Содержание к диссертации
Введение
1. Дощатые фермы, их исследование и методы расчета
1.1. Аналитический обзор применения деревянных дощатых ферм в строительстве 9
1.2. Экспериментально-теоретические исследования дощатых строительных конструкций с клеевыми соединениями. Методы расчета конструкций 21
1.3. Обоснование выбора принятых для исследования дисковых ферм 36
1 А. Выводы. Цель работы и задачи исследования 39
2. Теоретические исследования прочности и информа тивности деревянных дисковых ферм
2.1. Теоретические исследования влияния параметров дисков на напряженно-деформированное состояние конструкции 41
2.1.1. Существующие экспериментально-теоретические исследования дисковых ферм 41
2.1.2. Выбор рациональных параметров дисков ферм 43
2.2. Численное исследование дисковых ферм с восходящим расположением дисков 50
2.3. Обеспечение местной устойчивости дисков фермы 58
2.4. Методика расчета деревянных дисковых ферм по предельным состояниям 62
2.5. Расчет прогибов дисковых ферм с учетом длительного модуля упругости 66
2.6. Конструирование и теоретические исследования работы узловых соединений дощатых строительных конструкций 70
2.7. Теоретический анализ работы соединений и разработка практического метода их расчета по несущей способности 75
2.8. Расчет гвоздевой и болтовой запрессовки соединений 83
2.9. Выводы по результатам теоретических исследований дисковых ферм 87
3. Экспериментальные исследования деревянных дисковых ферм
3.1. Экспериментальные исследования ферм при кратковременном действии нагрузки 88
3.1.1 Задачи исследования 88
3.2. Планирование эксперимента 89
3.2.1. Выбор экспериментального метода 90
3.2.2. Определение числа испытываемых моделей ферм 92
3.2.3. Проектирование испытываемых моделей ферм 94
3.2.4. Результаты расчета ферм... 99
3.2.5. Установка для испытания 108
3.2.6. Измерительные приборы, их расстановка и крепление 109
3.3. Результаты экспериментальных исследований при кратковременном действии нагрузки и их анализ 113
З.ЗЛ. Результаты экспериментальных исследований ферм с нисходящим расположением дисков 113
3.3.2. Результаты экспериментальных исследований ферм с восходящим расположением дисков 123
3.4. Выводы по результатам экспериментальных исследований дисковых ферм при кратковременном действии нагрузки 138
3.5. Экспериментальные исследования ферм при длительном действии нагрузки 139
3.5.1. Задачи и методика исследования 139
3.5.2. Результаты экспериментальных исследований при длительном действии нагрузки 141
3 5. 3. Выводы по результатам экспериментальных исследований дисковых ферм при длительном действии нагрузки 143
4. Технико-экономическая эффективность и внедрение дисковых ферм
4.1. Расчет технико-экономической эффективности применения конструкций в строительстве 144
Основные результаты и вывыды 157
Список литературы 159
Приложения 173
- Экспериментально-теоретические исследования дощатых строительных конструкций с клеевыми соединениями. Методы расчета конструкций
- Конструирование и теоретические исследования работы узловых соединений дощатых строительных конструкций
- Результаты экспериментальных исследований при кратковременном действии нагрузки и их анализ
- Расчет технико-экономической эффективности применения конструкций в строительстве
Введение к работе
Актуальность работы
Современное развитие строительной науки и техники ведет к совершенствованию существующих и созданию новых строительных конструкций. Индустриальность, малая монтажная масса, экономическая эффективность и эстетический вид конструкций становятся главными критериями их выбора для строительства, что особенно актуально для деревянных строительных конструкций, основой которых является единственный возобновляемый естественный ресурс -древесина.
