Деревянная балка

Полезная модель относится к строительным конструкциям, а именно к изгибаемым деревянным конструкциям типа балок преимущественно из клееной древесины, и может быть использована в покрытиях и перекрытиях зданий и сооружений промышленного и гражданского назначения.
Известна деревянная балка, состоящая из пакета клееных досок и вклеенной в него арматуры, при этом в нижней растянутой зоне клееного пакета установлена горизонтальная арматура с отгибами на приопорных зонах, а в верхней сжатой зоне установлена горизонтальная арматура с обрывами на приопорных зонах в сечениях, проходящих через точки перегиба арматуры растянутой зоны (RU 117474, Е04С 3/14, 27.06.2012). Арматурные стержни установлены в вертикальной плоскости симметрии балки, а пакет клееных досок составлен из парных заготовок, в каждой из которых со стороны плоскости сплачивания фрезеруются пазы для вклейки арматуры.
Недостатком известного технического решения является повышенная трудоемкость изготовления, обусловленная выполнением пазов в составных частях балки и обеспечением точного совпадения конфигурации стальных арматурных стержней, имеющих отгибы, с положением пазов, предназначенных для их вклейки, а также невысокая долговечность, связанная коррозионным износом арматурных стержней. Кроме того, недостатком является низкая несущая способность деревянной балки, обусловленная армированием каждого из опорных участков балки только одиночным отгибом.
Наиболее близким техническим решением к заявляемой полезной модели является деревянная балка, включающая пакет клееных досок, в нижнюю и верхнюю зоны которого вклеены армирующие элементы, состоящие из продольных горизонтальных стержней и наклонных стержней, при этом группы наклонных стержней размещаются на приопорных участках балки (Щуко В.Ю., Рощина С.И. Клееные армированные деревянные конструкции: Учебное пособие. - Владимир: Владимирский государственный университет, 2007, стр. 24, рис. 17,6).
Недостатком известного технического решения является высокая трудоемкость изготовления, обусловленная выполнением системы пазов и шпуров сложной конфигурации в клееном пакете под армирующие элементы, а также невысокая долговечность, связанная коррозионным износом арматурных стержней. Кроме того, недостатком является низкая несущая способность деревянной балки, обусловленная ограниченной шириной пакета клееных досок и недостаточной анкеровкой наклонных стержней в средней по высоте части деревянной балки, где касательные напряжения достигают максимума.
Задача полезной модели - снижение трудоемкости изготовления, повышение несущей способности и долговечности деревянной балки.
Технический результат достигается тем, что деревянная балка, включающая пакет клееных досок с армирующими элементами, содержит второй пакет клееных досок с армирующими элементами, объединенный с первым пакетом по длине стяжными шпильками и деревянными планками, а в качестве армирующих элементов использованы продольные пластины и поперечные пластины из композитного материала, приклеенные к внутренним поверхностям пакетов клееных досок, при этом продольные пластины имеют переменную толщину по высоте сечения и пролету балки в соответствии с распределением нормальных напряжений, а поперечные пластины имеют переменную толщину по пролету балки в соответствии с распределением поперечных сил.
Сущность полезной модели поясняется чертежами:
- фиг. 1 - деревянная балка;
- фиг. 2 - сечение А-А;
- фиг. 3 - сечение Б-Б;
- фиг. 4 - сечение В-В;
- фиг. 5 - сечение Г-Г;
- фиг. 6 - эпюра нормальных напряжений в поперечном сечении балки;
- фиг. 7 - эпюра изгибающих моментов и нормальных напряжений по пролету балки;
- фиг. 8 - эпюра поперечных сил по пролету балки.
Деревянная балка состоит из двух симметричных по ширине балки пакетов клееных досок 1, объединенных между собой по длине стяжными шпильками 2 и деревянными планками 3 (фиг. 1). Пакеты клееных досок 1 снабжены армирующими элементами 4 в виде продольных пластин 5 и поперечных пластин 6 из композитного материала, например стеклопластика, винипласта, текстолита. Армирующие элементы 4 приклеены к внутренним поверхностям пакета клееных досок 1 (фиг. 2, 3, 4, 5), при этом продольные пластины 5 имеют переменную толщину по высоте сечения и пролету деревянной балки, а поперечные пластины 6 имеют переменную толщину по пролету деревянной балки. Изменение толщины армирующих элементов может быть обеспечено послойным наклеиванием ряда продольных пластин 5 и поперечных пластин 6 друг на друга. Деревянные планки 3 закреплены к половинам 1 при помощи нагелей 7, например самонарезающихся винтов, гвоздей, глухарей и обеспечивают совместную работу пакетов клееных досок 1 деревянной балки.
Деревянная балка, составленная из двух пакетов клееных досок 1, обладает более высокой прочностью и устойчивостью, что приводит к повышению несущей способности деревянной балки.
Армирующие элементы 4 приклеены к поверхностям пакетов клееных досок 1, что позволяет избежать трудоемких операций по выборке пазов или шпуров в древесине, и приводит к уменьшению трудоемкости изготовления деревянной балки.
Армирующие элементы 4 выполнены из композитного материала, что позволяет избежать коррозионного износа материала и, как следствие, повышает долговечность деревянной балки в целом.
Армирующие элементы 4 находятся внутри поперечного сечения деревянной балки, составленной из двух пакетов клееных досок 1, и закрыты деревянными планками 3, что защищает армирующие элементы 4 от высоких температур и солнечной радиации и, как следствие, повышает долговечность деревянной балки в целом.
Армирующие элементы 4 приклеены к древесине пакетов клееных досок 1 и работают совместно с ними. При этом продольные пластины 5 имеют переменную толщину по высоте сечения и пролету деревянной балки в соответствии с распределением нормальных напряжений в балке от действия расчетной нагрузки (фиг. 6, 7), а поперечные пластины 6 имеют переменную толщину по пролету деревянной балки в соответствии с распределением поперечных сил в балке от действия расчетной нагрузки (фиг. 8), что приводит к повышению несущей способности деревянной балки.
Деревянные планки 3, расположенные по верхним плоскостям пакетов клееных досок 1, могут быть выполнены из твердых пород древесины и являться опорными площадками для распределения больших сосредоточенных сил, приложенных к балке, что приводит к повышению несущей способности деревянной балки на действие местных напряжений.
Размеры поперечного сечения пакетов клееных досок 1, материал и толщина армирующих элементов 4, материал и толщина деревянных планок 3, диаметр и шаг стяжных шпилек 2 и нагелей 7 определяются расчетом.
Работы по изготовлению деревянной балки ведутся в следующем порядке:
- элементы пакетов клееных досок 1 склеиваются и стягиваются струбцинами до набора клеем проектной прочности;
- со стороны боковых граней пакетов клееных досок 1 приклеиваются продольные пластины 5 и поперечные пластины 6, стыки которых выполняются при помощи холодной или ультразвуковой сварки;
- в пакетах клееных досок 1 на уровне середины высоты сечения с регулярным шагом выполняются отверстия, соответствующие диаметру стяжных шпилек 2;
- два пакета клееных досок 1 составляются внутренними плоскостями друг к другу и объединяются между собой стяжными шпильками 2 и деревянными планками 3 на нагелях 7.
Предлагаемая деревянная балка по сравнению с прототипом позволяет снизить трудоемкость, повысить несущую способность и долговечность.