Деревянные конструкции

Самая большая деревянная конструкцияДЕРЕВЯННЫЕ КОНСТРУКЦИИ, сооружения, в которых основным строительным материалом является дерево. Следующие свойства дерева определяют применение его в строительстве: 1) малый объемный вес, например: воздушно-сухая сосна весит около 600 кг/м3, воздушно-сухой дуб - около 800 кг/м3; 2) относительно большая крепость на растяжение, изгиб и сжатие вдоль волокон; 3) простота добывания и механической обработки; 4) малый коэффициент теплопроводности (λ ≈ 0,1); 5) хорошая сопротивляемость химии, воздействию паровозного дыма и газообразных выделений химического, красильного, солеваренного и других производств; 6) неприхотливость в отношении текущего ухода (покраски);

7) отсутствие явлений усталости в дереве; 8) долговечность; 9) непродолжительность возведения деревянной постройки, независимо от времени года; 10) возможность разобрать и перенести сооружение на новое место. Все эти положительные качества, делающие дерево удобным и дешевым строительным материалом, проявляются, однако, в надземных сооружениях только при соблюдении следующего основного требования: дерево должно содержать не более 15—20% влажности. Сырое дерево не только тяжелее и слабее сухого, оно почти неизбежно подвергается действию микроорганизмов и быстро разрушается. Никакое расчетное увеличение запасов прочности, приводящее только к перерасходу материала, не может увеличить долговечности деревянных конструкций в случае загнивания; поэтому далее в деталях, во врубках и гнездах, должен предусматриваться отвод конденсационной или случайной воды. Все части деревянных конструкций по возможности должны быть доступны для осмотра и проветривания и ни в каком случае не должны соприкасаться с холодной кладкой. В сооружениях, подверженных действию атмосферных осадков (мосты, эстакады и другие) или мокрых производственных процессов (бани и другие) и, тем более, почвенных вод (погреба, плохо изолированные жилые постройки и другие), дерево должно применяться только в консервированном виде, иначе все сооружение становится временным (5-10 лет), утрачивая тем самым в значительной степени свою экономичность. Только в подводных сооружениях можно применять сырое дерево (шпунтовые ряды, ростверки, ряжи, сваи и др.), так как при непрерывном пребывании под водой дерево, даже без всякой пропитки, сохраняется тысячелетиями. Основными деревянными конструкциями являются легкие перекрытия малых и больших пролетов, защищенные от атмосферных осадков и почвенной сырости; в этом случае лучше всего используется легкий вес дерева, возможность зимней сборки, отсутствие (неизбежной для металлических сооружений) периодической окраски. Предпочтение следует отдавать открытым, бесчердачным конструкциям, которые в пожарном отношении даже лучше металлических.

Основные породы русского строительного леса - сосна и дуб. По своим строительным качествам к сосне приближаются ель, пихта, лиственница и другие хвойные породы; к дубу - ясень и некоторые твердые лиственные породы. Помимо индивидуальных особенностей каждого вида твердые лиственные породы отличаются от хвойных, гл. обр., несколько большей крепостью поперек волокон (на смятие) и лучшей связью между волокнами (на скалывание). Зато хвойные породы имеют более правильное строение древесины, больший рост, меньший коэффициент усушки, меньший вес и значительно больше распространены, чем твердые лиственные. Поэтому основная часть деревянных конструкций выполняется преимущественно из хвойных пород, а мелкие вспомогательные части (подушки, вкладыши, шпонки, нагели и другие) - из твердых лиственных пород (или из металла). Всякое дерево, даже самое твердое, вследствие, своего волокнистого строения, в значительной степени политропно. Растяжению поперек волокон хвойный лес сопротивляется в 50 раз хуже, чем вдоль волокон, смятию - в 10 раз. Эта особенность дерева, вытекающая из анатомического строения его, приводит к своеобразному конструированию деревянных узлов и сопряжений. В дереве всегда приходится считаться с неизбежностью «игры» - гл. обр. от усушки его в поперечном направлении, доходящей в некоторых случаях до 5—10%. В виду невозможности в деревянных конструкций точно предусмотреть и нормировать все внутренние напряжения, возникающие при усушке и короблении дерева, сопряжения д. б. по возможности простыми как в смысле расчетного распределения усилий между их частями, так и в отношении их изготовления. Следует избегать многорядных врубок (двойной, тройной зуб и пр.), требующих тщательной пригонки, и сложных врубок, невыполнимых без долбления. Предпочтительнее применять сопряжения, почти вовсе не требующие пригонки (при помощи нагелей, шпилек, штифтов, гвоздей), или сопряжения, допускающие точно механизированное производство работ (применяя кольцевую шпонку). Усушка вдоль волокон незначительна (около 0,1%) и потому при расчете деревянных конструкций не учитывается; не учитывается также влияние температурных колебаний. Нормы допускаемых элементарных напряжений и нагрузок определяются двумя основными факторами: крепостью дерева, с учетом различных коэффициентов надежности, и расчетными деформациями. При назначении коэффициента надежности необходимо учитывать зависимость крепости дерева от неправильностей его строения - наличие сучков, косослоя, свилеватости уменьшает крепость дерева при его работе на изгиб (поперечный и продольный) и растяжение вдоль волокон, в то время как при смятии эти дефекты не имеют существенного значения; в случае появления в дереве трещин от усыхания и работы его на растяжение поперек волокон и на скалывание может произойти полное разрушение дерева. С наибольшей осторожностью должны нормироваться допускаемые напряжения на скалывание (и растяжения поперек волокон, почти не имеющие практического значения). При смятии, наоборот, м. б. допущено некоторое перенапряжение, если только не опасны для сооружения в целом увеличивающиеся соответственно деформации. Необходимо учитывать при этом, что в сложных врубках и многорядных сопряжениях избыточная жесткость соединения в отношении смятия увеличивает опасность разрушения от скалывания отдельных частей сопряжения порознь.

