Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследований 8
1.1. Древесина, как конструкционный материал 8
1.2. Анализ основных дефектов и повреждений деревянных конструкций 12
1.3. Металлические зубчатые пластины и их применение в деревянных конструкциях 25
2. STRONG Численные исследования прочностных и деформационных характеристик составных
деревянных балок STRONG 29
2.1. Основные направления численных исследований 29
2.2. Шарнирно-стержневая схема в моделировании составных деревянных балок 35
2.3. Влияние трещин на напряженно-деформированное состояние клееных деревянных балок 40
2.4. Алгоритм уточненного расчета соединений составных деревянных балок с МЗП 51
2.5. Алгоритм уточненного расчета усиления клееных балок МЗП 52
3. Методические положения проведения исследований 55
3.1. Программа экспериментальных исследований 55
3.2. Определение характеристик соединяемых элементов конструкции 56
3.3. Методика исследований соединения МЗП с древесиной 59
3.4. Методика исследований клеевого соединения МЗП с древесиной 67
3.5. Методика экспериментальных исследований составной деревянной балки с МЗП 68
4. Результаты экспериментальных исследований 74
4.1. Результаты определения прочностных и деформационных характеристик древесины 74
4.2. Экспериментальные исследования соединения МЗП с древесиной 77
4.3. Экспериментальные исследования соединения «МЗП-клей-древесина» 83
4.4. Экспериментальные исследования составных деревянных балок с МЗП на изгиб 85
4.5. Определение коэффициентов составности 94
5. Технология изготовления и усиления составных деревянных балок с МЗП 97
5.1. Технология изготовления составных деревянных балок с МЗП 97
5.2. Технология усиления деревянных балок с применением МЗП 104
Выводы и рекомендации 108
Список использованных источников
- Анализ основных дефектов и повреждений деревянных конструкций
- Шарнирно-стержневая схема в моделировании составных деревянных балок
- Определение характеристик соединяемых элементов конструкции
- Экспериментальные исследования соединения «МЗП-клей-древесина»
Анализ основных дефектов и повреждений деревянных конструкций
Древесина - основная продукция леса. Благодаря своим свойствам она используется практически во всех отраслях народного хозяйства: в быту, в технике, в искусстве, в изготовлении орудий охоты и рыболовства, в земледелии, для изготовления мебели, посуды, музыкальных инструментов, лодок, кораблей, окон, дверей и др. На протяжении многих веков древесина является одним из основных материалов при строительстве жилищ, оборонных сооружений, мостов и др. [12], [117].
Основные достоинства древесины: малая плотность, высокая прочность, малая теплопроводность, хорошая обрабатываемость, легкая гвоздимость, возможность склеивания, звукоизлучающие свойства, стойкость к действию кислот и щелочей, хорошая окрашиваемость. В таблице 1.1.1 приведено сравнение характерных свойств дерева, стали и тяжелого бетона. Древесина в 4..5 раз легче бетона ив 13..16 раз легче стали. Прочность древесины на сжатие соответствует прочности бетона классов В10..В15, а прочность на растяжение больше, чем у бетона в 6..20 раз. Малая величина коэффициента теплопроводности древесины позволяет использовать дерево в ограждающих конструкциях.
