Деревянные рамы

Рамы являются одним из наиболее применяемых видов деревянных конструкций в одноэтажных промышленных, общественных и сельскохозяйственных зданиях. Основные схемы деревянных рам представлены на рис. 6.8.

По конструктивному исполнению рамы могут быть трехшарнирными (рис. 6.8.а; 6.8.б; 6.8.в) или двухшарнирными (рис. 6.8.з). Трехшарнирная рама является статически определимой, поэтому действующие в сечениях рамы усилия не зависят от осадки фундаментов, изменения температуры. В таких рамах, как правило, проще конструкция опорных узлов. Но в трехшарнирных рамах возникают большие изгибающие моменты в карнизных сечениях или узлах.

Рис.6.8. Основные схемы деревянных рам: а) гнутоклееная рама типа ДГР; б) клееная деревянная рама типа РДП; в - е) сборно-разборные рамы; ж) дощатая рама; з) двухшарнирная рама

Рамы изготавливают из клеедощатых, клеефанерных, брусчатых или дощатых материалов.

Пролеты рам чаще всего составляют 12-24 м. Отдельные сооружения рамного типа имеют более значительные пролеты, достигающие величины 60-80 м.

Рекомендуется проектировать преимущественно трехшарнирные рамы. Двухшарнирные рамы имеют меньшее применение из-за сложности конструирования опорных узлов в связи с необходимостью обеспечить жесткую заделку стоек таких рам в фундамент. Угол наклона ригеля может меняться от 0 до 45̊ , обычно его принимают примерно равным 14̊, шаг рам 3-6 м.

Ширина сечения клееных деревянных рам с учетом обеспечения монтажной жесткости, сортамента и нормируемых припусков на обработку боковых поверхностей конструкций выбирается равной b=14…21 см.

Высота поперечного сечения рам в карнизном узле h при предварительных расчетах назначается в пределах 1/4-1/30 пролета рам. Высота сечения ригеля в коньковом узле принимается не менее 0,3 h,а в опорном сечении – не менее 0,3 h. Окончательные размеры сечения рам назначаются после расчетов конструкций.

Из деревянных рам наибольшее распространение в России получили дощатоклееные гнутые рамы (ДГР), представленные на рис. 6.8.а и 6.8., а также дощатоклееные рамы из прямоугольных элементов.

Дощатоклееные гнутые рамы изготавливают либо со ступенчатым изменением высоты сечения (рис 6.8.), либо с плавным изменением высоты поперечного сечения (рис.6.9.). Основной особенностью технологии изготовления ДГР является устройство криволинейного участка. Криволинейность карнизных узлов получается выгибом досок по окружности или по другой кривой во время изготовления рам. Радиус кривизны обычно принимается равным от 2 до 4 м. Поскольку по условиям гнутья досок отношение радиуса кривизны R к толщине доски (слоя) δ не меньше 150, то толщина слоев для изготовления гнутых рам после фрезерования будет составлять не более 16-25 мм.

Гнутоклееная рама состоит из двух полурам, которые при монтаже соединяются всего тремя узлами – двумя опорными и одним коньковым. Это существенно сокращает время и трудоемкость сборки и установки этих рам. Сечение рамы переменно, с максимальным значением в зоне выгиба, где возникают наибольшие изгибающие моменты, в опорных узлах, где изгибающие моменты равны нулю, высота сечения минимальна. Вследствие этого получается экономия материала.

К недостаткам ДГР следует отнести повышение сжимающих напряжений в сечениях гнутых участков (по сравнению с прямолинейными), а так же снижение прочности и соответственно расчетного сопротивления древесины вследствие гнутья досок.

Дощатоклееные рамы из прямолинейных элементов (рис. 6.10.) более технологичны и менее трудоемки в изготовлении, чем гнутоклееные рамы, однако они менее надежны в эксплуатации, так как опасное сечение в карнизном узле рамы ослаблено зубчатым шипом. К недостаткам таких рам относится и сложность их транспортировки; древесина в зоне перелома оси и зубчатого стыка, где изгибающий момент наибольший, воспринимает нормальные напряжения от сжатия с изгибом под значительным углом к направлению волокон, вследствие чего существенно снижаются расчетные сопротивления древесины, что приводит к повышению размеров сечения в карнизном узле.

Рис. 6.9. Деревянная гнутоклееная рама: а) схема приложения нагрузок;

б) общий вид полурамы; в) эпюра напряжений в карнизном узле

Рис. 6.10. Клееная деревянная рама типа РДП: а) схема приложения нагрузок;

б) общий вид полурамы РДП; в) эпюра напряжений в карнизном узле

Статический расчет рам выполняется по следующим схемам загружения:

1. постоянная и временная снеговая нагрузки на всем пролете;

2. постоянная на всем пролете и временная снеговая нагрузка на половине пролета рамы;

3. по схемам 1 и 2 в сочетании с временной ветровой нагрузкой.

В трехшарнирных рамах со стойками высотой до 4 м и углах наклона ригеля до 14̊ расчет на ветровую нагрузку может не производиться [5].

Статический расчет рам ведется по общим правилам строительной механики с использованием стандартных программ расчета строительных конструкций на ПЭВМ.

В гнутоклееных рамах расчет на прочность выполняется по нормальным напряжениям, возникающих на внутренней сжатой и наружной растянутой кромке сечения в карнизном узле (рис. 6.9.).

Проверка прочности по максимальным сжимающим напряжениям производится по условию

Проверка по максимальным растягивающим напряжениям выполняется по формуле

В формулах (6.12) и (6.13) следующие обозначения:

и – расчетная продольная сила и изгибающий момент в сечении 2 – 2 (Рис. 7.2.); и – площадь и момент сопротивления сечения рамы в карнизном узле; и - коэффициенты, учитывающие криволинейность эпюры напряжений соответственно по внутренней сжатой и наружной растянутой кромках; - коэффициент для определения изгибающего момента при расчете по деформированной схеме рамы; и - расчетные сопротивления древесины сжатию и растяжению.

Коэффициент определяется по формуле

Гибкость рамы находится приближенно по формуле

где - расчетная длина, равная длине рамы по осевой линии; - средневзвешенная высота сечения рамы.

Коэффициенты и определяются по выражениям

где - высота сечения в карнизном узле; - радиус кривизны центральной оси криволинейного участка.

В деревянных рамах из прямолинейных элементов наиболее опасным является биссектрисное сечение карнизного узла (рис. 6.10). Это сечение ослаблено зубчатым шипом и нелинейным распределением нормальных напряжений от сжатия с изгибом.

По внутренней сжатой кромке сечения проверка прочности выполняется по формуле

где и - расчетная продольная сила и изгибающий момент в биссектрисном сечении; и – площадь и момент сопротивления биссектрисного сечения; = 0,85 – коэффициент технологического ослабления сечения зубчатым шипом в карнизном узле; - коэффициент, учитывающий криволинейность эпюры напряжений, , α – угол между биссектрисой и нормалью к оси стойки; – расчетное сопротивление древесины смятию под углом α.

В растянутой зоне биссектрисного сечения по наружной кромке прочность обеспечена, если выполняется условие

где - безразмерный коэффициент, равный при уклоне ригеля рамы ; и - расчетные сопротивления древесины растяжению и изгибу; - расчетное сопротивление древесины растяжению под углом α.