Клееная деревянная арочная ферма

Полезная модель относится к сфере гражданского строительства, в частности к строительству зданий и сооружений различного назначения.
Применение деревянных ферм с криволинейным контуром для возведения несущих каркасов зданий и сооружений позволяет снизить влияние внешних факторов на здание и увеличить внутренний объем помещений.
Известна линзообразная деревянная ферма по авторскому свидетельству СССР, SU №1418439, E04C 3/02, 19.02.87 [1], верхний и нижний пояса которой выполнены из гнутоклееных деревянных элементов. Данная ферма является безраскосной, ее решетка выполнена в виде стоек из клееной древесины. Ширина поперечного сечения поясов и стоек принята одинаковой. Стойки крепятся к верхнему и нижнему поясам вплотную.
Недостатком данного решения является то, что данная ферма не отвечает требованиям по обеспечению надежности и устойчивости узловых соединений в случае возникновения линейных деформаций. Кроме того для качественного соединения стоек с поясами фермы требуется высокая точность, что усложняет массовое производство таких ферм.
Известны различные виды линзообразных ферм, описанные авторами Турковским С.Б., Погорельцевым А.А., Экнадосьяном в статье: Выбор конструктивной схемы линзообразных ферм из клееной древесины // журнал “Строительные материалы”. - №5 (581), май 2003, стр. 18-19 [2] и в книге “Клееные деревянные конструкции в современном строительстве (система ЦНИИСК)” стр. 175-179, 180-183, 188-190, 208-212, [3], у которых один из поясов всегда имеет криволинейную форму, а другой может быть выполнен как криволинейным, выпуклым или вогнутым относительно другого пояса, так и прямолинейным. Геометрия решетки может включать в себя различную комбинацию стоек и раскосов. Все узловые соединения данной группы ферм осуществляются с помощью металлических стержней по системе, разработанной в ЦНИИСК. Такие фермы рекомендуются к применению для большепролетных конструкций общественных и промышленных зданий с пролетами от 18 до 100 м.
К недостаткам данного решения можно отнести: наличие в приопорных панелях изгибающих моментов, возникающих вследствие неразрезности поясов фермы; нерациональность применения при создании объектов малоэтажного строительства; сокращение внутреннего объема и высоты помещения за счет геометрии линзообразных конструкций; наличие металлических крепежных элементов в узлах решетки и необходимость в высокой квалификации рабочей силы изготовлении и монтаже фермы.
Наиболее близкой к заявленной полезной модели по патенту США является деревянная арочная ферма, US №4173857, Е04В 1/32, заявл. 22.11.1977 [4], содержащая изогнутые по радиальному контуру параллельные пояса из ламелей, скрепленных клеем или гвоздями, и соединительную решетку, состоящую из стоек и раскосов. Пояса дополнительно крепятся друг к другу при помощи металлических стержней, вставленных в некоторые из стоек решетки. Для обеспечения дополнительной жесткости фермы, концы одного или двух поясов могут соединяться при помощи стального троса. Рассматриваемый тип фермы разработан для формирования каркасов крыш арочного типа.
Недостатками такого решения являются: наличие металлических элементов в конструкции; сложность производства конструкции; малая вариабельность использования фермы при создании объемно-планировочных решений зданий за счет того, что радиальный контур фермы прикреплен к усиливающим стойкам и опорным столбам.
Предлагаемая полезная модель направлена на достижение технического результата, заключающегося в создании конструкции двупоясной деревянной фермы с криволинейным контуром арочного типа, узловые соединения которой выполнены клеевыми. Предлагаемое решение также позволяет облегчить технологию производства деревянных ферм с криволинейным контуром и монтаж каркасов зданий и сооружений на их основе.
Предлагаемая клееная деревянная арочная ферма, как и наиболее близкая к ней известная [4], содержит верхний и нижний клееные деревянные пояса из ламелей, изогнутые по радиальному контуру, соединенные треугольной решеткой, образуемой стойками, боковыми гранями раскосов и сегментами внутренних пластей поясов.
Для достижения указанного технического результата предлагаемая клееная деревянная арочная ферма, в отличие от наиболее близкой к ней известной, содержит на внутренних пластях каждого пояса продольные пазы, служащие площадкой опирания для стоек и раскосов, которые соединены при  помощи клея с поясами ферм по системе шип-паз.
Наличие продольных пазов в поясах фермы позволяет обеспечить устойчивость и работоспособность конструкции при ее эксплуатации без применения дополнительного металлического крепежа. Отсутствие теплопроводных включений в виде металлических конструктивных элементов или дополнительного металлического крепежа обеспечивает высокую теплотехническую однородность конструкции фермы и несущих каркасов на ее основе, что позволяет повысить теплозащитные качества и энергоэффективность зданий.
2
За счет отсутствия сложных узловых соединений изготовление клееной деревянной арочной фермы не требует высокоточного специализированного оборудования и высокой квалификации рабочих; массовое производство таких ферм может быть организовано в небольшом цехе площадью от 100 м силами двух-трех человек. При сборке несущих каркасов монтаж заявленной конструкции облегчается за счет того, что данная ферма, не содержащая металлических включений, имеет меньший вес и выполняется как неразрезной элемент, который при монтаже требует крепления только по краям конструкции.
