Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса и задачи исследований 14
1.1 Общие сведения о панельных конструкциях 14
1.2 Основные типы панелей на деревянном каркасе 18
1.3 Теоретические и экспериментальные работы по оценке напряженно-деформированного состояния панелей на деревянном каркасе 28
1.4 Предложения по совершенствованию панельных конструкций на деревянном каркасе 37
1.5 Выводы по первой главе. Постановка задач исследования 39
2. Разработка новых типов панелей с клеедощатой обшивкой 42
2.1 Предпосылки для создания технологически унифицированных панелей с клеедощатой обшивкой, включенной в общую работу конструкции 42
2.2 Общие положения, принятые при разработке опытных конструкций 46
2.3 Конструктивные решения деревянных панелей 49
2.3.1 Панели покрытия и перекрытий 49
2.3.2 Стеновые панели 61
2.4 Примеры блочных конструкций на основе предложенных панелей 63
2.5 Выводы по второй главе 71
3. Численные исследования и анализ напряженно- деформированного состояния разработанных конструкций 72
3.1 Общее направление исследований, цель и задачи 72
3.2 Обоснование выбранного метода исследования 73
3.3 Исследование влияния различных факторов на НДС предложенных конструктивных форм 75
3.3.1 Влияния конструктивных особенностей, статических и геометрических параметров 77
3.3.2 Оценка влияния предварительного напряжения обшивки в поперечном направлении 86
3.4 Проверка устойчивости сжатой клеедощатой обшивки разработанных панелей 88
3.5 Инженерная методика расчета деревянных панелей с клеедощатой обшивкой, включенной в общую работу конструкции . 90
3.6 Выводы по третьей главе 97
4. Экспериментальные исследования панелей с клее дощатой обшивкой 99
4.1 Цель и задачи исследований 99
4.2 Методика испытаний опытных конструкций 100
4.3 Анализ результатов кратковременных испытаний 111
4.3.1 Панели П-образного поперечного сечения 112
4.3.2 Панели поперечного сечения в виде 2Т 123
4.4 Результаты длительных испытаний 128
4.5 Выводы по четвертой главе 131
5. Рекомендации по конструированию, расчету и изготовлению деревянных панельных конструкций с клеедощатыми обшивками и их технико-экономическая эффективность 133
5.1 Рекомендации по конструированию, расчету и изготовлению... 133
5.1.1 Общие положения 133
5.1.2 Материалы 134
5.1.3 Конструирование и расчет 135
5.1.4 Меры защиты 144
5.1.5 Изготовление панельных конструкций 145
5.2 Технико-экономическая эффективность панельных конструкций с клеедощатой обшивкой 148
5.3 Выводы по пятой главе 158
Основные выводы 159
Список литературы 162
Приложение. Справки о внедрении результатов работы 179
- Теоретические и экспериментальные работы по оценке напряженно-деформированного состояния панелей на деревянном каркасе
- Предпосылки для создания технологически унифицированных панелей с клеедощатой обшивкой, включенной в общую работу конструкции
- Влияния конструктивных особенностей, статических и геометрических параметров
- Технико-экономическая эффективность панельных конструкций с клеедощатой обшивкой
Введение к работе
Актуальность работы. Интенсивное освоение и развитие многих регионов России невозможно без крупномасштабного расширения строительства деревянных зданий массовых серий, как в жилищном секторе, так и в области возведения производственных объектов различного назначения. При расходовании на нужды строительства огромных объемов материальных и энергетических ресурсов, повышение эффективности их использования приобретает существенное значение и становится важной народнохозяйственной проблемой.
Такое повышение может быть достигнуто, в частности, за счет внедрения в практику строительства унифицированных по своим технологическим качествам деревянных панельных конструкций заводского изготовления, которые будут являться основой для разнотипных жилых и производственных объектов, обеспечивая качество и быстроту их строительства с сохранением высоких архитектурно-эстетических свойств. Технологическая унификация панелей на деревянном каркасе обеспечит возможность серийного поточного высокоскоростного производства, что приведет к снижению стоимости каждого квадратного метра малоэтажных жилых домов и производственных зданий, что особо актуально на сегодняшний день в свете реализации национальных проектов «Доступное и комфортное жилье - гражданам России» и «Развитие агропромышленного комплекса».
