Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор соединений деревянных конструкций в современном строительстве 10
1.1. Классификация и общая характеристика соединений 10
1.2. Нагельные соединения 11
1.2.1 Соединения на цилиндрических нагелях 11
1.2.2. Соединения на нагельных и зубчатых (МЗП) пластинах 13
1.2.3. Соединения на вклеиваемых стержнях 19
1.3. Соединения на гладких кольцевых и тавровых шпонках 21
1.3.1 Соединение на гладко-кольцевых шпонках А.М. Янушкевича 21
1.3.2 Кольцевые разрезные шпонки фирмы «Тухшерер»
1.3.3. Кольцевые шпонки с лопастями фирмы «Дегалль» 24
1.3.4. Тавровые кольцевые шпонки фирмы «Кристоф и Унмак» 25
1.3.5. Пружинящие дисковые шпонки Шульца 26
1.3.6. Волнистая шпонка «Буффо» 27
1.4. Соединения на зубчатых шпонках и шайбах 28
1.4.1. Зубчатая шпонка «Аллигатор» 28
1.4.2. Зубчатая шпонка инженера Хорькова 28
1.4.3. Зубчатая шпонка Н.П. Кабакова 29
1.4.4. Когтевые шайбы фирмы «Метцке и Грейм» 30
1.4.5. Соединения на когтевых шайбах Леннова 31
1.4.6. Соединения на когтевых шайбах «Bulldog» 32
1.4.7. Клеестальные шайбы 34
1.4.8. Клеестальная волнистая зубчатая шпонка 35
1.4.9. Соединения на вклеенных шайбах 1.5. Способы сплачивания составных изгибаемых элементов 40
1.6. Анализ недостатков и предложения по совершенствованию соединений обшивок и ребер панелей на деревянном каркасе 48
1.7. Выводы по главе 51
2. Экспериментальные исследования прочности и жесткости соединений обшивок и древесины 52
2.1. Цель экспериментальных исследований 52
2.2. Программа экспериментальных исследований 52
2.3. Характеристики материалов деревокомпозитных панелей
2.3.1. Выбор материалов 53
2.3.2. Древесина 53
2.3.3. Фанера и OSB
2.3.4 Когтевые шайбы 56
2.3.5 Винты 57
2.4. Методика экспериментальных исследований образцов соединений «древесина- фанера» и «древесина–OSB» для испытаний на промежуточный сдвиг 57
2.5 Последовательность экспериментального исследования 60
2.6 Планирование эксперимента 64
2.7. Выводы по главе 69
3. Исследования напряженно-деформированного состояния ребристых панелей на деревянном каркасе с упругоподатливыми связями 71
3.1. Обзор состояния вопроса по оценке напряженно-деформированного состояния ребристых панелей на деревянном каркасе 71
3.2. Определение коэффициента приведенной ширины верхней обшивки на основе теории упругости анизотропных пластин 74
3.3. Расчет панелей по теории составных стержней А.Р. Ржаницына 3.3.1. Определение напряжений в ребрах и обшивке 79
3.3.2. Определение вертикальных перемещений составной панели 82
3.4. Численные исследования влияния различных факторов на напряженно-деформированное состояние панелей на деревянном каркасе с обшивками из фанеры и OSB 83
3.4.1. Выбор расчетной физической модели для конструкционных материалов ребристой панели с деревянным каркасом 86
3.4.2. Панели с верхней обшивкой 89
3.4.3. Панели с обшивкой в сжатой и растянутой зонах 110
3.4.4. Панели с разрывами в обшивке 113
3.5 Инженерная методика расчета составных ребристых панелей на деревянном каркасе 115
3.6 Выводы по главе 118
4 Экспериментальные исследования напряженно деформированного состояния панелей на деревянном каркасе 120
4.1. Методика экспериментального исследования составных панелей на
деревянном каркасе 121
4.1.1. Задачи эксперимента 121
4.1.2. Описание исследуемых конструкций 121
4.1.3. Описание экспериментальной установки 123
4.1.4. Программа исследований 124
4.2. Результаты испытаний и их анализ 126
4.3 Выводы по главе 136
5. Технология изготовления панелей на деревянном каркасе с когтевыми шайбами «bulldog» 137
5.1. Технические требования к конструкции плит 137
5.2 Технические требования к применяемым материалам 139
5.3. Описание технологического процесса изготовления плит 140
5.4. Схема организация конвейерной сборки плит 146
6. Заключение по работе 149
Список использованных источников
- Соединения на вклеиваемых стержнях
- Программа экспериментальных исследований
- Определение коэффициента приведенной ширины верхней обшивки на основе теории упругости анизотропных пластин
- Описание экспериментальной установки
Введение к работе
Актуальность темы. Древесина - возобновляемый природный ресурс. Высокие физико-механические свойства, конструктивные возможности и технологические преимущества обусловили широкое применение пиломатериалов в различных отраслях: лесной промышленности, строительстве, энергетике, и др. Одним из основных потребителей является интесивно развивающееся деревянное домостроение, требующее значительные объемы пилопродукции. В то же время, производство специализированных конструкционных материалов для домостроения ограничивается истощением доступной сырьевой базы. Задачи повышения технического уровня и качества изделий, конструкций из древесины и материалов на е основе, увеличение эффективности их использования, снижение материалоемкости и стоимости, являются неотьемлимыми частями повышения уровня ресурсосбережения. Современные инновационные технологии позволяют сократить расход материалов за счет применения новых технических решений деревянных конструкций, что повышает уровень ресурсосбережения.
