деревянная клееная ферма и способ её изготовления

Формула изобретения

1. Деревянная клееная ферма, включающая многослойные пояса и зигзагообразную соединительную решетку, выполненную из слоя досок, заключенных между поясными слоями в срединной плоскости фермы, и соединенную с ними при помощи клея, отличающаяся тем, что пояса выполнены сплошными по ширине, по меньшей мере, с одним дискретным слоем по длине фермы, размещенным в слое соединительной решетки и равным ему по толщине, причем концы дискретных поясных элементов скошены в соответствии с геометрической формой соединительной решетки и их косые стыки перекрыты непрерывными участками смежных слоев поясов, а раскосы соединительной решетки в узловых точках фермы, по крайней мере, в пределах высоты сечений поясов снабжены зубчатыми шипами и аналогичными им по форме пазами и жестко соединены на клею по стыкуемым кромкам как между собой, так и со скошенными торцами дискретных поясных элементов, при этом соединительная решетка запрессована между поясными элементами в двух взаимно перпендикулярных плоскостях.

2. Деревянная клееная ферма по п. 1, отличающаяся тем, что, по меньшей мере, часть поясных дискретных элементов в наиболее напряженных сечениях фермы выполнена из спелой качественной древесины с высоким модулем упругости.

3. Деревянная клееная ферма по п. 1, отличающаяся тем, что кромочные соединения раскосов соединительной решетки со скошенными торцами дискретных элементов поясов, принадлежащих тому же слою, выполнены на зубчатый шип.

4. Способ изготовления деревянной клееной фермы, включающий нарезку элементов поясов и соединительной решетки из предварительно остроганных досок, намазку их клеем и послойную укладку определенным образом в параллельных плоскостях, постепенную запрессовку и склеивание путем автоматического зажима, отличающийся тем, что на концах элементов соединительной решетки нарезают зубчатые шипы, а пояса фермы собирают из цельных непрерывных или предварительно сращенных и склеенных по длине элементов и, по меньшей мере, одного дискретного по длине фермы внутреннего слоя, элементы которого нарезают в форме трапеций, и устанавливают в промежутках между раскосами соединительной решетки впритык к ним, клей наносят не только на пласти, но и на кромки всех стыкуемых элементов, а запрессовку ведут в двух взаимно перпендикулярных плоскостях путем постепенного сжатия как наружных кромок элементов дискретного слоя (слоев), так и наружных пластей поясных элементов.

5. Способ изготовления деревянной клееной фермы по п. 4, отличающийся тем, что на скошенных концах дискретных элементов поясов и обращенных к ним кромкам раскосов нарезают зубчатые шипы и соответствующие им по форме пазы.

6. Способ изготовления деревянной клееной фермы по п. 4, отличающийся тем, что давление запрессовки в плоскости фермы прикладывают к кромкам дискретных поясных элементов с опережающей скоростью по отношению к давлению запрессовки в перпендикулярной плоскости, а автоматический зажим элементов конструкции осуществляют как за счет сил внутреннего трения в зубатых шиповых соединениях, так и за счет гвоздевого забоя, связывающего все слои поясов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области строительства, а именно к несущим деревянным балочным конструкциям и способам их изготовления, которые могут использоваться в зданиях и сооружениях различного назначения, а также в качестве технологической оснастки при производстве строительно-монтажных работ, например опалубочных работ.

Из патентной литературы известна деревянная опалубочная балка (см. заявку Франции 2185735 в классе Е 04 с 3/00, g 11/00, опубликованную в 1974 г. [1] ), имеющая два пояса (внешний и внутренний), выполненные из взрослой древесины в виде единого элемента. Поясные элементы попарно образуют верхний и нижний пояса балки, и каждый состоит из двух горизонтальных слоев досок, соединенных на клею. Решетчатая стенка, образованная деревянными раскосами, жестко прикреплена к поясам на шипах с помощью клея.

Способ изготовления этой балки предполагает предварительную готовность клееных поясов, составленных из строганых досок, в которых с определенным шагом, равным шагу узлов соединительной решетки, выбирают пазы.

