4.4 Плоские сквозные деревянные конструкции

В современном промышленном и гражданском строительстве применяют однопролетные балочные деревянные фермы. В отдельных случаях находят применение трехшарнирные арки, составленные из балочных ферм или клееных блоков. Деревянные фермы изготовляют из круглого леса или пиломатериалов - брусьев и досок. Фермы состоят из следующих элементов: верхнего и нижнего поясов и решетки (стойки и раскосы). Сопряжение этих элементов в узлах осуществляют при помощи врубок, нагелей, хомутов, шпонок, МЗП и т. д.

Верхний пояс балочных ферм при вертикальной нагрузке, направленной сверху вниз, работает на сжатие, а нижний - на растяжение. Усилия в стойках и раскосах зависят от направления этих стержней и расположения нагрузок.

Самыми ответственными элементами деревянных ферм являются стержни нижнего растянутого пояса, на работу которых негативно влияют неизбежные в строительной древесине пороки (сучки, косослой, трещины). Поэтому при конструировании, отборе лесоматериалов, изготовлении и наблюдении за фермами в процессе их эксплуатации, особое внимание необходимо уделять стержням нижнего пояса.

В целях наиболее рационального использования достоинств конструктивных материалов растянутые элементы деревянных ферм часто выполняют из стали. Такие фермы называют металлодеревянными.

По очертанию наружного контура фермы подразделяются на:

• треугольные (рис. .2.17);

Рис. 2.17. Треугольная ферма.

• прямоугольные (с параллельными поясами);

• трапециевидные или полигональные с наклонным (двускатным или односкатным) прямолинейным верхним поясом, рис. 2.18);

Рис. 2.18. Трапециевидная двускатная ферма.

• сегментные;

• многоугольные (рис. 2.19).

Рис. 2.19. Многоугольная ферма.

Экономичность ферм определяется, прежде всего, расходом древесины и металла, а также трудоемкостью изготовления и монтажа конструкции. При одних и тех же нагрузках, качестве лесоматериалов, пролетах и высоте ферм наиболее легкими, а, следовательно, требующими наименьшего расхода древесины, будут сегментные фермы и трехшарнирные арки из них. Простота конструкции и экономичность, обусловленные статическими свойствами сегментных ферм, обеспечивают их широкое распространение в строительстве.

Многоугольные фермы с ломаным очертанием верхнего пояса также имеют относительно небольшой вес и отличаются простотой узловых сопряжений и экономичностью.

Полигональные фермы с уклоном верхнего пояса 0,1...0,2 тяжелее сегментных ферм, но значительно экономичнее, чем фермы прямоугольного и треугольного очертания.

Наиболее тяжелыми оказываются треугольные фермы, вес которых почти в два раза превосходит вес сегментных и многоугольных ферм. Применение треугольных ферм может быть экономически оправдано при их изготовлении из круглого леса с использованием естественной коничности бревен путем укладки бревен комлевыми концами в сторону увеличения поясных усилий - к опорам.

Материал кровли определяет крутизну скатов и тем самым влияет на выбор очертания верхнего пояса ферм.

Сортамент лесоматериалов, которыми располагает строительство, их влажность и качество могут существенно повлиять на выбор схемы и типа деревянных ферм.

Бревна и обзольные брусья могут быть рационально использованы в треугольных, прямоугольных, и многоугольных фермах. Сегментные фермы могут быть выполнены только из пиломатериалов - брусков и досок.

При наличии лесоматериалов пониженного качества и невозможности получения или отбора высококачественных лесоматериалов для ответственных растянутых элементов рекомендуется применять конструкции со стальными растянутыми элементами. В случае использования лесоматериалов повышенной влажности (свыше 25 %) и невозможности обеспечить их просушку на строительной площадке следует применять конструкции, в которых усушка не вызовет значительных деформаций и перенапряжений: подкосные системы, фермы на лобовых врубках со стойками в виде тяжей из круглой стали и т. п.

Условия эксплуатации могут существенно влиять не только на выбор типа деревянных конструкций, но и на целесообразность их применения.

Деревянные конструкции не следует применять в условиях систематического увлажнения и затрудненного проветривания (в цехах с мокрым производством, зданиях бассейнов и др.), а также в условиях повышенной пожарной опасности (в цехах горячего производства, в помещениях с выделением пламени, искр и т. п.).

В большинстве случаев фермы устанавливают на простенках, пилястрах или поддерживающих колоннах. Расстояние между фермами обычно принимают равным 3...6 м.

Треугольные фермы целесообразно применять при малых и средних пролетах 10...20 м, трапециевидные и сегментные - 12...24 м; многоугольные с ломаным очертанием верхнего пояса - при пролетах 12...30 м.

Конструктивную высоту фермы - расстояние между осями поясов в середине пролета - назначают из условия жесткости и экономичности ферм. Чем меньше высота ферм, тем больше усилия в поясах, а, следовательно, поперечные сечения поясов и деформативность (прогибы) конструкции. Увеличение высоты ферм вызывает значительное удлинение стержней решетки, что связано с ростом расхода материалов. Согласно практике строительства и эксплуатации деревянных ферм минимальные высоты ферм, обеспечивающие их необходимую жесткость и экономичность, составляют для треугольных ферм L/5, прямоугольных, трапециевидных, сегментных и многоугольных - L/6 (L - расчетный пролет ферм - расстояние между осями опорных узлов).

Пояса ферм по длине обычно делят на равные части, называемые панелями. Число панелей и их длина зависят от пролета и схемы фермы, а также способов соединения узлов. Для снижения трудоемкости работ по изготовлению ферм желательно уменьшать количество узлов, а соответственно и панелей до минимума.

Длину панели верхнего пояса в сегментных фермах и трехшарнирных арках из них назначают в пределах 1,5...2,5 м; в треугольных, трапециевидных и многоугольных фермах - 2...3 м и в металлодеревянных крупнопанельных фермах с верхним поясом из составных балок системы В.С. Деревягина или клееных блоков -3...6 м.

При проектировании принят следующий порядок расчета ферм: определение геометрических размеров и тригонометрических величин, узловых нагрузок, действующих на ферму и усилий в стержнях фермы, подбор поперечного сечения нижнего и верхнего поясов, подбор сечений раскосов и стоек, расчет и конструирование опорного узла и промежуточных узлов.

После подбора сечений всех элементов фермы, рекомендуется приступить к вычерчиванию фермы и в дальнейшем параллельно вести расчет и конструирование.