узел стержневой конструкции

Формула изобретения

1. Узел стержневой конструкции, содержащий деревянные стержни, концы которых состыкованы под углом друг к другу и скреплены деревянными стыковыми накладками, отличающийся тем, что сечению стержней придан профиль двутавра, стенка которого выполнена из, по меньшей мере, двух пластин фанеры, размещенных с зазором и скрепленных друг с другом посредством поперечных ребер жесткости, связанных с обеими пластинами, а их полки выполнены в виде брусков, закрепленных вдоль продольных кромок пластин, при этом торцы полок и стенок стержней контактируют друг с другом, причем названные стержни скреплены с третьим, предпочтительно горизонтальным стержнем, сечению которого придан профиль двутавра, стенка которого выполнена из пластин фанеры, число которых на единицу меньше числа пластин фанеры, использованных в конструкции первых стержней, при этом полки стержней выполнены в виде брусков, закрепленных вдоль продольных кромок пластин, при этом пластины фанеры, использованные в конструкции первых стержней размещены с зазором, равным толщине пластин, использованных в конструкции третьего стержня, кроме того, при наличии в конструкции брусьев не менее двух пластин фанеры, последние скреплены друг с другом посредством поперечных ребер жесткости, скрепленных с пластинами, кроме того, участок конца третьего стержня, пропущенный через зазор между пластинами фанеры первых стержней, лишен соответствующих участков полок, причем торцы оставшихся участков полок третьего стержня уперты в обращенные к ним поверхности полок первых стержней, кроме того, участок стыка, на всю толщину этого участка, прошит стяжными элементами, например шурупами.

2. Узел по п.1, отличающийся тем, что в зазоре между пластинами фанеры первых стержней, в контакте с продольными кромками стенок третьего стержня размещены накладки, выполненные из фанеры, соответствующей толщине этих стенок.

3. Узел по п.1, отличающийся тем, что на внешних плоскостях пластин первых стержней размещены, стыковые накладки, выполненные из фанеры, соответствующей толщине этих пластин, при этом стяжные элементы распределены по всей площади стыковых накладок.

4. Узел по п.3, отличающийся тем, что стыковым накладкам придана V-образная форма.

5. Узел по п.1, отличающийся тем, что, в зазоре между пластинами фанеры, вдоль их продольных кромок размещены продольные ребра жесткости, скрепленные с соответствующими поверхностями пластин.

6. Узел по пп.2 и 3, отличающийся тем, что торцы внутренних накладок уперты в поперечные ребра жесткости, а длина стыковых накладок превышает расстояние между поперечными ребрами жесткости, ближайшими к стыку.

7. Узел по п.1, отличающийся тем, что торец конца третьего стержня, пропущенный через зазор между пластинами фанеры первых стержней, выполнен заподлицо с их верхними полками.

8. Узел по п.1, отличающийся тем, что узел снабжен дополнительной стыковой накладкой, выполненной из материала, сопротивление растяжению которого выше чем у материала стержней, зафиксированной на внешней стороне их стыка, испытывающей растягивающие нагрузки.

9. Узел по п.1, отличающийся тем, что накладки и соответствующие пластины на участке стыка дополнительно скреплены клеем.

10. Узел по п.1, отличающийся тем, что стык снабжен тягой, предпочтительно вертикальной, например, выполненной из металла.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к строительству и может быть использовано при изготовлении деревянных арок, рам и ферм.

Известен узел стержневой конструкции, включающий верхний и нижний стержни, соединяемые под углом на лобовой врубке. Для повышения несущей способности узла соединения применяются накладки, устанавливаемые с обеих сторон узла и прикрепляемые к обоим стержням. Накладки могут быть выполнены либо из стали, либо из древесины. Крепление накладок может быть выполнено стяжными болтами, гвоздями или шипами, образованными самой накладкой (см. Атлас деревянных конструкций. К.Г.Гетц и др. М., С/И, 1985, с.182).

Недостатком этого устройства является большое количество нагелей в обоих стержнях, что снижает их несущую способность.

