различные ре­шения.

Арки разделяют на следующие типы: 1) трехшарнирные 2) двухшарнирные, имеющие два опорных шарнира.

По особенности опирания на опоры без затяжек и с затяжками.

По форме осей арки делят на следующие типы сегментные - имеют верхние пояса, оси которых располагаются на общей части окружности; стрельчатые, состоящие из двух полуарок, оси которых располагаются на двух одинаковых частях окружности, стыкующихся под углом в коньке,

треугольные, состоящие из двух прямых полуарок, смыкающихся в коньке под углом.

Гнутоклеенные арки представляют собой конструкцию из двух гнутоклеенных элементов (полуарок) прямоугольного сечения, соединенных меж­ду собой в коньковом узле деревянными или металлическими накладками с помощью металлических болтов.

Полуарки имеют постоянный радиус кривизны. Высота поперечного се­чения 1/30-1/50 /. Толщина досок принимается в зависимости от радиуса кривизны и не должна превышать 33 мм.

Трехшарнирные арки, являющиеся статически определимыми система­ми, нечувствительны к неравномерным осадкам опор, что делает их предпо­чтительными при строительстве на оттаивающих и посадочных грунтах. Наличие конькового шарнира упрощает монтаж арок. Пространственная ус тойчивость арочного покрытия из плоскости арок обеспечивается либо си­стемой связей, при наличии сборных плит покрытия, как в Архангельске, либо устройством косого настила из досок, закрепленных к прогонам и не­сущим конструкциям под углом 45°.

В связи со значительными усилиями в большепролетных арках и в целях возможности свободного поворота опорных сечений, решение опорных уз­лов желательно осуществлять в виде идеального шарнира. Для спортивных и общественных зданий опорные узлы арок решаются с использованием ме­таллических цилиндрических шарниров, зафиксированных в цапфах. В зда­ниях с химически агрессивной средой требуется безметальное решение уз­лов, т.е. должны использоваться стеклопластики и полимерные композиции. Для пролетов до 18 м, в качестве опорных шарниров можно использовать модифицированную полимерами древесину лиственных пород (рис. 9.18.).

Трехшарнирные треугольные арки

Трехшарнирные треугольные арки выполняются из двух наклонных прямолинейных клее­ных элементов шарнирно соединенных между собой в коньковом узле.

Применяются для покрытии общественных зданий и распор, как правило, передается на конструкции   цокольного этажа. Целесообразность опирания треугольных арок обуславливается уменьшения пролета покрытия, т.к. при опирании арок на уровне земли, из-за невозможности практической реализации помещений в приопорных зонах, увеличивается ширина здания и соответственно про­лет арок.

Деревянные рамы

Рамы являются одним из основных классов несущих дер.конструкций.По статич.схеме дер.рамы могут быть статически определимыми и однократно статически неопределимыми.

Трехшарнирная рама является статически определимой и  предусматривает шарниры на фундаментах и тре­тьего шарнира в коньке, где стыкуются несущие элементы поперечника. Ос­новными несущими элементами такого вида поперечника является полура­мы или полуарки. Они бывают бесподкосными и могут иметь от 2х до 4 подкосов.

Элементы этих рам имеют прямоугольные клееедеревянные сечения постоянной

ширины и переменной, а в подкосах постоянной высоты.

Основные виды клеедеревянных трехшарнирных рам

1)гнутоклееная рама состоит из двух полурам г-образной формы прямоугольного переменного по высоте сечения, изогнутых при изготовлении в зоне будущего карниза.

Достоиства

-состоит из двух элементов, которые соединяются всего тремя узлами.

-переменная высота сечения – максимальная в зоне выгиба, где действуют максимальные моменты и минимальная где моменты отсутствуют.

Недостатки

- транспортирование на значительные расстояния габаритных элементов представляет собой очень трудоемкий процесс.

- технология изготовления гнутых элементов сложна и трудоемка и требует

повышенного расхода древесины и клея.

2)ломаноклееная рама

Имеет жесткий стык на зубчатых щипах, состоит из двух полурам.

Достоиства

-состоит из двух элементов, которые соединяются всего тремя узлами.

-малотрудоемка при монтаже, отличается простотой изготовления

-клеедеревянная трехшарнирная четырехподкосная рама

Состоит из двух стоек, двух полуригелей, переменной высоты сечения и четырех подкосов постоянного сечения, соединяющих стойки с ригелем. Подкосы уменьшают изгибающие моменты в стойках.

Недостатки.

Большее чем в вышеперечисленных число элементов а следовательно большая трудоемкость при сборке и монтаже.

3)клеедеревянная трехшарнирная двухподкосная рама

Состоит из двух стоек, двух полуригелей, переменной высоты сечения и двух

Подкосов постоянного сечения.