Изучением свойств и строения древесины в нашей стране начали заниматься еще в XIX веке. Первые работы, посвященные древесине, выполнены В.В. Петровым, А.Е. Теплуховым, А.В. Гадолиным, Д.Н. Кайгородовым, П.А. Афанасьевым, Н.М. Бурым, Н.А. Филипповым, В.А. Петровским, Журавским Д.И., С.А. Богословским, Г.Ф. Морозовым, Тиман Х.Д., Бауман Р, Педдер А.Ю и др. учеными. С 20-х годов XX столетия проводятся многочисленные исследования свойств древесины Л.М. Перелыгиным, СИ. Ваниным, Е.И Савковым, П.Ф. Белянкиным, Н.Л. Леонтьевым, Ашкенази Е.К., Знаменским Е.М., Ивановым В.Ф., Митинским А.Н., Хухрянским П.Н., А.Х.Певцовым и др. Это позволило в нашей стране начать выпуск деревянных строительных конструкций высокой заводской готовности. Появились балочные конструкции, фермы, арки из досок, скрепленных гвоздями, составные балки Деревягина, металлодеревянные арки Скворцова, пространственные дощатые конструкции на гвоздях и т.п. Большой вклад в появление новых конструкций внесли П.Я. Каменцев, Г.Г. Карлсен, П.Ф. Белянкин, Ю.М. Иванов, А.Б. Губенко. В 70-80-х годах XX столетия интенсивно разрабатываются вопросы долговечности, анизотропии упругих свойств древесины, тепловых и влажност-ных свойств древесины, прочности и деформативности, биозащиты и многие другие. Этим вопросам посвящены работы Арленинова Д.К., Буслаева Ю.Н., Вареник А.С., Вдовина И.С., Жаданова В.Д., Инжутова И.С., Калугина А.В., Ковальчука Л.М., Лабудина Б.В., Мелехова В.И., Михайлова Б.К., Пластинина С.Н., Пого-рельцева А.А., Пятикрестовского К.П., Рощиной СИ., Рыкова Р.И., Санжаровско-го Р.С, Светозаровой Е.И., Серова Е.Н., Травуша В.И., Туркова А.В., Турушева В.Г., Уголева Б.Н., Фурсова В.В., Хрулева В.М и др. В промышленности стали появляться эффективные композитные конструкции (ДВП, ДСП, ЦСП, OSB), клееные конструкции (армированные и неармированные) и модифицированная древесина (цельное дерево с измененными механическими свойствами). С середины 30-х годов в нашей стране и за рубежом наметилось новое направление в строительных конструкциях - применение клееной древесины. Склеивание позволило получать элементы различных сечений и длины с улучшенными прочностными и деформационными характеристиками. Появилась возможность создавать конструкции пролетом до 200 м. Период 30-х-60-х годов XX века является периодом незначительного применения КДК. В это время часть КДК выполнялось кустарным способом без квалифицированного руководства, в результате чего отдельные объекты были в аварийном состоянии. Объекты, выполненные более квалифицировано продолжали успешно эксплуатироваться. Первые обследования 25 различных зданий с применением КДК показали, что при условии правильного проектирования, изготовления и эксплуатации, конструкции находятся в удовлетворительном состоянии [117]. Резкий рывок в развитии КДК произошел в 70-х-80-х годах XX века. В 1968 году состоялось Всесоюзное совещание, на котором были рассмотрены вопросы повышения эффективности применения древесины в строительстве и предложена организация заводского изготовления КДК. С этого времени начинается активное освоение КДК. Внедряется нормативная документация на проектирование и изготовление КДК (СНиПы, ГОСТы, Руководства, Пособия). Большая часть документации разработана ЦНИИСК им. Кучеренко Госстроя СССР. В развитие КДК в СССР огромный вклад внесли такие ученые как Карлсен Г.Г, Иванов В.Ф, Иванов Ю.М, Знаменский Е.М, Ковальчук Л.М, Пластинин С.Н, Ашкенази Е.К, Светозарова Е.И, Каган М.Е, Хрулев В.М, Серов Е.Н и многие другие. В стране начинают строиться заводы по производству КДК (ЭПЗ «Красный Октябрь» в г. Архангельске, в Вельске, в Вологде, в Москве и т.д). Разрабатываются типовые КДК различного назначения и очертания (МДА, ДСА, РДП, ДГР). Область применения КДК самая разнообразная - это сельскохозяйственные сооружения, большепролетные зрелищные сооружения, здания лесопромышленного комплекса, мосты, шпалы и т.д.
Рис. 1.1.1 Применение КДК для зданий различного назначения на территории архангельской области Разработанные КДК для зданий различного назначения наглядно показали значительное снижение массы клееных конструкции и экономии расхода материалов по сравнению с конструкциями из металла и железобетона. Так при строительстве Дворца спорта в г. Архангельске с площадью покрытия 4500 м2 израсходовано 300 м3 клееной древесины (гнутоклееные трехшарнирные арки сплошного сечения пролетом 63 м), что позволило сэкономить 500 т стали. Следовательно, на данном объекте каждый м3 древесины обеспечил экономию 1.7 т высококачественной стали [16]. КДК применены в строительстве и другого крупного объекта в г. Архангельске - крытого рынка. Первоначально покрытие было запроектировано из железобетона, однако проект был пересмотрен и для покрытия рынка использовали КДК. В этом случае по сравнению с первоначальным проектом было сэкономлено 150 т металла, 27 т цемента и 190 м3 пиломатериалов, которые требовались бы для устройства и крепления опалубки под монолитные железобетонные конструкции покрытия [16].
Таким образом, применение КДК имеет преимущества перед другими материалами. Однако в настоящее время возраст большинства сооружений с КДК составляет 30-40 лет и остро встает вопрос об определении их технического состояния после длительной эксплуатации в различных условиях эксплуатации.