Вместе с тем, негативным фактором, тормозящим применение технологически унифицированных панельных конструкций на основе древесины в строительстве является отставание конструкторских и научных исследований в этом направлении. Известные конструктивные отечественные и зарубежные решения нельзя признать удачными, так как их использование связано либо со значительной трудоемкостью изготовления и сложностью сборки, либо с большим расходом материалов. Известные технологии малоэтажного строительства, как правило, предусматривают использование разнотипных конструктивных элементов и компоновочных схем при возведении покрытия, перекрытий и стен жилых, общественных или производственных объектов. Существующие методы расчета деревянных каркасных панелей не дают ответа на вопрос о степени участия в общей работе конструкции клеедощатых обшивок, которые могут быть расположены как в сжатой, так и в растянутой зонах поперечного сечения изгибаемых или сжато-изгибаемых панелей. Отсутствуют и какие-либо экспериментальные данные по этому вопросу. Во многих случаях это приводит к несоответствию расчетных моделей реальному поведению конструкции при воздействии эксплуатационных нагрузок.
В связи с изложенным, разработка новых типов деревянных панельных конструкций, обеспечивающих возможность технологической унификации, снижение материалоемкости, трудоемкости изготовления, повышение эксплуатационной надежности и долговечности, приобретает особое значение для развития экономики России. Стремление к снижению материалоемкости и улучшению других показателей должно сочетаться с обеспечением эксплуатационной надежности и долговечности разработанных конструктивных форм, что предопределяет необходимость адекватной оценки их напряженно-
деформированного состояния на базе дополнительных теоретических и экспериментальных исследований.
Предлагаемая диссертационная работа проведена в рамках научно-технической программы Министерства образования и науки РФ «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники». Раздел 21.03 «Создание эффективных строительных конструкций, совершенствование методов их расчета и конструирования» (№Г.Р.01.200.3 13588). Тема работы вошла в план фундаментных и прикладных исследований РААСН на 2007-2008 годы, тактическая задача 2 «Разработка теории и типологии зданий и сооружений, эффективных строительных материалов, конструкций, технологий, инженерного оборудования; обеспечение безопасности». Также разработанная тема входит в план госбюджетных НИР кафедры строительных конструкций Оренбургского государственного университета «Исследования прочности, устойчивости и износа конструкций зданий и сооружений» (№Г.Р.01990000100,кодтемыпоГРНТИ: 67.11.37.67.11.41).
Цель работы: разработка и исследование новых типов деревянных изгибаемых и сжато-изгибаемых панельных конструкций с клеедощатой обшивкой, обеспечивающих снижение материалоемкости и трудозатрат за счет технологической унификации и совмещения несущих и ограждающих функций.
Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие взаимосвязанные задачи:
обобщить и проанализировать отечественный и зарубежный опыт конструкторских разработок в направлении предпринятых автором исследований, сформулировать рабочие гипотезы, цель и задачи работы;
разработать новые типы технологически унифицированных панельных конструкций с клеедощатой обшивкой, совмещающих несущие и ограждающие функции в покрытиях и стенах;
численными методами подтвердить правильность выдвинутых научных гипотез, выявить и проанализировать закономерности изменения напряженно-деформированного состояния предложенных конструктивных форм в зависимости от статических и геометрических параметров, расположения обшивки в сжатой или растянутой зонах поперечного сечения, наличия предварительного напряжения поперек волокон обшивки за счет поперечного армирования;
усовершенствовать инженерную методику расчета панельных конструкций с клеедощатой обшивкой, включенной в общую работу конструкции, в том числе с использованием программных комплексов типа «Лира» и «SCAD»;
провести экспериментальные исследования натурных образцов панелей на кратковременную и длительную статические нагрузки для оценки достоверности усовершенствованной методики расчета, а также для изучения действительного характера их работы под нагрузкой и отработки технологических аспектов;
определить технико-экономическую эффективность применения разработанных конструкций в зданиях различного назначения;
дать рекомендации по проектированию и изготовлению деревянных панельных конструкций с клеедощатой обшивкой;
осуществить внедрение в практику проектирования результатов выполненной работы.
Объект исследования - деревянные унифицированные панельные конструкции с клеедощатой обшивкой.
Предмет исследования - напряженно-деформированное состояние предложенных конструктивных форм с развитием методики расчета и рекомендаций по их проектированию.
