Стойки из брусьев и бревен составного сечения на податливых связях

Обновлено: 14.05.2024

Многие деревянные конструкции (балки, рамы, арки) делают составными. Необходимость создания таких конструкций вызвана ограничениями в размерах лесоматериалов по длине и площади сечения. В составных деревянных конструкциях отдельные брусья и доски соединяются с помощью связей, которые могут быть жесткими (клеевые, обеспечивающие монолитность соединения) и податливыми. Элементы составных деревянных конструкций на податливых связях состоят из досок, соединенных гвоздями или бревен и брусьев, соединенных по высоте болтами или деревянными вкладышами. Податливостью называют способность связей при деформации конструкций давать возможность соединяемым брусья или доскам сдвинуться друг относительно друга. Податливость связей ухудшает работу составного элемента по сравнению с таким же элементом цельного сечения. У составного элемента на податливых связях уменьшается несущая способность, увеличивается деформативность. Поэтому при расчете и проектировании составных элементов необходимо учитывать податливость связей.

Основы учета податливости связей

Вопросы учета податливости связей при расчете составных стержней были впервые разработаны в нашей стране.

В этой задаче принято положение об упругой работе материала элементов и связей. В СНиП II-25-80 приведены расчетные формулы, дающие приближенные решения, получаемые из точных решений путем ряда упрощений.

Расчет на поперечный изгиб

Для того чтобы понять характер работы элементов на податливых связях на поперечный изгиб, возьмем три балки, у которых нагрузки, пролеты и поперечные сечения одинаковые. Первая балка имеет цельное сечение (Ц), вторая – из двух брусьев без всяких связей (О) и третья – из двух брусьев с податливыми связями (П).

При изгибе деформации составной балки на податливых связях будут больше деформаций балки цельного сечения, но меньше деформаций балки без связей:

W_Ц>W_П>W_О

I_Ц>I_П>I_О

Из этих неравенств следует, что геометрические характеристики составной балки на податливых связях (IЦ, WЦ) можно выразить через геометрические характеристики балки цельного сечения, умножением на коэффициенты kw и kж, меньше 1, которые учитывают податливость связей, тогда:

, ;

, .

Прогиб балки на податливых связях увеличивается соответственно уменьшению момента инерции:

Значения коэффициентов kw и kж приведены в СНиПе в зависимости от величины пролета и количества слоев в элементе. Расчет составной балки на податливых связях сводится, таким образом, к расчету балки цельного сечения с введением коэффициентов, учитывающих податливость связей:

1) нормальные напряжения определяются по формуле:

, где

W_ц – момент сопротивления составной балки, как цельной;

Аналогичным образом выполняется учет податливости связей и при расчете на устойчивость плоской формы изгиба.

2) прогиб составной балки на податливых связях в общем случае:

, где

В случае образования технологического проема нагрузка с дощатоклееной балки в месте проема передается на деревянную составную стойку. Составная стойка состоит из цельных брусков или из толстых досок, соединенных по длине болтами или гвоздями. Стержни составных стоек соединены пластями вплотную или имеют между ними зазоры, заполняемых с помощью коротких дощатых или брусчатых прокладок. Длины составных стоек, как и цельнодеревянных, не превышают 6,5м (рис. 7), а возможные варианты конструкции составной стойки показаны на рис. 7, а б.

Рис. 7. Варианты составных стоек

б) сквозная с прокладками;

в) расчетная схема

1 – бруски или доски; 2 – болты (нагели); 3 - прокладки

Составные стойки применяют в том случае, когда несущая способность цельнодеревянных стоек недостаточна для восприятия действующих нагрузок. Эти стойки обычно имеют шарнирно-закрепленные концы и работают, как правило, только на продольные сжимающие силы от вертикальных нагрузок. В направлении относительно материальной оси составные стойки могут работать также на сжатие с изгибом и воспринимать дополнительные горизонтальные изгибающие нагрузки.

