Элементы стропильной системы. Таткины лежни Лежень не на всю длину

Стропильная система — это скелет крыши. Именно она отвечает за прочность кровли, ее надежность и сопротивление нагрузкам. При самостоятельном строительстве дома необходимо знать, как правильно сделать узлы крепления стропильной системы, чтобы крыша была надежной и безопасной.

Устройство стропильной системы

Стропильная система состоит из многих элементов, каждый из которых выполняет свою задачу.

• За распределение нагрузок на стены отвечают мауэрлаты . Эти балки принимают на себя вес всей кровли и лежат на стенах.
• Стропильные ноги — это наклонные балки, который и создают необходимый угол наклона крыши.
• Прогоны — это горизонтальные балки, которые скрепляют ноги между собой. Есть коньковый прогон, располагающийся вверху, и боковые, находящиеся с скатах.
• Затяжки расположены горизонтально и не дают стропильным ногам разъехаться, образуя с ними жесткие треугольники.
• Стойки и подкосы (подстропильные ноги) — дополнительные элементы, на которые опираются стропильные ноги. Они упираются в лежни.
• Лежень — горизонтальная балка, находящаяся под коньком, на нее опираются стойки и подкосы. Задача лежня — перераспределить точечную нагрузку от стоек.
• Конек — место соединения скатов кровли.
• Обрешетка — бруски или доски, которые набивают перпендикулярно стропилам. На нее укладывают кровельный материал. Задача обрешетки — распределить его вес.
• Свес — удлиненный край ската, защищающий стены от осадков. Если длины стропильных ног недостаточно для создания свеса, используются дополнительные элементы — кобылки.

Устройство стропильной системы показано на рисунке.

Также в устройстве крыши выделяют стропильные фермы. Это сплошной узел, состоящий из стропильных ног, растяжек, стоек и подкосов (раскосов, укосин). Ферма может быть не только треугольной, но и трапециевидной, сегментной или многоугольной. То, какой тип фермы выбрать, зависит от размеров дома. Если расстояние между стенами составляет 9-18 м, то подойдет треугольная ферма. Для домов шириной от 12 до 24 м используют трапециевидные или сегментные фермы. Если ширина здания больше (до 36 м), то используют многоугольные фермы.

Основными узлами крепления стропильной систему кровли являются это балочный, коньковый и мауэрлатный.

Виды стропильных систем

Стропила могут быть висячими и наслонными .

Висячие опираются на стены и создают распор. Чтобы уменьшить его, в основании стропил делают затяжки, которые соединяют стропила и образуют с ними треугольники. Висячие системы различных типов используются для домов шириной не более 17 м. В зависимости от ширины строения, устраивают их по-разному.

Если ширина дома не больше 9 м, то стропила поддерживаются вертикальным брусом — так называемой бабкой . Она находится под коньком.

Если ширина дома от 9 до 13 м, дополнительно устанавливают подкосы, которые одним концом упираются в стропильные ноги, а другим — в бабку.

При ширине дома 13-17 м используются две вертикальные стойки, соединяющиеся в верхней ригелем (подгоном), как на рисунке.

Наслонные стропила опираются на несущую стену или колонны внутри здания. При таком способе стропило имеет три или больше точек опоры. Наслонный тип стропильной системы создает меньшую нагрузку на стены здания и более прочен, его используют для зданий большей ширины. Такие крыши могут быть устроены по-разному, в зависимости от расположения внутренних стен, они могут быть симметричными или асимметричными.

Как соединяют части стропильной системы

Для соединения деревянных элементов между собой используются гвозди, болты, шпильки, а также металлические пластины и уголки для укрепления узлов. Дополнительно применяются деревянные бруски или пластины.

Методы крепления:

• зубья в шип,
• зубья в упор,
• упор в конец перекладины.

Использование металлического крепежа не уменьшает несущую способность, так как не требуется их врезка, в отличие от крепления, например, методом зубья в шип.

Стропила могут быть не только деревянными, но и металлическими. Для крепления металлических стропил применяют различные уголки, кронштейны, монтажную перфорированную ленту, пластины, болты с гайками или саморезы.

Крепление к мауэрлату

Если стена бетонная, то в ее верхней части делают армированный пояс жесткости, в котором предусматривают шпильки. К ним и будет крепиться мауэрлат.

Стропила к мауэрлату можно крепить двумя способами: жестким и скользящим.

