Новые конструктивные решения крупноразмерных плит на основе древесины

Дмитриев П.А., Гребенюк Г.И., Жаданов В.И., Калинин С.В., Баев Е.В.

НОВЫЕ КОНСТРУКТИВНЫЕ РЕШЕНИЯ КРУПНОРАЗМЕРНЫХ ПЛИТ

НА ОСНОВЕ ДРЕВЕСИНЫ*

Приведены результаты опытно-конструкторских разработок крупноразмерных плит на основе древесины. Отмечены их преимущества при применении в покрытиях зданий как конструкций «на пролет». Описаны новые конструктивные решения, отличающиеся от известных аналогов пониженными расходом материалов и трудоемкостью изготовления. Приведены технико-экономические показатели разработанных конструкций. Новизна разработок подтверждена авторским свидетельством и патентом Российской Федерации.

Наиболее эффективными конструкциями из клееной древесины являются совмещенные пространственные конструкции, в частности крупноразмерные плиты с обшивками, вовлеченными в общую работу с основными несущими элементами. В покрытиях зданий такие плиты укладывают непосредственно на колонны, подстропильные конструкции или несущие продольные стены, при этом за один подъем можно перекрыть до 72 и более квадратных метров площади при практически полной заводской готовности конструкции. Рациональность и эффективность железобетонных плит длиной на пролет (КЖС, типа 2Т, П-образные) доказана практикой отечественного и зарубежного строительства /1/. Однако конструктивные формы аналогичных плит, выполняемых с применением клееной древесины, находятся в стадиях совершенствования.

Проектирование и использование в строительстве клееных деревянных крупноразмерных плит сопряжено с необходимостью проведения дальнейших опытно-конструкторских разработок. Известные конструктивные решения нельзя признать удачными, так как их использование связано либо со значительной трудоемкостью изготовления и сложностью технологии сборки, либо с большим расходом материалов (например, фанеры). В большинстве случаев они не отвечают требованиям эксплуатационной надежности, так как размещение теплоизоляционного материала внутри конструкции приводит к накоплению влаги в толще утеплителя и вызывает загнивание ребер /2/. К недостаткам ряда конструкций относится и то, что обшивки плит выполняют только ограждающие функции и не вовлечены в общую работу плит.

С учетом вышеизложенного при проведении конструкторских разработок были поставлены следующие основные задачи:

- разработать конструкции крупноразмерных клеефанерных плит, совмещающих несущие и ограждающие функции и обладающих необходимой степенью эксплуатационной надежности и долговечности, а также простотой изготовления элементов, сборки конструкции и монтажа;

- конструктивными приемами увеличить эффект от включения фанерной обшивки в общую работу конструкции, а также обеспечить влияние на этот эффект вспомогательных элементов и диафрагм.

Проведенные предварительные оптимизационные исследования с учетом технико-экономических показателей позволили авторам сформулировать ряд положений, которые учитывались при разработке опытных конструкций, в частности:

- в качестве основных несущих элементов целесообразно принимать только два продольных ребра, что позволяет снизить расход материала на ребра и на конструкцию в целом по сравнению с часторебрестыми плитами;

- верхнюю фанерную обшивку целесообразно приклеивать к основным продольным ребрам, за счет чего она вовлекается в общую пространственную работу плиты, обеспечивая при этом сокращение расхода материала на конструкцию на 1420%;

- к существенной экономии такого дорогостоящего материала, как фанера, приводит отказ от нижней обшивки как силового элемента, т. к. конструктор из-за возможных непроклеек в стыках обязан рассчитывать нижние обшивки при сниженном на 40% расчетном сопротивлении для фанеры /3/, отношение модулей упругости фанеры и древесины равно 0,9, а нормальные напряжения по ширине обшивки распределены неравномерно;

- в целях повышения долговечности и эксплуатационной надежности плит покрытий основные несущие ребра желательно располагать вне толщи

* Работа выполнена в соответствии с программой «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники». Раздел 211.03. «Создание эффективных строительных конструкций, совершенствование методов их расчета и конструирования».

утеплителя, открыто, снизу плиты, что делает их доступными для осмотра и способствует быстрому проветриванию в случае увлажнения.

При разработке опытных конструкций авторы исходили также из необходимости обеспечить:

- простоту их изготовления и монтажа;

- возможность изготовления плит на существующих заводах клееных деревянных конструкций;

- повышенную степень заводской готовности плит.