Одним из перспективных направлений является совершенствование ребристых панелей с обшивками из плитных деревокомпозитных материалов. Наиболее ответственным участком конструкции является соединение ребер и обшивок с использованием механических связей. Панели выполняют одновременно функции прогонов, настила, подшивки, обеспечивают теплозащиту здания и являются жесткими горизонтальными дисками. Высокая степень заводской готовности панелей, возможность контроля прочностных, звуко- и теплоизолирующих свойств используемых деревокомпозитных материалов, значительно снижают затраты. При этом взаимодействие контактирующих элементов на границе «ребро-обшивка» изучено недостаточно. Отсутствуют научно обоснованные сведения о податливости таких соединений, не достаточно освещены и решены вопросы конструирования и расчета соединений на когте-вых шайбах с учетом деформативности древесины ребер и обшивок, отсутствует технология изготовления таких панелей. Поэтому проведение специальных исследований в направлении повышения сдвигоустойчивости соединений деревокомпозитных плитно-ребристых изделий является актуальным.
Объект исследования - конструкция деревокомпозитной плит-но-ребристой панели с использованием сдвигоустойчивых механических связей.
Предмет исследования - комбинированное механическое когтевое соединение составной деревокомпозитной плитно-ребристой конструкции.
Область исследования соответствует требованиям паспорта научной специальности ВАК РФ 05.21.05 – «Древесиноведение, технология и оборудование деревопереработки» п. 1, 2, 4.
Цель работы - совершенствование конструкции и технологии изготовления деревокомпозитных плитно-ребристых изделий для домостроения.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
разработать конструкцию соединения обшивок и ребер панелей на деревянном каркасе, обладающее повышенным сопротивлением сдвигу, а так же отличающееся простотой и технологичностью изготовления;
создать расчетную модель изгибаемой панели на деревянном каркасе с обшивками из различных плитных материалов (фанера ФК, плиты OSB/3), позволяющую учитывать влияние жесткости дискретных связей обшивки и ребер панели на работу конструкции, сопоставить полученные результаты для панелей с различными типами связей;
разработать методику испытания традиционных и предложенных соединений с механическими связями, определить прочностные и деформационные характеристики соединений, произвести сравнение полученных характеристик нового и традиционного соединения обшивок и ребер панелей;
- выполнить численные исследования напряженно-деформированного
состояния (НДС) конструкции панелей с меняющимися статико-
геометрическими параметрами: шаг дискретных связей, пролет, материал об
шивок, наличие обшивки в растянутой зоне, наличие «разрывов» в обшивке;
провести натурные испытания панелей с различными вариантами крепления обшивки (винты, предложенное комбинированное соединение, клеевое соединение), выполнить сравнение и анализ полученных результатов с численными исследованиями;
уточнить методику инженерного расчета панелей с комбинированным соединением обшивки и ребер, разработать рекомендации по учету податливости соединений в конструкции панелей;
разработать предложения по совершенствованию технологии изготовления панелей с когтевыми шайбами «Bulldog».
Научная новизна результатов исследований
разработана расчетная модель деревокомпозитной ребристой панели с использованием когтевого соединения обшивок и ребер с повышенной сдвиго-устойчивостью;
создана конечно-элементная модель двух- и трехслойной составной конструкции с учетом анизотропных характеристик материала ребер и обшивок с упруго-деформируемыми соединениями;
предложены научно обоснованные коэффициенты kred, kw и kж, которые положены в основу инженерного расчета панелей.
Практическая значимость. Разработано новое соединение обшивок и ребер изгибаемых панелей на деревянном каркасе, обладающее повышенной жесткостью, прочностью и эксплуатационной надежностью.
Методы исследований базируются на планировании многофакторного эксперимента и математической статистике, проведении испытаний образцов соединений и натурных конструкций с использованием методов тензометриро-вания, вычислительных программных комплексов и современного инструмен-
тального сопровождения с анализом результатов экспериментальных и численных исследований.
