ДЕРЕВЯННАЯ БАЛКА

Полезная модель относится к области строительства и может быть использована в несущих и ограждающих конструкциях на основе древесины как отдельный строительный элемент (прогон, балка, колонна), так и входить в состав конструкций стропильных или связевых ферм, плит покрытия и панелей стен в качестве несущих поясов или ребер.
Известна деревянная балка двутаврового поперечного сечения, склеенная из четырех брусков-досок (Г.Г.Карлсен и др. Деревянные конструкции. Изд. 3-е перераб. и дополн. М., 1962, с.241, рис.131). Известная балка проста по конструкции, но имеет нерациональное распределение материала по высоте поперечного сечения с учетом неравномерности распределения напряжений в балках как по поперечному сечению, так и по длине элемента, что приводит к повышенному расходу древесины. Кроме этого, для изготовления балки необходимо выполнить распиловку бруса на четыре бруска-доски с их последующей всесторонней отстрожкой, что увеличивает трудоемкость изготовления конструкции.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому эффекту является деревянная балка, поперечное сечение которой образовано четырьмя брусками, жестко соединенными между собой, при этом два деревянных бруска имеют трапециевидное поперечное сечение и два треугольное (Патент на полезную модель №54062, кл. Е04С 3/12, опубл. 10.06.2006 г, Бюл. №16).
Предложенная балка отличается более выгодным распределением материала по высоте поперечного сечения за счет приближения его формы к двутавровой. Однако, ее несущая способность и жесткость ограничены из-за того, что форма поперечного сечения балки не позволяет сконцентрировать материал как можно дальше от нейтральной оси, т.к. ширина
поперечного сечения в середине высоты должна быть достаточной для восприятия скалывающих напряжений, что и потребовало постановку дополнительных треугольных элементов. Кроме этого, известная балка отличается существенной трудоемкостью изготовления, так как:
- обеспечение жесткости сопряжения отдельных элементов, например, при помощи клея, требует обжатия трапециевидных элементов с большой изгибной жесткостью, что вызывает необходимость постановки больших запрессовочных гвоздей или применение мощных запрессованных стендов циклического действия;
- для изготовления балки необходимо выполнить три распила квадратного бруса и отстрожку четырех поверхностей для обеспечения качественной склейки элементов поперечного сечения.
Техническим результатом, полученным от использования полезной модели, является увеличение несущей способности и жесткости деревянной балки, а также снижение трудоемкости ее изготовления.
Задача решается за счет того, что деревянная балка состоит из двух деревянных брусков с поперечным сечением в виде прямоугольных равнобедренных треугольников, жестко соединенных по катетам с концевыми накладками-коротышами такого же поперечного сечения, а между собой - по ребру прямого угла с помощью дискретно поставленных креплений в пазы, расположенные в брусках, причем гипотенузы этих прямоугольных равнобедренных треугольников параллельны между собой.
Кроме этого, накладки-коротыши могут быть расположены как по концам, так и в наиболее напряженных участках по длине балки.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на фиг.1 показан фрагмент деревянной балки, на фиг.2 - поперечное сечение деревянной балки.
Деревянная балка включает два деревянных бруска 1, имеющих каждый поперечное сечение в виде прямоугольного равнобедренного треугольника, концевые накладки-коротыши 2 такого же поперечного сечения и дискретно поставленные крепления 3, вклеенные в пазы 4, выбранные в брусках.
Деревянную балку необходимо изготавливать в следующем порядке.
1. Брусок квадратного поперечного сечения распиливают вдоль одной из его диагоналей.
2. В полученных брусках 1 треугольного сечения по ребрам прямых углов выполняют пазы 4 необходимой глубины прямоугольной или клиновидной формы.
3. В пазы 4, намазанные клеем, вставляют крепление 3 в виде ленты, имеющей толщину, равную толщине и конфигурации пазов 4, при этом, лента может быть поставлена дискретно в зонах с максимальными касательными напряжениями в зависимости от схемы работы и загружения балки. Например, при работе балки по однопролетной схеме с шарнирно-опертыми концами на равномерно-распределенную нагрузку крепления 3 могут быть поставлены только в опорных зонах балки на участках длиной 0,25 пролета балки.
4. Производят запрессовку балки и выдерживают ее в прессе необходимое для отверждения клея время при пазах 4 прямоугольного сечения или сразу же освобождают из пресса при пазах 4 клинообразной формы.
5. Приклеивают к балке накладки-коротыши 2.
6. Производят защитную и косметическую обработку конструкции.
