ЛИНЕЙНОЕ СТРОИТЕЛЬНОЕ ИЗДЕЛИЕ СОСТАВНОГО СЕЧЕНИЯ
LINEAR BUILDING PRODUCT OF COMPOSITE SECTION

Изобретение относится к строительству и может быть использовано в качестве несущих деревянных стоек наружных и внутренних теплоограждений (стен) малоэтажных домов.
Технический результат изобретения заключается:
- в повышении несущей способности (прочности) деревянного стержневого изделия и увеличении расчетной нагрузки на составной стержень при его работе на продольный изгиб за счет выбора более рационального сечения составного стержневого изделия по сравнению с традиционными элементами, имеющими сечения в виде сплошного прямоугольника либо квадрата;
- в повышении сопротивления теплопередаче (термического сопротивления) деревянного стержневого изделия за счет использования составного сечения по сравнению с аналогичной характеристикой сплошного стержневого элемента, например, стойки строения, т.к. между ветвями стержневого составного изделия размещают высокоэффективный теплоизоляционный материал, коэффициент теплопроводности которого в 3-4 раза меньше, чем у дерева;
- в снижении материалоемкости деревянного стержневого изделия за счет использования составного сечения по сравнению с аналогичной характеристикой сплошного стержневого элемента, например, стойки строения;
- в снижении трудоемкости изготовления стержневых изделий на дом или часть дома за счет уменьшения их потребного количества, а также других факторов, при использовании деревянных стержней составного сечения, имеющих большую несущую способность, по сравнению со стержневыми изделиями с традиционными сечениями в виде сплошных прямоугольника либо квадрата.
Повышение несущей способности стержневого изделия составного сечения и работы его на продольный изгиб достигается за счет более рационального расположения материала изделия путем отдаления ветвей стойки - 1 от ее геометрического центра, что, как известно, увеличивает момент инерции - I и момент сопротивления сечения - W.
Совместная работа ветвей - 1 стержневого изделия достигается применением шпонок - 2, располагаемых в нескольких местах по его высоте, при этом ветви стержня размещают по разные стороны шпонок (фиг. 1 и фиг. 2).
Повышение сопротивления теплопередаче (термического сопротивления) деревянного стержневого изделия в теплоограждении за счет использования составного сечения по сравнению с аналогичной характеристикой сплошного стержневого элемента с площадью сечения равной сумме площадей ветвей составной стойки, например, стойки строения, достигается за счет того, что между ветвями составного элемента располагают теплоизоляционный материал. В случае составного сечения предлагаемой формы исключается возможность контакта каждой ветви стойки как с внутренней поверхностью теплооограждения, так и с наружной поверхностью тепоограждения, т.е. составная стойка не является тепловым мостиком в отличие от стойки сплошного сечения.
Повышение сопротивления теплопередаче составного изделия предлагаемой конструкции достигается также за счет того, что ветви стойки размещают по разные стороны шпонок (фиг. 2). Смещение в плане наружной ветви составного изделия относительно внутренней - предопределяет расположение стоек под углом к градиенту тепла в ограждении. За счет этого наружная ветвь изделия располагается в менее прогретой части сечения тепоограждения по сравнению с прогревом аналогичной части сечения в случае расположения обеих ветвей составного стержня нормально (на одном перпендикуляре) плоскости тепоограждения.
Снижение материалоемкости деревянного стержневого составного изделия по сравнению со стойкой квадратного или прямоугольного сечения, равнопрочной с составным элементом, достигается вследствие большего момента инерции - I составного сечения по сравнению с аналогичной характеристикой сечения изделия сплошного сечения.
Снижение трудоемкости изготовления изделий составного сечения предлагаемой конструкции складывается из трех составляющих:
во-первых, уменьшение количества вертикальных изделий (стоек) стоек в строении вследствие повышения их несущей способности (прочности) и жесткости (более эффективной работы на продольный изгиб) по сравнению со стойками сплошного сечения при равном расходе материала - древесины;
во-вторых, - уменьшение количества монтажных элементов, поскольку одновременно монтируют внутреннюю и наружную стойки каркаса;
в-третьих, возможность и эффективность изготовления составных стержневых изделий предлагаемой конструкции в заводских условиях, что позволяет повысить качество и производительность работы, применяя более механизированную технологию, по сравнению с работой в построечных условиях.
