Клееные балки. Конструкция, применение и расчет

Основные типы клееных деревянных балок (постоянного по длине сечения, одно­скатные, двускатные, ломаного очертания и криволинейные) и их поперечные сечения показаны на рис. 6.9. Основным типом поперечного сечения является прямоугольное сечение постоянной высоты, другие типы сечений применяются при технико-экономическом обосновании.

Дощатоклееные балки обладают рядом преимуществ перед другими составными балками: они работают как монолитные;их можно изготовить с поперечным сечением боль­шой высоты;в балках длиной более 6 м отдельные доски стыкуют по длине с помощью зубчатого шипа и, следовательно, балки не будут иметь стыка, ослабляющего сечение;в дощатоклееных балках можно рационально разме­щать доски различного качества по высоте. Слои из до­сок первого или второго сортов укладывают в наиболее напряженные зоны балки, а слои из досок второго или третьего сортов — в менее напряженные места. В доща­токлееных балках можно также использовать маломер­ные пиломатериалы.

 

 

Расчет клееных деревянных балок ведется по известным формулам для изгибае­мых элементов с введением поправочных коэффициентов к моменту сопротивления сечения и расчетному сопротивлению древесины на изгиб, учитываю­щих толщину слоев, высоту сечения, наличие ослаблений и другие факторы для клее­ных элементов. В односкатных и двускатных балках опасное сече­ние (с максимальными напряжениями от изгиба) не совпадает с сечением, в котором возникает максимальный изгибающий момент, и находится на расстоянии Х_м от опоры с меньшей высотой. При равномерно распределенной нагрузке по всему пролету Х_м на­ходится по формулам: а) для балок прямоугольного сечения

l – расчетный пролет балки

h_оп – высота балки на опоре с меньшей высотой

h_ср – высота балок в середине пролета

б) для балок двутаврового сечения

где

h_оп – высота на опоре между осями поясов в двутавровых балках

α – угол наклона верхнего пояса балки к горизонту

В тех случаях, когда по конструктивным соображениям необходимо устраивать подрезки у опор изгибаемых элементов (например, при опирании вспомогательных ба­лок на главные, раскреплении прогонами верхних поясов ферм и т.д.), необходимо со­блюдать следующее условие (см. рис. 6.2,в):

где А – опорная реакция балки от расчетной нагрузки;

b и h – ширина и полная высота сечения балки без подрезки.

При этом глубина врезки не должна превышать 0,25 высоты сечения, длина опорной площадки - не более высоты сечения, длина скошенной части - более двух величин глубины врезки: а <= 0,25h, с < h, с₁>=2а. Если среднее скалывающее на­пряжение получается более 0,4 МПа, подрезки на опоре балок не допускаются.

В двутавровых и тавровых балках в случаях, когда нагрузка приложена к нижне­му поясу балок, делается проверка на отрыв нижней полки по эмпирической формуле (см. рис. 6.2,г):

где N – суммарная расчетная двусторонняя нагрузка на полку от опорных планок;

b₁ – ширина стенки балки или ее половина при односторонней нагрузке, см;

c – ширина опорной планки, см.

 

 

 

Рис. 6.9. Клееные деревянные балки: а - схема приложения нагрузки; б - основные типы балок; в - типы поперечных сечений (1 - сплошное, 2 - спаренное, 3 - тавровое, 4 - двутавровое, 5 - коробчатое)

Клеефанерные балки

 

Одним из путей снижения массы деревянных балок является применение клеефанерных балок. Вместе с тем клеефанерные балки имеют пониженную огнестойкость. Основные типы клеефанерных балок и их поперечные сечения даны на рис. 6.10. Об­ласти применения клеефанерных балок те же, что и клееных деревянных балок: прого­ны покрытий, ребра клеефанерных панелей и т.д. Клеефанерные балки состоят из до­щатых поясов и фанерной стенки. Для изготовления таких балок используются пилома­териалы хвойных пород 1-го и 2-го сортов и водостойкая фанера марок ФСФ и ФБС. Требования к качеству изготовления клеефанерных конструкций аналогичны требованиям к изготовлению КДК.

Основные правила конструирования клеефанерных балок:

- рекомендуемые пролеты 9... 12 м (за рубежом до 40 м);

- размерами поперечного сечения предварительно задаются исходя из проекти­руемых нагрузок: h = (1/10... 1/12) L, h_n =(1/6...1/10)h;

- пояса балок выполняются из досок δ < 50 мм и шириной не более 100 мм, при большей ширине, в поясах делаются пропилы для снижения напряжений в клеевом шве между древесиной и фанерой;

- фанерная стенка должна быть толщиной более 8 мм, стыки фанерной стенки по длине выполняются "на ус" или в стык с накладками;

- для лучшего использования несущей способности фанерной стенки, листы фа­неры располагаются так, чтобы волокна ее рубашек были направлены вдоль оси балки;

- устойчивость вертикальной стенки обеспечивается постановкой ребер жестко­сти через 1/10 L, в крайних панелях сечение усиливается дополнительным листом фане­ры и подкосом жесткости;

- внутренние полости коробчатых сечений обрабатываются комбинированными составами антисептиков и антипиренов.Порядок расчета клеефанерных балок тот же, что и клееных деревянных балок.

Особенности расчета клеефанерных балок с плоской стенкой

Ввиду неодинаковых модулей упругости древесины и фанеры, в расчетные формулы вводятся геометрические характеристики сечения, приведенные к наиболее напряженному материалу - древесине:

Рис. 6.10. Клеефанерные балки: а - с плоской фанерной стенкой и типы поперечных сечений; б - с волнистой стенкой; в — типы поперечных сечений клеефанерных балок в зарубежном строительстве

где h – высота балок в расчетном сечении.

 

Расчет клеефанерных балок с плоской стенкой (см. рис. 6.10,а) ведется с учетом работы фанерной стенки на нормальные напряжения, однако основная доля нормаль­ных напряжений в клеефанерных балках воспринимается древесиной поясов, поэтому нижний пояс балок проверяется по формуле

 

Верхний пояс клеефанерных балок проверяется по формуле

φ – коэффициент продольного изгиба из плоскости изгиба для верхнего пояса.

Проверка прочности клеевого шва между шпонами фанеры на скалывание (в пре­делах ширины пояса балки) или проверка клеевого шва между фанерной стенкой и поя­сами производится по формуле:

R_ф.ск - расчетное сопротивление скалыванию фанеры вдоль волокон наружных слоев

Q – максимальная поперечная сила на опоре;

I_пр – приведенный момент инерции балки на опоре;

S_п - статический момент пояса относительно нейтральной оси;

Σh_п – суммарная ширина приклейки пояса к фанерной стенке с обеих сторон,.

Проверка прочности фанерной стенки на срез выполняется по формуле:

R_ф.ср - расчетное сопротивление фанеры на срез перпендикулярно плоскости листа;

S_пр – приведенный статический момент половины сечения балки;

Σδ – суммарная толщина фанерных стенок

Устойчивость фанерной стенки с продольным по отношению к оси балки распо­ложением волокон наружных слоев следует проверять на действие касательных и нор­мальных напряжений по формуле (48) [2]. При поперечном по отноше­нию к оси элемента расположению волокон фанерной стенки проверка устойчивости производится по формуле (48) [2] только на действие касательных на­пряжений.

 

Особенности расчета клеефанерных балок с волнистой стенкой

Клеефанерные балки с волнистой стенкой (см. рис. 6.10,6) изготавливаются сле­дующими способами:

а) в деревянных поясах балки по шаблонам на копировальных станках выбирают-
ся криволинейные пазы клиновидного сечения, пазы заполняются клеем, а затем фа-
нерная стенка вставляется в пазы и протягивается с помощью лебедки на всю длину
балки;

б) деревянный пояс (брусчатый или клееный) распиливается волнообразно на две
части, в распил на клею вставляется фанерная стенка и пояса вместе с фанерной стен-
кой запрессовываются в ваймах.

Порядок расчета клеефанерных балок с волнистой стенкой такой же, что и балок с плоской стенкой - см. формулы (6.15, 616), однако в таких балках считается, что нор­мальные напряжения воспринимаются только поясами, поэтому приведенные геомет­рические характеристики сечения не определяются, а в формулы подставляются гео­метрические характеристики деревянных поясов балки.

Другой особенностью расчета таких балок является необходимость учета подат­ливости волнистой стенки. В расчет вводятся коэффициенты, учитывающие снижение момента сопротивления и момента инерции, за счет податливости волнистой стенки:

при проверке прочности

при проверке жесткости

B – податливость волнистой фанерной стенки

Прочность соединения фанерной стенки с поясами в опорном сечении балок, изготовленных по способу «а», проверяется по формуле

I_п – момент инерции поясов балки без учета фанерной стенки,

р – периметр клеевого шва

 

Армированные клееные деревянные балки

В целях рационального использования высокосортной древесины, повышения же­сткости изгибаемых элементов, а также в тех случаях, когда есть ограничения по высо­те сечения конструкций рекомендуется применять армированные клееные деревянные балки. В каче­стве арматуры в основном используется стальная (в экспериментальном порядке стеклопластиковая) арматура периодического профиля класса А400 диаметром 16...28 мм.

Достоинства армированных балок; повышение несущей способности и жесткости балок, уменьшение высоты сечения конструкций, экономия качественной древесины (до 15%). К недостаткам таких конструкций относится: возрастание трудоемкости и стоимости изготовления. Основные схемы армирования балок и их поперечные сечения даны на рис. 6.11.

Технология изготовления армированных КДК отличается от технологии изготов­ления обычных КДК появлением дополнительных операций вклеивания арматурных стержней. Процесс вклеивания арматуры включает:

1. Приготовление клеевой композиции для склеивания арматуры с древесиной. В настоящее время лучшими композициями являются составы на основе эпоксидных смол. Состав эпоксидно-песчаной смолы (ЭПП), массовых частей:

эпоксндно-диановая смола ЭД-20 100

пластификатор (дибутилфталлат) 20... 25

отвердитель (полиэтиленполиамин) 10... 12

наполнитель (песок речной, просеянный через сито 1,0 мм) 300...400
или портландцемент 200

Жизнеспособность состава 45...80 минут. Расход q - 0,2...0,4 кг/м пог. при диа­метре арматуры 016...24 мм.

2. Фрезерование пазов (прямоугольного или полукруглого профиля) для арматуры по пластям заготовок производится одновременно с острожкой пластей.

3. Подготовка арматуры (резка или сращивание по длине, очистка от загрязнений и ржавчины, обезжиривание).

4. Укладка и запрессовка арматуры выполняется на отдельных элементах (заго­товках), что позволяет выделить эту операцию и производить ее на отдельном участке параллельно другим операциям. Нанесение ЭПП в пазы производится с помощью шприца или шпателя. При вклеивании арматуры необходимо создать лишь минималь­ное (контактное) давление запрессовки 0,5... 1 кг/см² (0,05...0,1 МПа), которое создает­ся с помощью вайм, прижимами в точках, расположенных по длине арматуры на рас­стоянии а=25d_а. Продолжительность склеивания составляет 12...24 часа при темпе­ратуре 20°С и 2...4 часа при 50...60°С. Затем при наборе клееного пакета армиро­ванные заготовки укладываются в крайние зоны по высоте сечения конструкций. После выгрузки из пресса конструкции готовы к применению через 7... 10 дней.

Изготовление конструкций, армированных полукаркасами (с поперечной или на­клонной арматурой), армированных по боковым поверхностям - более сложно и трудо­емко и пока не вышло за рамки экспериментов.

Основные правила конструирования армированных балок:

- поперечное сечение балок конструируется, как правило, прямоугольным посто­янной высотой, при экономическом обосновании - двутавровым или коробчатым;

- высота поперечного сечения назначается в пределах (1/15...1/20)L, ширина сече­ния принимается с учетом существующего сортамента пиломатериалов;

- рекомендуется симметричное армирование в сжатой и растянутой зонах;

- рациональный процент армирования =1,2...3,5%.