Выбор способа усиления стропильных балок

Выбор способа усиления стропильных балок
по нормам, определенным СП 64.13330.2011 «Деревянные конструкции».

В соответствии с пунктом 4.3.3 «Рекомендаций по усилению и ремонту строительных конструкций инженерных сооружений», при частичном разрушении древесины подрезами, смятиями под шайбами болтов, разрывами, сколами, гнилью усиление осуществляется с помощью дополнительного крепления гвоздями или болтами досок, брусьев, накладок, швеллерных профилей.

Возьмем трещину в стропильной балке, направленной вдоль нагрузки. Этот случай можно рассматривать как составной элемент без связей.

Пункт 6.6 СП64.13330.2011 гласит: гибкость составного элемента относи­тельно оси, проходящей через центры тяжести сечений всех ветвей (ось х на рисунке 2), следует определять как для цельного элемента, т.е. без учета податливости связей, если ветви нагружены равномерно.

Проще можно сказать, что трещина, паралельная нагрузке, не влияет на гибкость балки в этом направлении. Такую балку можно усилить достаточно тонкой накладкой для предотвращения дальнейшего увеличения трещины.

Рассмотрим вариант трещины, образовавшиеся перпендикулярно нагрузке. В таких случаях стропильную балку усиливают. Для примера возьмем стропильную балку 150х150 мм усиление балок подшивкой досками с двух сторон 50х150 мм (согласно распостраненным сметам).

Гибкость составного элемента на  податливых соединениях относительно оси y определяется по формуле (11), но при этом момент инерции принимается с учетом всех ветвей, а площадь – только опертых.

                                                               (11)

где λ_у — гибкость всего элемента относительно оси у (рисунок 2), вычисленная по расчетной длине элемента l₀ без учета податливости, о есть, как цельного элемента

                                                                    (13)

Расчетную длину элемента l₀ следует определять умножением его свободной длины l на коэффициент μ₀. При одном шарнирно-закрепленном и другом защемленном конце μ₀= 0.8 (см. п. 6.23). Моменты инерции берем из справочника (см. приложение). Для балки сечением 150 мм I_бр = 15⁴/12 = 4218.75 см⁴, для доски 50х150мм – 15х5³/12 = 156.25 см⁴. Площадь сечения брутто F_бр примем для опертой балки 150х150 мм.

λ_у = 5х0.8/Ö(4218.75+2х156.25)/15х15 = 0.89

λ_l — гибкость отдельной ветви относительно оси I—I (см. рисунок 2), вы­численная по расчетной длине ветви l₁; при l₁ меньше семи толщин (h_l) ветви принимаются с λ_l = 0. Если ветви составного элемента имеют различное сечение, то расчетную гибкость l₁ ветви в формуле (11) следует принимать равной

                                                             (14)

Расстояние межде связями l₀оставим переменной величиной, которую необходимо оптимизировать.

λ₁ = l₁/Ö(4218.75+2х156.25)/15х15 = l₁/4.4876

μ_у — коэффициент приведения гибкости, определяемый по формуле

                                                              (12) 

где b и h– ширина и высота поперечного сечения элемента, соответственно 5+5+15=20 см 15 см;

n_ш – расчетное число швов в элементе, определяемое числом швов, по которым суммируется взаимный сдвиг элементов, в нашем случае это 3 шва;

l₀   – расчетная длина элемента, м, возьмем длину средней балка 5х0.8=4 м;

п_с – расчетное число связей в одном шве на 1 м элемента;

k_с – коэффициент податливости соединений, который следует определять по формулам таблицы 15. В качестве примеров исследуем шурупы Ø8 мм и шпильки Ø12 мм.

При сшивании элементов двумя нагелями попарно для шурупов k_с= 1/(10х0.8²) = 0. 0.15625, для шпилек Ø12 мм, k_с= 1.5/(5х1.2) = 0.25.  (см. табл. 15).

При сшивании элементов в шахматном порядке для шурупов k_с= 1/(5х0.8²) = 0.3125, для шпилек Ø12 мм, k_с= 3/(5х1.2) = 0.5

μ_у =Ö(1+ k_сх(20х5х3) / (4²х п_с) = Ö(1+k_сх18.75/ п_с)

Составим таблицы результатов вычислений для выбора типа и количества связей.

При сшивании элементов попарно:

При сшивании досок в шахматном порядке:

F_нт/F_бр– отношение площади нетто (за вычетом отверстий под связи) сечения составного элемента к площади опертого элемента показывает степень ослабления прочности и устойчивости стропильной балки.

Выводы

Результаты вычислений наглядно отражают преимущество усиления балок шурупами в шахматном порядке, так как при незначительном увеличении гибкости (на ~20-25%) составной балки в два раза уменьшается отношение площадей сечений нетто и брутто, непосредственно влияющее на ее прочность и устойчивость. Наиболее оптимальное расстояние между связями от 25 до 35 см. При расстоянии между связями менее 20 см ослабления площади F_нт, вызванные нагелями, складываются (см. п. 6.1).