CC BY
49
УДК 691.11: 674
Н.А. Воронцова, Н.В. Филатов, Е.Г. Шестопалов
ВОРОНЦОВА Наталья Анатольевна - доцент кафедры математического моделирования и информатики Школы естественных наук (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток). E-mail: vorontsova54@mail.ru, ФИЛАТОВ Николай Валерьевич - студент (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток). E-mail: n.filatov.90@mail.ru, ШЕСТОПАЛОВ Евгений Георгиевич - старший преподаватель кафедры строительства и управления недвижимостью Инженерной школы (Дальневосточный федеральный университет, Владивосток. E-mail: dvgtu.skim@gmail.com © Воронцова Н.А., Филатов Н.В., Шестопалов Е.Г., 2012
Использование клеефанерных элементов с перфорированными стенками в конструкциях малоэтажных деревянных зданий
Рассматривается возможность решения проблемы обеспечения населения России малоэтажным жильем. Удешевить это строительство можно применением в строительных конструкциях клеефанерных элементов двутаврового сечения. Для упрощения технологии изготовления и снижения их стоимости решено отказаться от стыковки фанеры стенок. Ранее подобная задача для клеефанерных балок не рассматривалась и не решалась.
Ключевые слова: доступное жилье, клеефанерные элементы, строительные конструкции, расчетная схема, метод фотоупругости.
Use of cell kleefanernyh with perforated walls in building structures low-rise wooden. Natalia A. Vorontso-va, Nikolay V. Filatov, Evgeniy G. Shestopalov - School of Engineering (Far Eastern Federal University, Vladivostok).
The authors consider the possibility of solving the problem of Russia's population housing low-rise construction. Reduce the cost of this construction can use in building constructions kleefaneryh elements of I-section. To simplify the manufacturing technology and reduce the cost of joining decided to abandon the plywood walls. Previously, a similar problem for kleefanernyh beams was not considered and solved.
Key words: affordable housing, kleefanernye elements, building construction, design scheme, the method of photoelasticity.
Проблема обеспечения населения России доступным по стоимости жильем на сегодняшний день является одной из наиболее актуальных. На ее решение направлена Федеральная целевая программа «Жилище» на 2002-2010 гг. Одним из путей решения этой проблемы является малоэтажное строительство, при котором для междуэтажных перекрытий могут использоваться сборные и монолитные железобетонные плиты различных конструктивных решений (со съемной и несъемной опалубками), перекрытия по стальным и деревянным балкам [1-7]. Наиболее экономичным является применение в конструкциях междуэтажных перекрытий клеефанерных балок двутаврового сечения, поскольку в них наиболее рациональным образом распределяется материал по высоте сечения. Выполненные расчеты, при существующем уровне цен на стальной прокат и древесину, показали меньшую стоимость клеефанерных балок по сравнению со стальными балками и балками прямоугольного сечения из цельной древесины при одинаковой несущей способности. Проведенный нами экономический анализ показал, что эффективность этих балок возрастает с увеличением длины перекрываемого пролета.
Клеефанерные балки успешно применяются в конструкциях покрытий зданий различного назначения начиная с 1930-х годов. В конце XX в. при устройстве опалубки в монолитном домостроении стали использовать балки двутаврового сечения с поясами из деревянных брусков и стенками из древесно-стружечных плит. Отмечено также использование клеефанерных балочных элементов небольшого сечения в стропильных конструкциях скатных кровель и в перекрытиях малоэтажных зданий.
В процессе изготовления клеефанерных балок возникает необходимость сращивания (увеличения длины) фанерных листов, образующих их стенки, поскольку по существующему сортаменту длина фанерных листов, которые могут быть использованы для этой цели, не превышает 2440 мм. Процесс сращивания фанеры очень трудоемок, требует использования специального оборудования, а надежность стыка
не всегда соответствует требуемым параметрам. Для упрощения технологии изготовления клеефанерных балок перекрытия решено отказаться от сращивания фанеры стенок, компонуя их сечение фрагментами стенки, оставляя между ними зазоры. Это позволит существенно снизить стоимость балок, сделать их еще более технологичными и конкурентоспособными. Величина этих зазоров может быть минимальной (плотный контакт фрагментов стенки) или достигать определенной величины, при которой они начнут оказывать возрастающие влияние на несущую способность балочного элемента.
