КОНСТРУКЦИЯ ПРЕДВАРИТЕЛЬНО НАПРЯЖЕННОЙ БАЛКИ
DESIGN OF PRE-STRESSED BEAM

Изобретение относится к каркасному и щитовому строительству малоэтажных деревянных зданий, а именно к возведению несущих конструкций балочного типа.
Известен деревометаллический строительный элемент по патенту RU на изобретение №2215858 (E04C 3/12, патентообл.: Соболев В.М., Головченко А.И., Лунин Е.М., опубл.: 10.11.2003), состоящий из металлического сердечника в виде трубы прямоугольного сечения и деревянных накладок, соединенных нагелями с соотношением толщины стенки сердечника и толщины накладок 1-4÷8.
Такое техническое решение обеспечивает, по мнению его авторов, защиту металла сердечника от коррозии, повышенную огнестойкость и склеивающую способность деталей данной конструкции, а также дополнительное повышение сопротивления при ее внецентренном сжатии, позволяя увеличить прочность и жесткость указанного строительного элемента.
В то же время, несмотря на некоторые преимущества над другими известными строительными элементами такого же типа, область применения известного изобретения при строительстве малоэтажных деревянных зданий ограничивается их использованием только в качестве стоек ограждающих несущих конструкций.
Известна составная балка по авторскому свидетельству СССР на изобретение №687208 (E04C 3/12, автор: Кулагин Л.А., опубл.: 27.09.1979), включающая элементы, уложенные друг на друга по высоте и соединенные между собой вертикально установленными связями и снабженные вкладышами, соединенными гибкими тягами, выполненными в виде клиньев и установленными между элементами, причем вертикальные связи выполнены в виде хомутов и установлены в местах размещения клиньев.
Такое устройство предназначено для повышения несущей способности конструкций балочного типа, однако оно несколько перенасыщено большим набором деталей, в том числе устанавливаемыми в определенном порядке частями, узлами, элементами, связями, вкладышами, гибкими тягами, клиньями, хомутами, что обусловливает усложнение технического исполнения рассматриваемого устройства, повышение трудоемкости изготовления и сборки перечисленных деталей балки, а также недостаточную ее экономичность.
Известна предварительно напряженная металлодеревянная балка и способ предварительного напряжения балки по авторскому свидетельству SU на изобретение №1761897 (E04C 3/18, E04C 3/292, заявитель: ЦНИПЭИ комплексных проблем строительных конструкций и сооружений, авторы: Лукьянов Е.И., Турковский С.Б., Погорельцев А.А., Курганский В.Г., опубл.: 15.09.1992). Согласно формуле, реферату и описанию этого изобретения, оно включает в свой состав клееный пакет досок, металлический армирующий элемент, концевые упоры, анкеры и связи, причем каждый упор выполнен в виде парных пластин, установленных вертикально и параллельно друг другу, соединенных с анкерами, и охватывающий армирующий элемент, закрепленный к ним своими концами. Кроме того, связи закреплены одними концами к армирующему элементу, а другими концами в клеевой пакет досок. Способ же по этому изобретению включает постановку армирующего элемента снятием выгиба балки, причем одновременно с выгибом балки дополнительно напрягают армирующий элемент.
Описанное техническое решение относится к категории изобретений, касающихся применения предварительного напряжения металлических связей в разнообразных видах металлодеревянных строительных конструкций, в том числе балочного типа, таких, например, как в патенте СССР на изобретение №4006, авторских свидетельствах и патентах СССР на изобретение №№21208, 33661, 66935, 98180, 773224, 885492, 896213, 897996, 947349, 1203215, 1705522, 1716035, свидетельствах RU на полезную модель №№1499 и 12156, патенты RU на изобретение №№2028441, 2182207, 2190735, 2208104, 2276240 и 2354790.
В то же время изобретение по авторскому свидетельству SU №1761897, выгодно отличаясь от многих из вышеперечисленных инноваций компактностью, устойчивостью, удобством и простотой изготовления, по уровню своей надежности и работоспособности не может, однако, конкурировать со своими аналогами, так как в тексте этого технического решения отсутствует ясность и четкость изложения, зато его отличает двойственность и неадекватность смысловой нагрузки. Такой вывод обусловлен тем, что этой конструкцией предварительно напряженной балки предусматривается ее защита от выгиба и одновременно предусматриваются меры по ее выгибу.
01
Известна деревянная балка с металлической арматурой по авторскому свидетельству СССР на изобретение №84267 (кл.37b 3, автор: Поберезкин, опубл. 26.07.1949), для закрепления которой последняя в виде металлических полос врезана ребром в древесину и изогнута в загнутый контур полностью или только по концам.
Известная балка отличается несложностью устройства и изготовления, однако предусматриваемое в ее конструкции цельноконтурное или концевое врезание металлических полос в древесину приводит к неравномерности распределения внецентренных нагрузок, а также к снижению целостности, устойчивости, прочности и жесткости корпуса балки.
