Фермы на лобовых врубках

Такие фермы относятся к числу самых первых сквозных конструкций, применяемых в покрытиях зданий. Свое название они получили по типу узловых решений, выполняемых на лобовых врубках. Термин «врубка» появился во времена, когда подобные сопряжения элементов выполнялись топором. В настоящее время топор, естественно, заменили на механизированные инструменты и оборудование: однако название «врубка» сохранилось.

Фермы являются чистым примером конструкции построечного изготовления, хотя при больших объемах производства они могут быть выполнены и в заводских условиях. Необходимость рассмотрения в данном пособии общих принципов проектирования ферм на лобовых врубках связана с тем, что до настоящего времени сохранилось достаточно большое количество зданий, в которых в качестве несущих пролетных конструкций покрытия использованы такие фермы. Поэтому для решения вопроса об эксплуатационной надежности покрытий данных зданий специалист по обследованию должен знать принципы проектирования, работы и расчета таких ферм.

В фермах на врубках пояса и раскосы выполняются из бревен или брусьев, растянутые стойки — в виде тяжей из круглой стали. Ширина поперечных сечений поясов и раскосов принимается одинаковой.

Врубки могут передавать усилия только одного направления — сжатие; поэтому при выборе решетки ферм отдается предпочтение такой, при которой раскосы работают только на сжатие, а стойки — на растяжение при действии любых нагрузок. Этому принципу отвечают в треугольных фермах нисходящие раскосы, а в фермах с параллельными поясами и в пятиугольных фермах — восходящие раскосы. В фермах с параллельными поясами и в пятиугольных фермах в средних панелях усилия в раскосах при односторонних загружениях меняют знак. В этих случаях ставят перекрестные раскосы и соединение их с поясами выполняют на врубках. Поскольку врубки могут воспринимать только сжимающие усилия, то в таких фермах в средней панели всегда работает только один раскос, который сжат. Другой раскос в это время не работает, он включается в работу только при смене характера действующих нагрузок, т. е. при смене односторонней нагрузки с одной половины пролета на другую. Благодаря такому явлению ферма становится статически определимой.

Основные типы ферм на лобовых врубках приведены в табл. 1.1, схемы 19−22.

Конструктивная высота треугольных и пятиугольных ферм.

/11, /11.

— = — ферм с параллельными поясами — = —.

/56 /57.

Стойки выполняются из одинаковых тяжей. Концы тяжей осаживаются под нарезку, или, но концам к ним привариваются коротыши большего диаметра под нарезку с таким раскосом, чтобы площадь ослабленного нарезкой сечения была на 25% больше площади брутто основного тяжа. Это делается для того, чтобы в процессе эксплуатации фермы была возможность осуществить подтяжку путем завинчивания гаек и тем самым восстановить плотность узловых соединений и уменьшить деформацию фермы, вызванную усушкой древесины и податливостью соединений.

Конструктивно узловые соединения на лобовых врубках снабжаются либо болтами, либо скобками. Эксплуатация ферм показывает, что следует отдавать предпочтение болтам, поскольку вследствие усушенных деформаций защемление скоб ослабевает, и могут появиться усушенные трещины.

Опорные узлы могут быть выполнены на лобовых врубках с одним зубом, а при больших пролетах для повышения надежности в работе — на стяжных хомутах. Использование натяжных хомутов снижает опасную работу врубки на скалывание. Коньковый узел решается непосредственно упором элементов верхнего пояса друг в друга и соединением их между собой парными накладками на болтах. Промежуточные узлы по нижнему и верхнему поясам выполняются на лобовых врубках. Глубина врубок в них должна быть не менее 2 см в брусьях, не менее 3 см в бревнах и, как правило, не более d/4 — для бревен и h/5 — для брусьев.

Средний узел нижнего пояса при отсутствии стыка выполняется с применением специального вкладыша, имеющего наклонные площади для упора сжатых раскосов. Раскосы дополнительно соединяются с вкладышем с помощью глухих нагелей, а сам вкладыш врезают в брус нижнего пояса, соединяя с ним с помощью болтов.

При наличии стыка нижнего пояса в среднем узле фермы сжатые раскосы пропускаются между накладками стыка и упираются вертикальными плоскостями друг в друга, а горизонтальными — в жесткую шайбу тяжа средней стойки.

