Dimensionierung von technischen Balken und Headern

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Sobald die auf Strukturträger einwirkenden Lasten berechnet sind, besteht der nächste Schritt darin, den geeigneten Träger zu dimensionieren und auszuwählen.

von Paul Fisette – © 2003

In Teil 1, „Berechnen von Lasten auf Kopf- und Balken“, haben wir gelernt, wie Lastpfade verfolgt und Dach-, Wand- und Bodenlasten in Pfund umgerechnet werden pro linearem Fuß des Stützbalkens. Wir wissen, wie man die auf einen Balken wirkenden Kräfte misst. Jetzt werden wir diese Informationen verwenden, um das geeignete Baumaterial auszuwählen, um den Belastungen standzuhalten. Wir werden die Leistung und die Kosten von Schnittholz, LVL, Timberstrand, Parallam und Anthony Power Beam in verschiedenen Anwendungen vergleichen.

Vereinfachte Dimensionierung mithilfe von Tabellen

Unabhängig davon, welches Material wir angeben Balken müssen eine ausreichende Festigkeit, Steifheit und Scherfestigkeit aufweisen. Die strukturelle Fähigkeit von Schnittholz- und Holzwerkstoffbalken wird durch mathematische Berechnung vorhergesagt. Formeln, die die zulässige Spannweite und Größe eines Trägers bestimmen, basieren auf einer Vielzahl von Variablen wie Art, Grad, Größe, Durchbiegungsgrenze und Art der Belastung. Sie können diese Berechnungen selbst durchführen oder Spanntabellen verwenden. Technische Experten haben viele Kombinationen dieser Variablen berechnet und präsentieren eine Vielzahl von Lösungen in Form von Span-Tabellen.

Sawn-Lumber-Span-Tabellen sind praktische Werkzeuge. Sie suchen lediglich nach der Entfernung, die Sie zurücklegen müssen. Passen Sie die Last pro Fuß des Trägers an die angegebenen Werte für Fb (Festigkeit) und E (Steifheit) an. und knall: du hast einen gewinner! Span-Tabellen sind einfach zu verwenden, haben jedoch Einschränkungen. Sie liefern keine genau abgestimmten Ergebnisse. Die meisten Balkentabellen enthalten nur Werte für Spannweiten von einem ganzen Fuß wie 110 , 120 usw. Obwohl die Spannen-Tabellen nur begrenzte Daten liefern, sind sie sehr lang. American Forest & Die Wood Structural Design Data der Paper Association enthalten Empfehlungen zur Spannweite für massiv gesägte Holzbalken bis zu 32 Fuß. Die Tabelle umfasst jedoch 140 Seiten. Das WSDD ist ein äußerst nützliches Buch (WSDD kostet 20 US-Dollar. Rufen Sie 800-890-7732 an). Holen Sie es sich für Ihre Referenzbibliothek. In den WSDD-Tabellen sind nur Werte für Massivholzbalken mit Durchbiegungsgrenzen von L / 360 aufgeführt. Sie können WSDD-Tabellen jedoch dazu verleiten, Werte für doppelte oder dreifache 2-By-Strahlen mit anderen Ablenkungsgrenzen zu erhalten. Gehen Sie einfach wie folgt vor:

Holzwerkstoffhersteller weisen schnell darauf hin Ihre Produkte bieten überlegene Festigkeit und Steifheit. Die Behauptungen sind grundsätzlich wahr, aber Sie zahlen für die verbesserte Leistung. Festigkeitsreduzierende Eigenschaften wie Knoten, Sorte und Neigung der Maserung werden während des Herstellungsprozesses gesteuert, so dass das Endprodukt eine effizientere Verwendung der Holzfaser darstellt. Holzwerkstoffe sind von einem Stück zum nächsten gleichbleibend, da jedes Stück mehr oder weniger gleich ist. Unabhängig davon, welches Produkt Sie angeben, wird die strukturelle Leistung durch Festigkeit (Fb) und Steifheit (E) gesteuert. Ein LVL-Produkt mit einer Fb von 3100 trägt mehr Last als ein LVL-Produkt mit einer Fb von 2400. Seien Sie also vorsichtig, wenn Sie Produkte vergleichen. Alle diese Hochleistungsprodukte sind in einigen Anwendungen kostengünstig. Und manchmal machen oder brechen sie ein Design.

