Краткая характеристика элементов покрытия

Краткое описание конструкции покрытия по дощатоклееным балкам

Состав покрытия

Покрытие здания предназначено для изоляции внутреннего объема от атмосферных воздействий.

По кирпичным стенам или стойкам (в каркасных зданиях) устанавливают дощатоклееные балки различной конструкции и очертания. Таковыми могут быть балки постоянной высоты, двускатные балки и гнутоклееные. Поперечное сечение балок может быть прямоугольным и двутавровым. В основном применяются балки прямоугольного сечения как более технологичные при изготовлении.

Непосредственно на несущие конструкции (дощатоклееные балки) укладывают плиты покрытия, которые могут быть изготовлены в заводских условиях. Их используют в зданиях с наружным отводом воды с кровли, в отапливаемых зданиях при относительной влажности воздуха до 75% и в не отапливаемых при расчетной температуре наружного воздуха не ниже t = -5ºС.

План производственого здания и поперечный разрез с характерными размерами показаны на рис. 1а, б.

а)

б)

Рис. 1

В зависимости от назначения конструкции кровли плиты покрытия подразделяются на следующие типы: коробчатого сечения, утепленные с двумя обшивками под рулонную кровлю (рис. 2б); ребристые, не утепленные (холодные) с верхней обшивкой под рулонную кровлю (рис. 2в); ребристые утепленные, с нижней обшивкой под жесткую кровлю (рис. 2г) из асбестоцементных, стеклопластиковых листов, профилированного настила, металлочерепицы и др.

 

Рис. 2. Клеефанерные плиты покрытия

а) вид в плане;

б) коробчатое сечение: с двумя обшивками под рулонную кровлю;

в) ребристое с верхней обшивкой;

г) ребристое с нижней обшивкой

Для всех сечений: 1 – наружные продольные ребра, 2- внутренние продольные ребра, 3 – поперечные наружные и внутренние ребра, 4 – верхняя фанерная обшивка, 5 – нижняя фанерная обшивка.

 

Клеефанерными плитами можно перекрывать пролеты 3…6м, если ребра из цельной древесины, и до 12м, если ребра клееные.

 

 

 

Краткая характеристика элементов покрытия

1.2.1 Дощатоклееная балка

   Клееные балки являются конструкциями заводского изготовления. Клеедеревянные балки изготавливают из хвойных пород древесины и в меньших объемах из лиственных. Балки используют в качестве несущих конструкций жилых, общественных, производственных, сельскохозяйственных и промышленных зданий пролетами от 6 до 24 м. Их применяют также в качестве прогонов, пролеты и нагрузки которых не позволяют применять цельнодеревянные прогоны, а также в качестве балок мостов, транспортных галерей и др.

  Дощатоклееные балки по сравнению с составными обладают рядом преимуществ:

- работают как монолитные;

- их можно изготовить с поперечным сечением большой высоты;

- в балках длиной более 6 метров отдельные доски сращивают по длине вразбежку с помощью зубчатого шипа, что не ослабляет сечение;

- в балках возможно рациональное размещение досок различного качества по высоте и длине. Слои из досок первого и второго сорта укладывают в наиболее напряженные зоны балки, а слои из досок второго и третьего сорта – в менее наряженные места;

- возможно, использовать клееные балки комбинированной конструкции. В таких балках наиболее прочная древесина, например лиственница, располагается в крайних – самых напряженных зонах сечений, а в средних – менее напряженных зонах, размещается менее прочная древесина (например, кедр, пихта и возможно осина). Такие балки имеют не меньшую несущую способность, но существенно меньшую стоимость;

- в клееных балках возможно использование маломерных материалов.

   Получают балки при склеивании досок плашмя, синтетическим клеем. Доски должны быть высушены до влажности не более 12%, чисто остроганы, иметь толщину слоя  δ_сл≤33мм (после острожки) для балок криволинейного очертания и δ_сл ≤ 42мм (после острожки) для балок прямолинейного очертания. Высоту балок принимают в пределах  (пролета).

