Деревянная балка

Полезная модель относится к строительным конструкциям, а именно, к изгибаемым деревянным конструкциям типа балок, преимущественно, из клееной древесины, и может быть использована при новом строительстве, а также при усилении, в покрытиях и перекрытиях зданий и сооружений промышленного и гражданского назначения.
Известна деревянная балка, включающая пакет клееных досок составного по ширине сечения, в нижнюю и верхнюю зоны составных частей которого вклеены стальные арматурные стержни, расположенные в верхней сжатой зоне горизонтально, а в нижней растянутой зоне изогнутых по линиям, близким к конфигурации линии главных растягивающих напряжений, а именно, с горизонтальным расположением стержней в средней части пролета, а на приопорных участках - имеющие отгибы в верхнюю зону, при этом стальная арматура располагается в пазах, пройденных фрезами с внутренней стороны составных частей клееного пакета досок (Щуко В.Ю., Рощина С.И. Клееные армированные деревянные конструкции: Учебное пособие. - Владимир: Владимирский государственный университет, 2007, стр. 56, рис. 27, в).
Недостатком известного технического решения является низкая несущая способность деревянной балки вследствие расположения отгибов на приопорном участке балки только в одной наклонной плоскости, а также повышенная трудоемкость изготовления, связанная с необходимостью проведения дополнительных работ по обеспечению точного совпадения конфигурации стальных арматурных стержней, имеющих отгибы, с положением пазов в парных составных частях балки, предназначенных для их вклейки.
Наиболее близким техническим решением к заявляемой полезной модели является деревянная балка, включающая пакет клееных досок, в нижнюю и верхнюю зоны которого вклеены полукаркасы из стальных арматурных стержней, состоящие из продольных горизонтальных стержней с приваренными к ним под углом 45° наклонными стальными стержнями, при этом группы наклонных стержней размещаются на приопорных участках балки, а стальная арматура располагается в пазах и шпурах, пройденных в клееном пакете досок (Щуко В.Ю., Рощина С.И. Клееные армированные деревянные конструкции: Учебное пособие. - Владимир: Владимирский государственный университет, 2007, стр. 24, рис. 17, б). Наклонные стальные стержни предотвращают возможность хрупкого разрушения от скалывания клеевых швов или древесины в зоне их установки.
Недостатком известного технического решения является низкая несущая способность деревянной балки вследствие недостаточной анкеровки наклонных стержней полукаркасов, работающих на растяжение, в средней по высоте части деревянной балки, где касательные напряжения достигают максимума. Кроме того, недостатком известного технического решения является трудоемкость изготовления системы пазов и шпуров сложной конфигурации в клееном пакете под полукаркасы, имеющие группы наклонных стальных стержней.
Задача полезной модели - повышение несущей способности деревянной балки, а также снижение материалоемкости и трудоемкости ее изготовления.
Технический результат достигается тем, что деревянная балка, включающая пакет клееных досок с пазами на боковых гранях, в которые запрессованы арматурные элементы, ориентированные в верхней зоне пакета вдоль продольной оси балки, а в нижней зоне пакета - по очертанию, соответствующему эпюре главных растягивающих напряжений, имеет в нижней зоне пакета арматурные элементы выполнены в виде гибких жгутов, свернутых из полос высокопрочной композиционной ткани и пропитаны клеящим компаундом, а на приопорных участках балки гибкие жгуты из полос высокопрочной композиционной ткани свободно пропущены в отверстия, расположенные в пакете клееных досок наклонно к продольной оси деревянной балки с уклоном в сторону середины балки, а концы полос гибких жгутов разрезаны и приклеены веерообразно к верхним и нижним граням пакета клееных досок.
Сущность полезной модели поясняется чертежами:
- фиг. 1 - фасад деревянной балки;
- фиг. 2 - вид сверху деревянной балки;
- фиг. 3 - поперечное сечение А-А;
- фиг. 4 - узел А;
- фиг. 5 - узел Б;
- фиг. 6 - узел В.
Предлагаемая деревянная балка, включающая пакет клееных досок 1, опирающаяся по концам на опоры 2, снабжена со стороны боковых граней пакета клееных досок 1 нижними пазами 3 и верхними пазами 4, в которые на клеящем компаунде запрессованы арматурные элементы, а именно, в нижние пазы 3 - гибкие жгуты 5, свернутые из полос высокопрочной композиционной ткани, например, на полимерной основе с армированием полиамидными, стеклянными, углеродными волокнами, пропитанной клеящим компаундом, а в верхние пазы 4 - стальные стержни 6 (фиг. 1, 3). Верхние пазы 3 и нижние пазы 4 снаружи закрыты деревянными планками 7, приклеенными к пакету клееных досок 1 (фиг. 4, 5). При этом нижние пазы 3, предназначенные для размещения гибких жгутов 5, имеют по своей длине очертание, соответствующее эпюре главных растягивающих напряжений, возникающих в балке от действия расчетной нагрузки. Нижние пазы 4, предназначенные для размещения стальных стержней 6, имеют ориентацию, совпадающую с продольной осью деревянной балки. На приопорных участках деревянной балки через сквозные отверстия 8 свободно пропущены гибкие жгуты 9 из высокопрочной композиционной ткани с разрезанными на полосы концами, приклеенными веерообразно на верхних и нижних гранях пакета клееных досок 1 (фиг. 2, 6).
