Просторові дерев'яні конструкції - основні форми, області застосування і основні розрахунки.

До просторових дерев'яних конструкцій або, як їх часто прийнято називати, до покрить-оболонок відносять покриття з вигнутою поверхнею, в якій всі складові елементи працюють спільно як єдине ціле. Оболонки завдяки такій поверхні менш матеріалоємні, ніж плоскі конструкції і є поєднаним видом покриття, тому що здатні виконувати одночасно несучу і огороджуючу функції. Вони можуть мати різноманітні форми різного функціонального призначення.

До основних конструктивних типів просторових дерев'яних конструкцій відносяться:

- розпірні склепіння при прямокутному плані і обпиранні на поздовжні стіни;

- складки і склепіння оболонки, обперті в основному тільки на поперечні торцеві стіни, а також оболонки подвійної додатної або від’ємної кривизни;

- купола, обперті по контуру круглої або багатокутної будівлі.

Зазначені типи дерев'яних конструкцій можуть бути виконані у вигляді:

• тонкостінних оболонок;

• ребристих складок і оболонок, в яких для збільшення жорсткості тонкостінні елементи посилені ребрами

• сітчастих систем.

Застосування перерахованих просторових дерев'яних конструкцій доцільно в наступних випадках:

• коли необхідно використовувати внутрішній габарит при малій будівельній висоті конструкцій (область застосування склепінь-оболонок і куполів);

• якщо в поздовжніх стінах необхідні великі отвори для воріт (наприклад в ангарах) і обпирання повинно здійснюватися на торцеві стіни (це область застосування склепінь-оболонок і складок);

• в покриттях над круглими, овальними, квадратними і багатокутними приміщеннями в плані (область застосування куполів).

Просторові дерев'яні конструкції використовуються для покриттів різних промислових, громадських і сільськогосподарських будівель: спортивних залів, зерноскладів, виставкових павільйонів, театральних та концертних залів, критих ринків і т.п.

Тривала експлуатація просторових конструкцій як у нас в країні, так і за кордоном свідчить про їх надійність та довговічність. Побудовані понад 35 років тому дерев'яні склепіння і куполи продовжують експлуатуватися і знаходяться в доброму стані. За кордоном просторові дерев'яні конструкції все ширше застосовують для перекриття унікальних за розмірами прольотів.

Розглянемо основні типи просторових дерев'яних конструкцій, дотримуючись їх класифікації.

Розпірні склепіння

Оболонки у вигляді склепінь мають циліндричну форму поверхні і обпираються на боки, паралельні твірним. Існує два основних види розпірних склепінь:

• тонкостінне клеєфанерне склепіння стрілчастого або круглого обрису з затяжкою або з передачею розпору безпосередньо опорам;

Конструкція збірна з клеєфанерних полотнищ заводського виготовлення.

· кружально-сітчасте склепіння кругового або стрілчастого обрису з затяжкою або з передачею розпору на стіни

– для склепінь кругових;

– для стрілчастих склепінь.

Кружально-сітчасті склепіння є найбільш поширеними просторовими конструкціями. Складаються вони з косяків (цілісних або клеєфанерних). Проліт склепінь з цілісних косяків l = 12-20 м, з клеєфанерних l = 20-100 м.

Основні вузли сітки утворюються з трьох косяків, один з яких є наскрізним і проходить через вузол не перериваючись, а два інших набігаючих косяка приєднуються до наскрізного.

Залежно від конструкції косяків та їх з'єднання між собою розрізняють:

• безметалеві кружально-сітчасті склепіння системи архітектора С. І. Пєсєльніка;

• кружально-сітчасті склепіння з вузлами на болтах системи Цолльбау;

• склепіння із складових клеєфанерних косяків.

Склепіння системи Пєсєльніка виготовляються з косяків цільного перерізу, що мають на кінцях шипи, а по середині наскрізний отвір.

