Тема 7 Рамные конструкции

Рамные конструкции являются одним из наиболее распространенных типов несущих конструкции. Они хорошо вписываются в поперечное сечение большинства производственных и общественных зданий.

Деревянные рамы обычно применяют однопролетными при пролетах от 12 до 30 м.

В мировой практике строительства встречаются рамы пролетом до 60 м.

Рамы классифицируют по нескольким признакам

- По статической схеме рамы могут быть

1) трехшарнирными (статически определимыми)

Рисунок 7.1 – Трехшарнирная рама

2) двухшарнирными жестко опертыми (статически неопределимыми)

Рисунок 7.2 – Двухшарнирная жестко опертая рама

3) двухшарнирными шарнирно опертыми с жесткими рамными узлами (тоже статически неопределимые)

Рисунок 7.3 – Двухшарнирная шарнирно опертая рама

Наиболее распространенными являются трехшарнирные рамы, т.к. в статически определимых системах не происходит перераспределения усилий при деформировании под длительно действующей нагрузкой, что обеспечивает соответствие их расчетным усилиям.

Трехшарнирные рамы являются распорными конструкциями.

По способу изготовления различают:

1) рамы построечного изготовления;

2) рамы заводского изготовления.

Рамы построечного изготовления собирают непосредственно на строительной площадке из досок и брусьев. В этих рамах используются преимущественно податливые виды соединений: болты, гвозди, упоры.

Ригель и стойки таких рам могут иметь сплошное сечение или выполняться в виде решетчатых элементов.

а) б) в)

Рисунок 7.4 – Рамы построечного изготовления:

а - с подкосами в карнизном узле; б - с опорными подкосами; в - с решетчатыми стойками

К рамам построечного изготовления относятся также рамы с перекрестной стенкой на гвоздях. Конструкция таких рам аналогична конструкции балки с перекрестной стенкой на гвоздях.

Рамы построечного изготовления отличаются большим количеством узлов и требуют больших затрат труда и высококачественных материалов, поэтому наибольшее распространение получили рамы заводского изготовления или клееные рамы.

В зависимости от технологии изготовления или используемых материалов клееные рамы можно разделить на три группы:

1) гнутоклееные (из склеенных по пласти досок);

2) дощатоклееные из прямолинейных элементов;

3) клеефанерные, имеющие дощатые пояса и стенки из водостойкой фанеры. Эти рамы, как правило, имеют прямолинейные ригели и стойки.

Распространенными конструкциями являются гнутоклееные рамы прямоугольного сечения, состоящие из гнутых, склеенных по пласти, досок.

В таких рамах для образования карнизного узла доски выгибаются, образуя плавный переход от ригеля к стойке. Таким образом, жесткий узел здесь выполняется цельноклееным, что выгодно отличает данную конструкцию от рам с карнизными узлами на податливых связях.

Гутоклееные рамы выполняются трехшарнирными из двух элементов Г-образного очертания, соединенных между собой в коньке. Это облегчает их изготовление, транспортирование и монтаж.

Рисунок 7.5 – Гнутоклееная рама

Гнутоклееные рамы имеют существенные недостатки экономического порядка. В связи с необходимостью выгиба досок в узле сопряжения ригеля и стойки для этих рам необходим тонкий пиломатериал (δ=16…25 мм после острожки), что связано со значительным удорожанием конструкции: при использовании таких досок резко увеличиваются потери древесины и расход клея, а также трудозатраты на изготовление.

В результате оказывается, что гнутоклееные рамы по себестоимости, наиболее дорогие из всех рам. Они менее экономичны и более трудоемки в изготовлении чем арки.

Более эффективны рамы из прямолинейных элементов с жесткими клееными узлами: эти конструкции отвечают требованиям поточно-конвейерного производства, для их изготовления используется пиломатериал обычной толщины. При их изготовлении склеивают пакет досок, который затем распиливают по диагонали, получая при этом две стойки или два ригеля, как это показано на рисунке 7.6.

Рисунок 7.6 –Клееный пакет досок (заготовка для полурам)

Существует несколько конструктивных решений соединения прямолинейных элементов рам в карнизном узле.

1. Ригель и стойка соединяются при помощи приклеенных к ним в узле двусторонних накладок из бакелизированной фанеры.

Рисунок 7.7 – Соединение ригеля и стойки накладками из фанеры

Рамы этого вида имеют несомненные технологические и экономические достоинства. Вместе с тем надежность узла на накладках из бакелизированной фанеры вызывает сомнения: в клеевых швах по плоскостям приклейки накладок к широким дощатым элементам могут возникнуть (при колебаниях влажности) опасные знакопеременные внутренние напряжения, обусловленные различием влажностных деформаций древесины и бакелизированной фанеры. Величину этих напряжений теоретически установить затруднительно, т.к. неизвестна действительная деформация клееного пакета.

