ОПОРНЫЙ УЗЕЛ ДЕРЕВЯННОЙ ФЕРМЫ Российский патент 1994 года по МПК E04B1/38 E04B1/58 

Изобретение относится к строительству и предназначено для изготовления несущих конструкций, состоящих из деревянных элементов.

Известна конструкция опорного узла деревянной фермы, включающая нижний деревянный пояс, снабженный выступом, верхний деревянный пояс, примыкающий частью торца к выступу, и соединенный с нижним поясом с помощью деревянных накладок и аварийных болтов [1].

Основными недостатками данной конструкции являются малая несущая способность, большой коэффициент концентрации напряжений сдвига в начале плоскости скалывания и значительная металлоемкость.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является конструкция опорного узла деревянной фермы, включающая нижний пояс, снабженный сверху выступом, прокладку, приклеенную к основанию выступа и к верхней грани опорной части нижнего пояса, верхний пояс, примыкающий частью торца к выступу, и подбалку, приклеенную к нижней грани опорной части нижнего пояса, при этом верхняя грань прокладки и основание выступа снабжены продольными гребнями и пазами [2].

Недостатком известного решения является то, что прочность клеевого шва, находящегося в плоскости скалывания, воспринимающего горизонтальную составляющую сжимающего усилия от верхнего пояса, будет определяться механическими характеристиками менее прочного материала, в данном случае материала выступа, а следовательно, выполнение прокладки из древесины твердых пород или высокопрочных пластмасс мало повышает прочность узла на скалывание. При значительной величине сжимающего усилия длина прокладки также увеличивается, что приводит к большей материалоемкости опорного узла.

Цель изобретения - повышение несущей способности и снижение материалоемкости опорного узла.

Цель достигается тем, что в опорном узле деревянной фермы, включающем нижний пояс, снабженный сверху выступом и дополнительной наклейкой, выполненной в виде прокладки, размещенной между основанием выступа и верхней гранью опорной части нижнего пояса и снабженной продольными гребнями, размещенными в соответствующих им пазах основания выступа, а снизу - подбалкой, и присоединенный к нижнему поясу под углом верхний пояс - выступ со стороны своего основания и контактирующий с ним участок верхней грани прокладки по длине имеют криволинейное очертание, описываемое уравнением
y = ; a = ; x = ; где R_ск^д - расчетное сопротивление древесины скалыванию вдоль волокон, МПа;
R_ск^п - расчетное сопротивление скалыванию вдоль волокон материала прокладки, МПа;
l - расчетная длина плоскости скалывания, м;
b - ширина нижнего пояса, м;
α - угол наклона верхнего пояса, град., и снабжены продольными криволинейными гребнями, размещенными в соответствующих им пазах.

Участок нижней грани прокладки и контактирующий с ней участок верхней грани нижнего пояса по длине дуги могут иметь также криволинейное очертание, описываемое уравнением, аналогичным очертанию верхней грани.

Гребни выполнены треугольного профиля с углом заострения в пределах 15-30^о и высотой, равной 1/12 - 1/15 максимальной толщины прокладки.

Сравнительный анализ с прототипом показывает, что выполнение прокладки по длине криволинейной позволяет повысить несущую способность опорного узла за счет вовлечения в работу только материала прокладки, с большими прочностными и деформационными характеристиками.

Выполнение прокладки криволинейной по обеим граням позволяет значительно уменьшить ее длину до длины плоскости скалывания, что позволяет значительно уменьшить материалоемкость опорного узла.

Выполнение гребней треугольного профиля с углом заострения в пределах 15-30^о и высотой, равной 1/12-1/15 максимальной толщины прокладки, обеспечивает минимальное усилие вдавливания в соответствующие пазы, при котором не происходит раскалывания древесины, что позволяет уменьшить расход материалов на пояса, прокладку и выступ.

Таким образом заявляемый опорный узел деревянной фермы соответствует критерию изобретения "Новизна".

