Совершенствование металлодеревянных шпренгельных балок

В последние годы наблюдается повышение тенденции строительства объектов павильонного типа, объектов сельскохозяйственного назначения и складских сооружений силами мелких организаций. В период перехода' к рыночной экономике этому способствуют потребности мелких строительных фирм, частных организаций, фермерских хозяйств, которые стараются вести строительство своими силами и не имеют соответствуюшей материальнотехнической базы. При этом для покрытия больших пролетов, где сплошные балки становятся неэкономичными, возникает необходимость разработки сквозных несущих конструкций, которые могли бы изготавливаться собственными силами на строительных площадках или в небольших мастерских. Здесь наиболее перспективными являются комбинированные конструкции с верхним поясом из древесины и нижним поясом из металла. Ярким примером таких конструкций являются металлодеревянные шпренгельные балки, где верхний пояс, работающий на сжатие с изгибом, изготавливается из древесины, а нижний растянутый — из стержневой арматуры, прокатной или полосовой стали. Применение древесины для верхнего пояса аргументируется тем, что пороки древесины мало влияют на его расчетные характеристики при работе на сжатие. А также в нашей стране имеется богатая сырьевая база, и древесина является единственным материалом, который может воспроизводиться природой. Проектирование растянутого нижнего пояса из металла объясняется тем, что он хорошо работает на растяжение и дает возможность натяжения нижнего пояса с образованием строительного подъема в балках во время эксплуатации. Металлодеревянные шпренгельные балки имеют широкую область применения для сельскохозяйственных зданий и складских сооружений. Онибтакже могут использоваться в промышленном и гражданском строительстве, например, при строительстве коттеджей, различных павильонов и т. д. Основными достоинствами металлодеревянных шпренгельных балок являются их экономичность и простота изготовления. Простота изготовления балок зависит в основном от конструкции их узлов. Известно, что распиловка и сверление древесины при изготовлении балок существенно уменьшают прочность верхнего пояса. Поэтому одним из условий проектирования и конструирования таких конструкций является цельность сечения древесины. Цель работы: совершенствование существующих и разработка новых эффективных металлодеревянных шпренгельных балок, которые характеризуются пониженной материалоемкостью, трудоемкостью и простотой изготовления. Научная новизна работы заключается в следующем: 1. Предложены новые конструктивные решения металлодеревянных шпренгельных балок, новизна опорных узлов которых подтверждена патентом РФ на изобретение- 2. Теоретически, численно и экспериментально исследованы НДС (напряженно-деформированное состояние) и действительная работа нового типа соединения гибкого шпренгеля с деревянным верхним поясом- 3. Разработаны алгоритмы расчета и составлены программы по определению оптимальных геометрических параметров балок. Практический выход и внедрение результатов. Разработаны новые виды металлодеревянных шпренгельных балок и методика их расчета и проектирования. Разработаны методические указания по проектированию и конструированию одно-, двухи четырехстоечных балок для вузов строительных специальностей «Проектирование и конструирование металлодеревянных шпренгельных балок с хомутовыми соединениями опорных узлов», которые внедрены в учебный процесс КГАСА. Разработанные рекомендации могут быть также использованы проектировщиками при проектировании и конструировании металлодеревянных шпренгельных балок. А п р о б, а ц и я р, а б о т ы, Основные результаты проведенных исследований были доложены и получили одобрение на 49−55 научных конференциях Казанской государственной архитектурно-строительной академии в 1997;2003 гг. На защиту выносятся следующие основные положения диссертационной работы: 1. Результаты теоретических, численных и экспериментальных исследований работы опорных узлов балок- 2. Результаты теоретических и численных исследований по назначению оптимальных геометрических параметров металлодеревянных шпренгельных балок.1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ. Шпренгельные конструкции издавна привлекали внимание конструкторов своей простотой конструктивной схемы, удобством изготовления и монтажа и надежностью их в эксплуатации. Совершенствование шпренгельных конструкций выполнялось по двум направлениям: -совершенствование их конструктивных форм- -уточнение методов их расчета. В зависимости от используемого в них материала шпренгельные конструкции подразделяются на: -металлические- -деревянные- -комбинированные (металлодеревянные, железобетонно-металлические и ДР) По количеству стоек шпренгельные балки можно подразделить на одностоечные, двухстоечные и многостоечные.1.1. Анализ конструктивных решений шпренгельных балок. В практике строительства первоначальное применение нашли деревянные шпренгельные балки. В последующем, из-за большого влияния пороков древесины при работе на растяжение, возникла необходимость замены растянутых элементов металлом. Самым простым конструктивным решением шпренгельных систем является деревянная одностоечная шпренгельная балка, методика конструирования и расчета