Подкосы уменьшают изгибающие моменты в стойках

Недостатки.

Наличие растягивающих усилий в карнизных узлах, для восприятия которых необходимо применение метал.креплений и винтов..

4)клеедеревянная трехшарнирная с опорными подкосами рама

Конструкция аналогична подкосным системам.

Недостатки.

Работа стоек на растяжение и изгиб от ветровой нагрузки., что усложняет конструкцию и узловых креплений.

5)клеедеревянная трехшарнирная с наружными раскосами рама

Отличается от других только расположением раскосовснаружи. Раскосы работают на растяжение и не уменьшают внутреннего пространства помешения.

Двухшарнирные рамы с жесткими опорными узлами являются один раз статически неопределимыми и предусматривают шарнирное соеди­нение несущей конструкции покрытия с колоннами. Преимуществом этой схемы являются отсутствие изгибающих моментов в шарнирных соединениях ригеля со стойками. Колонны, которые мо­гут быть железобетонными, металлическими или деревянными, должны быть жестко защемлены в фундаментах. Это жесткое соединение восприни­мает изгибающие моменты и поперечную силу от горизонтальных усилий, действующих в плоскости рамы. Колонны в этом случае частично воспри­нимают и продольные усилия в зданиях.

Двухшарнирные рамы с шарнирами на фундаментах. В этом случае конструкция рамы любого профиля, прямолинейного, криволинейного, или ломаного очертания должна быть неразрезной с жесткими соединениями в местах переломов. Поскольку габариты таких конструкций значительны и вызывают затрудне­ния, как при изготовлении или сборке, так и при монтаже, эта схема менее предпочтительна.

 

17. Обеспечение пространственной жесткости и устойчивости плоских конструкций из дерева и пластмасс. Расчет связевой системы.

Каркасы зданий, посредством узловых соединений несущих и опорных конструкций, должны обеспечивать пространственную работу и передачу усилий от всех видов нагрузок и воздействия, в том числе монтажных и слу­чайных, на фундамент. Элементы конструкций здания, их размещение и со­единение между собой должны обеспечивать надежное восприятие внеш­них сил любого направления. При этом необходимо так компоновать каркас, чтобы усилие различных направлений были бы кратчайшим путем доведе­ны до фундамента. Невозможность создания достаточно жестких узлов со­единения элементов каркаса зданий, заставляет использовать связевые эле­менты, обеспечивающие геометрическую неизменяемость каркаса. Геомет­рическая неизменяемость обеспечивает работу отдельных конструкций в соответствии с расчетной схемой, принятой на стадии проектирования, а при качественном изготовлении и монтаже конструкций, обеспечивает на­дежность здания и сооружения, при выполнении соответствующих требова­ний по условиям эксплуатации.

Каркасы зданий с применением деревянных конструкций проектируют­ся таким образом, чтобы несущая способность (прочность и жесткость) по­перек здания обеспечивалась поперечными рамами, а вдоль здания продоль­ными элементами каркаса (прогоны, подстропильные балки, связевые эле­менты). Связи в виде диагональных или крестовых элементов применяются в случае использования в качестве ограждающих конструкций сборных плит покрытия и панелей стен на деревянном каркасе, т.к. податливость их креплений к несущим конструкциям не гарантирует жесткости каркаса. При использовании в качестве ограждающих конструкций деревянных на­стилов по покрытию и обшивке стен досками, то от связевых элементов можно отказаться, если направление досок диагональное и они прибивают­ся во всех местах пересечения с несущими конструкциями и прогонами. Для малых пролетов достаточно одинарного диагонального настила. Для больших пролетов необходим двойной настил с взаимно перпендику­лярным направлением досок каждого слоя.

Для небольших зданий общая устойчивость обеспечивается обшивкой стен и досками в диагональном направлении, а покрытия, в целях экономии, можно накрывать широкими досками в продольном направлении, но при ус­ловии крепления их двумя гвоздями в каждом пересечении с балками или стропилами. Гвозди должны быть смещены к краям досок в соответствии с требуемой расстановкой, чтобы плечо этих гвоздей было максимальным. Это позволит получить достаточно жесткое соединение настила с несущи­ми конструкциями и обеспечит геометрическую неизменяемость покрытия.

Поперечную устойчивость каркасных зданий с применением индустри­альных несущих и ограждающих конструкций обеспечивают поперечные рамы, которые по расчетной схеме рассматриваются как двух и трехшарнирные.

