简介:跨度只是与托梁相关的众多规则之一;还有其他用于阻塞、开槽和轴承长度的工具。综合起来,这些规则提供了设计地板系统的途径,该系统将以最小挠度支撑计算荷载。在本期《了解规范》中,Glenn Mathewson解释了规范的最大挠度限制,以及托梁厚度以及端部和支承位置处的挡块、边缘托梁和吊架如何结合以保持托梁直立和受力。
最大限度托梁跨度这似乎是一个很容易理解的概念。显然,木材在特定载荷下能够跨越多远而不断裂是有自然限制的。但在建造房屋时,我们不想接近临界点。我们甚至不想让托梁弯曲那么多。因此,当我们谈论IRC定义的最大托梁跨度时,我们并不是在谈论将事物推向极限;我们主要讨论的是如何建造一个可使用的地板,它不会有太大的弹性,并且当我们在上面行走时不会使盘子发出嘎嘎声。
IRC的跨度表使得选择一个托梁来架起一个简单的跨度(没有中间支撑或悬臂)变得很容易,或者用另一种方法来获得可用木材的最大简单跨度。但跨度只是与托梁有关的许多规则之一;还有其他用于阻塞、缺口和轴承长度的方法。所有这些规则都可以单独阅读,但当把它们放在一起并洒上一些科学知识时,它们开始变得有意义,而不是作为武断的规则,而是作为达到预期目的的手段。我们不需要一个工程学位来理解这些与托梁相关的各种条款是如何一起工作的,所以让我们随意地讨论一下。
第一步设计地板系统就是要确定你期望它支持多少——负载。施加在托梁或横梁上的荷载越高,托梁或横梁能够安全和正常跨越的距离就越短。这种缩短并不是因为代码关注地板断裂;它不想让它弯曲太多。挠度,而不是强度,是传统木框架结构中最重要的跨度限制。
最大挠度是建筑系统或构件在其最大设计荷载下允许弯曲的最大挠度。历史上,楼板被固定为L/360,将托梁长度(英寸)除以360,得到给定跨度允许的最大挠度(2021 IRC中的表R301.7)。例如,对于任何14英尺的托梁,挠度极限约为1/2英寸。(168英寸/360=15/32英寸)。
住宅楼层的L/360挠度限值的存在至少有两个充分的理由。一、应防止下面的石膏板或石膏天花板开裂。它还与你作为一个住户,在地板上行走时的僵硬程度有关。而蹦床可以承受40磅/平方英尺的重量。(psf)的活负荷规定的住宅生活区,它将成为一个相当不切实际的厨房地板。如果挠度超过L/360,允许跨度会增加,但地板不会那么硬。如果你跨度小于一个给定的托梁的最大允许,它将偏转更少,感觉更硬。
那么,是什么赋予托梁刚度呢?在托梁上施加荷载时,托梁顶部的纤维受到压缩,底部的纤维受到拉伸。在中间,工程师称之为“中性平面”,这些力减小到零。木材纤维抵抗被压缩或被拉伸的能力直接转化为托梁偏转的程度,这就是为什么密度较大的木材品种可以跨越得更远:它们更能抵抗拉伸和挤压,因此偏转较小。不过,身高可以弥补一个物种的不足。远离托梁中心或朝向拉伸和压缩边缘分布的质量越大(换句话说,托梁越高),其抗偏转能力越好。因此,2×10的跨度比相同等级和种类的2×8的跨度更大。这也是工字形托梁可以跨越极端距离而不会大幅增加深度的原因:其质量的大部分(如果不是大部分的话)位于顶部和底部凸缘中。
这些拉应力和压应力也将荷载移动到托梁端部,以转移到梁、吊架或板下方的任何位置。为了使这种转换工作,托梁必须保持在应力状态。没有应力的托梁是一个偏转的托梁。如果允许的话,托梁将放置在工作中,而平放的托梁,如铺板,如果不沿其厚度弯曲,就不能跨越很远。考虑到房屋的建造方式,情况并非如此。取而代之的是托梁,特别是跨过或超载的时候,要在跨度的中间翻转。
然而,托梁厚度是防止这种失败的一个重要因素。当高度控制应力时,托梁的厚度有助于保持其直立并控制所述应力。厚度和高度之间的比率很重要,在梁中最为明显,在梁中,附加层和较大的锯切厚度很常见。另一方面,锯制托梁,无论多高,总是1-1/2英寸。厚的因此,即使锯过的托梁可以承受更大的压力,因为它越来越高,它也越来越难保持直立。
