Область применения таких рам в нашей стране первоначально ограничивалась складами и зданиями сельскохозяйственного назначения. В дальнейшем рамы стали широко применяться также для спортивно-зрелищных зданий. За редким исключением, в конструкциях из дерева и пластмасс применяются трехшарнирные системы, что объясняется, главным образом, двумя причинами:
1. При отсутствии жестких узлов резко упрощается изготовление, транспортировка и монтаж конструкций;
2. Увеличивается также надежность работы конструкций, так как в двухшарнирных рамах из-за специфических особенностей работы древесины возникает опасность просадки опор, к которым имеют большую чувствительность статически неопределимые системы.
Очертание осей рам отличается от очертания арок наличием прямолинейных участков стоек и ригелей, позволяющих устраивать вертикальные наружные стены и плоские скаты крыши. Такое очертание позволяет создать больший технологический объем внутри здания. Но при этом ось рамы удаляется от кривой давления для вертикальной равномерно распределенной нагрузки, что приводит к возникновению на карнизных участках больших изгибающих моментов.
При этом, сравнивая напряженные состояния в рамах и балках, легко установить, что максимальные моменты в рамах всегда меньше максимальных моментов в балках такого же пролета. Это позволяет перекрыть равные пролеты рамами с большей эффективностью использования материала, чем в стоечно-балочном решении.
Общим для всех типов клееных рам является то, что из-за неравномерного распределения изгибающих моментов по длине поперечные сечения рам обычно выполняются переменными. При этом переменной делают высоту поперечного сечения, оставляя ширину сечения постоянной.
Гнутоклееные рамы могут быть выполнены с плавным и со ступенчатым изменением сечения (рис. 1, а, б).
а) б)
Рис. 1 Рамы с плавным и ступенчатым изменением высоты сечения
Трехшарнирные гнутоклееные рамы состоят из двух полурам, в которых у карниза доски склеивают в изогнутом состоянии. На рис. 2 показана конструкция гнутоклееной рамы с плавным изменением высоты сечения пролетом 18 м при высоте стены 3,6 м под нагрузку 6 кН/м.
Максимальные изгибающие моменты и нормальные силы действуют на криволинейном участке. Этот участок имеет наибольшую высоту сечения. Высота же сечения ригеля изменяется в соответствии с эпюрами изгибающих моментов и нормальных сил постепенно — от максимальной в зоне выгиба до минимальной у конькового шарнира, в результате уменьшения количества досок в клееном пакете. Доски обрезают в сжатой зоне сечения ригеля, а не в растянутой, чтобы не происходило их отрыва. В рассматриваемом случае обрезают 11 досок на участке длиной 4,4 м.
Сечение стойки в направлении опоры могло бы быть уменьшено аналогичным образом, однако экономия древесины при малой высоте стойки незначительна. Для упрощения изготовления конструкции сечение ригеля можно изменять, уменьшая количество досок на одном участке (рис. 3).
Рис. 2 Полурама с плавным изменением высоты сечения для здания шириной 18 м
с уклоном кровли 1:3
Рис. 3 Полурама со ступенчатым изменением высоты сечения для такого же пролета
с уклоном кровли 1:4
При конструировании гнутоклееных рам важное значение имеет выбор радиуса кривизны. Как известно, чем меньше отношение радиуса кривизны к толщине изгибаемой доски, тем ниже несущая способность клееного элемента. По СП 64.13330.2017 и по нормам предшествующих поколений для сжато-изогнутых элементов вводятся понижающие коэффициенты условий работы m гн< 1 при отношении радиуса кривизны к толщине изгибаемого слоя, меньшем 250.
По зарубежным данным радиус кривизны в рамах следует принимать не менее 2‑3 м. От радиуса кривизны зависит толщина склеиваемых досок. Чем больше радиус кривизны, тем толще могут быть применены доски и, следовательно, тем меньше будет отходов древесины на острожку и ниже расход клея. С другой стороны, габариты зданий не всегда позволяют использовать большие радиусы кривизны.
В наружных крайних растянутых слоях криволинейных участков, стоек и ригеля необходимо выбирать древесину наивысшего качества, лучше 1-го сорта. В остальной части конструкции используют древесину сортом ниже. По длине отдельные доски состыковывают на зубчатый шип. Толщина слоев (ламелей) а для изготовления рам зависит от радиуса гнутья (а ≤ r /150) и составляет 12-19 мм.