Первый способ более популярен. Для крепления используют специальные уголки с опорным бруском. Есть несколько способов крепления стропилины к мауэрлату.

• Прибивают каждое стропило тремя гвоздями: два их них должны быть перекрещены, а третий расположен вертикально.
• Крепление с помощью скобы: один ее конец забивается примерно в середину опорного бруса, а другой поворачивают на 90 градусов и забивают в стропило.
• Крепление проволокой-катанкой: из сложенной в 4 ряда проволоки делают хомут, которым прикручивают стропило к брусу. Вместо проволоки используют также специальную перфорированную ленту. Иногда такой способ используют в дополнение к другим методам крепления.
• С помощью уголков: уголок прикручивают шурупами к мауэрлату и стропильной ноге. Лучше применять уголки с двумя рядами отверстий и ребром жесткости.

Недостаток жесткого способа — при оседании здания возможно повреждение стен. Поэтому жесткое крепление применяют в кирпичных зданиях.

Скользящий способ подразумевает, что стропила соединены с мауэрлатом такими крепежными элементами, которые не препятствуют их движению в некоторых пределах. Этот способ используют в деревянных зданиях, которые могут оседать. С помощью особых способов крепления можно достичь того, что стропило будет иметь одну, две или три степени свободы. В последнем случае применяется специальный шарнир.

Одна степень свободы подразумевает, что стропило может поворачиваться по кругу. В этом случае они крепится одним гвоздем или шурупом. Две степени свободы — это поворот по кругу и смещение по горизонтали. Для этого стропила к мауэрлату крепятся металлическими скобами. Используются также специальные уголки-салазки.

При скользящем соединении в небольших зданиях с не очень тяжелой кровлей крепление делается без запилов. Если здание большое, рекомендуется этот узел делать с запилом на стропильной ноге.

Важно! Запил вырезают именно на стропиле, а не на мауэрлате, чтобы не повредить и не ослабить балку.

При этом фиксация может быть как жесткой (с упором в балку), так и подвижной (с зубом на внешней стороне). Иногда вместо выпиливания зуба применяют дополнительный брусок.

Коньковое соединение

После того, как стропильная нога укреплена на мауэрлате, переходят к коньковому узлу крепления. Это соединение можно сделать тремя способами: встык, к коньковому прогону и внахлест.

Для крепления встык стропила спиливают в верхней части под углом, равным наклону крыши, и соединяют гвоздями (150 мм), вбивая их в верхние плоскости стропил, так, чтобы гвозди вошли в торец противоположного стропила. Для прочности прикрепляют металлическую пластину или деревянную накладку, которую также прибивают гвоздями или прикрепляют с помощью болтов..

При креплении к коньковому прогону между стропилами дополнительно укладывается коньковая балка (прогон), этот способ более трудоемкий.

При креплении внахест стропила, находящиеся с противоположных сторон, заходят друг на друга и соприкасаются боковыми поверхностями. Их соединяют болтами, гвоздями или шпильками.

Балочный узел

К балкам стропила прикрепляются следующим образом. Главная задача крепления — не допустить скольжения стропила по балке, поэтому используются различные приемы.

1. В пятке стропила необходимо вырезать зуб и шип, в балке вырезают соответствующего размера упор.
2. От свисающего края балки место крепления должно отстоять на 25-40 см.
3. Гнездо для крепления должно быть глубиной 1/4 — 1/3 толщины балки.
4. Вместе с зубом вырезают шип, который не дает стропилу сдвинуться вбок. Такое соединение называют «зубом с шипом и упором».

Если крыша более пологая (угол ее наклона меньше 35 градусов), то стропила крепят таким образом, чтобы площадь их соприкосновения с балкой увеличилась. Тогда используют следующие способы:

При создании стропильной системы для крыши важно помнить следующее.

• Все деревянные элементы перед установкой обрабатывают антисептиком и огнеупорным составом.
• Толщина любой деревянной части не должна быть меньше 5 см.
• Стропила без стоек и подкосов не делают длиннее 4,5 м.
• Мауэрлат должен располагаться строго горизонтально.
• Стойки и подкосы рекомендуется делать максимально симметрично.
• Нельзя добавлять элементы в рассчитанную стропильную систему — это может привести к появлению нагрузок там, где они не нужны.
• В местах стыка дерева с каменной (кирпичной) кладкой нужна гидроизоляция.