Научная новизна работы заключается в следующем:
разработаны новые типы технологически унифицированных панельных конструкций с клеедощатой обшивкой, совмещающих несущие и ограждающие функции в покрытиях и стенах;
установлены закономерности влияния статических и геометрических параметров, схемы расположения обшивки в сжатой или растянутой зонах поперечного сечения, предварительного поперечного обжатия обшивки на напряженно-деформированное состояние разработанных конструктивных форм;
- усовершенствованы методики расчета изгибаемых и сжато-
изгибаемых панелей с клеедощатой обшивкой, позволяющие адекватно оце
нить их фактическое напряженно-деформированное состояние;
- получены новые экспериментальные данные, подтверждающие досто
верность выявленных закономерностей и основных положений усовершенст
вованных методик расчета, а также в достаточно полной мере отражающие
действительную работу разработанных панелей при действии кратковремен
ной и длительной нагрузок.
Практическая ценность работы заключается:
в разработке новых деревянных панельных конструкций с клеедощатой обшивкой для использования в покрытиях и стенах зданий и сооружений различного назначения, включающей выполнение рабочих чертежей;
в усовершенствовании инженерного метода расчета предлагаемых панелей с учетом включения клеедощатой обшивки в общую работу конструкции, а также рекомендаций по их проектированию и изготовлению;
в возможности повысить при применении разработанных конструкций эффективность капитальных вложений, снизить материалоемкость и трудозатраты по сравнению традиционными деревянными конструкциями, что достигается за счет включения обшивки в общую работу панелей, совмещения несущих и ограждающих функций, технологической унификации и повышенной степени заводской готовности.
Внедрение результатов работы:
предложенные панельные конструкции с клеедощатой обшивкой нашли применение в проектах: малоэтажных жилых домов, зданий и сооружений сельскохозяйственного назначения, складов и стоянок, реконструкции зданий путем их надстройки (всего 6 объектов);
материалы исследований и альбомы рабочих чертежей разработанных конструкций переданы по запросу Правительству Оренбургской области для внедрения при обустройстве российско-казахстанской границы;
- рабочие чертежи разработанных панелей переданы по запросам в
строительные организации и проектные институты: ООО «Технология»
(г. Оренбург), МППИ «Красноярскгорпроект», ОАО «Красноярскгражданпро-ект», ООО «СмоленскТеплоКор», ОАО «КумАПП» (г. Кумертау), 000 «Висла» (г. Оренбург);
- материалы исследований включены в разделы специального курса
«Индустриальные конструкции на основе древесины для строительства быст-
ровозводимых зданий и сооружений», которые читаются студентам специаль
ностей 270102 «Промышленное и гражданское строительство» и 270105 «Го
родское строительство и хозяйство» Оренбургского государственного универ
ситета и инженерно-строительного института Сибирского федерального уни
верситета (г. Красноярск).
На защиту выносятся:
новые конструктивные решения панелей с клеедощатой обшивкой для зданий и сооружений различного назначения;
результаты экспериментально-теоретических исследований напряженно-деформированного состояния разработанных панелей с учетом различных статических и геометрических параметров, расположения обшивки в сжатой или растянутой зонах поперечного сечения, наличия предварительного напряжения поперек волокон обшивки за счет поперечного армирования;
инженерная методика расчета предложенных конструктивных форм, работающих на изгиб и сжатие с изгибом с учетом включения клеедощатой обшивки в общую работу конструкции;
результаты технико-экономической оценки разработанных панелей, а также рекомендации по их проектированию и изготовлению.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы были доложены и обсуждены на V международной научной конференции «Прочность и разрушение материалов и конструкций», г. Оренбург, 12-14 марта 2008 г.; 65-ой научно-технической конференциии НГАСУ (Сибстрин), г. Новосибирск, 2008 г.; XIII-XV международных симпозиумах «Современные строительные конструкции из металла и древесины», г.Одесса, 2008, 2010гг.; международном конгрессе «Наука и инновации в строительстве», г. Воронеж, 2008г.; международном симпозиуме «Современные металлические и деревянные конструкции (нормирование, проектирование и строительство)», г. Брест, 15-18 июня 2009 г.; VIII международной научной конференции «Drewno I materialy drewnopochodne w konstrukcjach budowlanych», Щтецын, Польша, 2009 г.; X, XII международных научно-практических конференциях «Эффективные строительные конструкции: теория и практика», г. Пенза, 2008г, 2010 г.
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 21 печатных работах, в том числе 4 статьи в изданиях, включенных в перечень ВАК РФ, выпущено 2 информационных листка, получено 2 патента на изобретение, 1 положительное решение о выдаче патента РФ на изобретение «Здание из деревянных панелей», 1 монография по теме диссертации (в соавторстве).
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка использованных источников из 179 наименований и приложения. Общий объем работы - 188 страниц текста, в том числе 60 рисунков, 9 таблиц, 9 страниц приложения.
