Методика проектирования, расчета и конструирования треугольных дощатоклееных арок с затяжками: комплексный подход и обеспечение долговечности

В мире, где устойчивое развитие и инновации в строительстве играют ключевую роль, деревянные клееные конструкции (КДК) уверенно занимают свою нишу, предлагая уникальное сочетание прочности, эстетики и экологичности. Дощатоклееные арки, в частности, треугольные с затяжками, являются ярким примером инженерного искусства, позволяющего перекрывать значительные пролеты при относительно небольшой массе и впечатляющей визуальной легкости. Эти конструкции не просто выдерживают нагрузки, но и формируют выразительный архитектурный облик, становясь визитной карточкой современных спортивных комплексов, торговых центров, выставочных павильонов и даже уникальных гражданских сооружений. Однако за кажущейся простотой форм скрывается сложнейший процесс проектирования и расчета, требующий глубокого понимания механики материалов, строительной физики и, что особенно важно, строгого следования нормативно-технической базе.

Целью настоящей курсовой работы является разработка всеобъемлющей методики расчета, проектирования и конструирования треугольных дощатоклееных арок с затяжками для гражданского и промышленного строительства. Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:

• Проанализировать действующую нормативно-техническую базу Российской Федерации, регулирующую проектирование и расчет деревянных конструкций.
• Детально изучить методику определения нагрузок и их комбинаций, применительно к дощатоклееным аркам.
• Разработать алгоритм подбора сечений основных элементов арки (стропил, затяжек) и узловых соединений с учетом прочностных характеристик древесины и клеевых швов, а также рассмотреть возможности усиления вклеенными стержнями.
• Обосновать конструктивные решения, обеспечивающие пространственную устойчивость, жесткость и долговечность арок, включая меры защиты от биоповреждений и огня.
• Выделить ключевые технологические аспекты изготовления и монтажа дощатоклееных арок, влияющие на их эксплуатационную надежность.

Данный материал призван стать фундаментальным руководством для студентов и аспирантов, работающих над курсовыми и дипломными проектами, предлагая не просто набор формул, а комплексный, системный подход к проектированию, основанный на актуальной российской нормативной базе.

Общие принципы проектирования и нормативно-техническая база

Прежде чем приступить к расчету любой конструкции, необходимо погрузиться в мир нормативных документов, которые являются не просто сводом правил, а накопленным многолетним опытом и знаниями инженерного сообщества. Для дощатоклееных арок этот фундамент особенно важен, ведь древесина — материал с уникальными, но в то же время изменчивыми свойствами, требующими особого подхода, который, к тому же, постоянно совершенствуется с развитием технологий.

Основные нормативные документы и их назначение

Основой для проектирования и расчета деревянных конструкций в Российской Федерации служит СП 64.13330.2017 «Деревянные конструкции. Актуализированная редакция СНиП II-25-80». Этот Свод Правил является ключевым документом, определяющим общие положения, расчетные характеристики материалов, методики расчета элементов и соединений, а также требования к конструктивным решениям и обеспечению долговечности. Он задает общие правила игры, которые обязательны для всех участников строительного процесса, но что конкретно он дает инженеру на практике?

Понимание терминологии не менее важно для инженера-проектировщика. ГОСТ Р 56705-2015 «Конструкции деревянные для строительства. Термины и определения» является своеобразным словарем, унифицирующим понятия в области деревянного домостроения. Он помогает избежать разночтений и обеспечивает единое толкование ключевых терминов, таких как «дощатоклееная конструкция», «арка», «затяжка», «пролет» и многие другие. В то время как ГОСТ 18288-87 «Производство лесопильное. Термины и определения» детализирует терминологию, связанную непосредственно с получением пиломатериалов, что важно для понимания качества исходного сырья.

Важную роль в обеспечении комплексного подхода играет СП 70.13330.2012 «Несущие и ограждающие конструкции», который распространяется на производство и приемку строительно-монтажных работ, включая работы с деревянными конструкциями. Он гарантирует, что не только проектирование, но и фактическое возведение объекта будет соответствовать заданным стандартам качества. Нельзя забывать и о специальных требованиях: СП 14.13330 «Строительство в сейсмических районах» регулирует проектирование конструкций в зонах повышенной сейсмической активности, а требования по защите от огня, коррозии и биоповреждений интегрированы в СП 64.13330.2017.

Классификация деревянных конструкций

Для выбора правильной расчетной модели и определения коэффициентов условий работы, жизненно важна классификация деревянных конструкций. СП 64.13330.2017 предлагает многогранное деление, учитывающее как функциональное назначение, так и условия эксплуатации, а также предполагаемый срок службы.

По функциональному назначению ДК подразделяются на классы, отражающие их ответственность и масштабы применения:

• Класс 1а: Наиболее ответственные конструкции, например, несущие элементы с пролетами свыше 100 м, мачты и башни высотой более 60 м. Для таких объектов требования к надежности максимально строги.
• Класс 1б: Включает несущие конструкции зданий с массовым пребыванием людей (музеи, спортивно-зрелищные объекты, торговые предприятия) с пролетами более 60 м для КДК и 40 м для цельной древесины, а также высокие мачты/башни (более 40 м) и многоэтажные здания (более 28 м).
• Класс 2а: Охватывает широкий спектр несущих конструкций любых форм, не подпадающих под другие классы. Это наиболее распространенная категория для дощатоклееных арок в гражданском и промышленном строительстве.
• Класс 2б: Относится к конструкциям стен, покрытий и перекрытий с пролетами до 7,5 м, а также зданиям из ДПК до трех этажей.
• Класс 2в: Специализированный класс для конструкций стен зданий из клееного стенового бруса до трех этажей.
• Класс 3: Менее ответственные, часто временные конструкции, такие как теплицы, парники, бытовки, с ограниченными сроками службы.