Span-Tische für Holzwerkstoffe werden auf sehr ähnliche Weise wie für Schnittholz verwendet. Die Bauvorschriften ermöglichen eine Reduzierung der Nutzlast basierend auf der Lastdauer.Beispielsweise wird ein Dach im Laufe eines Jahres nur zu einem geringen Prozentsatz einer vollen Schneelast ausgesetzt, sodass dies bei der Berechnung der Dachlast berücksichtigt wird. Normalerweise wendet jeder Hersteller diese Reduzierungen automatisch an und kennzeichnet die entsprechende Anwendung in den verschiedenen Tabellen für Boden- und Dachbedingungen eindeutig. Seien Sie vorsichtig: Einige Hersteller verlangen, dass Sie Ihre Dachlasten an die Neigung anpassen. Mit anderen Worten, einige Hersteller stützen die Dachlasten nicht auf die horizontale Projektion, sondern auf die tatsächliche Länge des Sparrens. Lesen Sie die Literatur sorgfältig durch, bevor Sie Dachlasten pro Fuß Firstbalken oder Vorsatz zuweisen. Typischerweise werden Scherwerte in die Tabellen aufgenommen, und die erforderliche Lagerlänge an den Enden der Träger wird ebenfalls angegeben. Tabellen sind auf Ganzfußbereiche beschränkt, die Werte können jedoch für Bruchlängen interpoliert werden. Die Tabellen für die Bemessung von Holzwerkstoffen werden von den Herstellern kostenlos zur Verfügung gestellt.

Zur Bemessung von Holzbalken und Sammelleitungen beginnen Sie mit der Last pro Fuß Balken. Bei Holzwerkstoffen verwenden Sie sowohl Werte für die Nutzlast als auch für die Eigenlast. Die Nutzlast bestimmt die Steifheit und die Gesamtlast wird zur Bestimmung der Festigkeit verwendet. Die Dimensionierungsschritte sind:

Fallhaus

Es gibt eine unglaublich lange Liste von Optionen, die berücksichtigt werden müssen bei der Angabe von gesägten und konstruierten Balken oder Vorsätzen. Ich habe versucht, den Prozess zu vereinfachen, indem ich mehrere beliebte Materialien ausgewählt und für ein Fallhaus dimensioniert habe. Die ausgewählten Anwendungen und Bereiche sind willkürlich, aber üblich. Es gibt sicherlich viele andere Ladeszenarien als die gezeigten. Sie müssen die Ladebedingungen für jede Anwendung überprüfen, bevor Sie Balken und Header dimensionieren. Diese Übung vermittelt Ihnen jedoch ein Gefühl dafür, wie Schnittholz, LVL, Parallam, Timberstrand und Anthony Power Beam in verschiedenen Anwendungen verglichen werden.

Mit Hilfe von Span-Tabellen habe ich mehrere Strukturelemente für 2 klimatische Bedingungen dimensioniert. Ein Satz von Elementen befindet sich in einem 50-Pfund-Schneelastklima und der andere in einem 20-Pfund-Nichtschneeklima. Beide Lasten werden als Nutzlasten behandelt. Die Anwendungen sind: (siehe Diagramme und Berechnungen für jede Bedingung)

Nachdem ich die Lasten ermittelt hatte, habe ich die Träger, die zum Tragen der Lasten erforderlich sind, dimensioniert und bewertet. Ich habe fünf verschiedene Bedingungen berücksichtigt, um zu sehen, wie die Optionen miteinander verglichen werden.

Überlegungen

Schnittholz hat seine Grenzen. Seine Biegefestigkeit beträgt oft nur die Hälfte der von Holzwerkstoffen. Infolgedessen überspannt es keine großen Entfernungen, ist nur in Größen von bis zu 2 × 12 erhältlich und ausgewählte Strukturqualitäten sind nicht immer verfügbar. Ausgewählte Strukturqualitäten werden an vielen Stellen speziell bestellt. Auch ist nicht jede Art leicht verfügbar. Zum Beispiel ist Douglasie in einigen östlichen Märkten schwer zu kaufen. Insgesamt ist Schnittholz für kurze Zeiträume schwer zu schlagen.

