Шпренгельные балки
Шпренгельными называются стержневые системы, состоящие из способных самостоятельно работать основных деревянных конструкций, содержащие, кроме того, дополнительные элементы, предназначенные для усиления основных элементов. Схемы простейших шпренгельных систем показаны на рис. 1.
Рис. 1 – Типы шпренгельных балок
Верхний пояс шпренгельных балок выполняют из клееных деревянных блоков, брусьев или бревен. Нижний пояс, называемый по старой традиции подпружной цепью, изготовляют из круглой стали или стальных профилей, стойки из брусьев или клееные. Узлы нижнего пояса шпренгельных систем располагаются ниже отметки их опор. Вследствие этого такие узлы являются неустойчивыми, и для устранения возможного выхода конструкции из плоскости деформирования осуществляют попарное раскрепление балок вертикальными связями в плоскостях стоек.
Эффект шпренгельного усиления заключается в уменьшении пролета балок не менее чем в 2 раза, что дает значительное уменьшение изгибающих моментов и позволяет увеличить пролет балки или повысить ее несущую способность без увеличения поперечного сечения. Поэтому шпренгели часто используют для усиления существующих балок при увеличении расчетной нагрузки на них или при обнаруженной при обследовании недостаточной несущей способности (например, при увеличении снеговой нагрузки на покрытие из-за образования снегового мешка возле новой пристройки, при изменении требований нормативных документов и проч.). Несмотря на то, что при подведении шпренгеля в балке появляется продольная сжимающая сила, положительный эффект от уменьшения моментов всегда превышает отрицательный эффект появления дополнительных сжимающих напряжений. Для дополнительного уменьшения момента опорные узлы балки решают с эксцентриситетом, как показано на рис. 2 б.
Рис. 2 – Эффект снижения момента от решения узла б) с эксцентриситетом е
Расчет
Усилия в стержнях системы вычисляют общими методами строительной механики. Сложные шпренгельные системы рассчитывают на компьютере. В процессе эксплуатации в них возникают не только упругие, но и неупругие деформации обмятия узлов, усушки-набухания и ползучести древесины и др и балки провисают. Шпренгельные системы статически неопределимы, и при неупругом деформировании в них происходит перераспределение внутренних усилий, точная оценка которого невозможна. Поэтому шпренгельные балки рассчитывают при двух крайних предпосылках о просадке стойки:
а) просадки на средней опоре нет, и верхний пояс представляет собой неразрезную балку; в этом случае в ней возникает максимальный отрицательный момент над средней опорой – стойкой (рис. 3 а);
б) просадка средней опоры такова, что изгибающий момент над ней равен нулю, верхний пояс представляет собой две однопролетные шарнирно опертые балки, которые можно рассматривать по отдельности, как показано на рис. 3 б. В этом случае максимальный положительный момент будет в середине пролета.
Усилия в элементах конструкции в предпосылке а):
Сжимающее усилие в стойке (с учетом неразрезности верхнего пояса)
V = ‑ l,25 ql.
Растягивающее усилие в нижнем поясе - подпружной цепи
N ц = 1,25 q l /2 sinβ
Сжимающая продольная сила в верхнем поясе балки
N б = ‑ l,25 ql /2 tgβ
Тогда изгибающий момент в балке над средней опорой при равномерно распределенной нагрузке будет
М б = ‑ ql 2/8 + N бe/2.
Усилия в элементах конструкции в предпосылке б):
Сжимающее усилие в стойке V = ‑ ql.
Растягивающее усилие в нижнем поясе - подпружной цепи
N ц = q l /2 sinβ
Сжимающая продольная сила в верхнем поясе балки N б = ‑ ql /2 tgβ
Тогда изгибающий момент в балке над средней опорой при равномерно распределенной нагрузке будет
М б = ql 2/8 ‑ N бe.
Если узлы решены без эксцентриситета, то вычитемое в обеих формулах для М б равно нулю (т.к. е = 0).
Проверку сечения верхнего пояса в обоих случаях проводят по формуле расчета сжато-изгибаемых стержней
где М Д = М б/ξ.
Расчетную гибкость стержня для определения коэффициента ξ обычно в обоих подсчитывают по полной длине l, хотя для первой предпосылки правильнее было бы умножать ее на μо = 0,8.
Сечение деревянной стойки подбирают расчетом на продольный изгиб, узел опирания балки на стойку проверяют на смятие поперек волокон.
Сечение стальной подпружной цепи из арматурной стали подбирают расчетом на растяжение с прочностными характеристиками стали по СП 63.
Для обеспечения надлежащей плотности соединений элементов и устранения заметной просадки балки осуществляют подтяжку подпружной цепи, достигаемую с помощью гаек в опорных узлах или натяжной муфты, либо опусканием подпружной цепи вдоль стойки с помощью специальной серьги. Такое устройство не требует больших усилий для натяжения цепи и удобно для подтяжки ее во время эксплуатации.
Конструкция серьги для устранения просадки
а)
б)
Рис. 3 – Расчетные схемы и усилия в шпренгельной балке
при двух крайних предпосылках о просадке стойки
ПРИМЕРЫРЕШЕНИЯ ШПРЕНГЕЛЬНЫХ БАЛОК
Рис. 4 - Одностоечная шпренгельная балка со спаренным поперечным сечением
Рис. 5 – Такая же балка с двухстоечным шпренгелем
Рис. 6 – Дощатоклееная балка прямоугольного сечения
с двухстоечным шпренгелем