多亏了其他规范规定(以及常识),托梁的宽度不必单独完成工作;端部和支承位置的挡块、边缘托梁或吊架最终保持托梁直立并承受应力(R502.7)。除了也支持垂直荷载的吊架外,这些功能几乎完全是为了:抵抗旋转。当托梁高度与宽度之比大于2×12时,宽度不能使托梁沿其长度保持垂直,需要在跨度内进行桥梁阻挡,以防止托梁翻滚(R502.7.1)。
让我们走出代码,看看科学。如果你想要一个更硬、挠度更小的地板,你只需要更好的压力管理。可以使用更大的托梁(高度)、更密集的木材(种类)或更近的托梁间距,也可以在跨度内添加桥梁挡块以减少跨中托梁旋转。但是假设你有一个2×10的托梁,它有点过度平移;它的主要故障是过度偏转,通常的原因是它想在跨中俯冲。将楼板加劲至规范挠度限值以上的相同原理可以将过跨度楼板加劲至挠度限值。密码不会告诉你,但我会的。桥梁挡块可以使稍微过斜的托梁在挠度限制范围内,这是用2x12s代替2x10s的更合理的替代方案。
在挠度之后,剪力是托梁需要能够处理的下一个应力,但它通常不是木托梁的主要考虑因素。剪切应力分布与弯曲应力相反;它们沿托梁的水平中心(中性平面)最大,并向两端增加。锯切托梁中的剪切破坏通常表现为从端部开始并沿中性面(换句话说,沿晶粒)扩展的裂纹。这种破坏是有问题的,因为两个小托梁不等于一个大托梁;每一个较小的部件都会比一个较大的部件偏转更多。但锯过的托梁在其长度上发生剪切破坏是非常罕见的。如果不是闻所未闻的话,横穿木纹的剪切更为罕见,因为木纹的方向(沿着木纹劈开木材要比横穿木纹劈开木材容易得多)。研究表明,托梁在剪切破坏之前很久就会发生弯曲破坏,这就是为什么尽管托梁端部的剪切应力最大,但IRC允许托梁端部切口深度达到托梁深度的四分之一。在中间第三处不允许有缺口,其中弯曲应力最大,而在搁栅的其余部分中,弯曲应力较小,它们被限制在托梁深度的六分之一。同时,允许有2英寸的孔。远离边缘,在跨度中的任何地方,这告诉你当涉及到剪切应力时,有多少需要担心。
我们还必须考虑轴承。一旦托梁加载,它们必须垂直转移负载。这里的关键是防止托梁或它承载的成员被压碎。木头在托梁末端比平行于木纹更容易被压碎,比如在柱子上。防止压碎所需承重面积的大小,直接关系到托梁的强度及其承载的东西,以及所传递的总荷载。将负载分散到更大的区域可以减少任何一点上的负载,这反过来可以允许更大的负载(就像雪鞋分散你的重量,防止你在雪洞后)。这是IRC简化的另一个工程基础。对于承重在木材或金属上的托梁,截面R502.6要求全宽度承重至少1-1/2英寸。的长度。这是最小的木材面积,以转移负荷,使用IRC规定的表设计的地板可以产生,而不过度强调托梁和压碎它的两端。 The minimum bearing length on concrete or masonry is 3 in., but this increased length isn’t about the wood, it’s about the concrete. A joist bearing on concrete creates stresses that can cause the corner of the concrete or masonry to spall off under the joist. The 3 in. of required bearing spreads the load over a greater area to reduce the chance of spalling, and leaves enough area behind the compromised edge for the joist to bear safely if it does spall.
格伦·马修森(Glenn Mathewson)是一位咨询师和教育家buildingcodecollege.com.
绘图:凯特·弗朗西斯
发表在《精品住宅》第302期
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