Ярцев, Киселева - Проектирование и испытание деревянных конструкций

Министерство образования и науки Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тамбовский государственный технический университет"

В.П. ЯРЦЕВ, О.А. КИСЕЛЕВА ПРОЕКТИРОВАНИЕ И ИСПЫТАНИЕ ДЕРЕВЯННЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Рекомендовано Учебно-методическим объединением вузов РФ по образованию в области строительства в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся по направлению 635500 «Строительство» Тамбов

♦ Издательство ТГТУ ♦

2005

Ярцев В.П., Киселева О.А.

Проектирование и испытание деревянных конструкций: Учебное пособие. Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2005. 128 с.

Изложены методы расчета и испытаний несущих конструкций на основе древесины: балок, двух- и трехшарнирных рам, клеедеревянных арок.

Пособие предназначено студентам специальностей 635500, 270102 всех форм обучения при курсовом и дипломном проектировании и магистрантам направления 270100 «Строительство».

© В.П. Ярцев, О.А. Киселева, 2005

© Тамбовский государственный технический университет (ТГТУ), 2005

ВВЕДЕНИЕ

Долговечность деревянных конструкций зависит от надежности проектирования, учета внешних воздействий и правильной защиты от них, постоянного наблюдения и периодичности механических испытаний в процессе изготовления и эксплуатации.

Испытания проводят на специальном оборудовании по методикам, близким к реальным условиям эксплуатации деревянных конструкций. Литературы по данному вопросу практически нет, поэтому авторами предпринята попытка обобщения и систематизации испытаний цельных деревянных, составных и клееных несущих конструкций балочного и распорного типа. Учебное пособие построено по принципу лабораторного практикума. Для каждой изученной конструкции вначале выполняется расчет, затем проводятся испытания при разных сочетаниях нагрузок и полученные экспериментальные результаты сравниваются с теоретическими. Такой подход позволит практически познакомиться с основными видами деревянных конструкций, понять принципы их работы, изучить методики расчета и испытаний.

1. ДЕРЕВЯННЫЕ КОНСТРУКЦИИ В ПРОМЫШЛЕННОМ И ГРАЖДАНСКОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ

Наша страна располагает огромными лесными ресурсами, значительная часть которых используется в строительстве. Растут масштабы производства строительных конструкций и элементов из дерева, расширяется сфера их применения. В настоящее время создана отечественная индустрия «древостроения». Из древесины изготовляют разнообразные клееные деревянные конструкции, жилые дома, мобильные (инвентарные) здания, паркетные доски и щитовой паркет, столярные изделия и погонажные детали, встроенную мебель, древесно-стружечные, древесноволокнистые, цементно-стружечные и гипсостружечные плиты, гипсокартонные листы, арболит и другую продукцию.

В последнее десятилетие значительно увеличивается выпуск деревянных домов заводского изготовления с новыми архитектурно-планировочными и конструктивными решениями и мобильных (инвентарных) зданий. Для более широкого использования деревянных конструкций и элементов намечено внедрение прогрессивных экономичных технологических линий и оборудования для производства деревянных панельных домов, деревянных клееных конструкций, цементно-стружечных плит и конструкций с их применением, древесно-стружечных и древесноволокнистых плит, автоматизированных комплексов по выпуску гипсокартонных листов, щитовой опалубки для монолитного домостроения. Широкие перспективы применения деревянных конструкций и изделий открываются в связи с созданием эффективных синтетических клеев, способов обработки древесины по влаго-, био- и огнезащите.

Одним из эффективных направлений в индустриализации строительства является применение деревянных клееных конструкций, позволяющих существенно увеличить долговечность сооружений (особенно эксплуатируемых в агрессивных средах), сократить массу зданий и обеспечить большую экономию металла. Производство таких конструкций в нашей стране значительно возрастает.