  Ширину балок целесообразно принимать минимальной, определенной из условия опирания панелей покрытия или прогонов и обеспечения монтажной жесткости. Уклон верхней грани двускатных балок принимают 2,5…10%.

  Типы клееных балок могут быть следующими: постоянной высоты, двускатные, с криволинейным нижним или верхним поясами (рис. 3).

 

Рис. 3. Дощатоклееные балки и их поперечные сечения

   Поперечное сечение балок может быть прямоугольным и двутавровым

(рис. 3 г). Для балок двутаврового сечения ширина стенки делается не меньше половины ширины полки, но не менее 80мм, отношение высоты стенки к ее ширине меньше или равно 6.

  Клееные балки позволяют рационально не только размещать древесину различных сортов по высоте, но и комбинировать разные породы в поперечном сечении. В нашей стране клееные конструкции обычно изготавливают из древесины сосны или ели, реже – из древесины лиственницы. В балках комбинированной конструкции более прочная древесина, например сосна или лиственница, располагается по высоте в крайних, максимально напряженных, зонах сечений, а в средних, менее напряженных, зонах размещается менее прочная древесина, например осина или пихта. Такие балки не снижают несущей способности, но заметно дешевле.

  Целесообразно в крайних зонах на 0,15 высоты поперечного сечения использовать более высокий сорт, по которому назначаются расчетные сопротивления. В балках высотой до 50 см слои растянутой и сжатой зон обычно относятся ко 2-му сорту, поскольку эти зоны имеют меньшую высоту. В балках высотой сечения более 50 см доски растянутой нижней зоны (0,15 высоты сечения балки) должны быть 1-го сорта, доски сжатой и следующей по высоте растянутой и сжатой зон такой же толщины – 2-го сорта, а доски средней зоны – 3-го сорта.

  Формы поперечных сечений балок могут быть разнообразными. Традиционной формой сечения является прямоугольное массивное, реже – двутавровое или тавровое. Клеедеревянные балки, как показано на рис. 2.1, могут быть по длине прямоугольными односкатными, двускатными и гнутоклееными постоянной или переменной высоты. Балки прямоугольного массивного сечения чаще имеют высоту поперечного сечения постоянной по всей длине.

  Двускатные балки отличаются переменной высотой, обеспечивающей минимальный уклон 1/20 под рулонную кровлю. В двускатных гнутоклееных балках предусматривается выгиб в зоне конька и двускатная коньковая наклейка. По длине двускатные гнутоклееные балки могут быть постоянного и переменного сечения. Рекомендуемая высота на опорах балок переменного сечения составляет не менее 0,4 высоты поперечного сечения в середине пролета. При необходимости в процессе изготовления клеедеревянным балкам любой формы путем выгиба рекомендуется придавать строительный подъем.

  Изготавливают балки прямолинейного очертания путем склеивания досок толщиной после острожки до 42 мм (включительно), при условии устройства в них компенсационных прорезей, которые снижают уровень внутренних напряжений, возникающих при сушке пиломатериалов.

  Применение более тонких досок немного увеличивает несущую способность балок за счет меньшего влияния их коробления, но приводит к повышению трудоемкости изготовления и расхода клея. Наибольшая толщина досок после острожки для балок криволинейного очертания составляет 33 мм. Перед склеиванием доски фрезеруют по пластам на 2 …4 мм, а после склеивания кромки балок фрезеруют в зависимости от ширины заготовки на 3…5 мм.

  По длине все доски клеедеревянных балок стыкуются на зубчатый шип, имеющий такую же прочность, как древесина 1-го сорта. По длине заготовки стыки в соседних слоях располагают вразбежку, причем их необходимо сдвигать не менее чем на пятикратную толщину слоя. Все эти требования соблюдаются автоматически при заводском изготовлении.

  Опыт применения дощатоклееных балок показывает, что их надежность зависит от качества склейки и тщательного соблюдения технологического процесса изготовления. Это возможно только в заводских условиях, в специальных цехах с необходимым оборудованием при качественной сушке пиломатериалов. Работу по изготовлению балок следует выполнять специально обученным персоналом.