Разработанная дисковая ферма обладает значительными преимуществами в сравнении с уже существующими дощатыми конструкциями. Введение в верхний пояс дисков по всей его длине позволит увеличить прочность поперечного сечения в жесткость конструкции и тем самым сократить расход древесины. Замена стоечно-раскоснон и стоечно-балочной системы на трапециевидные диски из листовых материалов фанеры или цементшь стружечных плит делает эти фермы простыми в изготовлении. Кроме того, в отличие от уже существующих дощатых ферм, данная конструкция позволит сократить затраты времени на изготовление за счет производства конструкции за один проход без кантования. Это актуально для снижения затрат при изготовлении, так как процесс центровки и разметки узловых соединений в раскосных дощатых фермах приводит к значительным трудозатратам. Простота раскроя листов для дисков и установка их через определенный шаг позволят избавиться от многих операций, увеличивающих трудоемкость изготовления ферм.
D зависимости от геометрии разрабатываемой конструкции можно добиться такого раскроя листов для дисков, который позволит иметь минимальные отходы. Применение в качестве дисков цементно-сгружечных плит значительно сократит стоимость конструкции.
Цель диссертационной работы — разработка конструкции, изучение напряженно-деформированного состояния деревянных дисковых ферм, разработка рекомендаций по их расчету и проектированию. Для достижения цели ставились следующие задачи;
определить рациональные параметры дисков фермы;
провести численное исследование напряженно-деформированного состояния дисковых ферм;
разработать инженерный метод расчета ферм с учетом конструктивных особенностей и свойств листовых материалов, используемых для дисков;
- выявить особенности напряженно-деформированного состояния дис
ковых ферм;
проанализировать работу дисковых ферм с узлами на гвоздевых и клеегвоздевых соединениях;
провести экспериментальные исследования напряженно-деформированного состояния моделей ферм;
оценить сходимость расчетных усилий и перемещений в элементах исследуемых конструкций с экспериментальными;
выполнить технико-экономическую оценку конструкций. Методы исследований:
численный метод и математическое моделирование;
физическое моделирование с применением методов теории подобия;
экспериментальные методы исследования, в том числе те изометрический метод определения напряженно-деформированного состояния;
технико-экономический анализ и оценка эффективности применения конструкций в строительстве.
Научная новизна работы:
- расчетным путем, на основе анализа компьютерных моделей, опреде
лены рациональные параметры конструкции и исследовано напряженно-
деформированное состояние ферм;
*-..-
экспериментально получены данные о напряженно-деформированном состоянии ферм; '.,-.
разработан инженерный метод расчета ферм с учетом конструктивных особенностей и свойств листовых материалов, используемых для дисков;
получены результаты сравнения расчетных усилий и перемещений с экспериментальными;
разработана методика расчета прогибов дисковых ферм с учетом длительного модуля упругости древесины;
составлены рекомендации по расчету, проектированию и изготовлению дисковых ферм.
На защиту выносятся:
конструктивное решение ферм;
результаты теоретических и экспериментальных исследований прочности н деформативности дисковых ферм;
методика расчета с учетом особенностей конструирования и свойств материалов;
расчет прогибов дисковых ферм с применением длительного модуля упругости древесины;
- предложения по конструированию и изготовлению ферм.
Практическое значение работы заключается в разработке
конструкции деревянных дисковых ферм, инженерного метода расчета и в составлении рекомендаций по конструированию и проектированию. Предлагаемая конструкция ферм по сравнению с уже существующими дощатыми фермами позволяет получить экономию стали, древесины и снижение трудозатрат на изготовление и монтаж.
Внедрение результатов работы
Результаты исследования и методика расчета дисковых ферм использованы при разработке проектно-конструкторской документации совместно ГУП институтом «Владагропромпроект», в научно-исследовательских хоздоговорных работах Владимирского государственного
университета, в. учебном процессе на кафедре «Строительных конструкций» ВлГУ при курсовом и дипломном проектировании. Апробация работы
Результаты проведенных исследований докладывались и обсуждались на международной научно-технической конференции «Итоги строительной науки» (ВлГУ, Владимир, 2003 г., 2005 г.); научно-технической конференции «Архитектура и строительство 2003» (ННГАСУ, Н-Новгород, 2004 г.); международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы строительного н дорожного комплексов» (МарГТУ, Йошкар-Ола, 2004); международном научно-техническом симпозиуме «Современные строительные конструкции из металла и древесины» (ОГАСА, Одесса, 2006 г.); международной научно-практической конференции «Повышение качества среды жизнедеятельности города и сельских поселений архитектурно-строительными средствами» (ОрелГАУ, Орел, 2005 г.);
Публикации
По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ, в том числе две - в научных журналах, входящих в Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, рекомендуемых ВАК.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов и четырех приложений. Общий объем составляет 172 страницы, в том числе 75 рисунков, 9 таблиц, ' библиографический список, включающий 150 наименований.