В настоящее время разработана широкая номенклатура клееных конструкций. В их числе: арочные большепролетные (до 45 м) конструкции, гнутоклееные рамы (рис. 1.1), балки и стрельчатые арки пролетом до 24 м, трехшарнирные арки пролетом до 18 м (рис. 1.2), панели стен и плиты покрытий пролетами 3 и 6 м и др. Создан обширный набор различных конструктивных элементов из дерева, предназначенных для сооружения жилых, общественных и промышленных объектов [1]. Эти конструкции и элементы эффективны при строительстве зданий химической промышленности, производственных и вспомогательных сельскохозяйственных зданий, спортивных и зрелищных сооружений, крытых рынков, пролетных строений автодорожных мостов и других объектов [2]. В ряде случаев такие конструкции не уступают по долговечности железобетонным, кирпичным и металлическим. Эффективная конструкция покрытия: деревянные двутавровые балки с фанерной стенкой, которые, взаимно перекрещиваясь, образуют части-секции сетчатого свода. По краям секций расположены распределительные балки. Металл здесь используют лишь для устройства затяжки, которая воспринимает распор, создаваемый сводом. Эта конструкция – наглядный пример использования так называемой «составной» древесины вместо «целой» – бревен, брусьев. Сетчатый свод (одна секция) при собственной массе вместе с кровлей 1,7 т при расходе древесины 0,05 м3 в расчете на 1 м2 покрытия – способен перекрыть пролет в 12 м.

Отечественными специалистами разработано здание комплектной поставки из клееных деревянных конструкций для холодного склада хранения сена, грубых кормов, сельхозтехники. Каркас здания состоит из железобетонных колонн, на которые установлены треугольные металлодеревянные фермы. По фермам с шагом 1,5 м установлены клееные деревянные прогоны, к которым крепятся кровля и стены из асбестоцементных волнистых листов унифицированного профиля.

Создана конструкция складского помещения с высотой до верха конька 13,2 м и пролетом 18 м. Основной несущий элемент каркаса – арка (ее шаг 4,5 м) состоит из двух клееных деревянных прямолинейных элементов. На отметке 1,8 м арки опираются на сборные железобетонные фундаменты. Две полуарки в зоне конькового узла связаны металлической затяжной, к которой крепится монорельс. К рельсу подвешивается грейферный кран. Кровля здания – асбестоцементные листы унифицированного профиля. Их укладывают по деревянным прогонам, применяя шаг в 1,5 м.

Проект теплицы площадью 1 га из клееных деревянных конструкций пролетом 9 м обеспечивает по сравнению с теплицами, имеющими каркас из металла, экономический эффект в 30 млн. р. и снижение расхода металла 52 т в расчете на 1 га теплиц [3].

Важное место в решении проблемы обеспечения населения страны благоустроенным жильем отводится малоэтажному деревянному домостроению. На ряде предприятий отрасли производятся комплекты деталей для зданий со стенами из местных строительных материалов. Из них можно монтировать панельные, брусчатые, каркасные, щитовые и арболитовые дома.

Разнообразна номенклатура малоэтажных жилых домов для поселкового строительства. В их числе одноэтажный одноквартирный трехкомнатный дом деревянно-панельной конструкции для районов с расчетной температурой наружного воздуха до –40 °С. Конструктивно здание состоит из вертикальных несущих панелей стен и располагаемых по ним с шагом 1,2 м ферм перекрытий. Такое перекрытие позволяет варьировать планировку квартиры. Общая площадь такого дома около 63,5 м2, жилая – почти 39 м2.

Конструктивное разнообразие домов такого типа в сочетании с полным инженерным обеспечением создает высокий уровень комфорта [3].

