Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Применение плит покрытий и армированных деревянных конструкций в строительстве
1.1 Краткая история развития вопроса 6
1.2 Применение армированных деревянных конструкций в строительстве 15
1.3 Существующие методы расчета армированных деревянных изгибаемых конструкций 23
Глава 2 Теоретическое исследование прочности и деформативности армированных деревянных плит покрытия при длительном действии статической нагрузки
2.1 Расчет изгибаемых армированных деревянных элементов с учетом ползучести 33
2.2 Релаксация усилий и напряжений в деревянных симметриино армированных изгибаемых элементах 35
2.3 Практический способ расчета изгибаемых армированных деревянных элементов с учетом ползучести 46
2.4 Численные исследования напряженно-деформированного состояния армированных деревянных элементов с учетом фактора времени с применением ЭВМ 58
Глава 3 Экспериментальное исследование плит покрытия с армированным деревянным каркасом при кратковременном действии нагрузки
3.1 Методика экспериментального исследования 71
3.2 Результаты экспериментального исследования и их анализ
Глава 4 Экспериментальное исследование плит по крытия с армированным деревянным карка сом при длительном действии нагрузки
4.1 Методика экспериментальных исследований 89
4.1.1. Экспериментальные исследования моделей каркасов 90
4.1.2. Экспериментальные исследования плит покрытий 94
4.2. Результаты испытаний моделей плит и их анализ 98
4.3. Результаты испытания плит покрытия длительно действующей нагрузкой - 102
Технико экономическая эффективность плит покрытия с армированным деревянным каркасом
Технико-экономический анализ эффективности плит покры- 113
тия с армированным деревянным каркасом
Методика оценки технико-экономической эффективности 116
плит покрытия с армированным каркасом
Результаты оценки технико-экономической эффективности плит покрытий
Основные выводы и результаты 122
Библиографический список
- Применение армированных деревянных конструкций в строительстве
- Релаксация усилий и напряжений в деревянных симметриино армированных изгибаемых элементах
- Результаты экспериментального исследования и их анализ
- Экспериментальные исследования моделей каркасов
Введение к работе
Современное строительство требует применения прогрессивных материалов и конструкций, поскольку от этого, в основном, зависит его эффективность.
При этом важным фактором является и скорость строительства, то есть сроки возведения здания до момента сдачи его в эксплуатацию.
Для строительства агропромышленного комплекса актуальным является снижение веса и повышение сборности зданий, особенно при строительстве в отдаленных и труднодоступных районах. Эта задача тесно связана с применением крупноразмерных ограждающих конструкций. Сочетание их с легкими деревянными и металлодеревянными несущими конструкциями обеспечивает высокую технико-экономическую эффективность строительства.
Типичными конструкциями легких ограждений являются многослойные плиты покрытий и панели стен.
Большое распространение в строительстве получили ограждающие конструкции на деревянном каркасе с обшивками из различных листовых материалов. В 90-х годах 20-го века ежегодный объем внедрения таких конструкций в системе только сельского строительства составлял около 3 млн. м2.
К концу 20-го века ежегодный объем применение таких конструкций сократилось до 300 — 400 тыс. м в год, что вызвано общим снижением объемов сельского строительства и ликвидацией производственной базы по изготовлению легких конструкций.
В настоящее время отмечен некоторый подъем строительства в агропромышленном комплексе, что, в свою очередь, ставит вопрос о разработке и внедрении эффективных видов ограждающих конструкций, к которым относятся легкие плиты покрытий на деревянном каркасе.
Следует отметить, что в современных условиях такие плиты пролетом 3 м, получившие ранее наиболее широкое распространение, из-за своей мелкоразмерности морально устарели. Современное полносборное строительство производственных зданий из крупноразмерных конструкций, созданное на основе высокомеханизированной производственной базы, требует применения плит большего пролета, который составляет 6 м.
Целью работы является изучение напряженно-деформированного состояния плит покрытия с армированным деревянным каркасом размером 1,5 х 6 м на основе экспериментально-теоретических исследований и разработка методики расчета таких конструкций с учетом длительного действия нагрузки.