Составные стойки рассчитывают на сжатие и устойчивость в двух плоскостях. Расчет относительно материальной оси, которая проходит через центр сечений обоих элементов стойки, производят как стойки цельного сечения шириной, равной ширине сечения обоих брусьев. Податливость соединений при этом на несущую способность стойки не влияет и не учитывается.

Расчет стойки относительно свободной оси, проходящей вне сечений брусьев, производят с учетом того, что ее гибкость существенно выше, а несущая способность ниже, чем стойки цельного сечения двойной высоты. Это объясняется тем, что гибкость увеличивается в результате податливости соединений и гибкости отдельных брусьев между соединениями.

Повышенную гибкость стойки относительно свободной оси называют приведенной гибкостью λ_пр и определяют по формуле

, (23)

где: - коэффициент приведения гибкости; - коэффициент податливости соединений, определяемый по табл. 15 [1]; - гибкость стойки относительно свободной оси, выполненная без учета податливости связей; λ₁ – гибкость отдельной ветви относительно собственной оси , найденная по ее расчетной длине l₁ , равной расстоянию между ближайшими связями в соседних прокладках; b и h – размеры сечения, см.; - количество швов, на которые может произойти сдвиг между ветвями; - количество связей в одном шве на одном погонном метре.

Связи между ветвями являются упруго - податливыми. С учетом этого определяется приведенная гибкость составной стойки. Эта гибкость будет больше, чем гибкость стержня, у которого ветви жестко соединены между собой (монолитный стержень).

Подбор сечения стойки начинается с предварительного задания гибкости в пределах 80…120 (имеется ввиду гибкость относительно материальной оси x-х, проходящей перпендикулярно швам). По принятой гибкости определяется коэффициент продольного изгиба φ и находится требуемая площадь:

По гибкости одновременно устанавливается требуемая ширина досок или брусков:

где - расчетная длина стойки.

По и назначается толщина и количество дощатых или брусчатых ветвей и производится компоновка сечения. Далее проверяется устойчивость стойки относительно «свободной» оси y, проходящей параллельно швам. На гибкость относительно оси y будет влиять податливость связей между ветвями.

Для определения приведенной гибкости необходимо назначить вид связей (гвозди, нагели), расставить между ветвями короткие прокладки и установить количество связей в каждой из них. Прокладки располагаются на равном расстоянии друг от друга, в среднем через 50…130см между их осями. При назначении толщины прокладок следует учитывать размеры, рекомендованные сортаментом и ширину опорной части балки. Нужно стремиться к тому, чтобы высота сечения стойки (размер h) и ширина опорной части балки были одинаковыми. В каждой прокладке ставится от двух до шести нагелей. В числе их должно быть не менее двух стяжных болтов.

После уточнения гибкости вычисляется значение коэффициента продольного изгиба и проверяется устойчивость стойки, как центрально сжатого стержня. Недогрузка не должна превышать 10 - 12%, перегрузка не допускается. Так, методом последовательного приближения, изменяя количество связей по длине, достигается расчетное напряженное состояние.

Коллеги!
Обращаюсь ко всем, кто имел опыт проектирования деревянных балок составного сечения из двух сплоченных по высоте брусьев 150х150 мм. В качестве соединительных элементов используются вертикальные стальные шпильки Ø 10 мм.
Балку рассчитываем как изгибаемый элемент на податливых связях (п. 4.9 СНиП II-25-80). Для определения числа этих связей (шпилек) по длине балки по п. 4.11. необходимо значение расчетной несущей способности связи.
Суть вопроса: как определить несущую способность шпильки?
1) по п. 5.13, табл. 17 как для цилиндрического нагеля (считая составное сечение балки односрезным соединением)
2) или из условия прочности на растяжение по СНиП «Стальные конструкции» (считая сечение соединением на растянутых связях)?

разумеется из условия смятия (среза) цилиндрического нагеля - она заведомо меньше прочности на растяжение шпильки.

А также на изгиб цилиндрического нагеля.