За базовый вариант, который в наибольшей степени отвечает вышеперечисленным положениям, принята конструкция плиты с размерами в плане 1,5х12,0 м (рис. 1). Она состоит из двух двускатных клеедощатых ребер, которые вместе с приклеенной к ним фанерной обшивкой образуют П-образное поперечное сечение. Такой тип поперечного сечения в наибольшей степени отвечает требованиям неповреждаемости конструкции. Вспомогательные ребра из брусков расположены через 750 мм по длине плиты и ориентированы поперек ее пролета. При таком шаге ребер обеспечивается прочность, жесткость и устойчивость обшивки при действии на нее внешней и монтажных нагрузок. Торцы поперечных ребер соединены в зубчатый шип с обрамляющими элемента-

Виб-А

/5 [утеплитель и кро&ля не показаны)

ми, которые, как и поперечные ребра, приклеены к фанерной обшивке. Клеевые соединения обшивки с основными, вспомогательными и обрамляющими ребрами осуществлены при помощи гвоздевого прижима. Для обеспечения неизменяемости поперечного сечения плиты между основными продольными ребрами предусмотрены клеедощатые диафрагмы, которые поставлены по концам и в середине плиты. В качестве утеплителей предлагается использовать плитные или заливочные пенопласты (марок ФРП, ФПБ, ПСБ-С, пенополиуретаны). Отметим, что без существенных изменений в конструкции плиты можно использовать другие утеплители и кровельные материалы. В частности, между вспомогательными ребрами можно уложить на обшивку по слою пленочной или покрасочной пароизоляции минераловатные плиты на синтетическом связующем или другие аналогичные плитные (рулонные) утеплители, а по дополнительным брускам обрешетки - волнистые асбестоцементные листы или металлический профилированный настил (при соответствующих допустимых для этого случая уклонах кровли).

Наряду с неоспоримыми преимуществами, такими как сниженный расход материала в срав-

виа-Б

А Ось симметрии

Тгг1 ПТП 'Ш

750 } 750 750 } 750 ], 750 } 750 } 750 } 750 ^

12000

6000

2-2

3-3

3 2

1500

Рисунок 1. Крупноразмерная плита 1,5x120 м: 1 - основные ребра; 2 - поперечные вспомогательные ребра; 3 - фанерная обшивка; 4 - диафрагмы; 5 - обрамляющие ребра; 6 - утеплитель.

нении с известными аналогами, незначительная трудоемкость изготовления и простота сборки, высокая эксплуатационная надежность за счет размещения основных несущих ребер открыто снизу плиты, вышеописанная конструкция имеет и ряд недостатков, в частности:

- малая степень участия обшивки в общей работе конструкции (при приведенных размерах в расчете учитывается только 50% площади обшивки);

- поперечные вспомогательные ребра не участвуют в пространственной работе плиты;

- плита имеет повышенный вес за счет применения в качестве основных несущих элементов клеедощатых ребер прямоугольного поперечного сечения.

Для снижения материалоемкости конструкции авторами разработана плита с основными клеефанерными ребрами (взамен клеедощатых), которые запроектированы коробчатого сечения. В средней по длине части, где поперечные силы относительно невелики, ребра имеют прерывистую стенку. В качестве основных ребер возможно использование клеефанерных балок с волнистой стенкой, деревометаллических балок коробчатого поперечного сечения, у которых стенка выпол-

нена из профилированных металлических листов, различного типа сквозных конструкций, наприме, ферм с узловыми соединениями на металлических зубчатых пластинах.

Разработана также конструкция плиты с продольно расположенными вспомогательными ребрами, приклеенными к фанерной обшивке, которая вместе с основными несущими ребрами образует поперечное сечение в виде двойного Т (рис. 2). Продольные вспомогательные ребра соединены в зубчатый шип с поперечными обрамляющими элементами и опираются на диафрагмы жесткости, которые расположены с шагом 3,0 м по длине конструкции. Заметим, что продольная ориентация вспомогательных ребер позволяет частично включить их в общую работу конструкции, за счет чего обеспечивается существенное (порядка 10.. .15%) увеличение приведенных моментов инерции и сопротивления сечения плиты. Кроме этого, поперечное сечение плит в виде двойного Т обеспечивает наиболее равномерное распределение нормальных сжимающих, а также изгибных напряжений в обшивке, которые возникают при общем изгибе плиты и при действии на обшивку равномерно распределенной внешней или монтажных нагрузок.

Рисунок 2. Плита с продольными вспомогательными ребрами: 1 - основные ребра; 2 - вспомогательные ребра;

3 - фанерная обшивка; 4 - диафрагмы; 5 - обрамляющие ребра; 6 - пароизоляция; 7 - утеплитель; 8 - рубероидный ковер.