Для первопроходцев, осваивающих отдаленные районы, разработан жилой дом полной заводской готовности из двух деревянных объемных блоков (контейнеров) для районов с расчетной температурой наружного воздуха до –50 °С. Габарит блока – 6×3×2,8 м, общая площадь дома – 27,67 м2, жилая – 15,84 м2. Особенность конструкций – многократная оборачиваемость блоков. Удачно сочетаются деревянные и металлические элементы каркасов стен и панелей перекрытия, образующие жесткую систему, надежную при транспортировке и монтаже. Здесь использованы современные плитные материалы и утеплители. Блоки поставляются на стройплощадку с доборными элементами крыльца, быстро и удобно монтируются.

В настоящее время разработаны эффективные конструкции стеновых панелей с использованием асбестоцементных листов, цементно-стружечных плит, водостойкой фанеры и др. Эти технические решения позволяют довести расход древесины в заготовках до 0,3 м3 на 1 м2 приведенной площади.

Технологический процесс изготовления элементов и изделий для строительства таких домов осуществляется на полуавтоматических линиях по раскрою пиломатериалов, склеиванию их по длине и сечению, изготовлению комбинированных балок и деревянных ферм с использованием металлических зубчатых пластин; производству заготовок и сборке панелей на конвейерных линиях с автоматическим креплением обшивок гвоздями и скобами, заполнением панелей заливочными пенопластами, заводской отделкой панелей атмосферостойкими окрасочными составами, упаковкой элементов домов и их комплектацией.

В ЦНИИЭП им. Б.С. Мезенцева разработан оригинальный проект здания культурно-спортивного комплекса, которое быстро и легко сооружается, относительно дешево и обладает высокими эксплуатационными качествами. Для несущего каркаса применили «клюшки» – деревянные гнутоклееные полурамы пролетом 18 м и шагом 3 м. Это резко сокращает сроки и трудоемкость строительства. В основу объемно-планировочного решения здания положено 2-этажное строение, в котором запроектировано два спортивных зала: основной – универсального назначения размером 30×18 м и малый – 9×12 м.

В техническую документацию культурно-спортивного комплекса заложены простые конструктивные решения, доступные материалы и изделия. Так, наружные стены можно возводить из кирпича, арболитовых блоков, других местных материалов на столбчатых или ленточных монолитных фундаментах. Кровля состоит из асбестоцементных волнистых листов. Инженерное обеспечение предусмотрено в двух вариантах – централизованное и автономное. Архитектурного разнообразия таких комплексов можно достичь, введя в качестве конструктивных элементов клееные балки, металлодеревянные фермы и др. [1].

Применение деревянных большепролетных конструкций – перспективное направление для производственного, гражданского и сельского строительства (рис. 1.1, 1.2) потому, что объекты из них можно строить быстро и со значительно меньшими затратами.

Экономичных конструкций с использованием дерева немало (рис. 1.3). К сожалению, масштабы внедрения их явно недостаточны [4].

Магистральным направлением роста эффективности деревянных конструкций и изделий являются технологическая специализация производства, бережное и экономичное использование лесоматериалов. Необходимо шире использовать комбинированные балки взамен пиломатериалов крупных сечений, деревянные фермы с металлическими зубчатыми пластинами, унифицированные профили деревянных конструкций.

Цементно-стружечные плиты станут основой создания облегченных, долговечных ограждающих конструкций полной заводской готовности для полносборных зданий.

На сегодня сфера их применения обширна: в стеновых панелях, цокольных и ердачных плитах, перекрытиях, в элементах подвесных потолков, вентиляционных коробах, сантехкабинах, при устройстве полов, а также в качестве подоконных досок, обшивок, облицовочных деталей и других изделий. Сырьем для производства этого материала служат тонкомерная древесина хвойных пород 1–3 сорта, цемент М 500 и недефицитные химические добавки. Создан базовый комплект отечественного оборудования для производства ЦСП, используя который можно выпускать за год 25 тыс. м3 плит. Ведутся работы по повышению экономичности этой продукции. В ее аспекте – вовлечение в производство в качестве сырья низкосортного леса, отходов деревообработки и технологической щепы, разработка эффективных методов отделки ЦСП лакокрасочными материалами и синтетическими пленками.

