Линейное строительное изделие составного сечения

Изобретение относится к области строительства, в частности к линейному строительному изделию составного сечения и может быть использовано в качестве несущих деревянных стоек. Технический результат изобретения заключается в повышении несущей способности изделия. Линейное строительное изделие составного сечения состоит из параллельных ветвей, соединенных между собой дискретно по высоте шпонками. Ветви изделия размещены по разные стороны шпонок, смещены относительно шпонок в противоположных направлениях от центральных осей горизонтального сечения элемента, при этом шпонки контактируют с ветвями элемента гранями наибольших размеров. 3 ил.

 

Изобретение относится к строительству и может быть использовано в качестве несущих деревянных стоек наружных и внутренних теплоограждений (стен) малоэтажных домов.

Технический результат изобретения заключается:

- в повышении несущей способности (прочности) деревянного стержневого изделия и увеличении расчетной нагрузки на составной стержень при его работе на продольный изгиб за счет выбора более рационального сечения составного стержневого изделия по сравнению с традиционными элементами, имеющими сечения в виде сплошного прямоугольника либо квадрата;

- в повышении сопротивления теплопередаче (термического сопротивления) деревянного стержневого изделия за счет использования составного сечения по сравнению с аналогичной характеристикой сплошного стержневого элемента, например, стойки строения, т.к. между ветвями стержневого составного изделия размещают высокоэффективный теплоизоляционный материал, коэффициент теплопроводности которого в 3-4 раза меньше, чем у дерева;

- в снижении материалоемкости деревянного стержневого изделия за счет использования составного сечения по сравнению с аналогичной характеристикой сплошного стержневого элемента, например, стойки строения;

- в снижении трудоемкости изготовления стержневых изделий на дом или часть дома за счет уменьшения их потребного количества, а также других факторов, при использовании деревянных стержней составного сечения, имеющих большую несущую способность, по сравнению со стержневыми изделиями с традиционными сечениями в виде сплошных прямоугольника либо квадрата.

Повышение несущей способности стержневого изделия составного сечения и работы его на продольный изгиб достигается за счет более рационального расположения материала изделия путем отдаления ветвей стойки - 1 от ее геометрического центра, что, как известно, увеличивает момент инерции - I и момент сопротивления сечения - W.

Совместная работа ветвей - 1 стержневого изделия достигается применением шпонок - 2, располагаемых в нескольких местах по его высоте, при этом ветви стержня размещают по разные стороны шпонок (фиг. 1 и фиг. 2).

Повышение сопротивления теплопередаче (термического сопротивления) деревянного стержневого изделия в теплоограждении за счет использования составного сечения по сравнению с аналогичной характеристикой сплошного стержневого элемента с площадью сечения равной сумме площадей ветвей составной стойки, например, стойки строения, достигается за счет того, что между ветвями составного элемента располагают теплоизоляционный материал. В случае составного сечения предлагаемой формы исключается возможность контакта каждой ветви стойки как с внутренней поверхностью теплооограждения, так и с наружной поверхностью тепоограждения, т.е. составная стойка не является тепловым мостиком в отличие от стойки сплошного сечения.

Повышение сопротивления теплопередаче составного изделия предлагаемой конструкции достигается также за счет того, что ветви стойки размещают по разные стороны шпонок (фиг. 2). Смещение в плане наружной ветви составного изделия относительно внутренней - предопределяет расположение стоек под углом к градиенту тепла в ограждении. За счет этого наружная ветвь изделия располагается в менее прогретой части сечения тепоограждения по сравнению с прогревом аналогичной части сечения в случае расположения обеих ветвей составного стержня нормально (на одном перпендикуляре) плоскости тепоограждения.

Снижение материалоемкости деревянного стержневого составного изделия по сравнению со стойкой квадратного или прямоугольного сечения, равнопрочной с составным элементом, достигается вследствие большего момента инерции - I составного сечения по сравнению с аналогичной характеристикой сечения изделия сплошного сечения.

Снижение трудоемкости изготовления изделий составного сечения предлагаемой конструкции складывается из трех составляющих:

во-первых, уменьшение количества вертикальных изделий (стоек) стоек в строении вследствие повышения их несущей способности (прочности) и жесткости (более эффективной работы на продольный изгиб) по сравнению со стойками сплошного сечения при равном расходе материала - древесины;

во-вторых, - уменьшение количества монтажных элементов, поскольку одновременно монтируют внутреннюю и наружную стойки каркаса;

в-третьих, возможность и эффективность изготовления составных стержневых изделий предлагаемой конструкции в заводских условиях, что позволяет повысить качество и производительность работы, применяя более механизированную технологию, по сравнению с работой в построечных условиях.

Известны различные варианты конструкций деревянных изделий с целью повышения их строительных и эксплуатационных качеств:

1 - наращивание, стыковка элементов по длине;

2 - придание бревнам правильной цилиндрической формы (оцилиндровка) для упрощения их монтажа, повышения качества заполнения межвенцовых швов и придания новой архитектурной выразительности строениям из них;

3 - продольная распиловка бревна на несколько элементов с последующим их сращиванием в брус правильной (квадратной или прямоугольной) формы, установкой деталей, скрепляющих эти элементы в единый строительный брус, и заполнением внутреннего пространства в нем теплоизоляционным материалом в заводских условиях;

4 - изготовление линейных составных монтажных элементов (балок) из традиционных деревянных профилей: досок и брусков с целью получения деталей с более высокими конструктивными и теплоизоляционными характеристиками по сравнению с обычными сплошными элементами, равными по расходу древесины со сплошными.

Известен способ изготовления линейного стержневого изделия, заключающийся в продольном разделении бревна двумя диаметральными разрезами, причем эти разрезы выполнены под прямыми углами один к другому для образования четырех сегментов в виде четвертей из каждого бревна и последующего скрепления вместе четырех четвертей сегментов бревна, причем четыре четверть-сегмента бревна расположены так, что дугообразные поверхности четырех сегментов обращены один к другому [1]. При этом каждая поверхность разреза четырех сегментов обращена наружу так, что профиль поперечного сечения является прямоугольным. Полученный составной стержень снабжен опорными элементами, соответствующими изгибам дугообразных поверхностей четырех четверть-сегментов и прикреплен к ним посредством крепежных средств, причем опорные элементы разнесены при введении и закреплении во внутреннем пространстве между четвертями сегментов с интервалами вдоль собранных четырех четвертей-сегментов бревна. Изделие может быть снабжено теплоизоляционными и упрочняющими средствами, расположенными во внутреннем пространстве между четвертями-сегментами бревна и скрепленными с сегментами с образованием целикового изделия.

Известна клееная деревянная балка, состоящая из деревянных пластин, между которыми в приопорных зонах размещены клеевые прослойки, для увеличения прочности балки на скалывание, а также повышения долговечности балки за счет защиты этих участков балки от коррозии [2]. В качестве клеевых прослоек применяются тканые сетки.

Особенностью изобретения является то, что тканые сетки вклеиваются на ширину, равную 1/4-1/5 от длины клееной деревянной балки, при этом тканые сетки вклеены в опорный участок балки от нижней пласти нижней деревянной пластины клееной деревянной балки, последовательно огибая все деревянные пластины снизу вверх, а оставшаяся часть тканых сеток обернута вокруг клееной деревянной балки, создавая сплошной гидроизоляционный слой на опорном участке балки.

Наиболее близким техническим решением к предполагаемому изобретению являются стойки Ларсена [3], разработанные в 1981 г. канадским ученым Джоном Ларсеном. Стойки Ларсена представляют собой деревянные стойки, которые используются в каркасном домостроении и состоят из двух вертикальных брусков (досок) прямоугольного сечения, соединенных между собой поперечными рейками. Стойки применяются, когда стены дома нужно утеплить большим по толщине слоем изоляции. Бруски в стойках Ларсена большим размером ориентированы перпендикулярно плоскости ограждающей конструкции, и расстояние между ними, составляющее 30-120 мм заполняют теплоизоляционным материалом. Следовательно, в этом случае стойки не являются тепловыми мостиками, как в случае применения стоек, состоящих из одного вертикального элемента. Это техническое решение позволяет создать теплоограждение большей толщины до 250-300 мм, чем традиционные, 150-200 мм, при этом уменьшив теплопотери через стойки каркаса.

Рассмотренному техническому решению стоек Ларсена, наряду с отмеченными достоинствами по сравнению с традиционными стойками, присущи два недостатка. Во-первых, удваивается количество стоек и требуется установка поперечных реек в построечных условиях. Во-вторых, размещение внутренней и наружной стоек по одной оси, перпендикулярной плоскости теплоограждения, увеличивает теплопотери по сравнению с вариантом размещения ветвей стойки со смешением наружной ветви относительно внутренней, что имеет место в предлагаемом линейном составном изделии.

Предлагаемое техническое решение стержневого составного изделия со шпонками лишено недостатков, отмеченных в стойках Ларсена.

Далее предполагаемое изобретение поясняется ссылками на чертежи, где на фиг. 1 - две проекции стержневого составного изделия со шпонками, на фиг. 2 - поперечное сечение I-I составного изделия со шпонками на фиг. 1, на фиг. 3 - схема температур в теплоограждениях, имеющих составные стойки Ларсена и стержневые изделия со шпонками.

На фиг. 1 показан общий вид составного линейного изделия со шпонками, состоящего из двух ветвей - 1 и шпонок - 2. Ветви стержневого изделия соединяются между собой шпонками одним из традиционных методов крепления (клей, клеи плюс тепло/давление, болты, саморезы и другие виды крепежа), за счет чего образуется единое стержневое изделие.

Размеры сечения ветвей - d, c и v, а также высота сечения - h составного стержня принимают по расчету его на продольный изгиб с учетом результатов теплотехнического расчета и учетом конструктивных особенностей теплоограждения строения.

Размеры - а, b и z шпонок - 2, расстояния между ними - m, а также расстояния от шпонок до каждого из концов стержня - n и p определяются расчетом стержня на продольный изгиб, а также могут быть подобраны экспериментально.

Шпонки должны быть прочно соединены с ветвями составного стержня так, чтобы сопряжение шпонки и ветви образовывали жесткий узел, и строительное изделие в статическом отношении представляло собой единую конструкцию. Для выполнения этого условия в зависимости от конкретных условий возведения строения шпонки могут быть изготовлены из прочного теплоизоляционного материала, например, пеноплекса (экструдированного пенополистерола), дерева, многослойной фанеры, ОСП-12 (USB-3), древесного утеплителя и других материалов.

На фиг. 2 представлено поперечное сечение линейного стержневого изделия, в котором ветви стержневого элемента расположены по разные стороны шпонок, при этом каждая ветвь размещена с одной из сторон поверхности изделия: внутренней либо наружной (не выходит одновременно на внутреннюю и наружную поверхность),

Преимуществом предлагаемого решения составного строительного изделия является увеличение момента инерции его поперечного сечения относительно оси y (из плоскости стойки) и полярного момента инерции сечения по сравнению с известными решениями, поскольку ветви элемента размещены на большем расстоянии от соответствующих осей и центра сечения по сравнению со стойками всех других конструкций. Отмеченная особенность стержневого составного изделия обеспечивается надежным соединением ветвей в единый элемент путем прочного соединения ветвей со шпонками и дает возможность за счет увеличения его несущей способности и жесткости уменьшить количество таких элементов в строении и получить определенную экономию материалов.

Расчет температурного поля теплоограждения со стержневыми изделиями предлагаемой конструкции и для сравнения температурного поля теплоограждения со стойками Ларсена требует применения специальных компьютерных программ или использования метода электротепловой аналогии поставленной задачи, что в обоих случаях представляет достаточно сложную самостоятельную расчетную задачу. В связи с этим ограничимся анализом температур в стационарном тепловом режиме сравниваемых теплоограждений, руководствуясь рассуждениями, приведенными ниже.

Из рассмотрения чертежей А (стойки Ларсена) и Б (стержневые составные изделия) на фиг. 3 очевидно, что температуры t₁ и t₃ равны, также равны температуры t₂ и t₆, а температура t₂ больше температуры t₄, т.к. к точке с температурой t₂ тепловой поток приходит от точки с температурой t₁, в которую поток приходит по деревянному бруску, и небольшому участку теплоизоляции, а в точку с температурой t₄ поток приходит только по теплоизоляции, коэффициент теплопроводности которой в 3-4 раза меньше, чем у дерева.

Учитывая, что температура t₂ больше температуры t₄, становится очевидным, что и t₅ больше температуры t₇. Таким образом, при прочих равных условиях, предлагаемая конструкция составного изделия со шпонками, в теплотехническом отношении эффективнее известной конструкции стойки Ларсена: из двух рассмотренных вариантов через предлагаемую составную стойку теплопотери будут меньше.

Приведенное рассмотрение конструкции предлагаемого линейного стержневого изделия с составным сечением показывает, что предлагаемая конструкция обладает преимуществами в несущей способности (прочности), жесткости (устойчивости) и сопротивлению теплопередаче (термическому сопротивлению) по сравнению с известными аналогичными строительными изделиями.

Список использованной литературы

1. Патент RU 2105104, опубликован 20.02.1998;

2. Патент RU 2464386, опубликован 20.10.2012, бюл. №2;

3. "Superinsulated House Trusses," Popular Science, November, 1983 - принят в качестве прототипа.

Линейное строительное изделие составного сечения, состоящее из параллельных ветвей, соединенных между собой дискретно по высоте шпонками, отличающееся тем, что ветви изделия размещены по разные стороны шпонок, смещены относительно шпонок в противоположных направлениях от центральных осей горизонтального сечения элемента, при этом шпонки контактируют с ветвями элемента гранями наибольших размеров.