которой приведена в работе [1]. Она состоит из верхнего пояса 1, шпренгеля 2 и стойки 3 (рис. 1.1). Шпренгель и стойка такой балки выполнены из одной, а верхний пояс — из двух досок. Опорные узлы балки осуществляются на гвоздях, а стык нижнего пояса конструируется с парными накладками на гвоздях.3L/16 2L/16 •• L/8 ,. L/8 «3V16 3L/16 Рис. 1.1. Деревянная одностоечная шпренгельная балка. Шпренгельным балкам такого типа предлагается придавать конструктивный строительный подъем. Порядок сборки при этом рекомендуется следующий. Сначала собирается в прямолинейном положении верхний пояс, и забиваются все гвозди скрепляющие элементы балки, кроме гвоздей, скрепляющих стойку с верхним поясом. Сама стойка выходит своим концом из зазора верхнего пояса на величину строительного подъема „Усг/“» После этого по схеме рис. 1.2 производится выгибание верхнего пояса, а затем забиваются гвозди, соединяющие стойку с верхним поясом шпренгельной балки. стр Рис. 1.2. Схема придания шпренгельной балке строительного подъема. Геометрическая схема и конструкции узлов другой одностоечной шпренгельной балки приведены в работе [3] (рис. 1.3).Рис. 1.3. Одностоечная металл одеревянная шпренгельная балка, а — общий вид прогонаб — опорный узел. Балка состоит из верхнего деревянного пояса 1 из круглого леса или брусьев прямоугольного сечения, стойки 2 тоже деревянного и шпренгеля 3, выполненного из круглой стали. Предложена конструкция балки с верхним поясом из двух брусьев. В опорном узле этой балки шпренгель пропущен между брусьями 1 и уперт через распределительную планку 4 в торец верхнего пояса. Узел имеет опорную плиту 5 в виде доски, пришитой к верхнему поясу (рис. 1.3).В этой конструкции присоединение нижнего пояса в опорном узле выполняется с эксцентриситетом для снижения величины расчетного момента в верхней панели. Применение таких балок авторы предлагают для перекрытия пролетов 6−12 метров. Конструкция одностоечной шпренгельной балки и перекрестной шпренгельной системы приводится также в работе [33]. Отмечается, что одностоечные и двухстоечные пшренгельные балки выгодны для пролетов от 4 до 12 метров. На примере одностоечной шпренгельной балки показано, что возможно изменение расчетной схемы шпренгельной балки во время эксплуатации. Здесь также отмечается эффективность одностоечных и двухстоечных шпренгельных систем при больших статических и подвижных нагрузках. Конструкции и схемы одностоечньпс шпренгельных балок приводятся также в работах [2], [4], [7], [8], [43], [44], [45]. Первоначальное применение двухстоечные пшренгельные системы наиши в эстакадных конструкциях. Одна их конструкций и методика расчета двухстоечной шпренгельной балки приводится в работе [1]. Конструкция балки представлена на рис. 1.4. Верхний пояс ее состоит из двух брусьев 1, соединенных между собой горизонтальными болтами 3 диаметром 12−16 мм. Стойки 2 сечением в один брус располагаются перпендикулярно верхнему поясу. Нижние торцы стоек для обеспечения плавности перегиба затяжки закругляются и усиливаются стальными оголовниками 7, к которым приваривается затяжка 4. В средней горизонтальной части затяжки 4 устанавливается винтовая муфта 5, позволяющая обеспечить предварительное натяжение в затяжке. Соединение затяжки с балкой в опорном узле производится с помощью отрезка швеллера 6, располагаемого на наклонных щековых торцах балки. Затяжка при этом пропускается через специальное отверстие между брусьями верхнего пояса. / / «/ -ф—• И/ / L-la.Рис. 1.4. Металлодеревянная щпренгельная подкрановая балка. Предлагаемая величина пролета таких шпренгельных балок составляет 5 -i-7 метров. Конструктивная высота балок изменяется в пределах — i— от 5 4 пролета. Подобные схемы двухстоечньЕС балок с указанием их возможных пролетов представлены также в работах [2], [4], [7], [8], [44], [45]. Наибольший интерес представляет двухстоечная шпренгельная балка, в которой все узлы упрощены, в том числе и опорные (рис. 1.5) [9]. Описание металлических шпренгельных балок, в которьпс стойки складываются для удобства перевозки балок, и решения их опорных узлов приводятся в работах [57], [77], [78], [79]. Для покрытия более длинных пролетов применяются шпренгельные балки с тремя и более стойками. Конструктивные решения многостоечных балок представлены в работах [2], [4], [7]. В работах Н. С. Стрелецкого [69], [70] уделено особое внимание металлическим шпренгельным прогонам. Отмечается, что они заслуживают первейшего внимания конструктора. Здесь также приводятся конструктивные решения и методы расчета металлических шпренгельных прогонов. Конструкция крытого плавательного бассейна в Кохеле-на-Зее описана в работах [13] и [14]. Зал бассейна размером 18×27 метров перекрывается многостоечными шпренгельными балками в двух направлениях. Балки состоят из верхнего пояса 1 (рис. 1.6) из двух пакетов клееных досок, стоек 2 из клееной древесины и тяги 3 из нержавеющей стали с винтовой муфтой. Стойки в балке располагаются перпендикулярно к верхнему поясу. Шпренгельная балка усиливается диагональными тяжами 4 из нержавеющей стали между стойками. Соединения нижних поясов и диагоналей с вертикальными стойками выполняются с помощью штырей 5 из высокопрочной стали с выточками. В опорном узле тяга 3 пропущена между брусьями верхнего пояса 1 и уперта в торец верхнего пояса через угольник 6, Рис. 1.6. Узлы многостоечной шпренгельной балки. В работе [4] приводятся комбинированные системы трапецивидного очертания с двумя стойками и шарниром в коньковом узле или с неразрезным верхним поясом переменного сечения. Верхний пояс таких шпренгельных систем предлагается изготавливать из клееной древесины. Более сложные конструктивные схемы металлодеревянных шпренгельных конструкций для покрытия пролетов от 18 до 36 метров представлены в работе [6]. Здесь приводятся комбинированные системы, образованные из одностоечных и двухстоечных металлодеревянных шпренгельных прогонов. Приводятся конструкции разработанные ЦНИИЭПсельстроем и ЦНИИпромзданий, Высшей Технической Школой в г. Дрездене (ГДР) и фирмой ЭНСОГУТЦЕЙТ (Финляндия).