Наиболее близкой к заявляемому объекту является деревянная шпренгельная балка по авторскому свидетельству SU №1789628 (Е04С 3/12, заявитель: ЦНИПЭИ комплексных проблем строительных конструкций и сооружений, авторы: Турковский С.Б., Лукьянов Е.И., Погорельцев А.А., опубл.: 23.01.1993), включающая корпус, состоящий из боковых продольных стенок и внутренних поперечных стоек, шпренгельные связи и соединительную арматуру.
Однако техническое исполнение такой балки является несколько усложненным и не обеспечивает равномерность распределения внецентренных нагрузок, а также высокую прочность, жесткость, устойчивость, работоспособность и надежность ее конструкции.
Задачей заявляемого объекта является повышение несущей способности балки и равномерности распределения внецентренных нагрузок, а также прочности, жесткости и устойчивости.
Для решения этой задачи в конструкции предварительно напряженной балки, включающей корпус, состоящий из боковых продольных стенок и внутренних поперечных стоек, шпренгельные связи и соединительную арматуру, количество стоек принято нечетным с одинаковым шагом между ними и с тем, чтобы вертикальная ось центральной стойки являлась осью симметрии балки, сами стойки выполнены с зазорами между верхними концами стоек и верхними концами стенок и также между нижними концами стоек и нижними концами стенок для свободного проведения шпренгельных связей, оснащенных натяжными болтами и промежуточными кольцами, с установкой величины каждого из указанных зазоров, равной диаметру промежуточных колец, причем для предварительного напряжения например, десятипролетной балки, используется, по меньшей мере, семь модификаций шпренгельных связей, в том числе: с одной или двумя пересекающимися между собой короткими шпренгельными линиями, натягиваемой(ыми) в каждом звене балки, состоящем из трех соседних стоек; с одной шпренгельной линией, охватывающей только три центровые стойки, только семь центровых стоек либо все стойки балки; и с двумя пересекающимися между собой длинными шпренгельными линиями, одна из которых охватывает все стойки, а вторая - только семь центровых стоек либо одна из шпренгельных линий охватывает все стойки, а вторая - на две торцевые стойки меньше. Кроме того, в качестве стоек использованы деревянные или металлические бруски круглого, квадратного или прямоугольного сечения, шпренгельные связи состоят, например, из стержней, проволок, лент, тросов, канатов, цепей, изготавливаемых из металла, пластика либо их комбинации, причем натяжные болты и промежуточные кольца выполняются встроенными в соответствующие зазоры между концами стоек и стенок без выступов такой арматуры за пределы корпуса балки.
Конструктивное исполнение предлагаемого изобретения показано на чертежах, где на фиг.1 приведен продольный разрез заявляемого устройства, фиг.2 - его поперечный разрез, фиг.3, 4, 5 - верхние фрагменты соединения стенок и стоек вместе со шпренгельными связями, фиг.6, 7 - нижние фрагменты соединения стенок и стоек вместе со шпрегельными связями и фиг.8 - семь основных модификаций конструктивного исполнения заявляемого устройства соответственно на его фрагментах «а», «б», «в», «г» и «д». Согласно перечисленным чертежам в состав описываемой конструкции балки входят ее корпус (1), состоящий из внутренних поперечных торцевых (2), промежуточных (3) и центральной (4) стоек и боковых продольных левой (5) и правой (6) стенок, а также шпренгельной первой (7) и второй (8) линий. При этом все стойки (2, 3, 4) имеют верхние (9) и нижние (10) концы, так же, как и стенки (5, 6) - верхние (11) и нижние (12) концы, между которыми образуются при склеивании элементов балки верхние (13) и нижние (14) зазоры. Кроме того, шпренгельные линии (7, 8) оснащены промежуточными кольцами (15) с саморезами и натяжными болтами (16) анкерного или талрепного типа с крюками (17), регулирующими гайками (18) и уплотнительными шайбами (19), располагающимися на откосах (20) стоек (2, 3).