Ранее подобная задача для клеефанерных балок не рассматривалась и не решалась: для расчета клеефанерных балок с прерывистыми (перфорированными) стенками нормативная литература отсутствует. Проведенный нами патентный поиск за 5 лет не выявил наличия таких конструкций. Некоторым аналогом могут служить выпускаемые за рубежом балки со стенками из плоских древесно-стружечных плит ОБВ, в которых проделаны отверстия для пропуска технологического оборудования.
Предлагаемый клеефанерный строительный элемент может состоять из одной или нескольких размещенных на определенном расстоянии друг от друга фанерных стенок. По верхним кромкам этих стенок наклеиваются деревянные бруски, образующие полки сечения. Полки соседних стенок также склеиваются между собой, образуя хорошо препятствующую скручиванию жесткую конструкцию. По длине элемента фанерные стенки прерываются зазорами без сращивания листов по длине. Эти зазоры могут быть как минимальными, так и определенных размеров, зависящих от назначения конструкции, которую компонует строительный элемент. Зазоры в сечении между стенками строительного элемента позволяют создавать несложные узловые соединения создаваемых из этих элементов строительных конструкций. Стенки строительных элементов для обеспечения устойчивости усиливаются ребрами жесткости. За счет отсутствия трудоемкой и технологически сложной операции сращивания (увеличения длины) фанерной стенки, простоты узловых соединений создаваемых конструкций предлагаемый строительный клеефанерный элемент становится высокотехнологичным.
С целью разработки расчетной схемы предлагаемого высокотехнологичного клеефанерного элемента строительных конструкций изучены расчетные схемы следующих видов балочных конструкций «сквозных сечений» из традиционных материалов:
- металлические балки двутаврового сечения со сплошной стенкой;
- металлические балки двутаврового сечения с перфорированной стенкой;
- железобетонные решетчатые балки;
- железобетонные безраскосные фермы;
- деревянные балки составного сечения с соединением на шпонках и пластинчатых нагелях.
Достаточно широко используются в строительстве стальные балки с перфорированными стенками, изготавливаемые из прокатных профилей. Эти балки появились в первых десятилетиях ХХ в. Для их изготовления используются стальные прокатные профили, стенки которых разрезаются по зигзагообразной ломаной линии с регулярным шагом, затем обе половинки разрезанной балки соединяются сваркой совмещенных между собой выступов стенки. В результате происходит увеличение высоты сечения балки с возрастанием момента инерции и момента сопротивления, что приводит к существенному возрастанию несущей способности таких балок на 20.. .30%.
Отверстия в стенках балок меняют картину их напряженного состояния: в углах около отверстий эпюры нормальных напряжений становятся нелинейными даже в упругой стадии работы материала - вследствие проявления концентрации напряжений. Простенки балок в основном воспринимают сдвигающие усилия, но в них помимо касательных напряжений тху и нормальных напряжений ох возникают также нормальные напряжения оу. Поперечные силы в поясных таврах балок вызывают дополнительный изгиб.
Железобетонные балки с перфорированными стенками рассчитывают как статически неопределимые системы. Элементы поясов и стоек рассматривают как внецентренно сжатые (растянутые) с учетом пластических свойств железобетона, в связи с чем изгибающие моменты в нижнем поясе снижают на 30%. Геометрические характеристики поперечного сечения определяют с учетом наличия ослаблений (по сечению нетто). Концентрацию напряжений в местах перфорации (ослаблений) компенсируют конструктивным армированием.