Расчет гнутоклееных рам
Рамы рассчитывают на сжатие с изгибом. В связи с переменностью высоты поперечного сечения нормальные напряжения следует проверять в различных местах по длине рамы. Однако, если высота сечения ригеля в коньке составит более 0,3 h max, а на опоре более 0,4 h mах, то проверку напряжений во всех сечениях можно не производить, а расчет вести только по максимальному по высоте сечению.
При высоте стойки до 4 м ветровую нагрузку на раму не учитывают.
Рис. 4 Шарнирный опорный узел рамы
1 – опорная плита башмака; 2 – упорная пластина; 3 – щеки башмака;
4 – стойка полурамы; 5 – анкерный болт; 6 – фундамент
Рис. 5 Решения конькового узла рам (1)
а – на парных деревянных прокладках (2) и двухсрезных болтах (3);
б - на металлических пластинах Z - образной формы (4) и односрезных нагелях (3а);
(5 и 6) - накладки и болты, устанавливаемые конструктивно.
На схеме а) показана эпюра моментов в накладках и усилия R 1 и R 2,
передающиеся на болты ближнего и дальнего от стыка рядов
Расчет прочности рам следует выполнять по формулам расчета кривых брусьев. Тангенциальные нормальные напряжения на сжатой внутренней кромке рамы (индекс «н» означает «нижней»)
на растянутой внешней («верхней») кромке
Радиусы и смещение нулевой линии y0 = h 2/12 r эпюры изгибных напряжений от центра тяжести сечения показаны на рис. 6.
Вычисленные тангенциальные нормальные напряжения на внутренней и внешней кромках сравниваются с расчетным сопротивлением
R сА m дл m б m сл m гн
Рис. 6 Напряжения от изгиба кривых брусьев
где N и М - продольная сила и изгибающий момент в рассматриваемом сечении,
M Д = М / ξ, ξ = 1 – λ2 N /(3000 F бр R c k жN)
λ - гибкость рамы, определяемая по формуле:
λ = l p/0,289 h max,
где 1 р - расчетная длина, равная длине полурамы по осевой линии;
h max – максимальная высота поперечного сечения;
k жN – коэффициент, учитывающий переменность сечения рамы по длине.
Проверка прочности на смятие древесины поперек волокон по радиальным сжимающим напряжениям выполняется по формуле
Устойчивость плоской формы деформирования трехшарнирных рам при закреплении по внешнему контуру проверяется по общей формуле
где F бp - площадь брутто сечения рамы с максимальными размерами на участке 1 р - между закреплениями;
W бp -момент сопротивления брутто того же сечения;
n = 2 для элементов без закрепления растянутой кромки из плоскости деформирования и n = 1 для элементов, имеющих такие закрепления;
φ - коэффициент продольного изгиба из плоскости рамы, определяемый по формуле:
φ = 3000/λy2; λy = l p/0,289 b;
φ M – коэффициент устойчивости при изгибе
.
При проектировании рам следует учитывать, что на участке 1 р от опорного шарнира до сечения ригеля, где М = 0, закрепление из плоскости осуществляется на растянутой кромке. Сжатая кромка будет иметь раскрепление лишь в случае постановки вертикальных и горизонтальных (наклонных) связей чаще по биссектрисе угла сопряжения ригеля и стоек. Обычно эти связи раскрепляют все рамы попарно. При наличии таких связей рассматриваются не один участок с нулевыми моментами по концам, а два: от опорного шарнира до карнизного узла и от жесткого узла до сечения в ригеле, где М = 0.
На обоих участках закрепления из плоскости будут со стороны растянутой от момента М кромки. Поэтому, кроме n =1 в формуле проверки устойчивости коэффициенты φ у и φ м соответственно умножаются на коэффициенты k пN и k пМ
где m - число подкрепленных точек растянутой кромки на участке 1 р.
При m > 4 величину m 2/(m 2+1) следует принимать равной 1.
При расчете элементов рам переменного по высоте сечения, не имеющих закреплений из плоскости по растянутой от момента М кромке, или при m <4 коэффициенты φ у и φ м дополнительно умножаются соответственно на коэффициенты k жN и k жМ по прилож. Е к СП 64.13330.2017.