ДЕРЕВЯННАЯ ДВУТАВРОВАЯ КЛЕЕНАЯ БАЛКА
DOUBLE-TEE WOODEN GLUED BEAM

Изобретение относится к области строительства, а именно к строительным конструкциям пролетных элементов из деревянных, древополимерных, металлодеревянных конструкционных материалов, применяемых в качестве несущих конструкций перекрытий, стропильной системы зданий и сооружений, а также для построек на открытом воздухе.
Известна балка, включающая основной каркас, состоящий из верхнего и нижнего поясов с расположенным между ними ребрами жесткости, скрепленными с ним боковые стенки из гофрированных тонких листов, гофры которых расположены вдоль оси балки, подкрепляющие ребра, ориентированные также вдоль продольной оси балки и расположенные в гофрах боковых стенок, полки которых не примыкают к ребрам жесткости и поясам, по всей длине балки или только в ее наиболее напряженных зонах [Патент РФ №2276239 C1, от 04.11.2004, МПК E04C 3/07, опубл. 10.05.2006, Бюл. №13].
Недостатками данного изобретения является то, что требуется большое количество отдельных элементов (реек) в приопорных зонах, а также наличие дополнительных стоек, в результате чего усложняется технологический процесс изготовления балки; использование нагельных соединений приводит к податливости соединения; использование металла в качестве обшивок взывает необходимость во вторичной защите (постоянное окрашивание) либо применение легированных сталей, что является не экономичным.
Известна клеефанерная балка, включающая клеедощатые пояса и фанерные стенки, образующие коробчатое сечение, вертикальные и наклонные ребра жесткости, прикрепленные к стенкам. Для повышения несущей способности балки каждая фанерная стенка выполнена из фанерных швеллеров, установленных один над другим и соединенных между собой полками, а ребра жесткости выполнены с клиновидными пазами, в которых установлены полки швеллеров [Авт.св. 1113499 A от 01.04.1983, МПК Е04С 3/14, опубл. 15.09.1984, Бюл. №34].
Недостатками этого изобретения являются: наличие клиновидных пазов в ребрах балки вызывает появление отходов производства и усложняет технологию производства; наличие продольного соединение обшивок из фанерных швеллеров приводит к появлению большого количества швов, при воздействии на них внешней среды уменьшается долговечность балки, а также приводит к перерасходу клеевого состава; фанерные стенки являются ортотропными, тогда как плита из древесно-полимерной композиции стремится к изотропии; сложность прочностных расчетов.
Известно изобретение в виде деревянной балки, включающей нижний и верхний дощатые пояса, стенки из гнутоклееных фанерных профилей корытообразного сечения, соединены между собой при помощи клея, в средней части фанерные стенки соединены между собой и образуют замкнутые полости по всей длине балки [Авт.св. 897986 от 18.04.1980, МПК Е04С 3/14, E04B 5/12, опубл. 15.01.1982, Бюл. №2].
К недостаткам этого изобретения можно отнести то, что при образовании касательных напряжений на приопорных участках происходит срез клеевых швов в местах крепления стенок к поясам балки, также нерациональное поперечное сечение балки, низкая жесткость стенки на действие локальных нагрузок.
Наиболее близким к заявляемому изобретению является деревянная двутавровая клееная балка, содержащая две полки и соединяющую их стенку, характеризующаяся тем, что полки выполнены из дощечек отходов обработки еловой древесины, не содержащих сучковых образований, стенка сделана из набора параллельных друг другу стандартных листов березовой фанеры, вдоль полок, по всей их длине, проточены два параллельных паза, в которые вставляются параллельные друг другу шипы, являющиеся окончанием сборки из фанерных листов, составляющих стенку, при этом сборка дощечек в полки, склеивание листов фанеры в стенку и заполнение пазов реализуется клеем на основе формальдегидной смолы, а все открытые поверхности балки защищаются от внешних воздействий фенольным пленочным покрытием [Патент РФ №66762 U1, от 21.12.2005, МПК Е04С 3/12, Бюл. №27, опубл. 27.09.2007].
45
45
Недостаток этой полезной модели является то, что при нагружении на приопорных участках возникают касательные напряжения, в результате из-за низкой прочности на скалывание стенки могут расходиться в местах соприкосновения друг с другом, так как начинают выгибаться из плоскости изгиба, поэтому необходимо применять поперечные ребра плотной прилегающих к стенке. Существенными недостатками также являются: использование в качестве стенки березовой фанеры, являющимся ортотропным материалом с низким модулем упругости (например, при уклоне волокон 45° Е=2500 МПа) по отношению к изотропной плите из древесно-полимерной композиции (Е=4000-6000 МПа); загруженная технологическая схема мелкими операциями и образованием отходов производства, а именно удаление фрагментов пиломатериала с сучковыми образованиями (пиление, склеивание) и использование отходов еловой древесины (средняя длина отходов колеблется от 0,1-0,5 м); старение фанеры под действием ультрафиолетовых лучей с выделением формальдегидных смол, вредных для человека.
Задачей изобретения является создание экологически чистой, ресурсосберегающей пролетной конструкции с повышенной несущей способностью и возможностью эксплуатации в агрессивных средах.