При этом решаются следующие задачи:
определение влияния армирования на несущую способность и деформа-тивность плит покрытия с армированным деревянным каркасом при временном и длительном действии нагрузки;
определение особенностей напряженно-деформированного состояния армированных деревянных каркасов плит при нагружении;
проведение численных исследований напряженно-деформированного состояния армированных элементов каркаса плит при поперечном изгибе и длительном действии нагрузки;
разработка методики расчета плит покрытий с армированным деревянным каркасом при длительном действии нагрузки;
разработка рекомендаций по проектированию, расчету и изготовлению плит покрытия с армированным деревянным каркасом;
оценка технико-экономической эффективности плит покрытий с армированным деревянным каркасом.
К основным результатам работы относятся:
конструктивное решение плит покрытий с армированным (без предварительного напряжения) деревянным каркасом;
данные экспериментально-теоретических исследований работы плит покрытий при временной и длительно действующей нагрузках;
оценка несущей способности и деформативности плит покрытий при временной и длительно действующей нагрузках;
оценка влияния перераспределения усилий на напряженно-деформированное состояние при длительно действующей нагрузке;
рекомендации по проектированию, расчету и технологии изготовления плит покрытий с армированным деревянным каркасом.
Научную новизну работы составляют:
результаты исследований напряженно-деформированного состояния плит покрытий с армированным деревянным каркасом при временном и длительном действии нагрузки;
методика расчета каркаса плит покрытий с учетом длительного действия нагрузки;
конструктивное решение каркаса плиты покрытия со спаренными несущими ребрами по среднему сечению ширины плиты.
На защиту выносятся:
конструкция плиты покрытия с армированным деревянным каркасом;
результаты теоретических и экспериментальных исследований прочности и деформативности плит покрытий с армированным деревянным каркасом при временном и длительном действии нагрузок;
методика расчета каркасов плит с учетом длительного действия нагрузки;
предложения по конструированию и изготовлению таких плит.
Переход к укрупненным шестиметровым ограждающим конструкциям на деревянном каркасе в практике строительства позволяет вдвое уменьшить число основных монтажных элементов, снизить трудоемкость
их изготовления и монтажа, сократить сроки строительства, улучшить эксплуатационные характеристики зданий за счет сокращения количества стыков. При этом известно, что увеличение пролета ограждающих конструкций связано с повышением расхода пиломатериалов, так как для ребер каркаса необходимы пиломатериалы шириной сечения 200 - 240 мм качеством не ниже 2-го сорта, что при длине 6 м вызывает практические трудности.
Проблема применения менее дефицитных пиломатериалов с высотой сечения 150 — 170 мм для каркасов плит пролетом 6 м решается за счет армирования ребер стальными стержнями.
Применение армированных деревянных конструкций в строительстве
Идея использования в конструкциях совместной работы древесины и металла нашла развитие в армированных деревянных конструкциях и элементах. Первые достоверные сведения об армированных деревянных конструкциях (АДК) появились в начале 20-го века. В 1921 г. А. Клайтила (США) предложил использовать в конструкциях аэропланов и дирижаблей несущий деревянный элемент коробчатого сечения с запрессованной в полке стальной проволокой (рис. 1.2) [108]. Этот элемент можно считать прообразом современных армированных дере вянных конструкций. Однако трудности, связанные с изготовлением таких конструкций, и отсутствие надежных средств соединения стальной проволоки с древесиной не позволили реализовать это предложение. Армировать стальными прутками
Балка коробчатого сечения, Дрянные брусчатые балки и армированная стальной проволокой колонны в несущих строительный конструкциям впервые предложил А. Фишер (Германия) в 1926 г. [94]. Стальные прутки должны были укладываться в пазы квадратного сечения и заливаться специальной мастикой, состав которой автор не приводит (рис. 1.3).
Первые проекты армированных деревянных конструкций не были осуществлены из-за отсутствия надежных средств соединения арматуры с древесиной. Поиски простого и эффективного способа соединения арматуры с древесиной привели к использованию различных механических средств. Так, А.Л. Монасевич изготовил и испытал серию брусчатых балок, армированных в растянутой зоне стальной полосой, которая соединялась с древесиной при помощи специально выштампованных зубьев или анкерных башмаков (рис. 1.4) [76]. Испытания таких балок показали их более высокую прочность и надежность по сравнению с обычными, особенно при действии ударных нагрузок, поскольку арматура предотвращала возможность хрупкого разрушения балок. В дальнейшем это решение нашло применение при усилении деревянных конструкций. Однако рассмотренный способ соединения арматуры с древесиной позволял армировать только растянутую зону конструкций, в то время как расчеты показали, что наиболее эффективно двойное армирование.