На концах раскосов соединительной решетки нарезают шипы в соответствии с формой пазов в поясах. После этого шипы раскосов и пазы поясов обмазывают клеем и осуществляют сборку и запрессовку всей конструкции. Давление запрессовки снимают при наборе клеем необходимой монтажной прочности.

Недостатком этой конструкции является сложность изготовления, обусловленная устройством многочисленных гнезд в поясных элементах балки. Несущая способность такой балки в сильной степени зависит от точности разметки и качества изготовления гнезд и шипов. Наличие гнезд в поясах, являясь концентратором напряжений, ослабляет их поперечные сечения и снижает как прочность, так и жесткость конструкции.

Недостатком этого способа является сложность и продолжительность изготовления, обусловленная большим количеством операций, не допускающих совмещения их в одном цикле. Высокие требования к точности разметки и нарезки многочисленных гнезд и шипов. Трудность точной пригонки элементов друг к другу.

Другим близким техническим решением является деревянная ферма (см. заявку ФРГ 1817718 в классе Е 04 с 3/16, опубликованную в 1972 г. [2]), имеющая верхний и нижний пояса, выполненные из цельной древесины и соединенные раскосами. Раскосы в узлах объединены между собой и с поясами при помощи шиповых соединений на клею. Для взаимного соединения раскосов в этом техническом решении использован мелкий зубчатый шип пилообразной формы, причем одна плоскость зуба параллельна плоскости фермы, а другая наклонена к ней. Сборка соединительной решетки с поясами осуществлена при помощи клиновидных двухзубчатых шипов почти полукруглой формы и аналогичных им по форме пазов в поясах. Пазы в поясах из цельной высококачественной древесины выбирают с помощью круглой фрезы.

Способ изготовления этой фермы во многом схож с ранее описанным и отличается тем, что на концах раскосов нарезают большое количество шипов и сборке всей конструкции предшествует сборка соединительной решетки.

К основному недостатку конструкции этой фермы относится сложность изготовления узловых сопряжении, высокие требования к точности разметки и нарезки пазов и шипов, важные для плотной пригонки элементов друг к другу. Выбираемые в поясах фермы пазы из-за перерезания волокон древесины снижают несущую способность и жесткость конструкции. Кроме того, изготовление поясов из цельной древесины предполагает высокое качество материала в наиболее напряженной растянутой зоне конструкции. Это конструктивное требование сужает сырьевую базу и ограничивает область применения известного решения.

К основному недостатку этого способа изготовления фермы следует отнести многодельность и сложность изготовления многочисленных узлов соединительной решетки с поясами, а также высокие требования, предъявляемые к точности разметки и нарезки пазов и шипов, которые весьма важны для плотной пригонки элементов друг к другу и надежной силовой работы конструкции.

Другой недостаток этого способа - это большие потери высококачественного конструкционного материала, как при обработке концов раскосов, так и при нарезке пазов в поясах. Сужает возможности этого способа и ограниченность сырьевой базы для изготовления цельных длинномерных поясных элементов из высококачественного лесоматериала.

Наиболее близким техническим решением является конструкция и способ изготовления клееной деревянной фермы с треугольной соединительной решеткой (см. заявку Франции 2572759, в классе Е 04 с 3/12; В 27 f 1/10; В 27 m 3/00, опубликованную в 1986 г. [3] - прототип).

Конструкция этой многослойной клееной фермы включает параллельные пояса, составленные из двух слоев досок, и соединительную решетку, размещенную в промежутке между слоями поясов и присоединенную к ним на клею.

Главным недостатком этой конструкции является низкая жесткость и прочность, обусловленные как открытостью сквозных сечений поясов, так и низкой надежностью клеевых соединений раскосов с поясами.

По этому способу балку из клееной древесины собирают из досок, которые укладывают в параллельных плоскостях и путем постепенного сжатия между двумя поверхностями склеивают при помощи автоматического зажима.

Недостатком этого способа изготовления является низкая прочность и жесткость конструкции, невысокая надежность клеевых соединений раскосов с поясами.

