CC BY
20
Складские здания с деревянным каркасом
Г.Б. Вержбовский Донской государственный технический университет, Ростов-на-Дону
Аннотация: Складские здания с деревянным каркасом находят широкое применение в сельском хозяйстве. При этом в Российской Федерации достаточно часто используют зарубежные решения, например, ангары типа «Hansen Pole Buildings» (США). Деревянный каркас таких зданий состоит из дощатых стоек, устанавливаемых, как правило, с шагом 2,4 метра и стропильных ферм с узловыми соединениями на металлических зубчатых пластинах. Шаг ферм составляет 1,2 метра. Несущие конструкции покрытия опираются на продольные ригели, располагающиеся в верхней части стоек.
С целью адаптации конструкции здания под отечественные нормы был разработан калькулятор ангаров, реализованный в программе Microsoft Excel. Калькулятор обеспечивает возможность расчета не только стоек и ригелей, но также связей, стеновых и кровельных прогонов. С помощью калькулятора рассчитаны конструкции нескольких складских зданий, реализованных строительством.
Ключевые слова: древесина, каркасное строительство складское здание, ангар, калькулятор, металлические зубчатые пластины.
Современное строительство характеризуется разнообразием технологий и материалов. Достаточно часто в России находят применение зарубежные строительные системы. Для их адаптации необходимо подтверждать работоспособность конструкций расчетами по отечественным нормам и заменять отдельные узлы и детали отечественными аналогами. В настоящей статье приводится описание адаптации складских зданий с деревянным каркасом, разработанных компанией «Hansen Pole Buildings» (США). Приводятся примеры завершенных строительством зданий.
Деревянный каркас складского здания от компании «Hansen Pole Buildings» [1, 2] представляет собой систему однопролетных поперечных рам, устанавливаемых с шагом 2,4м. Рамы состоят из дощатых колонн и пятиугольных стропильных ферм с узловыми соединениями на металлических зубчатых пластинах (МЗП). По верху колонн в продольном направлении размещаются ригели из спаренных досок, на которые опираются промежуточные стропильные фермы на МЗП. Таким образом, шаг
несущих конструкций покрытия составляет 1,2 метра. Геометрическая неизменяемость здания в продольном направлении обеспечивается системой связей в покрытии и обшивкой стен из ориентированно - стружечной плиты (ОСП), прикрепляемой к продольным ригелям из брусков. По верхним поясам ферм укладываются деревянные прогоны и сплошной настил из ОСП.
Особенностью американских конструкций является тот факт, что продольные стены, иногда имеющие достаточно большую высоту и протяженность, по своей конструкции ничем не отличаются от стен обычных легкокаркасных жилых зданий. Они имеют нижнюю обвязку, вертикальные стойки и верхний продольный ригель. В отдельных реализованных зданиях можно увидеть и вертикальные связи по стойкам стен, однако таких примеров не много.
Одно из малых предприятий Российской Федерации предлагает свои услуги по строительству подобных зданий, которые оно условно называет ангарами, на территории России. В состав предприятия входит отдел, занимающийся расчетами конструкций и выпуском проектной документации. Его работники столкнулись с проблемами, связанными с особенностями Российских строительных норм и правил, и попытались создать алгоритм расчета подобных конструкций. Далее дается описание перехода от американской системы к отечественной и приводятся примеры реализации таких зданий.
Как известно, в главе строительных норм и правил, посвященной вопросам проектирования деревянных конструкций СНиП П-25-80*, говорится о том, что все соединения элементов последних следует считать шарнирными. Разработчики современного Свода Правил СП 16.13330.2017 исключили этот пункт из текста норм, однако возможность создания жестких нагельных узлов в дощатых конструкциях представляется сомнительной. Поэтому, при выборе расчетной схемы поперечной рамы складского здания
особое внимание было уделено нижним опорным узлам колонн. В разработанной конструкции предлагалось использовать стальную обойму, которая обеспечивала защемление колонны в фундаменте (см. рисунок 1).
Рис. 1. - Общий вид каркаса (здесь и далее фото автора) С учетом конструкции опорного узла поперечная рама в расчетах рассматривалась с защемленными внизу стойками и шарнирно опертым на них решетчатым ригелем. В качестве нагрузок на раму принимался собственный вес конструкций, постоянная нагрузка от ограждающих частей и климатические воздействия от ветра и снега согласно СП 20.13330.2016. Возведение зданий в сейсмических районах не предусматривалось. Статический расчет рам производился в предположении, что ригель имеет значительно большую жесткость, чем стойки, в связи с чем использовались стандартные формулы строительной механики [3].