Теоретические и экспериментальные работы по оценке напряженно-деформированного состояния панелей на деревянном каркасе
Требования индустриализации и ускорения строительства, особенно в труднодоступных и малонаселенных районах, отличающихся дефицитом квалифицированной рабочей силы, обусловили целесообразность разработки и внедрения в практику сборных трехслойных панелей типа «сэндвич» с металлическими профилированными обшивками. Такие панели с применением эффективных минераловатных или заливочных пенопластовых утеплителей обеспечивали не только легкость всего здания и низкую его себестоимость, но и существенно сокращали транспортные расходы, трудоемкость монтажа и общие сроки возведения строительного объекта по сравнению с аналогичными железобетонными конструкциями.
Эволюция деревянных ограждающих элементов также неразрывно связана с переходом от конструкций построечного изготовления к сборным панелям повышенной степени заводской готовности. Как правило, в конструкцию панелей входили несущие деревянные продольные ребра и обшивки, выполненные из плоских асбестоцементных листов, тонких досок или фанеры /18, 37, 38, 78 /. Разработка ограждающих конструкций заводского изготовления на деревянном каркасе базировалась на фундаментальных трудах Ф.П. Белянкина, В.В. Большакова, Е.М. Знаменского, Ф.В. Иванова, Ю.М. Иванова, Г.Г. Карлсена, М.Е. Когана, В.М. Коченова, М.Ф. Ковальчука, Д.А. Кочеткова, Н.Л. Леонтьева, А.Р. Ржаницына и других выдающихся ученых, в трудах которых были продолжены и развиты традиции И.П. Кулибина, Д.И. Журавского и В.Г. Шухова, блестяще сочетавших теорию с практикой.
Опыт отечественного строительства производственных, сельскохозяйственных и общественных зданий на основе деревянных панельных конструкций в 70-80х гг. доказал их экономическую эффективность / 6, 59, 70, 83 /. Однако, несмотря на огромные лесосырьевые ресурсы и на то, что в ряде регионов нашей страны лес является местным строительным материалом, на сегодняшний день объем зданий с применением панелей на деревянном каркасе составляет менее 15% от общего количества вводимого малоэтажного жилья. В это же время в таких странах как Швеция, Финляндия, США и Канада наблюдается мощное развитие деревянного панельного домостроения. Опыт иностранных строителей используется и в России. Так, при строительстве домов в Твери, Кимрах, Аввакумове были использованы канадские технологии и привлечены зарубежные специалисты. «Канадские» дома в наших отечественных условиях оказались экономичнее, чем обычные здания из кирпича и бетона. Использование древесины в несущих и ограждающих конструкциях позволило добиться транспортабельности, быстроты возведения, а также значительного снижения массы как отдельных панелей, так и зданий в целом.
В настоящее время в России назрела объективная необходимость изменения отношения к развитию и использованию лесных ресурсов, учитывая их влияние на потребление энергии, воздействие на здоровье людей, загрязнение атмосферы, рынок строительных материалов. Огромные запасы российской древесины, соответствующие климатические условия, национальные традиции жилища, а также улучшение экономической ситуации в стране создают предпосылки для широкого применения деревянных конструкций. Заслуживает особого внимания целесообразность дальнейшего совершенствования конструкций на основе древесины для массового строительства из панелей заводского изготовления, обеспечивающих возможность возведения как покрытий (перекрытий), так и стен из однотипных элементов. Унифицированные по своим технологическим качествам панельные конструкции должны являться основой для разнотипных зданий и сооружений, обеспечивая низкую стоимость, качество и быстроту их строительства с сохранением высоких архитектурно-эстетических качеств.