Сущность изобретения заключается в повышении жесткости и прочности конструкции деревянных ферм, допускающем непрерывность и автоматизацию технологического процесса их изготовления.

Указанный технический результат в конструкции деревянной клееной фермы достигается благодаря тому, что пояса выполнены сплошными по ширине и по меньшей мере с одним дискретным слоем по длине фермы, размещенным в слое соединительной решетки и равным ему по толщине, причем концы дискретных поясных элементов скошены в соответствии с геометрической формой соединительной решетки и их косые стыки перекрыты непрерывными участками смежных слоев поясов, а раскосы соединительной решетки в узловых точках фермы по крайней мере в пределах высоты сечений поясов снабжены зубчатыми шипами и аналогичными им по форме пазами, жестко соединены на клею по стыкуемым кромкам как между собой, так и со скошенными торцами дискретных поясных элементов, при этом соединительная решетка запрессована между поясными элементами в двух взаимно перпендикулярных плоскостях.

Этот технический результат в конструкции достигается также тем, что по меньшей мере часть поясных дискретных элементов в наиболее напряженных сечениях фермы выполнена из спелой качественной древесины с высоким модулем упругости.

Кроме того, заявленный технический результат в конструкции фермы достигается еще и тем, что кромочные соединения раскосов соединительной решетки со скошенными торцами дискретных элементов поясов, принадлежащих тому же слою, выполнены на зубчатый шип.

Этот технический результат в способе изготовления деревянной клееной фермы достигается тем, что на концах раскосов соединительной решетки нарезают зубчатые шипы, а пояса фермы собирают из цельных непрерывных или предварительно сращенных и склеенных по длине элементов и по меньшей мере одного дискретного по длине фермы внутреннего слоя, элементы которого нарезают в форме трапеций и устанавливают в промежутках между раскосами соединительной решетки впритык к ним, клей наносят не только на пласти, но и на кромки всех стыкуемых элементов, а запрессовку ведут в двух взаимно перпендикулярных плоскостях путем постепенного сжатия как наружных кромок элементов дискретного слоя (слоев), так и наружных пластей поясных элементов.

Такой технический результат в способе изготовления деревянной клееной фермы достигается также тем, что на скошенных концах дискретных элементов поясов и обращенных к ним кромках раскосов нарезают зубчатые шипы и соответствующие им по форме пазы.

Помимо этого технический результат в способе изготовления достигается еще и тем, что давление запрессовки в плоскости фермы прикладывают к кромкам дискретных поясных элементов с опережающей скоростью по отношению к давлению запрессовки в перпендикулярной плоскости, а автоматический зажим элементов конструкции осуществляют как за счет сил внутреннего трения в зубчатых шиповых соединениях, так и за счет гвоздевого забоя, связывающего все слои поясов.

Существенное отличие заявленного объекта от ближайших аналогов и прототипа состоит в том, что из традиционной технологии изготовления деревянной фермы исключаются трудоемкие операции по точной нарезке пазов в поясах и соответствующих им шипов в узловых точках раскосов соединительной решетки. Это стало возможным благодаря замене цельной древесины поясов на клееную древесину с вертикальным расположением слоев и с одним по меньшей мере дискретным слоем по длине фермы. Трапециевидная геометрическая форма поясных элементов дискретного слоя, согласующаяся с геометрией соединительной решетки, упрощает сборку и создает условия для точной и плотной пригонки и запрессовки, как их самих, так и шиповых соединений раскосов в узлах соединительной решетки. Непрерывность смежных поясных слоев, перекрывающих косые стыки поясных элементов дискретного слоя, обеспечивает большую равномерность силового потока в наиболее напряженных узловых сечениях за счет рассредоточения стыков. Вместе с тем, это делает возможным использование в смежных поясных слоях длинномерных сращенных по длине (например, на зубчатый шип) досок, что особенно важно при непрерывной технологии изготовления ферм.