Я всегда уходил от таких решений, потому что слишком много нагелей получается.

СПАСИБО ЗА ОТКЛИК!
Так и есть. Просто если расчитывать несущую способность по методике п. 5.13. - как для цилиндрического нагеля, то она ограничивается предельным значением из условия прочности нагеля на изгиб - 250кг/шов - п. 2 б т. 17. (в то время, как дерево под шпилькой выдерживает на смятие 525 кг- по п. 2а т. 17)
Получается интересная штука: для того, чтобы обеспечить совместную работу брусьев в составном сечении консольно-балочного 2-хпролетного прогона под нагрузку 0,9 т/м (пролеты по 4м) - в одной балке нужно поставить порядка 90 шпилек с шагом 45 мм! Понятно, что количество дикое и шаг такой же.
Математические ошибки, конечно, исключены.

..Если бы до расчета меня спросили сколько шпилек нужно поставить - то смело бы озвучилось 10 штук. А тут..

А не легче из клеёной древесины сделать или металлическую балку кинуть. Я в своё время с такой же проблемой сталкивался и никого не нашёл кто бы мог грамотно сплатить на шпонках. Брались в основном какие-нибудь таджики и притом на стройплощадке собирались это делать.

Чтобы соответствовать расчетам и иметь при этом экономичную конструкцию, необходимо комбинировать. Такая шпилька, как у Вас, там не нужна для работы на изгиб (в смысле сдвига по стыку), их можно шт 3. 4 поставить для сборки. А против сдвига врезать поперечные шпонки - при этом технология устройства пазов должна быть отработана под имеющееся оборудование. Или короткие толстые нагели из дуба или стеклопластика. И самое главное - эпюра касательных имеет вид треуголника - по концам макс, в середине мин. Поэтому в концах часто, в середине редко. Т.е. например вместо Ваших 90 должно быть 45.

Хотите посмеяться (или ужаснуться)?
Дело в том, что такие балки уже существуют - есть проект и по нему сделали попытку построить. Балки составного сечения применены в качестве обвязочных балок по фундаменту из одиночных стальных свай.
Проектировщики для связи брусьев "заложили" шпильку диаметром 10 мм с шагом 0,5 м.
Фишка в том, что строители уложили бруски один на другой вообще БЕЗ ВСЯКИХ ШПИЛЕК - см. фото И еще, верхние и нижние бруски в этих балочных прогонах по длине через раз стыкуются не в разбежку, а в одном сечении. Заказчик, как говориться, в трансе.
Здание - индивидуальный жилой дом - на стадии незавершенки.
Остается решить - как усилить. До этого объекта с усилением "деревяшек" вплотную сталкиваться не приходилось - задачка оказалась интересной

Поставьте запроектированные шпильки на опорах в четвертях пролета под углом 45 градусов ( как отгибы ар-ры в жб). Анкерные пластины подберите на смятие.

Только разглядел фото.Оказывается все стоит нормально.Похоже по соотношению полета и высоты балки пройдет и без усиления

Эх, фото неудачное. Тут показан центральный пролет 3х-пролетного консольно-балочного прогона. Пролет - 3 м. Но даже для этого скромного размера приопорное сечение одиночного бруса не проходит.

Пролет всего з м, два бруса высотой по 150мм, сверху полы и брусчатая стена, если я правильно понял? Тогда нет никаких оснований для беспокойства.Если есть каие либо расчеты могу подсказать.Дерево до разрушения имеет запас 240%.Это я могу сказать Вам, тк сам ипытывал деревянные конструкции.

