Решетчатый строительный элемент

Полезная модель относится к области строительства, в частности к несущим комбинированным, металлодеревянным строительным элементам, используемым в несущих конструкциях каркасов, балках покрытий и перекрытий малоэтажных зданий, а также как элементы опалубочных комплектов.
Известна составная металлодеревянная балка двутаврового сечения, включающая деревянные пояса-полки и решетчатую стенку, выполненную из проволоки или полосового элемента, изогнутого зигзагообразно. Участки перегиба полосы прикреплены к полкам. По меньшей мере, одна полка содержит продольную секцию, выполненную из другого материала. Секция заделана в полку и залита в ней для образования единого элемента вместе с полкой и углами перегиба [Журнал «Изобретения за рубежом» №23, 1985 г. Международная заявка РСТ №85/02878 Е04С 3/292].
Недостатком этой балки является сложность и высокая трудоемкость изготовления, требующая формирование срединных секций, выполненных из другого конструкционного материала путем заливки пазов вместе с полкой и углами перегиба зигзагообразной решетки.
Известна ферма решетчатого типа, содержащая верхний и нижний пояса из древесного материала, непрерывную решетчатую стальную стенку в основном зигзагообразной конфигурации из гнутого прутка, расположенную между поясами и образующую наклонные стойки (ферма Уоррена - Warren truss), причем изогнутые части стенки утоплены в углубления в поясах и закреплены в углублениях отвердевающим и связующим веществом, например, полиуретановым или эпоксидным компаундом, которое образует слой, заменяющий древесный материал, удаленный для образования углублений, причем указанное вещество имеет прочность, по меньшей мере, равную прочности древесного материала указанных поясов. Углубления в поясах в одном из вариантов сделаны со стороны внутренних граней, обращенных друг к другу, а в другом исполнении - на боковых гранях [Patent US No 4,372,093 (serial NO 06200497) Grant Date Feb 8, 1983 US cl. 52/694; 52/642; Current CPC Class: E04C 3/292 (20130101) Current International Class: E04C 3/29 (20060101); E04C 3/292 (20060101); E04C 002/24 (http://www.patentbuddy.com/Patent/US-4372093-A;jsessionid=D2463D649449E8F12605CA726DB741DA?ft=true)].
Недостатком известного конструктивного решения является большая потеря конструкционного материала поясов, высокая сложность и трудоемкость изготовления глубоких и широких посадочных гнезд-углублений. От точности расположения и изготовления углублений напрямую зависит осуществимость сборки, надежность узловых соединений и качество фермы. Геометрия изогнутых участков зигзагообразной решетки не обеспечивает надежности клеевых узловых соединений, поскольку древесина имеет наиболее низкие показатели прочности при растяжении и скалывании в направлении поперек её волокон.
Наиболее близким техническим решением является решетчатый строительный элемент в виде металлодеревянной балки. Балка составлена из поясов, представляющих собой деревянные брусья и соединительную решетку, выполненную из зигзагообразно изогнутого металлического прута. Каждый пояс склеен из двух продольных брусьев. На склеиваемой поверхности, по крайней мере, одного из брусьев имеются углубления, соответствующие по форме изгибам металлического прута, который и помещается в эти углубления [Журнал «Изобретения за рубежом» №2, 1984 г. Япония, заявка № 58-21052 Е04С 3/292, В 27М 3/00 публикация 1983 г. Приоритет Швеции 1976 г.]. Данное изобретение принято за прототип.
К основным недостаткам известной конструкции относятся сложность и высокая трудоёмкость изготовления, нерациональное использование конструкционного материала. Низкая надежность узловых соединений, в которых древесина испытывает скалывание и растяжение поперек волокон древесины.
Сущность полезной модели - повышение несущей способности и надёжности узловых соединений решетчатого строительного элемента, за счет лучшей анкеровки её узлов в древесине и на наружных гранях поясов с восприятием наиболее опасных растягивающих усилий в древесине, направленных поперек волокон, расширение технологических возможностей конструирования решетчатого строительного элемента, формирования боковых углублений в поясах, имеющих простую геометрическую форму поперечных элементов соединительной решетки, возможность поточной технологии изготовления.
Технический результат полезной модели - повышение несущей способности и надежности решетчатого строительного элемента.