Кроме того, новое конструктивное решение делает возможным использование непрерывной технологии изготовления деревянных ферм, в рамках которой запрессовка и склеивание слоев поясных элементов, а также раскосов соединительной решетки осуществляется на прессах проходного типа (например, гусеничных) в двух взаимно перпендикулярных направлениях (плоскостях), практически в одном цикле.

При этом дискретные элементы поясов за счет своей клиновидной (трапециевидной) геометрической формы выполняют в составе конструкции функцию вспомогательных запрессовочных устройств, обеспечивающих прижим шиповых соединений решетки и вместе с тем увеличивающих общую поверхность склеивания раскосов с поясами.

Как известно, прочность и жесткость косого клеевого стыка намного выше, чем у прямого клеевого стыка, что дает дополнительный выигрыш в прочности и жесткости всей конструкции. Это преимущество развивается в одном из вариантов конструкции, в котором не только раскосы соединительной решетки, но и дискретные элементы поясов с раскосами жестко соединены на клею при помощи зубчатого шипа, площадь поверхности которого при распространенном уклоне 1: 10 возрастает на порядок.

Ни в прототипе, ни в известных аналогах добиться контролируемого склеивания по этим поверхностям было невозможно. Проведенное нами выборочное вскрытие узловых соединений [2] в деревянных опалубочных балках (фермах) известной немецкой фирмы "Пери" показало, что между цилиндрическими поверхностями концевого затупления шипа соединительной решетки и паза в поясном элементе имеет место зазор и непроклей (до 1 мм), обусловленные допусками на изготовление, а также необходимостью размещения в нем выдавленных из соединения излишков клея.

Многослойность и дискретность поясных элементов по длине позволяют в заявленном объекте целенаправленно и рационально использовать высокие прочностные и упругие свойства наиболее качественной спелой древесины, располагая ее в самых напряженных зонах фермы.

Существенная новизна способа изготовления клееных деревянных ферм заключается в том, что склеивание и запрессовка ее осуществляется в двух взаимно перпендикулярных плоскостях, причем давление запрессовки, постепенно прикладываемое к кромкам дискретных элементов поясов, нарастает одинаково или немного опережает по скорости роста давление запрессовки, прикладываемое к пластям наружных слоев поясов. Совмещение процесса запрессовки в двух взаимно перпендикулярных плоскостях в одном технологическом цикле позволяет сократить время изготовления конструкции на этой ответственной операции.

В одном из вариантов способа изготовления деревянной фермы в качестве средства запрессовки поясных слоев использован гвоздевой забой, который одновременно служит и для автоматической фиксации положения всех ее составных частей. В этой комбинации достигаются два важных преимущества, во-первых, сокращается время изготовления фермы за счет раннего набора конструкцией монтажной прочности, и, во-вторых, повышается надежность клеевых соединений, усиленных гвоздевым забоем. Выбором геометрической формы зубчатых шипов, имеющих уклон менее 1:8 (рациональные значения уклона 1:8-1:12), достигается возможность автоматического зажима этих соединений на стадии сборки и последующей запрессовки исключительно за счет сил внутреннего трения, что важно для качественного склеивания и повышения производительности технологического оборудования.

Склеивание слоев поясных элементов по ширине вследствие рассредоточения и вырезания природных дефектов, присущих цельной древесине, повышает однородность ее строения и, следовательно, качество конструкционного материала поясов, расширяя тем самым сырьевую базу для производства таких конструкций. Сплошные клееные сечения поясов по ширине наряду с общим увеличением осевой жесткости и прочности конструкции открывают дополнительные технологические возможности.

Прежде всего, они связаны с более широким выбором, как самих запрессовочных устройств, так и режимов их функционирования, что особенно важно для поточной технологии изготовления ферм. Конструкция прототипа допускает применение только жестких пресс-форм, поскольку склеивание производится на ограниченной площади узлового сопряжения.

Вертикальная ориентация слоев поясов выгодна еще и потому, что по сравнению с цельной древесиной у такого клееного пакета оказывается более высокой прочность на сдвиг, что является следствием неизбежной несоосности волокон древесины в смежных слоях.

