Плоские и пространственные цельнодеревянные и деревометаллические фермы для покрытия зданий. Ошибки проектирования и изготовления

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

П.А. Дмитриев

ПЛОСКИЕ И ПРОСТРАНСТВЕННЫЕ 
ЦЕЛЬНОДЕРЕВЯННЫЕ 
И ДЕРЕВОМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ФЕРМЫ 
ДЛЯ ПОКРЫТИЯ ЗДАНИЙ

ОШИБКИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ИЗГОТОВЛЕНИЯ

Монография

Красноярск
СФУ
2010

УДК 624.05
ББК 38.442-04
Д 53

Рецензенты:
Р.Б. Орлович, доктор технических наук, профессор, зав.кафедрой общего 
строительства и деревянных конструкций Западно-Померанского технологического университета в Щецине;
В.И. Жаданов, доктор технических наук, профессор

Дмитриев, П.А.
Д 53 Плоские и пространственные цельнодеревянные и деревометаллические фермы для покрытия зданий. Ошибки проектирования и изготовления: монография /П.А. Дмитриев. – Красноярск: Сибирский 
федеральный университет, 2010. – 173 с.

ISBN 978-5-7638-2033-1

Рассмотрены пути развития и идеи совершенствования деревянных конструкций покрытия. Также автор  указывает на ошибки,  часто встречающиеся при проектировании.  В книге собран материал, накопленный в течение  последних 30-40 
лет работы автора, который  глубоко проанализирован и  переработан для применения в настоящее время. Предназначено для инженеров, аспирантов, магистров 
и студентов строительных специальностей для проектирования конструкций из 
дерева и других материалов.

ISBN 978-5-7638-2033-1
УДК 624.05
ББК 38.442-04

© Сибирский
федеральный
университет, 2010

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие ........................................................................................................ 5

Введение ............................................................................................................... 6

Глава 1. Длинный путь совершенствования ................................................ 7

Глава 2. Общие соображения и рекомендации, 
обеспечение пространственной неизменяемости покрытий, 
особенности расчета плоских ферм .............................................................. 29

Глава 3. Фермы построечного изготовления 
из цельной древесины ..................................................................................... 39
3.1. Простейшие дощатые фермы с соединениями на гвоздях 
и болтах ........................................................................................................ 40
3.2. Фермы на врубках ................................................................................ 43
3.3. Фермы с узлами на стальных цилиндрических нагелях .................. 52

Глава 4. Деревометаллические балочные фермы ...................................... 57
4.1. Фермы с верхними поясами цельного сечения из брусьев 
или брёвен ................................................................................................... 58
4.3. Большепанельные фермы с составными верхними поясами .......... 68

Глава 5. Фермы из клееной древесины ........................................................ 77

Глава 6. Фермы с соединениями на зубчатых 
и нагельных пластинах ................................................................................. 103
6.1. Фермы с соединениями на штампованных 
зубчатых пластинах .................................................................................. 104
6.2. Фермы с соединениями на стальных пластинках 
с зубьями-дюбелями ................................................................................. 108
6.3. Фермы с соединениями на пластинах 
с цилиндрическими нагелями ...................................................................112

Глава 7. Безметальные коррозионностойкие 
и немагнитные фермы ...................................................................................117

Глава 8. Пространственные фермы ............................................................ 129
8.1. Шпренгельные плиты ........................................................................ 131
8.2. Пространственные фермы ................................................................ 136

8.3. Особенности расчета шпренгельных плит 
и пространственных ферм ....................................................................... 145

Глава 9. Цельнодеревянные и деревометаллические структуры ......... 153
9.1. Конструктивные разновидности структур ...................................... 155
9.2. Особенности расчета деревометаллических структур ................... 166

Заключение ...................................................................................................... 167

Список литературы ....................................................................................... 168