Корпус (1) балки изготовляется с использованием дощатой древесины склеиванием на основе современных клеющих композитов боковых продольных левой и правой стенок (5, 6) с располагаемыми с одинаковым шагом между соседними внутренних поперечных центральной, промежуточных и торцевых стоек (4, 3, 2), причем стенки (5, 6) состоят из плоских пластин ламельного типа, а стойки - из деревянных или металлических брусков круглого, квадратного, либо прямоугольного сечения. Общее число таких стоек (2, 3, 4) принимается нечетным с тем, чтобы вертикальная ось центральной стойки (4) являлась осью симметрии балки. Таких стоек (2, 3, 4) может быть от 3 до 13 и больше, но наиболее часто применяемые в каркасном и щитовом строительстве малоэтажных деревянных зданий - это десятипролетные балки, включающие 11 стоек (2, 3, 4), показанные на фиг.1 и 8. В нашем случае особенности предлагаемой конструкции усиленной шпренгельными связями балки рассматриваются на примере десятипролетной балки. В такой балке, как показано на фиг.1 и 8, в состав корпуса входят 11 стоек (2, 3, 4). Как видно из фиг.1-8 в корпусе (1) такой балки при склеивании стенок (5, 6) и стоек (2, 3, 4) образуются верхние и нижние зазоры (13, 14), в которых размещаются соединительные и регулирующие детали арматурной шпренгельной системы предварительного напряжения балки, состоящие из ввинчиваемых своими саморезами в верхние и нижние концы стоек (9, 10), промежуточных колец (15), пропускаемых через них коротких и длинных шпренгельных линий (7, 8), а также натяжных болтов (16) с крюками (17), натяжным гайками (18) и уплотнительными шайбами (19), размещаемыми на откосах определенных верхних и нижних концов стоек (2, 3). Шпренгельные линии (7, 8) выполняют при этом по меньшей мере, в семи модификациях, в том числе с использованием жестких стержней, соединяемых сваркой либо с помощью резьбовых фитингов, а также гибких связей, сотоящих, например, из цельнотянутой проволоки, ленты, троса, каната, цепи. Для правильного размещения и управления степенью натяжки шпренгельных линий (7, 8) применяются промежуточные стальные кольца (15), которые посредством своих саморезных стержней ввинчиваются в определенные верхние и нижние концы (9, 10) стоек (2, 3, 4), Причем каждый концевой участок самой шпренгельной линии либо оба таких участка оборудуются натяжной арматурой, состоящей из натяжного болта (16) с крюком (17), натяжной гайки (18) и уплотнительной шайбы (19). Для свободного прохождения и протягивания шпренгельных линий (7, 8) внутри корпуса (1) балки в верхних и нижних концах (9, 10) стоек (2, 3, 4) устраиваются соответствующие монтажные пропилы либо просверливаются монтажные отверстия. Для изготовления шпренгельных линий (7, 8) следует использовать металлы, сплавы, металлокерамику, пластики, стеклопластики и другие виды композитных материалов, отличающихся прочностью и стойкостью к воздействию внешней среды. Сама шпренгельная система может выполнятся, по меньшей мере, в семи вариантах. Например, для десятипролетной балки следует предусматривать образование коротких и длинных, автономных и пересекающихся между собой шпренгельных линий (7, 8), натягиваемых в каждом звене балки, состоящем из трех соседних стоек (2,3,3; 3,3,3; 3,3,3…3,3,3; 3,4,3; 3,3,3…3,3,3; 3,3,3; 3,3,2); а также одной шпренгельной линии (7), охватывающей только три центровые стойки (3,3,3; 3,4,3; 3,3,3); охватывающей только семь центровых стоек (3,3,3; 3,3,3; 3,3,3; 3,4,3; 3,3,3; 3,3,3; 3,3,3) или охватывающей все стойки (2, 3, 4) балки; с двумя пересекающимися между собой шпренгельными линиями (7, 8), одна из которых охватывает все стойки (2, 3, 4), а вторая - только семь центровых стоек или одна из которых охватывает все стойки, а вторая - на две торцевые (2) стойки меньше. Таким образом, первый и второй варианты представляют шпренгельную систему, включающую одну или две пересекающиеся между собой короткие шпренгельные линии (7, 8), см. фиг.1, третий, четвертый и пятый варианты описывают систему, состоящую из одной шпренгельной линии (7), охватывающие только три центровые стойки (3, 4), см. фиг.8 «а», только семь центровых стоек (3, 4), см. фиг.8 «б»), - охватывающие все стойки (2, 3, 4) балки, см. фиг.8 «в». В шестом и седьмом вариантах задействованы две пересекающиеся между собой длинные шпренгельные линии (7, 8), первая из которых (7) охватывает все стойки (2, 3, 4), а вторая только семь центровых (3, 4), либо первая шпренгельная линия соединяет также все стойки (2, 3, 4), а вторая на две торцевые (2) стойки балки меньше, см. фрагменты «г» и «д» фиг.8.
Следует отметить, что на первом этапе изготовления заявляемой конструкции балки проводят технологическую сборку всех составляющих ее частей, узлов, элементов и деталей, включая ее оснастку шпренгельной системой, а на втором этапе производственные испытания, включающие операции по предварительному напряжению балки и проверке ее на предельно допустимые нагрузки. В данном случае готовые опытные образцы натурных балок подвергались производственным испытаниям их напряженно-деформированного состояния инженерными методами с использованием техники численного анализа на программном комплексе Lira 9.0, проведенным в апреле-мае 2013 г. на испытательных полигонах домостроительного комбината г. Омска. По результатам измерений, в том числе тензометрических, составлялись эпюры распределения рабочих нагрузок и многоточечные схемы нагружения опытных образцов. В качестве измерительной техники применялись прогибомер марки 6ПАО, тензометры Гукенбергера и индикаторы часового типа. Испытания показали, что в подавляющем числе случаев опытные образцы натурных балок заявляемой конструкции имеют по сравнению с типовыми балками аналогичного типа большую несущую способность, более высокую равномерность распределения внецентренных нагрузок, лучше показатели наработки на отказ и в итоге - большую прочность, надежность, работоспособность и долговечность.