Для решения этой проблемы в 1944 г. X. Гранхольм (Швеция) предложил применять специальные стержни с кольцевыми выступами по длине (рис. 1.5) [95]. В этом случае совместная работа арматуры с древесиной обеспечивалось зацеплением кольцевых выступов, которые врезались в стенки паза при запрессовке стержня.
Конструкции, в которых арматура с древесиной соединялась механическим способом, не нашли применения именно как армированные вследствие того, что даже при значительном расходе стали из-за податливости соединения прочность и жесткость конструкции увеличивалась сравнительно мало.
Разработка и освоение промышленностью выпуска эффективных синтетических клеев, способных обеспечить прочное и долговечное соединение разнородных материалов, позволили реально подойти к созданию клееных армированных деревянных конструкций.
Первые разработки и экспериментальные исследования клееных армированных деревянных конструкций провел X. Гранхольм. Соединение арматуры с древесиной в этих конструкциях выполнялось с помощью эпоксидных и фенолоформальдегидных клеев [95].
Исследования, проведенные X. Гранхольмом, показали, что прочность, жесткость и надежность балок (прямоугольного, двутаврового и ко
робчатого сечений), треугольных арок и плит покрытия, армированных гладкими стальными стержнями и полосами, значительно выше, чем у не-армированных, а клеевое соединение арматуры с древесиной обладает достаточной прочностью, даже при воздействии отрицательной температуры и повышенной влажности.
Использование армированных балок в пролетных строениях мостов и треугольных арок в покрытиях производственных и складских зданий показали эффективность армированных конструкций и в эксплуатационных условиях (рис. 1.6). Так фирма ABN Tohnson (Швеция) освоила выпуск широкого ассортимента клееных армированных конструкций: балок 42 типоразмеров пролетом до 23 м, арок и рам пролетом до 30 м [76, 103].
В 60-х годах налажен выпуск клееных армированных кругового очертания в ЧССР. Такие арки пролетом 36,2 м применены в покрытии цехов химических комбинатов (рис. 1.7) [93,102]. Клееный верхний пояс арки сечением 0,6 х 0,175 м имел армирование из шести стержней периодического профиля "Роксор" диаметром 16 мм, вклеенных при помощи клея "Эпок-си 1200". В отличие от армированных деревянных конструкций, применяемых в Швеции, арматура арок для защиты от агрессивных воздействий и для повышения огнестойкости имела покрытие в виде наклеенной доски толщиной 25 мм.
Релаксация усилий и напряжений в деревянных симметриино армированных изгибаемых элементах
При расчетах сооружений часто принимается допущение об идеальной упругости материала. Представление об идеальной упругости материала, положенное в основу классической теории упругости и строительной механики, для многих материалов достаточно хорошо отвечает опытам при кратковременных нагружениях и не очень высоком уровне напряжений. Однако при длительном действии нагрузки даже относительно невысокого уровня многие материалы обнаруживают способность деформироваться во времени при постоянных напряжениях (ползучесть).
В данной главе рассматривается метод расчета изгибаемых армированных деревянных элементов с учетом ползучести материалов, поскольку каркас плит покрытий выполняется именно из таких элементов. Расчет армированных деревянных конструкций при действии временной нагрузки достаточно полно приведен в работах Я.Ф. Хлебного, В.Ю. Щуко, В.Ф. Бондина, Е.А. Смирнова и др. [2, 3, 19,43, 55, 66, 79, 80]. С использованием методики этих расчетов прочность и деформативность плит с армированным деревянным каркасом можно определить с достаточной степенью точности.
Длительная прочность и деформативность армированных деревян ных балок с относительной высотой сечения пролета изучена и разработаны численные методы их расчета в работах В.Ф. Бондина, В.Ю. Щуко, Е.А. Смирнова, В.Б. Касаткина, С.Л. Молотовщикова, Кдяйма-на и др. [2,3,4, 19,21,30,84,89,92,95].
