КОНЬКОВЫЙ УЗЕЛ Российский патент 2008 года по МПК E04B1/10 

Изобретение относится к строительству и может быть использовано при изготовлении деревянных арок, рам и ферм.

Известен коньковый узел (Проектирование клееных деревянных конструкций: Учеб. пособие. Ч.III. Проектирование рам с криволинейными участками и арок / Е.Н.Серов, Ю.Д.Санников, Под ред. Е.Н.Серова; СПб. гос. архит.-строит. ун-т. - СПб., 1999 - с.92, рис.12.9, а), включающий клееные деревянные элементы и плиточный шарнир. Конструкция плиточного шарнира представляет собой сварные башмаки, соединенные с клееными деревянными элементами с помощью нагелей.

Недостатком описанного аналога является его значительная металлоемкость и недостаточная надежность и прочность, так как сварные башмаки, усиленные ребрами жесткости, по существу, являются жесткими штампами. В древесине, под краями сварных башмаков, возникают значительные концентрации нормальных и скалывающих напряжений, что может привести к ее расслоению.

Известен коньковый узел (Кормаков Л.И., Валентинавичюс А.Ю. Проектирование клееных деревянных конструкций. - Киев: Будивельник, 1983 - с.83., рис.42, а - прототип), включающий деревянные стержни, концы которых состыкованы под углом друг к другу и скреплены стыковыми накладками. Недостатком описанного прототипа является его недостаточная надежность и прочность, так как в его конструкции клееные деревянные элементы связаны шарниром в виде цилиндрического вкладыша, вставленного в пазы торцов клееных деревянных элементов, соединенных друг с другом посредством накладок из полосовой стали с креплением на болтах. В связи с этим использование цилиндрического вкладыша приводит к появлению в древесине раскалывающих напряжений, направленных поперек волокон, и напряжений скалывания вдоль волокон, что влечет за собой раскалывание и скалывание. Таким образом, коньковый узел имеет невысокую надежность и прочность, а также значительную массу элементов, обеспечивающих соединению значительный вес. Помимо этого крепежные болты ослабляют сечение соединяемых элементов, что снижает их несущую способность.

Решаемая техническая задача - обеспечение высокой несущей способности конькового узла.

Технический результат, получаемый при решении поставленной задачи, выражается в обеспечении возможности эффективного использования конструкции при формировании каркаса (с получением высокой прочности стыкового узла, повышенной высокой жесткости). Кроме того, обеспечивается максимально эффективное использование материала конструкции, т.е. сочетание минимизации ее материалоемкости при повышенной несущей способности.

Для решения поставленной задачи коньковый узел, содержащий деревянные стержни, концы которых состыкованы под углом друг к другу и скреплены стыковыми накладками, отличается тем, что сечению стержней придан профиль двутавра, стенка которого выполнена из, по меньшей мере, двух пластин фанеры, размещенных с зазором и скрепленных друг с другом посредством поперечных ребер жесткости, скрепленных с обеими пластинами, а полки выполнены в виде брусков, закрепленных вдоль продольных кромок пластин на их внешней стороне, при этом торцы полок и стенок стержней уперты друг в друга, кроме того, накладки размещены и в зазоре между пластинами фанеры, и в контакте с их внешней поверхностью, при этом участок стыка по всей площади стыковых накладок и на всю толщину этого участка прошит стяжными элементами, например шурупами. Кроме того, в зазоре между пластинами фанеры, вдоль их продольных кромок, размещены продольные ребра жесткости, скрепленные с соответствующими поверхностями пластин. Кроме того, стыковые накладки выполнены из фанеры такой же толщины, как использованная для изготовления стенки. Кроме того, стыковым накладкам приданы V-образные очертания по форме конька, причем торцы внутренних накладок уперты в поперечные ребра жесткости, а длина внешних накладок превышает расстояние между поперечными ребрами жесткости, ближайшими к стыку. Кроме того, узел снабжен дополнительной стыковой накладкой, выполненной из материала, сопротивление растяжению которого выше, чем у материала стержней, зафиксированной на внешней стороне стыка полок, испытывающей растягивающие усилия. Кроме того, накладки и соответствующие пластины на участке стыка дополнительно скреплены клеем. Кроме того, в плоскости узла зафиксирована тяга, предпочтительно вертикальная и выполненная из металла.

Сопоставительный анализ признаков заявленного решения с признаками прототипа и аналогов свидетельствует о соответствии заявленного решения критерию "новизна".

