Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Состояние вопроса и задачи исследования соединений и конструкций на металлических зубчатых пластинах 10
1.1. Общая характеристика и опыт применения деревянных конструкций на металлических зубчатых пластинах в отечественной и зарубежной практике строительства 10
1.2. Обоснование выбранного направления и задачи исследований 23
ГЛАВА 2 Теоретические основы расчета плоских сквозных конструкций на металлических зубчатых пластинах по деформациям 45
2.1. Основные предпосылки расчета 45
2.2. Определение функциональных зависимостей между приходящимся на зуб усилием и смещением его основания 47
2.3. Жесткость соединений на металлических зубчатых пластинах 55
2.4. Расчет соединений и плоских сквозных конструкций на МЗП по П-ой группе предельных состояний 58
2.5. Выводы по главе 67
ГЛАВА 3 меХанические характеристики древесины при смятии узким прямоугольным штампом и металла зубчатой пластины 68
3.1. Задачи испытаний 68
3.2. Определение механических характеристик древесины при смятии узким прямоугольным штампом от действия кратковременных нагрузок 71
3.3. Определение механических характеристик древесины при смятии узкими плоскими штампами от действия длительных нагрузок 79
3.4. Определение прочностных и деформационных характеристик металла МЗП 1,2x70 88
3.5. Расчетные характеристики древесины и металла пластины 92
3.6. Выводы по главе 94
ГЛАВА 4 Теоретическое и экспериментальное исследование деформативности соединений и конструкций на металлических зубчатых пластинах 95
4.1. Кратковременные испытания соединений 96
4.1.1. Действие на соединение осевой силы 96
4.1.2. Действие на соединение изгибающего момента 103
4.2. Длительные испытания 107
4.2.1. Действие на соединение осевой силы 107
4.2.2. Действие на соединение осевой силы и изгибающего момента
4.3. Учет остаточных деформаций в расчетах деревянных конструкций на МЗП 111
4.4. Исследование де формативное плоских сквозных конструкций с узлами на МЗП
4.4.1. Конструирование деревянных ферм 122
4.4.2. Методика испытания ферм 127
4.4.3. Результаты испытаний 135
4.4.4. Расчет опытных ферм по предлагаемой методике 141
4.4.5. Выводы по главе 152
ГЛАВА 5 Внедрение результатов диссертационной работы в инженерную практику 153
5.1. Инженерный расчет несущих конструкций на МЗП 153
5.2. Выводы по главе 166
Основные результаты и выводы 166
Список использованной литературы
- Обоснование выбранного направления и задачи исследований
- Жесткость соединений на металлических зубчатых пластинах
- Определение механических характеристик древесины при смятии узкими плоскими штампами от действия длительных нагрузок
- Действие на соединение осевой силы и изгибающего момента
Введение к работе
Актуальность работы
Деревянные конструкции с соединениями на металлических зубчатых пластинах (МЗП) - это один из тех редких продуктов промышленного производства, который способен сделать революцию в своей отрасли благодаря большому количеству ощутимых преимуществ и большой потенциальной востребованности.
Объясняется это объективными причинами: соответствие запросам государственных и частных организаций (как в части реконструкции, так и в части возведения новых зданий), экологически чистое производство конструкций, восполнимость сырья, низкий расход древесины на единицу площади покрытия по сравнению с другими конструкциями, легкость конструкций, минимальная потребность в грузоподъемных механизмах и транспорте, высокая технологичность производства и проектирования, стопроцентная заводская готовность, быстровозводимость, демократичность очертаний, возможность создания любых типов конструкций (фермы, рамы, арки, балки, стойки, каркасы панелей), значительная прочность при кажущейся ажурности и, наконец, эстетичность.