1.2.2 Клеефанерная плита покрытия

  В зависимости от назначения и конструкции кровли плиты подразделяют на следующие типы: коробчатого сечения, утепленные, с двумя обшивками под рулонную кровлю; ребристые, не утепленные (холодные) с верхней обшивкой под рулонную кровлю; ребристые утепленные, с нижней обшивкой под жесткую кровлю из асбестоцементных, стеклопластиковых листов, профилированного настила, металлочерепицы и др. Наиболее употребительными и изготовляемыми в заводских условиях наиболее простыми являются плиты покрытия с фанерными обшивками. Их используют в зданиях с  наружным отводом воды с кровли, в отапливаемых зданиях при относительной влажности воздуха в помещениях до 75% и в не отапливаемых при расчетной температуре наружного воздуха не ниже ±5ºС. Целесообразность применения клеефанерных плит определяется малым весом при высокой несущей способности, так как выполняет одновременно функцию прогонов и настила, а также обеспечивает теплозащиту сооружения. Клеефанерными плитами можно перекрыть пролет 3…6 м. если ребра из целой древесины, и до 12м, если ребра клееные.

  Длина плит покрытия (L_п) соответствует шагу несущих конструкций.

  Ширина панели может быть равна стандартной ширине фанерного листа 0,7; 1,2; 1,5 м.

  Высота панели обычно составляет от пролета.

    Плиты покрытия состоят из деревянного несущего каркаса и фанерных обшивок, соединенных водостойким клеем. Между обшивками находятся продольные и поперечные ребра. Для их изготовления используют фанеру марки ФСФ, сорта В/ВВ толщиной не менее 8мм, состоящую из нечетного числа слоев шпона хвойных пород сосны и лиственницы, а также комбинированной из березового шпона. Волокна наружных шпонов фанеры должны быть направлены вдоль оси панели, так как при этом создается возможность стыковать фанерные листы «на ус» и лучше использовать прочность фанеры. Начато освоение в клеефанерных плитах покрытий фанеры марки ФБС.

Продольные ребра выполняют из досок цельного сечения (реже клееной древесины) не ниже II сорта. Ширину ребер принимают равной 25, 33, 36, 42 и 52мм, высоту определяют расчетом, и она колеблется от 94мм до 192мм (размеры даны с учетом острожки), при большей высоте используют клееные ребра. Из условия работы на изгиб верхней обшивки от сосредоточенных грузов продольные ребра ставят на расстоянии не более 50см друг от друга.

  Поперечные ребра устанавливают с шагом не более 1,5м, как правило, в местах расположения стыков фанеры. При пересечении с продольными ребрами они прерываются.

  В качестве утеплителя применяют несгораемые и биостойкие материалы. Например, полимерные плиты из пенопласта, пенополиуретана, стекломаты или минераловатные жесткие и полужесткие плиты на синтетическом связующем (g =0,5; 0,75; 1,0 кН/м³). Под утеплителем устраивают пленочную или обмазочную пароизоляцию,  которая выполняет две функции. Во-первых, препятствует проникновению в теплоизоляционный материал влаги, что резко снижает его теплоизоляционные свойства и ведет к прогрессирующему разрушению. Во-вторых, как неотъемлемая часть вентиляционной системы кровли, участвует в предотвращении наполнения в теплоизоляционном материале влаги, облегчая вывод наружу его паров. Для проветривания внутренних полостей плит следует предусматривать зазор 50мм между утеплителем и верхней обшивкой или пазы в поперечных ребрах.

  При изготовлении плиты на верхнюю обшивку наклеивают один слой рулонного ковра для предотвращения плиты от увлажнения при транспортировке и монтаже, а верхние слои – после сборки покрытия.

  Плиты укладывают непосредственно на основные несущие конструкции. При этом ширина опорной площадки панели должна быть не менее 6см.

  Плиты прикрепляют к опорам и соединяют между собой, создавая горизонтальный жесткий диск, обеспечивая устойчивость основных конструкций и предотвращая неравномерный прогиб соседних плит. Соединить их можно глухими нагелями, которые ставятся через 1,5…2м  или с помощью стыковых брусков, которые сбивают гвоздями через 50см.