Получить качественный скачок в области совершенствования строительных конструкций невозможно без всестороннего анализа и синтеза наилучших известных вариантов, без изучения опыта ученых и инженеров в области проводимых исследований. В связи с этим проанализируем преимущества и недостатки известных конструктивных решений панелей на деревянном каркасе. Отметим, что в действующей нормативно-технической и справочной литературе отсутствует четкая трактовка терминов и определений, связанных с тематикой проводимых исследований. Для исключения различных толкований приведем определения основных терминов в диссертации, которые, в целом, соответствуют проекту главы СНиП 1-2, техническим словарям / 9 / и позволяют четко отразить содержание работы: - «панель» - изгибаемый или сжато-изгибаемый плоскостной элемент,, толщина которого мала по сравнению с другими размерами, применяемый в строительстве для покрытий, перекрытий или стеновых ограждений зданий т сооружений различного назначения и выполняющий несущие, ограждающие или совмещенные функции; - «технологическая унификация» — возможность серийного поточного высокоскоростного производства конструкций различного назначения с минимальными типоразмерами на одних и тех же технологических линиях без существенной их переоснастки; - «совмещенные конструкции» — конструкции, применяемые при строительстве зданий и сооружений различного назначения и выполняющие одновременно несущие и ограждающие функции; - «приведенная ширина обшивки» — расчетное значение ширины, обшивки, при котором, если считать её загруженной наибольшим напряжением, действующим в рассматриваемом ребристом поперечном сечении, она будет воспринимать такое же усилие, как фактическая обшивка при неравномерном распределении напряжений; - «коэффициент приведения обшивки» — снижающий коэффициент, учитывающий степень неравномерности распределения нормальных напряжений в обшивках ребристых конструкций и равный отношению приведенной и фактической ширин обшивки.
Предпосылки для создания технологически унифицированных панелей с клеедощатой обшивкой, включенной в общую работу конструкции
Теория метода конечных элементов реализована во многих программных комплексах, в числе которых: ЛИРА, SCAD, NASTRAN, ANSYS, COSMOS, ABAQUS и др. Перечисленные программные комплексы широко применяются для расчета строительных конструкций. Многие из них развиваются в направлении сближения с интересами проектировщиков. В1 таких программах как ЛИРА и SCAD реализованы процедуры, позволяющие проектировщику выполнять проверку прочности по действующим нормам. Зарубежные комплексы ориентированы на соответствующие нормы AASHTO (США) и EuroCode2 (Европа), что вносит некоторые затруднения при обработке полученных результатов. В настоящее время Минрегионом РФ проводится сертификация зарубежных программных продуктов на их соответствие нормативным документам, действующим в нашей стране. При этом преимущества, которыми обладает МКЭ и программные комплексы на его основе, иногда оказываются бессмысленными, если проектировщик не имеет достаточно глубоких знаний в области конструирования и расчета строительных конструкций. Ведь именно от этого зависит правильность постановки задачи, формирования расчетной схемы, задания исходных данных и в конечном итоге объективного анализа результатов расчета.
Отметим, что приведенные выше результаты исследований применимы для клеефанерных панелей и частично для обшивок из досок толщиной не более 20мм, работающих на сжатие. Решения же задачи по определению доли участия в общей работе конструкции клеедощатых обшивок из брусков, которые могут быть расположены как в сжатой, так и в растянутой зонах поперечного сечения изгибаемых или сжато-изгибаемых панелей в нормативно-технической литературе отсутствует. Также отсутствуют теоретические и экспериментальные данные по учету предварительного напряжения в обшивках в направлении поперек волокон, что приводит к несоответствию расчетных моделей реальному поведению конструкции при воздействии эксплуатационных нагрузок.
Вышеприведенный обзор предопределяет необходимость детального исследования и анализа особенностей напряженно-деформированного состояния изгибаемых и сжато-изгибаемых деревянных панельных конструкций с клеедощатой обшивкой.
Для панельных конструкций на деревянном каркасе нашли наиболее широкое применение обшивки из плоских асбестоцементных листов, стальных профилированных листов, фанеры и древесных материалов. Все они не лишены определенных недостатков, влияющих как на материалоемкость конструкции, так и на ее эксплуатационную надежность.
К существенным недостаткам асбестоцементных обшивок относятся-хрупкость, выделение канцерогенных веществ, вредных для здоровья людей, отсутствие возможности включения обшивки в общую работу конструкции, что приводит к перерасходу древесины на основные ребра.
Стальные профилированные обшивки могут быть включены в общую работу панели, однако из-за разных коэффициентов температурно-влажностного расширения в клеевом шве между обшивкой и ребрами возникают значительные внутренние напряжения, зачастую приводящие к нарушению целостности соединения. С другой стороны, из-за малой толщины листов (не более 0,8мм) требуются дополнительные конструкционные мероприятия для обеспечения устойчивости обшивки при работе ее на сжатие. Тонкие стальные листы имеют малую степень огнестойкости и долговечности.
