Блок-фермы на основе древесины для покрытий зданий

Современный этап строительства характеризуется все более возрастающей необходимостью учета региональных условий. Лес Сибири и Дальнего Востока — единственный возобновляемый природный ресурс, представляющий собой важнейший источник сырья для строительства. 1.

Современный уровень лесоперерабатывающей промышленности позволяет эффективно использовать древесину в виде пиломатериалов и новых материалов на ее основе.

Однако, существующая в Сибири и на Дальнем Востоке база по производству строительных конструкций ориентирована, главным образом, на их выпуск из железобетона и стали. Расположенные здесь деревообрабатывающие заводы и комбинаты имеют возможность изготавливать конструкции только из цельной древесины. В последние годы резко снизилась поставка строительству пиломатериалов с большими размерами поперечных сечений, что негативно отразилось на применении известных плоскостных деревянных конструкций.

Одним из путей преодоления указанных трудностей является создание и применение в строительной практике индустриальных пространственных конструкций блочного типа.

Отечественный и зарубежный опыт в области разработки новых эффективных типов покрытий зданий и сооружений имеет четко выраженную тенденцию на создание облегченных конструкций, совмещающих несущие и ограждающие функции, в том числе комплектов таких конструкций на здание или сооружение. Применение совмещенных конструкций покрытия позволяет существенно снизить трудоемкость монтажа и уменьшить расход основных строительных материалов /8 9, 130/.

Требованиям снижения массы и материалоемкости конструкций покрытий средних и больших пролетов, а также индустриализации их изготовления и монтажа укрупненными блоками отвечают пространственные совмещенные блок-фермы, имеющие верхние пояса в виде плит с деревянными каркасами. Для средних пролетов такие конструкции могут быть запроектированы и выполнены из обычных пиломатериалов недефицитных сечений. Кроме этого, блочные конструкции позволяют существенно сократить сроки строительства, упростить конструктивную схему зданий, улучшить условия труда линейных строительных рабочих.

Негативным фактором, тормозящим применение блочных конструкций является отставание конструкторских и научных исследований в этом направлении. Например, хорошими технико-экономическими показателями обладают конструкции, в которых комбинируется фанера и цельнодеревянные элементы — крупноразмерные клеефанерные плиты и блоки на их основе. Однако, существующие методы их расчета недостаточно достоверно отражают условия совместной работы упомянутых элементов. Во многих случаях это приводит к несоответствию расчетных моделей реальному поведению конструкции при воздействии эксплуатационных нагрузок.

В связи с изложенным назрела необходимость в разработке принципов проектирования конструкций блочного типа на основе древесины, в усовершенствовании практического метода расчета крупноразмерных клеефанерных плит, поскольку в нормативных документах отсутствуют сведения об их проектировании, в проведении конструкторской работы по созданию блоков. При этом важн’ое значение имеет накопление экспериментальных данных о фактической работе таких конструкций, их элементов и узлов, выполненных в натуральную величину. Последнее обусловлено еще и необходимостью отработки и совершенствования технологии сборки и монтажа.

Рациональное и полное использование древесного сырья диктует необходимость применения в блочных конструкциях цельной и клееной древесины, фанеры, цементно-стружечных плит, древесноволокнистых пластиков и т. п. Важную роль в развитии этого направления играют труды отечественных ученых А. Б. Губенко, Ю. Н. Глазунова, П. А. Дмитриева, А. А. Журавлева, Е. М. Знаменского, Ю. М. Иванова, Г. Г. Карлсена, Л. М. Ковальчука, В. П. Коцегубова, И. М. Аинькова, Р. Б. Орловича, А. С. Прокофьева, К. П. Пятикрестовского, К. А. Роценса, Е. И. Светозаровой, Е. Н. Серова, ю. В. Слицкоухова, ю. Ю. Славика, в. И. Травуша, с. Б. турков-ского, А. С. Фрейдина, В. М. Хрулева, А. М. Чистякова, А. К. Шенгелия, Г. М. Шутова и других. общая характеристика работы. Настоящая работа посвящена комплексному исследованию вопросов конструирования и расчета пространственных совмещенных блок-ферм на основе древесины, предназначенных для покрытий зданий. В диссертации рассматриваются:

— принципы формообразования и конструирования блок-ферм;

— способы реализации принципов;

— инженерная теория расчета блок-ферм с верхними поясами из крупноразмерных клеефанерных плит;

— действительная работа натурных конструкций блок-ферм. Актуальность проблемы обусловлена:

1) отсутствием системного подхода к формообразованию и конструированию блок-ферм на основе древесины;

2) малочисленностью технических решений блок-ферм;

3) экономической эффективностью таких конструкций, особенно для восточных регионов России;

4) необходимостью развития инженерного метода расчета крупноразмерных клеефанерных плит, в которой учитывались бы в комплексе силовые, геометрические и упругие физические параметры конструкции и материалов ее элементов.

Разрабатываемая тема входит в план госбюджетных научно-исследовательских работ кафедры Строительных конструкций Красноярского инженерно-строительного института и выполнялась в соответствии с целевой научно-технической программой Госстроя СССР, ГКНТ И Гос> плана СССР О. Ц. 031, задание 03.01.07, республиканской научно-технической программой «Строительство» .

Целью работы являлось: формулировка основных принципов системного подхода к формообразованию и конструированию блок-ферм на основе древесины, их реализация в создании конкретных конструкций, а также разработка на основе изучения действительной работы метода практического расчета блок-ферм с верхними поясами в виде крупноразмерных клеефанерных плит.

В рамках рассматриваемой проблемы потребовалось решить следующие задачи:

1. Сформулировать принципы формообразования и конструирования блок-ферм на основе древесины, базирующиеся на анализе концепций создания пространственных конструкций из древесины, железобетона, стали.

2. Разработать основные положения по реализации упомянутых принципов.

3. Выполнить опытно-конструкторские разработки блок-ферм на основе как цельной, так и клееной древесины с различными техническими решениями верхних поясов и узловых соединений элементов для пролетов от 12 до 96 м.

4. Базируясь на принципе многоуровневой декомпозиции, провести численные исследования напряженно-деформированного состояния блок-фермы, как дискретно-континуальной (пластинчато-стержневой) системы.

5. Провести численные исследования напряженно-деформированного состояния фанерной обшивки крупноразмерных плит с деревянным каркасомизучить влияние свободной длины плиты, шага основных и вспомогательных ребер, толщины и степени ортотропности обшивки, соотношения изгибающих моментов и продольных сжимающих сил на неравномерность распределения нормальных напряжений в обшивке, обработать полученные результаты и представить их в виде графиков и простых расчетных формул, удобных для практического применения.

6. Разработать метод практического расчета блок-ферм с верхними поясами в виде крупноразмерных клеефанерных плит.

7. Провести комплексные экспериментальные исследования натурных конструкций блок-фермизучить действительный характер их работы.

Научная новизна:

— обоснована необходимость и сформулированы принципы системного подхода к формообразованию и конструированию блок-ферм на основе древесиныпредложены способы реализации указанных принципов;

— выполнены опытно-конструкторские разработки блок-ферм для широкого диапазона пролетов (от 12 до 96м), иллюстрирующие технические решения узлов и элементов в зависимости от назначения конструкций и возможностей производственной базы;

— установлены закономерности влияния геометрических параметров конструкции, упругих физических свойств фанеры, а также вида напряженного состояния крупноразмерных клеефанерных плит на степень вовлечения обшивки в общую работу;

— предложен прикладной метод расчета полного изгибающего момента в клеефанерных плитах, загруженных поперечной равномерно распределенной нагрузкой и эксцентрично приложенными продольными сжимающими силами;

— предложен экспериментально обоснованный метод практического расчета блок-ферм с верхними поясами в виде крупноразмерных клее-фанерных плит;

— получены новые экспериментальные данные, отражающие действительную работу блок-ферм, с различными конструктивными решениями верхних поясов. достоверность результатов работы подтверждается согласованностью данных о напряженно-деформированном состоянии блок-ферм, полученных в результате комплексных экспериментов, с основными положениями численных исследований, а также эксплуатационной пригодностью возведенных конструкций.