Правильно сделанная стропильная система — это залог надежности кровли. Именно стропила принимают на себя весь вес материалов кровли и противостоят ветровым нагрузкам. Поэтому очень важно построить стропильную систему с соблюдением технологии.

Лежень — горизонтальный брус или бревно, опирающееся обычно на плоскую поверхность, например, пол или ленту фундамента. Лежень служит основанием стены или какой-то другой вертикальной конструкции. Он передает нагрузку стены и равномерно перераспределяет её на основание.

При установке непосредственно на фундамент, лежень крепится к ленте фундамента или сваям анкерными болтами. На железобетонном фундаменте лежень должен быть обязательно снизу гидроизолирован и тщательно пропитан антисептиком.

Горизонтальный уровень и положение лежня должны быть тщательно проверены до установки стены.

При строительстве , в качестве нижней обвязки обычно использует брус 200х200, к которому прикрепляют доску 150х40 со сдвигом 12 мм чтобы СИП-панель оказалась заподлицо с внешней поверхностью бруса. Эту доску и называют «лежень». При установки стены на перекрытие из СИП, лежень устанавливают непосредственно на поверхность СИП со сдвигом 12 мм. При СИП-строительстве лежень скрепляется с панелью клеем и шурупами по нижнему краю вертикальной панели, полностью погружаясь в панель.

Корни слова:

Лежень (м.) лежачее бревно, брус, плаха, подкладываемая под испод чего; брус, закладываемый в бут, под основанье стен; красный брус в скрынях или в вешняках водяных мельниц: он нажимает торос и в него крепятся белоноги: поперечные брусья под рельсы железных дорог, шпал (Владимир Иванович Даль, Толковый словарь живого великорусского языка )

Другие значения:

В горном деле — лежень — нижняя часть рамной крепи, которая укладывается непосредственно на почву или в канавку поперек выработки.

В первую очередь следует разобраться, что такое лежень и для чего он применяется, чтобы иметь ясное представление о конструкциях с использованием этого элемента. В толковом словаре Ушакова такое понятие трактуется как брус или бревно, находящееся в горизонтальном положении и служащее опорой для конструкции. В строительстве под этим словом чаще подразумевается деревянный профиль с большим сечением, которое позволяет ему выдерживать дополнительные вертикальные нагрузки, но это может быть еще ЖБИ.

Чаще всего применение лежащих балок связано с возведением деревянных домов, хотя это не является их монополией. Ведь лежень – это не только нижняя или верхняя обвязка деревянной коробки, но также и мауэрлат, и центральная балка на перекрытии, устанавливаемая под коньком. Следовательно, такой элемент может использоваться в зданиях из любого материала.

Монтаж лежня для стропильной системы

В каких конструкциях используются лежни

Нижняя обвязка для каркасного дома

Итак, что такое лежень, теперь понятно, осталось разобраться с теми узлами, где его используют.В основном, это две части здания и постаменты для распределительного оборудования:

• фундамент и пол здания;
• потолок и крыша;
• фундамент для промышленного оборудования.

На изображениях видно использование деревянного лежня для обустройства пола на чердаке и стропильной системы. В настоящее время в промышленном строительстве (многоэтажные здания) деревянные балки для пола и фундамента используются крайне редко – там, в основном используют железобетонные блоки и перекрытия. Но при монтаже двускатных крыш стропильную систему все равно делают из деревянных брусьев, следовательно, там нужны и горизонтальные деревянные балки.

Следует отметить, что двускатные крыши для промышленного строительства сейчас уже редкость, поэтому в конструкции здания фактически отсутствуют горизонтальные балки (бетонные, в том числе). В основном такие элементы используются в частном домостроении для стропильных кровельных систем.

Железобетонные лежни для трансформаторных подстанций

Для монтажа трансформаторных подстанций, во избежание контакта оборудования с землей, используют промышленные железобетонные лежни типа ЛЖ. Это железобетонные балки Т-образного сечения, при монтаже которых широкая часть укладывается на пол, а ножка литеры служит опорой для монтируемого прибора.

Размер поперечного сечения профиля унифицирован – ширина пяты 400мм, а высота литеры – 500 мм. Разной может быть только длина, где ЛЖ1,6 имеет 1600мм, а ЛЖ10,4 – 10400мм. Такие балки устанавливаются на железобетонные фундаменты.