Шарнирно-стержневая схема в моделировании составных деревянных балок
В системе с неразрезными поясами и шарнирным примыканием стоек и раскосов, можно удалять связи сдвига. Это позволяет моделировать «непроклей» в клееной деревянной балке и рассчитывать составные деревянные балки с различными видами связей.
Работоспособность данного метода доказана в нашей работе [54], где для примера выполнено определение усилия сдвига в цельной балке по формуле Журав-ского (2.1.16), по формуле Ржаницына (2.1.14) и по формулам (2.2.2) и (2.2.6). Все вычисления показали одинаковый результат.
Для массового строительства применяются клеёные балки прямоугольного сечения пролетом от 6 до 12 м. Наиболее распространённая номенклатура балок приводится в таблице 2.3.1. Типовые балки изготавливаются для общественных и промышленных зданий, а также для сооружений сельскохозяйственного назначения. Напряженно-деформированное состояние типовых клееных балок с учетом непроклея определено исходя из расчета шарнирно-стержневой схемы (раздел 2.2). Модель выполнена со сплошными поясами и шарнирным примыканием элементов решетки. Приняты нагрузки, рекомендованные типовой проектной документацией (таблица 2.3.1). Рассмотрены продольные трещины, проходящие по середине сечения балки и разделяющие ее на два стержня в пределах непроклея. Расстояние между поясами составной балки c=2/3h. По длине каждая балка разбита на 30 панелей. Жесткость поперечных связей (стоек ШСС) назначена не менее жесткости соединяемых элементов. Жесткость раскосов ШСС принята таким образом, чтобы прогиб ШСС удовлетворял условию (2.4.5). Модуль упругости раскосов установлен постоянным и равным модулю сдвига 500 МПа. Ширина сечения раскосов принята равной ширине всего сечения балки. Высота сечения раскоса варьируется в зависимости от высоты сечения всей балки с учетом необходимой податливости. Сечения элементов полученных ШСС приведены в таблице 2.3.1.
Непроклей смоделирован в середине и по торцам балки удалением связей сдвига ШСС. Трещины смоделированы симметричными. Длина трещин принята от а/1 = 0,133 до а/1 = 0,8, где а - длина трещины, 1 - пролет балки.
Выполнен анализ следующих параметров: вертикальных перемещений, нормальных напряжений в балке, касательных напряжений в балке, сдвигающих усилий в шве.
Нормальные напряжения в балке определены по формуле, предложенной А.Р.Ржаницыным [ПО]: где ал - нормальные напряжения в составной балке, лишенной связей сдвига, МПа; ам - нормальные напряжения монолитной балке, МПа; М0 - изгибающий момент в монолитной балке; Wi - момент сопротивления ветви балки, разделенной трещиной, м3; W- момент сопротивления монолитной балки, м3; Тм - усилие сдвига в монолитной балке; Т- усилие сдвига в рассматриваемой балке. Для удобства анализа распределения нормальных напряжений рассмотрено предельное граничное значение расчетного сопротивления древесины II сорта 14 МПа (без учета коэффициентов запаса). Эпюры нормальных напряжений приведены на рисунке 2.3.2.
Эпюры сдвигающих усилий выполнены в уровне намечаемых трещин и характер их распределения приведен на рисунке 2.3.3. Характер эпюр касательных напряжений в шве приведен на рисунке 2.3.4. Вертикальные перемещения балок различной длины с непроклеем приведены на рисунке 2.3.5 и 2.3.6.
Характер распределения нормальных напряжений, касательных напряжений и сдвигающих усилий при различных длинах непроклея одинаковый для всех рассмотренных балок.
При появлении даже небольших трещин, вертикальные перемещения балок превышают предельные значения. Это объясняется тем, что при проектировании типовых балок поперечное сечение принималось по предельному перемещению. В дальнейшем при увеличении трещин прогибы балок с непроклеем на торцах развиваются интенсивнее, чем прогибы балок с трещинами посередине пролета (при длине трещины а=//2 прогиб с непроклеем на торцах превышается в 2 раза).
В типовом проекте балки выполнены с достаточным запасом прочности по касательным напряжениям, поэтому предел прочности на скалывание по клеевому шву даже при трещинах длиной а=0,8/ не был превышен.