З'єднання косяків виконується на врубці. У кожному вузлі сітки сполучаються три косяка, з яких два набігаючих входять з двох сторін своїми шипами в гніздо наскрізного косяка. Верхня кромка косяка може бути криволінійною, або з одним або двома переломами, крок сітки склепіння с = 0.8 – 1.5 м, тоді довжина косяків виявляється близько 2 м.

У безметалевому кружально-сітчастому склепінні приймається сітка як прямокутна, так і косокутна з кутом φ = 45 °.

Вузлове з'єднання може бути нецентроване, коли осі набігаючих косяків не збігаються і центроване, коли осі збігаються.

В останньому випадку шип має клиноподібну форму.

Кружально-сітчасті склепіння з вузлами на болтах (системи Цолльбау) мають косяки з круглими отворами на кінцях (під болти) і овальними отворами по середині косяка

У вузлах з'єднання косяків набігають косяки шляхом натягу болта щільно притискаємо на косяк.

Склепіння з клеєфанерних косяків можуть виконуватися в безметалевому і металевому варіантах. У першому випадку косяки з'єднуються у вузлах на врубках подібно до того, як це робиться у склепіннях Пєсєльніка. Косяки мають коробчату форму перерізуу.

Конструкція і розрахунок складених косяків аналогічні конструкції та розрахунку клеєфанерних балок.

Всі розглянуті вище з'єднання косяків сітки кружально-сітчастих склепінь були шарнірними. Згинальний момент у вузлах сіток сприймається тільки наскрізними косяками.

У металевому варіанті склепіння з клеєфанерних косяків влаштовують безшарнірне з'єднання косяків, коли згинальний момент у вузлі сприймається не тільки наскрізним, але і набігаючим косяками.

Це досягається шляхом з'єднання набігаючих косяків по верхніх і нижніх гранях за допомогою вклеєних металевих стрижнів.

Розрахунок сітчастого склепіння. Для цього виділяють розрахункову смугу склепіння, що відповідає кроку гратки. Потім визначають поздовжні сили N_a і згинальні моменти M_a, як в арці постійної жорсткості з відповідною схемою обпирання.

Якщо кут між твірною склепіння та наскрізним косяком - α, то згинальний момент, що сприймається косяком при шарнірному з'єднанні косяків, коли момент сприймається тільки одним наскрізним косяком, буде:

;

А для косяків склепінь з безшарнірними вузлами, коли набігаючий косяк теж сприймає згинальний момент:

;

Стискаюче зусилля, що припадає на один косяк, визначається аналогічно:

;

Перевірку міцності косяка виконують як стиснуто-згинаного елемента за формулою:

;

де К_ф – коефіцієнт фронтонів, що збільшує жорсткість покриття, береться за таблицею підручника Г.Г. Карлсена «Конструкції з дерева і пластмас».

Склепіння-оболонки і складки. Традиційне склепіння- оболонка являє собою покриття циліндричної форми, оперте на торцеві стіни.

У склепіннях-оболонках відсутній розпір, властивий склепінням, обпертим по поздовжнім сторонам, тому немає необхідності влаштовувати в них затяжки або контрфорси.

За статичною схемою і характером роботи до склепіння-оболонок близькі призматичні складки, поверхня яких утворена похилими плоскими гранями.

Склепіння-оболонки і складки виконують в однорядовому і багаторядному варіантах.

Багаторядові складки і оболонки можуть бути двох видів: тонкостінні і ребристі. У першому випадку переріз покриття може бути суцільним (склеєні між собою дощаті настили) або каркасним (до каркасу із брусів висотою до 15 см на цвяхах і клею з одного боку або двох сторін кріпляться обшивки з фанери, деревостружкових плит або дощок).

У другому варіанті жорсткі ребра розміщують в поперечному напрямку з кроком 2-6 м, а по ним укладають поздовжній настил (для сприйняття поздовжніх зусиль) і два косих настила під кутом один до одного (для сприйняття зсуваючих зусиль), іноді по ребрах замість настилів укладають листи фанери, що забезпечують сприйняття поздовжніх і зсуваючих зусиль.