Для чего нужен прямой угол и как это касается горизонтальных балок

Закладка фундамента определяет вес, размеры и качество всего вышестоящего строения – масса здания рассчитывается с мощностью основания, а геометрические формы связаны с его периметром. Если углы фундамента будут прямыми, то углы между стенами тоже будут иметь 90ᵒ, и свесы крыши окажутся одинаковой ширины по каждой стороне или по всему периметру (в зависимости от проекта).

Столбчатый фундамент для деревянного дома

Поэтому нижняя обвязка (ростверк, венец) выполняется, как четырехугольник с углами 90ᵒ, где диагонали точно совпадают друг с другом по длине. Таким же требованиям соответствует мауэрлат, так как от него напрямую зависит установка стропильной системы. Если верхняя обвязка будет иметь форму параллелограмма, то пропорции нарушатся и закрепить стропильные ноги ровно будет невозможно.

Монтаж горизонтальных балок в строительстве дома

В качестве лежня в большинстве случаев используется цельный или клееный брус, хотя в некоторых случаях применяется ошкуренное или оцилиндрованное бревно. В любом случае правила монтажа таких балок подчиняются общим принципам постройки зданий.

Как вычислить и проверить прямые углы

Прямой угол определяется на строительном участке на месте закладки фундамента – в соответствии с ним будет задан общий периметр постройки. Получить стык двух линий такого типа можно без сложных приборов, при помощи шнура (хлопчатобумажной нитки, которая не растягивается), колышков и метрической рулетки. Но здесь следует проявить внимательность – чем точнее будут устанавливаться размеры, тем лучше будет геометрия закладки основания.

Способ определения прямого угла

Обратите внимание на чертеж вверху:

• в точке B в землю вбивается колышек и к нему привязывается шнур, другой конец которого отводится в точку A или в точку C, на 3м или 4м соответственно;
• протянутый отрезок по известным причинам должен получиться параллельным либо соседнему участку, либо улице, чтобы построенное здание симметрично вписывалось в экстерьер;
• аналогичным способом растягивается второй кусок шнура под углом к первому – при этом один отрезок растяните ровно на 3 м, а второй – ровно на 4м;
• если концы A и C развести между собой ровно на 5м, забив там колышки, то угол ABC получится прямым, на 90ᵒ, и четырехугольник для закладки фундамента будет размечаться относительно этого вычисления.

Проверка закладки фундамента и обвязки

Длина каждой из сторон основания задается в соответствии с проектом – тем периметром, который будет у строящегося дома. Когда будут вбиты колышки в четырех углах, геометрия проверяется еще раз – диагонали должны точно совпадать друг с другом (допуск на погрешность ±1-2мм). В случае несовпадения диагоналей углы замеряются заново, и проверяется ровность линий периметра.

Проверка диагоналей нижней обвязки

Если в доме подразумеваются какие-либо пристройки, стоящие на таком же фундаменте, то разметка осуществляется аналогичным способом, тогда лежнина стыках будут иметь прямые углы. В таких случаях крыши получаются сложными (многоскатными) и малейший сбой на фундаменте напрямую отразится на их геометрии.

Даже если при закладке фундамента произошел небольшой сбой относительно углов, и получилось отклонение в несколько градусов, ситуацию можно исправить при помощи обвязки. Если для готового фундамента можно допустить погрешность ±20мм, то для обвязки только ±3-5мм. При помощи этих лежней собирается геометрически правильный прямоугольник, и периметр всего здания тоже получается правильным (прямоугольным).

Расчет горизонтальных балок для потолка и крыши

Если меж этажное перекрытие делается деревянными балками, или лежнями, которые несут на себе нагрузки от мебели и стоек, поддерживающих потолок, то расстояние между ними и их поперечное сечение определяется длиной пролета – это длина бруса (бревна) опирающегося на противоположные стены. Например, для балок длиной 5м и сечением 125×200мм устанавливается шаг 60см, но если сечение увеличивается до150×225мм, то шаг уже будет 100см. Все выкладки есть в таблице.

Таблица расчета деревянных балок перекрытия

Если говорить о выборе сечения лежня для перекрытия (балка находится на весу), то самым прочным будет профиль 5 к 7. Это означает, что по высоте брус должен иметь 7 мер, а по ширине 5, например, если высота будет 200мм (200/7=28,5), то ширина нужна 28,5*5=142,5мм. Но таких сечений не бывает, поэтому подбираются наиболее близкие значения, где в любом случае высота больше ширины.