Листовые обшивки из фанеры или других аналогичных древесных материалов (типа OSB, LVL и им подобные) при всех своих положительных качествах также не лишены ряда недостатков. Так, незначительная толщина обшивок (как правило, не более 10мм) с точки зрения обеспечения их устойчивости при работе на сжатие или сжатие с изгибом существенно ограничивает шаг несущих ребер или приводит к необходимости введения в конструктивную систему панели дополнительных ребер жесткости, что в итоге увеличивает как материалоемкость, так и трудоемкость изготовления конструкции. Проектируя панели с фанерными обшивками, конструктор из-за возможных непроклеек в стыках обязан рассчитывать растянутые обшивки при сниженном на 40% расчетном сопротивлении / 127 /. Также к недостаткам обшивок на основе древесных материалов относится более низкий чем у древесины модуль упругости и значительная неравномерность распределения нормальных напряжений по ширине обшивки / 53 /, что неизбежно снижает долю участия обшивок как силовых элементов в общей работе конструкции.
Все недостатки указанных видов обшивок могут быть значительно устранены путем применения клеедощатых щитов, склеенных из деревянных брусков поперечным сечением не более чем 45 x45мм. При таком поперечном сечении каждого отдельного бруска минимизируется влияние усушки и разбухания на трещиностойкость обшивки. Кроме этого, при повышенной толщине щита отпадает необходимость учета устойчивости обшивки, которая обеспечивается за счет ее толщины. При изготовлении несущих ребер и обшивки из одной и той же древесины устраняется возможность возникновения внутренних напряжений по клеевому шву их соединения. Варьируя толщиной обшивки, можно получать конструкции с необходимой степенью прочности и жесткости, что открывает возможности технологической унификации при изготовлении комплекта сборных элементов на здание в целом (плиты покрытия, перекрытия, стеновые панели). Применение клеедощатых обшивок в панелях на деревянном каркасе открывает возможность получения конструкций со 100% степенью заводской готовности. После монтажа панелей стен и перекрытий с обшивками, обращенными в помещение, вплотную друг к другу образуются гладкие потолки и стены, поскольку поверхности обшивок легко заранее обработать и отделать на заводе. Таким образом, на основе проделанного анализа, приведенного в настоящей главе, автор формулирует следующие рабочие гипотезы. Рабочая гипотеза №1: достичь снижения материалоемкости и трудоемкости изготовления, а также существенного повышения уровня технологической унификации отдельных элементов полносборных зданий можно за счет применения совмещенных панелей покрытия и стен с клеедощатыми обшивками. Рабочая гипотеза №2: на степень участия клеедощатой обшивки в общей работе конструкции будут влиять не только статические и геометрические параметры, но и расположение обшивки в сжатой или растянутой зонах поперечного сечения. Рабочая гипотеза №3: повысить трещиностойкость клеедощатой обшивки можно путем создания в ней предварительного напряжения поперек волокон при помощи вклееных стержней, что так же может увеличить степень включения клеедощатой обшивки в общую работу конструкции.
Влияния конструктивных особенностей, статических и геометрических параметров
Точность расчета предложенных панельных конструкций в значительной мере зависит от правильности учета вовлеченной в общую работу клеедощатой обшивки. Степень включения обшивки в общую работу, как известно, оценивается коэффициентом приведения (коэффициент полезной ширины, редукционный коэффициент), зная который, можно с достаточной для практических целей точностью рассчитать предложенные панельные конструкции. Определением величины эффективно работающей части обшивки занимались В.Н. Быковский, А.Б. Губенко, С.Г. Лехницкий, П.Ф. Папкович, Г.Г. Ростовцев, П.А. Соколов, Т. Карман, X. Кокс, П. Дутко, И.Г. Бубнов, и другие / 18, 38, 91, 116, 158 /. Несмотря на оригинальность предложенных методик расчета, все они не в полной мере отражают особенности работы клеедощатых обшивок в составе деревянных ребристых изгибаемых или сжато-изгибаемых конструкций, что в итоге приводит к несоответствию расчетных моделей реальному поведению конструкции при воздействии эксплуатационных нагрузок.
Наиболее близкие к направлению проводимых исследований работы выполнены в Сибстрине (г. Новосибирск) и СФУ (г. Красноярск) под руководством д.т.н., профессора Дмитриева П.А. Так, изучению изгибаемых и сжато-изгибаемых плит и панелей с фанерной обшивкой посвящены труды СВ. Де-ордиева, В.И. Жаданова, И.С. Инжутова, В.И. Хорошего / 52-56, 63, 64, 148 /, которые показали высокую эффективность включения ограждающих элементов в общую работу конструкции.