Laminiertes Furnierholz (LVL) ist stark, steif und vielseitig. Es erstreckt sich über lange Strecken. Ich konnte LVL für jede Anwendung im Fallhaus verwenden. Normalerweise ist LVL 1 ¾ Zoll dick und hat eine Tiefe von 7 ¼ Zoll bis 18 Zoll. Um das Tragfähigkeitspotential eines LVL-Trägers fein abzustimmen, fügen Sie einfach eine weitere Lage an der Seite eines Trägers hinzu. Arbeit ist ein Faktor. Das Laminieren mehrerer LVL-Schichten dauert einige Zeit. Der Vorteil ist jedoch, dass normalerweise 2 Arbeiter das Gewicht jeder Laminierung beim Zusammenbau tragen können. LVL wird in den meisten Holzhöfen als Lagerware geführt und ist den meisten Beamten und Konstrukteuren der Bauordnung bekannt.

Anthony Power Beam (APB) ist ein relativer Neuling auf dem Markt für Tragbalken, der im Wettbewerb mit LVL positioniert ist und Parallam. APB ist ein laminiertes Trägerprodukt, das in 3 1 / 2ö- und 5 1 / 2ö-Breiten erhältlich ist, um den Standard-Wandstärken von 2 × 4 und 2 × 6 zu entsprechen. Die Tiefen reichen von 7 ¼ „bis 18“ und entsprechen den Standardtiefen der I-Träger. Es gibt auch eine breitere 7ö-Version in Tiefen bis zu 28 7/8 „. APB erfordert sehr wenig Arbeit, da es „fertig montiert“ geliefert wird, aber es ist ziemlich schwer. Der 18-Fuß-Garagenkopf für unser Haus wiegt 380 Pfund. APB ist ein neues Produkt und seine Durchdringung ist etwas begrenzt, so dass Sie möglicherweise müssen Suchen Sie nach einem lokalen Lieferanten. Rufen Sie Anthony Forest Products direkt an, um einen Händler zu finden.

Parallam, hergestellt von Trus Joist MacMillan (TJM), definiert den Begriff virtuell: Parallelstrangholz (PSL). PSL ist eine Anordnung aus langen, dünnen Holzfurniersträngen, die zu durchgehenden Balkenlängen zusammengeklebt sind. Die verwendete Holzfaser ist stark und steif. Mehrere Breiten von 1 ¾ „- 7“ sind in Tiefen von 9 ¼ „- 18“ erhältlich. Die Abmessungen von Parallam sind mit anderen Holzwerkstoffen wie I-Balken und LVL kompatibel. Parallam gibt es schon eine Weile, aber immer noch – nicht alle Größen sind in allen Regionen erhältlich. Planen Sie Ihr Design am besten frühzeitig. Parallam wird wie APB komplett montiert geliefert und ist vergleichsweise schwer. Es ist eine gute Wahl für lange, klare Spannweiten, in denen Schnittholz unpraktisch ist.

TimberStrand FrameWorks Header, ein von TJM hergestelltes laminiertes Litzenholz (LSL), ist der neueste Einstieg in den Wettbewerb für strukturelle Schneid- und Träger. LSL wird hergestellt, indem minderwertige Espen- und Pappelfasern zu hochwertigem Strukturmaterial verarbeitet werden. Die Fb- und E-Werte stimmen sicherlich nicht mit APB, LVL und PSL überein, aber die Leistung von TimberStrand ist beeindruckend. Es funktionierte für die meisten Anwendungen in unserem Fallhaus. Es ist erwähnenswert, dass die 18-Fuß-Garagentor-Header-Anwendung TimberStrand über seine strukturellen Grenzen hinausgeschoben hat. TimberStrand Header ist nur in 3 ½ „Breiten in Tiefen von 4 3/8“ bis 18 „erhältlich. Dieses Produkt ist neu und Händler möchten kein Inventar lagern. Es ist eine kostengünstige Option für viele Anwendungen, kann jedoch sehr schwer zu finden sein.

Produktvergleich

In Tabelle 1 sind Lade-, Größen- und Kostendaten für alle Anwendungen zusammengefasst Anwendungen. Kopfzeilen sind typisch für ein Fenster und eine Terrassentür. Die strukturelle Spannweite entspricht der Größe eines großen Familienzimmers. Die Spannweite für den Träger basiert auf der Größe eines durchschnittlich großen Spielraums. Der Garagentor-Header basiert auf einer Garagentoröffnung für 2 Autos.

Klicken Sie hier, um Tabelle 1 anzuzeigen.

Alle Abbildungen wurden mit freundlicher Genehmigung des Journal of Light Construction zur Verfügung gestellt.