Примерные сроки службы сооружений тесно связаны с классом конструкций и варьируются от не более 10 лет для временных зданий до 100 и более лет для уникальных объектов. Для зданий массового строительства в обычных условиях эксплуатации минимальный срок службы составляет 50 лет, а для сооружений в условиях сильноагрессивных сред — не менее 25 лет.

Классификация условий эксплуатации (Таблицы 1 и А.2 СП 64.13330.2017) является критически важной, поскольку относительная влажность и температура воздуха в зоне расположения конструкций напрямую влияют на физико-механические свойства древесины и клеевых соединений. Например, для клееной древесины крайне важен контроль влажности, поскольку значительные её колебания могут привести к усушечным деформациям и снижению прочности. Эти условия диктуют применение соответствующих коэффициентов условий работы, которые корректируют расчетные сопротивления древесины. Например, не рекомендуется применять КДК для класса эксплуатации 1а, где относительная влажность воздуха менее 45% при температуре не выше 35°C, даже при условии кратковременного понижения влажности. Почему это настолько важно для долговечности конструкции? Потому что постоянные изменения влажности и температуры могут вызвать внутренние напряжения, значительно сокращая срок службы элементов.

Требования к проектированию и предельные состояния

Проектирование любой строительной конструкции, включая дощатоклееную арку, базируется на концепции предельных состояний. Эти состояния делятся на две основные группы:

1-я группа предельных состояний (по несущей способности): Определяет способность конструкции выдерживать расчетные нагрузки без разрушения или потери устойчивости. Расчеты по этой группе должны подтверждать, что прочность и устойчивость каждого элемента и всей конструкции в целом достаточны для безопасной эксплуатации. Это включает проверку на прочность при изгибе, сжатии, растяжении, скалывании, а также на устойчивость формы и положения. Если конструкция не соответствует этим требованиям, она считается аварийной.

2-я группа предельных состояний (по деформациям): Отражает требования к эксплуатационной пригодности конструкции. Расчеты по этой группе гарантируют, что деформации (прогибы, перемещения, углы поворота) не будут превышать допустимых значений, установленных нормами. Чрезмерные деформации могут привести к нарушению нормальной работы оборудования, повреждению ограждающих конструкций, снижению эстетических качеств здания и дискомфорту для пользователей, хотя при этом может сохраняться несущая способность.

Для клееных деревянных конструкций (КДК) СП 64.13330.2017 устанавливает специфические ограничения, в частности, по температурному режиму: КДК допускается применять при температуре окружающего воздуха до 50°C. При этом, если температура в отапливаемых помещениях превышает 35°C, относительная влажность воздуха должна быть не менее 50% для предотвращения пересыхания и ухудшения свойств древесины и клеевых соединений. Эти условия являются критически важными для обеспечения долгосрочной надежности и работоспособности дощатоклееных арок.

Методика определения нагрузок и их комбинаций для треугольных арок

Грамотное определение нагрузок является краеугольным камнем надежного проектирования любой строительной конструкции. Для треугольных дощатоклееных арок, которые часто перекрывают значительные пролеты и подвергаются разнообразным воздействиям, этот этап требует особого внимания и строгого следования нормативным документам. Главным проводником в мире нагрузок и воздействий в России является СП 20.13330.2016 «Нагрузки и воздействия».

Классификация нагрузок и коэффициенты надежности

СП 20.13330.2016 классифицирует нагрузки на три основные категории, каждая из которых имеет свою специфику и учитывается при расчетах:

1. Постоянные нагрузки: Воздействуют на конструкцию непрерывно в течение всего срока ее службы. К ним относятся:
   • Собственный вес несущих и ограждающих конструкций (древесина арки, утеплитель, кровля).
   • Вес оборудования и инженерных коммуникаций, которые постоянно закреплены на конструкции.
   • Вес грунта (при наличии).
2. Временные нагрузки:
   • Длительные: Действуют в течение продолжительного времени, но могут изменяться. Примеры: вес стационарного оборудования, вес перегородок, длительные нагрузки от хранимых материалов, снеговые нагрузки (с пониженными значениями).
   • Кратковременные: Действуют ограниченное время и могут иметь переменный характер. Примеры: снеговые нагрузки (полные значения), ветровые нагрузки, нагрузки от людей и транспортных средств, нагрузки от монтажного оборудования.
3. Особые нагрузки: Возникают в исключительных случаях и могут иметь катастрофический характер. Примеры: сейсмические воздействия, взрывные воздействия, нагрузки от аварий оборудования.

Для обеспечения необходимого уровня надежности в расчетах используются коэффициенты надежности по нагрузке (γ_f). Эти коэффициенты учитывают возможное отклонение фактических значений нагрузок от их нормативных (средних) значений в неблагоприятную сторону. В соответствии с СП 20.13330.2016, для основных типов нагрузок и материалов применяются следующие значения:

• Для веса деревянных конструкций: γ_f = 1,1.
• Для веса металлических конструкций: γ_f = 1,05.
• Для снеговых и ветровых нагрузок: γ_f = 1,4.
• Для температурных воздействий: γ_f = 1,1.