В качестве частного случая выполнения заявленной полезной модели предлагается конструкция, в которой:
верхний и нижний пояса имеют одинаковую толщину;
стойки выполнены из деревянных брусков и распределены с равномерным шагом по контуру поясов;
раскосы выполнены из ламели и распределены по контуру поясов с чередованием восходящих и нисходящих элементов;
стойки перпендикулярны, а раскосы расположены под углами от 30° до 40° к касательной, проведенной к геометрической оси контура фермы в продольном направлении;
при изготовлении поясов фермы длина склеиваемых ламелей может набираться различными длинами исходного пиломатериала, за исключением ламелей, образующих наружную и внутреннюю пласти поясов.
Такое решение позволяет обеспечить более равномерное восприятие нагрузок каждым элементом фермы и избежать недопустимых прогибов нижнего пояса при одновременной экономии материалов.
Сущность полезной модели иллюстрируется чертежами.
На фигуре 1 изображен фронтальный вид заявленной полезной модели.
На фигуре 2 показан поперечный разрез заявленной полезной модели.
Конструкция клееной деревянной арочной фермы включает в себя нижний 1 и верхний 2 пояса одинаковой толщины, сформированные из ламелей, склеенных по толщине и изогнутых по заданному радиальному контуру (фигура 1). На внутренней поверхности пластей поясов 6, 7 имеются продольные пазы 5, в которые по системе шип-паз вставлены концы стоек 3 и раскосов 4, как показано на фигуре 2. Стойки 3 и раскосы 4 закреплены в пазах 5 клеевым соединением. Стойки 3 выполнены из деревянных брусков, распределены с равномерным шагом по контуру поясов 1, 2 и расположены перпендикулярно касательной, проведенной к геометрической оси контура поясов 1, 2 фермы в продольном направлении. Раскосы 4 выполнены из одиночных ламелей, распределены по контуру поясов 1, 2 с чередованием восходящих и нисходящих элементов и расположены под углами от 30° до 40° к касательной, проведенной к геометрической оси контура поясов 1, 2 фермы в продольном направлении.
При изготовлении заявленной полезной модели, указанный технический результат достигается следующими конструктивными и технологическими особенностями:
пояса 1, 2 изготавливаются с помощью пресса с радиально-изогнутым контуром при последовательном наращивании ламелей по толщине и обжиме их струбцинами.
для изготовления поясов 1, 2 могут использоваться различные варианты прессов для изготовления клееных деревянных брусков: механический, гидравлический, стапельный, пневматический;
ламель, из которой изготавливаются пояса фермы 1, 2, должна иметь влажность не более 12%;
угол дуги радиального контура поясов 1, 2 может варьироваться от 0 до 180°;
толщины поясов 1, 2 могут варьироваться в диапазоне от 2 до 30 см, в зависимости от типа нагрузок и конкретных конструктивных и архитектурных задач;
пазы 5 в пластях поясов 6, 7 выполняются при помощи продольно-фрезерного станка;
все конструктивные элементы фермы могут быть выполнены из любой породы древесины различной сортности;
клеевая основа может варьироваться в зависимости от конкретного применения ферм; например, могут быть использованы такие виды клеев, как поливинилацетатный, полиуретановый, двухкомпонентная эпоксидная смола.
Заявленная полезная модель обладает широкими возможностями применения для строительства зданий и сооружений различного назначения с различными типами конструктивных систем. Клееная деревянная арочная фермаможет быть использована в качестве конструктивного элемента несущих каркасов полусферической формы для быстровозводимых всесезонных малоэтажных зданий и ограждающих сооружений, расположенных в районах с большой снеговой и ветровой нагрузками. Также она может найти применение при создании каркаса покрытия кровли здания в форме свода или купола, в котором требуется максимизировать полезный внутренний объем для улучшения акустических свойств или теплотехнических качеств помещения.
Библиография
1. Линзообразная деревянная ферма: авт. св. СССР №1418439, заявл. 19.02.1987, опубл. 23.08.1988. SU №1418439, E04C 3/02, 19.02.87.
2. Турковский С.Б., Погорельцев А.А., Экнадосьян И.Л. Выбор конструктивной схемы линзообразных ферм из клееной древесины [Электронный ресурс]: ежемесячный научно-технический и производственный журнал “Строительные материалы”. - №5 (581), май 2003. - Режим доступа: http://www.rifsm.ru/files/sm_05_03.pdf, свободн. - Загл. с экрана. Дата обращения: 02.02.2020, стр. 18-19.
3. Турковский С.Б., Погорельцев А.А., Преображенская И.П. Клееные деревянные конструкции с узлами на вклеенных стержнях в современном строительстве (система ЦНИИСК) / Под общей редакцией С.Б. Турковского и И.П. Преображенской. - М.: РИФ «СТРОЙМАТЕРИАЛЫ», 2013. - 308 c.
4. Double-layered wooden arch truss. United States Patent. US №4173857, Е04В 1/32, заявл. 22.11.1977, опубл. 13.11.1979.