Известны различные варианты конструкций деревянных изделий с целью повышения их строительных и эксплуатационных качеств:
1 - наращивание, стыковка элементов по длине;
2 - придание бревнам правильной цилиндрической формы (оцилиндровка) для упрощения их монтажа, повышения качества заполнения межвенцовых швов и придания новой архитектурной выразительности строениям из них;
3 - продольная распиловка бревна на несколько элементов с последующим их сращиванием в брус правильной (квадратной или прямоугольной) формы, установкой деталей, скрепляющих эти элементы в единый строительный брус, и заполнением внутреннего пространства в нем теплоизоляционным материалом в заводских условиях;
4 - изготовление линейных составных монтажных элементов (балок) из традиционных деревянных профилей: досок и брусков с целью получения деталей с более высокими конструктивными и теплоизоляционными характеристиками по сравнению с обычными сплошными элементами, равными по расходу древесины со сплошными.
Известен способ изготовления линейного стержневого изделия, заключающийся в продольном разделении бревна двумя диаметральными разрезами, причем эти разрезы выполнены под прямыми углами один к другому для образования четырех сегментов в виде четвертей из каждого бревна и последующего скрепления вместе четырех четвертей сегментов бревна, причем четыре четверть-сегмента бревна расположены так, что дугообразные поверхности четырех сегментов обращены один к другому [1]. При этом каждая поверхность разреза четырех сегментов обращена наружу так, что профиль поперечного сечения является прямоугольным. Полученный составной стержень снабжен опорными элементами, соответствующими изгибам дугообразных поверхностей четырех четверть-сегментов и прикреплен к ним посредством крепежных средств, причем опорные элементы разнесены при введении и закреплении во внутреннем пространстве между четвертями сегментов с интервалами вдоль собранных четырех четвертей-сегментов бревна. Изделие может быть снабжено теплоизоляционными и упрочняющими средствами, расположенными во внутреннем пространстве между четвертями-сегментами бревна и скрепленными с сегментами с образованием целикового изделия.
Известна клееная деревянная балка, состоящая из деревянных пластин, между которыми в приопорных зонах размещены клеевые прослойки, для увеличения прочности балки на скалывание, а также повышения долговечности балки за счет защиты этих участков балки от коррозии [2]. В качестве клеевых прослоек применяются тканые сетки.
Особенностью изобретения является то, что тканые сетки вклеиваются на ширину, равную 1/4-1/5 от длины клееной деревянной балки, при этом тканые сетки вклеены в опорный участок балки от нижней пласти нижней деревянной пластины клееной деревянной балки, последовательно огибая все деревянные пластины снизу вверх, а оставшаяся часть тканых сеток обернута вокруг клееной деревянной балки, создавая сплошной гидроизоляционный слой на опорном участке балки.
Наиболее близким техническим решением к предполагаемому изобретению являются стойки Ларсена [3], разработанные в 1981 г. канадским ученым Джоном Ларсеном. Стойки Ларсена представляют собой деревянные стойки, которые используются в каркасном домостроении и состоят из двух вертикальных брусков (досок) прямоугольного сечения, соединенных между собой поперечными рейками. Стойки применяются, когда стены дома нужно утеплить большим по толщине слоем изоляции. Бруски в стойках Ларсена большим размером ориентированы перпендикулярно плоскости ограждающей конструкции, и расстояние между ними, составляющее 30-120 мм заполняют теплоизоляционным материалом. Следовательно, в этом случае стойки не являются тепловыми мостиками, как в случае применения стоек, состоящих из одного вертикального элемента. Это техническое решение позволяет создать теплоограждение большей толщины до 250-300 мм, чем традиционные, 150-200 мм, при этом уменьшив теплопотери через стойки каркаса.
Рассмотренному техническому решению стоек Ларсена, наряду с отмеченными достоинствами по сравнению с традиционными стойками, присущи два недостатка. Во-первых, удваивается количество стоек и требуется установка поперечных реек в построечных условиях. Во-вторых, размещение внутренней и наружной стоек по одной оси, перпендикулярной плоскости теплоограждения, увеличивает теплопотери по сравнению с вариантом размещения ветвей стойки со смешением наружной ветви относительно внутренней, что имеет место в предлагаемом линейном составном изделии.
Предлагаемое техническое решение стержневого составного изделия со шпонками лишено недостатков, отмеченных в стойках Ларсена.