Зарубежный опыт исследований прочности и деформативности конструкций на МЗП, во-первых, носит выраженный эмпирический характер - большинство прочностных и деформационных свойств конструкций определяются по результатам натурных испытаний соединений, ферм, рам, балок и т.д. Во-вторых, каждый производитель заинтересован в создании своей собственной запатентованной зубчатой пластины и продаже готовой, "закрытой" и не подлежащей анализу технологии проектирования конструкций (практически каждый производитель имеет свой программный продукт для расчета и проектирования).
В России же этот тип деревянных конструкций находит себе применение пока
редко, и одна из главных причин заключается в отсутствии полноценного метода
расчета и проектирования, что в свою очередь связано с недостаточной изученно
стью некоторых аспектов работы этих конструкций.
4»fi
Так, например, известно, что соединения на МЗП обладают повышенной деформативностью. Это связано не только с накоплением упруго-вязких и остаточных деформаций, что объясняется свойствами древесины, но и с явлениями, которые характерны только для этого вида соединений (возможное изменение расчетной схемы зуба после образования пластического шарнира в его основании при действии эксплуатационных нагрузок, внецентренная передача усилия по отношению к центрам тяжести рабочих площадок зубчатой пластины). Поэтому статический расчет конструкций с узлами на МЗП традиционным способом (в предположении, что усилия во всех узлах конструкции передаются строго через точки пересечения осей элементов) и без учета угловой и линейной податливости дает заниженные величины прогибов, что уже приводило к провисанию конструкций в процессе эксплуатации.
Также известно, что существующая методика оценки прочности соединений на МЗП демонстрирует достоверные результаты. Однако для ограничения возможных вязко-упругих деформаций получаемая по этой методике несущая способность соединений искусственно занижается на 20-40%, что приводит зачастую к неоправданному запасу прочности. При этом указанная мера не учитывает основные причины повышенной деформативности конструкций - остаточные деформации, возможное образование пластического шарнира в основании нагеля-зуба и возникновение пар сил, приложенных к центрам тяжести рабочих площадок пластины и вызывающих линейные и угловые деформации в узлах.
Сознавая перспективность этого вида деревянных конструкций, можно сказать, что развитие и уточнение существующих приемов расчета и технологии проектирования является актуальной задачей, решение которой отвечает запросам современного строительного комплекса России.
Целью диссертационной работы является теоретическое и экспериментальное исследование деформативности сквозных деревянных конструкций с узлами на МЗП с учетом свойств упругости и вязкости деревянных элементов, пластичности металла зубчатых пластин и действительного характера передачи усилий в узлах, а также создание и экспериментальное обоснование методики расчета сквозных конструкций на МЗП по 11-й группе предельных состояний.
В соответствии с поставленной целью в представленной диссертационной работе решаются следующие основные задачи:
разработка предпосылок к расчету соединений и конструкций на МЗП по Н-й группе предельных состояний с учетом свойств упругости, вязкости и пластичности элементов конструкций и деталей соединений, а также действительного характера передачи усилий в узлах;
вывод функциональной зависимости между усилием, действующим на однозубчатое соединение, и его деформациями с возможностью образования пластического шарнира в основании нагеля-зуба;
определение линейной и угловой жесткостей зубчатых соединений с возможностью учета пар сил, приложенных к центрам тяжести рабочих площадок пластины и вызывающих линейные и угловые деформации в узлах;
разработка методики расчета соединений и сквозных деревянных конструкций по деформациям с учетом свойств упругости, вязкости и пластичности элементов конструкций и деталей соединений, а также действительного характера передачи усилий в узлах и ее представление в виде алгоритма, реализованного с использованием программного обеспечения;
постановка испытаний древесины на смятие узким прямоугольным штампом шириной 1,2 и 2,4 мм с целью определения и уточнения прочностных и жесткостных характеристик древесины и проведение испытаний металла зубчатой пластины марки МЗП 1,2x70, используемой в настоящей работе в опытных образцах соединений, для уточнения ее механических характеристик;
проведение натурных испытаний соединений на МЗП на действие продольного усилия и изгибающего момента и испытаний треугольной фермы с узлами на МЗП на длительную нагрузку;
апробация предлагаемой методики расчета деревянных конструкций с узлами на МЗП по 11-й группе предельных состояний на основе результатов авторских испытаний и экспериментов других исследователей;
внедрение программного продукта в инженерно-проектную деятельность.