Поставленная задача достигается тем, что в деревянной двутавровой клееной балке, содержащей две деревянные полки и стенку, соединенную с полками в паз с помощью клея, согласно изобретению стенка выполнена в виде древесно-полимерной плиты, состоящей из композиции термопласта (полиэтилен (PE) или полипропилен (PP) или поливинилхлорид (PVC)), наполнителя из отходов деревообрабатывающей промышленности в виде древесной муки или стружки мелкой фракции и добавок, регулирующих реологические и физико-механические свойства композиции, и образована двумя вертикальными плоскостями (гранями), соединенными между собой горизонтальными плоскостями (диафрагмами), с образованием при этом в стенке балки по всей длине полостей, выполненных в виде четырехугольного, кругового, овального и иных геометрических форм поперечного сечения. Форма паза в полке выполнена с двойным углублением или с выступом посередине. В паз заливается клеевой состав на основе формальдегидных, эпоксидных, полиуретановых, поливинилацетатных и производных на их основе смол.
На фиг. 1 изображен общий вид предлагаемой деревянной двутавровой клееной балки. На фиг. 2 приведена балка со стенкой, выполненной с разными типами плит из древесно-полимерной композиции (ДНК). На фиг. 3 приведены типы возможных пазов для соединения полок и стенки двутавровой балки.
Двутавровая балка содержит: 1 - верхнюю полку из цельного или клееного пиломатериала хвойных или лиственных пород; 2 - нижнюю полку из цельного или клееного пиломатериала хвойных или лиственных пород; 3 - вертикальные плоскости (грани); 4 - горизонтальные плоскости (диафрагмы); 5 - клеевой шов, узел A - паз в полке поперечного сечения балки.
Стенка балки выполнена из цельной плиты древесно-полимерной композиции. Эта композиция состоит из термопласта, наполнителя в виде древесной муки или стружки мелкой фракции и специальных добавок, улучшающие реологические свойства смеси и придающие специальные качества изделиям (например антипирены - защита от возгорания). Плиту изготовляют методом экструзии - нагрев смеси шихты, в результате которого происходит размягчение термопласта и смесь становится вязко-текучей, позволяющей производить формование изделий с последующим охлаждением. В результате древесно-полимерная плита в отличие от ортотропных древесных пластиков (фанеры, ориентировочно-стружечных плит и др.) стремится к изотропии, т.е. свойства материала во всех направлениях одинаковы. Это происходит за счет образования на поверхности изотропной пленки из термопласта. Формовочная головка экструдера выполнена с пустотообразователями, в результате формуемая плита по длине имеет полости четырехугольного, прямоугольного, кругового, овального и иных геометрических форм поперечного сечения. Кромки древесно-полимерной плиты выполняются плоскими либо имеют выступы или углубления разной геометрии.
Для жесткого соединения стенки и полок двутавровой балки между собой в полках вытачивается паз, описывающий верхнюю и нижнюю кромки стенки.
Форма паза выполняется с углублением или выступом в плите ДПК, в результате увеличивается площадь контакта склеиваемой поверхности, вызывающей повышенную прочность сцепления соединения. Паз с плоской кромкой в плите ДПК более технологичен, однако площадь контакта соединения меньше, рекомендуется применять при небольших пролетах балки.
В паз заливается клеевой состав на основе эпоксидных, формальдегидных, полиуретановых, поливинилацетатных и производных на их основе смол. Тип клеевого состава принимается в соответствии с температурно-влажностным режимом эксплуатации, описанным в СП 64.13330.2011 «Деревянные конструкции», либо принимается на основе специальных исследований. После нанесения клея в пазы устанавливается стенка двутавра и плотно прижимается. Для быстрой кристаллизации клеевого состава балка проходит через эвтектический экран с требуемыми условиями для ускоренной схватывания клеевого состава либо высыхает в специальных камерах, либо в естественных условиях.
Для обеспечения защиты клеевого шва от внешнего воздействия, он обрабатывается специальным изолирующим составом.
Общеизвестно, что древесина и полимеры это коррозионностойкие материалы, поэтому предлагаемую конструкцию балки можно эксплуатировать в агрессивных средах, таких как здания сельскохозяйственного назначения (коровники, свинарники и т.д.) или склады поваренной соли и минеральных удобрений.
За счет двух вертикальных плоскостей стенки двутавра, удаленных на некотором расстоянии друг от друга, увеличивается несущая способность балки по нормальным напряжениям. Поперечное сечение становится более рациональным, увеличивается толщина стенки по сравнению с балкой без пустот. С целью уменьшения деформативности листов под нагрузкой, приводящей к выгибу стенки двутавра из плоскости изгиба пролетной конструкции, вертикальные плоскости жестко соединены между собой горизонтальными плоскостями (диафрагмами). В результате в балке увеличивается несущая способность по касательным напряжениям, образующимся на приопорных участках. Соединение вертикальных и горизонтальных плоскостей образует полости в поперечном сечении конструкции, что приводит к уменьшению веса балки. Наличие горизонтальных диафрагм снижает возможность применения поперечных ребер по длине пролетной конструкции.
Форма паза в полках может быть выполнена четырехугольной формой поперечного сечения либо описывающей нижнюю и верхнюю грань стенки (например, стенка может иметь выступы или углубления по кромкам). Во втором варианте увеличивается площадь контакта клеевого шва, позволяющего обеспечивать более жесткое соединение, уменьшить количество отходов при изготовлении пазов (в случае углубления в кромке).
Таким образом, деревянная балка двутавровая с полой стенкой из деревесно-полимерной композиции является экологически чистой, ресурсосберегающей пролетной конструкции с повышенной несущей способностью и возможностью эксплуатации в агрессивных средах.