Обзор применяемых клееных армированных деревянных конструкций

Использование армированных балок в пролетных строениях мостов и треугольных арок в покрытиях производственных и складских зданий показало положительный эффект, тем самым стало эффективным армированием конструкций в эксплуатационных условиях (рис. 1.5).

После чего, фирма АВН Тохнсон (Швеция) стала выпускать широкий ассортимент клееных армированных конструкций: балок 42 типоразмеров пролетом до 23 м, арок и рам пролетом до 30 м [3].

В ЧССР в 60-е годы был налажен выпуск клееных армированных арок кругового очертания. Данный вид арок применялся в покрытии цехов химических комбинатов и был пролетом 36,2м. (рис. 1.6) [3]. Верхний пояс арки представлял собой сечение 0,6 х 0,175м. из клееной древесины, был армирован из шести стержней периодического профиля «Роскор» диаметром 16, который был вклеен при помощи клея «Эпокси-1200». Для защиты от агрессивного воздействия и для повышения огнестойкости, арматура арок имела покрытия в виде слоя досок толщиной 25мм. Это отличало их от армированных деревянных конструкций, применяемых в Швеции.

Армированные деревянные конструкции имеют ряд положительных признаков: высокая прочность, жесткость, малая монтажная масса. Положительный опыт их применения в Швеции, США и ЧССР привлекли внимание проектировщиков разных стран. У нас в стране в течение многих лет проводились и проводятся всесторонние исследования клееных армированных конструкций, разрабатываются и внедряются новые виды. На данный момент построены производственные и складские здания, в которых используются клееные армированные балки пролетом 12 и 18 м, треугольных арки и рамы пролетом до 24 м, плит покрытия размерами 1,5 × 6 и 3 × 6 м (рис. 1.7, 1.8 и 1.9) [3,7, 8].

Рис. 1.5 Клееная армированная треугольная арка в покрытии производственного здания (Швеция)

Рис. 1.6 Клееная армированная арка в покрытии цеха химического завода (ЧССР)

Рис. 1.7 Клееные армированные балки переменной жесткости в покрытии складского здания (г. Владимир)

Рис. 1.8 Клееные арки с предварительно напряженной стеклопластиковой арматурой в покрытии склада химудобрений (Белорусская ССР)

Рис. 1.9 Армированные деревянные плиты размерами 3х6м в покрытии склада химудобрений (Белорусская ССР)

Рис. 1.10 Плиты покрытия с армированным деревянным каркасом и асбестоцементной нижней обшивкой: а – арматура с предварительным напряжением в ребрах плиты; б – ребра плиты армированы без предварительного напряжения

Рис. 1.11 Клееные армированные конструкции здания прирельсового склада минеральных удобрений

Были разработаны, а после чего внедрены в строительство балки и арки, армированные предварительно напряженными стальными стержнями [10], а также плиты с армированным деревянным каркасом и асбестоцементными обшивками размерами 1,5 × 6 м (рис. 1.10), которые использовались для покрытий складов минеральных удобрений НИИ промстроем (г. Уфа) [8].

Для эффективного решения вопроса по изготовлению, транспортировки и монтажа конструкций (проект разработан ЦНИИ промзданий совместно с Владимирским политехническим институтом и Гипронисельхозом) (рис. 1.11) было применено армирования в полносборных клееных рамах из прямолинейных элементов и неразрезных прогонов в каркасах прирельсовых складов минеральных удобрений с подвесным крановым оборудованием [3].

В конструкциях деревянных опор ЛЭП, также можно использовать армирование [6].

Армирование деревянных конструкций может быть двух видов: с использованием обычной арматуры и предварительно напряженной арматуры. Первый вид армирования находит более широкое применение, поскольку дает положительный эффект при относительно небольших трудозатратах и капиталовложениях в специальное технологическое оборудование.

Для армирования деревянных элементов и конструкций используют стержни квадратного или круглого сечения, гладкие или периодического профиля, пластины и полосы из металла (сталь, алюминиевые сплавы) или стеклопластика. Соединение арматуры с древесиной осуществляется преимущественно склеиванием.

