Введение к работе
Актуальность темы. В России продолжают реализовываться программы,
направленные на более эффективное использование древесины для
промышленного и гражданского строительства. При этом ставятся задачи увеличения несущей способности и надёжности узловых соединений деревянных конструкций, в том числе и с использованием нагельных пластин.
В настоящее время широкое распространение получили соединения на металлических зубчатых пластинах (МЗП). Однако их основными недостатками являются невысокая несущая способность и применение для конструкций, выполненных из дощатых элементов. Более высокой несущей способностью обладают соединения на металлических пластинах и дюбелях, разработанные в Новосибирском государственном архитектурно-строительном университете (Сибстрин), при этом есть возможность увеличить их несущую способность.
С учётом вышесказанного в настоящей работе предложены соединения
элементов деревянных конструкций на металлических пластинах с дюбелями,
усиленные штампованными зубчатыми шайбами. Они обладают большей
несущей способностью и меньшей деформативностью. Предлагаемые
соединения позволяют увеличить пролёт и шаг деревянных конструкций.
Степень разработанности темы. Исследования работы соединений
деревянных элементов на нагельных пластинах, выполненные как
отечественными учёными – Д.К. Арленинов, Е.К. Ашкенази, Е.В. Буров, В.Н.
Глухих, П.А. Дмитриев, А.Н. Дурновский, А.В. Карельский, Г.Г. Карлсен, В.Г.
Котлов, В.М. Коченов, Б.В. Лабудин, Д.В. Лоскутова, В.Г. Леннов, Л.А.
Максименко, В.Г. Миронов, А.А. Найчук, А.К. Наумов, Р.Б. Орлович, Ю.В.
Пискунов, В.В. Пуртов, Е.И. Светозарова, Е.Н. Серов, Ю.Ю. Славик, Сюй Юнь,
В.А. Цепаев, А.Г. Черных, С.М. Чернявский, В.Н. Шведов, так и зарубежными –
H.J. Blass, B.O. Hilson, K.W. Johansen, J. Kangas, M. Leivo, H. Litze, C.
Malinowski, L. Ozola, K. Savata, M. Schmid, B. Wagner и др., были направлены, в основном, на изучение работы соединений деревянных элементов со штампованными и цилиндрическими зубьями. При этом работа цилиндрических зубьев (в том числе дюбелей) с плотно установленными на них штампованными зубчатыми шайбами, в соединениях деревянных элементов, до настоящего времени не изучалась.
Цель работы. Разработка соединений и метода расчёта по прочности деревянных элементов на металлических пластинах и дюбелях, усиленных штампованными зубчатыми шайбами.
Задачи исследования:
– на основе анализа накопленного опыта конструкторских разработок, посвящённых нагельным пластинам со штампованными или цилиндрическими зубьями, разработать соединения деревянных элементов на металлических пластинах и дюбелях, усиленные штампованными зубчатыми шайбами, объединяющие достоинства в работе различных типов зубьев;
– разработать аналитический метод расчёта по прочности соединений деревянных элементов на металлических пластинах и дюбелях, усиленных штампованными зубчатыми шайбами, и предложить пошаговый алгоритм выяв-ления рабочей схемы предельного равновесия указанного соединения;
– экспериментальными методами при действии кратковременных нагрузок вдоль и поперёк волокон древесины подтвердить достоверность результатов аналитических расчётов;
– исследовать особенности распределения полей напряжения по площади древесины, под шайбой и дюбелем при помощи поляризационно-оптического метода и сопоставить полученные данные с результатами численных расчётов распределения полей напряжений, выполненных в программном комплексе ANSYS;
– экспериментально исследовать работу выполненных в натуральную величину опорных узлов клеедощатых сегментных ферм с предлагаемыми соединениями;
– выполнить оценку сходимости результатов аналитических расчётов с результатами экспериментальных исследований соединений деревянных элементов на металлических пластинах и дюбелях, усиленных штампованными зубчатыми шайбами;
– разработать инженерный метод расчёта по прочности соединений деревянных элементов на металлических пластинах и дюбелях, усиленных штампованными зубчатыми шайбами с учётом полученных результатов аналитических, экспериментальных и численных исследований;
– разработать деревянные конструкции ферм с пролётом 12–36 м с узловыми соединениями на металлических пластинах и дюбелях, усиленными штампованными зубчатыми шайбами.