Для окончательных выводов о надежности рам с фанерными накладками необходимы опытные данные, на основе которых и может быть решен вопрос о возможности массового применения таких конструкций.

2. Соединение ригеля со стойкой на зубчатый шип.

Это более надежный и перспективный тип соединения.

Рисунок 7.8 – Соединение ригеля со стойкой на зубчатый шип

Однако при таком соединении стойки и ригеля в карнизном узле возникают нежелательные концентрации напряжений, соединение находится в месте действия максимального изгибающего момента, поэтому чаще сопряжения элементов рамы в жестком узле производят при помощи специальных вставок, соединенных с ригелем и стойкой.

3. Соединение ригеля со стойкой с помощью вставок. По форме вставки могут быть двух видов:

1) пятиугольные

Рисунок 7.9 – Соединение ригеля и стойки при помощи пятиугольной вставки

2) гнутоклееные

а) б)

Рисунок 7.10 – Гнутоклееное соединение ригеля и стойки:

а - переменной длины; б - постоянной длины

Пятиугольные вставки соединяются с элементами рамы под углом к волокнам. Поэтому в рамах с пятиугольными вставками определяющим условием при назначении размеров поперечного сечения элемента в узлах является несущая способность соединения ригеля со вставкой на растяжение под углом к волокнам.

Кроме этого, в самой вставке не исключается выклинивание кососрезанных досок, выходящих на растянутую кромку рамы в месте действия наибольшего изгибающего момента.

Конструкции жестких узлов с такими вставками можно использовать только в легких рамах, где решающим фактором при назначении поперечных размеров элементов является расчет не по первому, а по второму предельному состоянию.

Более удачно решается жесткий рамный узел при помощи гнутоклееной вставки. Длина вставки вдоль рамы может быть либо постоянной (б), либо переменной (а). Вставки постоянной длины предпочтительнее, т. к. здесь увеличивается площадь клеевых швов в стыке, таким образом, повышается надежность соединения.

Применение гнутоклееных вставок позволяет создавать рамные конструкции с широким диапазоном углов наклона ригеля к стойке.

Рисунок 7.11 – Виды гнутоклееных рам

Существенную экономию пиломатериалов, снижение веса и уменьшение стоимости конструкции можно получить в рамах, поперечное сечение которых состоит из дощатых поясов и фанерных стенок.

Клеефанерные рамы легче гнутоклееных на 35…40 %.

Поперечное сечение рам может быть двутавровым или двутаврово-коробчатым.

При выборе формы сечения элементов рам предпочтение следует отдавать поперечному сечению, состоящему из двух или нескольких склеенных по ширине двутавров. В этом случае обеспечивается симметричное загружение стенок сдвигающими усилиями относительно их продольных осей, а также увеличение количества площадок скалывания при проверке на скалывание между слоями шпона фанеры.

Рисунок 7.12 – Клеефанерная рама

Для стенок рекомендуется использовать фанеру марки ФСФ, как наиболее доступную по стоимости. Количество фанерных стенок, а так же их толщина определяются расчетом.

Сопряжение поясов (сжатого и растянутого) в жестком карнизном узле рамы рекомендуется проектировать с использованием гнутоклееных вставок, соединенных с дощатыми поясами рам стыком на зубчатый шип.

В клеефанерных рамах указанные стыки могут размещаться как в одном сечении пояса, так и вразбежку. В последнем случае достигается увеличение надежности стыкуемого соединения.

Гнутоклееные вставки (внутренняя и наружная) могут изготавливаться из разных материалов: внутренняя, имеющая меньший радиус – из шпона, наружная – из досок.

Конструктивные возможности при создании разнообразных форм в клеефанерных рамах с гнутоклееными вставками больше, чем в клеедощатых: легко конструируются рамы с консолями, причем увеличение сечения в защемленных стойках достигается без перерасхода материалов, что позволяет создавать оригинальные по архитектурному решению здания.

Рисунок 7.13 – Виды клеефанерных рам

Геометрические размеры клееных рам:

пролеты – от 12 до 24 м;

высота стоек – от 2,6 до 4.5 м;

уклон ригеля - от 1/4 до1/3;

шаг рам – от 3 до 6 м;

высота сечения ригеля в коньке – не менее 0,3 высоты сечения в карнизном узле;

высота сечения в карнизном узле - от 1/12 до 1/30 пролета;

высота сечения стоек у опор - не менее 0,4 высоты в карнизном узле.

Расчету рамы предшествует установление ее расчетной схемы (двухшарнирная или трехшарнирная) и геометрической оси.

