Несущая строительная конструкция
LOAD-BEARING BUILDING CONSTRUCTION

Устройство относится к деревянным строительным конструкциям, а именно к конструкциям типа несущих балок и может быть использовано при новом строительстве, а также при усилении перекрытий зданий, пролетных строений мостов и эстакад.
В центре внимания конструкторов и исследователей постоянно находится проблема повышения надежности деревянных балочных конструкций, работающих на изгиб. Наиболее эффективным способом повышения прочности и надежности таких конструкций оказался способ подкрепления деревянных элементов стальными. На этой основе и разработаны известные металлодеревянные конструкции.
Известны длинномерные несущие строительные элементы (балки) по патентам России №№2022109, 2109893, 2215858, авт. свид. СССР на изобретение №687208, патент РСТ WO 98/07933, заявка ФРГ OS 2350339 и другие.
Известные несущие строительные балки описаны в специальной литературе, например, в учебном пособии Щуко В.Ю., Рощина С.И. Клееные армированные деревянные конструкции: Владимирский гос. ун-т, Владимир, 2007, с. 68, в справочнике Проектирование и расчет деревянных конструкций под редакцией И.М. Гриня, - Киев.: БУДИВЭЛЬНИК, 1988. - С. 31-40, 68-87.
Общим недостатком известных армированных конструкций является трудоемкость их изготовления и, в частности, процесс вклеивания арматуры, который включает: операции приготовления клеевой композиции для склеивания арматуры с древесиной, сверление отверстий для поперечных стержней, подготовку арматуры (резку и сращивание по длине, очистку от загрязнений, обезжиривание, сварку каркасных конструкций), нанесение клеевой композиции, укладку и запрессовку стержней, канатов или пластин арматуры.
Наиболее близким техническим решением к заявляемому устройству является деревянная балка с прямоугольным поперечным сечением и фрезерованными продольными пазами на ее верхней или нижней гранях, в которые вклеен армирующий стальной канат. Траектория паза и, соответственно, каната является синусоидальной в приопорных участках балки и прямолинейной в ее центральной части. На армированную плоскость наклеивается защитный слой древесины, предотвращающий биоразрушение клеевого соединения. Криволинейные участки армирующего каната способствуют его удержанию в древесине при деформации балок, а прямолинейные участки каната увеличивают общую изгибную прочность конструкции (Кощеев А.А. Разработка конструктивных и технологических решений деревянных балок с криволинейным тросовым армированием. Автореф. дисс. на соиск. уч. степ, канд. тех. наук. - Архангельск, 2021, с. 20.) - прототип.
Недостатками прототипа являются: повышенная трудоемкость изготовления, связанная с необходимостью фрезерования криволинейных пазов на специальном оборудовании; организация дополнительного участка приготовления клеевой композиции; ручная вклейка армирующего каната (Кощеев А.А. Разработка конструктивных и технологических решений деревянных балок с криволинейным тросовым армированием. Автореф. дисс. на соиск. уч. степ. канд. тех. наук. - Архангельск, 2021, с. 17) и длительная, 5-6 дней, выдержка склеенных изделий до окончания периода полимеризации клеевой композиции (Кощеев А.А. Разработка конструктивных и технологических решений деревянных балок с криволинейным тросовым армированием. Диссертация на соиск. уч. степ. канд. тех. наук. - г. Владимир, 2021, с. 121); необходимость биозащиты клеевого соединения каната с древесиной путем наклеивания дополнительного защитного слоя древесины.
Кроме этого недостатком прототипа является использование клеевого соединения не равнопрочных материалов - древесины и стального каната, что приводит к продольному скалыванию древесины задолго до разрушения каната при изгибе балки, а значит к потере прочности всей конструкции.
Задача, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, заключается в создании новой несущей строительной конструкции в виде балки с повышенными прочностными характеристиками, изготовление которой отличается малой трудоемкостью, простотой изготовления и обслуживания, снижением использования видов технологического оборудования и расходных материалов, снижением себестоимости конечной продукции.
Решение данной задачи достигается за счет того, в несущей строительной конструкции, включающей горизонтальную с прямоугольным поперечным сечением деревянную балку с одним или несколькими продольными пазами на верхней грани и армирующие металлические канаты, балка установлена на опорах, выполненных с пазами, торцы балки снабжены жестко скрепленными с ними металлическими накладками, выполненными с верхним и нижним пазами, причем нижний горизонтальный срез накладок расположен ниже нижней грани балки, а в пазах балки, накладок и опор размещен натянутый натяжным устройством металлический канат, ось которого образует замкнутую траекторию, огибающую верхнюю грань балки и металлические накладки, при этом глубина пазов балки и накладок превышает величину диаметра используемого каната. Металлические накладки могут быть оснащены жестко скрепленными с ними и установленными выпуклостью наружу выгнутыми в вертикальной плоскости по дуге окружности металлическими направляющими канатов. Металлические накладки могуч быть оснащены жестко скрепленными с ними металлическими пластинами, прилегающими к граням балки и жестко скрепленными с ними.
Устройство имеет следующие отличия от прототипа:
- балка установлена на опорах, выполненных с пазами;
- торцы балки снабжены жестко скрепленными с ними металлическими накладками, выполненными с верхним и нижним пазами, причем нижний горизонтальный срез накладок расположен ниже нижней грани балки;
- в пазах балки, накладок и опор размещен натянутый натяжным устройством металлический канат, ось которого образует замкнутую траекторию, огибающую верхнюю грань балки и металлические накладки;
- глубина пазов балки и накладок превышает величину диаметра используемого каната;
- металлические накладки могут быть оснащены жестко скрепленными с ними и установленными выпуклостью наружу выгнутыми в вертикальной плоскости по дуге окружности металлическими направляющими канатов;
- металлические накладки могут быть оснащены жестко скрепленными с ними металлическими пластинами, прилегающими к граням балки и жестко скрепленными с ними.