igr, спасибо за предложение! Ильнур, фото выложено не случайно.
Речь идет о том, что балки были запроектированы, как сплоченные - со связями, а выполнены по факту - без шпилек.
Что касается сращивания (хотя это, безусловно, оff top)- то тоже есть на что посмотреть:
- сращивание выполнено в центре пролета;
- оба бруса сращены, практически, в одном сечении, а не в разбежку;
- срастили в полдерева (надежнее - косой прируб - хотя это уже дело мастерства исполнителей).
to igr - возвращаясь к теме:
Если принимать в расчет геометрические характеристики сплоченного сечения (два бруса - как Вы указали), то сомнений в его надежности не возникает - поверочный расчет по п. 4.9 СНиП II-25-80 с учетом понижающего коэффициента к Wх дает положительные результаты.
Дело как раз в том, что в пределах поперечного сечения балки в расчет принимается сечение только одного бруса, а не двух: совместную работу брусьев в составном сечении учитывать нельзя, так как отсутствуют связи, препятствующие взаимному их сдвигу при изгибе балки. Фактически, каждый из брусьев воспринимает эксплуатационную нагрузку как самостоятельная балка.
Это четко регламентировано п. 4.20 СНиП II-25-80. Попробую пояснить, дополнив схему Ильнура - или, если интересно, можете посмотреть
объяснение "зубров" ДК - Карлсена, Слицкоухова: "Конструкции из дерева и пластмасс". Раздел IV Элементы ДК составного сечения на податливых связях. Расчет на поперечный изгиб.
И еще. Не совсем понятно про запас древесины. Точно знаю, указанный Вами запас прочности и деформативности в 2,4 - 2,6 раза обнаруживается по результатам КРАТКОВРЕМЕННЫХ лабораторных испытаний. В реальных ДК, эксплуатируемых под длительной нагрузкой, этот запас выбирается за счет реологии и податливости соединений - не могу представить, как можно использовать указанный Вами факт для обоснования надежности решения, показанного на фото

Мы сейчас обсуждаем проблему работы висящего деревянного цоколя дома пролетом 3 м , который состоит из двух отдельных брусов по высоте и имеющего нерабочие стыки в пролете.Вопрос стоит так - обеспечена ли его несущая способность при этом браке и если нет то как усилить.Давайте начнем с исходных данных - сбор нагрузок, расчетные усилия в середине пролета и на опоре в расчетной схеме, фактические размеры и положения стыков.Только после этого можно обсуждать пройдет не пройдет.Мне приходилось усилять и дк и жб и км и фундаменты, поэтому на первый взгляд я не вижу ничего страшного.Дерево перед разрушением продупреждает об этом значительными прогибами и раскрытием стыков

Считать нерентабельно для такого случая. Я говорю про фото с п.8. Посто подставьте столбик кирпичный.

Абсолютно согласен - поставить столбик, если он нужен.Этот цоколь самонесущий - не отвалился во время строительства значит простоит еще долго.Я бы только для заказчика поставил монтажные крепления в стыках из П образных крюков.

Здание бескаркасное. Обвязочные балки - несущие: кроме собственного веса воспринимают нагрузку от перекрытия над фундаментом, несущих стен здания, перекрытия над этажом и скатной кровли (наружные балки).
Дернул черт выложить фото среднего пролета - тут просто сращивание характерно кустарное.
Проблемы с балками в смежных пролетах - см. схему и поверочный расчет.
По поводу подведения столбика - грунты пучинистые, есть опасение, что в марте этот столбик вместе с балкой "выпрет"

При расчете на момент необходимо W увеличить в два раза, тк в сечении в пролете мы имеем 2 бруса 15х15 см.При расчет на поперечную силу аналогично, но брать в расчет надо всю величину Q на опоре.Врезамые перпендикулярные балки на опорах служат своего рода шпонками, воспринимающими Q.И наконец если стены дома выполнены из того же бруса 15х15 см, то нагрузка от кровли и чердака будет восприниматься самой стеной.Нагрузка от перекрытия на отм 0.00 обычно не передается на наружные стены.