4 Научная новизна работы:
получена общая аналитическая зависимость между действующим на зуб пластины усилием и смещением его основания для любого момента времени с возможностью изменения расчетной схемы зуба после образования пластического шарнира в его основании при действии эксплуатационных нагрузок;
получены эмпирические выражения для определения коэффициентов постели и уточнены выражения для определения пределов прочности древесины при местном смятии в зависимости от ширины сминающего штампа и предела прочности древесины при сжатии;
получено эмпирическое выражение ядра интегрального уравнения теории линейной наследственности для случаев местного смятия древесины под любым углом к волокнам как функция времени и влажности древесины;
получены аналитические выражения для определения угловой и линейной жесткостей сопряжения зубчатой пластины с деревянным элементом;
разработана методика расчета соединений и конструкций на МЗП по деформациям с учетом свойств упругости, вязкости и пластичности деревянных элементов и металлических зубчатых пластин и действительного характера передачи усилий в узлах;
проведены натурные кратковременные испытания соединений на МЗП на действие изгибающего момента, длительные испытания на совместное действие осевого усилия и изгибающего момента, а также длительные испытания треугольной фермы с узлами на МЗП.
Практическая значимость работы:
выявлена и объяснена причина характерного роста скорости деформаций соединений и конструкций на МЗП спустя некоторое время после приложения длительно действующей нагрузки;
изучено и количественно оценено влияние образования пластического шарнира в основании зуба пластины и внецентренной передачи усилий в узлах на деформативность сквозных конструкций;
предложены практические формулы для определения коэффициентов постели, а также уточнены формулы для определения пределов прочности древесины при местном смятии вдоль и поперек волокон;
получено аналитическое выражение, устанавливающее зависимость между действующим на зуб усилием и смещением его основания в любой момент времени, а также эмпирические зависимости наследственного ядра, входящего в аналитическое выражение;
выведены формулы угловой и линейной жесткостей соединения на МЗП для любой формы и ориентации пластины;
создана программа для ЭВМ, автоматизирующая расчет соединений и конструкций на МЗП по 1-й и П-й группам предельных состояний на основе положений предложенной методики;
предлагаемая методика позволяет сократить расход зубчатых пластин при проектировании конструкций на МЗП за счет устранения запасов прочности соединений, принятых в ранних методиках расчета для компенсации неизученности исследованных в настоящей работе явлений.
Внедрение результатов исследований
Результаты теоретических и экспериментальных исследований деформативно-сти соединений и конструкций на МЗП в виде программного обеспечения для статического расчета были использованы проектно-строительной организацией ООО НПФ "Металлимпресс" при разработке проекта покрытия административного здания в Приокском районе г. Нижнего Новгорода, а также 000 "Билтек груп" при проектировании несущих конструкций покрытия дополнительного этажа производственного здания по ул.Шапошникова г. Нижнего Новгорода.
Апробация работы
Результаты проведенных исследований докладывались и обсуждались:
на Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых "Строительные конструкции - 2000", МГСУ, Москва, 2000 г.;
на научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, докторантов, аспирантов и студентов "Архитектура и строительство -2000", ННГАСУ, Нижний Новгород, 2000 г.;
на международной конференции "Современные технологии проектирования и строительства", СПбГАСУ, Санкт-Петербург, 2001 г.;
на международном семинаре "Новые технологии в строительстве", Москва, 2002г.
На защиту выносятся:
результаты теоретических исследований зависимости между действующим на зуб пластины усилием и смещением его основания для любого момента времени с возможностью изменения расчетной схемы зуба после образования пластического шарнира в его основании;
результаты теоретических исследований угловой и линейной жесткости соединений на МЗП;
результаты теоретических и экспериментальных исследований древесины при смятии узкими прямоугольными штампами по определению кратковременной прочности и коэффициентов постели, а также наследственного ядра интегрального уравнения линейного деформирования древесины;
результаты экспериментальных исследований деформативности соединений и конструкций на МЗП при действии кратковременной и длительной нагрузки;
разработанный инженерный метод расчета соединений и конструкций на МЗП по деформациям.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ.