Металлические шпренгельные системы, методы предварительного натяжения шпренгельных систем, применение шпренгелеи в перекрестных системах и при усилении конструкций представлены в работе А. А. Калинина [58]. Им также предложены самонапрягающаяся шпренгельная система [59] и шпренгельная конструкция [60]. Шпренгельная система состоящаяся из двух двухстоечных шпренгельных балок с клеедеревянными верхними поясами представлена в работе Э. Э. Юст [61]. Разработка конструкции включает проектирование, модельные испытания и экспериментальное строительство. Шпренгельная система также из двух двухстоечных щпренгельных балок предложена в работе М. А. Чантурии и др. [65]. Предлагается поставить затяжку между обеими стойками шпренгельных балок, что улучшает работу системы на асимметричное загружение. Блок-фермы из шпренгльньгх конструкций предложены в рабаге П, А. Дмитриева и др. [66]. Приводятся блок-фермы состоящие из отдельных одностоечных и двухстоечных шпренгельных балок, а также на основе шпренгельных систем с указанием возможных пролетов и их высот. Металлическая блочно-шпренгельная система для покрытия круглого в плане здания диаметром 18 метров приводится в работе И. В. Молева и Р. И. Молевой [68]. Блоки представляют собой пространственные фермы, у которых верхние пояса выполняются из швеллеров, соединенных в горизонтальной плоскости прогонами из уголков, а элементы решетки и нижнего пояса приняты круглого сечения. Существующий опыт показывает, что конструктивное решение узлов шпренгельных балок существенно влияет на их несущую способность и трудоемкость изготовления. Рассмотрим некоторые конструктивные решения узлов металлодеревянных шпренгельных балок. Разные варианты решения опорных узлов (рис. 1.7) и узлов крепления стоек с затяжками (рис. 1.8) представлены на работе [4]. е) H* i J-3 4−4 .» •S-^МУ ^^^Ш I ^ 2−2 f Рис. 1.7. Варианты решения опорных узлов шпренгельных балок. Присоединение стоек с затяжками также предложено в нескольких вариантах: -через опорную плиту с непосредственной передачей усилия на стойку (рисЛ.^а, б) — -при передаче усилия на стойку через нагели (рис. 1.86, г) Схемы одно-, двухи четырехстоечных шпренгельных балок и примеры применения шпренгельных систем за рубежом содержатся в работах [7], [35], [36], [37], [38]. Здесь также приводятся различные варианты присоединения их затяжек в опорных узлах балок (рис. 1.9), и варианты крепления затяжек со сжатыми стойками (рис. 1.10).Рис, 1.9. Варианты присоединения затяжки шпренгельных балок в опорных узлах. Предложено присоединение шпренгеля к верхнему поясу в опорном узле в нескольких вариантах: -соединение с помощью стальной коробки, шарнирного болта и прибитых гвоздями планок (рис. 1.9аУ, -боковое присоединение с помощью пластинок, прибитых гвоздями, и шарнирного болта (рис. 1.96) — -верхний пояс со шлицем, присоединение с помощью опорной плиты (рис. 1.9в) — -планка со штырями в шлице верхнего пояса (рис. 1.92).Рис. 1.10. Варианты крепления затяжки к сжатым стойкам. Присоединение стоек с затяжками также предложено в нескольких вариантах: -шарнирное крепление затяжек болтами и нагелями к парной стойке (рис. 1.10а) — -прикрепленная нагелями полосовая сталь с шарнирным креплением затяжек (рис. 1.1 Об) — -прикрепленная нагелями листовая сталь с упорной планкой, при этом тяга приварена к упорной планке (рис. 1.10в) — -прикрепленная нагелями листовая сталь с упорной планкой, а тяга •19присоединена щарнирно (рис. 1.1 Ог).Анализ конструктивных решений шпренгельных балок показывает, что существующие конструкции имеют следующие недостатки: 1. Большая трудоемкость изготовления узлов: -изготовление специальных отверстий для пропуска затяжки- -распиловка торцов верхних поясов для пропуска пластин- -усиление опорных узлов опорными плитами.2.0слабление опорных узлов распиловкой и сверлением поясов: С целью упрощения изготовления и повышения несущей способности шпренгельных балок Р. И. Хисамовым и др. [9] были предложены металлодеревянные шпренгельные прогоны, в которых нижний пояс выполняется из полосовой стали, который огибает в опорном узле торец деревянного верхнего пояса балки и стянут хомутом (рис. 1.5). Преимуществом такого опорного узла является то, что в конструкции отсутствует ослабление сечения верхнего пояса. Однако, недостатком такого решения является то, что несущая способность таких балок ограничивается прочностью древесины, работающей на смятие в торце верхнего пояса.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.