Эти выкладки нужны для того, чтобы при вертикальной нагрузке прогиб горизонтальных балок был минимальным, а допустимый прогиб составляет 1/200-1/300 от длины. Получается, что пятиметровый лежень в подвешенном состоянии при вертикальной нагрузке может прогибаться на 1,5-2см. При монтаже таких перекрытий брусья подтесывают в виде арки и через некоторое время они фиксируются в строго горизонтальном положении с учетом прогиба.

Еще один способ расчета высоты сечения подвешенных лежней заключается в отношении их длины и высоты сечения по принципу 1/25. То есть, вертикальное сечение пятиметровой балки должно быть 5/25=0,2м, а вот его ширина уже будет подбираться в соответствии с шагом. Эти выкладки актуальны и для чердака – там тоже могут быть вертикальные нагрузки от каких-либо складированных вещей и кровельной системы.

Для мауэрлата или по перекрытию балки могут быть более тонкими, так как они лежат на плоскости. Но если крыша без мауэрлата, то вместо него стропила крепятся к верхней обвязке, а между собой фиксируются лежнями, которые одновременно служат основанием для упора стоек под стропила.

Некоторые нюансы монтажа

Устройство двускатной стропильной системы

Если балки перекрытия не служат опорой для вышестоящей конструкции, то их обычно не воспринимают в качестве лежней, хотя они таковыми являются по своей сути. Здесь уже лежнями называют те профили, которые кладутся поверх перекрытия и служат опорой для стропильной системы.

Их количество зависит от предполагаемой нагрузки на крышу (масса снега и ветер) – то есть, это может быть одна балка, которая проходит под коньком, по одной или две балки по разные стороны конька или перемычки между стропильными ногами. Сечение бруса (бревна) в таких случаях подбирают в соответствии с сечением стропил – желательно, чтобы оно не было меньше.

Сборка стропил на земле

На верхнем фото показано, как собирают стропила на земле, временно соединяя их между собой, чтобы все треугольники в точности соответствовали друг другу. Здесь нижняя перемычка будет лежнем, так как она ляжет на плоскость перекрытия. Это название определяет наличие стоек для подпора стропильных ног.

Для выравнивания и вентзазора используют подкладки

Лежни также устанавливаются на бетонные перекрытия, которые не всегда создают единую ровную плоскость. Поэтому, для выравнивания этих балок используются подкладки (пластиковые, металлические, деревянные), которые также способствуют созданию вентиляционного зазора. При недостаточной вентиляции чердака этот зазор увеличит срок эксплуатации профиля, так как естественная циркуляция воздуха будет его высушивать.

Подводя итог, следует отметить, что лежни не всегда опираются на плоскость по всей длине – в некоторых случаях в их роли выступают балки перекрытия (пола). Это, конечно, упрощенные конструкции, но, тем не менее, свою функцию они выполняют.

Видео: установка лежня крыши

Для того, чтоб понять конструкцию стропильной системы и правильно воспринимать инструкции монтажа необходимо разобраться в названиях элементов стропильной системы и основных их функциях.

Ниже приведена схема основных наиболее применяемых элементов в стропильной системе.

Мауэрлат

Мауэрлат - это элемент стропильной системы, предназначенный для перехода от недеревянной (бетонной, кирпичной, металлической и т.д.) конструкции к деревянной. В качестве мауэрлата используют деревянный брус из хвойных пород деревьев.

Наиболее распространённые размеры мауэрлата 150×100 мм, 150×150 мм, реже размер 100×100 мм, 200×200 мм.

Лежни

Можно сказать, что главное предназначение лежней как и у мауэрлата - переход от недеревянной конструкции к деревянной, но это не так. Основное предназначение лежней - при опирании стоек, убрать точечную весовую нагрузку с пола (перекрытия), передаваемую от конструкции крыши через стойки. То есть чтобы стойка давила не на площадь к примеру 150×150 мм (давит в точку), а через лежень нагрузка распредилялась на более большую площадь опирания. Это как человек на лыжах, когда без лыж - проваливается в снег; с лыжами - не проваливается.

Размер лежней зависит от размера стоек. Главное чтоб стойка полностью вмещалась на лежень.

Стойки

В стропильной системе стойки это столбики, которые держат прогон и опираются на лежни. Функция их - держать прогон.

Прогон

Прогон - деревянный брус, с назначением поддерживать стропила (не дать им прогнуться). Применяются прогоны на длинных скатах, при тяжёлых кровельных покрытиях

На схеме не указано, но так же прогоны используются и под коньком и называются коньковыми прогонами.