Практическое значение работы состоит в том, что разработаны эффективные конструкции блок-ферм покрытий, предназначенных для отапливаемых и неотапливаемых зданийразработан метод практического расчета крупноразмерных клеефанерных плит, пригодный для создания блочных конструкцийапробированы в экспериментальном строительстве новые конструктивные решения блок-ферм.

Внедрение результатов. Объединением «Крас-ноярсккрайсельстрой» построены в Красноярском крае по переработанным институтом «Красноярскгипросовхозстрой» с применением блок-ферм типовым проектам ТП 80 5−1-8 «Склад минеральных удобрений емкостью 1500тн» одно здание пролетом 12 м в Каратузском районе и две овчарни пролетом 18 м по ТП 803−111 «Овчарня на 800 овцематок» в Новоселовском районе. В КИСИ построен склад лаборатории строительных конструкций пролетом 12 м с покрытием из блок-ферм.

Институтами «Красноярсктуристпроект» и «Красноярскгипросовхозстрой» при привязке осуществлена переработка проектов с применением покрытий из блок-ферм: «Столовая На 150 мест с пищеблоком на 300 человек» и ТП 806−2-7 «Здание для основного стада и молодняка нутрий на 1008 клеток». АО «Красноярскл&спроектстрой» ведется строительство лесопильного цеха в пос. Высокогорский, в котором предусмотрено покрытие из трехгранных блок-ферм. Рабочие чертежи конструкций переданы по запросам ЦНИИЭПовцепрому, объединениям «Целиноградсельстрой» и «Томскоблсельстрой», АО «Красноярскагро-промстрой», «Калининградагропромпроект» .

Автором составлены и направлены, в ЦНИИСК им. В. А. Кучеренко предложения по совершенствованию раздела СНиП, посвященного проектированию плит с обшивками из фанеры.

Студентам специальности 29. 03 «Промышленное и гражданское строительство» КИСИ автор читает специальный курс «Индустриальные блочные конструкции на основе древесины» .

Апробация работы. Основные положения и полученные результаты докладывались на семинарах и научно-техничеких конференциях кафедр Строительной механики и Строительных конструкций Красноярского ИСИ, кафедры Конструкции из дерева и пластмасс НИСН им. В. В. Куйбышева /1981;1994 г. г. /- на научно-технических конференциях «Прогрессивные пространственные конструкции и перспективы их применения» /Свердловск, 198 5 г. /, «Состояние, перспективы развития и применения пространственных конструкций» /Свердловск, 198 9 г. /- на международной конференции «Дерево в строительных конструкциях» /Братислава-Кочевцы, 1989 г. /, на международном симпозиуме «Современные строительные конструкции из металла и древесины» /Одесса, 1995 г. /.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 3 3 работы, в том числе одно авторское свидетельство, 12 информационных листков. Имеется 6 рукописных отчетов о научно-исследовательской работе, зарегистрированных в отделе научно-технической информации. Поданы 3 заявки на предполагаемые изобретения.

