ДЕРЕВЯННАЯ БАЛКА

Полезная модель относится к области строительства и может являться отдельным строительным элементом или входить в состав конструкций плит покрытия и панелей стен в качестве несущих ребер.
Известна деревянная балка прямоугольного поперечного сечения (Калугин А.В. Деревянные конструкции. Учеб. пособис. - М.: Издательство АСВ, 2003, с.74-75, рис.6.1). 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.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому эффекту является деревянная балка, предложенная B.C.Печерским (Н.А.Чихачев Деревянные конструкции. - М.: Госпланиздат, 1947, с.5-6, рис 1, 2), которая отличается более выгодным распределением материала по высоте поперечного сечения за счет приближения его формы к двутавровой. Балка вырезается из бревна, а получающиеся при этом обрезки секторной формы распиливаются на доски или бруски. Однако, известная балка 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. Кроме этого, середина высоты поперечного сечения находится у сердцевины бревна из-за чего плоскость действия наибольших скалывающих напряжений совпадет с плоскостью наиболее вероятного появления усушечных трещин. После распиловки бревна верхняя и нижняя грани балки имеют сферическую форму, что вызывает необходимость дополнительной обработки этих граней для создания плоских опорных поверхностей.
Техническим результатом, получаемым от использования полезной модели, является увеличение несущей способности балки, ее жесткости и устойчивости из плоскости изгиба.
Задача решается за счет того, что поперечное сечение деревянной балки образовано двумя трапециевидными и двумя треугольными элементами, жестко соединенными между собой, полученными при продольной распиловке квадратного бруса тремя параллельными распилами, проходящими по диагонали квадрата и на расстоянии 0,20-0,33 стороны квадрата от углов, противоположных диагональному распилу, при этом, трапеции соединены между собой узкими основаниями, а треугольные элементы с двух сторон катетами примыкают к боковым сторонам трапециевидных элементов в середине высоты поперечного сечения балки.
Кроме этого, треугольные элементы могут быть расположены только в опорных зонах балки на участках длиной 0,25 пролета балки.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, где на фиг.1 - показано поперечное сечение деревянной балки, на фиг.2 - вид балки сбоку, на фиг.3 - схема распиловки квадратного бруса.
Балка включает два трапециевидных элемента 1, жестко соединенных между собой узкими основаниями, и два треугольных элемента 2, которые с
двух сторон катетами жестко примыкают к боковым сторонам трапециевидных элементов 1 в середине высоты поперечного сечения балки по всей ее длине или только в опорных зонах на участках длиной 0,25 пролета балки.
Балка работает следующим образом. При действии вертикальной нагрузки происходит поперечный изгиб балки, при этом, возникающие нормальные напряжения воспринимаются трапециевидными 1 и треугольными 2 элементами, жестко соединенными между собой, например, при помощи клея. Соединение трапециевидных элементов 1 между собой узкими основаниями позволяет сконцентрировать материал в зонах, наиболее удаленных от нейтральной оси, что приводит к существенному увеличению геометрических характеристик поперечного сечения в сравнении с аналогом при одинаковом расходе материала. Жесткое соединение треугольных элементов 2 катетами с боковыми сторонами трапециевидных элементов 1 в середине высоты поперечного сечения балки позволяет более чем в два раза увеличить ширину площадки скалывания, что обеспечивает надежное восприятие балкой скалывающих напряжений. При распиловке квадратного бруса по диагонали и на расстоянии 0,20 стороны квадрата от углов, противоположных диагональному распилу, достигается максимальное увеличение геометрических характеристик поперечного сечения при условии обеспечения восприятия балкой скалывающих напряжений. При расположении распила на расстояние 0,33 стороны квадрата достигается максимальная величина ширины площадки скалывания при минимальном увеличении геометрических характеристик поперечного сечения в сравнении с квадратным брусом при условии равного расхода материалов, что целесообразно в случае действия больших поперечных сил, например, при подвеске кранового оборудования к опорным зонам балок.
Таблица
Тип конструкции
Балка 200×200
Предлагаемая балка при распиле на расстоянии
Параметр
мм
0.19А
0,20А
0,27А
0,33А
0,34А
Момент сопротивления, см<sup>3</sup>
1333
2444
1933
1672
1444
1415
Момент инерции, см<sup>3</sup>
13333
22599
21782
17220
13520
13070
Максимальное значение нагрузки "q" из условия восприятия нормальных пряжений при Ru=130 кгс/см<sup>2</sup>
866,0
1590
1260
1090
938
919
Напряжения скалывания на опоре при действии нагрузки "q" и Rск=15 кгс/см<sup>2</sup>
6,50
17,70
13,60
9,60
7,50
7,20
В таблице в качестве примера приведены результаты расчета однопролетной балки пролетом 4,0 м с шарнирно опертыми концами при действии на балку равномерно распределенной нагрузки "q".
Дополнительное сокращение расхода материалов на балку может быть достигнуто за счет размещения треугольных элементов 2 только в опорных зонах балки на участках длиной 0,25 пролета балки, на которых действуют максимальные значения скалывающих напряжений. Четыре треугольных элемента 2 длиной 0,25 пролета балки получают путем распила одного элемента на четыре равные части, при этом второй треугольный элемент 2, получаемый при продольной распиловке квадратного бруса, используется в строительстве на другие нужды (например, как плинтус, брусок, нащельник и т.п).
Кроме этого, поперечное сечение из трапециевидных 1 и треугольных 2 элементов имеет большую ширину в сравнении с квадратным поперечным сечением такой же площади, за счет чего достигается увеличение устойчивости балки в целом при изгибе из плоскости, что позволяет упростить конструктивные мероприятия, обеспечивающие устойчивость балок из плоскости их изгиба, т.к. расстояние между точками поперечного раскрепления балок можно увеличить. Широкие плоские верхняя и нижняя грани балки позволяют просто и надежно выполнять сопряжения с нижележащими и вышележащими конструкциями.
При применении предлагаемой 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 балки позволяют увеличить степень участия обшивок в общей работе плит и панелей.