Стропильные ноги

Стропило (стропильная нога) - это основной элемент стропильной конструкции, скелет крыши. Все расчёты связаные с расчётом крыш, сходятся к расчёту стропил. Размер стропильных ног принимают согласно проектным расчётам.

Проведен анализ несущей способности применяемых конструкций кранового пути. Выявлено, что основным их недостатком является чрезмерность трудозатрат по устройству и содержанию. Предложена конструкция на основе деревянного «лежня» с необходимым прочностным расчётом. Расчёт выполнен на основе составленной методики, с учётом технических параметров элементов, составляющих конструкцию в целом, но только для неуплотнённых грунтов в подстилающем слое. По полученным данным, представленным в графической форме, показана возможность применения кранового пути с деревянным продольным «лежнем», даже для подстилающего слоя из неуплотнённого грунта. Очевидно, что запас прочноcти конструкции обеспечивается отношением коэффициентов постели, уплотнённых и неуплотнённых грунтов в подстилающем слое.

крановый путь

коэффициент постели

подстилающий слой.

1. ГОСТ Р 51248-99. Пути наземные рельсовые.

2. Инструкция по устройству и эксплуатации, перебазированию рельсовых строительных башенных кранов. СН 78-79. Госстрой СССР. М.: Стройиздат, 1980.

3. Инструкция по устройству и содержанию рельсовых путей козловых кранов на предприятиях ТПО «Свердлеспром». Свердловск, 1988. 49 с.

4. Разработка методики расчета рельсовых крановых путей на блочном железобетонном основании. Отчет по научно-исследовательской теме 26/83.Гос.рег.№01.83.0029692. Свердловск, 1984.

5. Тагильцев Н. Д. Расчет жестких колейных покрытий лесовозных автомобильных дорог Урала и Сибири // Межвузовский сборник. Вып. 2. Свердловск, 1979.

На предприятиях, эксплуатирующих грузоподъемные механизмы с рельсовыми направляющими, применяют обычно крановые пути нескольких конструкций:

• деревянные полушпалы типа: 1А, 1Б по ГОСТ78-89;
• железобетонные полушпалы, типа: ПШН1-13-325-1 и ПШН4-13-325-1;
• железобетонные балки типа: БРП-62.8.3 и БРК-6.24-04;
• железобетонная плита.

Также известна конструкция кранового пути на балках УЛТИ-6,25.

Все варианты конструкций известных крановых путей имеют, каждая в отдельности, свои преимущества и недостатки.

Анализ несущей способности кранового пути всех конструкций показывает, что основным их недостатком является чрезмерность трудозатрат по их устройству и содержанию. Из чего можно выделить ряд необходимых исследований по повышению прочностных характеристик и созданию универсальности конструкций кранового пути:

• исследование и разработка более современной и прочной конструкции кранового пути на основе «нано лежня»;
• исследование прочностных характеристик направляющих (рельса) с целью облегчения конструкции, либо замены направляющих на более современные безрельсовые.

Существующие крановые пути имеют ряд существенных недостатков. Во-первых, сравнительно большой расход древесины, которая необходима для изготовления полушпал, во-вторых, возникают трудности при рихтовке шпал. При той конструкции крановых путей, которая в настоящее время применяется, довольно сложно добиться того, чтобы требуемые нормы эксплуатации крановых путей выполнялись. Одним из главных недостатков является неравномерная просадка крановых путей, возникающая в ходе эксплуатации крана.

В настоящее время широко стали применяться рельсовые пути с железобетонными опорными элементами. Имеется опыт и в лесной промышленности. В Нижне-Сергинском ЛПХ около 4 лет эксплуатировался участок на балках УЛТИ-6,25 под краном ЛТ-62. Всё это время подъемка и рихтовка пути не осуществлялась, а крановый путь, в частности его параметры, не претерпели каких-либо значительных изменений.

Ещё в 1986 году для условий нижнего склада Тугулымского ЛПХ была предложена новая конструкция верхнего строения кранового пути на деревянных продольных лежнях, которая была проверена по прочностным характеристикам материала с определением поперечного сечения лежня. Лежень - это деревянный брус размером сечения 200х200мм. Рельс в расчете приняли марки Р-65, как и в эксплуатируемых крановых путях повсеместно.