1.2.3 Связи в покрытии

С помощью связей в покрытии обеспечивается пространственная жесткость покрытия. Для этого образуются геометрически неизменяемые блоки, которые могут располагаться как по торцам здания или со сдвигом на один шаг несущих конструкций. Расстояние между блоками около 20 м или 4 - 6 шагов несущих конструкций.

Связи обычно располагаются в плоскости верхних поясов и между несущими конструкциями.

В рассматриваемом случае  жестким диском покрытия можно считать настил, выполненный из дощатоклееных панелей. Для создания геометрически неизменяемых блоков целесообразна установка вертикальных связей в виде диагональных крестовых элементов из досок в указанных пролётах и горизонтальной связи в уровне конька балок покрытия (см. рис. 5.1). Она необходима для предотвращения опрокидывания незакрепленных балок в период их монтажа (монтажная связь).

 

Рис 4. Схема связей и раскладки несущих конструкций покрытия

  Связи изготавливаются из досок в виде одиночных или составных стержней, из круглой стали или прямоугольных труб.

  При подборе сечения связей считается, что перекрещивающиеся элементы связей, соединенные между собой в месте пересечения, работают на разных по знаку усилиях: если один элемент сжат, то другой растянут.

  Гибкость сжатых элементов связей не должна превосходить предельной равный 200 (табл. 17[1]). Для покрытий достаточно назначить размеры сечения элементов связей по предельной гибкости. Так, если расчетная длина элемента связей , то из выражения

,  где .

можно найти требуемую толщину доски . Размеры связи из металла определяются по определенному по предельной гибкости минимальному радиусу инерции.

 

	§2. Расчет элементов покрытия по дощатоклееным балкам и составной стойки
	2.1 Особенности расчета элементов деревянных конструкций

2.1.1 Основы расчета элементов конструкций по предельным состояниям

  Элементы конструкций рассчитывают по методу предельных состояний.    Предельным называется такое состояние конструкции, за пределами которого она перестает удовлетворять эксплуатационным требованиям.

  Для конструкций из дерева и пластмасс имеют значение два вида предельных состояний:

1) по несущей способности (прочности, устойчивости),

2) по деформациям (прогибам, перемещениям, углам поворота). Расчет по второму предельному состоянию производится на нормативные нагрузки, в этом случае коэффициент надежности по нагрузке равен 1.

   Для древесины, древесных материалов и пластмасс каждому виду напряженного состояния соответствуют прочностные характеристики, именуемые расчетными сопротивлениями, которые используют при расчете элементов КДиП по предельным состояниям первой группы.  

  Влияние на прочность материалов эксплуатационных факторов, связанных с особенностями изготовления и работы конструкций в реальных условиях, учитывается умножением расчетных сопротивлений на коэффициенты условий работы (п.6.9 [1]):

· m_п – учитывает применение в конструкциях различных пород древесины. Может изменяться введением переходных коэффициентов по табл. 5[1] от 0,65 до 2;

· m_в – учитывает различные условия эксплуатации конструкций, принимает значения по табл. 9[1];

· m_б – для изгибаемых, внецентренно-сжатых и сжатых клееных элементов прямоугольного сечения высотой более 50см значения расчетных сопротивлений изгибу и сжатию вдоль высоты по табл. 10 [1];

· m_сл – для изгибаемых, внецентренно-сжатых, сжато-изгибаемых и сжатых клееных элементов деревянных клееных элементах в зависимости от толщины слоев значения расчетных сопротивлений изгибу, скалыванию и сжатия принимают равным по табл. 11 [1];

· m_гн – для гнутых элементов конструкций значения расчетных сопротивлений растяжению, изгибу и сжатию умножается на  коэффициент согласно табл. 12 [1];

· m_т – для конструкций, эксплуатируемых при установившейся температуре воздуха до +35ºС, коэффициент m_т=1, при температуре +50ºС - m_т=0,8; для промежуточных значений температуры коэффициент m_т принимают по интерполяции;

· m_сс – в зависимости от срока службы вводится равным по табл. 13 [1];

· m_см – для смятия поперек волокон при режимах нагружения Г-К табл. 3 [1] принимается равным 1,15;

· m_о – для растянутых элементов с ослаблением в расчетном сечении, изгибаемых элементов из круглых лесоматериалов с подрезкой в расчетном сечении m_о= 0,8;

· m_а – для элементов, подвергнутых глубокой пропитке антипиренами под давлением равен 0,9.

