Таблица 12. Коэффициенты срока службы для древесины, согласно СНиП II-25-80 (СП 64.13330.2011)

5 этап. Определение требуемого момента сопротивления поперечного сечения деревянной балки.

Таким образом расчетное сопротивление балки может снизиться почти в два раза и соответственно сечение балки увеличится, но мы пока никаких дополнительных коэффициентов использовать не будем. Если будет использоваться древесина сосна 1 сорта, то

W_треб = 80000/142.71 = 560.57 см³

Примечание: Расчетное сопротивление 14 МПа = 142.71 кгс/см². Впрочем для упрощения расчетов можно использовать и значение 140 большой ошибки в этом не будет, а будет небольшой запас по прочности.

Так как поперечное сечение бруса имеет простую прямоугольную форму, то момент сопротивления бруса определяется по формуле

W_треб = bh²/6 (147.3)

где b - ширина бруса, h - высота бруса. Если поперечное сечение балки перекрытия будет непрямоугольным, а, например, круглым, овальным и др, т.е. в качестве балок Вы будете использовать лес-кругляк, тесаные бревна или что-то еще, то определить момент сопротивления для таких сечений можно по формулам, приведенным отдельно.

6 этап. Определение высоты балки при известном требуемом моменте сопротивления.

Попробуем определить необходимую высоту бруса при ширине 10 см. В этом случае

(147.4)

высота бруса должна быть не менее 18.34 см. т.е. можно использовать брус сечением 10х20 см. В этом случае потребуется 0.56 м³ древесины на 7 балок перекрытия.

Для примера, если Вы планируете, что ваша конструкция простоит более 100 лет и при этом более 80% нагрузки будет постоянная + длительная, то расчетное сопротивление для древесины того же класса составит 91.33 кгс/см² и тогда требуемый момент сопротивления увеличится до 876 см³ и высота бруса при этом должна быть не менее 22.92 см.

2 Вариант.

Если расстояние между балками сделать 75 см, то максимальный изгибающий момент:

М_max = ql²/8 = 400х0.75х4²/8 = 600 кгм или 60000 кгсм

тогда требуемый момент сопротивления деревянной балки

W_треб = 60000/142.71 = 420.43 см³

а минимально допустимая высота бруса 15.88 см при ширине бруса 10 см, если использовать брус сечением 10х17.5 см, то на 9 балок перекрытия потребуется 0.63 м³ древесины.

3 Вариант.

Если расстояние между балками сделать 50 см, то максимальный изгибающий момент:

М_max = ql²/8 = 400х0.5х4²/8 = 400 кгм или 40000 кгсм

тогда требуемый момент сопротивления деревянной балки

W_треб = 40000/142.71 = 280.3 см³

а минимально допустимая высота бруса 12.96 см при ширине балки 10 см, при использовании бруса сечением 10х15 см на 13 балок перекрытия потребуется 0.78 м³ древесины.

Как видно из расчетов, чем меньше расстояние между балками, тем больше может быть расход древесины на балки, но при этом чем меньше расстояние между балками, тем более тонкие доски или листовой материал можно использовать для настилки пола. И еще один важный момент - расчетное сопротивление древесины зависит от породы древесины и влажности древесины. Чем выше влажность, тем меньше расчетное сопротивление. В зависимости от породы древесины колебания расчетного сопротивления не очень большие.

7 этап. Определение прогиба деревянной балки.

Теперь проверим прогиб балки, рассчитанной по первому варианту. Большинство справочников предлагают определять величину прогиба при распределенной нагрузке и шарнирном опирании балки по следующей формуле:

f=(5ql⁴)/(384EI) (147.5)

где q - нагрузка на балку

l - расстояние между несущими стенами

E - модуль упругости. Для древесины не взирая на породы согласно п.5.3 СП 64.13330.2011 при расчете по предельным состояниям второй группы это значение обычно принимается равным 10000 Мпа или 10х10⁸ кгс/м² (10⁵ кгс/см²) вдоль волокон и Е ₉₀ = 400 МПа поперек волокон. Но в действительности значение модуля упругости даже для сосны еще колеблется от 7х10⁸ до 11х10⁸ кгс/м² в зависимости от влажности древесины и времени действия нагрузки. При длительном действии нагрузки согласно п.5.4 СП 64.13330.2011 при расчете по предельным состояниям первой группы по деформированной схеме нужно использовать коэффициент m _дс = 0.75. Мы не будем определять прогиб для случая, когда временная нагрузка на балку длительная, балки перед установкой не обрабатываются глубокой пропиткой, препятствующей изменению влажности древесины и относительная влажность древесины может превысить 20%, в этом случае модуль упругости будет около 6х10⁸ кгс/м², но значение это запомним.

I - момент инерции, для доски прямоугольного сечения

I = bh³/12 = 10 х 20³/12 = 6666.6667 см⁴

f = (5 х 400 х 4⁴)/(384 х 10 х 10⁸ х 6666.6667 х 10^-8) = 0.01999 метра или 2.0 см.

СНиП II-25-80 (СП 64.13330.2011) рекомендует рассчитывать деревянные конструкции так, чтобы для балок перекрытия прогиб не превышал 1/250 от длины пролета, т.е. допустимый максимальный прогиб 400/250=1.6 см. Это условие нами не выполнено. Далее следует подобрать такое сечение балки, прогиб которой устраивает или Вас или СНиП.

Брус LVL в качестве балок перекрытия.

Если для балок перекрытия Вы будете использовать клееный брус LVL (Laminated Veneer Lumber), то расчетные сопротивления для такого бруса следует определять по следующей таблице:

Таблица 4. Значения расчетных сопротивлений для клееных слоистых материалов, согласно СНиП II-25-80 (СП 64.13330.2011)

8 этап. Проверка по касательным напряжениям.

Расчет на смятие опорных участков балки как правило не требуется, поэтому пример расчета прочности опорных участков приводится отдельно. А вот расчет на прочность при действии касательных напряжений сделать не сложно и здесь. Максимальные касательные напряжения при выбранной расчетной схеме будут в поперечных сечениях на опорах балки, там, где изгибающий момент равен нулю. В этих сечениях значение поперечной силы будет равно опорной реакции и будет составлять:

"Q" = ql/2 = 400x4/2 = 800 кг (147.6)

тогда значение максимальных касательных напряжений составит:

т = 1.5Q/F = 1.5x800/200 = 6 кг/см² < R_cк = 18 кг/см² (147.7)

где F - площадь поперечного сечения бруса сечением 10х20 см;

R_cк - расчетное сопротивление скалыванию вдоль волокон, определяется по таблице 3.

Как видим, имеется трехкратный запас по прочности даже для бруса, имеющего максимальную высоту сечения.

Теперь рассчитаем какие материалы, используемые в качестве напольного покрытия, выдержат расчетную нагрузку (принцип расчета точно такой же).