Древесина пакета клееных досок 1 вследствие наличия в ней естественных пороков имеет меньшую несущую способность на растяжение, чем на сжатие. По этой причине усиление ее арматурными элементами целесообразно выполнять в зонах действия главных растягивающих напряжений, значения которых зависят от величин нормальных и касательных напряжений. Значения нормальных напряжений зависят от изгибающих моментов, а значения касательных напряжений зависят от поперечных сил, возникающих в балке от расчетной нагрузки. При совпадении осей арматурных элементов с направлением действия главных растягивающих напряжений они в большей степени включаются в работу и более эффективно разгружают древесину пакета клееных досок 1.
Установка арматурных элементов по линии действия главных растягивающих напряжений в деревянной балке создает в них растяжение, что позволяет использовать гибкие жгуты 5 и приводит к снижению трудоемкости их установки в нижние пазы 3, и, следовательно, снижает трудоемкость изготовления деревянной балки в целом.
Использование высокопрочной композиционной ткани в гибких жгутах 6, прочность которой выше прочности стали, существенно повышает их прочность, а, следовательно, и деревянной балки в целом.
Применение гибких жгутов 5 в виде свернутых полос из высокопрочной композиционной ткани позволяет значительно увеличить площадь контакта клеящего компаунда с поверхностью композиционной ткани и, следовательно увеличить прочность соединения гибких жгутов 5 и древесины пакета клееных досок 1, что позволяет применять композиционные ткани большей прочности и, как следствие, повысить несущую способность деревянной балки в целом.
В гибких жгутах 9, свободно пропущенных через сквозные отверстия 8 и наклонно расположенных к продольной оси деревянной балки с уклоном в сторону ее середины из-за отсутствия сдвиговых связей, т.е. отсутствия склеивания с древесиной пакета клееных досок 1, за счет свободного пропуска и наклона в сторону середины балки возникают только растягивающие усилия, что позволяет использовать высокопрочную композиционную ткань, прочность которой выше прочности стали, и повысить несущую способность арматурных элементов из гибких жгутов 9, а, следовательно, и деревянной балки в целом.
Гибкие жгуты 9, работая на растяжение, воспринимают часть сдвигающих усилий, возникающих в пакете клееных досок на приопорных участках деревянной балки, что увеличивает несущую способность деревянной балки на действие сдвигающих сил и приводит к снижению материалоемкости деревянной балки в целом.
Веерообразная приклейка на верхних и нижних гранях деревянной балки разрезанных на полосы концов гибких жгутов 9 обеспечивает необходимую площадь склеивания гибких жгутов 9 и древесины пакета клееных досок 1, а также передачу на нее соответствующих растягивающих усилий.
Работы по изготовлению деревянной балки ведутся в следующем порядке:
- доски пакета клееных досок 1 склеиваются в пакет и стягиваются струбцинами до набора клеем проектной прочности;
- со стороны боковых граней пакета клееных досок 1 фрезами вытачиваются нижние пазы 3 и верхние пазы 4, при этом нижним пазам 3 придается форма, близкая к конфигурации эпюры главных растягивающих напряжений, возникающих в деревянной балке под расчетной нагрузкой, а верхние пазы 4 выполняются горизонтальными;
- нижние пазы 3 и верхние пазы 4 очищаются, например, продувкой сжатым воздухом;
- в нижние пазы 3 запрессовываются гибкие жгуты 5, пропитанные клеем;
- в верхние пазы 4 вводится клеящий компаунд и запрессовываются стальные стержни 6;
- нижние пазы 3 и верхние пазы 4 закрываются деревянными планками 7;
- на приопорных участках рассверливаются вертикальные отверстия 8, в которые после очистки, например, продувкой сжатым воздухом, пропускаются гибкие жгуты 9, концы которых разрезаются на полосы, а полосы при приклейке к древесине клееного пакета досок 1 располагаются веерообразно;
- готовая деревянная балка устанавливается на опоры 2.
Предлагаемая деревянная балка по сравнению с прототипом позволяет повысить несущую способность балки на действие поперечных сил, а также снизить материалоемкость и трудоемкость ее изготовления.