Двухшарнирные рамы, как правило предусматривают шарнирное соеди­нение несущей конструкции покрытия с колоннами. Колонны, которые мо­гут быть железобетонными, металлическими или деревянными, должны быть жестко защемлены в фундаментах. Это жесткое соединение восприни­мает изгибающие моменты и поперечную силу от горизонтальных усилий, действующих в плоскости рамы. Колонны в этом случае частично воспри­нимают и продольные усилия в зданиях. Встречаются двухшарнирные рамы с шарнирами на фундаментах. В этом случае конструкция рамы любого профиля, прямолинейного, криволинейного, или ломаного очертания должна быть неразрезной с жесткими соединениями в местах переломов. Поскольку габариты таких конструкций значительны и вызывают затрудне­ния, как при изготовлении или сборке, так и при монтаже, эта схема менее предпочтительна.

Трехшарнирная рама предусматривает шарниры на фундаментах и тре­тьего шарнира в коньке, где стыкуются несущие элементы поперечника. Ос­новными несущими элементами такого вида поперечника является полура­мы или полуарки.

Продольная устойчивость каркаса здания обеспечивает связевая систе­ма. Связевая система состоит из связевых блоков и продольных элементов (прогоны стен и покрытия, ребра панелей стен и плит покрытия, распорки обеспечивающими устойчивость несущих конструкций из плоскости де­формирования). Связевый блок состоит из двух, рядом стоящих поперечных рам, связанных между собой треугольной решеткой из деревянных элемен­тов или крестовых стальных стержней, работающих попеременно на растя­жение при том или другом направлении нагрузки. Расстояние между связе-выми блоками не более 30 м.

В плоскости стен или покрытия связевый блок представляет собой фер­му с параллельными поясами, где поясами фермы являются несущие эле­менты каркаса. Раскосы этой узловой фермы крепятся к несущим элемен­там каркаса рядом с верхней кромкой, таким образом, что верхняя грань связей была на 50-100 мм ниже плоскости покрытия.

У трехшарнирных распорных конструкций, где эпюра изгибающих мо­ментов меняет знак по длине полуарок или полурам при необходимости, выявленной на стадии расчета, дополнительно раскрепляется и нижняя сжатая кромка.

У двухшарнирных рам с ригелем в виде фермы, связевой блок решается в виде связей по колоннам и связей по верхнему поясу ферм. Для треуголь­ных и сегментных ферм других связей не рекомендуется. Для шпренгель-ных систем, а также ферм, ось нижнего пояса которых ниже отметок опор, устанавливаются вертикальные связи покрытия по стойкам ферм (рис. 9.33). Для большей надежности их следует устанавливать попарно и в пре­делах связевой системы. Также вертикальные связи покрытия рекомендуют­ся при возможности действия нагрузок на нижний пояс конструкций (на, тормозная сила тельфера при подвеске к балкам или фермам). При­менение трапецевидных ферм ^требует установки вертикальных связей по­крытия по опорным стойкам ферм. Опорные зоны высоких балок так же требуют раскрепления их верхней части.

Расчет связевой системы производится на горизонтальные уси­лия, действующие вдоль здания равномерно по всему пролету. Они склады­ваются из внешних силовых воздействий (ветра, сейсмики, тормозных уси­лий тельфера и др.) и внутренних усилий, возникающих при воздействии вертикальных нагрузок, вследствии отклонения от вертикали при монтаже, погиби из плоскости.

Нагрузка прикладывается узловая, при этом расстояние между узлами раскосов принимают в соответствии с требованиями по гибкости пояса не­сущей конструкции из плоскости деформирования от вертикальной нагруз­ки. Нагрузка на узел принимается Р = (#_г + #_ш )• s, где #_г - интенсивность горизонтальной внешней нагрузки; s - расстояние между узлами; #_ш - ин­тенсивность горизонтальной нагрузки от внутренних усилий, которая опре­деляется по формуле

 

 

где #_в - внешняя интенсивность вертикальной нагрузки; 2 - количество связевых ферм на длине 30 м; п - количество несущих конструкций в части здания длиной не более 30 м; К- величина в % от расчетной вертикальной

нагрузки, 3% для ферм, однопролетных балок и пологих арок 1, 5% для трехшарнирных рам и высоких арок.

Расчет связевых ферм производится в предпосылке шарнирности узлов крепления раскосов без учета податливости соединений, в предположении центральной передачи усилий с осью верхнего пояса ферм или осью балок, арок. При определении горизонтальных нагрузок от ветра, внутренних уси­лий и усилий торможения тельфера к суммарным значениям вводится коэф­фициент сочетания нагрузок, равный 0, 9.

Для совместной работы пары колонн, воспринимающих опорные реак­ции связевых ферм, предусматривают вертикальные связи. Эти связи могут быть раскосными из древесины или крестовыми из металлических стерж­ней.