Технический результат достигается тем, что в известном решетчатом строительном элементе с составными верхним и нижним деревянными поясами из клееной древесины и соединительной решеткой, закрепленной в поясах между их продольных брусьев с углублениями, которые соответствуют по форме геометрии узлов и наклону поперечных элементов соединительной решетки, особенностью является то, что он объединён в единую конструкцию посредством запрессовки после нанесения на него клеевой композиции, при этом брусья поясов многослойные с внутренними слоями однородной структуры, углубления в поясах созданы рассверловкой поперечных сквозных отверстий в сплоченных брусьях по кондуктору и поперечных сквозных центровых отверстий в перпендикулярной плоскости, проходящих через узлы соединительной решетки, которая выполнена крестовой и составлена из поперечных элементов в виде отрезков металлического прута, наложенных друг на друга и жестко соединенных в местах контакта, и продольных элементов в виде металлических пластин с отверстиями, вынесенных за внешние грани поясов, между которыми натянуты поперечные элементы, концы которых пропущены через отверстия в пластинах и жестко прикреплены к ним, при этом узлы соединительной решетки, расположенные в поясах, снабжены шпильками с резьбой на свободном конце, которые пропущены через центровые отверстия в брусьях поясов и оснащены распределительными шайбами и гайками, обеспечивающими сплачивание и запрессовку многослойных поясов, а также восприятие растягивающих усилий в поясах, возникающих при неблагоприятных температурно-влажностных условиях.
Концы поперечных элементов соединительной решетки, пропущенные через отверстия в металлических пластинах, жестко прикреплены к ним при помощи сварки.
Концы поперечных элементов соединительной решетки снабжены резьбой и жестко прикреплены к металлическим пластинам при помощи гаек и клиновидных шайб.
Повышение несущей способности и надёжности решетчатого строительного элемента достигнуто за счёт создания жесткого клеевого и механического соединения разнородных материалов (деревянных и металлических частей) с одновременным упрощением изготовления, использованием крестовой решетки, повышенной жесткости с рациональной силовой работой на растяжение, расширением технологических возможностей формирования простых прямолинейных углублений, в том числе без удаления конструкционного материала, и перекрестных нахлесточных сварных соединений с обеспечением контролируемой точности и возможностью совмещения операций в поточном производстве.
Брусья поясов выполнены из клееной однородной древесины, углубления созданы в каждом из брусьев без удаления или с частичным удалением материала поясов, например, предварительной накаткой или запрессовкой поперечных элементов металлической соединительной решетки в процессе склеивания с локальным упрочнением древесины путем её уплотнения и пропитки смолой под давлением при запрессовке.
Линейные углубления в брусьях поясов с удалением материала могут быть созданы фрезерованием или поперечной рассверловкой по кондуктору предварительно сплоченных брусьев, что повышает точность изготовления и упрощает сборку строительного элемента. Подобные технологические операции с частичным удалением древесины могут быть использованы при необходимости доводки углублений, созданных предварительной разметкой, выполненной методом запрессовки соединительной решетки в брусья поясов.
Жёсткие узлы соединительной решетки перекрестной формы обеспечивают надежную анкеровку с брусьями поясов.
Механические связи в виде центровых узловых шпилек используются при сборке, запрессовке и обеспечивают необходимую проектную надежность при неблагоприятных условиях эксплуатации, воспринимая усилия растяжения.
Изобретение поясняется чертежом.
На фиг. 1 изображен в аксонометрии фрагмент решетчатого строительного элемента, где показаны: верхний пояс 1 и нижний пояс 2, составленные из клееных брусьев; соединительная решетка 3 крестового типа, изготовленная из отрезков металлического прутка с жесткими узловыми соединениями нахлесточного перекрестного типа и продольных элементов в виде металлических пластин 4, вынесенных за внешние грани поясов, между которыми поперечные элементы натянуты, а их концы жестко прикреплены к металлическим пластинам 4, при этом поперечные элементы соединительной решетки наложены друг на друга и жестко соединены в местах контакта посредством шпилек 6 с резьбой на свободных концах, расположенных в поясных узлах; боковые прямолинейные углубления 5, расположенные со стороны склеивания брусьев верхнего пояса 1 и нижнего пояса 2, соответствующие геометрии узлов соединительной решетки 3, полученные поперечной рассверловкой сплоченных брусьев с использованием кондуктора; сквозные поперечные отверстия в брусьях поясов, проходящие через центры узлов соединительной решетки 3 или рядом с ними, через которые пропущены стяжные болты или шпильки 6, стягивающие брусья поясов и воспринимающих усилия растяжения.