На защиту выносятся конструкция ребристой составной панели на сдвигоустойчивых связях, результаты исследований механических соединений, методика аналитического и приближенного инженерного расчета, предложения по совершенствованию технологии изготовления деревокомпозитных ребристых панелей с коннекторами «Bulldog».
Достоверность результатов исследования подтверждается использованием классических гипотез и допущений механики материалов, теории упругости анизотропных тел, использованием современных достижений в области строительной механики составных конструкций; применением сертифицированного программного комплекса «SCAD»; результатами натурных испытаний образцов соединений и конструкций, показавших хорошую сходимость результатов эксперимента, численных исследований и инженерного расчета.
Личный вклад автора заключается в проведении аналитического обзора работ по теме исследования, разработке теоретических положений расчета составных ребристых панелей, создании методики исследований и экспериментальной установки, получении и обработке результатов исследований, формулировке выводов и рекомендаций, написании научных статей по направлению исследований.
Реализация результатов работы. Результаты исследований переданы в ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко для включения в новую редакцию СП 64.13330.2011. Материалы исследований использованы при проектировании перекрытий жилого дома ООО «Архпромсервис», и при усилении нижних поясов деревянных ферм ООО «ОЭЗиС».
Апробация работы. Основные результаты исследований представлены на научно-технических конференциях: Международные академические чтения «Безопасность строительного фонда России. Проблемы и решения» (Курск, ФГБУ ВПО «Курский государственный университет», 19-20 ноября 2015 года); IX международный конгресс по деревянному строительству (Санкт Петербург, Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет, 09-11 декабря 2015 года); научная конференция профессорско-преподавательского состава научных сотрудников и аспирантов Северного (Арктического) Федерального Университета им. М.В. Ломоносова. Секция «Проектирование, строительство и эксплуатация конструкций зданий и сооружений в природно-климатических условиях Арктического региона» (Архангельск, 22 марта 2016); «VII международная научно-техническая конференция, посвященная 100-летию со дня рождения ученых СПбГАСУ (ЛИСИ) В.А. Лебедева, В.А. Трулля, Е.И. Светозаровой» (Архангельск, 28-30 июня 2016 г.); XI Санкт-Петербургский Всероссийский жилищный конгресс (Санкт Перербург, 28-30 сентября 2016 г.); научно-техническая конференция «Деревянные конструкции: разработка, исследование, применение» в ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко (Москва, 26-27 октября 2016 г.).
Публикации. По результатам научных исследований опубликовано 8 печатных работ, в том числе 3 в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, библиографического списка из 184 наименований, изложена на 175 страницах и содержит 82 рисунка, 24 таблицы, 2 приложения.
Соединения на вклеиваемых стержнях
Нагельные соединения являются наиболее часто применяемым типом механических соединений в конструкциях постоянного и временного назначения. Нагели часто применяются не только при сборке деревянных конструкций, но и при их усилении, ремонте, восстановлении. Применяемые нагели весьма разнообразны по конструктивной форме. К нагельным относятся такие соединения, в которых применяются специальные связи (крепи), работающие преимущественно на изгиб и препятствующие взаимному сдвигу элементов. Наиболее распространенными типами нагельных соединений являются соединения на болтах, гвоздях, шурупах, нагельных и зубчатых пластинах и др. Так же к данной группе соединений относятся соединения с применением шаб нагельного типа, которые отличаются значительным многообразием конструктивных форм. Применение данного вида соединений позволяет выполнять стыковку элементов «внахлестку», 2- срезные и многосрезные соединения, соединения элементов под любым углом. Разработка и внедрение новых видов соединений ДК за последние десятиления в основном идет по пути обширного применения в конструкциях нагелей самых различных видов (рисунок 1.1). Металлические гвозди и нагели цилиндрической формы в 1925 г. были предложены профессором Г.Г. Карлсеном в качестве соединений для изготовления дощатых балок с перекрестной стенкой. Наряду с этим, гвоздевые и нагельные соединения стали широко применяться в соединениях элементов сегментных и досчатых ферм, 3-х шарнирных арок, полуарок и других конструкциях. В 1933 году профессором B.C. Деверягиным было предложено применять пластинчатые дубовые нагели для сплачивания по высоте составных балок. Нагели закладывались в предварительно прорезанные электрическим долбежным инструментом гнезда. Составные балки, соединенные дубовыми пластинчатыми нагелями, в дальнейшем стали широко применятся в нашей стране. Такие балки получили название «Балки Деревягина». Составные элементы, выполненные с применением пластинчатых нагелей, нашли широкое применение в качестве верхних поясов сборно-разборных металлодеревянных ферм индустриального типа. Такое решение так же было впервые предложено профессором В.С. Деревягиным. Цилиндрические нагели зачастую применяются в качестве решения узловых соединений и растянутых стыков в раскосных фермах, широко используемых в качестве основных несущих элементов покрытия.