Конструкция представляет два соединенных между собой болтами бруса. Длина опорного элемента 6,24 м, сечение бруса 200х200. На концах опорного элемента имеются уширения, которые расположены под стыками рельс. Они изготавливаются из того же бруса. Опорные элементы имеют между собой жесткое соединение. Такая конструкция, по нашему мнению, позволит надежно эксплуатировать как сам кран, так и крановые пути.

Ниже приведена последовательность расчёта согласно разработанной нами методике.

Принятые обозначения, расчетные параметры.

Мi - ординаты линии влияния изгибающего момента в сечении под i -тым колесом;

Рi - ординаты линии влияния реактивного отпора и просадки рельса в сечении под i -тым колесом; b - ширина нижней постели подрельсового элемента, м;

l - длина опорного подрельсового элемента, м;

Wp ,Ip - соответственно, момент сопротивления изгибу, м3 и момент инерции сечения рельса относительно горизонтальной оси, проходящей через центр тяжести сечения, м4 (принимается по табл. 24 СН 78-79);

WБ,IБ - момент сопротивления изгибу, м3 и момент инерции сечения балки, м4;

ЕБ,ЕР - соответственно, модули деформации дерева и рельсовой стали, МПа;

с - коэффициент постели опорного элемента, МПа, который определяется по формуле 4.1 :

с = (2,25...2,55)ЕЭ; (1)

Меньшее значение коэффициента принимается для неуплотненных зернистых грунтов, а большее - для плотных. ЕЭ - эквивалентный модуль деформации основания, МПа, определяется для двухслойной конструкции основания по формуле 4.2 :

Еэ = Ео/(1-(2/П)(1-1/n3,5) arctg n(h/Д)); (2)

где Е0 - модуль деформации грунта земляного полотна, МПа, определяемый штамповыми испытаниями по ГОСТ 12374-87 при диаметре штампа Д=564мм n=(E1/Eo)0,4 ; (3)

Е1 - модуль деформации балластного слоя, МПа, принимаемый по паспортным данным карьерного материала; h - толщина балластной призмы, м;

Характеристика пути

Тип рельса - Р65;

Расстояние между осями 0,97 м;

Ширина нижней постели подрельсового опорного элемента b=0,4 м;

Расчетная длина l=6,24 м;

Вид балласта - щебень Е1 =130 МПа;

Толщина балласта h=0,2 м;

Вид грунта земляного полотна - песок мелкозернистый Е0=15 МПа.

Характеристика деревянных балок рельсового пути

Модуль деформации дерева: E=0,85.104 МПа;

Момент инерции расчетного сечения: IБ=bh3/12=0,4.0,23/12=13,34.10-5 м4; (4)

Момент сопротивления изгибу: WБ=bh2/6=0,4.0,22 =26,67.10-4 м4 ; (5)

Расчетное сопротивление изгибу: RБ =15МПа;

Жесткость балки: WБ=bh2/6=0,4.0,22 =26,67.10-4 м4 ; (6)

Несущая способность балки: МБпред =WБ.RБ =26,67.10-4.15.106 =40,0 кН.м; (7)

Характеристика Рельса Р65.

Момент сопротивления изгибу: WP=404 см3;

Момент инерции: IР=2998 см4;

Жесткость рельса: ВP=6,29 МН.м2;

Несущая способность: MPпред=121,2 кН.м.

Определение напряжений в элементах рельсового пути

Определяем приведенную длину λ балки, для этого определяем коэффициент относительной жесткости системы балка - основание по формуле 4.8 : К=(c.b/4.BC)0,25 , (8)

где: с - коэффициент постели опорного элемента, МПа/м;

b - ширина нижней постели подрельсового опорного элемента, м;

ВС =ВБ +ВР - суммарная жесткость двухслойной балки, МН.м2;

Еэ - эквивалентный модуль деформации основания, МПа; n=(130/15)0,4=2,37;

Эквивалентный модуль деформации:

Еэ=15/(1-(2/3,14)(1-1/2,373,5)arctg 2,37(0,2/0,564))=26,016 МПа;

Коэффициент постели опорного элемента: с=2,25.26,016=58,5 МПа/м;

Суммарная жесткость двухслойной балки: ВС=2,27+6,29=8,56 МН.м2;

Коэффициент относительной жесткости: К=(58,5.0,4/(4.8,56))0,25=0,908;

Приведенная длина определяется по формуле 4.9 : λ=K.l=0,908.6,24=5,67; Округляем до λ=5,5. Рассчитываемая балка относится к категории коротких, т.к. λ<7. Из таблицы 6.1 , для соответствующей λ, выписываем табличные значения ординат линий влияния реактивных давлений РТ и изгибающих моментов МТ, по которым строим соответствующие линии влияния (см. рис. 1).