Абсолютная крепость той или иной породы дерева определяется лабораторным испытанием нормальных образцов, хотя временное сопротивление дерева в лабораторных условиях не всегда правильно характеризует действительную крепость его в сооружении. Особенно велико это несоответствие для скалывания: маленький нормальный образец, испытываемый в металлическом станочке с ограниченной линией среза, без отдирания и выклинивания, дает в 2—3 раза большее временное сопротивление сдвигу вдоль волокон, чем модель врубки или нагельного, шпоночного и других сопряжений в натуральную величину из того же дерева. Большинство существующих норм недостаточно оценивают это расхождение и, руководствуясь исключительно лабораторными данными, дают преувеличенные цифры допускаемого напряжения на скалывание. Лабораторное испытание нормальных образцов дает необходимую сравнительную оценку крепости отдельных пород дерева, но абсолютные допускаемые напряжения, конечно, следует принимать, исходя из реальной крепости дерева, полученной при непосредственном испытании моделей сопряжений.

Деревянные конструкции

Вследствие политропности дерева и ограниченности сортимента лесных материалов наибольшие трудности заключаются в проектировании стыков, узлов и других сопряжений элементов деревянных конструкций между собой. Сложнее всего конструируется растянутый стык. Выработкой хотя бы 5% общего количества лесных материалов увеличенной длины можно было бы сильно упростить конструкции покрытий малого пролета. В больших покрытиях растянутый стык неизбежен. Идеальное решение возможно лишь при наличии надежного неразмокающего клея (фиг. 1). Чем крепче клей, тем круче может быть срезка склеиваемых элементов. Того же типа стык, разверстанный по всей длине растянутого элемента, осуществляется в слоеных дощатых поясах, сшитых гвоздями или нагелями того или иного вида (фиг. 2). В брусчатых или дощатых частях с просветами стык следует сосредоточивать в одном месте, вводя добавочные накладки или прокладки из дерева или железа; в обоих случаях связь осуществляется при помощи нагелей (фиг. 3, 4 и 5) или шпонок (фиг. 6, 7 и 8). Деревянные конструкцииДеревянные конструкцииВ нагельных соединениях ослабление сечения тем меньше, чем меньше диаметр нагелей или чем дробнее, следовательно, само сечение нагелей. В соединениях на шпонках решающее значение имеет скалывание: чем дробнее сечение, тем больше поверхностей скалывания и, следовательно, тем короче стык. Т. о., растянутые части, как правило, следует делать не из брусьев, а из досок. В сжатых элементах дробность сечения нужна только для присоединения элементов решетки или пояса. Сжатый стык осуществляется простым упором ровно опиленных концов досок или брусьев. Для плотности стыка и предотвращения вмятия летних волокон в более мягкие весенние желательно применять прокладку из гибкой металлической пластинки (кровельное железо на сурике и др.). Боковое смещение устраняется обжимами, прокладками или закладыванием обрезка тонкой газовой трубки (фиг. 9) или дубового нагеля в высверленные в обоих концах гнезда. Всякое усложнение стыка, рубка шипов и т. п. - вредно, так как уменьшает площадь смятия и плотность присоединения. Во избежание продольного изгиба стык следует располагать по возможности ближе к узлу и поперечным связям. Стык изгибаемых элементов деревянных конструкций осуществляется по возможности на косом зубе (фиг. 10, А, Б), т. к. прямой зуб может привести к разрыву поперек волокон. Во избежание появления горизонтального распора уклон зуба не должен быть круче 1/4. Для получения жесткого стыка сопряжение скрепляется стяжными