Основные виды нагелей, применяемые в строительных конструкциях: а – деревянный нагель; б – болт; в –стальной штифт; г – трубчатый штифт; д – винт; е,ж – гвозди; з – нагель для автоматической забивки (США), и – нагель крестообразного сечения для забивки огнестрельным способом (В.Н. Шведов); к – нагель витой крестообразный (Г.А. Столповский)
Нагельные соединения получили существенное развитие и широко применяются и за рубежом - в Финляндии, ФРГ, Франции, Соединенных Штатах, Канаде и др. странах. Стоит отметить значительное разнообразие нагелей, которые применяются крупными зарубежными фирмами [16, 147, 157, 158, 173, 182, 183]. Например, в Соединенных Штатах, Германии и Англии в качестве средств соединений несущих ДК производятся гвозди с нарезкой из закаленно стали, а так же алюминиевых или медных сплавов улучшенного качества, что обуславливает их повышенную несущую способность при работе на сдвиг и выдергивание. Гвозди без нарезки, не прошедшие термическую обработку, в ряде зарубежных стран считаются второстепенными и малопригодными в качестве механических связей несущих ДК [161].
Вопросами исследования, совершенствования и усиления нагельных соединений занимались и многие зарубежные ученые. В [148] представлены различные варианты усиления нагельных соединений, путем постановки дополнительных крепежных элементов для предотвращения раскалывания древесины нагелем вдоль волокон. В статъе [146] рассматриваются различные варианты усиления болтового соединения оцилиндрованных бревен с вставляемой в паз стальной пластиной. В [174] представлены результаты испытаний нагельных стыков большепролетных деревянных конструкций, усиленных стальными пластинами, вставляемыми в предварительно прорезанные пазы. В [170] рассматривается вариант локального усиления древесины в месте внедрения нагеля путем пропитки специальным химическим составом, что позволяет получить новый композиционный материал с повышенной прочностью и модулем упругости. Результаты, полученные в рамках этой статьи, показывают положительное влияние на работу соединения изменения прочности и жесткости материала вокруг соединительного элемента. В работе [156] приводятся результаты испытаний на сдвиг нагельных соединений древесины с бетоном, рассматривается вариант усиления области внедрения нагеля в древесину зубчатой пластиной. В [146] исследуется характер работы нагельных соединений при циклически повторяющейся, нагрузке в условиях гниения древесины, в результате поражения грибами. В статье [163] приводятся результаты влияния изменения влажности на работу нагельных соединений в растянутых стыках деревянных конструкций. В [165, 169] приводятся результаты исследования работы стыков деревянных элементах на вклеенных вдоль волокон нагелях из твердых пород древесины. В [172, 176] предложен новый подход к моделированию винтовых и нагельных соединений деревянных конструкций в расчетах методом конечных элементов. В статьях [150, 151] исследован характер работы нагелей в каркасных деревянных панелях при действии статической [150] и динамической [151] нагрузки. В работе [180] представлены исследования различных вариантов нагельных соединений стенок и полок деревокомпозитной балки коробчатого сечения. В статье [181] приводятся результаты испытаний на сдвиг винтовых соединений деревянных элементов при наклонном расположении винтов к плоскости сдвига.
При соединении элементов ДК толщиной более 70 мм в середине прошлого века обширное применение нашли нагельные пластины Ю.В Пискунова. Пластины состоят из основы, выполненной из материалов, различающихся по жесткости и конструктивной форме, и прикрепленным к ним стержневым нагелям. Диаметр и длина нагелей могут варьироваться. Фиксация нагелей на пластине осуществляется за счет плотной посадки гвоздей (штырей) в отверстия на пластине, либо выполняется приварка нагелей к пластине встык контактной сваркой.
Нагельные пластины могут быть защемлены как в мягкую, так и жесткую основу [84]. Мягкая основа выполняется из материалов с малым модулем упругости (фанера, ДВП, ЦСП и др.), твердая - из материалов с высоким модулем упругости (сталь, конструкционные пластмассы). В качестве основы может применяться арматурная сетка. Выбор того или иного типа пластины обусловлен в зависимости от толщины соединяемых элементов, конструктивных особенностей узлов, величины воспринимаемой нагрузки. В Швейцарии разработаны нагельные зубчатые (гвоздевые) пластины системы «Менинг» [16]. Пластины системы «Менинг» состоят из расположенных по обеим сторонам игловидных штырей, прочно заделанных в 2-х слойную основу-плиту, изготовленную с применением синтетических материалов (рисунок 1.2, а). Диаметр гвоздей 1,6 мм, длина 10…25 мм. На каждый см2 площади основы устанавливается по 2 гвоздя. Основа пластины выполняется из вспененного слоя толщиной 3 мм, и слоя синтетической смолы толщиной 2 мм, армированной стекловолокном.