Крестовая форма соединительной решетки 3, благодаря внутренней статической неопределимости обеспечивает наилучшее использование конструкционной стали на растяжение, снижая влияния усилий сжатия в тонких поперечных элементах соединительной решетки 3.
Решетчатый строительный элемент состоит из верхнего пояса 1 и нижнего пояса 2, которые изготовлены преимущественно из клееной древесины. Толщина клееных брусьев не менее 50…60 мм. Рекомендуемая толщина слоёв 33-40 мм. Применение в поясах клееной древесины решает несколько важнейших технологических задач, связанных с длинномерностью конструкции, однородностью строения и управлением качеством древесины. При использовании многослойной клееной древесины внутренний склеиваемый слой однородной структуры может быть изготовлен из древесины или древесных материалов с более низкой плотностью, что упрощает предварительное формование боковых прямолинейных углублений 5 в брусьях верхнего пояса 1 и нижнего пояса 2 путём накатки или механической запрессовки соединительной решетки 3 на прессах проходного типа. Для снижения давления запрессовки оборудования и облегчения формования углублений в поясах могут быть применены известные химические составы, например, на основе аммиака, карбамида или другие традиционные приёмы пластификации древесины или древесных материалов, например, путём регулирования температуры и влажности.
Соединительную решетку 3 изготавливают из отрезков металлического прутка круглой или иной формы поперечного сечения с созданием жесткого соединения за счет склеивания в боковых прямолинейных углублениях 5 брусьев поясов в момент сборки или использования сварки.
Дискретность поперечных элементов соединительной решетки снижает требования к точности устройства боковых прямолинейных углублений 5 в поясах, расширяет технологические возможности выбора способов их устройства, позволяет использовать прутки различных толщин.
Так, при раздельной сборке поперечных элементов соединительной решетки 3 с использованием в качестве сборочного кондуктора брусьев верхнего пояса 1 и нижнего пояса 2 с готовыми боковыми прямолинейными углублениями 5, последние могут быть получены с использованием различных технологий.
Например, по безотходной технологии или с частичным удалением материала при помощи накатки, запрессовки (технологической оправки, самой соединительной решетки 3 целиком или её поперечных элементов) с последующей доводкой, при необходимости, до нужных размеров или традиционными приёмами с удалением материала путем фрезерования, рассверловкой сплоченных брусьев и др.
При использовании заранее изготовленной соединительной решетки 3 требования к точности изготовления возрастают.
В этом случае наиболее рациональным способом разметки и формирования боковых прямолинейных углублений 5 является предварительная запрессовка соединительной решетки 3 в брусья поясов с последующей доводкой углублений 5 до нужных размеров, при необходимости.
Такая необходимость может возникнуть на участках с природными дефектами древесины, например, сучками. Поэтому при изготовлении брусьев верхнего пояса 1 и нижнего пояса 2 балки предпочтительно использование клееной древесины с исключением в местах контактного взаимодействия с соединительно решеткой 3 подобных дефектов древесины или применением многослойной LVL-древесины, изготавливаемой из толстого шпона (толщиной 3-6 мм).
За счет уплотнения древесины или древесных материалов при запрессовке достигается её модификация, улучшение природных физико-механических свойств с учетом последующего склеивания и пропитки клеевым составом.
Для лучшего механического зацепления поперечное сечение прутка может быть изготовлено из периодического профиля с соответствующей нарезкой, рифами, кольцами или продольными ребрами на боковой поверхности.
Наиболее рациональными геометрическими схемами соединительной решетки 3, в которых достигается наилучшее использование прочностных свойств металла, являются геометрические решетки классических ферм типа Уоррена (Warren truss system) и Пратта (Pratt truss system) .
Как известно, решетка в системе Уоррена - раскосная в виде равнобедренного или равностороннего треугольника с нисходящими раскосами, испытывающими растяжение и восходящими раскосами, испытывающими сжатие. Решетка в системе Пратта - раскосно-стоечная с растянутыми нисходящими раскосами и сжатыми стойками.
Достоинство центрированной соединительной решетки 3 - отсутствие узловых изгибающих моментов.
В качестве конструкционного металла может использоваться малоуглеродистая сталь с защитными антикоррозионными покрытиями, например, оцинкованием или легированная, в том числе нержавеющая сталь.
Механические связи в виде центровых узловых шпилек 6 используются при сборке, запрессовке и обеспечивают необходимую проектную надежность.
Шпильки 6 могут быть приварены к узлам соединительно решетки заранее или в процессе сборки.