Однако, прочность и, особенно, деформативность «низких» балок с 1 1 относительной высотой сечения пролета, какими являются несу 25 40 щие армированные деревянные ребра каркаса плит, фактически не изучена.
Особенностью деформирования таких элементов во времени является повышенная деформативность, вызванная значительным снижением модуля упругости древесины во времени, достигающим при постоянном действии нагрузки 0,69 Ея при действии временной длительной, где Ед — начальный модуль упругости [12, 13, 66].
В реальных условиях эксплуатации строительные конструкции, подвержены, преимущественно, длительному действию нагрузок, что сопровождается увеличением деформаций во времени (вследствие ползучести материалов), а в ряде случаев и изменением напряженного состояния конструкций (изменение расчетной схемы, перераспределение усилий и т. п.). Поэтому учет продолжительности действия нагрузки имеет особо важное практическое значение [2, 4, 12, 13, 17, 19, 21,49, 63].
Древесина, в сравнении с другими конструкционными строительными материалами (бетоном, сталью), обладает повышенной ползучестью. Это вызвано специфическими особенностями строения и свойствами древесины. Правильная оценка ползучести и связанных с ней процессов в армированных деревянных конструкциях позволяет глубже понять работу таких конструкций и избежать ошибок при их расчете и проектировании [2, 4, 12, 13, 17, 21].
Реологические свойства древесины, стальной арматуры и соединяющих их клеев в достаточной степени изучены. Низкие показатели ползучести стальной арматуры, клеевых композиций и малое время затухания деформационных процессов для этих материалов позволяют заключить, что основной причиной увеличения общих деформаций (прогибов) во времени деревянных конструкций со стальной арматурой является ползучесть древесины.
Учитывая сказанное, для решения задачи об определении напряженно-деформированного состояния армированных деревянных балок с учетом продолжительности действия нагрузки, введем допущения, что стальная арматура во времени работает упруго и жестко соединена с древесиной, т.е. єа = д; изменение деформаций по высоте сечения балки во времени пропорционально расстоянию до нейтрального слоя,
Релаксация усилий и напряжений в деревянных симметрично армированных изгибаемых элементах
Основные предпосылки (допущения): - считается справедливой гипотеза плоских сечений; - распределение напряжений в древесине по сечению все время остается линейным; - положение нейтральной оси не изменяется; - кривые ползучести (релаксации) древесины параллельны, т.е. имеют (точнее) параллельные касательные.
Таким образом, в теории старения начальная кривая ползучести предопределяет характер процесса нарастания деформаций. Время принято отсчитывать от момента загружения, т.е. т = 0, следовательно, фактически величины tu h... tn означают время действия нагрузки.
Принимая г"3 = t cm в целях упрощения решения имеем равенство сар оас, соответственно для симметрично армированного сечения &apFap= оас ас» где CTqp и ас напряжения в растянутой и сжатой зоне.
В любой момент времени выполняются условия равновесия. (Рис. 2.1, 2.2). Ma(t)+Md(t) = M, (2.1) где М$( t) - момент, воспринимаемый древесиной сжатой и растянутой зон сечения; Ma(t) — тоже симметрично расположенной по сечению арматурой; М- изгибающий момент от внешней нагрузки
Результаты экспериментального исследования и их анализ
В главе приведена методика проведения испытаний армированных деревянных плит покрытий при кратковременном действии статической нагрузки. Приведены результаты экспериментальных исследований. Выполнен анализ результатов исследований, позволяющий сделать вывод о временной прочности и деформации армированных деревянных элементов. Проведено сравнение экспериментальных данных с теоретическими. 3.1. Методика экспериментального исследования
Проведенные ранее исследования армированных деревянных конструкций показали, что наиболее надежным способом соединения арматуры с древесиной является склеивание их с помощью клеевых композиций на основе эпоксидных смол [14, 19, 27, 61, 66]. При этом отмечено, что значительную роль в обеспечении прочности и долговечности таких соединений играют наполнители [53, 61, 65, 68,82]. Так к числу наиболее эффективных наполнителей относится кварцевый песок [66, 76, 79].