Экспериментально-теоретические исследования дощатых строительных конструкций с клеевыми соединениями. Методы расчета конструкций
Анализ отечественного и зарубежного опыта применения дощатых конструкций показывает, что наиболее эффективными являются фермы, рамы и арки на клеевых соединениях с гвоздевой или болтовой запрессовкой (клеегвоздевых или клееболтовых соединениях). Применение таких соединений в фермах влечет за собой изучение влияния работы соединений на напряженно-деформированное состояние конструкции в целом.
Сведения о прочности и деформативности клеевых соединений деревянных элементов, расположенных под углом и работающих в сложном напряженно-деформированном состоянии, весьма ограничены. Первые работы по изучению клеевых соединений деревянных элементов под углом проводились Е.М, Знаменским [27] в 1931-1940 гг. В этих работах была установлена неравномерность распределения скалывающих напряжений по длине клеевого шва и выявлены наибольшие сдвигающий напряжения, которые вычисляются по формуле:
Б.С. Соколовским были сделаны первые приближения по определению напряжений в клеевых швах соединяемых элементов при совместном действии на них продольной силы и изгибающего момента применительно к узлам бесфасоночных дощатых и брусчатых ферм [130].
Прочностные свойства соединений деревянных элементов, склеенных под углом, исследовались на протяжении последних четырех десятилетий.
В 1947 году в МИСИ В.Н. Быковским были проведены исследования по изучению дополнительных напряжений в клеевых швах при соединении деревянных элементов под углом 0, 45е и 90 [25, 26, 27, 130]. Кроме этого в работе определялась относительная прочность образцов клеевых соединений после влажностной обработки. Период влажностной обработки состоял из восьми циклов вымачивания образцов в воде в течение 24 часов и высушивания их до первоначальной влажности. Выбранный процесс влагообработки образцов имел большую продолжительность и был основан на развитии влажностных напряжений в краевых зонах клеевых швов.
В.Н. Быковского Образцы, прошедшие влажностную обработку, проверялись на скалывание по клеевому шву. В результате проведенных исследований было установлено, что относительная прочность соединений с увеличением размеров образцов уменьшается.
В 1948 году под руководством А.Б. Губенко в ЦНИИСКе проводились экспериментальные исследования образцов клеевых соединений, изготовленных из трех дощатых элементов. Склеивание образцов проводилось под углом 45 и 90 [14,45,46, 130]. Изготовленные образцы подвергались многократному вымачиванию и высушиванию (10-20 циклов) после чего испытывались на скалывание по клеевым швам. Результаты экспериментальных исследований в основном были хорошими. Однако образцы соединений, выполненные из досок толщиной 55 мм и шириной 115 и 200 мм, были менее стойки к влажностным воздействиям. В образцах с пропилами в соединяемых элементах понижение прочности не наблюдалось [14,45, 46]. По данным экспериментальных исследований А.Б. Губенко сделал вывод, что «... склеивание деревянных элементов под углом с большими размерами поперечных сечений не может считаться достаточно надежным» [14 стр. 33-37, 14 стр. 52]. Было установлено, что склеивание может осуществляться под углом 90 с шириной сечения дощатых элементов до 100 мм при применении фенолоформалъдегидных клеев и с шириной до 80 мм - при применении козеиноцементных клеев, при угле 45 - шириной до 150 мм. Эти же требования регламентировали НиТУ 2-47 и ИСП 101-51 [4, 67, 81]. Исследования позволили выявить характер распределения и величины, возникающих в клеевых швах внутренних напряжений, а также их влияние на прочность соединения.