Однако проведенные исследования не отражают особенностей работы деревянных каркасных панелей с клеедощатой обшивкой толщиной более 20мм, которая может быть расположена как в сжатой, так и в растянутой зонах поперечного сечения. По нашему предположению обшивка с повышенной толщиной повысит эффективность ее участия в общей работе системы (гипотеза 1). Также на степень участия обшивки в общей работе конструкции будут влиять не только статические и геометрические параметры разработанных конструкций, но и характер работы обшивки на сжатие или растяжение (гипотеза 2). Кроме этого, в научно-технической литературе отсутствуют данные о влиянии на НДС конструкции предварительного напряжения поперек волокон древесины обшивки, создаваемого при помощи стальных стержней. Предположительно такое предварительное напряжение может увеличить степень включения доща-токлееной обшивки в общую работу конструкции (гипотеза №3).
В связи с вышеизложенным целью численных исследований явилось изучение фактического напряженно-деформированного состояния предложенных конструктивных форм и проверка выдвинутых гипотез. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи: — выявить и проанализировать закономерности изменения напряженно-деформированного состояния предложенных конструктивных форм в зависимости от статических и геометрических параметров; — определить влияние схемы расположения обшивки в сжатой или растянутой зонах поперечного сечения на НДС разработанных конструкций; — установить влияние наличия предварительного напряжения в обшивке за счет поперечного армирования на степень ее участия в работе конструкции; — проверить устойчивость сжатых обшивок; — на основе результатов численных исследований усовершенствовать инженерную методику расчета панельных конструкций с клеедощатой обшивкой. В качестве основного инструмента численных исследований напряженно-деформированного состояния изгибаемых и сжато-изгибаемых панелей с клеедощатой обшивкой, включенной в общую работу конструкции, был применен пакет прикладных программ «SCAD» / 23, 166 /. Дублирование полученных результатов осуществлялось при помощи программного комплекса «ЛИРА». В основе данных программ заложен метод конечных элементов, внедрению которого в вычислительный процесс путем создания прикладных программ посвящены работы Д. Аргириса, К.Ю. Батэ, С. Бреббиа, Р. Галлагера, О. Зенкевича, Д. Одена, Л. Сегерлинда, З.И. Бурмана, А.С. Городецкого, В.Г. Корнеева, A.M. Масленникова, А.В. Перельмутера, В.А. Постнова, Л.А. Розина, В.И. Сливкера, А.П. Филина, Н.Н. Шапошникова и других. Программные комплексы типа «SCAD» и «Лира» хорошо зарекомендовали себя в инженерной практике. Данные программы универсальны, позволяют использовать большое число типов конечных элементов, дают возможность применения нерегулярной разбивочной сетки (с локальным сгущением в местах наибольшего градиента внутренних усилий) и имеют удобную сервисную часть. Вместе с тем, с развитием программных средств на основе численных методов очень важно разрабатывать упрощенные, экспериментально-теоретические методы расчета строительных конструкций. В этом случае целью является получение достаточно простых формул и коэффициентов, отражающих специфику работы конструкции. Это может быть достигнуто решением ряда задач с поочередно меняющимися главными факторами, сравнением и уточнением, при необходимости, полученных данных с экспериментальными результатами, с последующей аппроксимацией результатов решений простыми, удобными в обращении формулами. В конечном счете, упомянутые формулы и коэффициенты должны обеспечивать адекватный переход от пространственной системы к плоскостной, то есть без потери при этом достоинств и особенностей пространственной работы предложенных панельных конструкций. Упрощенный инженерный метод расчета должен позволять в сравнительно простой форме получать и анализировать результаты. Необходимость в нем обусловлена и спецификой, например, вариантного проектирования. Объектом численных исследований явились панельные конструкцииЛ-образного и в виде двойного Т поперечного сечения, состоящие из несущих деревянных ребер и жестко присоединенной к ним клеедощатой обшивки. Для обеспечения возможности сравнения расчетных и экспериментальных данных основные геометрические и физические параметры панелей принимались такими же, как и в опытных конструкциях, определенных предварительно путем приближенного статического расчета по прочности и деформативности в соответствии с требованиями / 127, 135 /. В качестве базового варианта была принята панель с размерами в плане 1,5x3,0м П-образного поперечного сечения.