Рис.1. Линии влияния МТ и РТ

Определяем значения наибольшего изгибающего момента в среднем сечении балки по формуле 4.10 : МС =P.l.∑MiT =250.6,24(0,0432-0,002)=64,27 кН.м,

где МiT - величины безразмерных ординат линий влияния изгибающего момента под действующими силами.

Изгибающие моменты в рельсе и балке будут соответственно определяться по формулам 4.11, 4.12 :

МP=МС(EP.IP/ВС)=64,27(6,29/8,56)=47,23 КН.м < MPпред=121,2 кН.м;

МБ=МС(ВБ/ВС)=64,27(2,27/8,56)=17,04 КН.м < MБпред=40,0 кН.м.

Таким образом, действующие изгибающие моменты ниже предельных значений. Определяем напряжение σБ в балласте на контакте с опорным элементом по формуле 4.14 :

σБ=(P/b.l)∑PTi=(0,25/0,4.6,24)(2,8273+1,7)=0,45 МПа

где РiT - значения безразмерных ординат линии влияния реактивных давлений под соответствующими силами.

Условие прочности по балласту удовлетворяется.

Для определения напряжения σо, на основной площадке земляного полотна, предварительно, вычисляем толщину эквивалентного слоя грунта по формуле 4.15 :

hЭ=h(E1/Eo)0,4=0,2(130/15)0,4=0,47 м;

Затем по соотношению hЭ/b находим значение коэффициента изменения давления в толщине грунта: KZ=0,586;

σ0=KZ.σБ=0,586.0,45=0,26

Условие прочности по основной площадке также удовлетворяется. Из расчетов видно, что при расположении нагрузки на середине балки, условия прочности как по балласту, так и по основной площадке удовлетворяются. Произведем расчет балки при условии, что нагрузка будет расположена на конце балки, то есть на шарнире (см. рис. 2). В этом сечении величина изгибающего момента будет равна нулю. Уширения имеются на сравнительно малом участке рассчитываемого опорного элемента, поэтому значение характеристик не изменяется, вплоть до расчета приведенной длины: λ=5,5. Из таблиц 5 и 6 выписываем табличные значения ординат линий влияния реактивных давлений PiT для λ=5 и λ=6. Методом интерполяции определяем эти значения для λ=5,5 и строим линию влияния (см. рис. 2).

Рис. 2. Линия влияния РТ табличная

Определяем напряжение σБ в балласте на контакте с опорным элементом по формуле 4.14 :σБ=(P/b.l)∑PTi=(0,25/0,8.6,24)(5,4247+1,6)=0,35МПа

Условие прочности по балласту на уширениях выполняется.

Определяем напряжение σо, на основной площадке земляного полотна. Значение величины hЭ=0,47 не изменяется. По соотношению hЭ/b находим значение коэффициента изменения в толщине грунта по таблице из : KZ=0,7675;

Напряжение на основной площадке земляного полотна определяем по формуле 4.16 :

σ0=KZ.σБ=0,7675.0,35=0,268

На рассчитываемой балке все условия прочности полностью выполняются. В результате расчета предложенного варианта кранового пути получены линии влияния МТ и РТ (рис. 1 и 2), показывающие распределение давления секции кранового пути и изгибающего момента. По выше полученным данным определены напряжения σ0 и σБ

(σ0=0,268

на основной площадке земляного полотна и в балласте на контакте с опорными элементами. Их значения ниже допускаемых значений, то есть надежность эксплуатационных свойств такого кранового пути обеспечивается. Наиболее значительным недостатком, по нашему мнению, следует считать использование тяжелого металлического рельса Р-65. Нами предпринята попытка замены рельса Р-65 на более легкие направляющую без изменения жесткости поперечного сечения и надежности верхнего строения кранового пути.

Рецензенты:

Ковалев Р. Н., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой Уральского государственного лесотехнического университета, г. Екатеринбург.

Черемных Н. Н, д.т.н., профессор, заведующий кафедрой Уральского государственного лесотехнического университета, г. Екатеринбург.

Библиографическая ссылка