Личный вклад автора заключается в постановке настоящего исI следования, формулировке и разработке всех основных положений, определяющих научную новизну работы, а также практическую значимость, непосредственном участии в проведении всех этапов исследований, руководстве ими и внедрении полученных результатов. Часть экспериментальных и расчетных результатов получена при участии студентов, специализирующихся по конструкциям из дерева, сотрудников кафедры Строительные конструкции Красноярского ИСИ. Ввиду необходимости одновременного сбора и обработки большого объема данных при проведении натурных экспериментов, а также отработки технологических операций к испытаниям привлекались преподавателиШапошников В. н., Ластовка А. В., Петухова И. Я., Куликов М. Е., Хоро-шавин Е. А., студенты — хороший В. И., Авсеев А. А., Зирка В. Г. /42, 64, 66,80/. Ряд численных экспериментов по различным программам для ЭВМ проводили студенты Хороший В. И., Авсеев А. А., Заводова Н.. н. /63, 65/.

Автор благодарит профессоров, докторов технических наук П. А. Дмитриева (Новосибирская строительная академия), осуществлявшего научное руководство, и А. В. Енджиевского (Красноярский инженерно-строительный институт) за обсуждение результатов исследований, ценные замечания и консультации во время подготовки диссертации.

К числу наиболее важных результатов, определяющих личный вклад автора, относятся: формулировка путей реализации основных принципов формообразования и конструирования' блок-ферм на основе древесины, выполнение конструкторских исследований, воплощенных в новых конструкциях, в развитии прикладного метода расчета крупно размерных плит с каркасами из дерева и фанерной обшивкой, в постановке испытаний натурных образцов блок-ферм и анализе их результатов.

Объем диссертации. Диссертация состоит из введения, семи разделов, основных выводов, списка литературы и приложений общим объемом 281 страница, в число которых входит 151 страниц машинописного текста, 133 рисунка, 12 таблиц, список литературы из 153 наименований, 20 страниц приложений.

6. 4. Выводы.

На основании полученных результатов испытаний моделей клеефа-нерных плит автор счел возможным сделать следующие выводы:

1. При вычислении статических геометрических характеристик поперечного сечения плит с продольными вспомогательными ребрами (см. рис. 6. 6) необходимо учитывать часть обшивки, заключенную между основным и ближайшим дополнительным ребром. Приведение ширины обшивки к расчетной величине следует производить с помощью редукционного коэффициента К. В целях упрощения, его значение допускается принимать равным коэффициенту плиты с поперечными ребрами.

2. В зависимости от шага вспомогательных продольных ребер и выполняемой ими функции (схемы загружения) их статические геометрические характеристики необходимо понижать в расчете приведенного поперечного сечения плиты с помощью коэффициента Т) (см. табл. 6. 1).

3. При проектировании вспомогательных ребер в запас несущей способности расчет можно вести по приведенным характеристикам (по аналогии с клеефанерной плитой, имеющей только нижнюю обшивку), учитывая в вычислениях только участок обшивки, расположенный между этими ребрами, с введением упомянутого выше редукционного коэффициента.

7. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ СОВМЕЩЕННЫХ БЛОК-ФЕРМ НА ОСНОВЕ ДРЕВЕСИНЫ В ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОМ СТРОИТЕЛЬСТВЕ.

В 1981 г. объединением «Красноярсккрайсельстрой» построен склад минеральных удобрений, имеющий размеры в плане 12×60м, с покрытием из деревометаллических блок-ферм марки МДПП-12−3 (прототип блок-фермы ПСДМФ-12−31) /64, 80/. Конструктивная схема склада-каркаснаяшаг железобетонных колонн 6 м. По верху колонн была предусмотрена обвязка из железобетонных балок, на которые монтировали блок-фермы (рис. 7. 1).

В 1985;87 г. г. тем же объединением построены две овчарни, с размерами в плане 18×96м каждая. Покрытие выполнено из блок-ферм марки ПСДМФ-18-ЗА2 /36/ (рис. 7. 2). Конструктивная схема овчарен тоже каркаснаяшаг железобетонных колонн Зм. Конструкции монтировали на элементы обвязки верха колонн (рис. 7. 3).