Признаки отличительной части формулы изобретения решают следующие функциональные задачи

Признаки «сечению стержней придан профиль двутавра, стенка которого выполнена из, по меньшей мере, двух пластин фанеры, размещенных с зазором и скрепленных друг с другом посредством поперечных ребер жесткости, скрепленных с обеими пластинами, а полки выполнены в виде брусков, закрепленных вдоль продольных кромок пластин на их внешней стороне», обеспечивают возможность формирования высокопрочной и легкой строительной конструкции из двух профилированных стержней, при этом возможно наращивание несущей способности конструкции за счет увеличения высоты стенки (без боязни потери устойчивости стенки при нагрузках вдоль стенок профиля), наращивание момента сопротивления сечения балки (за счет увеличения размера полки) при одновременном обеспечении прочности стыкования стержней за счет «взаимопроникновения» в стык внутренних и внешних накладок на стыкуемых участках без существенного повышения материалоемкости этих участков.

При этом наличие поперечных ребер жесткости обеспечивает совместность работы элементов стержня - пластин и брусков, т.е. их работы, как элементов одной строительной конструкции, и общее повышение прочностных характеристик профиля.

Признаки «торцы полок и стенок стержней уперты друг в друга» обеспечивают снижение удельных сжимающих нагрузок на торцы стержней в зоне их контакта.

Признаки «накладки размещены и в зазоре между пластинами фанеры, и в контакте с их внешней поверхностью» обеспечивают возможность образования монолитной (без полостей) конструкции в зоне стыка при склейке накладок со стенками и стягивании конструкции шурупами.

Признаки «участок стыка по всей площади стыковых накладок и на всю толщину этого участка прошит стяжными элементами, например шурупами» обеспечивают перераспределение нагрузок, воспринимаемых коньком крыши, на достаточно обширном участке стержней.

Признаки «в зазоре между пластинами фанеры, вдоль их продольных кромок, размещены продольные ребра жесткости, скрепленные с соответствующими поверхностями пластин» обеспечивают совместность работы элементов бруса - пластин и брусков, при этом расположение продольных ребер жесткости в зоне «полок» профиля стержней повышает момент сопротивления сечения профиля, т.е. обеспечивает общее повышение его прочностных характеристик.

Признаки «стыковые накладки выполнены из фанеры, такой же как использованная для изготовления стенки» упрощают подготовку производства и оптимизируют прочностные характеристики накладок с позиций минимизации материалоемкости участка стыка.

Признаки, указывающие, что «стыковым накладкам приданы V-образные очертания по форме конька, причем торцы внутренних накладок уперты в поперечные ребра жесткости, а длина внешних накладок превышает расстояние между поперечными ребрами жесткости, ближайшими к стыку» обеспечивают выполнение накладками функций скрепления стыка и функционирование узла как элемента каркаса. Кроме того, обеспечивается возможность восприятия части изгибающих нагрузок полками профиля и перераспределение нагрузок, воспринимаемых коньком крыши, на достаточно обширный участок конструкции.

Признаки «узел снабжен дополнительной стыковой накладкой, выполненной из материала, сопротивление растяжению которого выше, чем у материала стержней, зафиксированной на внешней стороне стыка полок, испытывающей растягивающие нагрузки» и признаки «накладки и соответствующие пластины на участке стыка дополнительно скреплены клеем» обеспечивают повышение прочностных характеристик стыка.

Признаки «в плоскости узла зафиксирована тяга, предпочтительно вертикальная и выполненная из металла» обеспечивают возможность формирования дополнительной точки опоры для нижележащих.

На фиг.1 схематически представлен продольный вертикальный разрез узла; на фиг.2 схематически представлен вид сбоку; на фиг.3 схематически представлен вид сверху.

На чертежах показаны деревянные стержни, которым придан профиль двутавра, стенка которого выполнена из, по меньшей мере, двух пластин 1 фанеры, размещенных с зазором 2 и скрепленных друг с другом посредством поперечных ребер жесткости 3, скрепленных с обеими пластинами. Полки «двутавров» выполнены в виде брусков 4, при этом торцы полок 5 и торцы стенок 6 стержней размещены в контакте друг с другом. Кроме того, показаны накладки 7 (внутренние - размещенные в зазоре 2 между пластинами 1 фанеры) и накладки 8 (внешние - размещенные в контакте с внешней поверхностью пластин). Накладкам приданы V-образные очертания по форме конька, при этом накладки 7 и 8 по ширине соответствуют ширине пластин 1, оставшихся свободными. Стыковые накладки 7 и 8 выполнены из фанеры такой же, как использованная для изготовления стенок стержня. Целесообразно, чтобы торцы 9 внутренних накладок 7 были уперты в поперечные ребра жесткости 3, ближайшие к стыку. Целесообразно, чтобы длина внешних накладок 8 превышала расстояние между поперечными ребрами жесткости 3, ближайшими к стыку. Участок стыка по всей площади стыковых накладок 8 и на всю толщину этого участка прошит стяжными элементами 10, например шурупами.