Объектом исследований являются соединения деревянных элементов на металлических пластинах с дюбелями, усиленные штампованными зубчатыми шайбами.
Предметом исследования является метод аналитического расчёта по прочности соединений деревянных элементов на металлических пластинах и дюбелях, усиленных штампованными зубчатыми шайбами, проверенный натурными экспериментами.
Методология и методы исследования. В работе использован
экспериментально-теоретический метод. В теоретических исследованиях применены общие методы строительной механики и теории расчёта деревянных конструкций. Экспериментальные исследования выполнены с использованием современных поверенных измерительных приборов и разрывных машин в лаборатории испытаний строительных конструкций кафедры «Металлические и деревянные конструкции» Новосибирского государственного архитектурно-строительного университета (Сибстрин).
Научная новизна диссертационной работы:
– получены аналитические зависимости несущей способности
предлагаемых соединений от их геометрических параметров и прочностных характеристик материалов;
– выявлены типичные картины разрушения исследуемых соединений, на основе которых создан пошаговый алгоритм определения рабочей схемы предельного равновесия;
– получены новые результаты анализа напряжённого состояния
соединяемых элементов, выполненного с использованием поляризационно-оптического метода, а также при помощи программного комплекса ANSYS;
– впервые получены данные по прочности и деформативности предлагаемых соединений при действии кратковременных нагрузок вдоль и поперёк волокон древесины;
– впервые получены результаты (прочность и деформативность) по работе предложенных соединений в опорных узлах клеедощатой сегментной фермы пролётом 24 м, выполненных в натуральную величину.
Теоретическая значимость работы заключается в развитии теории
расчёта соединений деревянных элементов, выполненных при помощи
металлических пластин, дюбелей и штампованных зубчатых шайб: разработан
метод расчёта, позволяющий оценить совместную работу дюбеля и плотно
установленной на него штампованной зубчатой шайбы; получены аналитические
зависимости, описывающие несущую способность предлагаемых соединений от
их геометрических параметров и прочностных характеристик; разработан
инженерный метод расчёта соединения деревянных элементов на металлических
пластинах и дюбелях, усиленного штампованными зубчатыми шайбами,
позволяющий при помощи заранее построенных графиков определить
расчётную несущую способность соединений в зависимости от их
геометрических параметров и прочностных характеристик материалов.
Практическая значимость работы заключается:
– в создании нового способа усиления соединений деревянных элементов на металлических пластинах и дюбелях при помощи штампованных зубчатых шайб;
– в разработке нового типа соединений деревянных элементов на металлических пластинах и дюбелях, усиленных штампованными зубчатыми шайбами, на который получен патент РФ;
– в возможности использования при проектировании предложенного инженерного метода расчёта конструкций с соединениями на металлических пластинах и дюбелях, усиленных штампованными зубчатыми шайбами;
– в разработке рекомендаций по конструированию и расчёту
предложенных соединений;
– в разработке запатентованного узлового соединения, а также в разработке до стадии рабочих чертежей конструкций цельнодеревянной треугольной и многоугольной ферм, клеедощатой линзообразной фермы с пролётами 18 м.
Достоверность научных положений и результатов обеспечивается использованием общепринятых положений теории упругости, строительной механики, а также предпосылок расчёта, принятых в результате анализа широкого круга исследований соединений деревянных элементов, выполненных с использованием нагельных зубчатых пластин; проверкой предложенного метода расчёта натурными экспериментами, выполненными с использованием оборудования и инструментов, имеющих свидетельства о метрологической поверке и калибровке. Достоверность предложенного метода расчёта
подтверждается хорошей сходимостью результатов аналитических расчётов и экспериментальных данных испытаний соединений и узлов конструкций.