Предисловие

В книге изложены основные сведения о цельнодеревянных и деревометаллических фермах, в том числе пространственного типа, а также о безметальных фермах, отвечающих специфическим условиям эксплуатации.
При подготовке книги использованы действующие в России строительные нормативные документы и правила, конструкторские разработки, проведенные в ведущих российских научно-исследовательских институтах, 
проектных организациях, фирмах и в вузах страны, учтен накопленный 
отечественный и зарубежный опыт.
Предлагаемая монография предназначена студентам, магистрам и 
аспирантам строительных вузов и факультетов, обучающимся по направлению 653560 «Строительство». Она может быть полезной для инженеров и 
техников, работающих в области деревянных конструкций.
Глава 8 написана проф. д-ром тех.наук И.С. Инжутовым при участии 
автора.
Выражаю благодарность д-ру тех. наук Р.Б. Орловичу; С.Б. Турковскому 
за ряд иллюстраций, использованных в книге, д-ру тех. наук В.И. Жаданову 
и канд. тех. наук М.А. Плясуновой за большую помощь в ее подготовке.
Благодарю научного редактора и рецензентов за благосклонное отношение к изданию книги и ценные указания по улучшению ее содержания.

Введение

В новых и переизданных в последние годы учебниках по курсу «Конструкции из дерева и пластмасс» разделы о фермах для покрытий зданий 
сокращены до объема, необходимого для подготовки бакалавров. Для студентов, продолжающих обучение, магистров и аспирантов этот раздел (как 
и ряд других) целесообразно расширить с учетом не только известных традиционных, но и новейших отечественных и зарубежных достижений в 
этой области.
Автор счел целесообразным придать изложению содержания книги ретроспективный характер, включив в нее главу о развитии конструктивных 
форм стропильных ферм и их соединений.
Обсуждение конструкций тех или иных ферм, как правило, сопровождается в книге указаниями на ошибки, допускаемые при их проектировании и неумелом или небрежном изготовлении. Именно эти ошибки часто 
формируют у строителей заблуждение о недостаточной долговечности деревянных покрытий над зданиями.
По понятным причинам особое внимание в книге уделено современным 
индустриальным сборным цельнодеревянным и деревометаллическим фермам, в частности, большепролетным фермам из клееной древесины, успешно конкурирующим с аналогичными железобетонными и металлическими 
фермами.
В заключительных главах книги рассматриваются также перспективные пластинчато-стержневые конструкции пространственных ферм и 
структур.

Глава 1

Длинный путь 
совершенствования

Идея решетчатых конструкций родилась еще в Древнем мире и реализовывалась строителями на основе интуиции задолго до того, когда была 
разработана теория их расчета. Это были именно деревянные конструкции, 
до стальных и тем более железобетонных было ещё очень далеко. На рис. 1.1 
показаны схемы деревянных решетчатых ферм, приведенные в трудах известного архитектора и строителя эпохи Возрождения Палладио (1518-1580 
гг.) Можно только удивляться прозрению этого гениального зодчего, предвосхитившего применение подобных конструктивных форм в современном 
строительстве (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Фермы Палладио

Глава 1. Длинный путь совершенствования

9

Развитие конструкций деревянных стропильных ферм шло по пути 
от наслонных стропил к подвесным системам с одной, двумя и более 
подвесками–«бабками» (рис. 1.2).
К таким системам строители стали прибегать с увеличением ширины зданий, не имеющих в пролетах промежуточных опор. Часто конструкции висячих стропил того времени выполнялись по замысловатым схемам с неясным 
распределением усилий в их элементах и сложными врубками (рис. 1.2, з, и) [11]. 