болтами или хомутами. В шарнирном соединении вместо болтов вставляют обрезки круглого железа (только для предотвращения горизонтальных смещений). Для неподвижности опоры в центре шарнира собранной конструкции вгоняется горизонтальный нагель. Деревянные конструкцииСопряжение элементов, встречающихся под углом, производится либо посредством врубок в самих элементах, либо введением специальных вспомогательных частей. Основные виды врубок при встрече 2 или 3 элементов следующие: лобовая, щековая, ножничная и треугольная врубки. Лобовая врубка простым зубом (фиг. 11), двойным зубом (для малых углов), двойным зубом со вкладышем (фиг. 12) и др. -  является основным способом выполнения опорного узла брусчатых ферм небольших пролетов. В отношении равнопрочности сопротивления смятию обеих частей врубки выгоднейшее направление рабочей части врубки определяется внешней биссектрисой между осями верхнего и нижнего поясов. Во избежание внецентренного растяжения в ослабленном сечении растянутого бруса должно быть подперто как пересечение основных осей поясов, так и пересечение оси площади смятия с осью ослабленного сечения растянутого бруса. В виду опасности скалывания, хвостовые концы в лобовой врубке получаются большой длины.

При ограниченной длине концов следует переходить к металлическим поковкам (фиг. 13), а при высоких сечениях поясов - к щековым врубкам с двумя (фиг. 14) или более поверхностями скалывания. Деревянные конструкцииВ работу на скалывание могут втягиваться даже вкладыши или обжимные колодки, связанные с основными досками поясов при помощи нагелей, кольцевых шпонок и пр. Рабочие поверхности смятия располагаются при этом, как и в лобовой врубке, по биссектрисе внешнего угла между поясами. При сильно притупленных углах (фиг. 14) подкос следует упирать непосредственно в опорную доску (из дуба), чтобы избежать выклинивания и поперечного скалывания щек хвостового конца. Этот же принцип непосредственной передачи вертикальной и горизонтальной составляющих усилия сжатого подкоса вертикальному и горизонтальному элементам фермы осуществляется в ножничной врубке (фиг. 15). В зависимости от большей или меньшей расчетной площади смятия (необходимой для воспринятая усилия в бабке и разности усилий в соседних панелях пояса) «ножницы» м. б. открытыми (а), закрытыми (б) и полузакрытыми (б). Концы «ножниц» по возможности следует притуплять (а), так как сильно заостренные концы (с) легко отщепляются, и поэтому по могут полностью вводиться в расчет. По той же причине не следует применять «биссектрисных ножниц»: только ортогональное расположение сминаемых площадок по отношению к направлениям усилий в бабке и поясе дает плотное и крепкое сопряжение; при скошенных поверхностях врубка ползет и расщепляется. Деревянные конструкцииПрименяется ножничная врубка только в решетках с сжатыми подкосами без сжато-вытянутых частей, т. к. закрепить растянутый подкос в ножничной врубке довольно трудно. Чем меньше угол между бабкой и поясом, тем выгоднее работает ножничная врубка (фиг. 16). При больших углах (фиг. 17) передача растягивающих усилий посредством подкоса приводит к невыгодному смятию поперек волокон. В таких случаях правильнее растянутые элементы непосредственно врубать друг в друга при помощи треугольной врубки (фиг. 18), а сжатый подкос либо располагать непосредственно впритык, либо через дубовую прокладку д упирать в угол встречи растянутых элементов. Чем ближе этот угол к 180°, тем лучше. Поэтому применение треугольной врубки в стяжном кольце шатровых или купольных покрытий тем выгодней, чем больше в нем сторон.
Деревянные конструкции