В 1952 году Г.Д. Березиным под руководством В.Ф. Иванова были проведены исследования прочности клеевых соединений при сопряжении деревянных элементов под различным углом [14, 27, 130]. В этой работе Г.Д. Березин исследовал изменение прочности клеевого соединения при углах 0, 10, 15, 25, 35 и 45 на малых образцах с размерами площадки скалывания 50x50, 65x50, а также на образцах строительных размеров с площадью склеивания 120x120, 150x150, 180x180 и 200x200. Но из условия равнопрочности клеевого шва, торца на смятие и древесины на скалывание размеры образцов были приняты укороченными, а соединяемые площади составляли 120x50, 120x75 и т.д., с сохранением толщины элементов, равной 4 см. Таким образом, масштабный фактор в работе не был учтен. Г.Д. Березин установил, что при малых углах склеивания - до 15 - прочность клеевых соединений не изменяется, а свыше 15 - начинает снижаться. Им была выявлена зависимость изменения прочности скалывания по клеевому шву в зависимости от угла склеивания:
В 1959-1960 гг. в НИИ-200 B.C. Соколовский провел испытания образцов клеевых соединений, выполненных из досок в натуральную величину, на определение относительной прочности после влажностной обработки [130, 131]. Образцы, изготовленные с двумя и с четырьмя клеевыми швами на козеиноцементном и водостойком клее марки КБ-3 при угле сопряжения 90подвергались различным режимам влагообработки при количестве циклов - не менее двух. Образцы соединений, выполненные на клее марки КБ-3, после двух циклов влагообработки не имели дефектов в клеевых швах. Проведенные в дальнейшем испытания прочности этих образцов показали, что средний предел их прочности на скалывание равен 3,81 МПа [130 стр. 75], а разрушение образцов происходило от скалывания поперек волокон и в основном по древесине.
В Великобритании Д.Б. Купером и Л.М. Структом в 1956 году были проведены испытания двух - и четырехсрезных образцов клеевых соединений с размерами 71x33 мм и углами склеивания - 0, 10 90.
Эти образцы, изготовленные из дощатых элементов и на клее Аэролит-300, испытывались на скалывание по клеевому шву. В результате проведенных исследований была выявлена зависимость между прочностью образцов на скалывание и углом склеивания [130].
Экспериментальные исследования прочности клеевых соединений под углом к волокнам, проведенные Д.Б. Купером, Л.М. Структом, Г.Д. Бе-резиным и Б.С, Соколовским близки по своим значениям.
Конструирование и теоретические исследования работы узловых соединений дощатых строительных конструкций
При достаточной площади узловых соединений для расстановки нагельных связей целесообразно дощатые конструкции проектировать с гвоздевыми соединениями.
Конструкции с гвоздевыми соединениями отличаются относительной простотой изготовления, что позволяет осуществлять их производство не только в заводских условиях, но и на стройплощадке.
Чтобы обеспечить требуемые эксплуатационные свойства дощатых конструкций с гвоздевыми соединениями узлы должны обладать высокой надежностью при достаточной прочности и жесткости. Надежность соединения зависит от характера работы соединения и вида связей, которые должны обеспечивать вязкую работу, исключающее хрупкое разрушение. Вязкая работа соединений обеспечивается равномерным распределением гибких связей (гвоздей, нагелей) по площади соединения, что увеличивает число площадок смятия и скалывания, снижает концентрацию скалывающих напряжений. С этой целью забивку гвоздей следует производить по предварительной разметке, сделанной с помощью специальных трафаретов, размеченных в соответствии с требованиями норм гвоздевого забоя.
В тех случаях когда, ограниченная площадь узловых соединений не позволяет установить необходимое количество связей, применяются кле-егвоздевые соединения. Эти соединения являются более надежными, но менее изученными.