В результате экспериментального строительства указанных зданий с покрытиями из блок-ферм была подтверждена их экономическая эффективность. Причем большая ее доля была получена за счет резкого сокращения сроков устройства покрытий. Так, фактический экономический эффект от применения блок-ферм ПСДМФ-18−3А2 в покрытиях указанных зданий составил в ценах 1984 года 17 348 руб. (что в ценах 199 5 года равно 73 72 9 тыс. руб.), при этом трудоемкость устройства покрытий снижено на 3 52 чел.-ч., по сравнению с плоскостными конструкциями.

Известно, что успех применения новых конструкций в значительной степени зависит от эффективности используемых ионтажных приспособлений. При этом, наиболее рациональным при монтаже является такой способ захвата конструкции, при котором схема приложения.

Рис. 7. 1. фрагменты сборки и монтажа блок-ферм пролетом 12 м.

Рис. 7. 3. Вид овчарни с покрытием из блок-ферм.

— 2 4 1монтажных нагрузок совпадает с эксплуатационной. с этой целью, для монтажа блок-ферм ПСДМФ-18-ЗА2 было сконструировано специальное приспособление, состоящее из стальной трубы диаметром 60 мм и длиной 1.9м, двух швеллеров N16 и длиной по 0.4м и четырех попарно соединенных уголков 50×4мм длиной по 0. 4 м (рис. 7. 4), Между уголками пропущены петли из арматуры А.-1 диаметром 12 мм для соединения со стропами траверсы. В стенках швеллеров предусмотрено по два овальных отверстия под болты, крепящие приспособление к опорным узлам ПСДМФ-18-ЗА2.

Монтаж блок-ферм осуществляли при помощи специально изготовленной траверсы, снабженной четырьмя стропами по 6. 5 м. Траверса состоит из двутавра N20 длиной 6 м, к нижней полке которого приварена перепендикулярно рамка из уголков 40×3мм.

При подготовке конструкции к монтажу траверса рамкой заводится в коньковую зону между основными ребрами плит верхнего пояса и раскрепляется деревянными клиньями, чем обеспечивается устойчивость ПСДМФ-18-ЗА2 при подъеме.

Монтаж указанных выше блок-ферм вели автокраном грузоподъемностью Юти и авто-башенным краном грузоподъемностью 5тн.

В 1990 г. ПМК-1 «КрасноярскГЭСстроя» осуществлена реконструкция первой очереди покрытия учебного корпуса красноярского политехнического института (бывшая мужская гимназия). Общая площадь реконструированного покрытия 700 кв.м. Здесь были применены блок-фермы треугольного очертания с пролетами от 7.2 до 12.5м, имеющие дощатые обшивки верхних поясов (кровля покрытия — из стальных оцинкованных листов). Узловые сопряжения элементов блок-ферм из обычных пиломатериалов выполнены на металлических пластинах с зубьями-дюбелями /43 /.

Рис. 7.4. Монтажный захват конструкции.

Рис. 7. 5. Фрагмент строительства склада пролетом 12 м.

Блок-ферма марки ПСДФ-12-ЗА5 использована в качестве ригеля сборно-разборной складывающейся блок-секции марки РПП-12−3 /42/. Из таких конструкций в Красноярском инженерно-строительном институте для собственных нужд построен склад лаборатории испытаний строительных конструкций (рис. 7. 5) общей площадью 108 кв. м.

Первый опыт применения блок-ферм в строительной практике позволяет сделать вывод об их простоте и технологичности изготовления, сборки и монтажа.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Анализ известных конструктивных решений блочных конструкций на основе древесины, а также изучение концепции создания пространственных комбинированных конструкций, в частности, из стали и железобетона, позволили сформулировать принципы формообразования и конструирования пространственных совмещенных блок-ферм на основе древесины, предназначенных для покрытий зданий, а также предложить способы реализации принципов в проектной практике. Предложены классификация и основные конструктивные схемы блок-ферм.

