Стальная лента вместо укосин?

РЕКЛАМА НА ФОРУМХАУС

Брал на глаз как. Ну вот ст3 23,5 предел текучести близок к моим 20. Ленту искать лень было из чего делают.

 

Доска дюймовка, с гвоздем, забитым в 20мм от края выдерживает до трещины 70-100кг. А иногда, гвоздь сотка 4мм щепит ее сразу. Об этом тоже забывать не к чему.

 

Прочитал множество обсуждений про укосины, долго думал... Почитал кое-какую литературу. В общем, через какое-то время в голове сложилась достаточно стройная и непротиворечивая картина, которую оформил в виде небольшого конспекта. Надеюсь, кому-то это будет полезно. Если увидите какие-то неточности - пожалуйста, укажите на них.
-
Итак, мои попытки разобраться с укосинами:
На рисунке 1а изображён фрагмент каркасной стены, состоящий из вертикальных стоек, верхней и нижней поперечных связей и двух разнонаправленных укосин (для наглядности вторая верхняя поперечная связь не показана).

Рисунок 1а Рисунок 1б
Назначение укосин – препятствовать деформации сдвига каркасной конструкции стены (рис 1б).

При этом основание стены надёжно закреплено, а вот на верх с торца могут действовать различные силы (например, ветровые нагрузки), стремящиеся сдвинуть верхнюю обвязку вдоль нижней и «сложить» стену.

Деформация сдвига перекрытия является наиболее опасной, могущей привести всю конструкцию каркасного дома к одномоментному разрушению. (Перекос перекрытия в любую из сторон с запасом блокируется вертикальными стойками каркаса.) При этом «точкой невозврата» можно считать сдвиг в любую из сторон на ширину стойки каркаса (т.е., обычно – 5 см). После этого к сдвигающей силе ветровой нагрузки будет добавляться ещё вес верхней части здания, что сделает разрушение конструкции неизбежным. При таком небольшом сдвиге перекрытия остаются параллельны друг другу и расстояние между ними остаётся практически постоянным. Этот момент важен для понимания условий работы укосин.

Укосина может эффективно противостоять сдвигу стены двумя способами: работая на сжатие или на растяжение. Очевидно, выбор наиболее эффективного способа зависит от материала укосины. Как классическая деревянная так и укосина из стальной ленты имеют максимальную прочность на разрыв (на сжатие дерево имеет предел прочности меньший в 2,5-3 раз, стальная лента работать фактически не может). Однако, деревянная укосина может работать и на сжатие и на растяжение, а стальная – только на растяжение.

Максимальная нагрузка, что может выдержать укосина, зависит не только от её материала, размеров и формы поперечного сечения, но и от способа закрепления её к каркасу. Традиционным крепежом в каркасном строении являются гвозди и шурупы. Однако неверным будет полагать прочность такого соединения равным прочности крепежа на срез. Дело в том, что гвозди и шурупы под значительной нагрузкой могут деформировать и расщеплять дерево, в котором находятся. Особенно сильно это проявляется при направлении усилий вдоль волокон древесины.

В укосине, «наложенной» на каркас и прибитой гвоздями происходит именно продольная передача усилий от крепежа, вдоль волокон древесины. Соответственно, нагрузка (как на сжатие, так и на растяжение), которую такая конструкция может выдержать – невысока.

Если укосина врезана в каркас, то механизм её работы кардинально изменяется. Дело в том, что сверху и снизу торцы укосины оказываются зажаты между верхним и нижним перекрытием, вес и прочность которых таковы, что их можно считать абсолютно надёжной опорой. Укосина начинает очень эффективно работать на сжатие: торцы зафиксированы перекрытиями от смещения в вертикальной плоскости, поперечными связями верхней и нижней обвязки – от смещения в горизонтальной плоскости, вертикальными стойками каркаса – от поперечного «выпучивания» под сжимающей нагрузкой. При этом гвоздевое соединение укосины с горизонтальными поперечными связями обвязки и вертикальными стойками каркаса работает не на сдвиг, а на выдёргивание, предотвращая выпучивание укосины из стены каркаса. В этом направлении прочности гвоздевого соединения хватает с большим запасом. Запилы под укосину в нижней и верхней обвязке нужно делать с таким расчётом, чтобы торец укосины надёжно фиксировался от сдвига в продольной плоскости (см. рис. 2).