Важно отметить, что при проверке на устойчивость положения против опрокидывания, когда уменьшение веса конструкций может ухудшить условия работы (например, при расчете анкерных устройств), допускается принимать пониженное значение γ_f = 0,9. Это позволяет учесть наихудший сценарий потери устойчивости при минимальном собственном весе.

Коэффициенты сочетаний нагрузок и условия возведения

В реальной жизни нагрузки редко действуют на конструкцию поодиночке. Чаще всего они комбинируются, и для корректного расчета необходимо учитывать вероятность их одновременного действия. Для этого используются коэффициенты сочетаний нагрузок (ψ). СП 20.13330.2016 регламентирует их применение в зависимости от типа сочетания:

1. Основные сочетания нагрузок: Включают постоянные, длительные и одну или несколько кратковременных нагрузок.
   • Для основной кратковременной нагрузки (наибольшей по значению): ψ_t1 = 1,0.
   • Для второй кратковременной нагрузки: ψ_t2 = 0,9.
   • Для третьей и последующих кратковременных нагрузок: ψ_t3 = ψ_t4 = … = 0,7.
2. Особые сочетания нагрузок: Включают постоянные, длительные, одну особую нагрузку и одну или несколько кратковременных.
   • Для всех кратковременных нагрузок: ψ = 0,8.
   • При этом, коэффициент надежности по нагрузке γ_f для всех кратковременных нагрузок в особых сочетаниях принимается равным 0,5, что отражает малую вероятность совпадения особого воздействия с максимальными значениями всех кратковременных нагрузок.

Отдельного внимания заслуживает возможность снижения расчетных значений климатических нагрузок для условий возведения зданий и сооружений. СП 20.13330.2016 разрешает снижать снеговые, ветровые, гололедные нагрузки и температурные климатические воздействия на 20% при расчете конструкций на этапе монтажа. Это обосновано тем, что продолжительность действия этих нагрузок в процессе возведения значительно меньше, чем в период эксплуатации, и вероятность достижения ими максимальных значений снижается.

Определение климатических нагрузок

Климатические нагрузки – снеговые, ветровые, гололедные и температурные воздействия – являются ключевыми для расчета треугольных дощатоклееных арок, особенно для конструкций покрытий. Их определение требует анализа региональных климатических данных и применения соответствующих методик, подробно изложенных в СП 20.13330.2016.

1. Снеговые нагрузки: Определяются на основе нормативного значения снеговой нагрузки для конкретного снегового района строительства, с учетом коэффициента перехода от веса снегового покрова земли к снеговой нагрузке на покрытие (μ). Коэффициент μ зависит от уклона кровли и формы здания, а также от наличия снеговых мешков у перепадов высот или вентиляционных шахт. Для арок с переменным уклоном этот коэффициент требует детального расчета по участкам. Расчетное значение снеговой нагрузки определяется как произведение нормативного значения на коэффициент надежности по нагрузке (γ_f = 1,4) и коэффициент μ.
2. Ветровые нагрузки: Вычисляются с учетом нормативного значения ветрового давления для ветрового района, высоты здания, типа местности и аэродинамических коэффициентов. Аэродинамические коэффициенты (c_p) зависят от формы конструкции и направления ветра, они могут быть как положительными (давление), так и отрицательными (отсос). Для арок, обладающих криволинейными поверхностями, аэродинамические коэффициенты могут значительно отличаться от таковых для плоских покрытий и требуют более тщательного анализа, возможно, даже с использованием программного моделирования или данных аэродинамических труб. Расчетное значение ветровой нагрузки также умножается на γ_f = 1,4.
3. Температурные воздействия: Учитываются для определения температурных деформаций и напряжений в конструкции. Нормативные значения температурных перепадов для различных регионов и типов зданий также приводятся в СП 20.13330.2016. При расчете температурных воздействий используется коэффициент надежности γ_f = 1,1.

Таким образом, для каждой треугольной дощатоклееной арки необходимо тщательно собрать все виды нагрузок, определить их расчетные значения с учетом коэффициентов надежности, а затем скомбинировать их в различные сочетания, чтобы охватить все возможные неблагоприятные сценарии эксплуатации.

Подбор сечений элементов арки и конструирование узловых соединений

Проектирование несущих элементов дощатоклееных арок и их узловых соединений является ключевым этапом, определяющим безопасность и долговечность всей конструкции. Здесь на сцену выходят не только статические расчеты, но и глубокое понимание поведения древесины и клеевых швов под нагрузкой.

Расчет элементов арки по предельным состояниям

Расчет элементов деревянных конструкций по предельным состояниям 1-й и 2-й групп регламентируется разделом 7 СП 64.13330.2017. Для треугольных дощатоклееных арок это означает комплексную проверку на прочность, жесткость и устойчивость.

Расчет на прочность выполняется для различных видов напряженно-деформированного состояния:

• Центрально-растянутые элементы (затяжки): Проверяются на растяжение по нормальным напряжениям. Основная формула для проверки: σ_t = N / A ≤ R_t ⋅ γ_c, где N — расчетная растягивающая сила, A — площадь поперечного сечения, R_t — расчетное сопротивление древесины растяжению вдоль волокон, γ_c — коэффициент условий работы.
• Центрально-сжатые элементы: Проверяются на сжатие и устойчивость. Для коротких элементов преобладает сжатие, для длинных — потеря устойчивости.
• Изгибаемые элементы (стропила арки): Проверяются на изгиб по нормальным и касательным напряжениям. Формула для нормальных напряжений: σ_m = M / W ≤ R_m ⋅ γ_c, где M — изгибающий момент, W — момент сопротивления сечения, R_m — расчетное сопротивление изгибу. Касательные напряжения: τ = Q ⋅ S / (I ⋅ b) ≤ R_sk ⋅ γ_c, где Q — поперечная сила, S — статический момент части сечения, I — момент инерции, b — ширина сечения, R_sk — расчетное сопротивление скалыванию.
• Сжато-изгибаемые элементы (стропила арки под совместным действием сжатия и изгиба): Требуют более сложного комбинированного расчета, учитывающего взаимодействие сжимающих сил и изгибающих моментов, а также возможность потери устойчивости из плоскости изгиба.

Особый аспект — расчет трехшарнирных арок на прочность по деформированной схеме и на устойчивость плоской формы деформирования. Трехшарнирные арки имеют три шарнира – два опорных и один в коньке, что делает их статически определимыми. Однако их работа по деформированной схеме означает, что деформации самой арки влияют на распределение внутренних усилий. Для таких арок крайне важен учет сжимающей силы N₀ в ключевом (конёк) сечении арки, которая значительно влияет на несущую способность и устойчивость, особенно при больших пролетах и высоких арках.

Расчет прогибов и перемещений

Расчет прогибов и перемещений относится ко 2-й группе предельных состояний и имеет решающее значение для обеспечения эксплуатационной пригодности конструкции. Прогибы изгибаемых элементов не должны превышать предельных значений, установленных в СП 20.13330.2016. Например, для балок и прогонов покрытий, не несущих перегородок, предельный прогиб составляет 1/200 пролета, а для балок перекрытий — 1/250.

Определение прогибов и перемещений осуществляется по моменту инерции поперечного сечения брутто (без учета ослабления отверстиями для соединений). Однако, в случае конструкций с податливыми соединениями (например, на нагелях или болтах), необходимо учитывать коэффициент k_ж. Этот коэффициент, который может принимать значения от 1,0 до 2,0 и более, учитывает дополнительный прогиб, возникающий из-за сдвигов в податливых соединениях. Чем выше податливость соединения, тем больше k_ж и, соответственно, больше фактический прогиб. Формула для определения прогиба с учетом податливости:

f = f0 ⋅ kж

где f₀ — прогиб, рассчитанный без учета податливости соединений.

Клеевые и другие соединения в деревянных конструкциях

Соединения являются наиболее уязвимыми местами в деревянных конструкциях, и их грамотное проектирование критически важно. Раздел 8 СП 64.13330.2017 детально регламентирует расчет различных типов соединений:

• Клеевые соединения: Обеспечивают монолитность дощатоклееных элементов. Их расчет базируется на прочности клеевого шва на скалывание и отрыв.
• Соединения на врубках: Используются для передачи сжимающих усилий между элементами.
• Соединения на цилиндрических нагелях, гвоздях и шурупах: Являются одним из наиболее распространенных типов. Расчетная несущая способность таких соединений определяется по формулам (63) и (64) СП 64.13330.2017, исходя из расчетной площади смятия древесины и параметров скалывания. Например, для нагельных соединений несущая способность на один нагель может быть определена как:

Fн = Rсм ⋅ d ⋅ t ⋅ kу (на смятие)

Fн = Rск ⋅ Aск (на скалывание)

где R_см и R_ск — расчетные сопротивления древесины смятию и скалыванию, d — диаметр нагеля, t — толщина сминаемого элемента, k_у — коэффициент, учитывающий условия работы.

Важно помнить, что при проектировании КДК следует предусматривать мероприятия, предотвращающие скалывание древесины, которое часто является наиболее хрупким видом разрушения. Одним из эффективных способов является армирование древесины вклеенными стержнями.

Усиление вклеенными стержнями: проектирование и расчет

Применение вклеенных стержней — это современное и высокоэффективное решение для усиления деревянных конструкций, особенно в узловых соединениях, подверженных высоким концентрациям напряжений. Специализированный документ, регулирующий расчет таких соединений, — СП 382.1325800.2017 «Конструкции деревянные клееные на вклеенных стержнях. Методы расчета».

Для армирования используются стержни квадратного или круглого сечения, гладкие или периодического профиля, а также пластины и полосы из металла (сталь, алюминиевые сплавы) или стеклопластика. Основной способ соединения этих элементов с древесиной — склеивание, что обеспечивает эффективную передачу усилий и высокую несущую способность.

Преимущества применения вклеенных стержней:

• Сокращение расхода клееной древесины: Анализ результатов опытного проектирования треугольных арок с клееным армированием верхним поясом показывает, что применение армирования позволяет сократить расход клееной древесины на 30–40%. Это достигается за счет уменьшения габаритов сечений, поскольку стержни принимают на себя значительную часть растягивающих или сжимающих усилий.
• Уменьшение монтажной массы: Как следствие уменьшения объема древесины, общая монтажная масса конструкции снижается на 15–20%, что упрощает транспортировку и монтаж, снижая затраты.
• Повышение несущей способности и надежности узлов: Вклеенные стержни эффективно воспринимают усилия в зонах концентрации напряжений, предотвращая преждевременное скалывание древесины.

Правила проектирования соединений на вклеенных стержнях:

• Диаметр отверстий: Диаметр отверстия в древесине для вклеиваемого стержня должен превышать диаметр стержня (d₀) на 4–6 мм для арматуры классов А300-А600 и на 2 мм для арматуры класса А240, круглой стали и стеклопластиковых стержней. Это необходимо для обеспечения равномерного клеевого шва и возможности центрирования стержня.
• Минимальные расстояния между стержнями:
  • Вдоль волокон: не менее 8d₀. Это расстояние обеспечивает достаточную площадь для восприятия скалывающих напряжений по клеевому шву и предотвращает раскалывание древесины вдоль волокон.
  • Поперек волокон: не менее 3d₀.
  • От кромки элемента: не менее 3d₀.
  • При шахматной расстановке нагелей минимальные расстояния S₂ = S₃ ≥ 3d₀.

Расчетная несущая способность таких соединений определяется исходя из прочности клеевого шва на сдвиг и прочности стержня на растяжение/сжатие, а также на выдергивание из древесины. Формулы и методики расчета подробно изложены в СП 382.1325800.2017.

Конструирование конькового и опорного узлов

Коньковый и опорный узлы являются наиболее ответственными элементами треугольной арки, поскольку именно через них передаются основные усилия от полуарок к затяжке и фундаменту.

Коньковый узел: В трехшарнирной арке коньковый узел является шарнирным, что позволяет исключить изгибающий момент в этом сечении. Однако он должен эффективно передавать сжимающие усилия от полуарок и обеспечивать центрирование их в одной плоскости. Часто коньковый узел выполняется в виде стального башмака или посредством соединения на вклеенных стержнях, где стержни, вклеенные в торцы полуарок, соединяются между собой на сварке или с помощью болтов через опорные пластины. Важно предусмотреть элементы, обеспечивающие разгружающие моменты от продольных сил, например, путем создания «подушки» из высокопрочной древесины или металлической пластины.

Опорный узел: Обеспечивает передачу вертикальных и горизонтальных опорных реакций на фундамент и соединяет полуарку с затяжкой. Для трехшарнирной арки опорный узел также является шарнирным, но при этом он должен исключать смещение арки относительно опоры. Обычно опорные узлы выполняются с использованием стальных опорных башмаков, закрепленных анкерами к фундаменту. Затяжка, воспринимающая горизонтальный распор от арки, крепится к опорным узлам посредством болтовых соединений, нагелей или, что более эффективно, на вклеенных стержнях. При проектировании узлов необходимо обеспечить:

• Центрирование полуарок: Чтобы избежать эксцентриситета и дополнительных изгибающих моментов.
• Эффективную передачу усилий: От древесины к стальным элементам и обратно, избегая концентрации напряжений.
• Защиту древесины: От увлажнения и биоповреждений (например, путем подъема опорного узла над уровнем пола, как будет рассмотрено далее).

Крепление затяжки: Затяжка является критически важным элементом, воспринимающим горизонтальный распор от арки, тем самым превращая ее из распорной в безраспорную конструкцию. Крепление затяжки к опорному узлу должно быть особенно надежным, так как она работает на растяжение. Здесь также эффективно применять соединения на вклеенных стержнях, вклеивая их в тело затяжки и соединяя с опорной стальной пластиной. Также возможно использование металлических накладок с болтовыми соединениями.

Конструктивные решения, устойчивость, жесткость и обеспечение долговечности

Создание надежной и долговечной конструкции из дощатоклееной древесины требует не только прочностных расчетов, но и комплексного подхода к ее пространственной организации и защите от внешних воздействий.

Обеспечение пространственной жесткости и устойчивости

Плоскостные конструкции, такие как треугольные дощатоклееные арки, сами по себе обладают ограниченной устойчивостью из своей плоскости. Чтобы избежать потери устойчивости и обеспечить жесткость всего сооружения, необходимо объединить их в единый геометрически неизменяемый пространственный каркас. Эту задачу выполняют:

• Горизонтальные связи: Обычно располагаются в плоскости покрытия или перекрытия и воспринимают горизонтальные нагрузки (например, ветровые) и усилия от потери устойчивости сжатых элементов. Для арок горизонтальные связи часто устраиваются в уровне верхних поясов, объединяя арки между собой.
• Вертикальные связи: Размещаются в плоскости торцевых стен или между арками в вертикальной плоскости. Они воспринимают горизонтальные силы, действующие перпендикулярно плоскости арок, и передают их на фундамент.
• Прогоны: Это балки, располагаемые перпендикулярно аркам и опирающиеся на них. Они не только поддерживают элементы покрытия (настил, кровлю), но и играют ключевую роль в обеспечении устойчивости арок из плоскости. Прогоны крепятся к верхним граням арок, образуя жесткий диск покрытия.
• Деревянные диагональные элементы: Располагаются в торцах здания, образуя поперечные связевые фермы. Эти фермы эффективно сопротивляются горизонтальным сдвигам и обеспечивают общую устойчивость каркаса.
• Продольные элементы в коньке и зоне опор полуарок: Для дополнительной стабилизации, особенно в коньке и зонах опор, устанавливаются продольные элементы, которые упираются в боковые грани арок. Это предотвращает боковое смещение и потерю устойчивости в наиболее критических точках.

Важный нюанс для конструкций с большими пролетами: При пролетах деревянных безраспорных конструкций более 30 м, одна из опор должна быть подвижной. Это позволяет компенсировать температурные деформации и усадку древесины без возникновения дополнительных, нерасчетных напряжений, которые могли бы привести к разрушению жестко закрепленных опор. Подвижная опора обычно реализуется в виде роликового или скользящего шарнира.

Конструктивные меры защиты древесины

Долговечность деревянных конструкций напрямую зависит от их защиты от неблагоприятных воздействий. Раздел 9 СП 64.13330.2017 уделяет особое внимание конструкционным мерам защиты, которые являются обязательными и должны предусматриваться независимо от срока службы здания или применения химической защиты. Эти меры направлены на предотвращение увлажнения и создание условий для систематической просушки древесины:

1. Предотвращение прямого увлажнения:
   • Атмосферные осадки: Обеспечение эффективного водоотвода с кровли, достаточные выносы карнизов, водоотводные желоба и водосточные трубы.
   • Грунтовые и талые воды: Гидроизоляция фундаментов, устройство дренажных систем, поднятие деревянных элементов над уровнем земли.
   • Эксплуатационные и производственные воды: Предусматривается защита от протечек, конденсата, например, с помощью гидроизоляционных слоев и эффективной вентиляции.
2. Систематическая просушка древесины: Создание осушающего температурно-влажностного режима за счет:
   • Естественной и принудительной вентиляции: Обеспечение циркуляции воздуха вокруг деревянных элементов.
   • Устройства продухов и аэраторов: Специальные отверстия и устройства для проветривания подпольных пространств, чердаков, пространств между слоями конструкции.

Особые требования к опорным частям и узловым соединениям: Для конструкций, эксплуатируемых на открытом воздухе или в зданиях с повышенной влажностью, опорные части и узловые соединения должны быть спроектированы таким образом, чтобы:

• Концы элементов были хорошо проветриваемыми.
• Имели минимальную площадь контакта с металлом, так как в местах контакта может скапливаться влага и развиваться гниение.
• При расположении деревянных арок внутри помещений, обрез опоры следует устраивать на высоте от уровня пола, исключающей возможное увлажнение опорного узла (например, от мытья полов или аварийных протечек).

Химические методы защиты и огнестойкость

Помимо конструктивных мер, для обеспечения долговечности и безопасности ДК широко применяются химические методы защиты и мероприятия по повышению огнестойкости.

Химические методы защиты:

• Консервирование: Обработка древесины химическими составами, глубоко проникающими в структуру, для предотвращения гниения, поражения насекомыми и грибками.
• Антисептирование: Поверхностная обработка древесины антисептиками для защиты от биоповреждений. Эти составы создают на поверхности защитный барьер.
• Гидрофобизация и влагозащитные покрытия: Применение составов, которые уменьшают водопоглощение древесины, тем самым снижая риск увлажнения и, как следствие, гниения.

Огнестойкость деревянных конструкций: Древесина, будучи горючим материалом, требует особых мер для повышения ее огнестойкости, особенно для несущих конструкций.

• Методы определения предела огнестойкости: Огнестойкость клееной древесины определяется по методам, установленным ГОСТ 30247.0 «Конструкции строительные. Методы испытаний на огнестойкость. Общие требования» и ГОСТ 30247.1 «Конструкции строительные. Методы испытаний на огнестойкость. Несущие и ограждающие конструкции». Эти стандарты описывают процедуру огневых испытаний, при которых конструкцию подвергают стандартному тепловому воздействию до достижения одного из предельных состояний: потеря несущей способности (R), потеря целостности (E), потеря теплоизолирующей способности (I).
• Расчетный путь определения предела огнестойкости: Допускается устанавливать предел огнестойкости расчетным путем на основе закономерностей обугливания и прогрева сечений в условиях стандартного теплового воздействия, регламентируемого ГОСТ 30247.0. При этом учитываются предельные состояния по огнестойкости, регламентируемые ГОСТ 30247.1. Расчетный метод позволяет прогнозировать поведение конструкции в огне без проведения дорогостоящих натурных испытаний.
• Огнезащитная обработка: Применение огнезащитных покрытий (красок, лаков, обмазок, пропиток) может значительно повысить предел огнестойкости деревянных конструкций. Для защищенной огнезащитными покрытиями древесины предел огнестойкости может достигать 15, 30 или даже 45 минут. Это позволяет соответствовать требованиям пожарной безопасности для зданий различной степени ответственности.

Комплексное применение конструктивных и химических мер защиты, а также повышение огнестойкости, позволяют существенно увеличить срок службы треугольных дощатоклееных арок и обеспечить высокий уровень безопасности сооружений.

Технологические аспекты изготовления и монтажа треугольных дощатоклееных арок

Успешная эксплуатация любой строительной конструкции начинается задолго до ее установки на объекте – на этапах проектирования, изготовления и транспортировки. Для дощатоклееных арок, как сложных инженерных изделий, эти этапы имеют критическое значение. Проектирование ДК следует выполнять с учетом особенностей изготовления, а также условий их эксплуатации, транспортирования и монтажа. Это означает, что проектировщик должен не только рассчитать прочность, но и пони��ать, как арка будет произведена, доставлена и установлена.

Требования к качеству древесины и клеевым составам

Качество исходных материалов – краеугольный камень надежности дощатоклееных конструкций. СП 64.13330.2017 предъявляет строгие требования как к самой древесине, так и к используемым клеям.

Дополнительные требования к качеству древесины (Приложение Б СП 64.13330.2017):

• Ширина годичных слоев и содержание поздней древесины: Для древесины цельнодеревянных элементов и слоев клееных конструкций классов К26 и К24 (высокопрочные классы) ширина годичных слоев должна быть не более 5 мм, а содержание поздней древесины — не менее 20%. Это обеспечивает высокую плотность и, соответственно, прочность древесины.
• Отсутствие сердцевины: В слоях клееных изгибаемых и растянуто-изогнутых элементов 1-го и 2-го сорта или классов прочности не ниже С24 (особенно для крайней растянутой зоны, на 0,15 высоты сечения) и в цельнодеревянных элементах толщиной 60 мм и менее, работающих на ребро при изгибе или на растяжение, не допускается сердцевина. Сердцевина является наиболее слабой и подверженной растрескиванию частью ствола.
• Компенсационные прорези: В конструкциях с вклеенными стержнями не допускаются компенсационные прорези в слоях, так как они могут ослабить сечение и негативно повлиять на эффективность работы вклеенных стержней.

Прочность древесины: Прочность древесины соответствующих сортов или классов прочности должна быть не ниже нормативных сопротивлений, приведенных в Приложении В СП 64.13330.2017. Нормативное сопротивление материалов R_н, МПа, определяется по формуле:

Rн = Rвр (1 - 1,65 ⋅ ν)

где R_вр — величина временной прочности материала, полученная по результатам испытаний; ν — коэффициент вариации показателей прочности; 1,65 — квантиль с обеспеченностью 0,95 (т.е., 95% образцов имеют прочность не ниже R_н). Нормативные сопротивления устанавливаются при влажности древесины 12% и приводятся для сосны и ели (отсортированных по сортам) в таблице В.1, а для LVL (клееный брус из однонаправленного шпона) — в таблице В.2. Эти значения являются отправной точкой для всех расчетов на прочность.

Клеи для КДК: Выбор клея играет решающую роль в долговечности клееной древесины. Клеи, используемые для склеивания древесины, LVL и фанеры в КДК, должны соответствовать требованиям таблицы 2 СП 64.13330.2017. Она регламентирует применение клеев на основе резорцин-фенолформальдегидных смол или меламина, меламина с раздельным нанесением компонентов, карбамидных смол, двухкомпонентных ЭПИ клеев повышенной водостойкости, полиуретановых, а также эпоксидных смол для соединений древесины с металлом. Выбор типа клея зависит от функционального назначения конструкции, условий ее эксплуатации (температура, влажность) и требуемого класса водостойкости.

Особенности технологии вклеивания стержней

Применение вклеенных стержней, как уже упоминалось, является эффективным способом усиления. Однако успех этого метода во многом зависит от соблюдения технологических нюансов:

• Влажность древесины: При вклеивании стержней влажность древесины должна находиться в интервале 8–14% и соответствовать ожидаемой эксплуатационной равновесной влажности. Это критически важно для снижения деформаций усушки/разбухания, которые могут привести к образованию трещин в клеевом шве или древесине вокруг стержня.
• Заводские условия: Операции по вклеиванию стержней обычно выполняют в заводских условиях. Это обеспечивает контроль влажности, температуры, качества клеевого шва, а также точность сверления отверстий и позиционирования стержней. Заводское изготовление минимизирует риски, связанные с несоблюдением технологии на строительной площадке.

Монтаж и отделка конструкций

Монтаж крупногабаритных дощатоклееных арок требует тщательного планирования и специализированного оборудования.

• Принципы монтажа: Простота конструктивной схемы, например, ребристых куполов из клееной древесины, обуславливает и простоту монтажа, который часто осуществляется с использованием центральной монтажной башни. Эта башня служит временной опорой в коньке арки, позволяя последовательно собирать полуарки и соединять их, обеспечивая геометрическую точность. После набора прочности всех узлов и установки связей башня демонтируется.
• Транспортирование: Размеры и масса клееных арок могут быть весьма значительными, что накладывает особые требования на транспортировку. Часто арки изготавливаются из нескольких секций, которые затем соединяются на строительной площадке. Проектирование должно учитывать максимальные габариты, допустимые для перевозки автомобильным или железнодорожным транспортом.
• Декоративная отделка и огнезащитная обработка: Эти работы, как правило, следует выполнять после устройства кровли. Это позволяет защитить древесину от атмосферных осадков в процессе строительства и обеспечить оптимальные условия для нанесения покрытий. Нанесение огнезащитных составов на сухую, чистую поверхность обеспечивает их максимальную эффективность и долговечность.

Таким образом, технологические аспекты изготовления и монтажа дощатоклееных арок неразрывно связаны с их проектированием и напрямую влияют на итоговую надежность, долговечность и экономическую эффективность всей конструкции.

Заключение

Разработка методики расчета, проектирования и конструирования треугольных дощатоклееных арок с затяжками является сложной, но чрезвычайно актуальной задачей в современном строительстве. Деревянные клееные конструкции, обладая уникальными преимуществами в части экологичности, эстетики и способности перекрывать большие пролеты, требуют глубокого инженерного анализа и строгого соблюдения нормативных требований.

В рамках данной курсовой работы была представлена исчерпывающая методика, охватывающая все ключевые аспекты: от базовых нормативно-технических требований до тонкостей технологии изготовления и монтажа. Было показано, что фундаментом для проектирования служит актуальная нормативная база Российской Федерации, в частности СП 64.13330.2017 и СП 20.13330.2016, которые регламентируют классификацию конструкций, определение нагрузок и методики расчета по предельным состояниям.

Особое внимание уделено детальному анализу методики определения нагрузок и их сочетаний, с учетом коэффициентов надежности и условий возведения, что позволяет создать наиболее реалистичную и безопасную расчетную модель. Подбор сечений основных элементов арки и конструирование узловых соединений рассмотрены с учетом современных решений, таких как усиление вклеенными стержнями, которое, как было показано, позволяет сократить расход древесины на 30–40% и уменьшить монтажную массу на 15–20%, одновременно повышая надежность узлов.

Подчеркнута критическая важность обеспечения пространственной жесткости и устойчивости конструкций путем применения горизонтальных и вертикальных связей, а также прогонов. Комплексный подход к обеспечению долговечности включает в себя как обязательные конструкционные меры защиты от увлажнения и биоповреждений (вентиляция, продухи, правильное устройство опор), так и химические методы (антисептирование, антипирирование) и повышение огнестойкости согласно ГОСТ 30247.0 и ГОСТ 30247.1, вплоть до 45 минут при использовании огнезащитных покрытий.

Наконец, были рассмотрены технологические особенности изготовления и монтажа, включая строгие требования к качеству древесины (ширина годичных слоев, отсутствие сердцевины), выбору клеевых составов и оптимальной влажности древесины при вклеивании стержней. Выполнение этих операций в заводских условиях является залогом высокого качества и долговечности конструкций.

Таким образом, предложенная методика представляет собой всесторонний и научно обоснованный подход к проектированию треугольных дощатоклееных арок с затяжками. Ее применение позволит инженерам-проектировщикам создавать не только эффективные и экономичные, но и максимально надежные и долговечные конструкции, полностью соответствующие требованиям действующих нормативных документов и обеспечивающие безопасную эксплуатацию зданий и сооружений в течение всего жизненного цикла.

Список использованной литературы

1. Иванов В. А., Клименко В. З. Конструкции из дерева и пластмасс. – Киев: Вища школа, 1983. – 279 с.
2. Конструкции из дерева и пластмасс. Примеры расчета и конструирования / Под ред. В. А. Иванова. – Киев: Вища школа, 1981. – 391 с.
3. Мартемьянов В. И. Деревянные конструкции в современном строительстве. – Ростов н/Д: Рост. инж.-строит. ин-т, 1983. – 95 с.
4. Пособие по проектированию деревянных конструкций. – М: Стройиздат, 1986. – 215 с.
5. Рекомендации по проектированию и изготовлению дощатых конструкций с соединением на металлических зубчатых пластинах. – М: Стройиздат, 1983. – 40 с.
6. Руководство по проектированию клееных деревянных конструкций. – М: Стройиздат, 1977. – 188 с.
7. Слицкоухов Ю. В. и др. Конструкции из дерева и пластмасс. – М: Стройиздат, 1986. – 543 с.
8. СНиП II–23–81. Нормы проектирования. Стальные конструкции. – М: Стройиздат, 1982. – 93 с.
9. Справочник проектировщика промышленных, жилых и общественных зданий и сооружений. – М: Стройиздат, 1960. – 1040 с.
10. СП 64.13330.2017 Деревянные конструкции. Актуализированная редакция СНиП II-25-80 (с Изменениями N 1-4).
11. «СП 64.13330.2017. Свод правил. Деревянные конструкции. Актуализированная редакция СНиП II-25-80» (утв. Приказом Минстроя России от 27.02.2017 N 129/пр) (ред. от 28.12.2023) // consultant.ru.
12. СП 20.13330.2016 Нагрузки и воздействия. Актуализированная редакция СНиП 2.01.07-85* (с Изменениями № 1-6).
13. ГОСТ Р 56705-2015. Конструкции деревянные для строительства. Термины и определения.
14. ГОСТ 18288-87 Производство лесопильное. Термины и определения.
15. ГОСТ Р 56710-2015 Соединения на вклеенных стержнях для деревянных конструкций. Технические условия.
16. Деревянные конструкции. Круговая и стрельчатая клееные арки. Конструирование и расчет // elibrary.ru.
17. Клееные деревянные конструкции в современном строительстве (система ЦНИИСК). Часть 2 // lesprominform.ru.
18. клееные армированные деревянные конструкции — Институт Архитектуры, Строительства и Энергетики // elibrary.ru.
19. Обеспечение пространственной жесткости деревянных каркасных зданий. Связи. Фахверк. // studfiles.net.
20. Пособие по проектированию и применению конструкций из клееной древесины // ТехноНИКОЛЬ.
21. Приложение В. Физико-механические характеристики клееной древесины из древесины сосны, ели и древесины из однонаправленного шпона LVL // Документы системы ГАРАНТ.