Снабжение торцов балки жестко скрепленными с ними металлическими накладками повышает прочность торцевой поверхности балки при передаче осевых усилий от каната на древесину балки, а расположение нижнего горизонтального среза накладок ниже нижней грани балки обеспечивает минимизацию величины деформации балки, так как нарастание изгиба балки при нарастании нагрузки сопровождается поворотом торцевых накладок на некоторый угол и, как следствие, растяжением каната нижними срезами накладок.
Отметим, что явление растяжения каната или, другими словами, увеличения напряжения в канате прогрессирует, при нагружении балки, с увеличением расстояния от нижней грани балки до нижнего среза накладок.
Таким образом, величина деформации изгиба балки ограничена допустимой величиной растяжения или напряжения каната, которая зависит от его прочности, определяемой типом и диаметром используемого каната. Зная величину нагрузки на несущую строительную балку, можно определить искомые параметры каната, ориентируясь на табулированную величину его прочности при растяжении, обеспечивающие прогиб балки в пределах упругости, то есть без разрушения балки.
Таким образом, прочность предлагаемого несущей строительной балки определяется допускаемой прочностью на разрыв используемого каната.
Выполнение пазов в опорах и накладках, размеры которых соответствуют размерам пазов в балке, обеспечивает плавный изгиб каната по всей траектории его расположения.
Свободное, а не вклеенное, в отличие от прототипа, размещение натянутого каната в пазах конструкции, обеспечивает снижение трудоемкости при сборке предлагаемой несущей строительной конструкции, а замкнутая траектория оси каната, огибающая опоры, балку и металлические накладки, исключает необходимость жесткого скрепления (склеивания) каната и древесины балки.
Выполнение глубины пазов балки и накладок с размером превышающим величину диаметра используемого каната обеспечивает отсутствие непосредственного контакта груза, размещенного на предлагаемой несущей строительной конструкции, и каната. Известно, что силовое воздействие на канат, направленное перпендикулярно его оси резко увеличивает растягивающие напряжения в канате. В предлагаемом техническом решении контакт груза будет происходить только с верхней гранью балки, что обеспечивается выполнением необходимой глубины паза.
Возможное оснащение металлических накладок жестко скрепленными с ними и установленными выпуклостью наружу выгнутыми в вертикальной плоскости по дуге окружности металлическими направляющими канатов обеспечивает снижение растягивающих и сжимающих усилий в местах изгиба траектории канатов, что увеличивает период их безаварийной эксплуатации.
Возможное оснащение металлических накладок жестко скрепленными с ними металлическими пластинами, прилегающими к граням балки и жестко скрепленными с ними, обеспечивает повышение жесткости скрепления накладок и деревянных балок в предлагаемой конструкции, а также увеличивает изгибную прочность балки. Последнее справедливо в наибольшей степени в том случае, если металлические пластины образуют короб (башмак), охватывающий периферийные (приопорные) части балки по периметру их сечения.
Техническим результатом, обеспеченным приведенной совокупностью отличительных признаков, является создание новой конструкции несущей строительной конструкции с повышенными прочностью и несущей способностью, изготовление которой отличается: малой трудоемкостью; простотой изготовления и обслуживания; снижением использования видов технологического оборудования и расходных материалов; снижением себестоимости конечной продукции.
Сопоставительный анализ заявляемого технического решения и прототипа выявляет наличие отличительных признаков у заявляемого устройства по сравнению с наиболее близким аналогом, что позволяет сделать вывод о соответствии предлагаемого технического решения критерию «новизна».
В просмотренном патентно-информационном фонде не обнаружено технических решений с указанными отличиями, а также технических решений с указанной совокупностью отличительных признаков.
Предлагаемое техническое решение применимо и может быть использовано при новом строительстве, а также при усилении перекрытий зданий, пролетных строений мостов и эстакад.
Сущность предлагаемого изобретения иллюстрируется следующими материалами:
Фиг. 1 Несущая строительная конструкция, вид спереди.
Фиг. 2 То же, вид слева.
Фиг. 3 Пояснительная схема развития деформаций несущей строительной балки при нагружении.
Устройство включает деревянную балку 1 с торцевыми металлическими накладками 2, металлический канат 3 и устройство натяжения каната 4. Устройство лежит на опорах 5.
Устройство работает следующим образом.
Деревянную балку 1 устанавливают на опорах 5, выполненных с пазом для пропуска металлического каната 3. При нагружении балки 1 силой F (фиг. 3) возможен ее прогиб на величину, пропорциональную величине силы F.
Однако величина прогиба балки 1 в предлагаемом устройстве ограничена, так как развитие деформации изгиба балки 1 приводит к повороту металлических накладок 2 на некоторый угол α, а значит и растяжению на величину 21 (фиг. 3) металлического каната 3, предварительно натянутого устройством натяжения каната 4 и огибающего балку 1 и металлические накладки 2 по замкнутой траектории.
Таким образом, изгибная прочность балки 1 предлагаемого устройства определяется прочностью на растяжение каната, которая выбирается по условиям максимального нагружения балки 1 силой F.
Особенности описанной конструкции несущей строительной балки открывают широкие возможности ее использования в объектах строительства различного назначения, а так же для устройства переправ при прокладке лесовозных дорог, где в качестве балки 1 могут быть использованы сортименты, имеющие круглое сечение. При этом изготовление балок требуемой длины возможно как на местах, так и в производственных условиях.