Кроме того, показана дополнительная стыковая накладка 11, выполненная в виде тонкой металлической пластины и зафиксированная на внешней стороне стыка брусьев, испытывающей растягивающие нагрузки. Кроме того, в зазоре 2 между пластинами фанеры 2, вдоль их продольных кромок, показаны продольные ребра жесткости 12, скрепленные с соответствующими поверхностями пластин 1.

Кроме того, показана тяга 13, предпочтительно вертикальная и выполненная из металла, пропущенная через сквозное отверстие, выполненное в плоскости узла и зафиксированная, например, гайками, размещенными на конце тяги, снабженном резьбой (последние элементы на чертежах не показаны).

Стержни изготавливают склеиванием в заводских условиях на стендах известной конструкции, обеспечивающих заданную фиксацию ее элементов и их соответствующее сжатие на время отвердения клея. Для изготовления полок 2 и поперечных 3 и продольных 12 ребер жесткости используют древесину не ниже 2-го сорта хвойных пород (за исключением лиственницы) по ГОСТ 8486-86 с размерами по ГОСТ 24454-80 с соответствующими расчетными характеристиками по СНиП П-25-80. Количественные параметры дефектов формы и обработки деталей (покоробленность, отклонение от параллельности пластей и кромок, обзол) не должны превышать допускаемых для пиломатериалов 2-го сорта. Сквозные трещины, выходящие на торец, не допускаются. Сучки загнившие, гнилые и табачные, а также несросшиеся, расположенные на кромках, не допускаются.

Бруски полок стержней склеиваются по длине с помощью зубчатых соединений по ГОСТ 19414-90. Показатели предела прочности на изгиб зубчатых соединений должны быть не ниже:

- при погружении кромки (порядка 33 МПа и не ниже 24 МПа);

- при погружении пласти (порядка 37,5 МПа и не ниже 27 МПа).

Для изготовления пластин 1, а также, при необходимости, и поперечных 3, и продольных 12 ребер жесткости используют фанеру марки ФСФ сорта не ниже В/ВВ по ГОСТ 3916.1-89 толщиной 8 и 10 мм.

Поперечные ребра жесткости 3 размещают по длине балки на расстоянии друг от друга «в опасных по разрушению» сечениях балки, определяемых расчетом для конкретных условий (что наиболее целесообразно) с учетом обеспечения «совместности» работы пластин или же задают это расстояние по технологическим соображениям исходя из минимального числа ребер жесткости, обеспечивающего «совместность» работы пластин.

Клеевые соединения в конструкциях следует выполнять на синтетических клеях, соответствующих требованиям СНиП П-25-80. При этом клеевые соединения должны удовлетворять следующим требованиям:

- влажность древесины деталей балок до обработки защитными составами должна быть (12±3)%;

- балки по качеству клеевых соединений должны отвечать требованиям ГОСТ 20850-84;

- толщина и ширина склеиваемых слоев в поясах балок должна отклоняться от номинальной не более ±1 мм;

- толщина клеевых прослоек в элементах конструкций должна быть не более 0,5 мм. Допускаются участки толщиной до 1 мм, если их длина не превышает 100 мм, а расстояние между ними - не менее десятикратной длины этих прослоек; непроклееные участки не допускаются.

Готовые конструкции при необходимости подвергают защитной и/или декоративной обработке для предохранения их от увлажнения, биоповреждения, возгорания и химической коррозии, а также придания им необходимого эстетического вида. Эти работы выполняют на предприятии-изготовителе. Защита возможна как от одного, так и от комплекса указанных воздействий, что регламентируется условиями эксплуатации конструкций. При этом балки для зданий V степени огнестойкости должны быть защищены от биоразрушения на срок безремонтной службы 50 лет, для деталей VIII класса условий службы - по ГОСТ 20022.2-80; древесина балок для зданий IV степени огнестойкости должна быть защищена от биоразрушения и возгорания посредством глубокой пропитки составами диаммония фосфата (аммоний фосфорнокислый) с сернокислым аммонием, буры с борной кислотой в соотношении 1:1 или другими защитными составами, обладающими аналогичными свойствами.

Готовые изделия упаковывают и отправляют потребителю.

