Арки и рамы

1. Классификация и характеристика

   Арки и рамы являются плоскими распорными несущими конструкциями. Наиболее эффективно использование арок и рам при их опирании на фундаменты, а также при восприятии распора контрфорсами. Применение арок, рам и других плоских распорных конструкции наиболее целесообразно при необходимости выполнить перекрытие больших пролетов без возведения промежуточных опор.

   Опирание арок, рам и других плоских распорных конструкций выполняется шарнирное (как правило трехшарнирное).

    Арки как правило состоят из отдельных прямолинейных и криволинейных элементов различных геометрических форм: прямоугольной, треугольной, эллипсовидной, круговой, многоугольной, и пр. Кроме того, нередко изготавливаются решетчатые арочные конструкции, состоящие из двух полуферм.

   Рамы, как правило выполняют сборными, состоящими из двух и более блоков или полурам. Такие рамы выполняются трехшарнирными. Блоки и полурамы соединяются непосредственно на строительной площадке с фиксацией в карнизах узлах и в узлах опирания.
   Также изготавливают гнутоклееные рамы, преимуществом которых является плавные переходы геометрической формы на участках опирания на стойки и на участках крепления к ригелям. Гнутоклееные рамы также выполняются трехшарнирными. Гнутоклееные рамы более трудоемки при изготовлении и монтаже. Кроме того, на гнутоклееные рамы трудно выполнять монтаж стеновых конструкций.   

   При изготовлении двухшарнирных рам используют деревянные клееные балки и стойки жестко закрепленные в узлах опирания на фундаменты. Применение двухшарнирных рам позволяет выполнять более высокие конструкции покрытия.

   При строительстве навесов нередко применяют рамы, выполненные из отдельных клееных деревянных элементов: ригелей, стоек, подкосов и пр.

   При изготовлении, а иногда и монтаже, используют кружала. Кружала выполняются из досок и брусьев. Доски между собой соединяют на гвоздях. Брусья соединяют пластичными нагелями и с использованием металлических фасонных крепежные элементов.

   Расчет арок и рам на несущую способность выполняют с пользованием специальных программно-вычислительных комплексов. При выполнении расчетов арок и рам на несущую способность принимают следующие сочетания нагрузок:

   - постоянная и снеговая нагрузки на всем пролете арки или рамы, а также временная нагрузка от подвесного оборудования (при наличии таковой);

   - постоянная нагрузка на всем пролете арки или рамы, снеговая нагрузка на половине пролета арки или рамы, а также временная нагрузка от подвесного оборудования (при наличии таковой).

   При существенной «парусности» конструкций арок и рам выполняется расчет на воздействие ветровой нагрузки.

   Ветровую нагрузку учитывают в арках и рамах с отношением f/L 17. В случае если высота стоек арок и рам менее 4м воздействие ветровой нагрузки перебегают.

2. Клееные дощатые и фанерные арки с сплошными стенками

   Клееные дощатые и фанерные арки являются наиболее рациональным видом несущих деревянных конструкций. Особенно эффективно применять такие арки при строительстве конструкций покрытия кругового или стрельчатого очертания. При этом. клееные фанерные арки применяются реже. Это связано с несколько более высокой трудоемкостью монтажа клееных фанерных арок, а также дороговизны высококачественной фанеры.

   Клееные арки обычно изготавливают постоянного по длине сечения. Для изготовления арок используют склеенные между собой доски (клееный брус).

   Клееные дощатые и фанерные арки с сплошными стенками рациональней всего изготавливать криволинейными (выгодней с точки зрения статической работы). Однако, изготовление клееных дощатых и фанерных арок криволинейного сечения более трудоемко чем прямолинейного сечения (треугольного, прямоугольного и пр.).

   При проектировании клееных дощатых и фанерных арок, для уменьшения изгибающего момента (особенно в арках треугольного очертания) нормальные сжимающие силы прикладываться в узлах внецентренно.

   Для обеспечения устойчивости, при работе «из плоскости», дощатые и фанерные арки рекомендуется выполнять коробчатого или двутаврового сечения, с двойной стенкой.

   Соединения элементов дощатых и фанерных арок с сплошными стенками выполняют на клею. Стенки арок выполняют из водостойкой высококачественной фанеры толщиной не менее 10 мм.

   Требования, предъявляемые к фанере, применяемой в конструкциях арок, аналогичны требованиям предъявляемым к фанере используемой в фанерных балках.

   При проектировании и строительстве арок следует придерживаться следующих принципов:

   - при пролете арок до 30м выполняется шарнирное опирание на опорах посредствам применения коробчатых металлических башмаков. Соединение сегментов арок в коньке выполняют посредством устройства лобового упора с последующем закреплением полуарок болтами;

   - при пролете арок более 30м выполняется шарнирное опирание на опорах посредством применениям металлических башмаков с плиточным или валиковым шарниром;

   При очень больших пролетах клееных дощатых и фанерных арок габариты сборных элементов (как правило полуарок) могут существенно превышать возможности транспортных средств предназначенных для доставки элементов на стройплощадку. В этом случае арки изготавливаются из более мелких элементов разделенных в продольном направлении. При этом применяются сборочные единицы арок с монтажными стыками и соединениями, выполненными в зонах с наименьшими величинами изгибающими моментами.

   Не смотря на все многообразие возможных вариантов при выполнении укрупнительной и монтажной сборки наиболее надежными и простыми все же являются соединения с использованием вклеенных стержней.   

3. Клееные дощатые, фанерные и решетчатые рамы.