В процессе сборки брусьев поясов шпильки 6 устанавливают, пропуская их через сквозные поперечные центровые отверстия, просверленные в каждом сплоченном брусе поясов.
В конструктивном отношении шпилька 6 может быть выполнена в виде стержня с резьбой на обоих или на одном свободном конце. В первом случае стержень шпильки 6 непосредственно приваривается к узлу соединительной решетки 3 сбоку, с незначительным эксцентриситетом относительно центра узла. Во втором случае её конец приваривается к центру узла соединительной решетки 3, например, при помощи односторонней или двухсторонней контактной сварки, в процессе которой поперечные центровые отверстия можно использовать в качестве направляющих.
Свободные концы шпилек 6 снабжены резьбой для навинчивания гаек, которые после установки распределительной шайбы, уменьшающей давление смятия древесины поперек волокон, используются для сплачивания и создания предварительного натяжения при запрессовке.
Для поддержания усилия натяжения при эксплуатации и исключения самопроизвольного отвинчивания гаек обычно устанавливают две гайки, одна из которых является контргайкой, или, помимо распределительной шайбы-подкладки, для тех же целей используют тарельчатую шайбу или шайбу Гровера, имеющую форму разомкнутого спиралевидного кольца.
Установка таких шайб эквивалентна контргайке.
Диаметр шпилек 6 должен быть не менее толщины поперечных элементов.
Натяжение поперечных элементов соединительной решетки 3, выполненных из отрезков прутка, между продольными элементами в виде прямоугольных металлических пластин 4, снабженных отверстиями, потребует нарезки на их концах резьбы, использования гаек и клиновидных шайб.
Другой способ натяжения основан на сварке концов поперечных элементов, пропущенных через отверстия в продольных элементах - металлических пластинах 4.
В процессе сварки происходит усадка металла и создается натяжение.
Надежная анкеровка узлов соединительной решетки 3 с брусьями поясов в виде перекрестных, наложенных друг на друга и жестко соединенных между собой поперечных элементов, раздельно размещенных в боковых прямолинейных углублениях 5 каждого из брусьев, увеличивает площадь рабочей области соединения, воспринимающей усилия сдвига, выравнивает их, повышает несущую способность.
В зависимости от назначения, пролета балки, внешних нагрузок толщина прутка должна быть 6..14 мм. Увеличение толщины элементов решетки d напрямую связано с толщиной (шириной) брусьев b. Рекомендуемое соотношение b/d не менее 4.
Увеличение толщины прутка нерационально не только по расходу металла, но и по причине ослабления сечения брусьев поясов, технологических затруднений при формировании боковых прямолинейных углублений 5.
В качестве клеевого состава целесообразно использовать эпоксидные компаунды, отличающиеся безусадочностью, технологичностью и хорошей адгезией к разнородным материалам, таким как сталь и древесина.
Изготовление решетчатого строительного элемента может осуществляться стендовым способом. На участке деревообработки сначала изготавливают клееные брусья верхнего пояса 1 и нижнего пояса 2. Затем сплоченные брусья проходят совместную механическую обработку по формированию боковых прямолинейных углублений 5 фрезерованием или сверлением. Сверлятся поперечные отверстия для механических связей (болтов, винтов) и под шпильки 6.
На участке металлообработки нарезают отрезки прутьев мерной длины, на концах которых нарезают резьбу и изготавливают металлические пластины 4.
Следующий этап сборки и склеивания осуществляют на стапеле, где в качестве сборочного кондуктора используют брусья поясов, снабженные боковыми прямолинейными углублениями 5 и другие технологические приспособления.
Шпильки 6 могут быть приварены к узлам соединительной решетки заранее, на стадии её изготовления, или после сборки её с брусьями поясов. В последнем случае шпильки 6 пропускают через поперечные сквозные центровые узловые отверстия в брусьях поясов и жестко соединяют с соединительной решеткой 3 при помощи контактной сварки.
Завершающий этап – нанесение клеевой композиции, окончательная, сборка всех элементов в ансамбль и запрессовка.
Для ускорения процесса склеивания могут быть использованы токи высокой частоты, а также температурный нагрев от сварки.
Для повышения надежности клеевых соединений, предотвращения опасного расслоения из-за температурных и влажностных перепадов, а также реологических свойств древесины по внешним границам мест вклеивания соединительной решетки в брусья верхнего пояса 1 и нижнего пояса 2 конструктивно установлены дополнительные механические связи, работающие совместно с шпильками 6 на растяжение и обеспечивающие запрессовку.