Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Современное состояние армированных деревянных конструкций и некоторые сведения о материалах для них 7
1.1. Состояние исследований деревянных конструкций со стальной арматурой 7
1.2. Стеклопластиковая арматура и ее применение в деревянных конструкциях 16
1.3. Применяемые-математические интерпретации реологических сйойств древесины 25
Глава 2. Расчет предварительно напряженных деревянных балок со стеклопластиковой арматурой с учетом про должительности действия нагрузки 33
2.1. Определение напряженно-деформированного состояния балок в области затухающей ползучести 33
2.2. Длительная несущая способность предварительно напряженных деревянных балок со стекло-пластиковой арматурой 46
. 2.3. Практический способ расчета изгибаемых элементов с учетом ползучести 50
Глава 3. Экспериментальные исследования клееных балок со стеклопластиковой арматурой 55
3.1. Изготовление опытных образцов 55
3.2. Методика испытаний, приборы и оборудование
Глава 4. Результаты экспериментальных исследований и их сопоставление с теоретическими данными 82
4.1. Механические характеристики материалов и кратковременная несущая способность опытных балок 82
4.2. Изменение во времени напряженно-деформированного состояния балок под действием усилия предварительного обжатия (без внешних силовых воздействий ) 99
4.3. Результаты испытаний деревянных балок со стеклопластиковой арматурой при длительном действии нагрузок 105
Глава 5. Применение в строительстве и технико-экономическая эффективность предварительно напряженных клееных деревянных конструкций со стеклопластиковой арматурой 127
5.1. Опытно-промышленная проверка предварительно напряженных деревянных конструкций со СПА.. 127
5.2. Технико-экономическая эффективность применения деревянных конструкций со СПА в строительстве 131
Выводы и предложения 140
Литература
- Стеклопластиковая арматура и ее применение в деревянных конструкциях
- Длительная несущая способность предварительно напряженных деревянных балок со стекло-пластиковой арматурой
- Методика испытаний, приборы и оборудование
- Изменение во времени напряженно-деформированного состояния балок под действием усилия предварительного обжатия (без внешних силовых воздействий )
Введение к работе
Актуальность темы. Клееные деревянные конструкции, обладая рядом положительных качеств, привлекают к себе повышенный интерес как за рубежом, так и в нашей стране. Небольшой собственный вес, возможность перекрытия больших пролетов, эстетичность, высокая стойкость ко многим видам химической агрессии, возможность использования в условиях современной технологии изготовления разносортного и короткомерного пиломатериала, возможность массового производства, наличие большой сырьевой базы - эти и некоторые другие особенности предопределяют широкое применение клееных деревянных конструкций во многих областях строительства.
Одиннадцатым пятилетним планом развития народного хозяйства предусматривается наращивать производство клееных деревянных конструкций. В связи с этим актуальным становится вопрос снижения расхода древесины в таких конструкциях. Существенный вклад в решение этой важной задачи может внести массовое применение эффективных армированных деревянных конструкций, особенно предварительно напряженных.
Проводимые в СССР и за рубежом исследования этого нового вида деревянных конструкций дают положительные результаты. Кроме снижения расхода древесины (30% и более) армирование позволяет уменьшить влияние неоднородности и пороков древесины на прочность и деформативность конструкций, повысив тем самым их надежность, дает возможность применять древесину более низких сортов. Недостаточность сведений о работе деревянных армированных конструкций не позволяет продолжить очевидно не законченный перечень положительных особенностей.
Применяемая в деревянных конструкциях стальная арматура в последние годы находит серьезную конкуренцию со стороны высокопрочной стеклопластиковой арматуры ( СПА ). Являясь искусственным полимером, СПА сходна по структуре с древесиной, имеет почти такой же коэффициент температурного удлинения, обладает высокой прочностью и химической стойкостью в различных агрессивных средах, радиопрозрачностью, диэлектрическими свойствами и т.д. Эти и некоторые другие качества СПА предопределяют ее преимущества перед стальной арматурой при применении в деревянных конструкциях.
Цель исследования. Проводимые до сих пор исследования деревянных конструкций со СПА основывались на испытаниях кратковременно действующими нагрузками. В практике же строительные конструкции подвержены, как правило, длительному загружению. Поэтому массовое применение предварительно напряженных деревянных конст-РЗ кций со СПА может иметь место лишь после их всесторонних испытаний, главным образом длительно действующими нагрузками. Надежность эксплуатации таких конструкций будет обеспечена, если при расчете и проектировании будут учтены все особенности их работы во времени.