В нашей стране разработаны эффективные виды изделий из цементно-стружечных плит. В их числе каркасная перегородка, наружная стеновая панель. Такие перегородка и панели могут успешно использоваться на объектах промышленного назначения. Соединительными средствами в перегородке служат минеральный клей и самонарезающие винты, у панели – клей. Образуемые из ЦСП обшивка панели и бруски ее каркаса предварительно окрашиваются водостойкими красками. Полость панели заполняют твердой минераловатной плитой [5].

Весьма эффективна конструкция жилого дома из двух блок-контейнеров системы «Пионер». Основной элемент системы – блок-контейнер – представляет собой каркас, обшитый цементно-стружечными плитами. Из блок-контейнеров системы «Пионер» можно быстро собрать крупные жилые поселки с административно-бытовыми комплексами. Бригада из 5 человек может смонтировать поселок на 1 тыс. человек за год. Экономичные дома из цементно-стружечных плит выпускают на Бокинском комбинате полносборного домостроения в Тамбовской обл. Здесь изготовляют комплекты добротных, полностью отвечающих санитарным и медико-гигиеническим требованиям, изделий. Прочность плит достаточно высока, и в то же время их можно пилить и сверлить. В качестве утеплителя между плитами закладывают слой шлаковаты в полиэтиленовой оболочке. Жесткость конструкции обеспечивает деревянный каркас. Дома – одноэтажные с мансардой и верандой, с центральным или автономным отоплением. Весь процесс создания дома полностью механизирован и автоматизирован. Собирается дом из крупных блоков на заранее подготовленном фундаменте. На это уходит 12 ч и трое суток – на отделочные работы.

В различных климатических зонах успешно зарекомендовал себя арболит. Заметно увеличивается число предприятий, выпускающих строительную продукцию из арболита. На этих предприятиях при-

меняются отечественные технологии силового вибропроката и вибропрессования. Созданы возможности начать выпуск широкой номенклатуры арболитовых изделий и конструкций различной конфигурации с более высокой заводской готовностью, в том числе крупноформатных стеновых панелей и плит перекрытий комплектной поставки.

На заводе в подмосковном Домодедово при производстве арболита в качестве заполнителя успешно используют щепу (можно и древесную кору). Смешивают цемент, дробленые древесные отходы и добавки для образования пор. Такой арболит почти вдвое легче керамзитобетона. Он отличается низкой теплопроводностью, легок, хорошо распиливается, соединяется скобами и гвоздями. Технология изготовления арболитовых стеновых блоков весьма проста. Снаружи блоки покрывают кремнийорганическими красками, изнутри оклеивают обоями [5].

Эффективна стеновая панель НТ 44.28.30-9 размером «на комнату» с окном, предназначенная для строительства жилых сельских домов в обычных геологических условиях, с расчетной температурой наружного воздуха –40 °С. Трудоемкость монтажа таких конструкций в 4 раза ниже по сравнению с кирпичной кладкой, на 30 % меньше масса зданий. Рост монолитного строительства повышает спрос на дерево для опалубок. И тут важно организовать эффективную обработку древесного материала. Высокий экономический эффект, в частности, сулит способ пропитки досок, используемых для опалубки при сооружении ленточных фундаментов, предложенный специалистами Новосибирского инженерно-строительного университета им. В.В. Куйбышева. Они рекомендуют вместо силиконовых, желатиновых и петролатумных составов применять серные ванны, используя для этого отходы производства. Технология пропитки несложна. Древесина обрабатывается в ванной с расплавом (при 145 °С) за 1 ч. Древесина становится вдвое тяжелее, резко повышаются ее механическая прочность и влагостойкость, а сцепление с бетоном делается минимальным. Вовлекаются при этом в производство и малопрочные лиственные породы дерева.

Пропитанные серой деревянные стойки и брусья надежно защищаются от влаги, плесени, жучков- древоточцев [5].