Безраскосные железобетонные фермы рассматриваются как многократно статически неопределимые стержневые системы. Их рассчитывают с использованием вычислительной техники как рамы с жестким сопряжением стержней либо приближенным способом, основанным на расчленении основной системы фермы фиктивными шарнирами, которые располагают в сечениях с нулевыми значениями изгибающих моментов по середине длины стоек и панелей поясов ферм. Поперечные, продольные силы и изгибающие моменты в сечениях поясов и стоек определяют из условия равновесия половин фермы, разрезанных через шарниры в стойках.
При сплачивании брусьев (увеличением размеров сечения) шпонками, колодками или пластинчатыми нагелями в деревянных балках составного сечения считается, что соединительные элементы (шпонки, ко -лодки или пластинчатые нагели) предназначены только для восприятия сдвигающих усилий; концентрация напряжений в местах постановки соединительных элементов не учитывается.
Таким образом, существует несколько гипотез работы под нагрузкой балочных конструкций с перфорированными стенками:
• упрощенная балочная расчетная схема без учета нелинейности распределения напряжений по сечению;
• упрощенная балочная расчетная схема без учета нелинейности распределения напряжений по сечению, с учетом концентрации напряжений, вызванной наличием перфорации стенок;
• безраскосная стержневая система (рама).
Из анализа расчетных схем балочных конструкций с перфорированными стенками следует, что информация о фактическом напряженном состоянии этих конструкций требует уточнения. Экспериментальные исследования балочных конструкций с перфорированными стенками, изготовленных из фотоупругого материала, помогут более глубокому изучению работы их под нагрузкой. Метод фотоупругости - один из самых тонких методов изучения структуры и внутренних напряжений в твердых телах; базирующийся на нем поляризационно-оптический метод исследований напряжений позволяет получить непрерывную картину распределения напряжения в испытуемой конструкции.
В результате проделанной работы можно сделать следующие выводы.
1. В настоящее время клеефанерные конструкции с перфорированными стенками в строительстве не применяются.
2. В основе расчета балочных конструкций различных конструктивных решений с перфорированными стенками использованы различные гипотезы о работе этих конструкций.
3. С целью разработки методики расчета клеефанерных балок с перфорированными стенками фактическую картину напряженного состояния балок и балочных конструкций с перфорированными стенками требуется уточнить.
4. Для подтверждения достоверности той или иной расчетной схемы необходимо провести исследования напряженно-деформированного состояния балок с перфорированными стенками, изготовленных из фотоупругого материала, позволяющего увидеть в поляризованном свете фактическую картину их напряженного состояния при различных конструктивных решениях стенок и нагрузках.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Байков В.Н., Сигалов Э.Е. Железобетонные конструкции. Общий курс. М.: Стройиздат, 1991. 767 с.
2. Бондаренко В.М., Судницын А.И., Назаренко В.Г. Расчет железобетонных и каменных конструкций: учеб. пособие для строит. вузов / под ред. В.М. Бондаренко. М.: Высш. шк., 1988. 304 с.: ил.
3. Металлические конструкции: в 3 т. Т. 1. Общая часть. Справочник проектировщика / под общ. ред. В.В. Кузнецова. М.: АСВ, 1998. 576 с.: ил.
4. Металлические конструкции: в 3 т. Т. 1. Элементы стальных конструкций: учеб. пособие для строит. вузов / В.В. Горев, Б.Ю. Уваров, В.В. Филиппов и др.; под ред. В.В. Горева. М.: Высш. шк., 1997. 527 с.: ил.
5. СНиП 2.01.07-85. Бетонные и железобетонные конструкции. М.: Госстрой СССР, 1985.
6. СНиП 11-23-81* Стальные конструкции. М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1990. 96 с.
7. Типовые железобетонные конструкции зданий и сооружений для промышленного строительства: справочник проектировщика. М.: Стройиздат, 1981. 488 с.
X