Такой подход позволил обойтись без использования сложных вычислительных комплексов и сформировать калькулятор для расчета конструкций каркаса здания. Сравнение результатов статического расчета отдельной рамы по известным формулам и пространственной модели ангара в программном комплексе «Лира-САПР» [4] показало, что «ручные» вычисления дают несколько большие значения внутренних силовых
факторов, чем машинный расчет. Таким образом, калькулятор обеспечивает некоторый запас прочности [5].
Калькулятор представляет собой рабочую книгу Excel, в которой на отдельных листах осуществляется проверка введенных расчетчиком сечений пиломатериалов, предполагаемых для использования в конструкции каркаса здания. При этом первый лист содержит краткую инструкцию по работе с калькулятором, а остальные предназначены для ввода исходных данных, выполнения вспомогательных вычислений и расчета различных частей конструкции (см. рисунки 2, 3 и 4).
6 4 ш
7 Щ1 -Гт
8 9 10 11 Настоящий файл предназначен для оценки возможности использования однопролетных ангаров из древесины в определенных климатических условиях. Файл содержит несколько листов. Первый ■ настоящий лист представляет собой описание калькулятора и принцип его работы. Второй лист "Исходные данные и результать является основным. Б нем происходит ввод исходных данных и отображается информация о результатах проверки отдельных частей каркаса ангара. Ввод данных производится ТОЛЬКО в ячейки голубого цвета | |, Ячейки других цветов на этом листе изменяются автоматически. Их редактировать НЕЛЬЗЯ,
12 13 Пользователь имеет возможность ввести габаритные размеры ангара и выбрать районы строительства по снегу и ветру, после чего, вводя предполагаемые размеры пиломатериалов, может проследить, проходит тот или иной элемент каркаса или нет. Лист "Вспомогательные вычисления" предназначен для подсчета некоторых общих для
14 конструкций сведений. Названия остальных листов показывают, какой именно злемент каркаса на нем рассчитывается. На этих листах ничего изменять НЕЛЬЗЯ.
15 Пользователь может посмотреть, какие именно проверки выполняются или нет для той или иной части каркаса на соответствующих листах.
16
17 1! Обращайте внимание на примечания, которые есть для некоторых ячеек на листе "Исходные данные и результаты". При вводе некоторых данных осуществляется автоматическая проверка данных или возможен только выбор конкретных данных из списка [например, при вводе районов РФ по снегу и ветру).
19
20 И Результаты проверки каждого элемента каркаса выводятся на лист "Исходные данные и результаты" справа от блока исходных данных для этого элемента каркаса. Таким обоазом. пользователь имеет возможность, в сежиме овального воемени изменяя ш.<еоы пиломатеоиалов. видеть посходит ли этот элемент поовески или нет.
Рис. 2. - Первый лист калькулятора
Перед началом работы необходимо отдельно рассчитать ферму на МЗП. Этот расчет производится в сертифицированной программе разработки компании MiTek, а его результаты вводятся в соответствующие ячейки листа рабочей книги калькулятора.
Одним из существенных отличий отечественных норм по проектированию деревянных конструкций от зарубежных является расчет нагельных соединений. В различных странах используются разные формулы для определения несущей способности нагелей, за счет чего разница в величине нагрузки, которую может выдержать изгибаемый гвоздь или болт, может достигать двух и более раз [6-8]. В Российской Федерации
используются зависимости, полученные в первой половине прошлого века и не учитывающие прочностные характеристики современных материалов. В связи с этим необходимое количество нагелей в месте прикрепления продольного ригеля к стойке рамы оказывается значительным и требует устройства дополнительных прибоин (см. рисунок 4).