Рисунок 2

Т. е., запилы должны располагаться на значительном расстоянии от краёв балок обвязки (на рис. 1а, кстати, врез в нижнюю поперечную связь неправильный. Укосина там будет вынуждена держаться на гвоздях. Идеально было бы сместить концы укосин на 1 пролёт ближе к центру нижней связи, чтобы укосину от сдвига держал выпил. Именно фиксация укосины в выпиле связи является причиной, по которой «отцы-основатели» настаивают на обязательно врезании укосины в нижнюю и верхнюю поперечные связи.)

На рис. 2 показана работа укосины по компенсации силы сдвига перекрытия (синяя стрелка). При этом сила реакции сжатой укосины компенсирует силу сдвига (красная стрелка), а также через поперечную связь каркаса давит на балку перекрытия вверх (что компенсируется нагрузкой от перекрытия – зелёная стрелка). Очевидно, эффективность работы такой укосины тем выше, чем плотнее она сидит в пазах и упирается в верхнее и нижнее перекрытие. Необходимо также отметить, что если укосина не установлена напротив обвязочной балки перекрытия (например, когда ставится изнутри каркаса, а не снаружи), то для наиболее эффективной работы нужно упирать концы укосины в балки верхнего и нижнего перекрытия (см. рис. 2), т. к. покрытие пола или вторую доску верхней обвязки укосина под нагрузкой может деформировать или просто промять.

Даже если эта деформация невелика, она мешает укосине начать работать «в полную силу» при минимальном отклонении каркаса стены от вертикального положения (а нам важно компенсировать именно это минимальное отклонение, а то потом может быть поздно!). В принципе, можно не подгонять укосины под расположение балки, а вставить напротив их торцов в перекрытие проставку – коротенький кусочек балки длиной в ширину поперечной связи минус толщина обвязочной балки.

Таким образом, максимальная эффективность работы укосины возникает при полной загрузке перекрытий (может превосходить прочность незагруженного каркаса на порядок и больше). При этом мы получаем самоупрочняющийся каркас, жёсткость которого под нагрузкой растёт.

 

Под каким углом укосина будет наиболее эффективно работать? Для «сферической конструкции в вакууме», очевидно, этот угол будет составлять 45. Но мы уже договорились рассматривать работу укосины между двумя условно «жёстко-неподвижными» плоскостями перекрытий. Таким образом, очевидно, наиболее эффективно противостоять сдвигу будет максимально пологое расположение укосины. (Сила сжатия укосины Fсж будет равна силе свдига Fсдвиг, приложенной к верхнему краю стены, делёной на косинус угла наклона укосины от горизонтали Fсж=Fсдвига/cos (a). (1) При малых углах a (укосина врезается полого) значение косинуса стремится к 1, т. е. Fсж приблизительно равна Fсдвига) Т. е., в идеале укосину нужно вести из угла в угол стены. Однако, в реальности мы ограничены наличием оконных и дверных проёмов, длиной пиломатериалов, а также тем, что в стене нужно делать минимум две разнонаправленные укосины.

Можно записать формулу (1) через длины катетов прямоугольного треугольника, образуемого укосиной, вертикалью и частью поперечной связи каркаса: Fсж =Fсдвига*sqrt (L^2+H^2)/L (2), где H– высота каркасной рамы, L – длина интервала, перекрываемого укосиной (по поперечной связи), sqrt– квадратный корень – см. рис. 3.


Рисунок 3

Из формулы (2) видно, что при L>H (очень пологая укосина) Fсж=Fсдвига. При обратной ситуации H>L (почти вертикальная укосина) Fсж=Fсдвига*H/L, т. е. Fсж>Fсдвига, что означает крайне неэффективную работу укосины и невозможность противостояния значительным нагрузкам на сдвиг. При угле в 45 градусов мы будем иметь H=L и Fсж=Fсдвига*sqrt (2). Т. е. приблизительно Fсж=1,41*Fсдвига. В принципе, это приемлемо, учитывая то, что на сжатие укосина 150x25 мм (с учётом врезки в стойки каркаса) должна выдерживать нагрузку порядка 5 тонн (ну, из сухого дерева, 1-го сорта и т. д.).