Клеевые соединения в узлах дощатых строительных конструкций, (арок, рам, ферм) выполняются с гвоздевой или болтовой запрессовкой. Конструкции с такими видами соединений проектируют как сквозными, так и сплошными. В дощатых строительных конструкциях узлы на таких клеегвоздевых и клееболтовых соединениях выполняются в двух вариан 71 тах: 1 - бесфасоночными, т.е. осуществляемыми путем непосредст- венного склеивания дощатых элементов по пласти; 2 - на фанерных накладках или фасонках. Бесфасоночные узловые соединения в конструкциях выполняются следующим образом: между парными крайними параллельно расположен ными дощатыми элементами располагаются средние под определенными углами и соединяются между собой по пласти с помощью клея с гвоздевой или болтовой запрессовкой. Узловое соединение с фанерными накладками выполняется иначе: два или несколько дощатых элементов составляются в одной плоскости под определенными углами согласно конструктивному решению ферм, на боковые плоскости элементов накладывается фанерная накладка, которая соединяется со всеми элементами с гвоздевой запрес совкой, узел переворачивается и такие же операции производятся с другой его стороны. Узлы конструкций с фанерными фасонками выполняются по типу бесфасоночных в три дощатых элемента с размещением среднего ме жду двумя крайними под различным углом. Фанерные фасонки раз мещаются между соединяемыми дощатыми элементами. Узлы соединения дисков с поясами в дисковых фермах выполняются как гвоздевыми, так и клеегвоздевыми. При клеегвоздевом соединении площадь защемления диска в нижнем поясе значительно меньше, чем при гвоздевом, что значительно уменьшает расход материалов. Однако простота изготовления гвоздевых соединений делает их перспективными в подобных конструкциях.
В целях снижения дополнительных напряжений в клеевых швах бесфасоночных узловых соединений и соединений на фанерных фасонках при изготовлении конструкций должны выполняться дополнительные конструктивные мероприятия. Такими мероприятиями являются: устройство сквозных пропилов на длину клеевого шва в средних соединяемых элементах (раскосах) и продольных пропилов в крайних элементах (поясах) на половину их толщины по всей длине.
Для клеевых соединений элементов ферм с фанерными накладками и в соединениях узлов дисковых ферм дополнительных конструктивных мероприятий, кроме технологической гвоздевой запрессовки, проводить не следует, т.к. в их клеевых швах дополнительные напряжения будут незначительными [18, 27,131].
Клеевые соединения с гвоздевой или болтовой запрессовкой в дощатых конструкциях должны выполняться при соблюдении необходимых технологических требований в соответствии с ГОСТ 20850-84 [41]. При 73 меняемый пиломатериал и фанера должны иметь влажность 9-15 %.
Соединения в узлах конструкций должны осуществляться на клеях в соответствии со СНиП Н-25-80 [134].
При устройстве гвоздевой запрессовки в клеевых соединениях используются гвозди диаметром 2-5мм длиной 50-150 мм, принимаемые по ГОСТ 4028-63 или укороченные по отношению к стандартным [34]. Гвозди диаметром 5 мм ставятся с предварительной сверловкой под них отверстий. Болтовая запрессовка в соединениях осуществляется болтами диаметром 8-12 мм длиной 300 мм, принимаемыми по ГОСТ 7798-70 или самонарезными [36]. Болты ставятся с предварительной прокладкой под них увеличенных шайб (ГОСТ 6958-78) [37] и с предварительной сверловкой под них отверстий. При изготовлении конструкций с соединениями на фе-нольных и резорциновых клеях пиломатериал должен острагиваться под шестой класс обработки поверхностей и соответствующие расчетные размеры. Фанера для выполнения узловых соединений должна также иметь шестой класс обработки склеиваемых поверхностей.