  Совместное действие нескольких факторов учитывается перемножением соответствующих коэффициентов условий работы:

                ,         (1)

  где R – расчетное сопротивление древесины с учетом эксплуатационных факторов;  - расчетное сопротивление (по табл. 3 [1] табл. 6 с учетом табл. 4-13 [1]).

  Расчетные сопротивления древесины сосны, ели и лиственницы европейской отсортированной по сортам следует определять по формуле

                                         ,                                   (1)

где:  - расчетное сопротивление древесины, МПа, приведенное в табл. 3 [1];  - коэффициент длительной прочности, соответствует режиму длительности нагружения, приведен в табл. 4 [1];  – произведение коэффициентов условий работы (п. 6.9 [1]).

  Расчетные сопротивления для других пород древесины устанавливают путем умножения величин приведенных в табл. 3 [1] на переходные коэффициенты указанные в табл. 5 [1].

  Расчетные сопротивления древесины и древесных материалов , отсортированные по классам прочности определяют по формуле

                                     ,                                             (2)

где  - нормативная прочность материала, МПа приводится в приложении табл. В1 [1];  – коэффициент надежности по материалу, приводится в табл. 6 [1].

  Расчетные сопротивления строительной фанеры следует определять по формуле (1), где  принимать по табл. 8.

  Для древесины, сосны и ели, отсортированной по сортам, временные и нормативные сопротивления приведены в табл. В1 [1].

  Физико-механические характеристики конструкционных пиломатериалов, установленные для классов прочности С14, С16, С18, С20, С22, С24, С27, С30, С35, С40, С45 и С50 приведены в табл. В3 [1].

  Согласно ГОСТу 33080-2014г можно полагать, что расчетные сопротивления сорта 1 соответствует классу прочности С-27, сорта 2 – С24, а сорта 3 – С-16.

  При расчете элементов КДиП следует учитывать коэффициент надежности по ответственности γ_n, который согласно ГОСТ 27751–2014г. для класса сооружений КС-2 нормального уровня ответственности может иметь минимальное значение – 1,0.

   Расчетный модуль упругости (модуль сдвига) древесины и древесных материалов при расчете по предельным состояниям II группы следует вычислять по формуле

                                                                      (3)

  где  - средний модуль упругости при изгибе, МПа, согласно приложению В; ,  - коэффициент для упругих характеристик, для режима нагружения Б (табл. 4 [1]) принимают равным 0,8, для остальных режимов нагружения – 1,0:  – произведение коэффициентов условий работы [6,9а; 6,9б; 6,9и].

   расчетный модуль упругости древесины при расчете по предельным состояниям I группы по деформированной схеме  следует вычислять по формуле

                                                              (4)

где  - нормативный модуль упругости при изгибе МПа согласно приложению В, ,  и  - в соответствии с 6.10 [1].

 

2.1.2 Особенности определения нормативных нагрузок на элементы покрытия и несущие конструкции

   А. Нагрузки от элементов покрытия.

  Особенностью определения нормативных нагрузок является то обстоятельство, что для определения нагрузки от собственного веса достаточно иметь массу 1м² в кг. Накопленный опыт позволяет решить эту задачу. Для этого необходимо воспользоваться данными для проектирования кровли, в том числе имеющимися в табл. 6.1 [3] и в [5]. Приведенные данные дополнены рекомендуемым типом настила. В табл. 1 приведены массы 1 м² кровли для различных типов ее.

