КАРКАСНЫЙ БЛОК ДЛЯ СТРОИТЕЛЬНОЙ КОНСТРУКЦИИ

Полезная модель может быть использована в любых каркасных конструкциях, фермах и конструкциях для промышленных и гражданских сооружений.
Кроме того, каркасный блок для стеновой панели может быть использован как силовой элемент из древесины, выдерживающий значительные нагрузки в длинномерных строительных конструкциях, а именно в качестве несущих стеновых блоков, балок, стоек, опор, элементов ограждения и тому подобных строительных конструкций.
Каркасный блок является сборной строительной конструкцией, которая обладает большой несущей способностью, повышенной жесткостью и прочностью деревянной конструкции и обеспечивает возможность крепления теплоизоляционного материала в каркасном блоке. В частности, каркасный блок может быть использован в сооружениях при возведении стен из отдельных пустотелых блоков с утеплителем, а также в качестве фасадных стеновых панелей для, например, зданий с вентилируемыми фасадами.
Известно изобретение «Деревянная клееная ферма и способ ее изготовления», патент RU 2196865, публ. 2003.01.20, МПК Е 04 С 3/14, содержащее соединительную решетку, закрепленную между поясными элементами в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Изобретение позволяет, повысить жесткость и прочность каркасных деревянных конструкции, однако требуется изготовление сложных по форме соединительных элементов в виде зубчатых шипов и соответствующих им по форме пазов. Кроме того, требуется в наиболее напряженных сечениях использовать спелую, качественную древесину с высоким модулем упругости, что существенно удорожает и усложняет процесс сборки конструкции.
Известно изобретение «Сборная строительная конструкция», патент RU №2204668, публ. 2003.05.20, МПК Е 04 С 3/12, Е 04 В 1/10, содержащую полый блок, состоящий из расположенных вертикальными рядами на определенном расстоянии друг от друга с образованием полости продольных элементов, - продольные элементы в каждом ряду скреплены по высоте, смежные ряды продольных элементов объединены между собой посредством, по меньшей мере, одного связующего элемента, в каждом ряду на
расстоянии друг от друга выполнены вертикальные сквозные и/или глухие отверстия и/или пазы для установки в них фиксаторов. Изобретение позволяет изготавливать сборные строительные конструкции, однако имеют недостаточную прочность и жесткость конструкции, а также имеют ограничение при использовании их в качестве самостоятельных модулей при использовании их в строительстве.
Известно изобретение «Сборная стеновая конструкция», патент RU №2225485 публ. 2004.03.10, МПК Е 04 В 2/16, содержащая жесткие соединительные элементы. Конструкция позволяет возводить стены из отдельных пустотелых блоков без раствора, снизить трудоемкость, стоимость и упростить возведения стен. Однако не позволяют существенно облегчить конструкцию блока при увеличении его несущей способности, а также закрепить внутри блока теплоизоляционный материал.
Известно изобретение «Способ изготовления клееных деревянных конструкций», патент RU №2231442, публ. 2004.06.27, МПК В 27 М 1/02, при котором конструкция включает рейки или бруски, разнесенные на определенное расстояние. Изобретение позволяет упростить изготовление конструкции, однако не решает задачи увеличения несущей способности конструкции.
Известно изобретение «Клееный деревянный брус», патент RU №2266376 публ. 2005.12.20, МПК Е 04 С 3/12, состоящий из пакета склеенных между собой досок и продольных вставок с образованием n пустотных камер. Изобретение позволяет снизить внутренние напряжения волокон древесины, однако не обеспечивает повышение жесткости и несущей способности конструкции за счет рассредоточения внешней нагрузки на составляющие части.