Расчет рамы выполняют в следующей последовательности:

1) статический расчет, т.е. вычисление усилий в элементах рамы от действия внешних нагрузок (снег, ветер) собственного веса рамы и веса покрытия;

2) проверка сечений рамы;

3) расчет узлов рамы.

При статическом расчете определяют усилия и строят эпюры М, N, Q от действия равномерно распределенной нагрузки отдельно от собственного веса конструкций, от снеговой нагрузки слева, справа от конькового узла и на всем пролете, а так же от действия равномерно распределенной нагрузки от ветра слева и справа.

При высоте стойки до 4 м расчет на ветровую нагрузку можно не производить.

Например, так выглядит загружение от собственного веса.

Рисунок 7.14 – Загружение рамы от собственного веса

Усилия в раме можно определять либо относительно ее геометрической оси, либо относительно наружного контура. В последнем случае необходима корректировка изгибающего момента вследствие переноса нормальной силы с нагруженного контура на ось сечения.

Рисунок 7.15 – Варианты загружения рам

Усилия определяются методами строительной механики в характерных точках по периметру рамы, например, А, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8. Количество точек определяется характером эпюр.

Для примера покажем эпюры M, N, Q от равномерно распределенной нагрузки слева от конькового узла.

Рисунок 7.16 – Эпюры M, N и Q

Целесообразно сначала определить усилия и эпюры от равномерно распределенной единичной нагрузки (q₁=1), а затем с учетом коэффициента k=q/q₁, (где q – реальная нагрузка, q₁ – единичная нагрузка) определять усилия от реальных нагрузок.

В результате статического расчета определяются расчетные усилия в сечениях рамы при основных и дополнительных сочетаниях нагрузок:

а) расчетная постоянная и временная на всем пролете;

б) постоянная на всем пролете, временная – на половине пролета;

в) по схемам а и б в сочетании с ветром.

При определении нагрузок и их сочетаний, также как и при расчете других конструкций необходимо пользоваться СНиП 2.01.07.85^* «Нагрузки и воздействия».

Проверка сечений рамы

Наиболее напряженными сечениями по нормальным напряжениям, если проанализировать эпюры M и N, для рам являются карнизные узлы, а для рам с подкосами – сечения ригеля в месте примыкания его к подкосу.

1. Расчет на прочность элементов трехшарнирных рам в их плоскости допускается выполнять по правилам расчета сжато-изгибаемых элементов с расчетной длиной, равной длине полурамы по осевой линии:

2. Устойчивость плоской формы деформирования трехшарнирных рам допускается выполнять по формуле

Рисунок 7.17 – Криволинейный участок гнутоклееной рамы

Криволинейные участки гнутоклееных рам при отношении h/r≥1/7 (h – высота сечения, r – радиус кривизны центральной оси криволинейного участка) следует рассчитывать на прочность с учетом криволинейности эпюры нормальных напряжений

.

Здесь при проверке напряжений по внутренней кромке расчетный момент сопротивления следует умножать на коэффициент k_rв:

.

Расчет узлов рамы.

Для рам заводского изготовления выполняется расчет опорного и конькового узлов. Опорные шарнирные узлы клееных рам могут быть весьма разнообразными.

Покажем несколько вариантов опорных узлов:

Рисунок 7.18 – Варианты опорных узлов с жестким и шарнирным опиранием:

а – шарнирное опирание; б – жесткое опирание; 1 – металлический анкер; 2 – болты (глухари); 3 – стальной башмак; 4 – анкерные болты; 5 – гидроизоляция

Рисунок 7.19 – Варианты опорных узлов с шарнирным опиранием:

а – со стойкой постоянного сечения; б – то же переменного сечения; 1 – стойки;

2 –стальной башмак; 3 – болт; 4 – анкерные болты; 5 – сварной шов

Для всех вариантов опорных узлов продольная сжимающая сила N передается через торец стойки, при этом древесина работает на смятие вдоль волокон. В этом случае проверку прочности на смятие вдоль волокон выполняют по формуле

.

Поперечная сила Q может быть передана на фундамент через болты или глухари, крепящие стойку к стальным элементам, заделанным в фундамент. В этом случае рассчитывается количество болтов, воспринимающих силу Q.

В варианте опорного узла с передачей поперечной силы через деревянный брусок или через вертикальный лист стального башмака производится расчет на смятие древесины стойки на смятие поперек волокон .

Коньковый узел чаще всего решается с деревянными накладками на болтах, хотя возможны и другие варианты конькового узла (при больших величинах поперечной силы), например, с металлическими соединительными деталями.

Рисунок 7.20 – Коньковый узел

Количество болтов рассчитывается из условия восприятия ими поперечной силы.

Лобовые упоры соединения ригелей рассчитывают на смятие под углом и вдоль волокон на действие продольной силы N.