   В решетчатых клееных дощатых и фанерных рамах прямолинейной формы узлы соединений балок и стоек выполняют с помощь зубчатого стыка. Для этого торцевые участки предварительно заготовленных элементов будущих стоек и балок выполняют с косой распиловкой таким образом, чтобы уклон внутренней кромки стыковочных областей был не более 15% относительно наружной кромки.

   Гнутоклееные элементы рамы изготавливают из тонких досок или фанеры. При этом толщина досок должна быть не более 1/150 радиуса кривизны рамы. В пролете балки и стойки могут быть выполнены переменного сечения с плавным уклоном и переходом от шарнира до начала закругленной части, или с резким уступом по высоте сечения в пролете.

   Для уменьшения трудоемкости сборочных работ, а также для увеличения несущей способности сечение прямолинейных и гнутоклееных рам карнизный стык может выполняться с использованием дополнительного элемента-вставки с зубчатым стыком.   Вставку, как правило, изготавливаю длиной 40-60см. При этом для изготовления вставки применяют более тонкие доски чем доски примененные при изготовлении балок и стоек.

   Опорные и коньковые узлы клееных дощатых и фанерных решетчатых рам выполняют шарнирными с помощью лобовых упоров, с использованием металлических накладок с креплением на болтах или с использованием металлических башмаков.

   При выполнении фанерных клееных решетчатых рам сечение элементов рекомендуется принимать коробчатое или двутавровое, с двумя стенками.

   Соединения клееных дощатых и фанерных решетчатых рам, как правило, выполняют шарнирными. Наибольшее распространение получили двухшарнирные и трехшарнирные рамы.

   Клееные дощатые и фанерные решетчатые трехшарнирные рамы могут быть выполнены из бревен или брусьев. Соединение бревен и брусьев производится с помощью врубок, а также с использованием болтов и тяжей.

   В двухшарнирных рамах несущая конструкция покрытия шарнирно соединяется со стойками здания. Соединения со стойками выполняются на пластичных нагелях или вклеенных стержнях. Предпочтительнее применять соединения на вклеенных стержнях.

   Существует множество разработанных вариантов выполнения опирания клееных дощатых и фанерных решетчатых рам на фундаменты. При выборе способа опирания следует руководствоваться принципами снижения трудоемкости работ, учитывать экономические факторы, а также принимать решения наиболее предпочтительные с точки зрения механики работы древесины.      

   При небольших пролетах (особенно в зданиях сельскохозяйственного назначения) для опирания клееных дощатых и фанерных решетчатых рам часто используют деревянные стойки. Деревянные стойки выполняют из брусьев квадратного или прямоугольного поперечного сечения. При этом кромки брусьев выполняют прямолинейными. В кромках брусьев вырезают гнезда, в которых размещают металлические траверсы. Именно посредством траверс выполняется крепление стоек к фундаментам. Крепление траверс к фундаментов выполняется с использованием анкеров.

    Анкеровка стоек к фундаментам выполняется в следующей последовательности: крепление стойки к анкерным пластинам производится на болтах. Анкерные пластины врезаны в тело деревянной стойки. Анкерные пластины изготавливаются из полосовой оцинкованной стали или листового алюминия. Пластины соединяются с башмаком на сварке, а фиксируются на фундаменте анкерными болтами. Подобный вариант крепления обладает достаточной податливостью для шарнирного соединения.

   Также, возможен вариант крепления стоек к фундаментам с использованием металлических опорных башмаков. Для этого в теле железобетонных фундаментов предусматриваются пазы. На торцах деревянных стоек крепиться анкерные металлические башмаки. Крепление башмаков к торцу деревянной стойки может осуществляться на клею, с использованием в качестве клеящего состава эпоксидных смол. Далее башмак стойки устанавливаются в пазы и замоноличивается в теле фундаментов.

   Кроме того, очень технологичным является вариант выполнения крепления стоек к фундаментам с использованием продольно вклеенных стержней. Для этого на торце стойки крепят стальной башмак. Далее башмак крепится к анкерным болтам фундамента и гайками закрепляется в проектном положении. Далее башмак закрепляют наклонно расположенным вклеенным в стойку стержнями. Данный узел обеспечивает наибольшую надежность по сравнению с предыдущими описанными вариантами крепления стойки к фундаменту. Особенно эффективен данный узел при воздействии больших усилий на стойку.

   Для предотвращения разрушения клееной древесины (в т.ч. расслоения клееной древесины) от воздействия изменения температурно-влажностных условий при эксплуатации в узлах с вклеенными стержнями необходимо предусматривать дополнительные нерабочие стальные стержни выполненные перпендикулярно к кромкам стоек.

   При проектировании и строительстве клееных дощатых и фанерных решетчатых рам следует учитывать что на рамы воздействуют нагрузки от конструкций покрытия, а также снеговая нагрузка. Кроме того, возможно воздействие нагрузки от стенового ограждения. При большой высоте и сильном уклоне рам появляется ощутимое воздействие ветровой нагрузки.

   По расчетной схеме трехшарнирные рамы являются статически определимыми системами. Следовательно, усилия в них определяются по тому же принципу, что и для арок.

   Двухшарнирные рамы, с точки зрения строительной механике состоящие из стоек и ригелей, являются однажды статически неопределимой системой. Следовательно, усилия в стойках точно возможно определить только при расчете, выполненном специализированными электронно-вычислительными комплексами.

Авторы: редакционная статья ТехСтройЭкспертизы

Техническая строительная экспертиза

Узнать стоимость и сроки online, а также по тел.: +7(495) 641-70-69; +7(499) 340-34-73; e-mail: manager@tse-expert.ru