Потеря несущей способности балок по теоретическим расчетам происходит при превышении нормальными напряжениями предела прочности древесины на участках с непроклеем. При непроклее в середине балки превышение предела наблюдается при отношении длины трещины к пролету а// = 0,67, а при непроклее на торцах - 0,5а// = 0,2.
При введении в расчетные сопротивления коэффициентов запаса и ухудшении сортности древесины, предел прочности снижается, а соответственно и уменьшается длина трещин, при которых превышено предельное состояние.
Определение характеристик соединяемых элементов конструкции
В соответствии с сеткой планирования эксперимента (раздел 3.3) изготовлено 12 образцов соединений: 1) Соединение на пластинах T-150MIT под углом 0 (направление перфорации в пластине расположено параллельно линии действия нагрузки) - 3 образца. 2) Соединение Т-150 MIT под углом 90 (направление перфорации в пластине расположено перпендикулярно линии действия нагрузки)- 3 образца. 3) Соединение GNA-20MIT под углом 0 - 3 образца. 4) Соединение GNA-20MIT под углом 90 - 3 образца.
Результаты испытаний соединений на сдвиг приведены в таблице 4.2.1. По результатам испытаний после статической обработки построены зависимости, которые представлены на рисунке 4.2.1. Разрушение образцов с МЗП Т-150, установленных под углом 0 произошло вследствие выдергивания зубьев МЗП из средних элементов соединений, а установленных под углом 90 произошло вследствие смятия древесины под зубьями МЗП. Разрушение образцов с МЗП GNA-20, в обоих случаях произошло вследствие выдергивания зубьев МЗП из средних элементов соединений (рисунок 4.2.3).
Характер разрушения во всех образцах - пластичный. При определении коэффициента надежности соединения деревянных конструкций воспользуемся формулой (3.3.3).
Обработка результатов испытаний по методике, предложенной в разделе 3.3, приведена в таблице 4.2.2. Таблица 4.2.1. Результаты испытания соединений на сдвиг
Диаграмма зависимости N-8 при испытании на сдвиг соединения деревянных конструкций на МЗП при углах 0 и 90 градусов а - для Т-150; б- для GNA-20 Наибольшая несущая способность у пластин Т-150, установленных под углом 0 (62,5 кН), но при этом наибольшая податливость соединения (36,88х10 б кНсм1, что в 2,4 раза больше, чем при 90). Это объясняется разной для каждого направления жесткостью зуба пластины. Такая большая податливость соединения делает МЗП Т-150 нерациональным к дальнейшему применению в качестве элемента соединения составных балок.
Расчетная несущая способность двухстороннего соединения на МЗП на единицу площади, МПа 2,13 1,61 1,35 1,31 Несущая способность GNA-20 (42,5 кН) на 30% меньше, чем у Т-150. Податливость соединения GNA-20 (6,95х10 б кНсм1) на 81% меньше, чем у Т-150. Это объясняется более жесткой конструкцией зуба. Для GNA-20 зубья выполнены с разворотом вокруг своей оси и ориентированы в разные стороны, что делает податливость соединения более одинаковой при различных углах поворота и менее зависящей от ориентации пластины.
Для сравнительной оценки полученных данных испытания МЗП рассмотрены результаты испытания других видов соединений при таких же размерах сечения составных деревянных элементов и схеме загружения (таблица 4.2.3. и рисунок 4.2.2)
Диаграмма зависимости N-f при испытании соединений. Наибольшая несущая способность и наименьшая податливость у клеевого соединения. Результаты испытания соединения на болтах и нагелях сопоставимы с результатами испытания соединения на МЗП Т-150. Гвоздевые соединения отличаются большой деформативностью. Соединения на GNA-20 имеют меньшую несущую способность, но являются более жесткими. Таким образом, соединения на МЗП могут применяться в качестве сдвигоустойчивых соединений деревянных составных конструкций наряду с другими соединениями.
По результатам испытаний соединения «МЗП-древесина» к применению рекомендуется пластины GNA-20. Это обусловлено их малой податливостью в соединении. Меньшая, по сравнению с Т-150, несущая способность может быть компенсирована за счет увеличения площади пластины. Кроме этого, при запрессовке МЗП GNA-20 в древесину ни на одном образце не наблюдалось раскалывание древесины. Во время запрессовки Т-150 при расположении плоскости зубьев пластины вдоль слоев древесины, происходило раскалывание крайних слоев образцов.