Для армированных деревянных элементов наиболее подходящими являются горячекатаные армированные стали периодического профиля классов A-II и А-Ш [66, 76, 82].
Наиболее эффективным считается двойное симметричное армирование сечений элементов по всей длине пролета с размещением одинакового количества арматуры в сжатой и растянутой зонах при коэффициенте армирования не менее 0,015 [66, 76].
Ранее исследованные армированные деревянные конструкции имели высоту сечений главных несущих конструкций (т.н. главных балок) составляющих 1/15 - 1/22 пролета. Для плит покрытий относительная высота сечений может составлять 1/25 — 1/40 пролета (предельно низкие балки), что должно сказываться на характере напряженно-деформированного состояния в отличие от конструкций обычной высоты сечения. В таких конструкциях армирование рационально выполнять по всей длине пролета, поскольку определяющим фактором является жесткость конструкции. Целью и задачей экспериментального исследования явилось: - определение разрушающей нагрузки при непрерывном статическом нагружении; - определение характера разрушения плит с армированным деревянным каркасом при различном расположении ребер жесткости; - выявление закономерностей напряженно-деформированного состояния; - определение характера распределения напряжений по сечениям элементов каркаса.
Анализ применения плит покрытий с деревянным каркасом показал, что при массовом производстве элементы каркаса целесообразно изготовлять из пиломатериалов унифицированных размеров недефицитного сорта.
Для экспериментальных исследований были приняты элементы из пиломатериалов хвойных пород (сосна) 3-го сорта сечением 150 х 50 мм.
Испытания проводились на плитах покрытия размером 1490 х 5980 мм. Каркас плит состоит из 4 продольных ребер и 3 поперечных (рис. 3.1).
Для проведения испытаний кратковременной нагрузкой были изготовлены 6 плит. 3 плиты имели ребра жесткости, равномерно расставленные по ширине (рис. 3.1, а), остальные 3 плиты имели ребра, расставленные следующим образом: крайние ребра одиночные, средние ребра спаренные (рис. 3.1, б). Такая конструкция позволит уменьшить перегрузку средних ребер, т.к. в покрытии крайние ребра плит работают попарно, тогда как средние оказываются перегруженными, что и приводит к отмеченным выше большим деформациям средних ребер и «провисанию» обшив ки (см. п. 1.1). Плиты проектировались под скатную кровлю из штучных материалов (а/ц волнистые листы, оцинкованный профнастил и др.).
Нижняя обшивка плит состояла из ЦСП толщиной 8 мм, которая крепилась шурупами 4 х 50 мм.
Армирование каждого ребра каркаса осуществлялось 2 0 14 мм из горячекатаной стали класса А II (рис. 3.1, 3.2). Коэффициент армирования ребер каркаса составил 0,0434. Для вклеивания стержней в гранях ребер фразировались пазы полукруглого профиля шириной 16 мм.
Перед вклеиванием арматурные стержни обезжиривались с помощью ацетона.
В качестве клеевой композиции применили эпоксидно-песчаный компаунд ЭПП (табл. 3.1). Клей заливался в пазы заготовок, после чего укладывались стержни, которые пригружались штучными грузами. Время выдержки под грузами в процессе отверждения до набора компаундом разборной прочности составило 4-5 часов.
Экспериментальные исследования моделей каркасов
Учитывая реальные возможности постановки эксперимента, на первом этапе экспериментальных исследований испытывалиеь модели каркаса плит, запроектированные по принципу полного геометрического подобия реальным конструкциям. При этом соблюдался принцип полного физического подобия материалов каркаса моделей и реальных конструкций, что позволяло получить подобия по жесткостям и сохранить в модели физические явления, происходящие в натурных конструкциях при нагружении.
Для эксперимента были выбраны крупномасштабные модели в соответствии с требованиями теории подобия и условиями моделирования.
В качестве аналога выбраны плиты покрытия размером 1,5 х 6 м с высотой армированных ребер каркаса 150... 180 мм. Исходя из условий проведения эксперимента, масштабный множитель при моделировании был принят равным 0,45. При этом пролет модели составил 2,7 м при высоте сечения ребер 100 мм, или 1 / 27 пролета. Ширина сечения принята равной 30 мм.