Сборка конструкций с узлами на клеевых соединениях с гвоздевой и болтовой запрессовкой должна проводиться в закрытом производственном помещении с относительной влажностью воздуха не более 75 % и температурой воздуха в помещении более 16 С. В отличие от соединений на фанерных накладках и соединений в дисковых фермах узлы на фанерных фа-сонках с гвоздевой запрессовкой и бесфасоночных соединений с гвоздевой запрессовкой должны проводится при начальной предварительной под-прессовке кондукторах. И только после полной расстановки по соединению (если в конструкции - то по всем соединениям конструкции) должно сниматься подпрессовочное давление и конструкция должна ставиться на выдержку, необходимую для набора прочности клеевых соединений. Такая технология сборки принята из-за того, что жесткость дощатых элементов в соединениях будет значительна и может влиять на величину запрессовоч-ного давления при склеивании.
Результаты экспериментальных исследований при кратковременном действии нагрузки и их анализ
Первые испытания были произведены на фермах 1-ой серии с клеег-воздевыми соединениями дисков без установки наклонных ребер жесткости. Вид фермы представлен на рис. 3.18. Цель этого исследования состоит в оценке местной устойчивости дисков и достоверного обоснования принятых конструктивных решений ферм.
Потеря устойчивости дисков наблюдалась уже в начальной стадии нагружения рис. 3.21. Дальнейшие испытания производились с установкой ребер жесткости.
Испытания ферм проходили до разрушения. Работа исследуемых конструкций при загружении до расчетной нагрузки происходило в условно-упругой стадии. Деформативность моделей при расчетной нагрузке была сравнительно мала по отношению к допустимой (1/250)L. Максимальные прогибы при расчетной нагрузке для моделей первой серии составили 5,89 мм или (1/680)L, для моделей второй серии 8,8 мм или (1/512)L.
Напряжения в наиболее нагруженных элементах ферм первой серии при расчетной нагрузке составили 10,5-12,5 МПа - в верхнем поясе и 5,85-6,75 МПа- в нижнем поясе. В моделях второй серии напряжения составили 11,5-13,0 МПа - в верхнем поясе и 5,0-6,0 МПа - в нижнем поясе. Напряжения в опорном диске в модели первой серии при расчетной нагрузке составили 4,9-5,7 МПа, второй серии 5,3-5,8 МПа. На предпоследней ступени нагружения приращения прогибов составили 6?5 мм и 7,8 мм. Конструкции моделей первой серии с клеегвоздевы 114 ми соединениями дисков исчерпали свою несущую способность при нагрузке 2,405 кН/м, которая в 2,4 раза превышает расчетную нагрузку. Конструкции моделей второй серии исчерпали несущую способность при нагрузке 2,1 кН/м. Полные прогибы составили 29,1 мм и 28,8 мм для моделей первой и второй серий (рис. 3.17). Требуемый коэффициент безопасности для проведенных испытаний определялся по рекомендациям ЦНИИСК им. Кучеренко [77] в зависимости от логарифма приведенного времени -1 и вида разрушения конструкций при кратковременном испытании согласно формулы: tfm/, = 1,48 (l,88-0,106fe/), (3.2) где t=0,02ti+t2 - приведенное время, соответствующее действию неизменной нагрузки (в сек.); t- время доведения нагрузки до разрушающей величины (в сек.); t2 - время, в течение которого конструкция выдерживала разрушающую нагрузку (в сек.). Согласно приведенной формулы требуемый коэффициент безопасности для ферм первой серии составляет Ктр = 2,28. Для второй серии Ктр -2,0.
Коэффициент безопасности при испытании, определенный отношением величины разрушающей нагрузки к расчетной, составили 2,4 и 2,1 для первой и второй серии соответственно.
Разрушение моделей ферм первой серии начиналось с разрыва шпонов фанеры в приопорной зоне (первая панель) на уровне грани нижнего пояса (рис. 3.23). Полное разрушение ферм происходило от разрыва волокон обеих поясов. Максимальные напряжения в верхнем поясе достигли значений 24-31 МПа, в нижнем 13,5-17,5 МПа, Напряжения в диске составили 9,5 МПа.