Известно изобретение «Деревянная клееная ферма и способ ее изготовления», заявка RU №2000116751, публ. 2002.07.20, МПК Е 04 С 3/12, включающая соединительную решетку, заключенную между поясными слоями и закрепленную между поясными элементами в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Однако изобретение не решает задачу построения жестких размерных цепей через клеевое соединение за счет деления внешней нагрузки путем рассредоточения ее на составляющие части с использованием свойств древесины для их формирования.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является изобретение «Элемент стеновой конструкции», заявка RU №2004112510, публ. 2005.10.20, МПК Е 04 С 3/14, выполненный в виде полого блока, включающего расположенные на определенном расстоянии друг от друга два наружных продольных элемента (продольные тяжи) и соединительные элементы. Однако изобретение не решает задачу построения жестких размерных цепей через клеевое соединение за счет деления внешней нагрузки путем рассредоточения ее на составляющие части с использованием свойств древесины для их формирования.
В настоящие время существует потребность изготовления легких, недорогих конструкций стеновых блоков, которые бы выдерживали нагрузки, сравнимые с несущей способностью, например, бетонных стеновых блоков, но при этом имели бы хорошие теплоизоляционные характеристики, обеспечивали легкую собираемость таких стеновых блоков при строительстве за счет модульной сборки и могли бы использоваться в качестве несущих строительных конструкций, которые при этом не требуют дополнительного утепления здания. А также необходимо решить задачу одновременного использования таких конструкций в качестве фасадных панелей для утепления фасада здания.
Для решения данной задачи традиционно используют деление внешней нагрузки путем рассредоточения ее на составляющие части, которые в свою очередь воздействуют на отдельные стержневые элементы, в так называемых, пространственно разнесенных стержневых конструкциях (ПРСК). Однако данные конструкции не используют ПРСК с жесткими размерными цепями, а также не используют свойства самой древесины для формирования жестких размерных цепей через клеевое соединение. Однако жесткие размерные цепи можно обеспечить только при осуществлении жесткой формы каркасной конструкции, жесткость обеспечивают за счет жестких соединений. Однако при различных линейных расширениях во взаимно перпендикулярном направлениях по срезу, задача обеспечения жесткого соединения таких деталей является основной. Для каркасных блоков из древесины жестким соединением может считаться только клеевое соединение с определенной площадью клеевого пятна. Все остальные способы соединения древесины, например, с помощью шпонок, гвоздей, пазов или зубцов, не может считаться жестким из-за способности древесины существенно изменять свои размеры в зависимости от направления волокон и влажности.
Кроме того, в известных конструкциях не используют встроенные соединительные элементы, позволяющие собирать из отдельных ПРСК функционально законченные строительные блоки.
Таким образом, техническим результатом предложенной полезной модели является создание каркасной конструкции для строительных конструкций, например, блоков с использованием ПРСК с жесткими размерными цепями посредством клеевого соединения отдельных элементов конструкции, а также использование свойства древесины при формировании жестких размерных цепей для обеспечения стабильности конструкции. Кроме того, достигается модульная сборка стеновых панелей.
Данный технический результат достигается следующим образом.