Розрахунок склепіння-оболонки або призматичної складки при співвідношенні прольоту l₁ до довжини хвилі l₂: ; (довга оболонка) в поздовжньому напрямку на симетричне навантаження можна виконувати як для балки коритоподібного перерізу.

У такій балці для обчислення напруження можна використовувати формули опору матеріалів. Визначають нормальні поздовжні і зсуваючі зусилля, а також згинальні моменти від власної ваги, снігу та вітру. Далі перевіряють міцність і стійкість елементів.

Приймається наступний розподіл внутрішніх зусиль між елементами оболонки: нормальні поздовжні зусилля N₁ сприймаються поздовжнім настилом і посиленими (в поясах) частинами його, зсуваючі зусилля Т₁ сприймаються подвійним косим настилом, згинальні моменти М₁ і М₂ сприймаються ребрами жорсткості і поперечним настилом.

Такий розрахунок є наближеним, точний розрахунок оболонок виконують по теорії оболонок Власова.

У закордонній практиці знайшли застосування дерев'яні тонкостінні склепіння-оболонки: подвійної додатної та від'ємної кривизни, воронкоподібні, бочарні оболонки та оболонки у вигляді гіперболічних параболоїдів (покриття типу гіпар).

Воронкоподібне покриття-оболонка

Прикладом оригінальної форми тонкостінної оболонки двоякою кривизни прольотом 46.5 м служить покриття зали зборів будівельного коледжу в Бірмі. Оболонка складається з п'яти шарів дощок товщиною 25 і 16 мм. Загальна товщина 90 мм. Оболонку підтримують дві металеві рами, всі дошки між собою склеєні.

Покриття типу гіпар. Гіпар - це покриття, що виконується найчастіше з трьох рядів дощок, зклеєних між собою або з'єднаних цвяхами. Оболонка обпирається на опори, розташовані під кутом знижуючим.

Оболонки подвійної кривизни виготовляються на місці будівництва. Зводять їх за допомогою суцільного риштування, по якому укладають кружала і з яких ведуть зборку окремих шарів оболонки. Покриття типу гіпар може виконуватись і в збірному варіанті з прямокутних панелей, зклеєних з трьох шарів дощок.

Куполи. Залежно від конструктивного рішення купола можуть бути тонкостінними, ребристими і сітчастими. Для прольотів від 12 до 35 м застосовують тонкостінні сітчасті куполи. При прольотах від 35 до 120 м і більше з метою збільшення жорсткості застосовують ребристі куполи-оболонки.

Ребристі куполи можуть бути багатогранними, сферичними або складчастими.

Складчастий купол

Багатогранний купол

Сферичний купол

Складаються ребристі куполи з ребер в меридіональному напрямку. Ребра обпираються на нижні і верхні опорні кільця

Крок ребер 3-6 м по нижньому поясу. У ребристих куполах по аркам йдуть прогони, по прогонам укладаються в два шари настил з дощок - поздовжній і косий під кутом 45 ° до прогонів.

Нижнє опорне кільце працює на розтяг і виконується залізобетонним. Верхнє кільце працює на стиск і може бути дерев'яним. З'єднання піварок з кільцями рекомендується виконувати шарнірним. У розрахунку арок жорсткість прогонів і настилу не враховується.

Розрахунок ребристого купола ведеться шляхом розчленування на арки з відповідною вантажною площею. В іншому порядок розрахунку повністю співпадає з розрахунком клеєних трьохшарнірних арок.

Просторова незмінність і стійкість плоскої форми згину ребер забезпечується встановленням зв'язків (горизонтальних і вертикальних).

Кружально-сітчасті куполи можуть бути сферичними або з зімкнутих склепінь

Сітка може бути ромбічною і прямокутною, вузли вирішені на врубках або болтах. При кількості граней 6 і менше сектор купола розраховується за аналогією з сітчатим склепінням, а при числі граней більше 6 - за наближеною безмоментною теорією сферичних куполів-оболонок.