В процессе запрессовки соединения равномерное глубокое внедрение штырей в древесину сопрягаемых элементов обеспечивается за счет прослойки синтетической смолы. Слой пены, обеспечивающий устойчивость нагелей во время запрессовки соединений и внедрения штырей в древесину, сжимается в тонкую прослойку.
Эти пластины вставляются между соединяемыми деталями и запрессовываются (рисунок 1.2, б). Зачастую данные пластины используются в качестве узловых средств соединений тяжелых ферм, сечения поясов и раскосов которых состоят из множества элементов (рисунок 1.2, в), или для крепления деревянных накладок. Как правило, доски используются толщиной не более 80 мм. В Германии разработано нагельное соединение типа «Грейм», которое позволяет соединять в узле сразу несколько деревяных элементов. В зоне узла в соединяемых элементах выполняют параллельные пазы, толщиной не более двух миллиметров. В пазы вставляются металлические, как правило оцинкованые, листы толщиной 1…1,8 мм. В узле предусматривается установка от 2 до 6 пластинок, количество которых определяется исходя из толщины соединяемых элементов. С использованием прижима ручным или пневматическим инструментом узел стягивается, а затем фиксируется нагелями или гвоздями, в результате чего образуется много-срезное нагельное соединение, которое обладает значительной прочностью (рисунок 1.3).
Программа экспериментальных исследований
Целью настоящего комплексного исследования является исследование прочности и деформативности ребристых панелей перекрытия с обшивкой из различных типов листовых материалов (фанера, OSB) при действии статической нагрузки в зависимости от типа связей (винты, комбинированное соединение с когтевыми шайбами «Bulldog»).
Задачи эксперимента: - оценка прочности и деформативности соединений древесины и плитных материалов при условии соединения на винтах и с применением комбинированного соединения с когтевыми шайбами "Bulldog". - оценка характеристики длительной ползучести соединения. - оценка степени включения сжатой обшивки в общую работу панели при соединении с ребрами с применением винтов, клея и комбинированного соединения. Для решения данных задач разрабатываем программу испытаний.
Программа экспериментальных исследований – Испытание стандартных образцов древесины на сжатие вдоль волокон по методике [23]. – Испытания образцов соединений «OSB-древесина» и «Фанера-древесина» с применением винтов и когтевых шайб «Bulldog» для определения и оценки деформа-тивности, а так же коэффициента жесткости соединения с оценкой прочности при кратковременном статическом нагружении. – Построение матриц факторов и дисперсий, выполнение проверки воспроизводимости результатов опытов по критерию Кохрена, получение уравнения регресси, проверка значимости членов уравнения регрессии по критерию Стъюдента, проверка адекватности полученного уравнения по критерию Фишера
Согласно [104], материал древесины и размеры образцов для исследований должен соответствовать материалам реальных конструкций. В качестве материалов для испытаний выбираем древесину, OSB и фанеру марки ФК.
В строительстве применяется древесина 1-3 сортов. В качестве пиломатериала 1 сорта представляется древесина с наличием незначительного количества сучков и щелей. Часто такую разновидность материалов применяют в строительстве, причем из нее изготавливают главные части любых конструкций. Для пиломатериалов 2 сорта характерно наличие мягкого основания и незначительного присутствия изъянов. В строительстве такие доски применяют в качестве основы для сооружения несущих конструкций, а так же клееных деревянных конструкциях (КДК). Третий сорт пиломатериалов применяют в настилах и обшивках, нагрузки на которые незначительны. Основания такого типа могут иметь волнообразную поверхность или вырывы. Здесь могут быть небольшие дефекты в виде грибковых или гнилостных поражений. Также наблюдаются изъяны естественного характера. Из древесины, относящейся к этой категории, делают шпалы для железных дорог и переводные брусья. Широкое применение имеет древесина данного сорта в клееных деревянных конструкциях.
