Особенности узлов крепления стропильных систем: перспективы совершенствования традиционных конструктивных решений Беларуси

УДК 694.14

В статье описываются конструктивные и технологические особенности традиционных для территории Беларуси конструктивных решений узлов крепления стропильных систем. Рассмотрены основные положительные и отрицатель­ные стороны вариантов узлов наиболее распространенных соединений перекрещивающихся элементов стропильных си­стем с креплениями типа сковороднень и полусковороднень, а также возможность использования данных узлов для со­временной строительной практики.

The article describes design and technological features of the constructive solutions of fastening hitches of rafter systems traditional for the territory of Belarus. The main positive and negative sides of the connection hitches of rafter systems crossing elements with fastenings like tongue battening plate and half-tongue battening plate, and also possibility of usage of these hitches for the modern construction practice are considered.

Введение

На протяжении всей истории архитектуры и строительства Беларуси, развитие и совершенствование деревянных конструк­ций непосредственным образом связано с развитием общества и ростом его потребностей, а также с постоянно возрастающими требованиями к конструкциям в целом, и к узлам их соединений, в частности. Широкое использование древесины в качестве стро­ительного материала на территории современной Беларуси обу­словлено достаточными природными запасами и сравнительно небольшим периодом восстановления этого ресурса. При этом, такие положительные свойства древесины, как высокая удель­

ная прочность, химическая стойкость, малая теплопроводность и экологичность, делают её не только доступным строительным материалом, но и позволяют использовать древесину для воз­ведения различных деревянных конструкций разных степеней сложности. В частности, для изготовления стропильных систем жилых и хозяйственных построек.

Основная часть

Проведение комплексных теоретических и натурных иссле­дования различных зданий и сооружений XIII-XIX вв., сохранив­шихся на территории современной Беларуси, позволило выявить, что накопленный в сфере народного строительства утилитарно­ технический и конструктивно-технологический опыт по возведе­нию различных стропильных систем актуален и для современной строительной практики. Это связано с тем, что к XV-XVI вв. в монументальных зданиях Беларуси (замки, храмы) появилась потребность в установке пролетов до 12 м и стали применяться крыши решетчатой конструкции, что привело к возникновению различных видов деревянных ферм. Фермы, составлявшие кон­струкцию одной крыши, были двух типов - полные и пустые. Пустые и полные фермы устанавливались поочередно. Подобные конструкции весьма многообразны, что свидетельствует о по­исках плотниками рациональных и энергетически экономичных конструктивных решений. Результатом таких поисков в области решетчатых конструкций стропильных систем, а также законо­мерного эволюционного развития в народном строительстве кон­струкций каркасных крыш стали стропильные крыши, которые в зависимости от устройства стропил разделились на два типа: наслонные и висячие. В качестве примера можно привести стро­пильные системы несвижского дворцово-замкового комплекса XVIII в., комплекса базилианского монастыря в Минске XVIII в. (Рис. 1) и др. С конструктивно-технологической точки зрения дан­ные конструктивные решения представляются достаточно сложны­ми и нерациональными. Однако при этом срок их службы (некото­рые сооружения датируются XVI веком) свидетельствует не только о высоком уровне мастерства зодчих, грамотно выполненном выбо­ре материалов и подборе сечений элементов систем, но и о том, что они являются актуальными для современной строительной практи­ки ввиду их надежности и долговечности. Данные характеристики являются очень актуальными, так как изучение отечественного опыта применения деревянных конструкций в строительстве и поведения их в процессе эксплуатации, а также выполненный предварительный анализ методов оценки прочности деревянных конструкций показали, что они не всегда удовлетворяют требо­ваниям долговечности. Вдобавок следует заметить, что форми­рование конструктивных особенностей стропил, вследствие их непосредственной связи с эволюционным развитием кровельных материалов, в полной мере подчинено природно-климатически­ми особенностями региона строительства. Следовательно, требо­вания, предъявляемые к стропильным системам на территории Беларуси, остаются достаточно высокими на всех этапах возведе­ния и эксплуатации сооружений.

Рис.1. Примеры стропильных систем XVIII в.: 1 - замок в Не- свиже; 2 - базилианский монастырь в Минске

Помимо поиска надежных и долговечных решений устрой­ства стропильных систем традиционное белорусское зодчество характеризуется большим количеством различных конструктив­ных решений, направленных на создание энергоэффективных стропильных ферм. При этом, любые варианты ориентированы не только на рациональное применение строительных матери­алов, но и на эффективное использование имеющихся ресурсов. Все основополагающие принципы конструктивно-технологиче­ских решений являются той основой, которая характеризует не только исторический, но и современный строительный процесс. Например, обеспечение унификации конструкций и элементов на основании унификации типоразмеров и марок и самих конструк­ций. При этом расход строительных материалов определяется функциональной и конструктивной целесообразностью. Общий анализ конструктивно-технологических решений показывает их энергоэкономичность (ориентация на применение местных мате­риалов и простота их обработки при строительстве, использова­ние бытового инструмента, использование личного транспорта).

Рис.2. Соединение элементов в накладку: 1 - полусковороднем; 2 - сковороднем

Деревянные конструкции, в Беларуси, как и во всем мире, по способу изготовления подразделяются на построечные, кото­рые выполняются непосредственно на строительной площадке из бревен, брусьев и досок с гвоздевыми или болтовыми соеди­нениями, и индустриальные, изготавливаемые на специализиро­ванных заводах. Представленные выше конструкции относятся скорее к построечным, следовательно, их прочность и надежность во многом обеспечивается за счет соединений элементов. Наи­более частыми видами соединений в стропильных соединениях являются поперечные соединения, выполняемые под углом от 28 до 45 градусов или перпендикулярные. При этом существует большое количество типов данного вида соединения: соединения в накладку, соединения с потайным шипом, врубка сковороднем и полусковороднем, соединения на крюк, крестовая врубка, рас­клинка в ласточкин хвост. соединения с шипом гребнем и т.д. Предлагаемая классификационная схема деревянных соединения и сопряжений может не иметь абсолютного соответствия совре­менной номенклатуре. Ее разработка производилась с целью си­стематизировать понятийные и терминологические группы той полноты материала, которую обеспечивал массив извлеченных из специальной литературы XVIII-XIX вв. типов и способов соеди­нений [1, с. 315]. Наибольший интерес из этих типов соединений представляют соединения сковороднем и полусковороднем (Рис. 2). Вместе с тем хотелось бы отметить, что описание данных со­единений достаточно часто встречается в литературных источни­ках, посвященных традиционной народной архитектуре [2, с. 46; 3, с. 65], и практически не встречается описание данных узлов с конструктивной точки зрения. Присутствуют только общие реко­мендации по устройству глубины врубки d в пределах от 1/5 до 1/4 от ширины горизонтального элемента (ригель, прогон, верхняя и нижняя обвязки) b. При этом, общеизвестно, что прочность всех элементов деревянных конструкций, в ряде случаев, определя­ется прочностью наиболее нагруженных участков, работающих в условиях как сложного однородного, так и неоднородного на­пряженного состояния. В первом случае оценка прочности, как при кратковременном, так и при длительном действии нагрузки, осуществляется по известным критериям прочности анизотроп­ных тел. В тоже время считается, что разрушение элемента в локальной зоне приводит к его полному разрушению. Для слу­чаев сложного неоднородного напряженного состояния (врубки, сопряжения элементов посредством металлических стержней, подрезки опорных участков балок, опорные и коньковые узлы рам) применение указанных критериев неприемлемо, поскольку приводит к значительным расхождениям с реальными эксплуа­тационными данными. Следовательно, использование для изго­товления узлов соединения типа сковородень и полусковородень неопределенных значений угла р и глубины врубки d ведёт к не­корректному расчёту элемента, снижению несущей способности элемента и конструкции целом. В связи с этим, актуальной для практики является задача определения эксплуатационных значе­ний глубины врубки d и угла Р, при которых конструкция будет удовлетворять требованиям предельных состояний. В тоже вре­мя целесообразно определить взаимосвязь условий (вид, тип и ве­личина прилагаемой к элементу нагрузки, угол наклона стропил, условия строительства и т.д.) с глубиной врубки d и величиной угла р, а также с выбором способа соединения элементов. Реше­ние данных задач возможно лишь с помощью аппарата механики разрушения с учетом анизотропии и структурной неоднородно­сти материала. Здесь могут быть использованы такие параметры механики разрушения, как коэффициент интенсивности напря­жений, интенсивности освобождения энергии, компоненты по­тока энергии, позволяющие учитывать нарушения сплошности среды и концентрацию напряжений в вершине трещины, анало­гичные тем, что использовались Найчуком А.Я. для разработки алгоритма расчёта элементов деревянных конструкций со сквоз­ными трещинами в условиях сложного неоднородного напряжен­ного состояния [4, с. 119].

При этом, независимо от того проходит пересечение элементов стропильных систем под углом или перпендикулярно, предусма­тривается устройство одного или двух так называемых зубцов. Вся конструкция приобретает большую объёмно-пространственной жёсткость. Это происходит, потому что применение зубцов позво­ляет не только увеличить несущую способность узла соединения, но и увеличить сопротивление срезу в направлении соединения элементов за счёт перераспределения нагрузки между нагелем и шипом. В свою очередь за счёт использования такого соединения увеличивается контактная площадь элементов на величину поряд­ка 3 % (при этом важно уделить внимание решению контактной задачи между элементами), а также происходит «обжатие» гори­зонтального элемента в конструкции вертикального (наклонного). Одновременно с этим хотелось бы заметить, что для соединения подобных элементов традиционно применялись деревянные на­гели. Данный тип крепежного элемента является морально уста­ревшим и его использование сопряжено с дополнительными трудовыми затратами по устройству отверстий и изготовлению со­ответствующего по размеру деревянного нагеля. Более простыми вариантами с точки зрения исполнения соединения, которые также использовались в традиционном зодчестве, были гвоздевое соеди­нение, скобы и хомуты. Такие соединения существенно снижают трудоёмкость, но могут вызывать раскалывание древесины. Так, согласно современным строительным нормам, использование хо­мутов для возведения деревянных конструкций запрещено по при­чине возникновения продольных трещин при устройстве узла или в процессе эксплуатации. Таким образом, для устройства соедине­ний в соответствии с современными требованиями к деревянным строительным конструкциям лучше всего рассматривать соеди­нения на саморезах, шурупах, болтовое соединение или зубчатые гвоздевые пластины. Также перспективным вариантом устройства крепления может стать установка хомута по заранее просверлен­ным отверстиям с диаметром меньше диаметра хомута на 15-30 %. Такой способ позволит устранить опасность возникновения про­дольных трещин и обеспечит надежное положение хомута в теле конструкции. Таким образом, перспектива использование данных традиционных типов соединений в синтезе с современными спо­собами соединения деревянных элементов позволяет добиться устойчивой работы элемента против комплексных нагрузок и со­ответственно увеличить несущую способность всей ферменной конструкции в целом.

Заключение

Проанализировав представленные конструктивные схемы, можно сделать вывод, что использование этих, уже известных и оправдавших себя конструктивных решений практически гаран­тировано даёт положительный результат, а комплексное изучение конструктивно-технологических решений, выделение их особен­ностей и рационализация позволит выявить наиболее целесообраз­ные узловые схемы соединений в целом. При этом, оценка прочно­сти элементов деревянных конструкций в условиях неоднородного сложного напряженного состояния является актуальной и вклю­чает в себя две неразрывно связанные задачи - оценку прочности элементов деревянных конструкций в условиях большой концен­трации напряжений (узловые сопряжения) и оценку прочности в условиях нарушения сплошности сечения (врубки, подрезки опор­ных деревянных элементов, опорные и коньковые стропильных ферм).

Также можно признать необходимость совершенствования методики расчёта элементов деревянных конструкций на основе комплексного исследования механических характеристик и осо­бенностей деформирования древесины в зонах концентрации на­пряжений и разработки теории расчёта элементов деревянных кон­струкций с конструктивными врубками и врезками.

Литература

1.  Киселев, И.А. Архитектурные детали в русском зодче­стве XVIII-XIX веков. Справочник архитектора-реставра- тора /И.А. Киселев. - М. : Academia, 2005. - 496 с.

2.  Сергачев, С.А. Белорусское народное зодчество / С.А. Сергачев. - Минск: Ураджай, 1992. - 255 с.

3.  Шепелев, А.М. Как построить сельский дом / А.М. Шепе­лев. - М. : Стройиздат, 1995. - 202 с.

4.  Найчук, А.Я. Прочность элементов деревянных конструк­ций в условиях сложного неоднородного напряженного состояния : дис. док. техн. наук : 05.23.01 / А.Я. Найчук. - М. : 2006. - 378 с.