5 Пролет ангара, м 18 Растяжению, МПа 6 прицельный ириюн Не проходит при установке "плашмя"
6 Шагкожщ м 2.4 Скалыванию, МПа 1.6 Верт.связь колонн Проходит
7 Шаг ферм, м 1.2 Смятию на опоре поперек волокон, МПа 3 Гор.связь покрытия Проходит
а Высота фермы на опоре м 1.15 Модуль упругости, МПа 10000 Берт.связь покрытия Проходит
9 Уклон верхнего пояса градусы 9 Распорки в покрытии Проходит
10 Высота потолка, м 4,95 Нагрузки от кровли и ферм Стеновой прогон Проходит
И Высота фундамента над отм, 0,000, м 0.1 Расчетная нагрузка от кровли, кПа 0.25 Верт. связь торца Проходит
12 Шаг стеновых прогонов, у 0,82 Расчетная нагрузка от потолка, кПа 0.4 Верт. связь диафрагм Проходит
13 Снеговой район строительства IV ' Вес стропильной фермы, кг 645 Максимально
14 Ветровой район строительства I ' Вес прогонов и связей, кПа 0.1 допустимая длина 32.6
15 отсека ангара, м
16
17 Используемые пиломатериалы РЕЗУЛЬТАТЫ РАСЧЕТА
13 Элемент каркаса Ь, мм' Н, мм' подробности смотреть на соответствующих листах
19
20 Колонна Проходит
21 Доска основных слоев 50 200
22 Количество основных слоев 3
Рис. 3. - Лист ввода исходных данных и просмотра результатов
э 6 I р I 6 н
Прикрепление продольного ригеля к колоннам Проверки прикрепления
: Диям&тр самореза или гвоздя, мм 5 Минимальная длина защемления ко 1мореза 0.331 выполняется
Длина самореза или гвоздя, мм 120 Тебе ксгг-бстг: сг,.'ссб:сЕ, _-. 54
£ Ширина колонны в уровне продольн мм 250
£ Расчетные длины самореза Количество досок колонны в уровне И, шт. 5
7 Толщина доски продольного ригеля, см 5 Количество саморезов в досках ригеля, шт. 1®
Расчетная длина защемления конца самореза, см 6.1 Необходима ли накладка под ригелем? требуется
. Минимальная длина защемления конца самореза, см 2.0 Требуемое количество саморезов в накладке, шт. 36
11 Дополнительные параметры для саморезое с диаметром 6 и более мм Требуемая длина накладки при ширине 150мм, мм. 975
11 Минимальная длина защемления конца самореза, см 2.9 Требуемая длина накладки при ширине 200мм, мм. 750
::
Несущая способность самореза из условия его изгиба
11 Для саморезое с диаметром менее в мм ПруДоино ~~ -
: = Несущая способность по СП 64.13330.2017. кН 1.075 '—-
к Для саморезое с диаметром более 6 мм
= Несущая способность по СП 64.13330.2017, кН 0.649 —1
Несущая способность самореза из условия смятия древесины Смягпие в более толстых элементах {с/<6мм) | * ! гт 1 >
:: Несущая способность по СП 64.13330.2017, кН 1.664 \l__i
Смятие е более тонких элементах (сКбмм)
:е Несущая способность по СП 64.13330.2017. кН | 1.458
Снятие в более толстых -элемента* (с1>=6мм) ♦ +1—
Несущая способность по СП 64.13330.2017. кН | 1.048 —
Смятие е более тонких элементах ^>=6мм) ...
17 Несущая способность по СП 64.13330.2017. кН | 1.048
п * * * *
-Л Минимальная несущая способность нагеля, кН 1.075
и>
Е1 Расчетные усилия в узле
К Поперечная сила на опоре ригеля как двухпролетной балки. кН 57.74
:: Поперечная сила на опоре ригеля как одноп ролетн ой балки. кН 21.00
ы
Колонка \ 1
Рис. 4. - Расчет прикрепления продольного ригеля к стойке
В протяженных каркасных зданиях из древесины без поперечных стен большую роль начинают играть связи в покрытии [9, 10], поэтому для ангаров было предложено решение, показанное на рисунке 5, где представлена система продольных горизонтальных связей по нижним поясам ферм. Наличие двух рядов распорок и набора диагональных элементов образуют ветровую ферму, задача которой - уменьшить горизонтальные перемещения конструкций каркаса от ветровой нагрузки на продольные стены. Несмотря на наличие связей в покрытии в калькуляторе дополнительно определяется необходимость в устройстве промежуточных диафрагм жесткости и их шаге. На рисунке 3 в качестве примера показан результат такого расчета, где указано, что максимально допустимая длина отсека ангара между диафрагмами составляет 32,6 метра. Диафрагмами могут быть как поперечные стены на всю ширину здания, так и простенки, примыкающие к продольным стенам. Другие особенности предлагаемой конструкции - это вертикальные крестовые связи по колоннам, специальные узлы крепления промежуточных стропильных ферм, система связей по торцевым стенам и т.п.
■1У У У до
и н
/у 1 1 1 \\ \Л \Ч \Ч V I \\ / // /// дг // // // // // /
■ -^Г
Л
Рис. 5. - Продольная ветровая ферма
После выполнения конструктивных расчетов в калькуляторе можно получить расход древесины на здание и автоматически сформировать пояснительную записку. При помощи калькулятора произведен расчет нескольких каркасов ангаров, часть из которых уже построена, а часть находится в стадии строительства (см. рисунок 6).
Рис. 6. - Ангар в процессе строительства
Зарубежные технологии строительства зданий перед началом применения на территории России должны предварительно проходить адаптацию требованиям отечественных нормативных документов и учитывать свойства применяемых у нас в стране материалов. Прямое копирование может привести к возникновению аварийных ситуаций. В то же
время нельзя не упомянуть тот факт, что ряд российских норм и правил требуют серьезной переработки и уточнения с учетом современных достижений строительной отрасли согласно Постановлению Правительства РФ от 28.05.2021 № 815.