Ребра каркаса моделей изготавливались из древесины сосны 3-го сорта. Армирование осуществлялось при помощи двух стержней периодического профиля 0 8 мм класса А-Ш, размещенных в сжатой и растянутой зонах сечения (рис. 4.1). Коэффициент армирования сечений ребер составил 0,0362.
Вклеивание стержней периодического профиля производилось в пазы полукруглого сечения шириной 10 мм при помощи эпоксидно-песчаного компаунда (см. табл. 3.1). При этом влажность древесины составляла 13,5...14%.
Всего изготовлено три каркаса моделей плит: К-1, К-2 и К-3. К-1 имел армирование по всей длине ребер; К-3 - армирование на части длины с обрывом арматуры в сжатой зоне. Испытание моделей проводили в горизонтальном положении на специальном стенде (рис. 4.2) (фото).
Нагрузка создавалась при помощи штучных грузов массой 40 кг, которые равномерно распределялись по длине каркаса. Загружение производилось ступенями, равными 1 / 10 от величины испытательной нагрузки, ко-торая была равной нормативной нагрузке и составляла 360 кг / м .
Под каждой ступенью нагрузки давалась выдержка 10-12 мин. -времени, необходимого для стабилизации деформаций и снятия отсчетов с приборов. Расстановка приборов при испытании каркасов приведена на рис. 4.3.
При испытании определялись прогибы элементов каркаса с помощью стальной нити, натянутой с помощью отвеса между опорными сечениями в уровне нейтральной оси и зеркальной шкалы с ценой деления 1,0 мм, краевые деформации арматуры и древесины измерялись с помощью индикаторов часового типа с удлинителем на базе 200 мм в зоне чистого изгиба.
Под нагрузкой модели находились 90 суток, при этом деформации полностью стабилизировались, после чего проводилось догружение до величины 1,5 нормативной нагрузки, и снова выдерживались 90 суток, затем нагрузка доводилась до значения 2 нормативных нагрузок, и выдержка составила еще 90 суток. После проводилось разгружение в обратном порядке с целью определения характера редсформирования элементов каркаса плит. Выдержка между ступенями при этом составляла 30 суток.
Для испытаний были изготовлены три плиты размером 1490 х 5980 мм.
Каркас изготавливался из пиломатериалов хвойных пород древесины (сосна) 3-го сорта влажностью 13,5...15,1 %. Каркас состоял из 4 продольных и 3 поперечных ребер. Средние ребра плит были сдвоены. Нижняя обшивка плит изготавливалась из ЦСП толщиной 8 мм и крепилась к каркасу оцинкованными шурупами 4 х 50 мм с потайной головкой, поставленными с шагом 300 мм.
Плиты имеют параметры и изготавливались по технологии, аналогичной приведенной в п. ЗЛ.
Полноразмерные плиты с нижней обшивкой из ЦСП и покрытием из волнистых асбестоцементных листов испытывались на специальном стенде в рабочем положении, имитирующем скат кровли с уклоном 25 % (рис. 4.4).
Плиты загружались бетонными штучными грузами массой 100 кг, имитировавшими нормативную снеговую нагрузку, равную 1,0 кН / м . Испытания проводились в помещении цеха (плиты П-1 и П-2) и на открытом полигоне Судогодской ПМК (плита П-3). Под нагрузкой плиты простояли 7,5 месяцев (с октября по май). В феврале нагрузка массы выпавшего снега на плиту П-3 составила 1,9 кН / м , то есть была больше расчетной за счет массы образовавшегося снегового покрова.
Плиты П-1 и П-2 испытывалась в отапливаемом помещении с постоянным «t - w» режимом при температуре воздуха /=16-19 С и относительной влажности воздуха w = 58 - 66 %. Общий вид плиты в процессе испытаний приведен на рис. 4.5.
Плита П-3 испытывалась на открытом воздухе в осенне-зимне-весенний период, загруженная вначале нормативной нагрузкой, которая затем увеличилась с ростом снегового покрова. Общий вид плиты П-3 в процессе испытаний приведен на рис. 4.6.