Формирование конькового узла включает опиливание торцов стержней под углом, обеспечивающим заданный угол конька крыши и подготовку накладок 7 и 8. Далее осуществляют сборку узла - укладывают брусья набок на ровной поверхности, стыкуют друг с другом торцы их полок 5 и торцы стенок 6, в зазор 2 стержней (или зазоры 2, если число пластин 1 больше двух) вводят накладки 7, а на внешних поверхностях пластин 1 размещают накладки 8, предварительно на соответствующие поверхности накладок 7 и 8 и/или поверхности пластин 2 наносят клей (синтетический, соответствующий СНиП П-25-80). Далее в пределах площади накладок 8 обеспечивают сжимающие усилия перпендикулярно их внешней поверхности, после чего «пакет», включающий пластины 1 и накладки 7 и 8 «сшивают» на всю толщину стяжными элементами, например шурупами, которые располагают равномерно по всей площади стыка. Далее стык усиливают размещением и фиксацией шурупами дополнительной стыковой накладки 11 на внешней стороне стыка стержней, испытывающей растягивающие нагрузки. Затем, если это предусмотрено проектом, через узел известным образом пропускают тягу 13 и фиксируют ее.

Целесообразно операцию сборки узла осуществлять в заводских условиях. После окончания сборки ферменной конструкции, включающей заявленный узел, ее используют для формирования каркаса крыши здания. Причем этот процесс отличается от общепринятых технологий исключением необходимости использования мощной подъемной техники в связи с малым весом каркаса.

В процессе восприятия узлом конструктивных нагрузок его элементы и накладки 7, 8 и 11 обеспечивают работу каркаса как единого целого.

Кроме того, варьируя число пластин и ребер жесткости в составе конструкции, можно варьировать в широких пределах несущую способность конструкции (при сохранении неизменной ширины пластин, т.е. высоты стенки профиля).

Коньковый узел, содержащий деревянные стержни, концы которых состыкованы под углом друг к другу и скреплены стыковыми накладками, отличается тем, что сечению стержней придан профиль двутавра, стенка которого выполнена из, по меньшей мере, двух пластин фанеры, размещенных с зазором и скрепленных друг с другом поперечными ребрами жесткости, а полки выполнены в виде брусков, закрепленных вдоль продольных кромок пластин, при этом торцы полок и стенок стержней уперты друг в друга, кроме того, накладки размещены и в зазоре между пластинами фанеры, и в контакте с их внешней поверхностью, при этом участок стыка прошит стяжными элементами. Кроме того, в зазоре между пластинами фанеры размещены продольные ребра жесткости, скрепленные с поверхностями пластин. Стыковые накладки выполнены из фанеры такой же толщины, как стенки, имеют V-образные очертания. Узел снабжен дополнительной стыковой накладкой, зафиксированной на внешней стороне стыка полок. Кроме того, в плоскости узла зафиксирована тяга, предпочтительно вертикальная и выполненная из металла. Использование заявленного устройства обеспечивает высокую прочность и жесткость узла соединения стержней, минимизацию материалоемкости конструкции при повышенной несущей способности. 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Коньковый узел, содержащий деревянные стержни, концы которых состыкованы под углом друг к другу и скреплены стыковыми накладками, отличающийся тем, что сечению стержней придан профиль двутавра, стенка которого выполнена из, по меньшей мере, двух пластин фанеры, размещенных с зазором и скрепленных друг с другом посредством поперечных ребер жесткости, скрепленных с обеими пластинами, а полки выполнены в виде брусков, закрепленных вдоль продольных кромок пластин на их внешней стороне, при этом торцы полок и стенок стержней уперты друг в друга, кроме того, накладки размещены и в зазоре между пластинами фанеры, и в контакте с их внешней поверхностью, при этом участок стыка по всей площади стыковых накладок и на всю толщину этого участка прошит стяжными элементами, например шурупами.2. Коньковый узел по п.1, отличающийся тем, что в зазоре между пластинами фанеры, вдоль их продольных кромок, размещены продольные ребра жесткости, скрепленные с соответствующими поверхностями пластин.3. Коньковый узел по п.1, отличающийся тем, что стыковые накладки выполнены из фанеры такой же толщины, как использованная для изготовления стенки.4. Коньковый узел по п.1, отличающийся тем, что стыковым накладкам приданы V-образные очертания по форме конька, причем торцы внутренних накладок уперты в поперечные ребра жесткости, а длина внешних накладок превышает расстояние между поперечными ребрами жесткости, ближайшими к стыку.5. Коньковый узел по п.1, отличающийся тем, что узел снабжен дополнительной стыковой накладкой, выполненной из материала, сопротивление растяжению которого выше, чем у материала стержней, зафиксированной на внешней стороне стыка полок, испытывающей растягивающие усилия.6. Коньковый узел по п.1, отличающийся тем, что накладки и соответствующие пластины на участке стыка дополнительно скреплены клеем.7. Коньковый узел по п.1, отличающийся тем, что в плоскости узла зафиксирована тяга, предпочтительно вертикальная и выполненная из металла.