Замковые шиповые соединение раскосов, как между собой, так и с дискретными элементами поясов, придают конструкции фермы большую монолитность и жесткость по сравнению с известными аналогами и прототипом. Такая конструкция в большей мере отвечает расчетной модели фермы с жесткими узлами и способна воспринимать узловые изгибающие моменты.

Таким образом, новые признаки заявленного объекта расширяют технологические возможности индустриального изготовления деревянных ферм, в том числе на поточных линиях, упрощая их изготовление и повышая прочность и жесткость конструкции. Увеличение жесткости и прочности конструкции деревянной фермы достигается в заявленном объекте за счет большей монолитности и связности всех элементов клееной конструкции, чему способствует возможность контроля плотности пригонки стыкуемых элементов при запрессовке фермы в двух взаимно перпендикулярных плоскостях.

На фиг. 1 изображена конструкция деревянной клееной фермы в аксонометрии.

На фиг. 2а, б, в и 3а, б, в изображены варианты исполнения фермы, представленные в трех ортогональных проекциях.

На фиг. 4а, б, в изображена схема непрерывного технологического процесса изготовления ферм.

На фиг. 1 изображен общий вид деревянной клееной фермы, включающей поясные элементы 1, жестко связанные между собой посредством приклеенной к ним зигзагообразной соединительной решетки, состоящей из раскосов 2. Поясные элементы 1 выполнены из нескольких (минимум трех) слоев строганых досок, склеенных по ширине. По меньшей мере один из внутренних слоев каждого клееного пояса дискретный по длине и составлен из элементов, имеющих форму трапеций 3. Толщина дискретных поясных элементов 3 равна толщине раскосов 2 соединительной решетки. Дискретные элементы поясов 3 имеют скошенные концы в соответствии с геометрией соединительной решетки 2. В промежутках между скошенными торцами элементов дискретного слоя размещены узлы соединительной решетки, склеенные и запрессованные в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Давление запрессовки должно быть в пределах от 0,5 до 2 МПа. Раскосы зигзагообразной соединительной решетки 2 в узловых точках фермы по крайней мере в пределах высоты поясов снабжены пазами и соответствующими им по форме мелкими зубчатыми шипами 4 (фиг. 2). Для повышения прочности и жесткости деревянной фермы в одном из вариантов ее исполнения кромки раскосов 2 и скошенные торцы дискретных элементов 3 поясов 1 также соединены на клею при помощи зубчатого шипа 5 (фиг. 3). Геометрическиея формы шипов и пазов приняты такими, чтобы при сборке и запрессовке соединения силы внутреннего трения, возникающие по клинчатым поверхностям, обеспечивали их автоматический зажим от самопроизвольного разъединения. Этот эффект имеет место при углах наклона клиньев менее 1: 8. Кроме того, такой угол наклона целесообразен с точки зрения достижения равнопрочности клеевых соединений древесине конструкции.

Наиболее рациональным решением деревянной клееной фермы для условий поточного производства будет вариант фермы с параллельными поясами 1, имеющей регулярную геометрию соединительной решетки 2 и образованной из унифицированных раскосов и поясных элементов. В этом случае стыковые клеевые соединения раскосов, выполненные на зубчатый шип 4, окажутся в сечении, проходящем по биссектрисе угла, образованного раскосами. Для ускорения процесса склеивания многослойного пакета, сосредоточенного в пределах поясов 1, могут быть использованы высокопроизводительные ТВЧ (токи высокой частоты) установки.

В наиболее напряженных сечениях фермы часть поясных элементов может быть выполнена из спелой древесины с высоким модулем упругости.

Для повышения надежности и долговечности конструкции древесина и клеевые соединения фермы должны быть защищены атмосферостойкими покрытиями.

