Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи- исследования &
1.1. Клеевые соединения для деревянных конструкций 9
1 .2 Усиление строительных конструкций с применением композиционных материалов ." 17
Выводы по главе Г. Направление и задачи исследования 28
2. Методика исследований соединений и деревянных конструкций составного сечения. определение свойств; композиционного материала 20
2.1. Методика сравнительных испытаний образцов соединения деревянных элементов «КМ-обклейка» 31
2.2. Методика испытаний и статистического анализа несущей способности и деформативности образцов соединения деревянных элементов «КМ-вкладыш» 38
2.3. Изготовление и методика испытаний моделей балок и балок натурных размеров составного сечения на соединениях «КМ-обклейка» и «КМ-вкладыш».. 42
2.4. Определение прочностных и упругих характеристик композиционного материала 50
Выводыпо главе 2 58
3. Испытания образцов соединений деревянных конструкций «км-обклейка» и «км-вкладыш» 59
3.1. Результаты испытаний образцов,соединения «КМ-обклейка» 59
3.2. Расчет соединения «КМ-обклейка» в программных комплексах SCAD и ABAQUS 82
3.3. Несущая способность и деформативность соединения «КМ вкладыш» . 94
Выводы по главе 3 100
4. Испытания моделей деревянных балок составного сечения на соединении «км-обклейка» и «км-вкладыш» 101
4.1. Определение расчетной несущейспособности балок-моделей и методика оценки влияния податливости соединений-. 7 --101
4.2. Результаты испытаний балок на соединениях «КМ-вкладыш» 105
4.3. Результаты испытаний балок на соединениях «КМ-обклейка» 113
4.4. Сравнение балок на соединениях «КМ-вкладыш» и «КМ-обклейка» 131
Выводы по главе 4 133
5. Разработка и исследование деревянных балок пролетом з м составного сечения на соединении «км-вкладыш» 134
5.1. Определение расчетной несущей способности деревянных балок составного сечения на соединении «КМ-вкладыш» 135
5.2. Результаты испытаний кратковременной нагрузкой деревянных балок составного сечения пролетом 3 м на соединении «КМ-вкладыш» 136
5.3. Анализ результатов испытаний составных балок на соединении «КМ-вкладыш» по теории составных стержней А.Р.Ржаницына 145
5.4. Результаты испытаний балки Ь=6м составного сечения на соединении «КМ-вкладыш» длительно действующей нагрузкой 153
Выводы по главе 5 159
6. Внедрение результатов исследований в практику строительства 160
6.1. Разработка рекомендаций по расчету КМ-соединений для проектирования и усиления деревянных конструкций 160
6.2. Применение соединений «КМ-обклейка» для усиления существующих деревянных конструкций 161
6.3. Применение соединений «КМ-вкладыш» для разработки новых деревянных конструкций с несущими элементами составного сечения 164
Выводы по главе 6 167
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 168
Литература
- Усиление строительных конструкций с применением композиционных материалов
- Методика испытаний и статистического анализа несущей способности и деформативности образцов соединения деревянных элементов «КМ-вкладыш»
- Несущая способность и деформативность соединения «КМ вкладыш»
- Результаты испытаний балок на соединениях «КМ-обклейка»
Введение к работе
Актуальность работы. В современной промышленности строительство является основным потребителем деловой древесины, запасы которой уменьшаются при интенсивном росте лесозаготовок. Для сбережения лесных ресурсов следует рационально использовать древесину при изготовлении новых деревянных конструкций, а так же восстанавливать ограниченно работоспособные деревянные элементы в составе существующих зданий и сооружений. Этому способствует применение эффективных соединений деревянных конструкций, создаваемых на основе современных композиционных полимерных материалов (КМ-соединений), задаваемые физико-механические свойства которых наилучшим образом соответствуют свойствам естественного анизотропного полимера – конструкционной древесины.
Цель работы – исследования соединений элементов деревянных конструкций композиционным материалом на основе эпоксидной матрицы и стеклоткани и разработка рекомендаций по расчету КМ-соединений. Необходимо решить следующие задачи:
Определить прочностные и деформационные характеристики композиционного материала на основные виды напряженного состояния – растяжение, сжатие, изгиб и скалывание – характерные для работы КМ-соединений в деревянных конструкциях;
Определить экспериментальными и численными методами на образцах несущую способность и деформативность соединений «КМ-обклейка» и «КМ-вкладыш» при сопротивлении сдвигу;
Определить несущую способность деревянных конструкций составного сечения на соединениях «КМ-обклейка» и «КМ-вкладыш» по предельным состояниям 1-й и 2-й группы, с учетом податливости КМ-соединений при действии кратковременных и длительных нагрузок;
Разработать методику расчета КМ-соединений деревянных элементов.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- проведена оценка характера набора прочности во времени, определены прочностные и деформационные характеристики композиционного материала на основе эпоксидной матрицы и стеклоткани;
- экспериментальными и численными методами определено напряженно-деформированное состояние образцов КМ-соединений;
- по результатам экспериментально-теоретических исследований определена несущая способность деревянных изгибаемых элементов составного сечения на КМ-соединениях при кратковременных и длительно действующих нагрузках.
Практическая значимость работы заключается в разработке конструктивных решений КМ-соединений для применения в деревянных конструкциях, в определении прочностных и деформационных характеристик КМ-соединений, в написании рекомендаций по расчету КМ-соединений для проектирования и усиления деревянных конструкций.
Достоверность результатов работы подтверждается согласованностью результатов численных исследований и экспериментальных данных при испытании образцов соединений и при испытании балок составного сечения в виде моделей и конструкций натурных размеров.
Автор выносит на защиту:
результаты экспериментального изучения и определения по теории составных стержней А.Р.Ржаницына напряженно-деформированного состояния соединений деревянных элементов композиционным материалом на основе эпоксидной матрицы и стеклоткани для двух типов конструктивных решений соединений на образцах, на балках-моделях и на балках натурных размеров составного сечения, в т.ч.:
результаты определения несущей способности соединений «КМ-обклейка» при различных конструктивных решениях соединений и выбор наиболее эффективного типа соединения «КМ-обклейка» для применения в конструкциях из дерева и пластмасс;
результаты изучения численными методами напряженно-деформированного состояния соединений «КМ-обклейка» при различных толщинах композиционного материала;
результаты экспериментального исследования несущей способности и деформативности соединения «КМ-вкладыш»;
результаты оценки влияния податливости КМ-соединений на несущую способность деревянных балок составного сечения по 1-й и 2-й группам предельных состояний при кратковременных и длительно действующих нагрузках;
рекомендации по расчету КМ-соединений для проектирования и усиления деревянных конструкций.
Результаты исследований внедрены:
- ГУП «Моспроект-3» при разработке проекта и выполнении реставрационных работ на памятнике архитектуры по адресу: г. Москва, 4-й Сыромятнический пер., д.1 для усиления и сохранения подлинных деревянных конструкций постройки 1-й четверти XIX-го века;
- при разработке проекта и выполнении реконструкции покрытия над зданием ФГУК «Российская историческая библиотека» по адресу: г. Москва, Старосадский пер., д.9, стр. 1 для усиления деревянных стропильных конструкций постройки 30-х годов XX-го века;
- институтом ОАО «СахаПроект» при разработке проекта реставрации деревянных конструкций объекта исторического наследия «Дом Громова» по адресу: Республика Саха (Якутия), пос. Витим, ул. Ленина, д.8 и д.10;
- строительным концерном «КРОСТ» при разработке проекта реконструкции здания по адресу: г. Москва, Походный проезд, д. 8 для несущих продольных ребер каркаса клеефанерных плит покрытия пролетом 6 м в виде деревянных балок составного сечения.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались:
- на научно-технических конференциях профессорско- преподавательского состава ИСА МГСУ, Москва (2008 г., 2010 г.);
- на VI Международной научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов Донбасской НАСА, Макеевка, 2007 г.;
- на международных межвузовских научно-практических конференциях молодых ученых, докторантов и аспирантов «Строительство – формирование среды жизнедеятельности», Москва (2007 г., 2008 г., 2009 г., 2010 г.);
- на Международном симпозиуме «Современные металлические и деревянные конструкции. Нормирование, проектирование и строительство», Брест, 2009.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из 2-х томов. Том 1 включает введение, шесть глав, основные выводы и приложение 1. Объем тома 1 диссертации: 186 страниц текста, в т.ч. 65 рисунков, 30 таблиц и список литературы из 133 наименований. Том 2 включает Приложения 25. Объем тома 2 диссертации: 59 страниц текста, в т.ч. 33 рисунка и 20 таблиц.
Усиление строительных конструкций с применением композиционных материалов
В работах / 48, 83, 87, 122/ отмечается, что из всех перечисленных; выше клеевых групп именно эпоксидные клеи; обладают высокой адгезией к большому числу материалов, малой усадкой; высокой когезионнои прочностью, а так же /122/ малой чувствительностью к нарушениям технологического процесса склеивания; Они применяются для склеивания металлов между собой; с пластмассами; с цементно-бетонными материалами /63/. Эпоксидные клеи? прочно склеивают древесину с металлом и применяются для армирования клееных: деревянных конструкций, например круглой металлической или стеклопластиковой арматурой периодического профиля /48, 90, 107/, для создания высокоэффективных соединений на наклонных /3, 48, 76, 83, 86, 117,123/ и поперечных /94/ вклеенных стержнях. Для решения перечисленных задач наиболее пригодны эпоксидные клеи холодного отверждения на основе смолы ЭД-20, такие как ЭПЦ-1, К-153 /48, 94, 122 /. По данным /122/ жизнеспособность клеев при t=20 С составляет около 2-3 ч., при этой же температуре за 12-18 ч. прочность клеевого соединения достигает прочности древесины сосны. Отвержденные эпоксидные клеи являются термореактивными пластмассами, свойства которых отвечают требованиям ( /ПО/, п.п. 1.6, 2.2), но применяются ограниченно в основном для решения специальных задач армирования, усиления, создания укрупнительных стыков КДК.
Соединения на эпоксидных клеях в клееных деревянных конструкциях нашли применение для армирования КДК продольными и наклонными металлическими и стеклопластиковыми стержнями периодического профиля, для установки в узловых сопряжениях связей в виде поперечных и наклонных вклеенных стержней, вклеенных металлических шпонок и т.п. Исследованиями соединений деревянных элементов на вклеенных стержнях, металлических и стеклопластиковых, занимались Е.И.Светозарова, Е.Н.Серов, В.Д.Попов, С.Б.Турковский, А.А.Погорельцев, И.М.Зотова, С.В.Колпаков, В.С.Шейнкман, А.С.Фрейдин, Ж.Н.Оспанова, А.Ю.Фролов, Е.И.Лукьянов и др. / 109, 87, 48, 117, 118, 119, 106, 86, 53, 83, 76, 123, 3, 121 /.
Е.И.Светозаровой в Ленинградском ИСИ /109/ на основании анализа результатов испытаний клееных деревянных балок было установлено, что наиболее опасными являются опорные сечения конструкций, где действуют главные растягивающие напряжения. В работе /87/ отмечено, что усиление приопорных зон балок в направлении растягивающих усилий позволит увеличить прочность клееных балок в целом. Клееные дощатые балки размерами 400x320x3000 мм усиливали металлическими гладкими нагелями 0 5 мм, установленными на эпоксидном клее под углом 45 в отверстия 0 6 мм. Увеличение несущей способности балок L= 3 м-составило до 25 %. Балки-переменной высоты сечения пролетом 7 м усиливали стальными наклонными стержнями периодического профиля 0 18 мм на эпоксидном клее, по три стержня с каждой стороны балки с шагом 150 мм. Постановка стержней периодического профиля увеличила несущую способность балок на 30%.
По экспериментальным данным С.Б.Турковского /48/, установка наклонных вклеенных стержней в опорных зонах клееных деревянных балок позволила на 20% повысить несущую способность балочных конструкций из условия скалывания, повысить выносливость конструкций. Так же на основе соединений на наклонных и поперечных вклеенных стержнях созданы равнопрочные с клееными деревянными элементами цельного сечения симметричные (рис.1.4.а) - для знакопеременных усилий, и несимметричные (рис.1.4.б) - для усилий одного знака - жесткие укрупнительные стыки изгибаемых (в т.ч. многопролетных балочных) и сжато-изгибаемых элементов, а так же узловые сопряжения, в т.ч. жесткие карнизные узлы дощатоклееных рам из прямолинейных элементов. Экспериментально установлено /47, 48, 118/, что наибольшая несущая способность соединения достигается при углах вклеивания стержней а = 30-45 градусов. Наклонная арматура в закладных деталях испытывает не только растяжение (выдергивание), но и изгиб, что при увеличении угла вклеивания а приводит к увеличению деформатив-ности соединений и конструкций в целом.
Напряженно-деформированное состояние вклеенного стержня и дефор-мативность соединения зависят от длины вклеивания, физико-механических свойств материалов соединяемых и соединительных элементов, угла вклеивания, вида адгезива, длительности действия нагрузки. Расчетная прочность достигается клеевым соединением через 5-6 суток при температуре 18 С. По данным /48/, деформативность при выдергивании кратковременным осевым усилием стержня Ф 18 А400, вклеенного на адгезиве ЭПЦ-1 на глубину . L=200 мм под углом 30 градусов к волокнам составляет 0,0075 мм/кН.
Методика испытаний и статистического анализа несущей способности и деформативности образцов соединения деревянных элементов «КМ-вкладыш»
Начиная с 30-х годов ХХ-го века, в нашей стране и за рубежом проводились работы по созданию и совершенствованию методики экспериментальных исследований несущей способности и деформативности деревянных элементов, соединений и конструкций /49, 54, 55, 56, 58 /. Эти работы получили обобщающее методическое завершение в Рекомендациях ЦНИИЄК по испытанию деревянных конструкций /101/, по испытанию соединений деревянных конструкций /93/, а так же в Рекомендациях по контролю качества клеевых соединений /92, 102/, в Руководстве по изготовлению и контролю качества клееных деревянных конструкций /108/. Соединения на механических связях и клеевые соединения деревянных элементов достаточно изучены и описаны в главе СНиП П-25-80 / 110 /, в Рекомендациях и Руководствах /91, 92, 95, 102, 108/, соединения на вклеенных стержнях - в Пособии по проектированию деревянных конструкций, в рекомендациях, технической литературе и СТО /88, 94; 48, 112/.
Клеевые соединения испытывают, как правило, для определения несущей способности на восприятие сдвигающих (скалывающих) /26, 92, 102, 133/ и отрывающих /39/ усилий на малых образцах. Поскольку клеевые соединения обладают прочностью на сдвиг большей, чем древесина, при испытаниях на скалывание получают в основном разрушение по древесине. Однако испытания на скалывание не могут полностью отразить работу соединения, выполненного в конструкции составного сечения в виде накладок из КМ (соединение «КМ-обклейка»), или в виде межэлементной соединительной прокладки из КМ (соединение «КМ-вкладыш»). Соединения деревянных элементов композиционным материалом (КМ-соединения) в виде накладок, обойм или межэлементных прокладок (рис. 1.8) обеспечивают совместную работу соединяемых деревянных элементов за счет образования адгезионных связей на границе между древесиной и композитом в процессе отверждения эпоксидной матрицы, при этом КМ воспринимает сдвигающие усилия, которые возникают между соединяемыми элементами. Состав композиционного материала в образцах исследуемых соединений и конструкций: эпоксидная матрица по табл.1.7 и стеклоткань Т-13 /35/.
В настоящей работе экспериментальные исследования соединений и конструкций проводили в соответствии-с Рекомендациями ЦНИИСК по испытанию деревянных конструкций /101/ и соединений/93/. Клеевые соединения, согласно классификации /93/, относятся к соединениям 1-й группы, испытания которых следует проводить нагружением ступенями с постоянной скоростью изменения усилия, без разгрузки. В результате испытаний получают деформационные характеристики двух наименований: деформации (напряжения, прогибы, перемещения) полные Dn и разности полных дБп. При испытании в режиме нагружения с периодической разгрузкой получают деформационные характеристики шести наименований: деформации (напряжения, прогибы) полные Dn, остаточные Do, упругие Dy, остаточные за цикл do, полные за цикл dn и разности полных дОп.
Особенностями данной методики являются: определение нагрузки Nm, соответствующей верхней границе области упругой работы соединения или конструкции, и оценка их несущей способности по коэффициентам надежности, которые определяются с учетом времени действия нагрузки на образец и позволяют оценить несущую способность соединения и конструкции с позиции кинетической концепции прочности твердых тел. Для упругой стадии работы соединений 1-й группы характерна линейная зависимость разности полных деформации дОп от усилия N. Нагрузку Nm определяют по графику зависимости «N-flDn», как условную-верхнюю точку, с которой начинается отклонение графика от его первоначального направления, что является показателем увеличения интенсивности роста деформаций.
Несущая способность соединения и конструкции оценивается сравнением коэффициентов надежности фактического и требуемого, которые огіреде-ляютсЯ к величине разрушающего усилия Nt и к величине усилия Nm. Для соединений коэффициент надежности требуемый по разрушающей нагрузке Nt в зависимости от характера разрушения определяется по формулам: - при пластическом разрушении Кпл = 1,38 (1,94 - 0,116 lg t), (2.1) - при хрупком разрушении Кхр = 1,64 (1,94 - 0,116 lg t), (2.2) где t = 173 8,2- время, [с], приведенное к неизменному действию разрушающего усилия на образец, f - продолжительность испытания образца, [с]. Для конструкций коэффициент надежности требуемый по разрушающей на-грузке Nt в зависимостиют характера разрушения определяется по формулам: - при пластическом разрушении Кпл =1,25 (1,88 - 0,106 lg t), (2.3) - при хрупком разрушении Кхр =1,48 (1,88 - 0,106 lg t), (2.4) где t - время, [с], приведенное к неизменному действию разрушающего усилия на конструкцию. Коэффициент надежности требуемый по NI_H составляет для конструкций Ктр=1,2, для соединений Ктр=1,3.
Коэффициенты надежности фактические по Nt и по Nm определяются как отношение соответствующей нагрузки к расчетной несущей способности Nn соединения или конструкции. Коэффициент надежности фактический по разрушающей нагрузке Кф№=№ЛЯп, коэффициент надежности фактический по верхней границе области упругой работы - Кфинг= Nm /Nn. Во всех случаях Кфм должен составлять не менее Кф№ 2 для конструкций и не менее Кф№ 2,3 для соединений.
Несущая способность и деформативность соединения «КМ вкладыш»
В Приложении 2 представлены результаты; испытаний образцов КМ на сжатие, растяжение, поперечный изгиб и скалывание (табл;П.2.1- П:2;4), вид образцов; в процессе испытаний и после разрушения (рис;П.211 П.2.6),т!н. «приведенные» диаграммы работы КМ на. сжатие (рис.П.2.7), графики; отражающие изменение во времени прочностных характеристик и модулей, упругости: КМ при сжатии (рис.П.2.8); изгибе (рис.П:2.9) и скалывании (рис.П;2.10); результаты статистической обработки прочностных и деформационных характеристик композиционного материала и результаты оценки достоверности разницы между характеристиками КМ в направлении оси X и характеристиками КМ в направлении оси Y (табл:Ш2.5+11.2.7).
По мере отверждения эпоксидной матрицы наблюдается увеличение деформационных и прочностных характеристик КМ (Прил. 2; рис.Пї2.8 -НП.2.10), что является характерным для эпоксидных клеевых составов /122/.
Испытания малых образцов КМ на сжатие проводили с использованием приспособления по FOCT 16483.10 к испытательной машине. Из «приведенной» диаграммы работы КМ на сжатие (рис.П.2.7) следует, что относительная деформация при сжатии в пределах упругой работы КМ составила 8х =0,32%, SY =0,35%, на стадии перед разрушением- 0.68% и 0,8% соответственно (для древесины-.сосны - 0.6-Ю.8%).; Прочность КМІна сжатие за 10 суток отверждения эпоксидной матрицы составила в среднем: axu-i S.S МПа, oY пч - 49.98 МПа, стабилизировалась через ЗО суток после начала отверждения на уровне о хпч=75,9 МПа, аУпч=73,5 МПа, и за 60 суток составила о"Хпч=79,35 МПа, aY„4=77,8 МПа. Интенсивность набора прочности КМ на сжатие (рис. П.2.8) составила от 5-Н5,9 МПа/сут в течение первых 10 суток, до 0,12-Ю, 14 МПа/сут за период с 30-х по 60-е сутки с момента изготовления КМ. Модуль упругости КМ при сжатии за 10 суток отверждения составил в среднем Ех=7741 МПа, Еу=6359 МПа, за 30-40 суток отверждения достигает величины Е= 10000 МПа. За 60 суток отверждения КМ модуль упругости при сжатии составил Ех=13048 МПа, Еу=12443МПа, что превышает модуль упругости древесины сосны (10000 МПа), коэффициенты поперечной деформации КМ составили р, =0,258, и. ху = 0,245.
При испытаниях на растяжение образцов КМ в форме пластинки использовали захватные приспособления щекового типа, состоящие из клинообразных скользящих губок, самозажимающих образец по мере возрастания растягивающего усилия. Прочность и деформативность КМ на растяжение оценивали по результатам испытаний образцов после 60 суток отверждения: в среднем ox,,., = 188,1 МПа, aY Пч = 173,55 МПа, что выше временного сопротивления древесины сосны растяжению вдоль волокон (100 МПа); Ех = 13252 МПа, EY = 12240 МПа, что превышает модуль упругости древесины сосны. Коэффициенты поперечной деформации KM iyx=-0,265, ц. ху = -0,231.
Прочность КМ на растяжение выше, чем прочность на сжатие в среднем в 2.3 раза, разница модулей упругости КМ при сжатии и растяжении - 1,5-2% (для древесины сосны отношение КВрраСТяж// врсж= 100/44=2.27, Ер/Ес=1).
При испытаниях образцов КМ на изгиб использовали опорное приспособление для установки образца в испытательной машине и нагружающее устройство, передающее нагрузку на образец в третях пролета. Прочность КМ на изгиб (рис. П.2.9) за 10 суток отверждения эпоксидной матрицы составила в среднем охнч=158.4 МПа, Ступч=135.2 МПа, что выше временного сопротивления древесины сосны изгибу (75 МПа), стабилизировалась через -30 суток отверждения на уровне ОхПч=179,7 МПа, аупч=173,4 МПа, и за 60 суток составила аХпч=187,5 МПа, о уі,ч 180,1 МПа. Интенсивность набора КМ прочности на изгиб составила от 13,5-45,8 МПа/сут в течение первых 10 сут. до 0,23-0,26 МПа/сут за период с 30 по 60-е сутки с момента изготовления КМ. Модуль упругости КМ при изгибе за 10 суток отверждения матрицы составил ЕХ=Ю739 МПа, EY=8662 МПа, за 60 суток - Ех=14825 МПа, Еу= 13606 МПа, что превышает модуль упругости древесины сосны при изгибе.
Испытания на скалывание образцов КМ выполняли по методике ЦНИИСК с использованием приспособления по а.с. № 421912 /2/ . Прочность КМ на скалывание (рис. П.2.10) за 10 суток отверждения эпоксидной матрицы составила в среднем тх IW = 9,94 -10.74 МПа, xY Пч = 9,93-5-10.14 МПа, что выше временного сопротивления древесины сосны скалыванию (7 МПа), стабилизировалась через 30 суток отверждения на уровне ТхПч=14,4 МПа, Туцч=14,3 МПа, и за 60 суток составила ТхПч=15,54 МПа, xYm= 15,5 МПа. Интенсивность набора прочности КМ на скалывание составила от 0,99- -1,1 МПа/сут в течение первых 10 суток до 0,04 МПа/сут за период с 30-х по 60-е сутки с момента изготовления КМ.
Прочность и модуль упругости КМ в направлении оси X выше прочности и модуля упругости в направлении оси Y. Разница между охпч и о 11Ч за 10 суток отверждения матрицы составила при сжатии и при изгибе 17,2-17,6%, при скалывании 0,1-5,9%; за 30 суток при сжатии и при изгибе 3-4,3%, при скалывании 0.4%; за 60 суток при сжатии и при изгибе 2,1-4%, при скалывании - 0.26%. Разница между Ех и EY при сжатии и при изгибе за 10 суток отверждения матрицы составляет 21,7-24%, за 30 суток - 8,3-11,5%, за 60 суток - 4-8,9%. По мере набора прочности эпоксидной матрицей прочность КМ по двум основным направлениям армирования материала выравнивается, что объясняется упрочнением эпоксидной матрицы и адгезионных связей по границе раздела «матрица-стекловолокно».
Результаты испытаний балок на соединениях «КМ-обклейка»
Определение расчетной несущей способности Nn балок-моделей следует производить согласно методике расчета деревянных конструкций составного сечения на податливых связях, принятой в СНиП П-25-80 /ПО/. Снижение несущей способности составной деревянной балки за счет податливости связей сдвига учитывается коэффициентами условий работы KW 1 и Кж
Через коэффициенты Kw и Кж можно так же выразить влияние податливости связей на расчетную несущую способность Nn конструкции составного сечения: по 1-й группе предельных состояний NnCOCT=NnuejlbH Kw, ИЛИ Осост =0"цельн/К\у} ПО 2-Й Группе ПрЄДЄЛЬНЬІХ СОСТОЯНИЙ NnC0(rr=Nn цсльн Кж, или f cocr = f цельн Кж. При этом; несущая способность соединения в шве [Тсоед] должна быть не менее сдвигающего усилияіТодв в шве сплачивания где. FKM - рабочая s площадь соединения «КМ-вкладыш» илий«КМ-Ьбклейка» на:участкедействиядСдвигающего усилия; Ккмсдв — сопротивление сдвигу соединения- деревянных, элементов «КМ-вкладыш» или «КЩобклейка»; (см: главу 3); ДМ =Nn/2 a - разность изгибающих моментов в начальном, ш конечном А сечениях рассматриваемого участка? балки; SQP= Ьп?бРугго/8 — статический момент брутто сдвигаемой части сечения относительно-нейтральной оси балки; :ІбР=Іцельн =bh?Gpyrro/12; а — расстояние от точки приложения силы до опорыбалки; 1.5-коэффициент(/110/, п.4іГ1)і
Расчетную несущую способность моделей балок, как элементов? цельного сечения, Кпцельн определяли ДЛЯ І каждой балки в; соответствии со схемой приложения нагрузки при испытаниях по следующим:формулам:: из условиядействия-нормальных напряжений от изусловиятдействиякасательных напряжений, т Шч=4/3 Екм Ккмедв1цельН/(8бр а)= 0 889 к Щш Ъ/щ (4;2 из условиядостижения конструкциешпредельного nporH6a\fu== Г/200-Е Nnf=3 E IilenbH /B3, (4.3) где; \цсльн= bh?6pyrro/6, р - коэффициент, зависящий от отношения « а/Е ». Из трехполученных: для каждой балки; значении Nnff,Nnx и Nnf в качестве расчетной несущей способности балки NnUWIb„ принималишаименьшую величину, которая для всех балок определилась из условия; действия нормальных напряжений:
Характеристики древесины моделей балок.(см. главу 2):.модуль упругости Едр=Г4000 МПа, временное сопротивление изгибу-Кври=4Г МИа» то1же с учетом длительностидействия нагрузки R и = Кври тдл = 41 0-66 - 27 МПа; где,тдл=0;66 - коэффициентдлительной прочностждревесины /110,, 88/... Зна 103 чения расчетной несущей способности моделей балок №іцельн, полученные из условия действия нормальных напряжений, представлены в таблице 4.1.
Оценку влияния податливости соединений «КМ-вкладыш» и» «КМ-обклейка» на несущую способность деревянных балок составного сечения, т.е. определение коэффициентов условий работы Kw и Кж , производили для основных уровней нагружения конструкций, по формулам Кмг = Орасч/афа1гг 1 (4.4) Кж = і расіІ/ґфаісг 1 (4.5) где Офакт=ЕдР8, f факг - фактические напряжения и прогибы балок, Едр - модуль упругости древесины балок, є - относительные деформации по показаниям тензодатчиков, арасч, f расч - расчетные напряжения и прогибы для балки цельного сечения, т.е. без учета податливости КМ-соединений. При дей-стви на балку нагрузки 2Р и величине изгибающего момента в сечении Мрасч расч — -Ірасч цельн \ -) 1расч=Р "- (Дпр цельн./ \ - ) Кроме того, коэффициенты условия работы Kw определяли по соотношению нагрузок Nt и Nn с применением методики ЦНИИСК /101/ по оценке несущей способности деревянных конструкций. Известно, что в деревянных конструкциях составного сечения за счет податливости связей сдвига снижается несущая способность из условия действия нормальных напряжений по сравнению с «монолитной» конструкцией на жестких связях. Тогда неравенство, по которому оценивается несущая способность испытанной конструкции на основании требуемого коэффициента безопасности Кпл /101/ Nt/Nn Krai=l,25 (l,88-0,1061gt), (4.8) будет выполняться только в том случае, если величину расчетной1 несущей способности балки цельного сечения №тЦельн уменьшить с учетом податливости связей сдвига Nn = Nn = Nn К ±N11 IN 11 C0CT -IN 11 цельп JVW. Тогда коэффициент Kw, учитывающий влияние податливости связей (при наличии таковой), составит Kw = Nt / (Nn цельн Кпл) = Nt / (Nn ІЮПЬІІ 1,25 (1,88-0,106 lg t)). (4.9) Табл. 4.1. Расчетная несущая способность балок-моделей на соединениях «КМ-вкладыш» и «КМ-обклейка», как балок цельного сечения Данные Ед. изм. Серия 1. Балки-модели на соединении «КМ-вкладыш» Серия 2. Балки-модели на соединении «КМ-обклейка» № балки № балки 1-1 1-2 1-3 1-4 1-5 2-1 2-2 2-3 2-4 2-5 2-6 L мм 960 950 960 960 950 950 950 950 950 970 950 а мм 340 355 245 220 215 305 310 320 225 250 225 Условия 11и=13МПа; Wuiriu, = 11172мм3; М шс =145236 Н«мм Nni3 при RH=13 МПа Н 854.3 818.2 1185.6 1320.3 1351 952.4 937.0 907.7 1291.0 1161.9 1291.0 Условия R n=27Mna; WItulMI= 11172мм3; Ммв =301644 Нхмм Nn27 при RH=13 МПа Н 1774.4 1699.4 2462.4 2742.2 2806 1978.0 1946.1 1885.3 2681.3 2413.2 2681.3 і - MpIIC = RH \УЦСЛЫ, - величина расчетного изгибающего момента, который соответствует несущей способности деревянной балки цельного сечения размерами ЬхЦфгпгОД (2x21) мм при RH = 13 МПа; - то же, при R H =RBpxmai = 4Ь0,66=27 МПа. При этом теоретическая величина кратковременной разрушающей нагрузки N =4767 Н.
Модели балок составного сечения на соединениях «КМ-вкладыш» в ко-. личестве 5 шт. (см. табл. 2.1) испытывали нагружением двумя сосредоточенными силами в 1/3 пролета (балки №№ 1.1 и 1.2) и в 1/4 пролета (балки №№ 1.3, 1.4 и 1.5). Результаты испытаний балок 1.1 -1.5 представлены в табл. 4.2, на графиках на рис. 4.1 и 4.2. Рассмотрим результаты испытаний балки 1.1 (рис.4.2; Приложение 4 рис.П.4.1, табл. П.4.1 и П.4.2). Разрушение балки 1.1 произошло по растянутому бруску в зоне чистого изгиба на участке с незначительными признаками косослоя в растянутой зоне нижнего элемента при Nt=4640 Н. Согласно методике /101/, разрушение балок от изгиба по растянутой зоне классифицируется, как разрушение пластического характера. По графикам «N - д6 , «N - дО"и» (рис. 4.1.а.в) установлена нагрузка, соответствующая верхней границе области упругой работы балки Ni_n= 3300 Н, что составило 71% от разрушающей нагрузки Nt.