Предлагаемая вниманию диссертация выполнена в Институте строительства и архитектуры Госстроя БССР в 1976 - 1979 годах и посвящена изучению работы изгибаемых предварительно напряженных деревянных конструкций со стеклопластиковой арматурой при длительном действии нагрузки.
Научная новизна. Впервые изучена работа и показана надежность изгибаемых элементов со СПА при длительных силовых воздействиях. На основании результатов испытаний получена величина предела длительной несущей способности деревянных балок со СПА при изгибе. Разработанная методика расчета позволяет определять напряженно-деформированное состояние балок в любой момент времени.
Установлены потери предварительного напряжения в СПА. от ползучести древесины.
Автор защищает:
метод расчета изгибаемых предварительно напряженных деревянных элементов со СПА. с учетом продолжительности действия нагрузки;
экспериментально-теоретические исследования по изучению характера деформирования преднапряженных балок со СПА. под действием усилия обжатия с определением потерь напряжения в арматуре от ползучести древесины;
результаты экспериментальных исследований по изучению длительной деформативности деревянных балок со СПА в области затухающей ползучести при работе под нагрузкой;
результаты экспериментального определения зависимости несущей способности балок от продолжительности действия и величины длительной нагрузки.
Практическая ценность. Результаты длительных испытаний моделей балок и осуществляемой в зданиях сельскохозяйственного строительства опытно-промышленной проверки деревянных конструкций со СПА позволяют рекомендовать эти эффективные конструкции для массового применения с целью экономии древесины в строительстве. Полученные расчетные положения использованы в разработанных в ИСиА Гоостроя БССР "Рекомендациях по расчету и проектированию предварительно напряженных деревянных конструкций со стеклопластиковой арматурой".
Стеклопластиковая арматура и ее применение в деревянных конструкциях
В последние годы многими исследователями проводятся работы по применению неметаллических видов арматуры в деревянных конструкциях, в частности стеклопластиков / 47-71 /.
В работе / 70,71 / польскими учеными исследовались деревянные клееные балки, усиленные в сжатой и растянутой зонах стекло-пластиковыми накладками на основе полиэфирных смол. Такое армирование несколько улучшает качество деревянных конструкций, однако большого эффекта не приносит из-за низкого модуля упругости ( 23500 Ша ) используемого без предварительного напряжения стеклопластика.
В нашей стране с начала 60-х годов создавалась и исследовалась высокопрочная стеклопластиковая арматура ( СМ ) для бетонных конструкций У 72-74 Л Основная заслуга в создании СНА и изучении ее свойств принадлежит ИСиА Госстроя БССР, ШЖБу, Рижскому, Хабаровскому и Ленинградскому политехническим институтам, Армянскому НИИСОДу и другим организациям. СНА представляет собой пучок однонаправленных стеклянных волокон, объединенных полимерным связующим. Используя стандартное алюмоборосиликатное стекловолокно и эпоксифенольное связующее, путем создания специального технологического процесса получена СПА, обладающая необходимыми свойствами и качеством, обеспечивающими возможность ее эффективного использования в различных конструкциях / 72 /. В процессе исследований СПА установлено, что путем изменения технологического режима могло управлять свойствами арматуры, выявляя ее необходимые особенности / 73,74 / .
По мере возрастания требований к СПА, совершенствовалась технология ее изготовления. В настоящее время СПА производится в Институте строительства и архитектуры Госстроя БССР на полупромышленной автоматизированной технологической линии третьей модификации ТЛ-СПА-3. Производительность линии достаточна для обеспечения научно-исследовательских работ и опытно-промышленной проверки конструкций со СПА в практике строительства. По мере роста объемов внедрения конструкций намечается и расширение объема производства СПА.
В основу технологии производства СПА положен традиционный способ непрерывного изготовления стеклопластиков. Особенности, обеспечивающие высокие физико-механические свойства СПА, заключаются принудительной запрессовке связующего между стеклянными ни тями; удалении летучих из сырого стеклопластикового пучка путем подсушки для уменьшения пористости; многоступенчатом горячем формовании поперечного профиля для постепенного уплотнения стержня; обеспечении вытяжки стеклонитей в процессе формования стержня; создании периодического продольного профиля посредством спиральной навивки на сырой стержень пропитанный полимерным составом стеклонити.
ТЛ-СПА-3 производит арматуру диаметром от 3 до 16 мм. СПА диаметром до 8 мм сматывается на барабаны и поставляется в бухтах. Арматура больших диаметров протягивается специальным трако-вым тянущим устройством и изготавливается в виде отдельных прямолинейных стержней.