Пространственная жесткость зданий дополнительно обеспечивается фа­хверком торца, который воспринимает значительную долю ветровых нагру­зок, встроенными сооружениями. При этом должно удовлетворяться требо­вание, чтобы низ стоек стоек фахверка, эстакад и т.д. был жестко закреплен, а верх давал возможность свободного вертикального перемещения несущих конструкций покрытия от временных нагрузок.

При строительстве зданий с кирпичными стенами, высота продольных стен должна обеспечивать равномерный уклон верхнего пояса. При пере­крытиях трапециевидными фермами стена должна быть высотой до отметки верха опорной стойки фермы. Торцевые стены должны повторять профиль несущей конструкции и заключаться параметром, возможно с уступами вы­сотой не более 50 см выше отметки кровли, во избежание снеговых мешков. В этом случае ветровые нагрузки воспринимаются кирпичными стенами, толщина которых и конструкция принимаются исходя также и из расчета на ветровые нагрузки. Общая устойчивость покрытия не требует связевых форм и обеспечивается продольными неразрезными прогонами, закреплен­ными в кирпичную кладку торцов рис. 9.34. Однако, такое решение реко­мендуется для зданий длиной до 20 м. В зданиях свыше двадцати метров, следует создавать связевой блок из двух ферм, по правилам, изложенном выше. Усилия для расчета раскосов и узлов подбирается аналогично, без учета ветровой нагрузки.

 

Расчет арок

Основными нагрузками для арки являются: постоянная нагрузка, вес снега и ветер. Для пологих арок расчетным сочетаниям нагрузок являются два варианта: постоянная и временная (снег) по всему пролету, постоянная по всему пролету и временная на одной половине пролета. Ветровую на­грузку в расчете можно не учитывать. Для высоких стрельчатых треуголь­ных арок наиболее неблагоприятным сочетанием является постоянная по всему пролету и временная (снег, ветер) с одной стороны пролета. Для складских зданий, оборудованных подвесным подъемно - транспортным оборудованием рассматриваются также нагрузки от максимальной грузо­подъемности и веса оборудования. Схема нагрузок в зависимости от геоме­трии арок следует принимать в соответствии приложениям 3 и 4 (2).

Усилия от дух или более временных нагрузок, умножается на коэффициент сочетания нагрузок, равный 0, 9. Затем определяются геомет­рические параметры арки, необходимые при расчете. По длине пролета ар­ка разбивается на ряд сечений и вычисляются координаты этих сечений (х, у). По общеизвестным правилам строительной механики в каждом сечении при различных видах загружения вычисляются: изгибающий момент, нор­мальная и поперечная сила.

Расчетные усилия принимаются от наиболее невыгодного сочетания на­грузок.

Дальнейший ход расчета арки следующий:

1. Принимаются размеры поперечного сечения арки, исходя из сорта­мента пиломатериала, с учетом припуска на механическую обработку. Для принятого сечения вычисляются F, W, J.

Заданное сечение арки рассчитывается на прочность как сжато-изги­баемый элемент

3. Расчет на устойчивость в плоскости кривизны производится по фор­муле центрально-сжатого элемента, если отношение напряжений от изгиба к напряжениям от сжатия меньше 0, 1;

4. Расчет на устойчивость плоской формы деформирования производит­ся по формуле

Расчет рамы.

5. Расчет узловых соединений. Древесина проверяется на смятие. В опорных узлах сечение и сварные швы металлических деталей определя­ется в соответствии со СНиП 11-23-81 " Стальные конструкции. Нормы про­ектирования". Болтовые соединения накладок в ключевом шарнире опреде­ляются от поперечной силы при односторонней максимальной снеговой на­грузки и ветра с той же стороны.

Расчет арок из прямолинейных элементов.

Особенности конструкции арки заключается во внецентренном прило­жении нормальной силы сжатия в узлах. Благодаря такому решению умень­шается изгибающий момент от поперечной нагрузки за счет изгибающего момента с обратным знаком от нормальной силы сжатия М= M_q- Ne

Полурама, так же как и полуарка, представляет собой сжатоизгибаемый элемент, расчет на прочность и устойчивость в плоскости кривизны осуще­ствляется аналогично. Отличие заключается только в том, что при опреде­лении нормальных напряжений на наружной и внутренней кромки криволи­нейного участка с малым радиусом полурам момент сопротивления сечения корректируется на коэффициенты К_гн и К_гв.

При отношении высоты сечения h к радиусу кривизны центральной оси

Устойчивость плоской фермы деформирования трехшарнирных гнутоклеенных рам проверяется аналогично аркам. Расчетная длина сжатоизгиба-емого элемента при этом принимается равной длине осевой линии полура­мы.

⇐ Предыдущая1234567Следующая ⇒

Поделиться: