Статья затрагивает одну из актуальных проблем в индустрии деревянного строительства, в частности использование шпренгельных балок из LVL как несущих конструкций зданий и сооружений. Процесс исследования включал в себя создание различных расчетных схем и их последующий расчет в программном комплексе SCAD. Было проведено вариантное проектирование шпренгельных балок с двумя наклонными стойками различных конфигураций, а также проведен их сравнительный анализ. Цель работы — поиск оптимального варианта расположения шпренгельных стоек относительно верхнего пояса балки.
Ключевые слова: шпренгельная балка, деревянные конструкции, клееный брус, шпренгельная тяга, статический расчет, LVL.
Использование шпренгельных систем позволяет решать ряд конструктивных задач в современном строительстве, например перекрытие пролетов различной длины, усиление существующих конструкций путем превращения их в шпренгельные системы, а также оптимизация различных вариантов конструктивных схем зданий и сооружений. Одной из особенностей шпренгельных балок является их многообразие и вариативность.
В основу данной статьи легли исследования шпренгельных балок состоящих из комбинации деревянных и металлических элементов, основным конструктивным материалом которых является брус из многослойного клееного шпона (LVL), а расчетная схема представляет собой систему состоящую из верхнего пояса, двух наклонных шпренгельных стоек и шпренгельных тяг. Основной задачей исследования является поиск рациональной геометрической схемы для шпренгельной балки с двумя наклонными стойками.
Для проведения расчета и анализа полученных результатов были созданы три расчетные схемы шпренгельной балки с различными геометрическими характеристиками с помощью программного комплекса AutoCAD и произведен их дальнейший экспорт в расчетный комплекс SCAD, в котором были выполнен линейный статичный расчет.
Исходные данные для всех трех балок:
– Пролет балки — 10 000 мм
– Поперечное сечение верхнего пояса (LVL) — 90х200 мм
– Поперечное сечение шпренгельный стоек (LVL) — 90х120 мм
– Шпренгельная тяга — сталь круглая d39 мм
– Нагрузка от снега — 1 т/м
– Нагрузка от собственного веса конструкции
Рис. 1. Балка № 1, геометрическая схема
Рис.2. Балка № 1, Эпюра изгибающих моментов от комбинации нагрузок
В данном варианте, при равных расстояниях между точками крепления стоек к поясам, в пролетах балки и на опорах возникают моменты, сильно различающиеся по модулю, что не является оптимальной работой шпренгельной системы.
Разница моментов в центральном пролете и на прилегающих опорах стоек равна:
ΔМ1 = 1,005 / 0,397 = 2,531
Рассмотрим следующий вариант, с иным расположением шпренгельных стоек:
Рис. 3. Балка № 2, геометрическая схема
Рис. 4. Балка № 2, Эпюра изгибающих моментов от комбинации нагрузок
Второй вариант балки показывает более равномерное распределение изгибающего момента в центральном пролете и на прилегающих точках крепления стоек.
ΔМ2 = 1,142 / 0,876 = 1,30
Промежуточным итогом может быть следующий вывод — шпренгельные стойки следует располагать таким образом, чтобы центральный пролет был больше, чем боковые, что приведет к более равномерному распределению изгибающего момента в верхнем поясе шпренгельной балки. В частности, для балки пролетом 10 000мм, оптимальным вариантом будут пролеты 3000 мм; 4000мм; 3000мм.
В рамках данного исследования также был проведен анализ схемы, в которой было уменьшено расстояние между верхним поясом шпренгельной балки и затяжкой. Рассмотрим такой вариант:
Рис. 5. Балка № 3, геометрическая схема
Рис. 6. Балка № 3, Эпюра изгибающих моментов от комбинации нагрузок
Получив величины изгибающих моментов в балке № 3, можно наблюдать еще более равномерную работу шпренгельной системы.
ΔМ3 = 1,103 / 1,08 = 1,02
Проведя анализ всех трех балок, можно сделать ряд выводов о зависимостях между геометрическими характеристиками и распределением внутренних усилий в конструкции и сформировать их в виде рекомендаций к проектированию данного типа балок с пролетом до 10–12 метров:
- Расстояния между точками крепления шпренгельных стоек и опорами рекомендуется принимать меньше, чем центральный пролет балки.
- Шпренгельная стойка должна быть установлена по биссектрисе угла, образованного в точке пересечения шпренгельных тяг.
- Расстояние между верхним и нижним поясом рекомендуется принимать равным 1/10 от длины всей балки.
Одной из важнейших задач изучения шпренгельных систем является поиск оптимальных геометрических и жесткостных характеристик данных систем для дальнейшего создания надежных и унифицированных шпренгельных балок. Такие системы подойдут для решения множества задач в современном строительстве, реконструкции и усилении существующих зданий и сооружений. Балки такого типа требуют более глубокого изучения, дополнительных исследований для их эффективного использования в индустриальном строительстве.
Литература:
- СП 64.13330.2017 Деревянные конструкции Актуализированная редакция СНиП II-25–8.
- Шмидт А. Б., Дмитриев П.А, Атлас строительных конструкций из клееной древесины и водостойкой фанеры», Учебное пособие./ М.: Изд-во Ассоциации строительных вузов, 2002,-292-с.
- И. М. Гринь, В. В. Фурсов, Д. М. Бабушкин и др., Проектирование и расчет деревянных конструкций: Справочник. Изда-во Будивэльнык, 1988. — 240с
- Е. Н. Серов, Ю. Д. Санников, А. Е. Серов. Проектирование деревянных конструкций. СПб.: Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет, 2010. 534 с.