Физико-механические свойства СПА достаточно хорошо изучены и описаны в работах / 75-81 /.
Предел прочности арматуры диаметром 3 мм достигает 1800 МПа. С увеличением диаметра прочность СПА снижается. Следует отметить, что коррозионная стойкость арматуры с увеличением диаметра повышается. Рассматривая эти зависимости в совокупности, экономически целесообразно использовать СПА диаметром не более 14-16 мм / 72 /.
Длительная несущая способность предварительно напряженных деревянных балок со стекло-пластиковой арматурой
В области пластического течения рост деформаций во времени завершается потерей несущей способности.
Предел длительной несущей способности балки можно охарактеризовать максимально возможным изгибающим моментом, воспринимаемым сколь угодно длительное время и не приводящим к разрушению.
Для теоретической оценки длительной несущей способности изгибаемого деревянного элемента, армированного в растянутой зоне предварительно напряженной стеклопластиковой арматурой, рассмотрим равновесие нормального сечения в предельной стадии работы ( рис.2.4 ).
Элемент загружен длительно действующей нагрузкой, создающей в крайних волокнах нормальные напряжения, соответствующие длительному сопротивлению древесины растяжению и сжатию.
В предельной стадии эпюра нормальных напряжений носит упруго-пластический характер и в идеализированном виде имеет форму трапеции ( для сжатой зоны ), что характерно как для кратковременного загружения, так и для длительного. Стеклопластиковая арматура, как показано в первой главе, при растяжении работает практически упруго вплоть до разрушения. Это свойство обеспечивает сохранение эффекта предварительного напряжения на всех стадиях загрузки конструкции, включая предельную, и является отличительной чертой СПА от стали, как армирующего материала. Обозначим (см.рис.2.4 ): Л - высота пластического ядра сжатой зоны; hz - высота упругого ядра сжатой зоны; h3 - высота растянутой зоны сечения; Ь - ширина сечения; /7 - отношение модулей упругости СПА. и древесины (п = Ец/В \ С%г - предварительное напряжение в СПА с учетом потерь; /« - площадь сечения арматуры; (%,,&/- длительные сопротивления древесины растяжению и сжатию; М - внешний изгибающий момент.
Внешнему изгибающему моменту противостоит момент внутренних сил Мм в рассматриваемом сечении, который соответствует длительной несущей способности:
При подсчете усилия в арматуре в формуле ( 2.51 ) для упрощения сделано допущение, что напряжения в древесине на уровне оси арматуры соответствуют && .
Для вычисления Мл необходимо установить величины / пг, п3 С этой целью составим систему уравнений, первое из которых представляет собой сумму проекций внутренних сил на продольную ось балки, второе и третье вытекают из простых геометрических соотношений эпюры напряжений: (эМ+0,510 Ь - Go,5h3b- etinFa - Gfe = о ( 2.52 ) я, Л 6 . fa+ha+hs-h Решая систему относительно А , Д и п3 , получим: t? h с У с Ґ Q J , (2.53) ( 2.54 ) ( 2.55 ) где уЦ=Ы/г ? - коэффициент армирования. При конкретном расчете в выражение ( 2.51 ) следует подставлять числовые значения Д- , hs. и п3 , определенные по формулам ( 2.53 ), ( 2.54 ), ( 2.55 ). Подобный подход использовался для определения предельной несущей способности деревянных балок со стальной арматурой при кратковременном / 27 / и длительном / 23 / действии нагрузки (см.первую главу ). Формулы ( 1.4 ) и ( 1.9 ) для конструкций со стеклопластиковой арматурой не применимы в связи с указанным выше свойством СПА работать упруго вплоть до разрыва. При использовании стальной арматуры, последняя в предельной стадии достигает текучести и эффект предварительного напряжения пропадает.
Формула ( 2.51 ), также, как ( 1.4 ) позволяет определить конкретную величину - предел длительной несущей способности деревянной армированной балки, но не отражает временную зависимость длительной прочности.
Теоретический и экспериментальный анализ совместимости деформирования древесины и стеклопластиковой арматуры в предварительно напряженной балке показал, что при достижении древесиной предельной растяжимости, СПА еще обладает запасом прочности. Это говорит о том, что прочность деревянной балки со СПА зависит, главным образом, от прочности древесины. Здесь необходимо иметь в виду, что предела прочности в армированных балках древесина достигает при значительно больших нагрузках, чем в неармирован-ных.