Укосины из стальной ленты/уголка будут работать на растяжение. Из-за этого они не могут использовать перекрытия в качестве опоры и вынуждены держаться только на гвоздях/саморезах. Здесь при сдвиге будут нагружаться все точки крепления (к вертикальным стойкам и поперечным связям каркаса), но наиболее сильно – крайние, т. к. их сдвиг будет максимальным. При этом лента будет нагружаться неравномерно, имея концентрации напряжений в точках прохождения крепежа. Максимальная нагрузка на разрыв для монструозной стальной полосы 50x5мм составит 250мм2x20кг/мм2 = 5000 кг – те же 5 тонн, что и для деревянной укосины 150x25мм. Обычно же используют перфорированную стальную ленту 40x2мм, что будет давать на разрыв уже не более 1600 кг (а в силу перфорации, вероятно, меньше – 1000 кг максимум). Если крепить ленту плашмя в плоскости стены, как деревянную укосину, то на верхней и нижней поперечной связи нужно будет сделать загиб ленты наискось под 90 градусов, что дополнительно её ослабит (иначе крепление 1-2 гвоздями в торец верхней поперечной связи будет не очень надёжным). Альтернативный (ИМХО, более правильный) вариант: врезать ленту перпендикулярно плоскости стены. Тогда загиб на верхнюю и нижнюю связи будет более пологим, что положительно скажется на прочности ленты. Кроме того, можно будет сделать любую желаемую длину крепёжных «хвостов», идущих по верхней и нижней связям.

 

Зашивка стены плитами OSB или фанерой положительно сказывается на жёсткости. Однако, тут есть несколько интересных моментов: 1) передача усилий по-прежнему идёт по крепёжным элементам «на срез». Выигрыш в надёжности достигается за счёт большего количества крепёжных элементов. Кроме того, весьма важным становится состояние верхнего и нижнего краёв листов обшивки, несущих максимальную нагрузку. Если они окажутся в условиях повышенной влажности (например, из-за конденсата в торце перекрытия), их прочность может значительно снизиться. Вообще, крепления к каркасу по краям листа считаются самым слабым местом. С точки зрения обеспечения прочности конструкции, идеально, если шаг стоек таков, что лист может цепляться за 4 вертикальных стойки (см. рис. 4).

Рисунок 4

Тогда крепёж к двум центральным стойкам образует весьма жёсткий и надёжный прямоугольник. Если же лист цепляет только 3 вертикальных стойки, то надёжность крепления снижается, т. к. жёстко крепящаяся центральная стойка связывается со всеми остальными элементами каркаса креплениями по краям листа.

 

Cedar Извиняюсь если повторюсь не осилил все что написали.

На самом деле стальная укосина на сжатие будет работать даже лучше деревяной если размеры её будут такими же, тоесть доска 25-100 будет хуже на сжатие чем сталь такогоже размера.
Другое дело что уже уже не лента а брус весом ппц каким, но профильная труба такого размера выполнит функцию доски лучше деревяной, но конечно все равно будет тяжелее и дороже дерева, при чем использование её будет МНОГОКРАТНО неоправдано, так как даже дерево при этом даст запас прочности с большим запасом а сталь имеет смысл только в виде обычных лент работающие только на растяжение, в общем выбор за "строителем".

 

Как вариант такое решение.

 

и как часто их придется внутри стены подтягивать?

 

Производитель не указал, но можно предположить, при использовании качественной ленты, крепежа и аккуратного монтажа не придется. Преднатяг, по сути, лишь выбирает провисы для того, чтобы ленты начинали работать одновременно с началом смещения обвязки.

 

Т. е лист OSB лежа самый оптимальный вариант?

 

Укосина работает на растяжение. На сжатие работает распорка.

 

Кто помнит советский ящик? Сейчас так уже никто не делает.
На внутренних перестенках сделал крест на крест по разным плоскостям для усиления жесткости каркаса.

 

А почтовый из фанерки не о чем?