Известен также узел стержневой конструкции (Кормаков Л.И., Валентинавичюс А.Ю. Проектирование клееных деревянных конструкций. - Киев: Будивельник, 1983 - с.83, рис.42, а - прототип), содержащий деревянные стержни, концы которых состыкованы под углом друг к другу и скреплены стыковыми накладками.

Недостатком описанного прототипа является его недостаточная надежность и прочность, так как в его конструкции клееные деревянные элементы связаны шарниром в виде цилиндрического вкладыша, вставленного в пазы торцов клееных деревянных элементов, соединенных друг с другом посредством накладок из полосовой стали с креплением на болтах. В связи с этим использование цилиндрического вкладыша приводит к появлению в древесине раскалывающих напряжений, направленных поперек волокон, и напряжений скалывания вдоль волокон, что влечет за собой раскалывание и скалывание. Таким образом, узел имеет невысокие надежность и прочность и значительную массу элементов, обеспечивающих соединение. Помимо этого, крепежные болты ослабляют сечение соединяемых элементов, что снижает их несущую способность.

Решаемая техническая задача - обеспечение высокой несущей способности узла стержневой конструкции.

Технический результат, получаемый при решении поставленной задачи, выражается в обеспечении возможности эффективного использования конструкции при формировании каркаса с получением высокой прочности стыкового узла, повышенной высокой жесткости. Кроме того, обеспечивается максимально эффективное использование материала конструкции, т.е. сочетание минимизации ее материалоемкости при повышенной несущей способности.

Для решения поставленной задачи узел стержневой конструкции, содержащий деревянные стержни, концы которых состыкованы под углом друг к другу и скреплены деревянными стыковыми накладками, отличается тем, что сечению стержней придан профиль двутавра, стенка которого выполнена из, по меньшей мере, двух пластин фанеры, размещенных с зазором и скрепленных друг с другом посредством поперечных ребер жесткости, связанных с обеими пластинами, а их полки выполнены в виде брусков, закрепленных вдоль продольных кромок пластин, при этом торцы полок и стенок стержней контактируют друг с другом, причем названные стержни скреплены с третьим, предпочтительно горизонтальным, стержнем, сечению которого придан профиль двутавра, стенка которого выполнена из пластин фанеры, число которых на единицу меньше числа пластин фанеры, использованных в конструкции первых стержней, при этом полки стержней выполнены в виде брусков, закрепленных вдоль продольных кромок пластин, при этом пластины фанеры, использованные в конструкции первых стержней, размещены с зазором, равным толщине пластин, использованных в конструкции третьего стержня, кроме того, при наличии в конструкции брусьев не менее двух пластин фанеры последние скреплены друг с другом посредством поперечных ребер жесткости, скрепленных с пластинами, кроме того, участок конца третьего стержня, пропущенный через зазор между пластинами фанеры первых стержней, лишен соответствующих участков полок, причем торцы оставшихся участков полок третьего стержня уперты в обращенные к ним поверхности полок первых стержней, кроме того, участок стыка, на всю толщину этого участка, прошит стяжными элементами, например шурупами. Кроме того, в зазоре между пластинами фанеры первых стержней, в контакте с продольными кромками стенок третьего стержня размещены накладки, выполненные из фанеры, соответствующей толщине этих стенок. Кроме того, на внешних плоскостях пластин первых стержней размещены стыковые накладки, выполненные из фанеры, соответствующей толщине этих пластин, при этом стяжные элементы распределены по всей площади стыковых накладок. Кроме того, стыковым накладкам придана V-образная форма. Кроме того, в зазоре между пластинами фанеры, вдоль их продольных кромок размещены продольные ребра жесткости, скрепленные с соответствующими поверхностями пластин. Кроме того, торцы внутренних накладок уперты в поперечные ребра жесткости, а длина стыковых накладок превышает расстояние между поперечными ребрами жесткости, ближайшими к стыку. Кроме того, торец конца третьего стержня, пропущенный через зазор между пластинами фанеры первых стержней, выполнен заподлицо с их верхними полками. Кроме того, узел снабжен дополнительной стыковой накладкой, выполненной из материала, сопротивление растяжению которого выше, чем у материала стержней, зафиксированной на внешней стороне их стыка, испытывающей растягивающие нагрузки. Кроме того, накладки и соответствующие пластины на участке стыка дополнительно скреплены клеем. Кроме того, стык снабжен тягой, предпочтительно вертикальной, например, выполненной из металла.

Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию "новизна".

Признаки отличительной части формулы изобретения решают следующие функциональные задачи.

Признаки «сечению стержней придан профиль двутавра, стенка которого выполнена из, по меньшей мере, двух пластин фанеры, размещенных с зазором и скрепленных друг с другом посредством поперечных ребер жесткости, связанных с обеими пластинами, а их полки выполнены в виде брусков, закрепленных вдоль продольных кромок пластин» и признаки, указывающие, что сечению третьих стержней «придан профиль двутавра, стенка которого выполнена из пластин фанеры, число которых на единицу меньше числа пластин фанеры, использованных в конструкции первых стержней, при этом полки стержней выполнены в виде брусков, закрепленных вдоль продольных кромок пластин» обеспечивают возможность формирования высокопрочной и легкой строительной конструкции из профилированных стержней, при этом возможно: наращивание несущей способности конструкции как за счет увеличения высоты стенки (без боязни потери устойчивости стенки при нагрузках вдоль стенок профиля); наращивание момента сопротивления сечения балки (за счет увеличения размера полки) при одновременном обеспечении прочности стыкования стержней за счет их «взаимопроникновения» на стыкуемых участках, без существенного повышения материалоемкости этих участков.

Признаки «торцы полок и стенок стержней контактируют друг с другом» обеспечивают возможность увеличения внутреннего объема крыши, при этом обеспечивается снижение удельных сжимающих нагрузок на торцы стержней в зоне их контакта.

Признаки, указывающие, что состыкованные торцами «стержни скреплены с третьим, предпочтительно горизонтальным стержнем», обеспечивают возможность повышения жесткости фермы, формируемой с использованием заявленного узла, за счет создания «горизонтального стяжного пояса» на уровне заявленных узлов крыши.

Признаки «пластины фанеры, использованные в конструкции первых стержней, размещены с зазором, равным толщине пластин, использованных в конструкции третьего стержня» и признаки «участок конца третьего стержня, пропущенный через зазор между пластинами фанеры первых стержней, лишен соответствующих участков полок» обеспечивают возможность взаимопроникновения стыкуемых участков стержней друг в друга, обеспечивают плотное контактирование пластин и упрощают процедуру организации такого взаимопроникновения.

При этом наличие поперечных ребер жесткости обеспечивает совместность работы элементов стержня - пластин и брусков, т.е. их работы как элементов одной строительной конструкции, и общее повышение прочностных характеристик профиля, из которого изготовлены стержни.

Признаки «торцы оставшихся участков полок третьего стержня уперты в обращенные к ним поверхности полок первых стержней» обеспечивают снижение удельных сжимающих нагрузок на торцы брусков и ограничивают возможность поворота стержней в стыке.

Признаки «участок стыка, на всю толщину этого участка, прошит стяжными элементами, например шурупами» обеспечивают перераспределение нагрузок, воспринимаемых узлом, на достаточно обширном участке стержней.

Признаки второго пункта формулы изобретения обеспечивают возможность образования монолитной (без полостей) конструкции в зоне стыка при склейке накладок со стенками и стягивании конструкции шурупами.

Признаки третьего пункта формулы изобретения обеспечивают перераспределение нагрузок, воспринимаемых узлом, на достаточно обширном участке стержней.

Признаки четвертого пункта формулы изобретения обеспечивают оптимизацию перераспределения нагрузок, воспринимаемых узлом.

Признаки пятого пункта формулы изобретения раскрывают конструкцию полки «двутавра».

Признаки шестого пункта формулы повышают жесткость узла.