Каркасный блок для строительной конструкции, выполнен в виде полого блока, включающего расположенные на определенном расстоянии друг от друга наружные продольные элементы (продольные тяжи) и соединительные элементы. Каркасный блок отличается тем, что он снабжен полыми блоками, собранными из пространственно разнесенных стержневых конструкций (ПРСК) с жесткой размерной цепью и соединительных элементов. Причем, каждый ПРСК с жесткой размерной цепью симметричен относительно своих вертикальной и/или горизонтальной осей и включает стержневые элементы, поперечные тяжи и клеевые соединения, а стержневые элементы ПРСК с жесткими размерными цепями являются несущими нагрузки, и представляют собой бруски из древесины, зафиксированные в поперечных тяжах посредством клеевого соединения, либо со стороны тангенциального, либо со стороны радиального распила или при комбинированном способе их ориентации, в зависимости от заданной влажности стержневых элементов и условия минимизации напряжений в клеевом соединении. При этом отношение высоты брусков к его длине и ширине соответственно составляет от 10 до 12. Стержневые элементы объединены в несущие звенья, которые разнесены друг от друга с заданным шагом, обеспечивающим жесткие размерные цепи в соответствии с заданной нагрузкой на каркасный блок и включают нечетное количества несущих звеньев, что обеспечивает перекрытие ПРСК между собой в вертикальных рядах каркасного блока. Несущие звенья снабжены установочными местами для соединительных элементов (нагелей). Клеевые соединения ПРСК имеют площадь клеевого контакта от 100 до 1600 кв.мм, а соединительные элементы (нагели) полого блока обеспечивают крепление ПРСК в каркасном блоке между собой, как
в горизонтальные, так и в вертикальные слои. Соединительные элементы могут располагаться относительно несущих звеньев ПРСК как параллельно, так и под углом, или перпендикулярно им. Причем часть соединительных элементов (нагелей) выполнена в виде компенсационных соединительных элементов. В каркасном блоке размер ПРСК с жесткой размерной цепью, в частности, выбран из расчета геометрии каркасного блока стеновой панели. В каркасном блоке несущие звенья ПРСК могут иметь геометрические размеры исходя из геометрических размеров стержневых элементов, которые рассчитывают в зависимости от требуемого размера каркасного блока, который состоит из соединенных в горизонтальные и/или вертикальные слои ПРСК с жесткими размерными цепями. Несущие звенья ПРСК с жесткими размерными цепями в каркасном блоке могут быть пространственно зафиксированы с образованием размерных цепей с фиксированным или переменным шагом несущих звеньев. Расстояние между стержневыми элементами ПРСК с жесткими размерными цепями может быть равно в размерной цепи двойной ширине несущего звена. Компенсационные соединительные элементы (нагели) могут быть расположены, например, в центральных частях ПРСК. Стержневые элементы (нагели) могут располагаться между поперечными тяжами вдоль размерной цепи в вертикальных рядах под углом либо 135 градусов, либо 45, а в горизонтальных рядах каркасного блока под углом 90 градусов. В соединительных элементах конструктивно может быть предусмотрена возможность компенсации зазоров в соединении между ПРСК за счет прокладки, например, из пенополиэтилена экстругированного физически сшитого, расположенного в сечении соединительного элемента по диагонали на всю длину элемента.
Данное техническое решение иллюстрируется следующими чертежами.
Фиг.1 - основной вид каркасного блока стеновой панели а) без теплоизоляционных плит, в местном сечении соединительный элемент условно не показан; б) с теплоизоляционными плитами.
Фиг.2 - вид сверху каркасного блока
Фиг.3 - элемент ПРСК с тяжами и стержневыми элементами, образующие несущие звенья, соединенные в жесткие размерные цепи в вертикальных рядах под углом 45 градусов а) вид сбоку; б) вид сверху. Для удобства восприятия показан только
задающий размерную цепь центральный ряд. Боковые ряды ПРСК на рисунке условно не показаны.
Фиг4 - вид сверху ПРСК с тяжами и стержневыми элементами, образующие несущие звенья, соединенные в жесткие размерные цепи в горизонтальных рядах каркасного блока под углом 90 градусов между стержневыми элементами а) с постоянным шагом несущих звеньев; б) с переменным шагом несущих звеньев. Изображены только центральные ряды, без боковых.
Фиг.5 - сечение по пятну склейки стержневых элементов и тяжей а) со стороны тангенциального распила, б) со стороны радиального распила.
Фиг.6 - продольное сечение каркасного блока стеновой панели из собранных между собой ПРСК с жесткими размерными цепями, соединенные посредством соединительных элементов
Фиг.7 - поперечное сечение ПРСК с жесткими размерными цепями, скрепленными между собой соединительными элементами
Каркасные конструкции для строительных панелей различают двух видов. Каркасные конструкции, у которых высота и ширина панели соизмеримы (Фиг.1) и каркасные конструкции, у которых высота панели намного меньше его ширины (Фиг.3). Каркасные конструкции первого типа называют стеновыми панелями, а конструкции второго типа - фермами, перекрытиями, балками.