С целью более полного включения продольных вспомогательных ребер и фанерной обшивки в общую работу конструкции предложена и разработана клеефанерная плита с размерами в плане 3,0х12 м, имеющая наклонные диафрагмы жесткости (рис. 3).

Плита состоит из основных и дополнительных продольных ребер, фанерной обшивки, наклонных и вертикальной диафрагм, а также элементов обрамления /4/. Фанерная обшивка и обрамляющие ребра образуют ограждающую часть плиты, выполненную из двух щитов. Щиты соединены между собой в коньке посредством клиновидной вставки и приклеены с гвоздевым прижимом к основным и дополнительным ребрам. Между основными ребрами расположены наклонные и вертикальная диафрагмы. При этом вертикальная диафрагма жестко прикреплена к основным ребрам, а наклонные соединены с ними с возможностью поворота относительно нижних упоров (точка Б). Верхними гранями наклонные диафрагмы уперты в выступы дополнительных ребер (точка А).

При изгибе плиты наклонные диафрагмы работают аналогично сжатым подкосам в фермах (смотри схему узла А), благодаря чему достигает-

ся более полное включение дополнительных продольных ребер и обшивки в пространственную работу конструкции. Обращая внимание на данное обстоятельство, отметим несомненную целесообразность постановки опорных наклонных диафрагм в крупноразмерных клеефанерных плитах, т. к. высота сечения основных ребер на опорах в таких конструкциях часто назначается из условия работы древесины на скалывание, а увеличение степени включения обшивки и продольных вспомогательных ребер в общую работу плиты приводит к уменьшению скалывающих напряжений, действующих в основных ребрах.

При применении крупноразмерных плит в пролетных строениях мостов, деревобетонных перекрытиях и покрытиях фанерная, относительно тонкая обшивка может быть заменена на деревопли-ту, которая за счет соединительных пазов работает совместно с бетонной частью /5/.

Для увеличения эффективности включения обшивки в общую работу конструкции разработана плита, в которой в средней части поперечного сечения фанерная обшивка заменена на дощатый настил, выполненный из короткомерных низкосортных досок (рис. 4). В зоне основных продольных

Рисунок 3. Плита с накладными диафрагмами: 1 - основные ребра; 2 - вспомогательные ребра; 3 - обшивка;

4 - накладные диафрагмы; 5 - вертикальная диафрагма; 6 - обрамляющие ребра; 7 - утеплитель; 8 - рубероидный ковер;

9 - выступ продольного ребра.

ребер обшивка имеет два слоя, причем стыки фанеры расположены «в разбежку», что позволило отказаться от использования стыковых накладок. Данный конструктивный прием обеспечил повышение несущей способности и жесткости конструкции на 12.. .16% по сравнению с аналогом без какого-либо увеличения расхода древесины и фанеры.

Вышеописанные конструктивные решения крупноразмерных плит имеют следующие показатели расхода основных материалов на 1 м2 горизонтальной проекции покрытия: древесины -0,04.0,05 м3/м2, фанеры - 0,011 м3/м2, что на 12.18% меньше соответствующих показателей для наиболее известных характерных аналогов. Применение разработанных плит по рис. 1 в типовом проекте здания овчарни на 800 голов для строительства в Красноярском крае взамен типовых плоскостных конструкций позволило снизить сметную стоимость покрытия на 25%, в 2,5 раза сократить продолжительность его устройства, сэкономить 30% стали и 16% древесины, получить экономический эффект в размере 8,47 руб. с 1 м2 в ценах 1984 г.

Ось симметрии

Разрез 2-2

Рисунок 4. Клеефанерная плита с комбинированной обшивкой: 1 - основные ребра; 2 - вспомогательные продольные ребра; 3 - двухслойная фанерная обшивка; 4 - дощатая обшивка; 5 - диафрагмы; 6 - продольные элементы для опирания дощатой обшивки; 7 - утеплитель.

Список использованной литературы:

1. Костюковский М.Г., Кормер Б.Г. Конструкции покрытий зданий из плит на пролет // Промышленное строительство, 1980, №12, с. 29-30.

2. Руководство по обеспечению долговечности деревянных клееных конструкций при воздействии на них микроклимата зданий различного назначения и атмосферных факторов / ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко. - М.: Стройиздат, 1981.-96с.

3. СНиП 11-25-80. Деревянные конструкции. Нормы проектирования. - введ. с 01.01.82. - М.: Стройиздат. - 64с.

4. А.с. 1767122 СССР. Деревянная плита покрытия / П.А. Дмитриев, В.И. Жаданов, Ю.Д. Стрижаков. - 1992

5. Патент РФ на изобретение №2215854. Деревобетонная плита П.А. Дмитриев, В.И. Жаданов. - 2003.