2. С базированием на принципе региональности (как главном, определяющем) разработаны применительно к условиям строительной индустрии Красноярского края комбинированные блок-фермы на основе древесины для покрытий производственных и гражданских зданий с пролетами от 12 до 2 4 м.

В зависимости от назначения здания (отапливаемое или неотапливаемое), возможностей предприятия-изготовителя предлагаемые блок-фермы имеют верхние пояса в виде стержневых деревянных плит или плит с каркасами из древесины и обшивками из фанеры, плоских асбестоцементных листов. Установлено, что наиболее экономичны по расходу древесины конструкции с клеефанерными верхними поясами.

3. Пространственные совмещенные блок-фермы на основе древесины характеризуются следующим:

— эффективными показателями расхода металла и дерева;

— сборностью и взаимозаменяемостью большинства элементов;

— легкостью;

— возможностью использовать не только клееные, но и цельные деревянные элементы, в том числе недефицитных сечений;

— индустриальностью и технологичностью, позволяющей в минимальные сроки освоить выпуск на существующих ДОЗ и ДОК;

— возможностью сборки и монтажа конвейерно-блочным методом на стройплощадке;

— совмещением несущих и ограждающих функций;

— уменьшением трудоемкости верхолазных работ при устройстве покрытий.

4. Разработанные в соответствии с упомянутыми выше принципами блок-фермы для пролетов 60 и 96 м, подтверждают их пригодность для создания большепролетных блок-ферм на основе древесины.

5. Показана эффективность использования многоуровневой декомпозиции в расчетах (с помощью ЭВМ) блок-ферм, как дискретно-континуальных (пластинчато-стержневых) систем, по деформируемой схеме с учетом длительности действия нагрузки и деформаций податливости в узловых соединениях.

6. Существующая методика расчета клеефанерных плит не достаточно точно отражает действительную работу крупноразмерных ребристых плит из древесины и фанеры. Показана необходимость учета таких факторов, как соотношение сжимающих плиту сил и изгибающих моментовтолщина обшивкистепень ортотропности фанеры.

7. В результате численных исследований напряженно-деформированного состояния крупноразмерных ребристых клеефанерных плит установлены закономерности влияния геометрических параметров.- свободной длины плиты, шага основных ребер, толщины обшивкистепени ортотропности фанерысиловых воздействий на степень неравномерности распределения нормальных напряжений по ширине расчетного сечения обшивки.

8. Предложен прикладной метод расчета блок-ферм с верхними поясами в виде крупноразмерных плит.

9. Получены формулы для вычисления по деформированной схеме полного изгибающего момента в стержне, загруженном равномерно распределенной поперечной нагрузкой и эксцентрично приложенными по концам продольными сжимающими силами.

10. Усовершенствован практический метод расчета крупноразмерных клееефанерных плит с учетом работы обшивки в докритической или закритической стадии.

11. Комплексными экспериментальными исследованиями натурных конструкций блок-ферм и моделей плит, охватывающими стадии работы при кратковременных и длительных нагрузках, подтверждены основные положения разработанного расчетного метода, а также достоверность теоретических данных, принятых при проектировании, и обоснованность способов реализации принципов конструирования и формообразования.

12. Опытное строительство зданий с покрытиями из блок-ферм подтвердили экономическую целесообразность применения таких конструкций в строительной практике, экономический эффект от строительства трех зданий общей площадью 4176 кв. м составил в ценах 1984 года — 25 152 руб., или в перерасчете на цены 1995 года — 106 896 тыс. руб., что соответствует уменьшению стоимости на 16. 18%.

13. Результаты выполненных исследований являются основой для совершенствования раздела действующей главы СНиП, посвященного расчету клеефанерных плит. Материалы исследований использованы при разработке и проектировании новых конструкций, в экспериментальном строительстве, учебном процессе.

Основной экономический эффект достигается за счет полноценного использования физико-механических свойств материалов блок-ферм и ускорения строительства.