Предложенное техническое решение позволяет выполнить несущие строительные конструкции из дерева с несущей способностью, не уступающей несущей способности строительных панелей, например, из бетона, при этом используя свойства древесины, проявляющееся в клеевых соединениях. При этом данные строительные панели экологичнее, легче и эргономичнее. Они позволяют использовать теплоизоляцию, которую крепят в каркасном блоке (см. Фиг.1б).
Стеновые панели имеют от двух и более вертикальных слоев и столько же - горизонтальных слоев. (Фиг 1а) Ферма имеет один или два вертикальных слоя и в несколько раз больше горизонтальных слоев. (См. Фиг.3а, б). Стеновая панель состоит из законченных блоков ПРСК. На рисунке все блоки показаны полностью, вместе с боковыми рядами.
2
2
2
2
Причем и те и другие в поперечнике устроены следующим образом. Между двумя поперечными тяжами (1) располагаются перпендикулярно тяжам (1) стержневые элементы (2). Каждый стержневой элемент (2) жестко соединен с тяжем (1) посредством клеевого соединения (3). Причем площадь клеевого контакта должна быть не менее 100 мм и не более 1600 мм. Это обусловлено тем, что для организации жестких размерных цепей требуется обеспечить жесткое соединение, не изменяющееся при возникновении внутренних напряжений в материале стержневых элементов и тяжей по пятну склейки. Поскольку усилия, возникающие в клеевом соединении из-за различных значений коэффициентов сжатия и растяжения в тангенциальном и радиальном срезе брусков, выступающих в качестве стержневых элементов и тяжей, являются разрушительными напряжениями для данного клеевого соединения, размер площади клеевого контакта не может быть больше 1600 мм В противном случае клеевое соединение может разрушится и не будет удовлетворять требованию жесткого клеевого соединения. Этот процесс усиливается и за счет различной влажности стержневых элементов, как между собой, так и относительно тяжей. Однако площадь клеевого сечения, меньшая чем 400 мм не будет обеспечивать требуемой жесткости соединения, которая необходима для организации жестких размерных цепей.
Каждый стержневой элемент (2) выполнен в виде бруска, высота которого к его длине или ширине не должна превышать значения 10-12. Данное соотношение сторон бруска стержневого элемента обеспечивает необходимую устойчивость стержневого элемента и отсутствие в клеевом соединении вращательного момента. Реальный переход от разрушения материала к потере устойчивости при продольном сжатии рассчитывают по формуле Эйлера. Известно, что область потери устойчивости при сжатии наступает при соотношении длины к толщине стержня в пределах от 5 до 10. (Д.Гордона «Конструкции или почему не ломаются вещи», Изд-во «Мир», Москва, 1980.)
Формула Эйлера относится к случаю, когда стержень имеет шарнирное закрепление и может свободно поворачиваться. Все, что препятствует концам стержня поворачиваться приводит к увеличению критической нагрузки потери устойчивости. В крайнем случае, когда оба конца стержня жестко заделаны, критическая нагрузка увеличивается в 4 раза. При организации жестких размерных цепей с помощью клеевого соединения имеем промежуточный вариант за счет клеевого соединения вертикальных стержней и поперечных тяжей, в котором минимизируются внутренние напряжения в стержнях, но используется свойство материала к расширению. Для получения исходного
соотношения длины стержня к толщине в конструкции дополнительно добавлен продольный тяж, расположенный посередине вертикальных стержней.
В предлагаемой полезной модели выбирают соотношение равным от 10 до 12, считая, что эта величина оптимальна при сочетании экономии материала в конструкции, ее жесткости и прочности клеевого соединения.
