Опорные узлы брусчатых деревянных ферм решают на лобовых врубках с одним-двумя зубьями или на стальных хомутах.
Лобовую врубку с одним зубом применяют в опорных узлах простейших треугольных ферм при небольших пролетах и нагрузках. Лобовую врубку с двумя зубьями применяют в опорных узлах многопанельных ферм, когда врубка с одним зубом при ограниченной площади смятия не может обеспечить передачу значительных усилий, возникающих в этих фермах. Общим недостатком опорных узлов на врубках является наличие длинного участка нижнего пояса, работающего на скалывание, нередко мешающего правильному размещению фермы на верхней связке стены и требующего большого выноса карниза кровли.
Если усилия в элементах фермы велики, то опорные узлы могут быть решены на стальных хомутах, с тяжами из круглой стали.
11. Опорный узел фермы на лобовой врубке с одним зубом
Конструкция узла представлена на рис.6. Верхний сжатый элемент (ВП или опорный раскос) упирается частью своего торца в вынутое для этой цели гнездо в нижнем растянутом элементе (нижнем поясе фермы). Площадка смятия а-б располагается перпендикулярно к оси верхнего сжатого элемента; центр площадки смятия должен совпадать с осью верхнего элемента. Площадка в-б в работе врубки участия не принимает. Площадка б-г работает на cкалывание.
Глубина лобовой врубки h вр в опорных узлах должны быть не более 1/3 высоты бруса нижнего пояса. Наименьшая глубина врубки для бруса – 2 см.
Длина плоскости скалывания должна быть не менее четырех глубин врубки и не менее 20 см.
Для связи верхнего и нижнего элементов должен быть поставлен стяжной болт диаметром 16-25 мм, обеспечивающий необходимую плотность сопряжения. В случае скалывания площадки б-г болт может предотвратить обрушение фермы или замедлить его, вследствие чего эти стяжные болты иногда называют "аварийными". Болты располагают перпендикулярно к оси сжатого элемента; иногда при очень больших углах наклона сжатого элемента к нижнему растянутому элементу возможна постановка болтов перпендикулярно биссектрисе угла наклона.
Упором для нижней шайбы болта служит скошенная плоскость деревянной опорной подкладки – подбалки, прибиваемой к нижнему элементу гвоздями. Подбалку опирают на опорную подушку, которая распределяет опорное давление на большую площадь стены. В подбалке, в месте примыкания к опорной подушке, обычно делают уступ примерно на 2 см. Постановка подбалок в опорных узлах ферм совершенно обязательна. Помимо создания упора для закрепления стяжного болта, подбалка усиливает ослабленное сечение растянутого пояса и своим выступом фиксирует положение опорной подушки, чем облегчает и ускоряет правильную установку ферм на место. Толщину подбалки принимают не менее глубины врубки h вр.
В фермах из брусьев для предотвращения появления значительных изгибающих моментов, возникающих вследствие несимметричного ослабления растянутого элемента, рекомендуется центрировать опорные узлы по оси, проходящей через середину ослабленного сечения нижнего пояса (рис.7а).
При разметке врубки с площадкой смятия, расположенной симметрично относительно оси сжатого элемента, наиболее простое графическое ее построение может быть получено следующим образом (рис.7б). На расстоянии 0,5h вр от верхней кромки нижнего пояса проводят прямую, параллельную этой кромке, до пересечения с осью сжатого элемента в точке n. Через точку n затем проводят прямую а-б, перпендикулярную к оси сжатого элемента.
На рис.7в приведен другой вариант лобовой врубки; он отличается от основного тем, что в нем осевая линия сжатого бруса не совпадает с серединой площадки смятия, вследствие чего в сжатом элементе возникает изгибающий момент М = N e . Такое решение не рекомендуется для основных узлов ферм, но оно иногда допускается в промежуточных узлах подкосных конструкций с обязательным учетом дополнительных напряжений, возникающих в сжатом элементе от эксцентричного приложения сжимающего усилия.
В лобовых врубках с одним зубом необходимо проверить прочность рабочих поверхностей на смятие и на скалывание. Ослабленный врубкой нижний пояс надо проверить на возможность разрыва. Проверку на смятие производят по формуле:
(6)
где N см =N с – усилие смятия, равное усилию в примыкающем сжатом элементе верхнего пояса (опорного раскоса в случае полигональной фермы) и направленное перпендикулярно к плоскости смятия;
R см – расчетное сопротивление древесины смятию под углом (приложение 2);
A см – площадь смятия
,
где h вр – глубина врубки, b – ширина бруса.
Проверку прочности лобовой врубки на скалывание производят по формуле:
(7)
где N ск =N р – скалывающее усилие, равное усилию в нижнем поясе;
A ск – площадь скалывания А ск =bl ск,
где l ск – длина площадки скалывания,
b – ширина бруса;
–среднее
по площадке скалывания расчетное
сопротивление древесины скалыванию,
,
(8)
где e – эксцентриситет, равный 0,5h;
R ск – расчетное сопротивление древесины скалыванию (приложение 2).
Минимальное значение длины площадки скалывания:
l ск 20 см; l ск 1,5h; l ск h вр;
а максимальная величина, вводимая в расчет, должна удовлетворять условию:
Стяжной болт, скрепляющий сопрягаемые элементы в узле, может быть рассчитан как "аварийный". Растягивающее усилие в болте с учетом сил трения находят из выражения:
N б =N с tg(60 0 -). (9)
Необходимая площадь болта в месте, ослабленном нарезкой:
,
(10)
где R bt – расчетное сопротивление стали болта растяжению (для болтов класса 4,6R bt =1700 кГ/см 2),
Гвозди, которыми подбалка узла крепится к нижнему поясу, должны воспринимать усилие:
Т=N б sin,
где N б – усилие в аварийном болте.
Необходимое количество гвоздей, крепящих подбалку:
,
где Т гв – расчетное усилие на один срез несимметрично работающего гвоздя, определяемое по общим правилам расчета нагельных соединений.