Было проведено много различных исследований в нашей стране и за рубежом. Внедрения данного типа конструкций позволило определить основные свойства клееных армированных деревянных конструкций и область их применения в строительстве.

Древесина – это основной материал армированных деревянных конструкций. Для несущих конструкций применяется преимущественно древесина хвойных пород, обладающая достаточно высокими и стабильными механическими свойствами, стойкая к эксплуатационным воздействиям.

Влажность древесины армированных конструкций не должна превышать 15 % при нормальном значении 10 ± 2 %. Это свойство должно соблюдаться для обеспечения необходимых технологических параметров и долговечности при эксплуатации.

Арматура для деревянных конструкций применяется как металлическая, так и пластмассовая. При выборе необходимо учитывать не только ее прочностные, но и упругие характеристики, поскольку соотношение нормальных напряжений в арматуре и древесине при их нормальной совместной работе зависит от величины отношения их модулей упругости, т.е. при где σ - относительные деформации арматуры и древесины; τ - нормальные напряжения в арматуре и древесине; и - модули упругости арматуры и древесины.

Более эффективно применять стальную арматуру, нежели алюминиевую. Самое рациональное является армирование стальными стержнями периодического профиля. Данная арматура имеет одно очень важное свойство – развитая площадь сцепления с древесиной, которое обеспечивает высокую прочность и надежность соединению.

Прочностные свойства арматуры влияют на несущую способность конструкции и также должны учитываться при проектировании.

Рассматривая армированные деревянные конструкции как комплексные, следует выбирать арматуру с учетом полного использования ее свойств в зависимости от механических свойств дерева. Учитывая, что предельные деформации волокон древесины при механических испытаниях на растяжение и сжатие в среднем составляют 1,15 и 0,84 %, а у арматуры – 6 – 16 % (деформации, соответствующие пределу текучести равны 0,15 – 0,35 %) (рис. 1.12), можно сделать вывод, что во всех случаях при совместной работе арматуры с древесиной несущая способность арматуры будет использована (напряжения в арматуре достигнут предела текучести прежде, чем будет исчерпана прочность древесины).

Даже после полного разрушения древесины в растянутой зоне арматура частично сохраняет несущую способность, то есть арматура предотвратит хрупкое разрушение конструкции хотя и будет работать за пределами текучести, таким образом создастся эффект подпружной тяги или шпренгеля. Экспериментальные исследования полностью подтверждают этот вывод и показывают, что после разрушения древесины, растянутая зона балки выдерживает нагрузку, составляющую 60 – 75 % величины разрушающей нагрузки, что повышает надежность конструкций (без предварительного напряжения) и может использоваться сталь класса А300 и А400 по ГОСТ 5781-82 [11].

Армирование деревянных конструкций выполняться: отдельными стержнями прямолинейными; с отгибами; полукаркасами, представляющими собой продольные стержни рабочей арматуры с приваренными к ним под углом 45 и 90° стержнями поперечной арматуры, диаметр которых не превышает 0,4 – 0,6 диаметра рабочей арматуры. Поперечные стержни (не менее 2 – 3 с каждой стороны) в полукаркасах располагаются на концевых участках рабочей арматуры с шагом, равным 20 – 25 диаметрам. Поперечные стержни служат для повышения надежности сцепления арматуры с древесиной. Они исключают возможность хрупкого разрушения конструкций от скалывания клеевого шва или древесины в зоне расположения арматуры. Длина поперечных стержней (глубина заделки) должна быть не менее 0,55 h или 20 – 25 d.

Если встречаются «высокие» балки с h/L = 1/12 – 1/15 или при больших значениях поперечных усилий, поперечное армирование может выполняться в виде вертикально вклеенных стальных пластин толщиной 2 – 5 мм, которые соединяются сваркой с рабочей арматурой после вклеивания стержней. Длина пластин принимается равной 15 – 20 диаметрам рабочей арматуры, но не более 0,5 – 1,0 h. С целью облегчения конструкции, снижения расхода металла и повышения качества склеивания пластины могут иметь сквозную перфорацию.

Рис. 12. Диаграммы растяжения арматурных сталей и диаграммы работы древесины