Технико-экономическая эффективность панельных конструкций с клеедощатой обшивкой
С целью изучения действительной работы предлагаемых конструкций, их элементов и соединений, выявления степени достоверности результатов численных исследований, проверки выдвинутых при проектировании гипотез, обоснованности усовершенствованных методик расчета были проведены статические испытания натурных панелей П-образного и в виде 2Т поперечного сечения с габаритными размерами в плане 1,5x3,0 м. Программа испытаний предусматривала кратковременные и длительные нагружения опытных образцов. Кратковременным испытаниям были подвержены все изготовленные панели, на действии длительных нагрузок была испытана одна панель П-образного поперечного сечения / 177, 178 /.
Для реализации поставленной цели решались следующие задачи: - исследовать напряженно-деформированное состояние каждого конструктивного элемента панели; - оценить степень и долю включения клеедощатой обшивки в общую работу конструкции в зависимости от геометрических размеров панели, схемы расположения обшивки в сжатой или растянутой зонах поперечного сечения, схемы работы панельной конструкции (на изгиб или сжатие с изгибом), наличия предварительного напряжения в обшивке за счет поперечного армирования; - определить действительную несущую способность и деформативность конструкции, выяснить место и характер разрушения; - установить сходимость результатов теоретических и экспериментальных исследований для определения возможности применения программных комплексов и усовершенствованных методик расчета в инженерной практике; - проверить эксплуатационную надежность разработанных конструкций при действии длительных нагрузок. Для испытаний были изготовлены три панели П-образного (рисунок 2.1) и две в виде двойного Т поперечного сечения. Изготовление панелей, проводилось в соответствии с требованиями / 118 / в следующем.порядке: - заготовка элементов панели (клеедощатая обшивка; ребра, диафрагмы) согласно рабочим чертежам; - соединение несущих ребер с диафрагмами жесткости на вклеенных стержнях; - приклеивание клеедощатой обшивки к основным ребрам конструкции с гвоздевым прижимом. Изготовление клеедощатых обшивок выполнялось на запрессовочных стендах ООО «Висла». При этом отметим, что какой-либо существенной переналадки технологической линии при изготовлении обшивок не потребовалось. В целом результаты изготовления опытных панельных конструкций с размерами в плане 1,5 3,0 м свидетельствуют о высокой степени их технологичности, а также о возможности производства таких конструкций на действующих заводах КДК. Опытные конструкции после сборки и установки на опоры показаны на рисунках 4. 1 и 4.2.
G учетом? фактических размеров поперечных сечений элементов расчетная: нагрузка на изготовленные панели, определенная по методике, изложенной в главе 3, для П-образных конструкций составила q = 6,20 кН/м при работе на изгиб и q = 6,54 кН/м2, N= 60,0 кН при работе на сжатие с изгибом. Для конструкций с поперечным сечением в виде двойного Т эти значения соответственно были равны q = 4,87 кН/м2 и q =4,97 кН/м2, N = 60,0 кН; Фактические размеры несущих ребер панели П-образного поперечного сечения составили 40x170 мм, ребра панелей сечения в виде двойного Т были выполнены из досок с размерами 40x140 мм. Толщина обшивки была одинаковой и составляла 40мм.
Панели испытывали в горизонтальном положении как конструкцию, имеющую с одной стороны шарнирно-подвижную, с другой - шарнирно-неподвижную опоры. При этом опорные реакции передавались на ребра через стальные прокладки длиной 60 мм и шириной равной, ширине несущих ребер. При расположении обшивки в растянутой зоне поперечного сечения, опорные пластины крепились непосредственно к обшивке.
Перед испытанием опытные конструкции тщательно обследовали визуально. Фактические пороки древесины были сопоставлены с допусками по нормам. Кроме того, проверяли качество изготовления конструкций (точность подгонки элементов, наличие или отсутствие повреждений древесины, качество обработки рабочих поверхностей, качество клееных швов и т.д.).
В процессе испытаний контролировали температуру и влажность воздуха в помещении. Испытания панелей были проведены с использованием методики и рекомендаций по испытанию деревянных конструкций /112/.
Для получения четкой картины напряженно-деформированного состояния разработанных панельных конструкций под нагрузкой при проведении испытаний измеряли основные деформации системы (прогибы панели в середине и третях пролета, осадки опор, изменение длины пролета, прогиб клее-дощатой обшивки относительно продольных ребер, величину расхождений несущих ребер в сечении между диафрагмами) и фибровые деформации элементов. Для определения вышеуказанных деформаций приборьг были установлены на элементы панельных конструкций П-образного поперечного сечения согласно рисункам 4.3-4.5. На панелях с поперечным сечением в виде 2Т и при испытаниях конструкций с обшивкой расположенной в растянутой зоне поперечного сечения схема расстановки приборов была аналогичной.