Личный вклад диссертанта состоит: в разработке нового способа усиления соединений деревянных элементов на металлических пластинах и дюбелях при помощи плотно устанавливаемых на дюбели штампованных зубчатых шайб; в разработке метода расчёта предложенных соединений, позволяющего оценить совместную работу дюбеля с плотно установленной на него штампованной зубчатой шайбой и в создании пошагового алгоритма поиска рабочей схемы предельного равновесия; в экспериментальном исследовании предлагаемых соединений при действии кратковременных нагрузок, а также в проведении исследования таких соединений при помощи поляризационно-оптического метода; в исследовании характера распределения полей напряжений по поверхности соединяемых элементов при помощи программного комплекса ANSYS; в экспериментальном исследовании опорных узлов ферм, выполненных в натуральную величину; в проектировании цельнодеревянных и клеедощатых ферм с использованием вышеуказанных соединений для покрытий зданий с пролётами до 36 м.
На защиту выносятся:
– разработанное и запатентованное автором новое решение
металлической пластины с дюбелями, усиленной штампованными зубчатыми шайбами для соединения деревянных элементов конструкций;
– метод расчёта исследуемых соединений, позволяющий оценить совместную работу дюбеля и плотно установленной на него штампованной зубчатой шайбы;
– результаты анализа напряжённого состояния соединяемых элементов, выполненного с использованием поляризационно-оптического метода, а также при помощи численных исследований в программном комплексе ANSYS;
– результаты экспериментальных исследований по прочности и
деформативности предлагаемых соединений при действии кратковременных нагрузок;
– результаты исследований работы опорных узлов клеедощатой сегментной фермы пролётом 24 м, выполненных в натуральную величину.
Апробация работы. Основные результаты диссертационных
исследований доложены и представлены в материалах:
– 60-й – 75-й научно-технических конференций «Научно-технические проблемы в строительстве», Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет (Сибстрин), Новосибирск, 2003–2018 гг.;
– Научно-технической конференции «Проблемы архитектуры и
строительства», Красноярская государственная архитектурно-строительная академия, Красноярск, 2004–2006 гг.;
– Научно-технической конференции «Проблемы архитектуры и
строительства», Сибирский федеральный университет, Инженерно-
строительный институт, Красноярск, 2012 г.;
– Научно-технической конференции «Деревянное домостроение Сибири
2030», Сибирский федеральный университет, Инженерно-строительный
институт, Красноярск, 2015 г.;
– 4-й всероссийской конференции «Проблемы оптимального
проектирования сооружений», Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет (Сибстрин), Новосибирск, 2017 г.;
– XX всероссийской научно-технической конференции «Проблемы социального и научно-технического развития в современном мире», Рубцовский индустриальный институт – филиал АлтГТУ им. И.И. Ползунова, Алтайский край, г. Рубцовск, 2018 г.;
– Международной научно-практической конференции «Инновации в
деревянном строительстве», Санкт-Петербургский государственный
архитектурно-строительный университет (СПбГАСУ), Санкт-Петербург, 2018 г.;
– ХIII Международной молодёжной научной конференции по
естественнонаучным и техническим дисциплинам «Научному прогрессу –
творчество молодых», Поволжский государственный технологический
университет, Республика Марий Эл, г. Йошкар-Ола, 2018 г;
– VII Международного симпозиума «Актуальные проблемы
компьютерного моделирования конструкций и сооружений (APCSCE 2018)»,
секция 3 «Проблемы компьютерного моделирования конструкций и
сооружений», Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет (Сибстрин), Новосибирск, июль 2018 г.
Внедрение результатов работы. Фирмой ООО
«СтройТехЭкспертПроект» (г. Новосибирск) была осуществлена привязка к
проекту разработанных до стадии рабочих чертежей конструкций
цельнодеревянной треугольной, цельнодеревянной многоугольной и
клеедощатой линзообразной ферм с пролётом 18 м. Полученные материалы
(инженерный метод расчёта, рекомендации по проектированию и
конструированию разработанных соединений, типовые узлы и конструкции на их основе) используются в учебном процессе НГАСУ (Сибстрин) при подготовке бакалавров и магистрантов направления 08.03.01 «Строительство».
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 15 печатных работах, в том числе 10 статей в рецензируемых научных изданиях, включённых в перечень ВАК Министерства науки и высшего образования РФ (из них 2 патента РФ на полезную модель).
Объём и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, библиографического списка использованной литературы и Приложения. Основное содержание диссертации изложено на 200 страницах машинописного текста, содержит 82 рисунка, 12 таблиц, библиографический список использованной литературы из 152 наименований и 7 страниц Приложения.