Нагрузки от перекрытия на отм. 000 гарантированно передаются на обвязочные балки, т.к. панели перекрытия над фундаментом уложены именно на них. Сверху платформенно установлены панели стен. По этой же причине считаю, что вертикальную составляющую опорной реакции стропил (для наружных обвязочных балок) учитывать нужно.
Уточню еще раз, igr, с учетом всего что было изложено в п.14 Вы полагаете, что для расчета Wх нужно принимать два бруса?
Не сочтите за проявление крайнего дебилизма. Просто действительно не могу понять, как можем учитывать в расчете геометрию сплоченного сечения, если по факту оно таковым не является.
Спасибо.

А также на изгиб цилиндрического нагеля.

Я всегда уходил от таких решений, потому что слишком много нагелей получается.

..Если бы до расчета меня спросили сколько шпилек нужно поставить - то смело бы озвучилось 10 штук. А тут..

Считать нерентабельно для такого случая. Я говорю про фото с п.8. Посто подставьте столбик кирпичный.

Нагрузки, воспринимаемые плоскими несущими конструкциями покрытия (балками, арками, фермами), передаются на фундамент через стойки (колонны).

В зданиях с деревянными несущими конструкциями покрытия целесообразно применять деревянные стойки, хотя иногда возникает необходимость установки железобетонных или металлических колонн.

Деревянные стойки являются сжатыми или сжато-изгибаемыми несущими конструкциями, опирающимися на фундаменты. Их применяют в виде вертикальных стержней, поддерживающих покрытие или перекрытие, в виде стоек подкосных систем, в виде жестко заделанных стоек однопролетных или многопролетных рам.

По конструкции их можно подразделить на стойки клееные и стойки из цельных элементов.

Клееные стойки

Дощатоклееные и клеефанерные стойки являются элементами заводского изготовления.

Рисунок 9.1 – Дощатоклееные стойки

а – постоянного прямоугольного и квадратного сечения; б – переменного прямоугольного сечения

Рисунок 9.2 – Клеефанерные стойки

Стойки из цельных элементов

Подразделяются на следующие виды:

1) в виде одиночного бруса или бревна

Рисунок 9.3 – Стойки из одиночных бревен и брусьев

Такие стойки обладают сравнительно небольшой несущей способностью. Их высота и размер поперечного сечения ограничены сортаментом лесоматериалов.

В этих стойках применяют обычно шарнирное опирание на фундамент.

2) Стойки в виде элементов составного сечения, набранного из двух или нескольких брусьев, досок или бревен, соединенных болтами или другими податливыми связями.

Рисунок 9.4 – Составные брусчатые стойки

а – сплошная; б – сквозная с прокладками; 1 – брусья; 2 – болты; 3 - прокладки

Рисунок 9.5 – Составная стойка из досок

Стойки составного сечения так же имеют высоту, ограниченную сортаментом, однако, их несущая способность может быть существенно выше по сравнению со стойками из одиночных брусьев (бревен).

Соединения, применяемые для сплачивания этих стоек (болты, гвозди, шпонки) являются податливыми. Податливость увеличивает гибкость стоек и должна быть учтена при расчете.

Решетчатые стойки

Применяют чаще всего как сжато-изгибаемые стойки двухшарнирных рам. Они могут быть с параллельными поясами или с одним наклонным поясом. Разновидностью последних являются треугольные стойки.

Рисунок 9.6 – Решетчатые стойки

а – прямоугольная; б – треугольная

Элементы решетчатых стоек соединяются в узлах на болтах.

Рисунок 9.7 – Сечение решетчатой стойки

а – пояса из двух ветвей, решетка из одного; б – пояса и решетка из одной ветви

Если решетка выполнена из одной ветви, а пояса – из двух (рисунок 9.7а), то решетка пропускается между ветвями поясов и крепится непосредственно к поясам. Если пояса и решетка выполняются одноветвевыми (рисунок 9.7б), то соединение элементов решетки с поясами выполняется встык, и узлы конструируются со стальными накладками на болтах.

Стойки с параллельными поясами могут быть ступенчатыми. В этом случае на более высокий наружный пояс опираются несущие конструкции покрытия, а на внутренний – подкрановые балки.

Читайте также: