Исследование жесткости каркасов опытных домов при действии горизонтальных сил
Опытные дома I, II-б и III-с. Весной 1952 г. было произведено испытание домов I, II-б и III-с в целях выявления влияния горизонтальных сил.
Нагрузка была направлена параллельно коньку здания, что соответствует случаю, когда давление ветра действует перпендикулярно торцу здания.
Заякоренные к земле длинные стальные тросы были присоединены к рельсам, прикрепленным на уровне верхнего перекрытия; желаемые горизонтальные усилия были достигнуты соответствующим натяжением тросов (рис. 126). Величина усилий измерялась динамометрами, включенными в линии тросов. Взаимное перемещение верхнего и нижнего перекрытий измерялось индикаторами (точность измерения 1/100 мм), расположенными по диагонали стены. Сначала были приложены три раза усилия до 1000 кг, затем три раза до 1800 кг и, наконец, один раз до 2000 кг. Между этими максимальными значениями уменьшали нагрузку постепенно до 200 кг. В конце серии опытов нагрузка была снята полностью.
О результатах опытного нагружения, которые графически выражены на рис. 127, можно сказать следующее: перемещения, вызванные нагрузками, были наименьшими у дома III и наибольшими у дома II. Согласно австралийским нормам для деревянных домов наибольший допускаемый угол отклонения у составляет 0,1%. Принимая в условиях Финляндии за обычное давление ветра на малые здания 60 кг/м2, можно заметить, что дом I как раз выполняет это требование, в то время как дом II уже слишком деформативен. Способ увеличения жесткости, примененный в доме II, где около углов имелись короткие диаграммы, соединяющие две соседние стойки, не давал требуемого эффекта. Это вполне естественно, так как деформации соединений маленьких треугольников вызывают большие отклонения в углах всего здания; прикрепление диагоналей следовало бы делать более жестко, чем это возможно на практике. Дополнительным фактором, обусловившим малую боковую жесткость дома II, была вертикальная обшивка, которая не могла воспрепятствовать изгибу стоек.
В отношении обычной косой обшивки (дом I, рис. 128) можно сделать вывод, что косая доска, прикрепленная одним гвоздем, не выполнила бы указанных австралийских требований. При высыхании (рис. 129) исчезает плоскостной эффект косой обшивки и каждой доске приходится действовать в отдельности. Будучи прикрепленным к каждой стойке одним гвоздем, крепление носит характер шарнира, в то время как крепление двумя гвоздями способно воспринимать также и момент. Кроме того, существенно, что для эффективной работы треугольника, образованного косой доской, угловой стойкой и лежнем, требуется, чтобы наиболее длинные и сквозные косые доски были крепко прибиты по концам.
Жесткость, основанная на обычном прикреплении пористых волокнистых плит к стойкам, при горизонтальной дощатой обшивке в доме III оказалась значительно большей по сравнению с жесткостью при обычной косой обшивке. Объясняется это плоскостным эффектом пористой волокнистой плиты, чего при обычной косой обшивке не наблюдается. В этом доме два слоя пористых волокнистых плит были именно так размещены и прикреплены к стойкам, что возникал эффект плоскостей жесткости (см. дальше «Деревянный дом заводского изготовления»). Жесткость, обеспечиваемая волокнистыми и другими плитами, проявляется особенно у стен, в которых много отверстий, в то время как в таких случаях значение косой обшивки снижается еще больше. Этот факт следует особо учесть при оценке наружной обшивки твердыми волокнистыми плитами. После окончания опыта в ломе III остаточные деформации были также относительно меньше, чем у других ломов.
Деревянный дом заводского изготовления. Аналогичное опытное нагружение было произведено летом 1952 г. и на ломе V, который был изготовлен па заводе и имел конструкцию того же типа, что и лом VI-а (рис. 130). Нагрузка была доведена до 600 кг. Перемещения (рис. 131 и 132), соответствующие нагрузке, показаны на графике рис. 133. Уже при обычном давлении ветра 60 кг м2 возник наклон в 0,4%, или в четыре раза больше австралийских норм. Стенная конструкция оказалась очень слабой против горизонтальных усилий; это было вызвано тем, что узкие стенные панели могли перемещаться относительно друг друга (рис. 134). Горизонтальная наружная обшивка, будучи прикрепленной к стойке одним гвоздем, не создавала особого препятствия деформациям. У конструкции не было никакой упругости и поэтому остаточная деформация была очень велика (рис. 135). Основным задерживающим фактором было трение между строительными деталями.
Размеры стен, перпендикулярных направлению ветра, и детали конструкций, придающие жесткость, а также размеры и количество использованных гвоздей, соответствующих каждому соединению (n), приведены в табл. 43.
О возможности использования полученных выше результатов применительно к малым зданиям обычных размеров можно сказать следующее: в малых зданиях нормального размера площадь под зданием и тем самым длина стен несколько больше, чем у исследованных опытных домов. Превысив определенный размер, малое здание растет вообще только в длину, и нагрузка на торцовые стены относительно увеличивается. В то же время также увеличиваются в горизонтальном направлении длины наиболее длинных стен. Тогда приходится искать дополнительные опоры торцам и длинным стенам. Этими дополнительными опорами могут служить перегородки и верхнее перекрытие, причем в отношении перегородок следует учесть те же факторы боковой жесткости, что для наружных стен. Более или менее широких исследований жесткости деревянных перекрытий под действием горизонтальных нагрузок не производилось. У ныне распространенных конструкций она невелика, судя по расчетам и наблюдениям, сделанным при опыте с осадкой фундаментов (см. ниже).
Шведские исследования прочности домов
В Швеции также производили исследования прочности различных конструкций («Undersokning av konstruklioner for Hand-byggda smahus av tra», Kungl. Bostadsstyrelsen, Stochholm, 1951) и в сравнимых случаях пришли к тем же выводам, что и в Финляндии. Для исследований был построен дом нормальных размеров для одной семьи; каркас его был собран из рам, образуемых стойками, балками нижнего перекрытия и стропилами. Эти рамы собирали на земле и затем поднимали на свои места. На этом опытном доме была произведена большая серия таких же испытаний горизонтальными нагрузками, как и в Отанисми. К стойкам стен постепенно прикрепляли различные слои, увеличивая одновременно количество гвоздей. Кроме того, на некоторых стадиях изучалось влияние на перемещения, вызываемые горизонтальными нагрузками, вертикальной нагрузки верхнего перекрытия и крыши. Значительный эффект влияния пористых волокнистых плит на жесткость определился сразу. Тот же эффект, хотя в меньшей степени, обнаруживался при увеличении числа гвоздей для прикрепления первого и второго горизонтальных слоев досок. Нагрузки на верхнее перекрытие и на крышу существенно не изменили горизонтальных сдвигов. После отопления в течение 9 месяцев были снова проделаны опыты приложения нагрузок. Особых деформаций не наблюдалось, хотя их и ожидали как следствие высыхания пиломатериалов. Этот результат был естественным, так как жесткость здания была доведена до такой степени, например по количеству гвоздей, что влияние высыхания не могло сказаться так сильно, как в доме более слабой конструкции.
Кроме этого целого дома, производились испытания образцов нескольких десятков различных стенных конструкций. Среди них были, в частности, обычные для шведских условий стены из толстых досок. Опыты, произведенные на образцах, показали между прочим, что в направлении стены слой волокнистых плит, прибитых на горизонтальную дощатую обшивку, даст большую жесткость, чем косая обшивка из досок. Еще более жесткой оказалась 9-миллиметровая гипсовая плита, прибитая непосредственно к стойкам.
Далее пытались изучить возникновение остаточных деформаций в стенах под влиянием горизонтальных нагрузок, приложенных в направлении стены. После резкого снятия нагрузки отмечалась гораздо меньшая остаточная деформация, чем при постепенном снятии нагрузки. Это можно объяснить большим влиянием трения. При быстром снятии нагрузки конструкция преодолевает своей кинетической энергией часть того трения, которая при замедленном возвращении осталась бы в виде остаточной деформации. На практике величины длительной и медленно увеличивающейся нагрузки от ветра бывают лишь ниже определенного предела. Этот предел очень невелик по сравнению с максимальными нагрузками. Выше указанного предела нагрузка меняется быстро в виде порывов ветра. Таким образом, можно предполагать, что на практике деформации не достигают таких больших значений, как при испытаниях, и что остаточные деформации также невелики.
В одной главе исследования описано подвешивание одной балки к другой различными способами. Опыты показали, что обычные кованые хомуты (поперечное сечение 6,3x39 мм) и статически и по своей стоимости менее выгодны, чем подвесы, сделанные из тонкого полосового железа (37X Ь5 мм). Полосу загибают вокруг подвешиваемой балки и прибивают гвоздями длиной 76—102 мм к поддерживающей балке сверху и с задней стороны. Прикрепление балок гвоздями дало наименьший сдвиг, по в то же время и наименьшую надежность в случае разрыва. В этой связи следует отметить, что усадка древесины вследствие высыхания и других причин ослабляет соединения, выполненные одними гвоздями, гораздо больше, -чем соединения на хомутах.
Исследование влияния осадки фундамента
Опытные дома I, II и III. Ранней весной 1951 г. в опытных домах I, II и III был проведен опыт для определения влияния неравномерной осадки фундаментов. Это было произведено удалением клиньев толщиной 5 см из-под противоположных углов у каждого из опытных домов. Все дома опустились непосредственно после этого на расстояние, соответствующее указанной толщине клиньев. Опускание лежня показано на рис. 136, 137 и 138, где вертикальные осадки показаны в масштабе 1:2. Эту деформацию можно объяснить отсутствием горизонтальной жесткости у верхнего перекрытия, а из-за этого не могла быть использована взаимная жесткость стен, что можно было установить измерением верхнего перекрытия диагонально до и после осадки. Этот опыт показывает, что нельзя исключить влияние опускания фундамента при помощи каркаса здания, используя лишь жесткость стен. На вопрос, в какой степени более удачный результат можно достигнуть при увеличении горизонтальной жесткости верхнего и нижнего перекрытий, в опыте ответа не было получено.
О других влияниях опускания фундамента на указанные опытные дома .можно сказать следующее. В опытных домах I, II и III не было отмечено каких-либо повреждений. В измерениях расхода тепла до и после осадки, нет разницы (см. «https://www.arhplan.ru/buildings/homes/issledovanie-teplovyh-poter-v-opytnyh-domah-provinciiтепловых потерь в опытных домах»). Нельзя считать, чтобы плотность изменилась, так как измерения в опытах по утечке воздуха1 до и после осадки дают одинаковые результаты. Однако следует заметить, что опыт с осадкой был произведен только однажды и менее чем через год после постройки домов. Очень вероятно, что попеременные движения, вызываемые мерзлым грунтом, вызвали бы большее количество повреждений в домах II и III, в то время как дом I благодаря засыпке оказался бы в лучшем положении.
Целью опыта было показать влияние замерзания и таяния грунта с точки зрения целостности здания и подчеркнуть значение хорошего фундамента. Даже самым жестким деревянным каркасом нельзя воспрепятствовать движению слабого фундамента. Но при строительстве на хорошем фундаменте можно очень многое простить в отношении жесткости каркаса и поднять коэффициент добротности здания во времени.
Опытный дом V. Ранней весной 1952 г. был произведен такой же опыт на осадку в домах заводского изготовления. При этом были удалены все клинья за исключением двух на противоположных углах здания. На графике рис. 139 показано опускание нижней обвязки в отдельных точках после удаления клиньев. В вертикальных стыках стенных плит произошли значительные и ясно видимые сдвиги, между стенными плитами и нижней обвязкой образовались щели (рис. 140).
Вопросы статики стропил
Стропила опытных домов I—IV — типичные для малых зданий «плотничьи стропила». Их конструкция описана выше. В статическом отношении их можно считать балками на двух опорах (рис. 141), где распор (силу Н) воспринимает балка верхнего перекрытия, а момент определяется поперечной нагрузкой К и парой сил с плечом от конькового узла до ригеля S. Это последнее предположение приближенно, но оно, по всей вероятности, даст весьма правильный результат.
В шведском справочнике Бюгга даны формулы расчета подобных стропил, где конструкция рассматривается как четырехопорная балка, причем предполагается, что в случае симметричной нагрузки ригель не дает стропилам изогнуться в точках В и В1. Естественно, что это предположение не соответствует действительности2.
Сравним моменты и нормальные силы, пользуясь двумя вышеупомянутыми способами расчета.
Равномерная нагрузка по всей крыше (рис. 141, с):
В табл. 44 приведены значения М, N и S для различных пролетов, рассчитанные обоими способами.
Расстояние между стропилами равно 1 м, k=0,5; нагрузка: собственный вес g=55 кг/м2, снег р=150 кг/м2, ветер v=100 кг/м2, tgα=1:2=0,5.
Для М, N и S взяты наибольшие по абсолютной величине значения (т. е. не для одних и тех же сечений).
Как явствует из табл. 44, для изгибающего момента, имеющего решающее влияние с точки зрения размеров сечения, мы получаем почти одинаковые значения, хотя они статически основаны на совершенно различных случаях.
По значениям М, N, Н и S мы получаем размеры, приведенные в табл. 45. В качестве пиломатериалов принят сухой лес первого сорта. Напряжение на изгиб 140 кг/см2, напряжение на растяжение 110 кг/см2, напряжение на смятие 110 кг/см2.
Во всех опытных домах стропила были изготовлены из материалов меньших сечений, чем показаны в таблице. Опытные дома старались строить во всех отношениях такими, как принято строить в Финляндии. Так как плотники привыкли на основании своего опыта определять сечения материалов по длине пролета, то они обычно пользуются лесом меньшего размера, чем полагалось бы по расчетам.
В конструкциях крыш опытных домов не отмечалось каких-либо повреждений. Однако следует отметить, что во время измерений крыши поддерживались свободными от снега и что предполагаемая нагрузка (снег на одном скате крыши и давление ветра с той же стороны), являющаяся расчетной, бывала очень редко, да и то в течение очень короткого времени. Таким образом, нельзя предполагать, что стропила обрушатся, даже если сечения использованного лесоматериала будут несколько меньше требуемых по расчету.
Недостаточность размеров сечений стропил чаще всего проявляется в постепенном увеличении прогиба. В этой связи изучался вопрос о влиянии обрешетки на уменьшение прогиба. Во-первых, обрешетка распределяет нагрузку равномерно между отдельными стропилами, во-вторых, можно предполагать, что она увеличивает их жесткость. Для выяснения этого было определено соотношение между прогибами балки сечением 50x125 мм и той же балки, загруженной досками под кровлей. В нормативах для деревянных конструкций дается формула
Если балка собрана из отдельных составляющих, имеющих различный модуль упругости, то
Для примера берем: E1 = 100000 кг/см2, Е2 = 3000 кг/см2, I1 = 814 см4.
где 0,8 — некоторый коэффициент эффективности.
Так, получаем f1:f2 = 1,28.
Из этого примера мы видим, что доски, расположенные поперек стропил, способны уменьшить прогиб.
Поскольку статическая работа таких плотничьих стропил, какими являются стропила финских малых зданий, весьма неопределенна, то кажется ненужным рассчитывать размеры слишком точно. Существующие на практике приближенные формулы расчета для стропил, в которых они рассматриваются, как простая балка на двух опорах, дают в нормальных случаях достаточно хороший результат для определения сечений пиломатериалов.
Примечания
1. Это можно заметить при сравнении данных табл. 32 о домах I и II с соответствующими данными табл. 37.
2. Более точные расчеты для случая симметричной нагрузки разработаны советской конструкторской школой; см. например, курс «Деревянные конструкции» под редакцией проф. Карлсена, Госстройиздат, 1952 г.