Структура и объем работы
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных результатов и выводов, библиографического списка и пяти приложений. Общий объем работы со-
7 ставляет 286 страниц, в том числе 120 рисунков в виде схем, графиков, чертежей и фотографий, 51 таблица, библиографический список, включающий 143 наименования.
Автор выражает свою благодарность и признательность кандидату технических наук, профессору кафедры конструкций из дерева, древесных композитов и пластмасс (КДКП) Нижегородского государственного архитектурно-строительного университета (ННГАСУ) Миронову В.Г. и заведующему кафедрой КДКП ННГАСУ, доктору технических наук, профессору Цепаеву В.А за всестороннее научное и человеческое содействие и поддержку при подготовке настоящей диссертационной работы, кандидату физико-математических наук, доценту кафедры высшей математики ННГАСУ Важдаеву В.П. и доктору физико-математических наук, профессору кафедры прикладной математики Нижегородского государственного технического университета (НГТУ) Рязанцевой И.П. за ценные научные консультации, кандидату технических наук, заведующему лабораторией и доценту кафедры сопротивления материалов и теории упругости ННГАСУ Крамареву Л.Н. за техническую помощь и участие в подготовке экспериментов.
Обоснование выбранного направления и задачи исследований
Наибольшее распространение получили 3 варианта оборудования для сборки конструкций: подвесная пресс-скоба с кондуктором для сборки ферм, передвижной пресс и стационарный пресс.
Преимущество подвесной пресс-скобы (рис. 1.6) заключается в относительно низкой стоимости комплекта оборудования и широкой возможности применения. Особенно пресс-скоба эффективна при изготовлении конструкции нестандартной конфигурации. Простота сборочного кондуктора и его автономность позволяют оперативно переходить на новые виды конструкций. К недостаткам пресс-скобы можно отнести ручное управление, необходимость в подъемно-транспортном оборудовании и невысокую производительность. Комплекты сборочного оборудования с подвесной пресс-скобой применяется обычно на небольшом производстве, ориентированном на широкую номенклатуру конструкций. Сопутствующим оборудованием для пресс-скобы является комплект столов для размещения элементов собираемых конструкций (рис. 1.6).
Передвижные и стационарные прессы эффективны при больших объемах производства типовых конструкций. В отечественной производственной практике передвижные и стационарные прессы получили ограниченное применение и в основном это закупленное иностранное оборудование компаний "MiTek", "Gang-Nail" и других известных фирм (рис. 1.7).
Деревянные конструкций на металлических зубчатых пластинах обладают рядом преимуществ по сравнению с другими конструкциями подобного назначения. Во-первых, это низкий расход древесины на единицу площади покрытия здания, что достигается благодаря расположению всех элементов конструкции в одной плоскости. Во-вторых, легкость, что увеличивает скорость монтажа, снижает требования к грузоподъемным механизмам, а небольшие конструкции могут устанавливаться вручную. Компактная конструкция соединений позволяет перевозить готовые изделия в пакетированном виде, снижая тем самым транспортные расходы (рис. 1.9). В-третьих, высокая технологичность и индустриальность производства, что минимизирует ручной труд на заводе и исключает подготовительные работы в отношении этих конструкций на строительной площадке. В-четвертых, практически неограниченные возможности для создания конструкций разнообразных очертаний и конфигураций (рис. 1.11). Наконец, дороговизна земли в центре крупных городов заставляет искать возможности для реконструкции существующих зданий с плоской или холодной чердачной кровлей. Надстройка мансардного этажа из легких несущих деревянных конструкций с соединениями на металлических зубчатых пластинах изящно разрешает эту задачу не только с технической точки зрения (малая нагрузка на фундамент, легкость монтажа), но и с архитектурной (возможность создания выразительной кровли любой формы) -рис. 1.10.