Признаки седьмого пункта формулы изобретения обеспечивают возможность размещения продольных связей каркаса крыши (связывающего соседние фермы) непосредственно на обращенной к ним поверхности второго типа стержней.

Признаки восьмого и девятого пунктов формулы изобретения повышают несущую способность узла.

Признаки десятого пункта формулы изобретения обеспечивают возможность формирования дополнительной точки опоры для нижележащих элементов конструкции.

На фиг.1 схематически представлен продольный разрез узла; на фиг.2 схематически представлен горизонтальный разрез второго бруса; на фиг.3 схематически представлен вид узла сбоку.

На чертежах показаны первый 1 и второй 2 деревянные стержни. Сечению стержней придан профиль двутавра, стенка которого выполнена из пластин 3 фанеры, а полки выполнены в виде брусков 4 и 5, закрепленных вдоль продольных кромок пластин, при этом в сечении второго стержня 2 число пластин 3 фанеры на единицу больше числа пластин фанеры, использованных в конструкции первого стержня 1. При наличии в конструкции стержней не менее двух пластин фанеры они размещены с зазором 6, равным толщине пластин 3, использованных в конструкции стыкуемого с ним стержня, причем пластины 3 фанеры связаны друг с другом посредством поперечных ребер жесткости 7, скрепленных с ними. Кроме того, конец первого стержня 1, пропущенный через зазор между пластинами фанеры второго стержня 2, лишен полок, а торцы оставшихся участков его полок уперты в обращенную к ним поверхность 8 полки второго стержня 2. Торец 9 конца первого стержня, пропущенный через зазор между пластинами 3 фанеры второго стержня 2, выполнен заподлицо с соответствующей поверхностью 10 полки второго стержня. В зазоре 6 между пластинами 3 фанеры второго стержня 2, в контакте с продольными кромками 11 стенок первого стержня 1 размещены вкладыши 12, выполненные из фанеры, соответствующей толщине пластин 3. На внешней стороне пластин второго стержня 2 размещены стыковые накладки 13, выполненные из такой же фанеры. Участок стыка по всей площади стыковых накладок 13 и на всю толщину этого участка прошит стяжными элементами 14, например шурупами. Толщина брусков 5, закрепленных в зазоре 6 между пластинами 3, соответствует толщине фанеры, используемой для изготовления пластин. Длина стыковых накладок 13 превышает расстояние между поперечными ребрами жесткости 7, ближайшими к стыку стержней 1 и 2. Кроме того, через стык выполнено сквозное отверстие (на чертежах не показано) с возможностью размещения и фиксации вертикальной тяги 15, например, выполненной из металла.

Стержни изготавливают склеиванием в заводских условиях на стендах известной конструкции, обеспечивающих заданную фиксацию ее элементов и их соответствующее сжатие на время отверждения клея. Для изготовления продольных брусков 4 и 5 и поперечных ребер жесткости 7 используют древесину не ниже 2-го сорта хвойных пород (за исключением лиственницы) по ГОСТ 8486-86 с размерами по ГОСТ 24454-80, с соответствующими расчетными характеристиками по СНиП П-25-80. Количественные параметры дефектов формы и обработки деталей (покоробленность, отклонение от параллельности пластей и кромок, обзол) не должны превышать допускаемых для пиломатериалов 2-го сорта. Сквозные трещины, выходящие на торец, не допускаются. Сучки загнившие, гнилые и табачные, а также несросшиеся, расположенные на кромках, не допускаются.

Бруски 4 и 5 полок стержней склеиваются по длине с помощью зубчатых соединений по ГОСТ 19414-90. Показатели предела прочности на изгиб зубчатых соединений должны быть не ниже:

- при нагружении кромки порядка 33 МПа и не ниже 24 МПа;

- при нагружении пластин порядка 37,5 МПа и не ниже 27 МПа.

Для изготовления пластин 3 и также, при необходимости, и поперечных ребер жесткости 7 и брусков 5 используют фанеру марки ФСФ сорта не ниже В/ВВ по ГОСТ 3916.1-89 толщиной 8 и 10 мм.