Разработка и исследование новых металлодеревянных шпренгельных балок и теоретические, численные и экспериментальные исследования их опорных узлов позволяют сделать следующие выводы и рекомендации:

1. На основе анализа существующих конструктивных решений металлодеревянных шпренгельных балок предложены новые одностоечные, двухстоечные, трехстоечные и четырехстоечные металлодеревянные шпренгельные балки, новизна опорных узлов которых подтверждена патентом РФ на изобретение.

2. Теоретически, численно и экспериментально исследована действительная работа нового опорного узла и разработана методика расчета с определением: а) Рациональной толщины штампаб) Прочности торца верхнего пояса смятию.

Расхождения между теоретическими и численными значениями не превышают 10%, а между численными и экспериментальными значениями не более 15%.

3. Определены оптимальные параметры одностоечных, двухстоечных и четырехстоечных шпренгельных балок (высота и соотношение длин панелей) из условия минимума затрат на покрытие с выявлением: а) Наихудших случаев загружения одностоечных, двухстоечных и четырехстоечных шпренгельных балокб) Рациональных величин узловых эксцентриситетов, создающих опорный моментв) Рациональной геометрии нижнего пояса четырехстоечных шпренгельных балок.

4. Разработаны методики расчета с реализацией в программах «БАЛКА-1», «БАЛКА-2» и «БАЛКА-4» для расчета новых одно-, двухи четырехстоечных металлодеревянных шпренгельных балок.

ПЕРСПЕКТИВЫ ДАЛЬНЕЙШИХ ИССЛЕДОВАНИЙ.

1. Исследование напряженно-деформированного состояния древесины при смятии вдоль волокон в стесненных условиях.

2. Исследование предложенных металлодеревянных шпренгельных балок с верхним поясом из клееной древесины или составных брусьев.

3. Разработка и исследование комбинированных и перекрестных систем на основе предложенных одностоечных, двухстоечных и четырехстоечных металлодеревянных шпренгельных балок с хомутовыми соединениями опорных узлов.