Таблица 1

№ п/п	Вид кровли	Масса 1 м2 кровли, кг	Рекомендуемый тип настила
1	Рулонная на битумной мастике: двухслойная трехслойная	7…8 9…12	дощатый дощатый
2	Мягкая битумная черепица	12…14	дощатый
3	Гонт (щепа)	8…9	дощатый
4	Ондулин	5…7	дощатый
5	Металлочерепица стальная	5…7	обрешетка
6	Глиняная цементно-песчаная черепица	30…60	обрешетка с шагом 33 см
7	Профилированный настил типа H высотой 57 и 60 мм	8,7…12,5	обрешетка
8	Листовая кровельная сталь толщиной 0,38…0,82 мм: с одинарными фальцами с двойными фальцами	5 при толщине 0,5 мм	обрешетка
9	Волнистые асбоцементные листы обыкновенного профиля	14	обрешетка
10	Листовая кровельная медь	0,06	обрешетка

 

  Нормативное значение нагрузки от веса элемента 1м² кровли
  в КПа определяется по формуле

                                           ,                                     (5) 

   где: m – масса элемента, приходящаяся на 1м² кровли, кг, табл. 1 данного пособия;  - ускорение силы тяжести,  ;  - коэффициент надежности по ответственности сооружения (в нашем случае принято ранее ).

На этапе определения нормативных нагрузок по массе 1м² принятие толщины продольных и поперечных ребер клеефанерных плит из рекомендованного перечня ( ) имеет небольшую погрешность при определении нормативных нагрузок.

  Нагрузки, соответствующие нормативным условиям изготовления, монтажа и эксплуатации конструкции называются нормативными. Значение нормативной нагрузки на 1м² обычно принимают по справочным данным, по плотности с учетом фактического объема материалов, а также опираясь на опыт проектирования.

  Данные по массам 1м² элементов покрытия и несущих элементов различных типов плит покрытия дают возможность определить по нормативным нагрузкам и расчетные нагрузки в соответствии с заданием. Нормативные нагрузки для элементов покрытия определены и приводятся в табл. 2.

Таблица 2

Постоянная нагрузка от веса элементов покрытия, кПа

№ п/п	Вид нагрузки и определение ее нормативного значения (вес 1м2)	Нормативная нагрузка
1.	Вес кровли а) рулонные материалы на битумной мастике: - двухслойные - трехслойные	0,078   0,117
2.	Два листа фанеры (8+8)мм - обшивки	0,109
3.	Утеплитель толщиной 10 см: - пенополистирол ПСБ- С - стекловата URSA (Россия) - стекловата ISOVER (Финляндия) - минераловатные плиты ROCKVOLL	0,038   0,117   0,165   0,147
4.	Пароизоляция (полиэтиленовая пленка) 0,2мм или один слой пергамина	0,003
5.	Продольные и поперечные ребра панели	≈0,15

 

  Б. Нагрузки от несущей конструкции

  Собственный вес проектируемой несущей конструкции (в данном случае это дощатоклееная балка) в зависимости от ее типа, пролета и величины воспринимаемой нормативной нагрузки определяют приближенно по формуле

                                                ,                                            (6)

  где:  - нормативный собственный вес несущей конструкции;  – нормативный вес плиты покрытия;  - нормативная снеговая нагрузка;  - коэффициент собственного веса, зависит от типа конструкции (  принимают для треугольных ферм и дощатоклееных  балок),  – пролет конструкции.

   В. Снеговая нагрузка

  Нормативное значение снеговой нагрузки на горизонтальную проекцию покрытия следует определять по формуле

                                                                               (4)

  где:  – коэффициент, учитывающий снос снега с покрытий зданий под действием ветра или иных факторов, принимаемый в соответствии с 10.5-10.9 [2];  - термический коэффициент, принимаемый в соответствии с 10.6 [2];

μ – коэффициент перехода от веса снегового покрова земли к снеговой нагрузке на покрытие, принимаемый в соответствии с 10.4 [2];

 - вес снегового покрова на 1м² горизонтальной поверхности земли, принимаемый в соответствии с 10.2 [2].

  Для районов со средней температурой января минус 5⁰С и ниже (по табл. 5.1 [2]) коэффициенты  и  принимаются равными 1. 

Коэффициент надежности по снеговой нагрузке  следует принимать равным 1,4 (п.10,12) [2].

  Расчетная снеговая нагрузка принимается равной нормативной снеговой нагрузке умноженной на коэффициент надежности по снеговой нагрузке .