Сравнение заявляемого решения с другими в данной области не позволило выявить в них признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа, что позволяет сделать вывод о соответствии критерию "Существенные отличия".

На фиг.1 изображен опорный узел деревянной фермы; на фиг.2 - разрез А-А на фиг. 1; на фиг.3 - эпюра распределения касательных напряжений по плоскости скалывания; на фиг.4 - опорный узел деревянной фермы с криволинейной поверхностью по двум сторонам; на фиг.5 - схема последовательности сборки узла; на фиг.6 - прокладка.

Опорный узел деревянной фермы включает нижний пояс 1, снабженный сверху выступом 2, прокладку 3, прикрепленную к основанию выступа 2 и к верхней грани опорной части нижнего пояса 1, верхний пояс 4, примыкающий частью торца к выступу 2, и подбалку 5, приклеенную к нижней грани опорной части нижнего пояса 1. При этом верхняя или обе грани прокладки 3 и нижняя грань выступа 2 и верхняя грань нижнего пояса 1 по длине имеют криволинейные очертания, снабженные продольными криволинейными гребнями 6 и продольными криволинейными пазами 7.

Сборку опорного узла осуществляют следующим образом.

В выступе 2 со стороны его основания и на верхней грани прокладки 3 по шаблону, имеющему криволинейное очертание, описываемое уравнением -
y = ; a = ; x = , где R_ск^д - расчетное сопротивление древесины скалыванию вдоль волокон, МПа;
R_ск^п - расчетное сопротивление скалыванию вдоль волокон материала прокладки, МПа;
l - расчетная длина плоскости скалывания, м;
b - ширина нижнего пояса, м;
α - угол наклона верхнего пояса, град., фрезеруют продольные гребни 6 и пазы 7. Затем на них наносят слой клеевой композиции, гребни вводят в соответствующие им пазы и, осуществив прижим, выдерживают в запрессованном состоянии до отверждения клея. После этого прокладку 3 с приклеенным к ней выступом 2 приклеивают на гладкую фугу к верхней грани опорной части нижнего пояса.

Возможно совмещение этих операций во времени.

В случае применения в конструкции опорного узла прокладки 3 криволинейного очертания по двум сторонам с приклейкой на гладкую фугу или с вводом гребней в соответствующие им пазы сборку опорного узла осуществляют таким же образом.

Узел работает следующим образом.

Сжимающее усилие от верхнего пояса 4 передается посредством упора его торца в торец выступа 2, горизонтальная составляющая этого усилия воспринимается в основном материалом прокладки 3 и частично клеевыми швами, расположенными по плоскости скалывания.

Соединение прокладки 3 с выступом 2 по криволинейной поверхности с помощью продольных гребней 6 и пазов 7 позволяет значительно увеличить прочность узла на скалывание, что обеспечивается за счет размещения по плоскости скалывания более прочного материала прокладки (древесины твердых пород или высокопрочной пластмассы, в то время как зона чередования менее прочных гребней выступа с более прочными гребнями прокладки будет располагаться выше плоскости скалывания.

Использование прокладки, имеющей криволинейное очертание обеих сторон, выполняющей роль армирующего элемента, позволяет значительно уменьшить степень концентрации напряжений в начале площадки скалывания, так как форма криволинейного очертания прокладки близка к форме эпюры распределения касательных напряжений по плоскости скалывания, что позволяет уменьшить степень удлинения растянутых волокон, прилегающих к площадке скалывания, и значительно увеличить несущую способность опорного узла.

Кроме того использование прокладки, имеющей криволинейное очертание обеих сторон, позволяет уменьшить длину прокладки, что снижает расход материалов (древесины твердых пород или высокопрочной пластмассы и клея).

П р и м е р. Рассмотрим конструктивные решения известного и предлагаемого опорных узлов деревянных ферм.