Для определения физико-механических свойств древесины из экспериментальных пиломатериалов вырезаны образцы для испытаний на сжатие вдоль волокон. Порода древесины: сосна. Испытание образцов древесины сжатие состояния является однофак-торным экспериментом, где переменной величиной является только нагрузка. Количество испытаний и их достоверность устанавливается по статистическому обеспечению 0,95. Обработка результатов выполнена по следующему алгоритму:
Показатель точности должен быть не более 5%. Кратковременное сопротивление древесины чистых образцов при статическом обеспечении 0,95 определяется: Rчн=R(1095u), (2.6) Кратковременное сопротивление древесины натурных сечений: Rн =Rнkk , (2.7) вр ч п м Нормативное сопротивление древесины с учетом длительного действия нагрузок: Rн=Rнврkдл, (2.8) Расчетное сопротивление древесины: R=/k , (2.9) Коэффициент надежности по древесине [97]: kf= (2.10) где t095 и t099 - множители, зависящие от принятого уровня обеспеченности (доверительной вероятности) и вида функции плотности распределения; кп - переходный коэффициент, учитывающий влияние пороков на прочность древесины; км - переходный коэффициент, учитывающий влияние размеров поперечного сечения на прочность древесины; - коэффициент, учитывающий длительное действие нагрузок. Рис. 2.1. Испытание образцов древесины на сжатие вдоль волокон
Когтевая шайба «Bulldog» (рисунок 2.2) – это соединительный элемент, аналог когтевой шайбы Леннова, выполняется в виде двухсторонней или односторонней зубчато-кольцевой шпонки, изготовленной из круглой пластины, края которой вырезаны и наклонены под углом 900 к ее плоскости, образуя треугольные когти, выступающие попеременно с противоположных сторон пластины. Двусторонний «Бульдог» работает по аналогии с зубчато-кольцевой шпонкой. Существующий сортамент когтевых шайб подразумевает различные размеры диаметра, толщины и габаритов когтей в зависимости от необходимой несущей способности и размера соединяемых элементов. Нагрузка, передающаяся от сдвигаемых элементов соединения, воспринимается суммарной площадью внедренных когтей, через которые передается на другие элементы. Для того чтобы объективно прогнозировать несущую способность соединений, необходимо получить зависимость способности соединения и факторов, влияющих на нее.
Определение коэффициента приведенной ширины верхней обшивки на основе теории упругости анизотропных пластин
Панель рассматриваем как пространственную конструкцию, состоящую из тонкой плиты и подкрепляющих ее продольных, а иногда и поперечных ребер. Существенный вклад в совершенствование теории расчета и проектирования этих конструкций был внесен А.Б. Губенко, М.Е. Каганом, Г.Г. Карлсеном, Н.П. Абовским, В.И. Жадановым, К.П. Пятикрестовским, Е.В. Тисевичем и Д.А. Украиченко, В.В. Стояновым, И.З. Ройт-фарбом, С. Войновским-Кригером, Д.В. Вайнбергом, M. Yasin Yaqoob, S. Kapuria и др.
Анализ опыта отечественных и зарубежных исследователей, в т.ч. перечисленных выше, показывает, что для практического расчета рассматриваемых панелей (на основе древесины, обшивка которых включена в работу всей конструкции) допустимо рассматривать панель с обшивкой в сжатой зоне как балку таврового сечения, роль полки в котором будет выполнять обшивка. Максимальные напряжения в полке будут иметь максимальное значение у ребра, а к середине пролета обшивки уменьшатся. Учитывая данный факт, в расчете следует учитывать не фактическое, а приведенное (уменьшенное) значение ширины полки (рисунок 3.1). Расчет приведенной (расчетной) ширины обшивки сводится к тому, чтобы, используя элементарные теории сжатия и растяжения при изгибе, получить значения максимальных напряжений, которые для действительного и преобразованного сечения окажутся равны.
Изучению вопроса учета неравномерности эпюры осевых напряжений в поперечном сечении полки (обшивки) панели посвятили свои работы Х. Кокс, С.Г. Лехницкий, Т.П. Карман, Г.Г. Ростовцев, П.Л.Дутко, В.Н. Быковский, И.Ф. Папкович, В.А. Постнов, А.К. Крылов, С.А. Корзон, С.А. Амбарцумян, А.Б. Губенко, В.Я. Терентьев и др. Т. Карманом была получена зависимость для описания характера распределения напряжений сжатия в сечении незащемленных пластин, опертых на ребра, которая учитывала толщину пластины, модуль упругости материала, значение коэффициента Пуассона. Рис. 3.1. Схема фактического и приведенного сечения панели, схема распределения нормальных напряжений в обшивке: а – фактическое поперечное сечение; б – расчетное (приведенное) поперечное сечение
Х. Коксом для учета полной ширины пластинки была предложена формула для определения расчетной ширины обшивки, которая так же учитывала толщину и модуль упругости материала обшивки. Стоит отметить, что полученные Т. Карманом и Х. Коксом формулы достаточно приближенны, и справедливы для обшивок, толщина которых значительно превышает величину прогиба. В то же время полученные ими зависимости справедливы для пластин, обладающих свойством изотропии, и не дают возможность учитывать реальный размер конструкций, из-за чего вычисления значение расчетной ширины обшивки по методикам Т. Кармана и Х. Кокса приводят к значительным погрешностям.