Дубовые прокладки, подушки, вкладыши и т. п. часто упрощают обработку материала и уменьшают вес основных элементов деревянных конструкций. На фиг. 19 показан пример подкоса, упирающегося лобовой врубкой в пояс, а щековой - в бабку; полученные при этом размеры его сечения могут оказаться избыточными для работы самого подкоса на сжатие с продольным изгибом. В таких случаях может оказаться выгодным всю работу смятия предоставить дубовому вкладышу (фиг. 20), а размеры подкоса определить расчетом его на продольный изгиб. Вкладыши д. б. изготовлены из сухого дуба; кроме того, для предотвращения «игры», их можно проварить в олифе и изготовить отдельно в столярной мастерской. Деревянные конструкции
Деревянные конструкцииВкладыши могут служить в качестве шаблонов для плотничных врубок в основных элементах. Все вкладышевые сопряжения следует отнести к группе врубок, применение которых вообще ограничивает выбор системы конструкции, затрудняет механизацию производства работ и не всегда дает достаточно плотные сопряжения, особенно для деревянных конструкций, подверженных переменной или динамической нагрузке. Поэтому в современных деревянных конструкциях все большее значение приобретают стандартные соединительные части нагельного или шпоночного типа, применяемые в узловых соединениях деревянных конструкций. Первоначальная форма нагельного соединения - простой плотничный сосновый нагель, пронизывающий несколько конструктивных частей и работающий преимущественно на изгиб. Нагель в инженерных конструкциях делают из дуба, железа или стали, придавая ему удобную для сверления гнезд цилиндрической формы; для уменьшения веса нагели иногда делают трубчатого сечения; для увеличения количества скалываемых поверхностей в соединяемых частях увеличивают число нагелей на каждое сопряжение, одновременно уменьшая диаметр нагеля (штифта, гвоздя). Деревянные конструкцииОсновным преимуществом нагельных соединений является их плотность и жесткость. Нагель вводится в собранную конструкцию без предварительных примерок и пригонок. Соединение может получиться неплотным только в случае несоответствия между диаметрами сверл и нагелей. Особенно плотны гвоздевые соединения, для которых в хвойных и мягких лиственных породах отпадает даже сверление гнезд. Нагели успешно применяются для стыков, имеющих некоторую протяженность в одном направлении, для дощатых балок типа металлических клепаных (гвоздь-заклепка), для связей жесткости в сжатых элементах и других. Недостатком нагельных соединений является малая пригодность их для сильно нагруженных узлов деревянных конструкций, в которых большие сопротивления должны быть сосредоточены около одного центра - оси узла.

Хорошее типовое решение, связывающее в один узел произвольное количество сжатых и растянутых частей, дает кольцевая шпонка. Первоначальной формой шпонки, вообще работающей преимущественно на смятие и скалывание, является дубовый клин, загоняемый в гнездо, которое получается от противопоставления пазов двух сплачиваемых элементов. Однако, примененная таким образом дубовая шпонка слабо сопротивляется именно смятию и скалыванию, т.к. усилие направлено под прямым углом к ее волокнам. Значительно большие усилия воспринимает дубовая шпонка с продольным (в направлении действия усилия) направлением волокон, но для узловых соединений она непригодна, так как работает только в одном направлении. Универсальное решение вопроса о рациональном проектировании узла м. б. достигнуто только применением круглой шпонки. Логическим завершением развития круглой шпонки является разрезная кольцевая шпонка, в которой полностью работают как сердечник, так и периферия кольцевого паза (все преимущества двойной шпонки). Смятие и скалывание в кольцевой шпонке (фиг. 7), как и в простых железных шпонках (фиг. 8), передается через металл; благодаря же упругости разрезного кольца усыхание или разбухание отдельных досок происходит беспрепятственно. Незначительное ослабление сечения соединяемых при помощи кольцевой шпонки элементов допускает применение сравнительно тонких досок, с небольшой длиной хвостовых концов и хорошей центровкой узлов.