Деревянная балка работает следующим образом. При действии вертикальной нагрузки происходит ее поперечный изгиб, при этом, возникающие нормальные напряжения воспринимаются двумя деревянными
брусками 1 с поперечным сечением в виде прямоугольных равнобедренных треугольников, жестко соединенными между собой по ребру прямого угла при помощи дискретно поставленных креплений 3, вклеенных в пазы 4, выбранные в брусках 1. Соединение треугольных деревянных брусков 1 между собой по ребру прямого угла с расположением гипотенуз этих прямоугольных равнобедренных треугольников параллельно между собой позволяет сконцентрировать материал в зонах, наиболее удаленных от нейтральной оси, что приводит к существенному увеличению геометрических характеристик поперечного сечения в сравнении с аналогом и прототипом при одинаковом расходе материала. Крепления 3 обеспечивают восприятие скалывающих напряжений совместно с концевыми накладками-коротышами 2, которые, увеличивая ширину площади скалывания в середине высоты поперечного сечения, позволяют обеспечить надежное восприятие деревянной балкой скалывающих напряжений.
max
max
4
4
Поясним вышесказанное примером. Квадратный брус со стороной в 20 см имеет момент инерции J=13333 см. Балка-аналог, склеенная из четырех брусков-досок шириной b и толщиной 0,25b, т.е. при условии равенства расхода материала, имеет момент инерции J=38333 cм.
4
4
Максимальный момент инерции балки-прототипа при распиловке квадратного бруса по диагонали и на расстоянии 0,20 стороны квадрата от углов, противоположных диагональному распилу, что обеспечивает восприятие касательных напряжений, будет равен 21782 см, тогда как момент инерции предлагаемого элемента составит при прочих равных условиях 40049 см, что в 3 раза больше момента инерции квадратного бруса, в 1,84 раза больше, чем у балки-прототипа и в 1,05 раза больше момента инерции двутавра из брусков-досок, при этом, максимальные
max
max
напряжения σ=М•y/J для двутавровой балки оказываются больше на 11%.
Используя предлагаемую конструкцию можно получить также существенный выигрыш в расчетах на скалывание при поперечном изгибе (τ=Q•S/J•b), т.к. ширина сечения с учетом приклеенных на опорах накладок-коротышей 2 оказывается в 2,5 раза больше, чем ширина балки-прототипа и в 2,83 раза больше, чем у двутавровой балки-аналоге.
Эффективное распределение материала по длине деревянной балки может быть легко достигнуто и при центральном сжатии путем постановки симметричных накладок-коротышей 2 с поперечным сечением в виде прямоугольных равнобедренных треугольников на опасных при продольном изгибе участках для обеспечения равноустойчивости балки в направлении главных осей его поперечного сечения.
Кроме этого, поперечное сечение из двух деревянных брусков в форме прямоугольного равнобедренного треугольника имеет большую ширину в сравнении с квадратным поперечным сечением такой же площади, за счет чего достигается увеличение устойчивости деревянной балки в целом при изгибе из плоскости, что позволяет упростить конструктивные мероприятия, обеспечивающие устойчивость деревянной балки из плоскости ее изгиба, т.к. расстояние между точками поперечного раскрепления деревянной балки можно увеличить. Широкие плоские верхняя и нижняя грани деревянной балки позволяют просто и надежно выполнять сопряжения с нижележащими и вышележащими конструкциями.
При применении предлагаемой деревянной балки в качестве несущих ребер плит покрытия и панелей стен за счет широких, по сравнению с квадратным брусом, верхней и нижней граней достигается надежное сопряжение обшивок с ребрами за счет уменьшения величины скалывающих напряжений, действующих по шву соединения обшивок с ребрами,
например, при соединении фанерной обшивки на клею с ребрами. Кроме этого, широкие верхняя и нижняя грани деревянной балки позволяют увеличить степень участии обшивок в общей работе плит и панелей (СНиП II-25-80. Деревянные конструкции / Госстрой России. М,: ГУП ЦПП, 2003, п.4.25, 4.26).
Для изготовления предлагаемой деревянной балки необходимо выполнить один распил квадратного бруса по диагонали, тогда как для изготовления двутавровой балки-аналога необходимо путем распиловки с последующей всесторонней отстрожкой получить четыре бруска-доски, т.е. выполнить три распила. Также три распила необходимо выполнить для изготовления балки-прототипа из трапециевидных и треугольных элементов.
Таким образом предлагаемая деревянная балка позволяет увеличить несущую способность и жесткость конструкции, а также снизить трудоемкость ее изготовления по сравнению с известными техническими решениями.