Belgorod, Russian Federation
student
Belgorod, Russian Federation
GRNTI 67.09 Строительные материалы и изделия
BBK 383 Строительные материалы и изделия
Despite the rapid development of the industry of building materials and constructions, traditional solutions remain relevant. Wood – the oldest constructional material- is still successfully applied in modern design. The glued three-star frames are a kind of wooden structures. They’re easy, high-tech, environmentally friendly, long-life, moreover, they meet the requirements of flow production and have high aesthetic qualities. All this helps to expand their application area and improve competitive qualities. In this regard, the question concerning the choice of the most rational constructive variant of frame arises. The article deals with different types of laminated wooden frames. The advantages and disadvantages of various frame constructions are considered. The variants of connection of the frame rack and crossbar are considered. The analysis of the bearing capacity of frame eaves nodes made of rectilinear elements is carried out.
wooden frame, cornice joint, ridge site, laminated wood construction, finger joint, pentagonal insert
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. Malykhina V.S., Denisov A.N. Modern wooden construction. Bulletin of BSTU named after V.G. Shukhov, 2017, no. 5, pp. 30-36.
2. Malykhina V.S. Design and calculation of structures made of wood and plastics: a tutorial for students areas of undergraduate 270010 - Construction. Ministry of education and science of the Russian Federation, Belgorod state technological University named after V.G. Shukhov, Belgorod: BGTU, 2014. 368 p.
3. Malykhina V.S. Constructions made of wood and plastics. Textbook. 2 edition revised and supplemented. Belgorod: BGTU, 2008, 226 p.
4. Malykhina V.S., Ryazanova A.A. Options ridge nodes fully articulated laminated wooden frames. Science and innovation in construction (to the 45th anniversary of the Department of construction and urban economy): proceedings of the international scientific-practical conference: 2 t.. Belgorod state technological University named after V. G. Shukhov, 2017, pp. 67-73.
5. Ofitserova L.I. Constructions made of wood and plastics: a course of lectures for students of construction specialties. Part 2. Tomsk: STT, 2006. 132 p.
6. Shmidt A.B., Dmitriev P.A. Atlas building structures made of laminated wood and waterproof plywood. Moscow, Association of building universities, 2001, 292 p.
7. Chebykin A.A., Fritsler Yu.A., Kudryavtsev S.V. Design approach of finger joint in frame cornice. Academic Bulletin of the UralNIIproject RAASN, 2015, no. 2, pp. 86-89.
8. SP 64.13330.2017.Wooden structure. Updated version of Construction norms and rules II-25-80. Moscow, 2017
9. Ariskin M.V., Gulyaev D.V., Ageeva I.Yu. Investigation of the stress-strain state of a curved wooden frames. Young scientist, 2013, no. 3, pp. 16-19.
10. Ariskin M.V., Kutsenko E.V. Modeling of frames with curved struts and straight beam. New University. Series: Technical Sciences, 2013, no. 10(20), pp. 23-27.