Методика испытаний, приборы и оборудование
Для определения кратковременной несущей способности опытных балок ( РВр ) проведены машинные испытания серии БА-І по методике, описанной в предыдущей главе.
Несущая способность деревянной балки не является постоянной величиной, а зависит от скорости приложения нагрузки. В "Рекомендациях по испытанию деревянных конструкций" / 106 / предложен определенный временной режим испытаний деревянных конструкций, который был использован в наших опытах. В связи со сказанным, под термином "кратковременная несущая способность" следует понимать несущую способность балки, полученную при стандартном режиме испытаний.
По результатам эксперимента построены зависимости, позволяющие судить о характере дефорілирования балок серии БА-І ( рис.4.3, 4.4, 4.5, 4.6 ). В процессе построения графиков деформации и прогибы балок были приведены к единому модулю упругости древесины, равному среднему арифметическому модулей балок ЕА-І-І, БА-І-2, БА-І-3. При нагрузках, приближающихся к разрушающей, измерение деформаций прекращалось из-за выхода из строя приборов. Поэтому, на графиках ( см. рис. 4.3, 4.4, 4.5 ) деформации с момента прекращения измерений до разрушения условно нанесены штриховой линией.
Анализируя эпюры деформаций в среднем сечении балок ( см. рис. 4.6 ), можно без большой погрешности считать, что деформации изменяются, практически, пропорционально расстоянию до нейтрального слоя, т.е. справедлива гипотеза плоских сечений.
Балки серии БА-І разрушились по нормальному сечению, причем характер разрушения всех балок одинаков (рис. 4.7 ). За несколько ступеней до разрушения появлялась складка в сжатой зоне, которая развивалась с увеличением нагрузки в глубь сечения. Потеря несущей способности происходила в момент разрыва растянутых во локон древесины.
В процессе испытаний нарушения сцепления арматуры с балкой ( проскальзывания, втягивания ) не наблюдалось. Обладая запасом прочности, арматура при разрушении балок сохранила целостность. Максимальные напряжения в СПА составили 760-820 МПа ( 0,61 0,65 /?д„ ). За счет этого, после появления трещин в растянутой зоне, давление масла в гидросистеме падало не полностью: балки еще несли около 50% нагрузки. Однако, из-за значительного увеличения прогиба в момент разрыва растянутых волокон древесины, балки считали разрушившимися.
Максимальные напряжения в древесине при разрушении имели величину: в сжатой зоне 50,0 - 52,4 МПа; в растянутой зоне 40,7 - 42,1 МПа.
Кратковременную несущую способность опытных балок определяли как среднее арифметическое трех испытаний. Фактические размеры сечения экспериментальных образцов из-за неточности изготовления несколько отличались от номинальных. Поэтому, величины разрушающих нагрузок ( 2. Rp ), полученных при испытании балок EA-I-I, БА-І-2 и БА-І-3 необходимо было откорретировать, привести к единому ( номинальному ) размеру сечения. Такой пересчет проводили по моментам сопротивления сечений.
Геометрические характеристики сечений и фактические разрушающие нагрузки балок серии БА-І представлены в таблице 4.3.
Приведенная к номинальным размерам несущая способность конкретной балки определялась из выражения
Кратковременная несущая способность Р/л = 34,08 кН принята за исходную величину при определении нагрузок для длительных испытаний.
Для практического использования выведенных во второй главе расчетных формул опытным путем были определены входящие в них реологические постоянные древесины Ьд , На и Нг . Значение постоянных и метод их определения выяснены выше.
В основу определения Еа » На и ft легли экспериментальные кривые ползучести деревянных неармированных балок ( рис. 4.8 ), Методика испытания балок приведена в третьей главе. В более загруженной балке БК-І на 133 сутки была обнаружена небольшая трещина в растянутой зоне и с этого момента скорость роста прогиба несколько увеличилась ( см. рис. 4.8 ). Затухание деформаций в такой балке маловероятно. Реологические же постоянные определяются по затухающим кривым ползучести. Поэтому р , , Нз и ft» определяли по результатам испытаний балки БК-2 ( рис. 4.9 ). В соответствии с формулой (2.47) = с. /« = 14,65 мм где /в = 10,17 мм, = f (40 сут.) = 14,0 мм, fz = = % (80 сут.) = 14,5 мм определены из опыта ( см. рис. 4.9 ). Приращение прогиба во времени определяется разностью: f = foe f - 4,48 мм Отложив на оси прогибов величину f = X, + 0,632 f - 13,0 мм, определяли время релаксации с = 16 суток ( см. гл.2, рис.2.3, 4.9 ).