Известный опорный узел: нижний пояс - брус из древесины первого сорта сечением 150х200 мм; выступ - брус из древесины первого сорта сечением 150х150 мм; прокладка - стеклопластик типа СВАМ 1:1 (R_ск = 55 МПа, Е = 24000 МПа, μ = 0,13); верхний пояс - брус из древесины первого сорта сечением 150х250 мм; клей - фенолоформальдегидный (R_ск = 5,5 МПа, Е = 4200 МПа, μ = 0,20).

Предлагаемый опорный узел: материал и размеры сечений элементов из древесины, материал прокладки и марка клея - те же, что и для известного опорного узла.

По результатам технико-экономического сравнения заявляемого технического решения по отношению к прототипу получены следующие удельные показатели (на один узел) (табл.1).

Сравнение вариантов опорных узлов показывает, что несмотря на увеличение расхода стеклопластика и трудоемкости изготовления (около 3%), получаемый сверхсуммарный эффект по максимуму увеличения несущей способности и снижения материалоемкости позволяет сделать вывод о преимуществах предлагаемого технического решения по сравнению с прототипом.

Результаты экспериментальных испытаний влияния параметров продольных криволинейных гребней на величину усилий вдавливания и материалоемкость узла, представленные в табл.2, подтверждают оптимальность заявленных пределов как по углу заострения, так и по высоте.

Предлагаемый опорный узел деревянной фермы позволяет повысить несущую способность соединения на 60% и снизить расход материалов на 10-15%.

Использование: в области строительства и предназначено для изготовления несущих конструкций, состоящих из деревянных элементов. Сущность изобретения: опорный узел деревянной фермы включает нижний пояс, снабженный сверху выступом, прокладку, прикрепленную к основанию выступа и к верхней грани опорной части нижнего пояса, верхний пояс и подбалку, при этом верхняя или обе грани прокладки и нижняя грань выступа и верхняя грань нижнего пояса имеют по длине криволинейное очертание, описываемое уравнением: y = a³/x²+a², ; x = N·l²·sinα/b³(l+1), где Rдс

_к и Rgс_к - соответственно расчетное сопротивление скалыванию вдоль волокон древесины и материала прокладки, МПа; l - расчетная длина плоскости скалывания, м; b - ширина нижнего пояса, м; α - угол наклона верхнего пояса, град; и снабжены продольными криволинейными гребнями и продольными криволинейными пазами. 2 з.п. ф-лы, 6 ил. 2 табл.

1. ОПОРНЫЙ УЗЕЛ ДЕРЕВЯННОЙ ФЕРМЫ, включающий нижний пояс с выступом сверху и дополнительной наклейкой в виде прокладки, размещенной между основанием выступа и верхней гранью опорной части нижнего пояса и имеющей продольные гребни, размещенные в соответствующих пазах основания выступа, а снизу - подбалку и присоединенный к нижнему поясу под углом верхний пояс, отличающийся тем, что, с целью повышения несущей способности и снижения материалоемкости опорного узла, выступ со стороны основания и контактирующий с ним участок верхней грани прокладки по длине выполнен криволинейным, определяемым из уравнения
y = ,
где a = ; ,
x = ,
где R_ск^д - расчетное сопротивление древесины скалыванию вдоль волокон, МПа;
R_ск^п - расчетное сопротивление скалыванию вдоль волокон материала прокладки, МПа;
l - расчетная длина плоскости скалывания, м;
b - ширина нижнего пояса, м;
α - угол наклона верхнего пояса, град,
причем пазы выполнены криволинейными. 2. Узел по п.1, отличающийся тем, что участок нижней грани прокладки и контактирующий с ней участок верхней грани нижнего пояса по длине выполнен криволинейным. 3. Узел по п.1, отличающийся тем, что продольные криволинейные гребни выполнены треугольного профиля с углом заострения, равным 15 - 30^o, и высотой, равной 1/12 - 1/15 максимальной толщины прокладки.