Стальная полоса на растяжение

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.