Поперечные ребра жесткости 7 размещают по длине балки на расстоянии друг от друга «в опасных по разрушению» сечениях балки, определяемых расчетом для конкретных условий (что наиболее целесообразно) с учетом обеспечения «совместности» работы пластин, или же задают это расстояние по технологическим соображениям исходя из минимального числа ребер жесткости, обеспечивающего «совместность» работы пластин.

Клеевые соединения в конструкциях следует выполнять на синтетических клеях, соответствующих СНиП П-25-80. При этом клеевые соединения должны удовлетворять следующим требованиям:

- влажность древесины деталей балок до обработки защитными составами должна быть (12+/-3)%;

- балки по качеству клеевых соединений должны отвечать требованиям ГОСТ 20850-84;

- толщина и ширина склеиваемых слоев в поясах балок должна отклоняться от номинальной не более +/-1 мм;

- толщина клеевых прослоек в элементах конструкций должна быть не более 0,5 мм. Допускаются участки толщиной до 1 мм, если их длина не превышает 100 мм, а расстояние между ними - не менее десятикратной длины этих прослоек;

- непроклееные участки не допускаются.

Готовые конструкции при необходимости подвергают защитной и/или декоративной обработке для предохранения их от увлажнения, биоповреждения, возгорания и химической коррозии, а также придания им необходимого эстетического вида. Эти работы выполняют на предприятии-изготовителе. Защита возможна как от одного, так и от комплекса указанных воздействий, что регламентируется условиями эксплуатации конструкций. При этом балки для зданий V степени огнестойкости должны быть защищены от биоразрушения на срок безремонтной службы 50 лет, для - деталей VIII класса условий службы - по ГОСТ 20022.2-80; древесина балок для зданий IV степени огнестойкости должна быть защищена от биоразрушения и возгорания посредством глубокой пропитки составами диаммония фосфата (аммоний фосфорнокислый) с сернокислым аммонием, буры с борной кислотой в соотношении 1:1 или другими защитными составами, обладающими аналогичными свойствами.

Готовые изделия упаковывают и отправляют потребителю.

Формирование узла включает опиливание торца первого стержня 1 под углом, обеспечивающим заданный угол ската крыши и удаление участков брусков 4 и 5 с его стыкуемого участка, а также подготовку вкладышей 12 и накладок 13.

Далее осуществляют сборку узла - укладывают брусья набок на ровной поверхности, конец первого стержня 1 пропускают через зазор между пластинами фанеры второго стержня 2 до упирания оставшихся участков его полок (брусков 4 и 5) в обращенную к ним поверхность 8 полки второго стержня 2. В зазор 6 стержней (или зазоры 6, если число пластин 3 больше двух) вводят вкладыши 12, а на внешних поверхностях пластин 1 размещают накладки 13 (предварительно на соответствующие поверхности вкладышей и накладок и/или поверхности пластин 3 наносят клей (синтетический, соответствующий СНиП П-25-80). Далее в пределах площади накладок 13 обеспечивают сжимающие усилия перпендикулярно их внешней поверхности, после чего «пакет», включающий пластины 3 и вкладыши 12 и накладки 13, «сшивают» на всю толщину стяжными элементами 14, например шурупами, которые располагают равномерно по всей площади стыка. Затем, если это предусмотрено проектом, через узел известным образом пропускают тягу 15 и фиксируют ее.

Целесообразно операцию сборки узла осуществлять в заводских условиях. После окончания сборки ферменной конструкции, включающей заявленный узел, ее используют для формирования каркаса крыши здания. Причем этот процесс отличается от общепринятых технологий исключением необходимости использования мощной подъемной техники в связи с малым весом каркаса.

В процессе восприятия узлом конструктивных нагрузок его элементы и накладки обеспечивают работу каркаса как единого целого.

Кроме того, варьируя число пластин и ребер жесткости в составе конструкции, можно варьировать в широких пределах несущую способность конструкции (при сохранении неизменной ширины пластин - т.е. высоты стенки профиля).