Стыки верхнего пояса выполняются вблизи промежуточных узлов фермы, как правило, путем упора элементов пояса друг в друга и с перекрытием стыка парными деревянными накладками на болтах.

Нижний пояс при пролетах ферм до 12 м стыкуется в среднем узле, а при пролетах более 12 м — в промежуточных узлах, где предусматривается выгиб фермы для образования строительного подъема. Стыки перекрываются парными деревянными накладками, которые соединяются с элементами нижнего пояса с помощью цилиндрических нагелей, в числе которых болты должны составлять не менее 25%.

Расчет ферм на лобовых врубках производится по тем же принципам, что и расчет ферм других конструкций. Нагрузку от покрытия и от подвесного чердачного перекрытия желательно передавать на верхний и нижний пояса через прогоны покрытия и перекрытия, располагаемые в узлах фермы. Внеузловая передача нагрузки нежелательна ввиду образования изгибающих моментов в поясе и особой сложности восприятия их в узловых соединениях.

Усилия в элементах фермы определяются при действии на нее узловых нагрузок. При известных расчетных усилиях растянутые стойки — тяжи проверяются на прочность с учетом ослабления их нарезкой. При этом под тяжи должны быть подложены металлические шайбы рекомендуемых размеров, в противном случае, если шайбы поставлены меньших размеров, необходимо проверить напряжение смятия под шайбой с учетом угла действия их по отношению к направлению волокон древесины. Сжатые элементы решетки (раскосы) рассчитываются на устойчивость с расчетной длиной, равной их геометрической длине. Гибкость раскосов не должна превышать 150.

Верхний пояс при отсутствии изгибающих моментов от внеузловой нагрузки и эксцентриситетов в узлах рассчитывается на устойчивость в плоскости и из плоскости фермы. Гибкость для верхнего пояса не должна превышать предельную, равную 120.

Для того чтобы исключить появление эксцентриситетов в узлах верхнего пояса от врубок, для присоединения раскосов к нижней части бруса (или бревна) делают подрезку в верхней части бруса для установки прогона покрытия. Такой прием позволяет избежать эксцентричную передачу усилия верхнего пояса в узлах с лобовыми врубками и привязку пояса к геометрической оси фермы осуществить по осевой линии элементов.

Нижний пояс испытывает растяжение; поэтому необходимо обращать особое внимание на правильное конструирование узлов, где, как правило, не избежать наличия ослаблений. Ослабления в поясе могут быть вызваны лобовыми врубками, отверстиями под пропуск стоек — стяжей, отверстиями под болты и нагели в стыковых накладках, узловых сопряжениях и др. Желательно, чтобы расстояние между ослаблениями было больше 200 мм. При неизбежном наличии ослаблений нижний растянутый пояс рассчитывается на прочность по площади «нетто» с учетом коэффициента, равного 0,8 к расчетному сопротивлению древесины растяжению.

При значительной разнице усилий в смежных панелях пояса допускается применять в них брусья (или бревна) разных поперечных сечений, однако количество типоразмеров в поясах фермы должно быть не более двух.

Конструктивный расчет следует начинать с назначения размеров поперечных сечений элементов фермы и проверки их прочности и устойчивости на действующие в них усилия. Принятые сечения элементов могут уточняться при детальном расчете узлов фермы. Конструирование и расчет узлов следует начинать с наиболее нагруженного. Как правило, им является опорный узел, поскольку в нем не только сходятся самые нагруженные элементы, но здесь имеет место наибольшее количество ослаблений, связанное с прикреплением к узлу растянутого нижнего пояса.

При решении опорного узла на лобовой врубке нижний растянутый пояс необходимо проверить, но соответствующим формулам:

• на смятие от упора в него верхнего пояса.

где N_c — расчетное сжимающее усилие в верхнем примыкаемом.

h

элементе (поясе); А,_м — площадь смятия, А =Ь—(Ь — шири;

cosa.

R

на пояса, Л_вр — глубина врубки); /?_сма =—у——г- - рас;

1+ —^— -sin^a ч^с90° «4.

четное сопротивление древесины смятию под углом, а к волокнам;

• на скалывание.

где ЛГ_р — усилие в нижнем поясе (ЛГ_р =N_C -cosa); А_ск — площадь скалывания, А_ск =Ь-1_СК (/_ск — длина скалывания); R^ — среднее по площадке скалывания расчетное сопротивление древесины ска;

р Г)('Р *'к

лыванию, К_с¹_к =——.