Изменение во времени напряженно-деформированного состояния балок под действием усилия предварительного обжатия (без внешних силовых воздействий )
В соответствии с задачами исследований проведены испытания опытных балок длительно действующими нагрузками. Методика испытаний подробно изложена в третьей главе.
Напряженно-деформированное состояние балок при загрузке и величины нагрузок приведены в табл. 4.6.
При испытании балок серии БА-П было допущено некоторое отступление от ранее намечаемого уровня нагрузки (0,8 Рвр#)« Балка БА-П-І несла нагрузку около минуты. При уточнении величины нагрузки на эту балку оказалось, что ошибочно на грузовую платформу был уложен дополнительный груз весом 178 Н. Это повлекло за собой увеличение нагрузки на балку на 7%. Вторая балка этой серии (БА-П-2) испытывалась запланированной нагрузкой 0,8 Р
Разрушение балки наступило через 4 часа после приложения нагрузки. Задаваясь целью более подробно изучить закономерности влияния продолжительности действия нагрузки на несущую способность конструкций со СПА, ( т.е. добавить еще один уровень нагрузки ), балка БА-П-3 была испытана несколько меньшей нагрузкой: 0,75 РВГ) Разрушение балки произошло через двое суток после загрузки. Характер деформирования балок серии БА-П представлен на рис. 4.II. кривыми роста прогибов.
Следующая серия балок БА-Ш была установлена под нагрузку 0,65 Р _ Балки этой серии разрушились через 4 (БА-Ш-2), 7 (БА-Ш-І) и 16 (БА-Ш-3) суток ( рис. 4.12 ).
Балки, находившиеся под нагрузкой 0,55 P__ ( серия БА-ІУ ), ву несли нагрузку довольно продолжительное время ( рис. 4.13 ). К сожалению, один их трех "близнецов" этой серии (БА-ІУ-3) через 123 дня пришлось снять с испытаний из-за неполадокБрычажной установке. Из двух оставшихся балок одна разрушилась на 185 сутки (БА-ІУ-І), другая через 298 суток (БА-ЇУ-2).
Разрушение всех балок носило одинаковый характер (рис.4.14), сходный с характером разрушения балок серии БА-І, испытывавших-ся кратковременной нагрузкой. Потеря несущей способности наступала в результате образования складки в сжатой зоне и разрыва растянутых волокон древесины. Критерием разрушения служило резкое увеличение прогиба.
В силу того, что арматура после разрушения балки сохраняла целостность и не теряла сцепления с древесиной ( за исключением небольшой зоны в месте образования трещины), при разгрузке балка восстанавливала выгиб ( рис. 4.15 ) ( предварительное напряжение в арматуре сохранялось благодаря ее свойству работать без пластических деформаций). Опыт показал, что такая разрушившаяся балка еще может нести некоторую нагрузку за счет арматуры и час ти способной к восприятию напряжений древесины. Так, одна из разрушившихся балок БА-Ш-2 была разгружена до нагрузки 0,36 Рвр# и к моменту написания работы несет эту нагрузку уже в течение около полугода ( рис. 4.16 ). Этот факт является еще одним доказательством преимущества армированных деревянных конструкций над обычными. На практике, при случайном резком увеличении нагрузки, способном привести к появлению трещин в древесине, обрушения здания не произойдет благодаря описанной выше особенности деревянных конструкций со СПА.
Балки серии БА-У, находившиеся под нагрузкой 0,5 Рвр#, деформировались по затухающим кривым ( рис. 4.17 ). Исключение составляет балка БА-У-3, в которой был обнаружен дефект: расслоение пакета досок по клеевому вшу из-за непроклея. Это сказалось на деформативности и прочности образца ( см. рис. 4.17 ). Балка БА-У-3, как не характерная, из анализа результатов эксперимента исключена.
Рост деформаций в балках серии БА-У практически прекратился через 260-280 суток. Установившийся длительный прогиб в среднем составил 28 мм ( — jgjy- / ), превысив начальный, примерно, в 2,5 раза.
Более подробно следует остановиться на анализе результатов испытаний балок серии БА-УІ. Нагрузка на эту серию, составляющая 35 Рвр. выбРана не случайно. Она создает в балках напряженное состояние, соответствующее тому, которое могут испытывать подобные конструкции в реальных условиях эксплуатации.