В работе [111] Г.Г. Ростовцевым для анизотропных пластинок предложено выражение, позволяющее находить значение расчетной ширины пластин с учетом их анизотропии.
Б.С. Соколовским и В.Н. Быковским был получен график, в котором отражалась зависимость коэффициента приведения обшивки в зависимости от размеров ее сторон, а так же получены формулы, позволявшие вычислить краевые напряжения [7]. Для про 73 верки достоверности полученных данных ими были проведены испытания щитов из клееной фанеры, размеров 5006000 мм. Однако полученный график и формулы расчета изгибаемого щита под действием равномерно-распределенной нагрузки не дают возможности учесть влияние сжимающих продольных сил, а так же размеры конструкций.
А.Б. Губенко в работе [29] были проведены испытания клеефанерных плит и была предложена методика их расчета, учитывающая потерю сжатой обшивкой устойчивости, и работу обшивки в закритической стадии до разрушения плиты. Изучением напряженно-деформированного состояния клеефанерных плит, с учетом работы сжатой обшивки в закритической стадии занимался так же СВ. Гвоздецкий, однако он рассматривал загружение плит сосредоточенными силами.
И.М.Линьковым в [61] приводится сравнительный анализ данных экперименталь-ных и теоретических исследований клеефанерных ограждающих конструкций. Автор пришел к выводу, что методика расчета клеефанерных плит, описанная в СНиП, является оправданной, однако формулы, приведенные для определения расчетной толщины обшивки, справедливы в том случае, если шаг ребер не превышает величину ар 505 (где 5 - толщина обшивки). Работа В.П. Герасимова [14] посвящена изучению НДС фанерных обшивок крупноразмерных плит ребристых панелей с криволинейной осью при докритической и закритической стадиях работы. Полученные графики и формулы позволяют вычислять приведенную ширину обшивки с учетом основных параметров конструкции: толщины обшивки и ее упругих характеристик, радиуса закругления оси панели, шага продольных ребер.
В.И. Жадановым [32] были проведены теоретические и экспериментальные исследования для определения приведенной ширины обшивки размером "на пролет", была установлена зависимость коэффициента редукции от статических параметров и геометрических размеров конструкции. Формулы, предложенные В.И. Жадановым, были определены численными методами. Они справедливы для обшивок толщиной до 20 мм и позволяют учитывать материал обшивки.
И.С. Инжутовым и др. [35, 36] были проведены экспериментальные и численные исследования клеефанерных плит, которые являются верхними поясами пространственных ферм. Ими была предложена методика определения расчетной ширины обшивки с учетом различных параметров за счет корректировочных коэффициентов, позволяющих учитывать длину панели, толщину обшивки, шаг продольных ребер и др. Коэффициент приведения обшивки в работе выражается относительно «базовой» панели пролетом 3 м, и учитывает шаг основных ребер, толщину обшивки, обжатие панели продольной силой, степень ортотропности обшивки. Для вычисления расчетной ширины обшивки использован ряд корреляционных коэффициентов, благодаря которым производится переход от «базовых» значений пролета панели; расстояния между продольными ребрами и толщины обшивки, (равные 3; 0,75 и 0,008 м соответственно). Методика позволяет вычислять коэффициент редукции только для обшивок из фанеры и не позволяет получать значения коэффициента для других листовых материалов.
Описание экспериментальной установки
Согласно [107, П9] при расстоянии между ребрами в осях а=1190 мм коэффициенты приведения (редукции) обшивки из ФК составят fc,w=0,38; 0,57; 0,76 соответственно для панелей пролетом 3; 4,5; 6 м. Для панелей с обшивкой из OSB значения коэффициента редукции не нормируются.
