Расчет деревянного перекрытия
Расчет деревянного перекрытия - одна из самых легких задач и не только потому, что древесина - один из самых легких строительных материалов. Почему так, мы очень скоро узнаем.
При строительстве или ремонте деревянного дома использовать металлические, а тем более железобетонные балки перекрытия как-то не в тему. Если дом деревянный то и балки перекрытия логично сделать деревянными. Вот только на глаз не определишь, какой брус можно использовать для балок перекрытия и какой делать пролет между балками. Для ответа на эти вопросы нужно точно знать расстояние между опорными стенами и хотя бы приблизительно нагрузку на перекрытие.
Пример упрощенного расчета деревянной балки перекрытия
1 этап. Определение расчетной длины балки.
Помещения бывают разные, чаще не квадратные. Наиболее рационально делать балки перекрытия так, чтобы длина балок была минимальной. Например: если размер помещения 4х6 м, то если использовать балки длиной 4 метра, то требуемое сечение для таких балок будет меньше, чем для балок длиной 6 м. В данном случае размеры 4 м и 6 м условны, они означают длину пролета балок а не длину самих балок. Балки, само собой, будут длиннее на 30-60 см.
2 этап. Определение расчетной нагрузки.
Ну а теперь приступим непосредственно к расчету. потому что определение длины балки - это еще не расчет, а так, небольшое уточнение.
Расчет деревянного перекрытия вообще и в частности деревянных балок начинается с определения нагрузки на перекрытие. Обычно перекрытия жилых зданий рассчитываются на распределенную нагрузку до 400 кг/м2. Я тоже считаю, что для большинства расчетов перекрытий по деревянным балкам такой нагрузки достаточно, даже с учетом собственного веса и балок и перекрытия, а для расчета чердачного перекрытия хватит даже 200 кг/м2. Поэтому дальнейший расчет будет проводиться для вышеуказанной нагрузки при расстоянии между стенами 4 метра.
Примечание: Определение расчетной нагрузки - отдельная большая тема. В состав расчетной нагрузки входит постоянная нагрузка от веса перекрытия и временная нагрузка. Временная нагрузка - это мебель, напольное покрытие, люди и животные. Причем люди и животные - это не просто временная нагрузка, но еще и динамическая, а иногда и ударная (если люди или животные любят прыгать или падать). Возможных сочетаний и комбинаций нагрузок - великое множество. Для упрощения расчетов для междуэтажных перекрытий обычно принимается указанная расчетная нагрузка 400 кг/м2, для чердачных перекрытий можно принимать 200 кг/м2. Но если по деревянным полам будет делаться стяжка, устанавливаться чугунные ванны, бильярдные столы с каменной плитой или будут выполняться тяжелые перегородки, то это конечно же нужно учитывать при расчетах.
3 этап. Выбор расчетной схемы.
Деревянную балку перекрытия можно рассматривать как балку на двух шарнирных опорах, в этом случае расчетная модель балки будет выглядеть так:
Если на балку перекрытия сначала будут укладываться лаги, а только потом настил, то такую балку следует рассматривать не как загруженную равномерно распределенной нагрузкой, а как загруженную несколькими сосредоточенными нагрузками и равномерно распределенной нагрузкой от собственного веса. Впрочем, если количество лаг будет больше 5 и устанавливаться лаги будут на одинаковом расстоянии, то на разницу между сосредоточенными и равномерно распределенной нагрузкой можно не обращать внимания, так как мы берем нагрузку с хорошим запасом. При меньшем количестве лаг желательно использовать коэффициенты перехода от сосредоточенных к равномерно распределенной нагрузке.
1. Вариант.
4 этап. Определение максимального изгибающего момента.
Если расстояние между балками будет 1 метр, то максимальный изгибающий момент:
Мmax = ql2/8 = 400х42/8 = 800 кгм или 80000 кгсм (147.1)
Теперь легко определить требуемый момент сопротивления деревянной балки
Wтреб = Мmax/R (147.2)
где R - расчетное сопротивление древесины. В данном случае балка на двух шарнирных опорах работает на изгиб. Значение расчетного сопротивления можно определить по следующей таблице:
Таблица 3. Значения расчетных сопротивлений для сосны, ели и лиственницы при влажности 12%, согласно СНиП II-25-80 (СП 64.13330.2011)
А если материал балки не сосна, то следует расчетное значение умножить на переходный коэффициент согласно следующей таблицы:
Таблица 5. Переходные коэффициенты для других пород древесины, согласно СНиП II-25-80 (СП 64.13330.2011)
Для конструкций, в которых напряжения, возникающие от постоянных и временных длительных нагрузок, превышают 80 % суммарного напряжения от всех нагрузок, расчетное сопротивление следует дополнительно умножить на коэффициент m д = 0,8. (п.5.2.в СП 64.13330.2011)
А если Вы планируете срок службы Вашей конструкции более 50 лет, то полученное значение расчетного сопротивления следует умножить еще на один коэффициент, согласно следующей таблицы:
Таблица 12. Коэффициенты срока службы для древесины, согласно СНиП II-25-80 (СП 64.13330.2011)
5 этап. Определение требуемого момента сопротивления поперечного сечения деревянной балки.
Таким образом расчетное сопротивление балки может снизиться почти в два раза и соответственно сечение балки увеличится, но мы пока никаких дополнительных коэффициентов использовать не будем. Если будет использоваться древесина сосна 1 сорта, то
Wтреб = 80000/142.71 = 560.57 см3
Примечание: Расчетное сопротивление 14 МПа = 142.71 кгс/см2. Впрочем для упрощения расчетов можно использовать и значение 140 большой ошибки в этом не будет, а будет небольшой запас по прочности.
Так как поперечное сечение бруса имеет простую прямоугольную форму, то момент сопротивления бруса определяется по формуле
Wтреб = bh2/6 (147.3)
где b - ширина бруса, h - высота бруса. Если поперечное сечение балки перекрытия будет непрямоугольным, а, например, круглым, овальным и др, т.е. в качестве балок Вы будете использовать лес-кругляк, тесаные бревна или что-то еще, то определить момент сопротивления для таких сечений можно по формулам, приведенным отдельно.
6 этап. Определение высоты балки при известном требуемом моменте сопротивления.
Попробуем определить необходимую высоту бруса при ширине 10 см. В этом случае
(147.4)
высота бруса должна быть не менее 18.34 см. т.е. можно использовать брус сечением 10х20 см. В этом случае потребуется 0.56 м3 древесины на 7 балок перекрытия.
Для примера, если Вы планируете, что ваша конструкция простоит более 100 лет и при этом более 80% нагрузки будет постоянная + длительная, то расчетное сопротивление для древесины того же класса составит 91.33 кгс/см2 и тогда требуемый момент сопротивления увеличится до 876 см3 и высота бруса при этом должна быть не менее 22.92 см.
2 Вариант.
Если расстояние между балками сделать 75 см, то максимальный изгибающий момент:
Мmax = ql2/8 = 400х0.75х42/8 = 600 кгм или 60000 кгсм
тогда требуемый момент сопротивления деревянной балки
Wтреб = 60000/142.71 = 420.43 см3
а минимально допустимая высота бруса 15.88 см при ширине бруса 10 см, если использовать брус сечением 10х17.5 см, то на 9 балок перекрытия потребуется 0.63 м3 древесины.
3 Вариант.
Если расстояние между балками сделать 50 см, то максимальный изгибающий момент:
Мmax = ql2/8 = 400х0.5х42/8 = 400 кгм или 40000 кгсм
тогда требуемый момент сопротивления деревянной балки
Wтреб = 40000/142.71 = 280.3 см3
а минимально допустимая высота бруса 12.96 см при ширине балки 10 см, при использовании бруса сечением 10х15 см на 13 балок перекрытия потребуется 0.78 м3 древесины.
Как видно из расчетов, чем меньше расстояние между балками, тем больше может быть расход древесины на балки, но при этом чем меньше расстояние между балками, тем более тонкие доски или листовой материал можно использовать для настилки пола. И еще один важный момент - расчетное сопротивление древесины зависит от породы древесины и влажности древесины. Чем выше влажность, тем меньше расчетное сопротивление. В зависимости от породы древесины колебания расчетного сопротивления не очень большие.
7 этап. Определение прогиба деревянной балки.
Теперь проверим прогиб балки, рассчитанной по первому варианту. Большинство справочников предлагают определять величину прогиба при распределенной нагрузке и шарнирном опирании балки по следующей формуле:
f=(5ql4)/(384EI) (147.5)
где q - нагрузка на балку
l - расстояние между несущими стенами
E - модуль упругости. Для древесины не взирая на породы согласно п.5.3 СП 64.13330.2011 при расчете по предельным состояниям второй группы это значение обычно принимается равным 10000 Мпа или 10х108 кгс/м2 (105 кгс/см2) вдоль волокон и Е 90 = 400 МПа поперек волокон. Но в действительности значение модуля упругости даже для сосны еще колеблется от 7х108 до 11х108 кгс/м2 в зависимости от влажности древесины и времени действия нагрузки. При длительном действии нагрузки согласно п.5.4 СП 64.13330.2011 при расчете по предельным состояниям первой группы по деформированной схеме нужно использовать коэффициент m дс = 0.75. Мы не будем определять прогиб для случая, когда временная нагрузка на балку длительная, балки перед установкой не обрабатываются глубокой пропиткой, препятствующей изменению влажности древесины и относительная влажность древесины может превысить 20%, в этом случае модуль упругости будет около 6х108 кгс/м2, но значение это запомним.
I - момент инерции, для доски прямоугольного сечения
I = bh3/12 = 10 х 203/12 = 6666.6667 см4
f = (5 х 400 х 44)/(384 х 10 х 108 х 6666.6667 х 10-8) = 0.01999 метра или 2.0 см.
СНиП II-25-80 (СП 64.13330.2011) рекомендует рассчитывать деревянные конструкции так, чтобы для балок перекрытия прогиб не превышал 1/250 от длины пролета, т.е. допустимый максимальный прогиб 400/250=1.6 см. Это условие нами не выполнено. Далее следует подобрать такое сечение балки, прогиб которой устраивает или Вас или СНиП.
Брус LVL в качестве балок перекрытия.
Если для балок перекрытия Вы будете использовать клееный брус LVL (Laminated Veneer Lumber), то расчетные сопротивления для такого бруса следует определять по следующей таблице:
Таблица 4. Значения расчетных сопротивлений для клееных слоистых материалов, согласно СНиП II-25-80 (СП 64.13330.2011)
8 этап. Проверка по касательным напряжениям.
Расчет на смятие опорных участков балки как правило не требуется, поэтому пример расчета прочности опорных участков приводится отдельно. А вот расчет на прочность при действии касательных напряжений сделать не сложно и здесь. Максимальные касательные напряжения при выбранной расчетной схеме будут в поперечных сечениях на опорах балки, там, где изгибающий момент равен нулю. В этих сечениях значение поперечной силы будет равно опорной реакции и будет составлять:
"Q" = ql/2 = 400x4/2 = 800 кг (147.6)
тогда значение максимальных касательных напряжений составит:
т = 1.5Q/F = 1.5x800/200 = 6 кг/см2 < Rcк = 18 кг/см2 (147.7)
где F - площадь поперечного сечения бруса сечением 10х20 см;
Rcк - расчетное сопротивление скалыванию вдоль волокон, определяется по таблице 3.
Как видим, имеется трехкратный запас по прочности даже для бруса, имеющего максимальную высоту сечения.
Теперь рассчитаем какие материалы, используемые в качестве напольного покрытия, выдержат расчетную нагрузку (принцип расчета точно такой же).