Литература
1. Hansen Buildings Construction Guide. - April 2017 Edition. - 499 p.
2. Post-Frame Building Design Manual. - National Frame Building Association. - January 2015 Edition. - 42 p.
3. Справочник проектировщика промышленных, жилых и общественных зданий и сооружений. Под ред. Уманского А.А. - М.: Стройиздат, 1972, т. 1. - 599 с.
4. Программный комплекс ЛИРА-САПР. Руководство пользователя. Под ред. Городецкого А.С. - Электронное издание, 2018. URL: rflira.ru/files/lira-sapr/Book_LIRA_SAPR_2018.pdf (дата обращения 25.07.2021).
5. Букалова А.Ю., Авдеева К.В. Разработка сценариев по внедрению информационных технологий в деятельность компаний строительной отрасли // Инженерный вестник Дона, 2020, №12. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n12y2020/6739.
6. Вержбовский Г.Б., Щуцкий С.В. Сравнение отечественных и зарубежных рекомендаций по проектированию работающих на сдвиг гвоздевых соединений // Легкие строительные конструкции. - Ростов н/Д: Изд-во РГСУ, 2003. - с. 37-43.
7. Вержбовский Г.Б., Еременко Н.Н., Щуцкий В.Л. О работе на сдвиг гвоздевых соединений панелей универсального набора // Легкие строительные конструкции. - Ростов н/Д: Изд-во РГСУ, 2004. - с. 76-85.
8. Дежин М.А. Несущая способность и деформативность соединений деревянных элементов на металлических накладках с использованием
ввинченных шурупов // Инженерный вестник Дона, 2021, №6 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n6y2021/7025.
9. Зубарев Г.Н., Бойтемиров Ф.А., Головина В.М. и др. Конструкции из дерева и пластмасс. - М.: Академия, 2004. - 304 с.
10. Арленинов Д.К., Буслаев Ю.Н., Игнатьев В.П. и др. Конструкции из дерева и пластмасс. - М.: Изд-во АСВ, 2002. - 276 с.
References
1. Hansen Buildings Construction Guide. April 2017 Edition. 499 p.
2. Post-Frame Building Design Manual. National Frame Building Association. January 2015 Edition. 42 p.
3. Spravochnik proektirovshchika promyshlennyh, gilyx i obshchextvennyh zdaniy i soorugeniy. Pod red. Umanskogo A.A. [Handbook of the designer of industrial, residential and public buildings and structures. Ed. Umansky A.A]. M.: Stroyizdat, 1972, v. 1, 599 p.
4. Programmnyi kompleks LIRA-SAPR. Rukovodstvo polzovatelya. Pod red. Gorodetskogo A.S. [LIRA-SAPR software package. User's manual. Ed. Gorodetsky A.S.]. Elektronnoe izdanie, 2018. URL: rflira.ru/files/lira-sapr/Book_LIRA_SAPR_2018.pdf
5. Bukalova A.Yu., Avdeeva K.V. Inzhenernyj vestnik Dona, 2020, №12. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n12y2020/6739.
6. Verzhbovskiy G.B., Shchutskiy S.V. Sravnenie otechestvennyh i zarubegnyh rekomendatsiy po proektirovaniu rabotaiushchih na sdvig gvozdevyh soedineniy [Comparison of domestic and foreign recommendations for the design of shear-working nail joints]. Legkie stroitelnye konstruktsii. Rostov n/D: Izd-vo RGSU, 2003. pp. 37-43.
7. Verzhbovskiy G.B., Eremenko N.N., Shchutskiy S.V. O rabote na sdvig gvozdevyh soedineniy paneley universalnogo nabora [On the work on the shear
M Инженерный вестник Дона, №8 (2021) ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/n8y2021/7146
nail joints of the universal set panels]. Legkie stroitelnye konstruktsii. Rostov n/D: Izd-vo RGSU, 2004. pp. 76-85.
8. Dezhin M.A. Inzhenernyj vestnik Dona, 2021, №6. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n6y2021/7025.
9. Zubarev G.N., Boitemirov F.A., Golovina V.M. I dr. Konstruktsii iz dereva i plastmass [Wood and plastic structures]. M.: Akademia, 2004. 304 p.
10. Arleninov D.K., Buslaev Yu.N., Ignatiev V.P. i dr. Konstruktsii iz dereva i plastmass [Wood and plastic structures]. M.: Izd-vo ASV, 2001. 276 p.