При расчете по EN [155] ширина вводимой в расчет полки составляет не более 0,1/ (где / величина пролета) для обшивки из ФК, и не более 0,15/ для обшивки из OSB. Так же вводится ограничение по толщине () обшивки, принимаемое не более 20 для обшивки из ФК и не более 25 для обшивки из OSB. Фактическая ширина обшивки данными нормами не учитывается. Т.о. для исследуемых панелей, учитывая фактическую ширину обшивки, путем несложных вычислений получаем коэффициенты редукции kred=0,24 (0,36) для панели пролетом 3 м; 0,36 (0,68) для панели пролетом 4,5 м; 0,48 (0,72) для панели пролетом 6 м (в скобках указаны значения для панелей с обшивкой из OSB). Полученные в результате численных исследований коэффициенты приведения обшивки для панелей пролетом 3 м: 0,646 для жесткого (клеевого) соединения; kred=0,519...0,588 для соединений на дискретных податливых связях. Для панелей пролетом 4,5 м при жестком kred=0,777 при клеевом соединении; kred=0,69...0,701 для соединений на дискретных податливых связях. Для панелей пролетом 6 м kred=0,81 при клеевом соединении; kred=0,805...0,838 для соединений на дискретных податливых связях. Т.о. фактические коэффициенты приведения значительно отличаются от нормативных значений, определяемых по СП [119] и EN [155]. Исходя из возможных дефектов материалов обшивок и учитывая "разброс" полученных значений коэффициентов редукции, для определения геометрических характеристик приведенного сечения панели можно принять нормативные значения коэффициентов редукции обшивки онб = 0,5(0,7) для панелей пролетом 3 м; кон б =0,65(0,85) для панелей пролетом 4,5 м; кноб = 0,8(0,9) для панелей пролетом 6 м (в скобках указаны значения для панелей с обшивкой из OSB). Сопоставление нормативных и полученных значений коэффициента приведения обшивки представлены в таблице 3.4.
Из графиков на рисунке 3.14 видно, что учет обшивки в работе конструкции позволяет значительно уменьшить прогиб панели.
Для панелей с обшивкой из ФК, применение винтов позволяет уменьшить прогиб на 5...14% при пролете 3 м; на 8...21% при пролете 4,5 м; на 9...24% при пролете 6 м, соответственно для шага винтов 500...100 мм. Применение комбинированного соединения с когтевыми шайбами "Bulldog" привело к уменьшению прогиба 22...36% при пролете 3 м; на 29...43%; при пролете панели 4,5 м; на 32...43% при пролете панели 6 м соответственно для шага соединителей 500...100 мм. Применение жесткого (клеевого) соединения приводит к уменьшению прогиба на 45%; 49%; 47% при пролетах панели 3; 4,5; 6 м соответственно.
Для панелей с обшивкой из OSB применение винтов позволяет уменьшить прогиб на 3,5...9,5% при пролете панели 3 м; на 5...15% при пролете панели 4,5 м; на 6...17% при пролете 6 м, соответственно для шага винтов 500...100 мм. Применение комбинированного соединения с когтевыми шайбами "Bulldog" привело к уменьшению прогиба 11...24% при пролете панели 3 м; на 16...30% при пролете 4,5 м; на 18...30% при пролете панели 6 м, соответственно для шага соединителей 500...100 мм. Применение жесткого (клеевого) соединения приводит к уменьшению прогиба на 37,78%; 40,2%; 37,26% при пролетах панели 3; 4,5; 6 м соответственно.
Таким образом, применение комбинированного соединения с когтевыми шайбами позволяет добиться практически того же эффекта включения обшивки в работу конструкции, как при жестком (клеевом) соединении обшивки и ребер панели (разница снижения прогиба составляет 6...9% для панелей с обшивкой из ФК, 7...14% для панелей с обшивкой из OSB). Коэффициент кж может быть с достаточно высокой степенью сходимости выражен зависимостями в виде полиномов 3-ей степени.
Согласно графикам на рисунке 3.15, применение соединение на винтах обшивки из ФК и ребер панели привело к снижению нормальных растягивающих напряжений в ребре 4...10,2% для панели пролетом 3 м; на 5...15% для панели пролетом 4,5 м; на 6,3...17% для панели пролетом 6 м, при шаге соединителей 500, 300, 150, 100 мм соответственно. Применение комбинированного соединения с когтевыми шайбами "Bulldog" привело к снижению напряжений в растянутой зоне ребра на 15...26% для панели пролетом 3 м; на 20...30% для панели пролетом 4,5 м; на 22...30% при шаге соединителей 500, 300, 150, 100 мм соответственно. При жестком (клеевом) соединения обшивки из ФК и ребер панели наблюдается снижение максимальных растягивающих напряжений в ребре на 32,3%; 33,8%; 32,5% при пролетах панели 3; 4,5; 6 м соответственно.
Для панелей с обшивкой из OSB применение винтов позволяет снизить напряжения в растянутой зоне ребра на 2,4...7% для панелей пролетом 3 м; на 3,5...10,4% для панелей пролетом 4,5 м; на 4...12% для панелей пролетом 6 м при шаге соединителей 500, 300, 150, 100 мм. Применение комбинированного соединения приводит к снижению данного показателя на 7,4...17% для панелей пролетом 3 м; на 11...21% для панелей пролетом 4,5 м; на 12...20% для панелей пролетом 6 м, при тех же значениях шага соединителей. Для жесткого (клеевого) соединения характерно снижение максимальных растягивающих напряжений в ребре на 27,4%; 28,3%; 25,8% при пролетах панели 3; 4,5; 6 м соответственно.