Модели второй серии с гвоздевыми соединениями дисков имели хрупкий характер разрушения. Разрушение произошло в опасном сечении (первая панель) от хрупкого разрыва волокон древесины верхнего и нижнего поясов (рис. 3.26). Напряжения в верхнем поясе составили 24,5- 33,0 МПа, в нижнем 11,0-16,5 МПа. Напряжения в диске 10,75 МПа. По результатам экспериментальных данных построены графики представленные на (рис. 3.18-3.20).
Испытания ферм проходили до разрушения. Работа исследуемых конструкций 3-еЙ серии с клеегвоздевыми соединениями дисков с поясами и 4-ой серии с гвоздевыми соединениями до нагрузке 1,75 от расчетной проходила в условно - упругой стадии. Эта стадия работы конструкций характеризуется равномерным приращением прогибов (рис. 3.28) и равномерным приращением деформаций во всех точках элементов по ступеням нагружения. Деформативность ферм 4-й серии была несколько выше (15-25 %) ферм 3-ей серии это связано с податливостью в узлах ферм с гвоздевыми соединениями. Однако за счет вязкой работы гвоздевого соединения относительные деформации в нижнем поясе ферм 4-й серии до нагрузке 1,5-1,75 от расчетной ниже чем в фермах 3-ей серии (рис. 3.28). В целом же деформативность моделей при расчетно-испытательной нагрузке была сравнительно мала по отношению к допустимой (1/250)L. Максимальные прогибы при расчетной нагрузке для моделей 3-ей серии составили 5,33 мм или (1/750)L, для моделей 4-ой серии 7,55 мм или (1/530)L.
Напряжения в наиболее нагруженных элементах ферм 3-й серии при расчетной нагрузке составили 8,5-10,5 МПа - в верхнем поясе и 5,2-6,5 МПа- в нижнем поясе. В моделях 4-ой серии напряжения составили 11,5-12,95 МПа - верхнем поясе и 4,7-6,0 МПа - в нижнем поясе. Напряжения в опорном диске в модели 3-ей серии при расчетной нагрузке составили 4,9-5,7 МПа, 4-ой серии 5,3-5,8 МПа. Распределение напряжений на уровне внутренней кромки поясов в приопорном диске представлено на рис. 3.31,3.32,3.34,3.35. Напряжения в растянутой зоне среднего диска составили 5,1-6,5 МПа и 4,5-6,5 МПа в 3-ей и 4-ой сериях соответственно.
Конструкции моделей 3-ей серии с клеегвоздевыми соединениями дисков исчерпали свою несущую способность при нагрузке 2,45-2,59 кН/м, которая в 2,4-2,59 раза превышает расчетную нагрузку и на 8-15 % превышает теоретическую разрушающую нагрузку. Конструкции моделей 4-ой серии исчерпали несущую способность при нагрузке 2,1 кН/м, что на 1,5-5 % превышает теоретическую разрушающую нагрузку. Полные прогибы составили 26,1 мм и 29,3 мм для моделей 3-ей и 4-ой серий соответственно (рис. 3.28).
Требуемый коэффициент безопасности для проведенных испытаний определялся также по рекомендациям ЦНИИСК им. Кучеренко [77] в зависимости от логарифма приведенного времени -1 и вида разрушения конструкций при кратковременном испытании согласно формулы (3.2).
Согласно приведенной формулы требуемый коэффициент безопасности для ферм 3-ей серии составляет Ктр = 2,31. Для второй серии Ктр = 1,97.
Коэффициент безопасности при испытании, определенный отношением величины разрушающей нагрузки к расчетной, составили 2,45 и 2,07 для 3-ей 4-ой серии соответственно.
Разрушение моделей ферм 3-ей серии начиналось с разрыва шпонов фанеры в приопорной зоне (первая панель) на уровне внутренней кромки нижнего пояса и последующим разрушением верхнего и нижнего поясов, а также по ослабленному сечению в верхнем и нижнем поясе (сучки и т.д.) (рис.3.38, 3.39). Максимальные напряжения в верхнем поясе достигли значений 28,5-31,7 МПа, в нижнем 14,5-18,5 МПа. Напряжения в диске составили 18,5 МПа.