Стержневые элементы (2) являются несущими нагрузки элементами. Они объединены, например, попарно в несущие звенья (Фиг.7). Таким образом, несущие звенья обеспечивают дополнительную жесткость клеевым соединениям (3), поскольку являются вместе с частью тяжа (1), рамочными конструкциями, которые выступают в качестве усилителей. Несущие звенья (4), размещенные в поперечном тяже (1) на расчетном расстоянии «А» (Фиг.4а, б), обеспечивают не только деление внешней нагрузки путем рассредоточения ее на составляющие части, которые в свою очередь воздействуют на отдельные стержневые элементы, но и использование свойств древесины для формирования жестких размерных цепей через клеевое соединение. Таким образом, ПРСК (5) с жесткими размерными цепями отличаются от традиционных ПРСК тем, что в предложенном устройстве строительных панелей обеспечивают жесткое соединение в местах передачи рассредоточенной внешней нагрузки. Жесткие размерные цепи могут быть с постоянным шагом (А), например, для стеновых панелей, и с переменным шагом, например, для ферм. Выбор шага зависит от условий работы каркасных блоков строительных панелей. Таким образом достигается организация жестких размерных цепей между несущими звеньями, что позволяет существенно увеличить несущие нагрузки на каркасный блок, например, до соизмеримых с несущими нагрузками бетонных панелей. Кроме того, обеспечивается жесткость каркасного блока, т.е. постоянство его формы, что важно при креплении теплоизоляционного материала.
Каждый ПРСК (5) с жесткой размерной цепью симметричен относительно своих осей, либо в горизонтальном, либо в вертикальном направлениях, что обеспечивает модульную сборку для разных типов панелей, как для стеновых панелей, так и для ферм. Кроме того, при объединении отдельных ПРСК в вертикальные и горизонтальные ряды каркасного блока, они перекрывают друг друга (Фиг.1). Перекрытия ПРСК достигают за счет нечетного количества несущих звеньев в ПРСК. Размер отдельного ПРСК определяют с учетом удобства его применения как в фермах, так и в стеновых панелях. В качестве основных размеров выбран размер 600×400×140 мм, также имеются горизонтальные и вертикальные половинки ПРСК, равные 300×400×140 мм и 600×200×140 мм. На практике, из соображений технологичности
конструкции, минимальные габариты одного звена 60×60 мм. Чаще всего в поперечном направлении используют соотношение 60×140 мм. Размеры указаны с учетом поперечных тяжей. Например, расстояние между несущими звеньями ПРСК в жесткой размерной цепи выбрано равным двойной длине звена и составляет 120 мм.
Использование свойств древесины при формировании жестких размерных цепей обеспечивает стабильность конструкции и существенно удешевляет и упрощает ее сборку. Соединение брусков в тангенциальном и радиальном направлении срезов или в их комбинации в горизонтальных и вертикальных слоях ПРСК, не влияет на стабильность конструкции благодаря перпендикулярным, относительно несущих звеньев, стержневым элементам (2), расположенным в горизонтальном слое. Это обусловлено значительно меньшими изменениями линейных размеров для древесины различных сортов (в среднем в 100 раз) в долевом, чем в радиальном или тангенциальном направлениях, при изменении .влажности окружающего воздуха. Соответственно в вертикальных слоях ПРСК могут иметь стержневые элементы под углом 135 или 45 градусов.
Несущие звенья снабжены установочными местами («а») для соединительных элементов (6). Соединительные элементы (6) обеспечивают крепление ПРСК (5) в каркасном блоке между собой как в горизонтальные, так и в вертикальные ряды (слои) (Фиг.6). Бруски стержневых элементов при сборке конструкции не требуется подбирать по срезу относительно соединительных элементов за счет компенсационных соединительных элементов. Они выполнены, например, с диагональным разрезом на всю длину соединительного элемента с прокладкой из упруго материала, например, из пенополиэтилена экстругированного, сшитого физически.
Таким образом, основным отличием является распределение внешней нагрузки между стержневыми элементами, с последующим одновременным минимизированием внутренних напряжений.
Таким образом осуществлена каркасная конструкция для строительных конструкций, например, блоков с использованием ПРСК с жесткими размерными цепями посредством клеевого соединения отдельных элементов конструкции, а также использование свойства древесины при формировании жестких размерных цепей для обеспечения стабильности конструкции. Кроме того, достигается возможность модульной сборки стеновых панелей.