Рис. 1.2. Наслонные (а) и висячие стропила с одной «бабкой» (б), с двумя (в) 
и тремя (г) «бабками»; последующее совершенствование висячих стропил (д, е); 
чрезмерно податливые крепления «бабки» в верхнем узле стропил (ж), 
конструкции висячих стропил с неясным распределением усилий в них (з, и)

Глава 1. Длинный путь совершенствования

10

С появлением в подвесных стропилах дополнительных подкосов, уменьшающих длину панелей по верхним поясам, названные системы вплотную приблизились к современным конструкциям деревянных ферм.
В Москве для перекрытия колонного зала Дома Союзов в 1818 г. были 
использованы фермы, схема которых показана на рис. 1.2, д. Фермы подобных конструкций тогда использовали часто для перекрытия дворцовых, театральных залов и манежей (Большой и Мариинский театры, Михайловский 
манеж в Санкт-Петербурге и др.).
В 1817 г. в покрытии манежа в Москве были применены деревянные 
фермы (рис. 1.2, е; рис.1.3) пролетом почти 50 м, возведенные инженером 
Карбонье по проекту инженер-генерала Бетанкура (рис. 1.3, 1.4).
Две опытные фермы манежа были испытаны в натуральную величину 
пробной нагрузкой (кирпичом) с учетом возможности таяния снега на южном скате покрытия и его скопления на северном. При испытании, в целом 
показавшем положительный результат, обнаружилась чрезмерная податливость нижнего пояса, брусья которого сечением приблизительно 30х30 см 
были сплочены на поперечных шпонках и болтах. С учетом результата испытания сплачивание на шпонках было заменено на сплачивание зубьями 
(рис. 1.4).
Фермы были изготовлены из сырого леса, доставленного сплавом по 
Москве–реке. В процессе строительства шаг ферм был увеличен до 5,85 м в 
отличие от предусмотренного в проекте шага, равного 4,55 м, а высота конька ферм снижена с 1/5 до 1/6 от пролета. За эти необоснованные изменения 
пришлось расплачиваться. В 1819 г. у одной из ферм, а затем и у другой разрушились растянутые стыки брусьев нижнего пояса, которые пришлось заменить новыми. В этой связи в 1823 г. была произведена перестройка покрытия с постановкой дополнительных ферм и с расстановкой их через 3,85 м.
По прошествии 120 лет прогиб некоторых ферм достиг 100 см (≈1/50 L). 
К этому времени произошло скалывание зубьев в нижнем поясе, как в опорных, так и в промежуточных узлах. Поэтому в 1939 г. фермы манежа были 
подперты двумя рядами металлических колонн. В таком виде покрытие 
просуществовало до пожара 2003 г., в результате которого оно было полностью уничтожено. Учитывая историческую значимость здания–памятника, 
покрытие было восстановлено в 2005 г. с использованием подобных ферм из 
клееной древесины (рис. 1.5).
Общими существенными недостатками конструкций стропильных 
ферм того времени являлись сложные узловые соединения на врубках и дубовых шпонках. Многозубчатые лобовые врубки, применяемые в опорных 
узлах, часто разрушались от последовательного скалывания врубок. Слабыми местами этих ферм были также крепления растянутых стоек к поясам и 
стыки нижних поясов, обладающие чрезмерной податливостью и недостаточной несущей способностью (рис. 1.2, ж; 1.4).

Глава 1. Длинный путь совершенствования

11

Рис. 1.3. Фермы Московского манежа и внутренний вид здания

Рис. 1.4. Детали конструкций покрытий манежа

На дальнейшее развитие конструктивных форм стропильных ферм 
оказало влияние совершенствование конструкций деревянных мостов, что 
было связано с интенсивным строительством железных дорог, развернувшимся с начала XIX века в США, Европе, России и других странах [8; 10].
В 40-х годах XIX века американский инженер Гау предложил заменить 
в мостовых фермах Лонга (рис. 1.6, а) деревянные растянутые стойки стальными тяжами (рис. 1.6, б). Фермы Гау сразу получили признание и широкое 
распространение.
Дальнейшее развитие фермы Гау получили в России благодаря 
Д.И.Журавскому. Русский ученый и известный строитель многочислен

Рис. 1.5. Восстановление покрытия манежа с использованием клееных ферм

       Рис. 1.6. Мостовые фермы Лонга (а), то же Гау (б)