Аналитический обзор опыта применения деревянных дощатых ферм в строительстве.

Развитие в ХIХ веке деревообрабатывающей промышленности, а также разработка всё более точных методов расчёта конструкций, создали предпосылки для применения в строительстве, наряду с брусчатыми и дощатые конструкции, которые способствовали созданию их новых форм.

Несущие конструкции покрытий зданий из деревянных ферм утвердились к концу ХIХ началу ХХ века. Вначале они представляли собой брусчатые балочные, системы треугольного очертания с узлами на врубках и болтах [63,64,65,80,81]. Такие конструкции использовали в покрытиях зданий и сооружений с пролетами 12-18м, а в отдельных случаях – и до 50м.

В 20-40-х годах ХХ столетия большое распространение получили дощатые фермы с узлами на нагельных (гвоздевых, болтовых) и шпоночных (зубчато-кольцевых, гладко-кольцевых, когтевых) соединениях. Эти конструкции имели сквозное решение, их выполняли двускатными в две, три и четыре ветви по поясам с закреплением между ними дощатых или брусчатых элементов решетки. Дощатые несущие конструкции отличались от брусчатых более рациональным расходом материала. В разработке таких конструкций принимали участие: М.Д. Анненков, П.А. Букреев, И.Я. Иванин, Г.Г. Карлсен, К.П. Кашкаров, С. Мордхин, Б. А. Освенский, В. Г. Писчиков, Г. В. Свенцицкий, Г.В. Скворцов [4, 22, 64,65,67,81].

Несущие конструкции ферм с узлами на нагельных и шпоночных соединениях проектировали пролетом 10-16 м под нагрузку 2.0-4.5кН/м. Для изготовления этих конструкций применяли, различные стандартные материалы: доски, гвозди, болты, гайки и т. д., что повышало уровень сборности и приводило к сокращению трудозатрат.

В 30-50-х годах ХХ века были разработаны круговые арки Эмми из гнуто-составных дощатых элементов, располагаемых по высоте сечения. На основе арок Эмми разрабатывали и фермы сегментного очертания. Фермы состояли из двух или трех дощато-составных ветвей поясов с закреплением между ними дощатых (брусчатых) элементов решетки на болтовых или гвоздевых соединениях [4,67,81]. Сплачивание составных элементов арок и ферм осуществляли на гвоздях. Нижний пояс и решётку сегментных ферм, в отдельных случаях выполняли металлическими с узлами на болтовых соединениях, что приводило к повышению срока эксплуатации таких конструкций.

Арки и фермы такого типа не получили широкого распространения из-за имеющихся недостатков: большого расхода гвоздей на конструкцию, высокой трудоемкости изготовления и др.

В целях устранения некоторых существенных недостатков сегментных ферм с составными по высоте поясами в 1931 году В.И. Шостаковский предложил заменить сегментный верхний пояс из гнуто-составных досок вписанным полигональным поясом из досок, расположенных на боковую кромку - по принципу арок Делорма [67,81]. В этом случае пояса ферм состояли из коротких косяков в несколько ветвей со стыками в разбежку связанными гвоздевыми соединениями, а в узлах - болтами.

Дощатые ветвевые фермы и рамы с составными и несоставными поясами на болтовых, гвоздевых и шпоночных соединениях проектировали со стоечно-раскосной решёткой пролетами 10-24 м [67,81,90]. Для больших пролётов и для значительной снеговой нагрузки были разработаны дощатые ветвевые фермы и арки с затяжкой (система "Полонсо") относительно большой высотой подъёма и на тех же видах узловых соединений.

Отдельные виды ферм и арок системы “Полонсо” разработаны В.С. Деверягиным, М.Е. Каганом, В.М. Коченовым, В.П. Синициным, А.В. Леняшиным, С.И. Нешумовым.

В это же время в нашей стране начали разрабатывать метал- лодеревянные фермы. Вначале их проектировали из брусчатых, а позднее из клееных элементов. Сопряжения деревянных и металлических элементов в этих фермах осуществлялись на накладках с болтовыми соединениями. Пролёты их составляли 9-24 м при нагрузках 3-9 кН/м [4, 44,45,64,65,66,80].

В 50-70 годах большое распространение получили соединения в облегченных дощатых фермах с помощью металлических пластин (накладок) с выштампованными зубьями (МЗП) [6, 15, 95, 99, 106,116]. Металлические зубчатые пластины изготавливаются из полосовой стали толщиной от 1 до 2 мм методом холодной штамповки. В процессе штамповки образуется система зубьев, отогнутых относительно поверхности под прямым углом [6, 95, 99]. Узловые соединения дощатых конструкций осуществляются путем равномерного вдавливания гидравлическим прессом или путем забивки зубьев пластин в древесину соединяемых элементов. Деревянные фермы с соединениями на металлических зубчатых пластинах (МЗП) довольно быстро получили широкое распространение и начали вытеснять ранее использовавшиеся методы традиционного изготовления ферм с фанерными узловыми накладками.

Конструкции дощатых ферм с соединениями на МЗП применяются в покрытиях сельскохозяйственных и производственных зданий. Пролёт их составляет 9-24 м, есть и опытные разработки ферм пролётом 30 м [6, 55, 99].

Запатентовано более 150 видов металлических зубчатых пластин, предназначенных для изготовления деревянных конструкций. Эти решения отличаются друг от друга формой зубьев, формой пластины, в большинстве не имея преимуществ одно перед другим. Наибольшее применение получили пластины типа “Gang-Nail” (США), “TTS-100” (ФРГ) и “N” (Финляндия).

В Швеции, США, ФРГ и ряде других стран широко ведется работа по исследованию этих конструкций [6].

Наибольшее распространение дощатые фермы с соединением на металлических зубчатых пластинах типа “Gang-Nail” получили в США, где только в 1975 году было использовано на их производство 8% всей древесины страны (рис. 8.1.) [6].

Позднее были приобретены лицензии на производство дощатых конструкций с соединением на МЗП системы “Gang-Nail” в 16 странах Европы, Канаде, Японии, Австралии, Новой Зеландии, некоторых странах Африки, Южной Америки и Юго-Восточной Азии [6].

Рис.8.2. Конструктивные схемы МЗП, разработанных, ЦНИИСК (а), ВНИИДрев (б), Финляндии (в), Воронежским ПТИ, ЦНИИСК (г)

В нашей стране исследования в области деревянных конструкций с соединениями типа “Gang-Nail” начались в начале 70-х годов ХХ столетия с изучением зарубежного опыта по публикациям рекламного характера.

Разработкой и исследованием этих ферм в нашей стране занимались: В.А. Цепаев, Д. В. Мартинец, Д. К. Арленинов, А. М. Дурновский, Ю.М. Прохорин, А.К. Наумов, В. В. Пуртов, Ю.М. Исаков, В.Г. Миронов и другие [6, 55, 95, 99, 116]. Исследования, проведенные во ВНИИдрев, в ЦНИИСК им. Кучеренко, ГИСИ им В.П. Чкалова, Кировском ИСИ показали, что соединения деревянных деталей на МЗП податливы, как и нагельные соединения [6, 95, 99, 116]. Некоторые виды конструктивных схем МЗП разработанных в нашей стране и за рубежом представлены на (рис. 8.2, 8.3).

В последние десятилетия в нашей стране конструкции с соединениями на МЗП начали применять очень широко при изготовлении ферм (рис. 8.4) и других дощатых конструкций [6, 95] .

Разновидностью соединений на МЗП являются соединения деревянных элементов несущих конструкций с помощью многонагельных плат (Menig - Nagelplatt). Многонагельные платы изготавливаются из тонколистового металла и тонких металлических штырей l = 25 - 40 мм. Штыри крепятся металлическим платам под прямым углом с обеих сторон и ставятся с шагом 10-20 мм. Такие платы служат соединительными элементами в узлах многоветвевых ферм (рис. 8.5.).

Фермы с узловыми соединениями на многонагельных платах применяются в зарубежном строительстве для сельскохозяйственных зданий пролётами 12-40 м. Аналогичные решения узловых соединений ветвевых ферм разработаны и в нашей стране.

Рис. 8.5. Соединение деревянных элементов на многонагельной пластине

В дощатых и брусчатых конструкциях применяется соединение при помощи узловых пластинок, которые без предварительного просверливания пробиваются насквозь гвоздями. К таким соединениям относится система "Graim" [6]. Соединения этого типа выполняются следующим образом: стальные оцинкованные пластинки толщиной 1,0 - 1,75 мм вставляют или вклеивают в специально прорезанные в поясах или концевых участках элементов решётки продольные пазы (от двух до шести) шириной 1,2-2,0 мм, после этого соединение пробивают гвоздями. В результате получается многосрезное нагельное соединение (рис. 8.6.).

Сегодня в мире конструкции с соединениями на МЗП используются не только в сельскохозяйственных постройках, но также в жилищном строительстве, в промышленных и общественных зданиях.

В Германии и ряде других стран ведутся разработки двускатных и од­носкатных деревянных ферм с узловыми соединениями на дюбелях и гвоздях. Фермы проектируют для зданий пролётами 5 - 21м. Шаг их расстановки принимается равным 1,0 – 4,5м [49].

В ВНР разработаны две конструкции сквозных дощатых ферм на гвоздевых со­единениях пролётами 9, 12 и 15 м с уклоном кровли 25% , шаг ферм 3 м. Конструкция первой модификации типа “Agrofa” с фанерными фасонками состоят из двух полуферм с параллельными поясами, соединенных между собой в середине пролёта. Конструкция второй модификации - бесфасоночная треугольная ферма типа “ F ” имеет горизонтальный нижний пояс и также выполняется из двух полуферм. В производственном объединении “Agrofa” налажен выпуск ферм обеих модификаций [24].

Во Франции также был налажен выпуск дощатых гвоздевых ферм пролётами 6 м и 9м. Они входят в комплект поставки помещений теплиц [6].

В нашей стране ведётся совершенствование этих видов конст­рукций. Запроектированы и выпускаются дощатые фермы с узлами на гвоздевых соединениях пролётами 9; 12; 15м для I-III снеговых районов. С 70-х годов ХХ века на Чебоксарском ЭДОЗе выпускались дощатые фермы пролётами 9 и 12 м с узлами на фанерных накладках с клеегвоздевыми соединениями.

С 1975 года сотрудники кафедры «Строительных конструкций» Владимирского Государственного университета (ранее ВПИ) В.Ю. Щуко, Е.А. Смирнов, В.В. Черкашин, и др. регулярно проводили выборочные испытания выпускаемой продукции Чебоксарского ЭДОЗ. Так, например, в 1979 Смирновым Е.А. испытаны дощатые фермы пролётом 12 м с узловыми фанерными накладками на клею ФР12 с гвоздевой запрессовкой (Фото 8.7).

Применение в несущих дощатых конструкциях МЗП и различного рода нагельных соединений требует значительного расхода металла. Поэтому замена в узлах металлических пластин и нагелей клеевыми соединениями с различными конструктивными дополнениями повышает эффективность конструкции в целом.

В зарубежной практике строительства нашли широкое применение конструкции ферм и рам под названием "Dreieskstretenban" ("DSB"), выпол­ненных с вклеенными в пояса деревянными элементами треугольной ре­шетки [6,55,103]. Бесфасоночные рамы и фермы типа "DSB" состоят из парал­лельно расположенных верхнего и нижнего поясов, выполненных из брус­чатых, дощатых или дошатоклееных элементов и сквозной решетки, обра­зуемой системой раскосов. Раскосы с нарезанными по концам шипами вклеиваются в пазы, выбранные в поясах.

В США запатентована конструкция фермы (патент № 3490188), которая выполняется из параллельных поясов и стоек с соединениями их между собой на пазах и шипах. Ферма собирается путём опрессовки шипов стоек в пазах поясов с дополнительными клеевыми прослойками.

Брусчатые фермы с соединениями на пазах и шипах в Швейцарии разработаны под названием “Blumer – Sistembinder”(BSB).Конструктивные схемы ферм принимаются в зависимости от пролёта, который составляет 12-21м.

Нарезка шипов на раскосах и выборка пазов в поясах ферм системы ”DSB” и “BSB” значительно повышает трудоёмкость изготовления. В этих конструкциях несущая способность используется не полностью, так как в концевых участках раскосов сечения ослаблены подрезкой на шип.

Несколько иной вид сквозных конструкций, исключающий ослабление раскосов подрезкой, представляют фермы с соединениями типа “Trigonit” разработанные в ФРГ [6,15]. Пояса этих ферм выполняются двух - или трехветвевыми. Раскосы вставляются между поясами и пробиваются гвоздями. Между собой раскосы соединяют шипами на клею. Элементы этих типов используются в качестве верхних поясов большепролетных ферм, а также как стропильные ноги и прогоны [6, 15].

В Финляндии г. Хельсинки были разработаны и произведены рамы

с фанерными вставками (дисками) для склада пролетом 14м (рис. 8.8). Соединение брусьев с фанерой осуществлялось на болтах.

С конца 70-х годов ХХ века за рубежом и у нас в стране ведутся разработки конструкций дощатых ферм с узлами на клеегвоздевых и клееболтовых соединениях. Узлы этих ферм выполняются либо с фанерными накладками (фасонками), либо бесфасоночными [6,15,54,94,149]. Такие конструкции проектируют пролетами от 6 до 21 м под нагрузку 1- 6 кН/м. Они применяются, как и все облегченные дощатые конструкции, преимущественно в строительстве малоэтажных сельскохозяйственных зданий [6,54]. Производство конструкций с узлами на фанерных фасонках пролётом 12м под нагрузку 2-2,5кН/м освоено на Чебоксарском ЭДОЗ в 1978г.

В 80-х годах во Владимирском государственном университете (ранее ВПИ) Е.А. Смирновым, Л.А. Ероповым и В.Ю. Щуко разработаны дощатые фермы с узлами на клеегвоздевых и клееболтовых соединениях. Фермы выполняются треугольными одно - или двускатными, полигональными и трапециевидными (рис.1.8). Решётка ферм принимается треугольной или стоечно -раскосной. Дощатые бесфасоночные фермы рекомендуется применять для пролетов 6 – 15 м и под нагрузку 3 – 6 кН/м при шаге 1,5 – 3 м. Конструкции с фанерными накладками (фасонками) проектируются для пролетов 9 – 18 м под расчётную нагрузку 1 – 3 кН/м. Дощатые несущие конструкции допускаются к применению в зданиях III, IY,Y степеней огнестойкости.

а)

б)

в)

Рис. 8.9. Дощатые фермы: а - треугольная с бесфасоночными узлами;

б - треугольная с узлами на фанерных накладках;

в - полигональная с бесфасоночными узлами.

В 1987 году Л.А. Ероповым и В.Ю. Щуко были разработаны и проведены экспериментальные исследования раскосных, бесфасоночных ферм, раскосных с фанерными накладками и безраскосных на фанерных накладках [149, 151]. Все фермы имели клеегвоздевое соединение узлов. Первые испытания проведены были на моделях, а последующие на натурных конструкциях.

Бесфасоночные фермы под нагрузку 4,5кН/м запроектированы двухветвевыми с сечением 2х150х45мм – по верхнему и нижнему поясам и 1х125х45 мм - по раскосам, под нагрузку 6,0 кН/м трехветвевыми с сечением 3х150х45 мм – по поясам и 2х125х45 мм по раскосам (рис. 8.10.).

Рис. 8.10. Конструкция бесфасоночных ферм.

Для элементов ферм с узлами на фанерных накладках под нагрузку 2,25 кН/м сечения элементов составляли 140х50 мм – по верхнему поясу, 110х50мм – по нижнему поясу и 75х50 мм по раскосам (рис. 8.11).

Рис. 8.11. Конструкция ферм с фанерными накладками.

Испытания безраскосных ферм проводились только на моделях под расчётную нагрузку 1кН/м, сечение элементов 45х20 мм – по верхнему поясу, 40х20 мм – по нижнему поясу и 15х20 мм по стойкам (рис. 8.12.).

Рис. 8.12. Конструкция безраскосных ферм с фанерными накладками.

Исследования, проведенные на моделях и натурных фермах показали, что конструкции раскосных бесфасоночных ферм и ферм с фанерными накладками обладают необходимой прочностью и отличаются от существующих конструкций ферм низкой деформативностью. Безраскосные фермы имели несколько большую деформативность по отношению к раскосным и дальнейшее исследование их не производились.

Таблица 8.1

Таблица расхода материалов на конструкции

№	Марка конструк- ции	Эскиз конструкции	Расход материалов	Масса конст- рукци (кг)
древесина (м3)	фанера (м3)	клей (кг)	сталь (кг) д риаловатериалов
на одну констр.	на 1м2 пола	на одну констр.	на 1м2 пола	на одну констр. ола	на 1м2 пола	на одну констр. ола	на 1м2 пола
	ДБФ12-3		0,36		-	-	1,131 1,4		3,92
	ФСД12-3 (на МЗП)		0,290		-	-	-	-	23,2
	ФС12-3 (на фанерных накладках)		0,349		0,028		2,66		6,79
	ДФн12-3		0,315		0,0785		1,7		6,0
	ДФ12-3		0,258		0,06		1,65		5,85

В 2006 году Г.М. Грязновым, Е.А. Смирновым и В.Ю. Щуко были разработаны и проведены экспериментальные исследования деревянных дисковых ферм (рис. 8.1), которые обладают значительными преимуществами в сравнении с существующими дощатыми конструкциями. Введение в верхний пояс дисков на всю его длину позволило увеличить прочность поперечного сечения и жёсткость конструкции, и тем самым сократить расход древесины. Замена стоечно-раскосной и стоечно-балочной системы на диски делает эти фермы простыми в изготовлении. Кроме того, в отличии от уже существующих дощатых ферм, данная конструкция позволит сократить затраты времени на изготовление за счёт производства конструкции за один проход, что является актуальным. Процесс центровки и разметки узловых соединений в раскосных дощатых фермах приводит к значительным трудозатратам. Простота раскроя листов для дисков (фанера, ЦСП) и установка их через определенный шаг позволяет избавиться от многих операций увеличивающих трудоёмкость.

Рис. 8.1 Схема испытательной установки для моделей деревянных дисковых ферм с полным геометрическим подобием натурным конструкциям пролётом 12 м.

В зависимости от геометрии разрабатываемой конструкции, можно добиться такого раскроя листов для дисков, который позволит иметь минимальные отходы. Применение в качестве дисков цементно-стружечных плит позволит сократить стоимость конструкции (Таблица 8.1).

Результаты технико-экономического оценки эффективности применения дисковых ферм по сравнению с уже существующими показали,что расход древесины снижается на 14 – 20 %, монтажная масса – на 6 -9 %, стоимость – на 6 -18 %, трудоёмкость изготовления – на 5 - 22 %. Применение гвоздевых соединений в фермах позволит сократить трудоёмкость изготовления ещё на 12 -18 %, а применение в качестве дисков ЦСП стоимость на 15 - 25 %.