Деревянные конструкцииДеревянные конструкцииПрименение болтов в нагельных соединениях б. ч. вызывается желанием лучше скрепить соединяемые элементы, не дать им раздвинуться и, до известной степени, препятствовать их короблению. В качестве нагелей болты применяются редко, т.к. сопряжение, даже при большом расходе железа, получается шатким (особенно при неплотной пригонке). Лучше применять трубчатые нагели; расчеканкой их концов на шайбах можно достигнуть плотного скрепления сплачиваемых элементов и без болтов. В шпоночных соединениях болтовая стяжка необходима для упразднения момента, вращающего шпонку и распирающего сопряжение. Чем короче (в направлении усилия) шпонка, тем больше распирающая сила, являющаяся, несмотря даже на мощную болтовую стяжку, причиной разрушения сопряжений, сплоченных на цилиндрических или квадратных шпонках. При длинных и кольцевых шпонках расчетное усилие, разрывающее болт и вминающее шайбу, не велико и легко м. б. уничтожено, если только вращение шпонки не вызывается поперечным усыханием сплачиваемых частей. В течение первого года шпоночная болтовая стяжка требует надзора и, в случае надобности, подтягивания гаек. В некоторых конструкциях врубки, нагели и шпонки заменяют натяжными сопряжениями, в которых натяжением болта создается трение, уничтожающее сдвигающую силу (фиг. 21 и 22).

Коэффициент трения (в покое) для сухой сосны принят равным 0,3, независимо от направления волокон. Учет трения допускается только в случае безопасности для всего сопряжения тех начальных смещений, которые необходимы для обеспечения постоянного нажатия трущихся поверхностей. Для конструкции узла, изображенного на фиг. 21, учет трения допустим, т. к. смещение верхней колодки, прижатой к поясу только натяжением болтов, не опасно для целости всего сопряжения. Типовой узел сетчатых перекрытий системы Цоллингера (фиг. 22) также устроен на стяжных болтах, вследствие чего все перекрытие должно несколько осесть, прежде чем болты в полной мере начнут работать на растяжение. Во всех этих сопряжениях сечение болта и размеры шайбы определяют расчетом. Необходимо, конечно, применять шайбы достаточной жесткости. Второстепенные скрепления, не требующие подтяжки (особенно во временных сооружениях, лесах), можно устраивать на скобах. При небольшом диаметре железа (до 8 мм в постоянных и до 12 мм во временных сооружениях) заершенные скобы могут вгоняться без предварительного рассверливания соответствующих гнезд. В схемах фиг. 23 приведены основные типы деревянных перекрытий для соответственных нормальных пролетов в м.

Деревянные конструкции

Ветровая связь балочных ферм б. ч. устраивается в стропильном настиле, который иногда шьется в два слоя под углом в 45° к коньку (для рубероидных кровель) или укрепляется специальными диагональными тесинами. При устройстве специальной ветровой связи применяют по возможности парную расстановку стропильных ферм. При расстановке более чем на 4-5 м прогоны делают шарнирными. Переходную ступень к решетчатым стропильным фермам образуют так называемые рыбообразные, со сплошной стенкой балки, и гвоздевые дощатые двутавровые прогоны. Стропильные фермы по схемам фиг. 23 е и ж осуществимы на врубках («ножницы»), т. к. в них все подкосы сжаты. В ножничных фермах нижний пояс держится только на связывающих узловых болтах; поэтому в случае необходимости устройства подвесных потолков, их следует подвешивать непосредственно к растянутым бабкам. В фермах, несущих подвесные потолки, нагрузку от крановых кошек и проч., бывает выгодно применять смешанные конструкции с железными растянутыми бабками (болты). Элементы деревянных конструкций по схемам фиг. 23 з и к и все рамные деревянные конструкции соединяются при малых пролетах гвоздями, а при средних и больших пролетах - кольцевыми шпонками. При этом необходимо иметь в виду, что конструкции на кольцевой шпонке получаются хорошими только при дробном дощатом сечении элементов. Особенно красивы и легки деревянные арочные распорные покрытия. Схема фиг. 23 л характеризует как обычные гвоздевые или клееные арки системы Эми, прямоугольного или двутаврового сечения, так и специальные виды легких перекрытий по системам Цоллингера и Брода. В последней рабочие пояса арки образуют: верхняя - опалубку и нижняя - подшивку, а прогоны служат шпонками, связывающими обе обшивки. Схемы фиг. 23 м и н дают понятие о системе Гау, с крестообразными сжатыми подкосами и деревянными (или железными) растянутыми бабками. Дощатые слоеные пояса удобнее всего собирать на гвоздях, а узлы вязать при помощи деревянных подушек.

Источник: Мартенс. Техническая энциклопедия. Том 6 - 1929 г.