Модели 4-ой серии с гвоздевыми соединениями дисков имели хрупкий характер разрушения. Разрушение произошло в опасном сечении (первая панель) от хрупкого разрыва волокон древесины верхнего и нижнего поясов. Напряжения в верхнем поясе составили 29,5-32,0 МПа, в нижнем 14,0-19 МПа. Напряжения в диске 17,4 МПа. По результатам экспериментальных данных построены графики представленные на (рис.3.27-3.30).
Расчет технико-экономической эффективности применения конструкций в строительстве
Разработанные дощатые дисковые фермы с клеегвоздевыми или гвоздевыми соединениями дисков с поясами являются новыми видами несущих строительных конструкций. В связи с этим вопрос об оценке технико- экономической эффективности этих конструкций весьма актуален,
Расчет технико-экономических эффективности будем производить на примере экономического расчета дисковой фермы марки ДФ12-3 с фанерными дисками и клеегвоздевыми соединениями их с поясами.
Технико-экономическая эффективность принятого варианта конструкции определяется в зависимости от величины приведенных затрат (П) и оцениваются по экономическим показателям, которыми являются:
1. Прямые затраты на заводское изготовление ферм. Прямые затраты (ПЗ) складываются из затрат на заработную плату основных производственных рабочих (Соз) при изготовлении конструкции (табл.4.1) и затрат на материалы (См) для конструкции (табл.4.2).
Так как приведенные затраты на дисковые фермы с клеегвоздевыми и гвоздевыми соединениями дисков с поясами меньше, чем на сравниваемые фермы, то они, в соответствии с формулой (4.14), будут более эффективными при применении в строительстве (см. табл. 4.4).
На основании полученного экономического эффекта применения дисковых ферм в строительстве, результаты работы были использованы для разработки совместно с ГУП «Владагропромпроект» рекомендаций по расчету и изготовлению ферм для проектирования объектов.
Фермы пролетом 11 м были внедрены при замене стропильных конструкций покрытия складов №17, 18 комбината «Искровец» в г. Люберцы Московской области.
1. Разработано эффективное конструктивное решение легких деревянных стропильных ферм пролетом 9 - 15 м.
2. Расчетным путем определены рациональные параметры дисков и их влияние на напряженно-деформированное состояние конструкции.
3. Разработаны конечно-элементные модели дисковых ферм в программном комплексе ЛИРА-9.2, позволяющие получить достоверные данные (с точностью 95 - 97%) о напряженно-деформированном состоянии, а также картину распределения полей напряжений в поясах и дисках.
4. Результаты теоретических исследований дисковых ферм подтверждены экспериментально, сходимость результатов находится в пределах 83 - 92%.
5. По результатам экспериментально-теоретических исследований разработаны инженерный метод расчета дисковых ферм по двум группам предельных состояний, а также методика расчета клеевых соединений с гвоздевой запрессовкой. Для ферм с гвоздевыми соединениями дисков с поясами расчет должен вестись с учетом податливости этих соединений. Податливость учитывается поправочным коэффициентом, равным 1,18.
6. Разработана методика расчета прогибов дисковых ферм с учетом длительного модуля упругости древесины, которая подтверждена экспериментальными исследованиями длительно действующей нагрузкой.
1. По результатам теоретических и экспериментальных исследований составлены рекомендации по расчету, проектированию и изготовлению дисковых ферм.
8. Результаты технико-экономической оценки эффективности применения дисковых ферм по сравнению с уже существующими фермами показали, что расход древесины снижается на 14 - 20 %, монтажная масса - на б - 9 %, стоимость - на 6 - 18 %, трудоемкость изготовления - на 5 - 22 %. Применение гвоздевых соединений в фермах позволит сократить трудоемкость изготовления еще на 12 - 18 %, а применение в качестве дисков ЦСП стоимость на 15 - 25 %.