Представляє інтерес конструкція зімкнутого склепіння, розроблена в США для прольоту 257 м (найбільший у світі з перекриваємих прольотів). Проект цього склепіння передбачає використання його для покриття стадіонів в чотирьох містах США.

Гурти (ребра на стиках граней склепіння) клеєні змінного коробчатого перерізу. Максимальна висота перерізу 334 см.

Тонкостінні куполи-оболонки. Їх основною особливістю є меридіональні арочки, кільцевий та косий настили, верхнє кружальне і нижнє опорне кільця.

Відстань між осями арок по опорному кільцю призначається від 0.8 до 1.5 м. Висота арочок h для надання куполу достатньої жорсткості повинна становити не менше 1 / 250 його прольоту. На арочки цвяхами прибивають обидва шари кільцевого настилу, а потім косий настил в «ялинку» під кутом ~ 45 °.

Розрахунок куполів-оболонок з достатньою точністю ведеться по безмоментній теорії оболонок.

При розрахунку приймається, що меридіанні елементи і ребра куполів сприймають меридіональні зусилля Т₁, кільцеві настили - кільцеві зусилля Т₂, а косі настили - зсуваючі зусилля S.

Зусилля Т₁, Т₂ і S знаходять при трьох схемах завантаження:

· 1 схема - власна вага купола. Зусилля в ребрах Т₁ в лівій точці А визначиться за формулою:

,

де: Q_φ – вага всієї вищерозміщеної частини купола;

m – число ребер.

Зусилля Т₂ в кільцевому настилі на одиницю ширини визначиться за формулою:

,

де: z – проекція на нормаль рівномірно розподіленого навантаження

(покрівля, косий та кільцевий настили) і вага ребер;

R – радіус сфери купола;

Т₁ – меридіональне зусилля у розглянутій точці А;

а – - відстань між ребрами.

Зсуваюче зусилля S при симетричному навантаженні дорівнює нулю (S = 0)

· 2 схема - снігове навантаження на всьому прольоті. Вона приймається з урахуванням зміни інтенсивності по поверхні купола за законом косинуса, що дає рівномірне навантаження по плану інтенсивністю р₀. Меридіанне зусилля:

,

Кільцеві зусилля:

,

Зсувне зусилля:

· 3 схема - вітрове навантаження. Дійсна епюра тиску вітру (а) замінюється більш простими епюрами: симетричною та кососиметричною.

Зусилля від симетричної епюри визначається за наступними формулами:

4) меридіанальні зусилля:

,

5) кільцеві зусилля:

,

6) зсуваючі зусилля:

Зусилля від кососиметричної епюри визначаються за таблицями книжки Дішінгера «Оболонки, тонкостінні залізобетонні куполи і склепіння», М. 1971р.

Кососиметричне навантаження дає зсуваючі зусилля, на які розраховується косий настил.

Перевірка перерізів елементів.

· Визначивши розрахункове значення Т₁ на одне ребро (як максимальне при різних поєднаннях зусиль при трьох перерахованих схемах завантаження) перевіряють його на стиск і зминання торців в опорних кільцях;

· Кільцевий настил перевіряють на зминання (в стиснутій зоні) по всій площі. У розтягнутій зоні перевірка на розтяг ведеться за площею:

· зсуваючі зусилля S викликають в косому настилі стиск або розтяг. За цими схемами підбирають переріз дощок і зв'язки (цвяхи, шурупи, клей);

· верхнє кружальне кільце перевіряють на стиск і зминання в стику:

де: Т₁ – стискаюче зусилля в ребрі;

r₁ – радіус кільця.

· нижнє опорне кільце перевіряють на розтяг силою:

де: Н₁ – розпір купола на одиницю довжини опорного кільця;

r₂ – радіус опорного кільця.

Лекція № 7