Далее предполагаемое изобретение поясняется ссылками на чертежи, где на фиг. 1 - две проекции стержневого составного изделия со шпонками, на фиг. 2 - поперечное сечение I-I составного изделия со шпонками на фиг. 1, на фиг. 3 - схема температур в теплоограждениях, имеющих составные стойки Ларсена и стержневые изделия со шпонками.
На фиг. 1 показан общий вид составного линейного изделия со шпонками, состоящего из двух ветвей - 1 и шпонок - 2. Ветви стержневого изделия соединяются между собой шпонками одним из традиционных методов крепления (клей, клеи плюс тепло/давление, болты, саморезы и другие виды крепежа), за счет чего образуется единое стержневое изделие.
Размеры сечения ветвей - d, c и v, а также высота сечения - h составного стержня принимают по расчету его на продольный изгиб с учетом результатов теплотехнического расчета и учетом конструктивных особенностей теплоограждения строения.
Размеры - а, b и z шпонок - 2, расстояния между ними - m, а также расстояния от шпонок до каждого из концов стержня - n и p определяются расчетом стержня на продольный изгиб, а также могут быть подобраны экспериментально.
Шпонки должны быть прочно соединены с ветвями составного стержня так, чтобы сопряжение шпонки и ветви образовывали жесткий узел, и строительное изделие в статическом отношении представляло собой единую конструкцию. Для выполнения этого условия в зависимости от конкретных условий возведения строения шпонки могут быть изготовлены из прочного теплоизоляционного материала, например, пеноплекса (экструдированного пенополистерола), дерева, многослойной фанеры, ОСП-12 (USB-3), древесного утеплителя и других материалов.
На фиг. 2 представлено поперечное сечение линейного стержневого изделия, в котором ветви стержневого элемента расположены по разные стороны шпонок, при этом каждая ветвь размещена с одной из сторон поверхности изделия: внутренней либо наружной (не выходит одновременно на внутреннюю и наружную поверхность),
Преимуществом предлагаемого решения составного строительного изделия является увеличение момента инерции его поперечного сечения относительно оси y (из плоскости стойки) и полярного момента инерции сечения по сравнению с известными решениями, поскольку ветви элемента размещены на большем расстоянии от соответствующих осей и центра сечения по сравнению со стойками всех других конструкций. Отмеченная особенность стержневого составного изделия обеспечивается надежным соединением ветвей в единый элемент путем прочного соединения ветвей со шпонками и дает возможность за счет увеличения его несущей способности и жесткости уменьшить количество таких элементов в строении и получить определенную экономию материалов.
Расчет температурного поля теплоограждения со стержневыми изделиями предлагаемой конструкции и для сравнения температурного поля теплоограждения со стойками Ларсена требует применения специальных компьютерных программ или использования метода электротепловой аналогии поставленной задачи, что в обоих случаях представляет достаточно сложную самостоятельную расчетную задачу. В связи с этим ограничимся анализом температур в стационарном тепловом режиме сравниваемых теплоограждений, руководствуясь рассуждениями, приведенными ниже.
1
3
2
6
2
4
2
1
4
Из рассмотрения чертежей А (стойки Ларсена) и Б (стержневые составные изделия) на фиг. 3 очевидно, что температуры t и t равны, также равны температуры t и t, а температура t больше температуры t, т.к. к точке с температурой t тепловой поток приходит от точки с температурой t, в которую поток приходит по деревянному бруску, и небольшому участку теплоизоляции, а в точку с температурой t поток приходит только по теплоизоляции, коэффициент теплопроводности которой в 3-4 раза меньше, чем у дерева.
2
4
5
7
Учитывая, что температура t больше температуры t, становится очевидным, что и t больше температуры t. Таким образом, при прочих равных условиях, предлагаемая конструкция составного изделия со шпонками, в теплотехническом отношении эффективнее известной конструкции стойки Ларсена: из двух рассмотренных вариантов через предлагаемую составную стойку теплопотери будут меньше.
Приведенное рассмотрение конструкции предлагаемого линейного стержневого изделия с составным сечением показывает, что предлагаемая конструкция обладает преимуществами в несущей способности (прочности), жесткости (устойчивости) и сопротивлению теплопередаче (термическому сопротивлению) по сравнению с известными аналогичными строительными изделиями.
Список использованной литературы
1. Патент RU 2105104, опубликован 20.02.1998;
2. Патент RU 2464386, опубликован 20.10.2012, бюл. №2;
3. "Superinsulated House Trusses," Popular Science, November, 1983 - принят в качестве прототипа.