На фиг. 2 и 3 особенности конструктивного решения узлов фермы показаны детально в трех ортогональных проекциях. Косые клеевые стыки поясных элементов дискретного слоя 3 снаружи перекрыты непрерывными участками смежных слоев. Давление запрессовки прикладывается в двух взаимно перпендикулярных направлениях: к внешним кромкам дискретных поясных элементов 3 и пластям наружных слоев поясов 1. В варианте фермы, изображенной на фиг. 3, запрессовка слоев и автоматический зажим элементов конструкции совмещены в результате использования гвоздевого забоя 6. Автоматическому зажиму всех элементов, расположенных в слое соединительной решетки, способствует также геометрическая форма зубчатых шипов и пазов 4, 5, обеспечивающая их защемление за счет сил внутреннего трения, возникающих по клинчатым поверхностям при запрессовке.

Технология изготовления клееной деревянной фермы включает следующие технологические операции и схематично изображена на фиг. 4. Вначале изготавливают элементы поясов и раскосы из цельных или сращенных по длине строганых досок. При поточном производстве ферм изготовление непрерывных поясных элементов должно быть организовано на двух параллельных потоках (участок I) с синхронной подачей слоев в основной поток, в рамках которого производится изготовление раскосов соединительной решетки 2 и дискретных поясных элементов 3. Непрерывные поясные элементы первого слоя намазывают с одной стороны клеем (участок II). Непосредственно на них производят раскладку и сборку элементов среднего слоя (участок III). Перед сборкой все контактируемые поверхности элементов (зубчатые шипы, пазы 4, 5 и стыки) покрывают клеем. Пакет из двух слоев строганых досок дополняют третьим слоем из непрерывных поясных элементов (участок IV), скрытые пласти которых заранее покрывают клеем. Небольшое число слоев облегчает выравнивание пакета. Пакет постепенно запрессовывают между параллельными плоскостями, причем давление запрессовки прикладывают в двух взаимно перпендикулярных направлениях: через наружные кромки дискретных поясных элементов 3 и пласти непрерывных поясных элементов 1. В одном из вариантов способа давление запрессовки, передаваемое через дискретные поясные элементы, нарастает с большей скоростью. Склеивание слоев может быть ускорено применением высокотемпературного нагрева (например, токов высокой частоты). Для повышения производительности технологического оборудования в одном из вариантов автоматический зажим и запрессовку элементов конструкции осуществляют с помощью гвоздевого забоя. На участке V склеенная многослойная лента разрезается на части по размеру готовой конструкции, например, с помощью дисковой пилы, скорость которой должна быть согласована со скоростью потока.

Особенностью силовой работы предлагаемой конструкции является то, что в ней достигнута большая монолитность благодаря контролируемому склеиванию всех ее составных частей. Отсутствие технологических зазоров уменьшает концентрацию напряжений в узловых соединениях, что способствует увеличению прочности и жесткости всей конструкции. Жесткие узловые сопряжения элементов среднего слоя, перекрытые непрерывными участками поясных элементов смежных слоев, способны воспринимать узловые изгибающие моменты.

Разработка изобретения была продиктована стремлением предложить простую и технологичную в изготовлении деревянную клееную ферму, имеющую высокие прочностные и жесткостные свойства и отвечающую требованиям современного поточного производства.

Основные технико-экономические преимущества заявленного объекта:

1. Конструктивная и технологическая простота узловых соединений с возможностью управления точности пригонки элементов друг к другу.

2. Возможность организации производства деревянных ферм на поточной линии с совмещением в едином цикле склеивания и запрессовки всей конструкции на прессах проходного типа, создающих давление порядка 0,5-2 МПа в двух взаимно перпендикулярных направлениях.

3. Расширение сырьевой базы для изготовления деревянных ферм с более рациональным и целенаправленным использованием качественной древесины в наиболее напряженных зонах.

4. Повышение прочности и жесткости конструкции за счет большей однородности клеевой структуры, вертикальной ориентации слоев в поясных элементах, а также большей монолитности всех узловых соединений.

Источники информации

1. Реферативная информация "Изобретения за рубежом" 3, 1974 г.

2. Реферативная информация "Изобретения за рубежом" 8, 1972 г.

3. Реферативная информация "Изобретения стран мира" 21, 1986 г.