1 + Р —.

о

Коэффициент Р принимается равным 0,25, а расстояние е = h/2 (h — высота сечения нижнего пояса);

• на разрыв по ослабленному сечению.

юо где А_пт — площадь нетто ослабленного сечения, A_m =b-(h-h_Bp m₀ =0,8 — коэффициент, учитывающий наличие ослаблений; R_p — расчетное сопротивление древесины растяжению.

Следует заметить, что для нижнего растянутого пояса желательно применять древесину 1-го сорта, поскольку величина т₀ • R_p у разных сортов древесины существенно различается, а именно: mo i? p =0,8−7 = 5,6МПа — для 2-го сорта; т₀ R_p =0,8−10 = 8, ОМПа — для 1-го сорта.

В опорном узле на лобовой врубке дополнительно ставятся монтажные (аварийные связи) болты, которые не включаются в общую работу узла, однако могут способствовать устранению аварийного состояния в случае скалывания древесины по основной плоскости скалывания, т. е. невыполнения условия (5.2). В этом случае при аварийном состоянии в болте возникает усилие, равное:

На это усилие подбирается сечение (диаметр) болта.

Формулами (5.1), (5.2) и (5.3) можно пользоваться как для проверки прочности по принятым размерам, так и для назначения основных конструктивных размеров элементов.

В опорном узле, выполненном с применением натяжного хомута, следует сделать следующие проверки.

1. Проверить прочность основных стальных стержней хомута по формуле.

где п — количество стержней (4 шт.); А_т — площадь нетто (с учетом нарезки) одного стержня; Ш =0,8 — коэффициент, учитывающий ослабление резьбой; пг₂ =0,85 — коэффициент, учитывающий перегрузку отдельного стержня.

2. Подсчитать необходимое количество цилиндрических нагелей для прикрепления парных накладок к нижнему поясу по формуле.

где Т™™ — минимальная несущая способность одного двухсрезного нагеля, подсчитанная из трех условий (смятия древесины крайних элементов — накладок, смятия древесины среднего элемента — нижнего пояса и изгиб нагеля).

Нс менее 25% общего числа нагелей должно быть заменено болтами такого же диаметра.

3. Проверить прочность растянутого нижнего пояса по ослабленному сечению:

где А_п1 — площадь нетто ослабленного болтами поперечного сечения пояса.

4. Проверить на смятие торцов накладок, упирающихся в швеллер:

где А_ш — площадь смятия торцов накладок; R_CM — расчетное сопротивление древесины смятию.

По формуле (5.8) проверяются другие торцы накладок, в которые упираются уголки, только за Л_см необходимо принимать площадь контакта уголков с древесиной.

5. Упорный вкладыш проверяется на смятие под углом, а на действие сжимающего усилия в верхнем поясе (ЛГ_С) по формуле.

где Л_см — площадь смятия, равная площади контакта торца верхнего пояса с вкладышем; R_CMa — расчетное сопротивление древесины смятию под углом, а к волокнам.

6. Упорный швеллер рассчитывается на изгиб по схеме свободно опертой балки с пролетом «Ь», равным расстоянию между осями натяжных хомутов. Расчет производится по формуле.

где М — изгибающий момент, М —; здесь Ч ⁼ &_СМ'Ь_Ш — по;

гонная нагрузка на швеллер, подсчитываемая по напряжениям ЛГ_р

^асм ⁼ ~: — (Л_см — площадь смятия торца вкладыша).

Лм Лобовые врубки в промежуточных узлах фермы рассчитываются на смятие и скалывание по формулам (5.1) и (5.2) на сжимающие усилия, действующие в раскосах. Верхний и нижний пояса в этих узлах рассчитываются на прочность соответственно на сжатие и растяжение с учетом ослаблений от врубок и отверстий под тяжи.

В коньковом узле усилия от одного элемента верхнего пояса передаются другому через контактную поверхность торцов. Поскольку плоскость контакта расположена под углом к направлению волокон древесины, то при проверке прочности по напряжениям смятия необходимо учесть величину R_CMa — расчетное сопротивление смятию древесины под углом а. В равной степени и при проверке напряжений смятия в подушке среднего узла нижнего пояса, в которую упираются сжатые раскосы, следует учесть, что они действуют под углом к направлению волокон древесины подушки.