Экспериментальные исследования соединения «МЗП-клей-древесина»
Из диаграммы зависимости «Нагрузка-сдвиг» (рисунок 4.4.2), видно, что интенсивное развитие сдвиговых деформаций начинается с появлением пластических деформаций. Сдвиг составных балок между собой воспринимается МЗП. Однако, несмотря на интенсивное развитие сдвиговых деформаций, не зафиксировано ни одной балки с разрушением МЗП или разрушением соединения «МЗП-древесина». Это позволяет сделать заключение, что соединения на МЗП увеличивают прочность составной балки по нормальным и касательным напряжениям, а также воспринимают опасные для древесины растягивающие напряжения, действующие под углом к волокнам древесины, что очень важно, учитывая анизотропные свойства древесины. Это дает основание к усилению опорных зон монолитных деревянных балок.
Разрушение балок I типа произошло по цельной древесине под МЗП от действия поперечных сил Q, вызывающих главные растягивающие напряжения в приопорном сечении балки. Если установить МЗП на всю высоту сечения, то несущая способность балки увеличится. Рассматриваем усиление нижней зоны разрушенной балки (рисунок П. 1.1 в). Запрессовываем МЗП в нижнюю зону балки с продольной трещиной (рисунок 4.4.4).
Экспериментальная установка с усиленными балками Разрушение усиленной балки произошло при нагрузке 58 кН в зоне над МЗП (рисунок 4.4.5). Это подтверждает возможность усиления приопорных зон монолитных и составных деревянных балок для восприятия главных растягивающих напряжений.
Выполняем модель балки I типа разрушения (рисунок П. 1.1 в) в расчетном программном комплексе SCAD Office по методике разделов. 2.2 и 3.5. Нагрузка принимается Ni-n= 35,4 кН (соответствующей нагрузке в верхней границе упругих деформаций при испытаниях на изгиб).
Расчетная схема балки представлена на рисунке 3.5.4. Результаты расчетов балки I типа разрушения приведены на эпюрах рисунка 4.4.6 и сведены в таблицу 4.4.3.
Расчетные значения напряжений больше фактических на 3-6% в пределах упругой работы. Величины фактических и расчетных прогибов отличаются на 2-12 %. Следует отметить, что максимальные напряжения возникают не в центре балки, а со смещением к 3-му от опоры МЗП (рисунок 4.4.6), что также оказывает влияние на характер разрушения балки.
Разрабатываем модель балки II типа разрушения (рис.Ш.Іе) в SCAD Office. Нагрузка Ni_n = 34 кН. Балка имеет порок в виде сучка в растянутой зоне балки. Длина сучка равняется половине нижней доски составной балки. Для учета сучка уменьшим сечение нижнего пояса на участке с трещиной в 2 раза в соответствии с узлом А на рисунке 3.5.4. Результаты расчетов балки II типа разрушения приведены на эпюрах рисунка 4.4.7. Как видно из эпюры продольных напряжений в зоне дефекта наблюдается резкий скачок напряжений. Происходит разрушение балок от нормальных напряжений в зоне сучка. Величина напряжений сопоставима с предельным сопротивлением древесины изгибу в таблице 4.2.1. Хорошая сходимость результатов экспериментальных и численных исследований деформативно-сти балки подтверждает правомерность применения выбранной математической модели и корректность учета податливости соединения «МЗП-древесина» в математической модели
В таблице 4.4.2 определены значения коэффициентов Kw и Кж для испытываемой балки. Фактически коэффициенты составности будут иметь широкий диапазон значений в зависимости от расположения, размеров, количества и типа МЗП со своим значением податливости.
Определяем расположение МЗП по длине балки, при котором получается наибольшее значение коэффициентов Кж и Kw вне зависимости от размеров, количества и типа МЗП. Выполняем расчеты балок пролетом от 3 до 6 м с разным количеством и расположением МЗП. Расчет выполнялся для распределенной нагрузки.
Переменными факторами приняты количество МЗП и расположение МЗП по длине балки. Количество МЗП зависит от нагрузки и размеров МЗП. Для анализа влияния расположения МЗП по длине балки выбраны абсолютно случайные параметры длины балки, нагрузки и количества МЗП. Коэффициенты Кж и Kw определены при шаге 0, 50, 100, 150, 200 мм и т.д. кратно 50 мм. В результате получены зависимости коэффициентов Кж и Kw от распределения МЗП на определенной длине (рисунок 4.5.1). Наибольшие значения Кж получаются при распределении МЗП на участке 0,2...0,3 пролета балки, a Kw на участке 0,35.. .0,4 пролета. Значения коэффициента Кж варьируются от 0,6 до 0,97, a Kw от 0,87 до 1.