Перечисленные достоинства делают деревянные конструкции с узлами на металлических зубчатых пластинах конкурентоспособными и востребованными на современном строительном рынке. О перспективности этих конструкций для России можно судить также по высокой степени их применения во всех странах Европы (в первую очередь, это Скандинавские страны с богатыми запасами древесины и страны Германии, Англии, Франции, Швейцарии, где весьма обширно представлено малоэтажное строительство), Северной и Латинской Америки, Австралии.
Так, в США наиболее успешно развивает свое производство фирма "Automated Building Components", выпускающая пластины системы "Gang-Nail" и имеющая свою технологию производства конструкций. Основной продукцией этой фирмы являются стропильные фермы пролетом от 8 до 20 м. Наиболее применимые доски для ферм имеют сечение 50x100 и 50x150 мм. Объемы ежегодного производства только этой фирмы превышают отметку в 100 тыс. ферм со средним пролетом 9 м.
Около 1500 предприятий по всему миру производят конструкции с узлами на МЗП по лицензии этой американской компании (рис. 1.11).
Немецкая фирма "Seiler and К0" выпускает около 50 видов ферм различного назначения. Основная доля из них - треугольные двускатные и односкатные фермы и фермы с параллельными поясами пролетом от 7,5 до 20 м.
В Швеции ежегодный объем производства достигает 150 тыс. ферм. При этом до 40% всех производимых конструкций изготавливаются на пластинах марки "N".
В каждой стране, а часто и у каждого производителя имеется свой стандарт на зубчатые пластины и стропильные фермы. Общие положения проектирования рассматриваемых конструкций изложены в европейских строительных нормах "Eurocode 5" [137] и американских "BSR/TPI" [136]. Также, общепринятым правилом для развитых производственных компаний является обязательное испытание образцов конструкций для каждого объекта строительства.
В России существует опыт производства небольших партий пластин и конструкций как для строительства, так и для научно-исследовательских работ.
В последнее время Налажено производство конструкций на иностранном оборудовании с применением импортируемых зубчатых пластин для коттеджного строительства (г. Ростов-на-Дону). В г. Дубна Московской области (ЗАО "Техкомлект") налажено производство пластин толщиной 1,0 и 1,2 мм и высотой зуба 8 и 14 мм соответственно (рис. 1.4), а также деревянных конструкций с их применением.
Большой опыт проектирования и производства конструкций на металлических зубчатых пластинах накоплен в г.Нижнем Новгороде, где на кафедре конструкций из дерева, древесных композитов и пластмасс ННГАСУ на основании результатов многолетних исследований была предложена методика расчета рассматриваемых конструкций и соединений [108, 123], а в НПФ "Металлимпресс" под руководством Миронова В.Г. создана проектная группа и налажено производство пластин и конструкций. Это производство частично удовлетворяет потребности г.Нижнего Новгорода и ряда районов области (рис. 1.12).
Жесткость соединений на металлических зубчатых пластинах
Решение поставленных задач целесообразно начинать с рассмотрения работы одного зуба и получения функциональных зависимостей между приходящимся на зуб усилием и смещением его основания с последующим переходом к изучению работы пластины в соединении и деформативности конструкции в целом. При этом должны быть учтены такие факторы как длительность нагрузки, направление действия усилия и ориентация зуба по отношению к направлению волокон древесины, возможное изменение расчетной схемы нагеля-зуба из-за образования шарнира пластичности с последующим снижением жесткости соединения на МЗП, влияние на деформативность пар сил, приложенных к центрам тяжести рабочих площадок пластины и возникающих из-за внецентренной передачи усилий в узлах по отношению к МЗП.
В основу расчета соединений на металлических зубчатых пластинах положен принцип предельных состояний и представление о древесине как об упруго-вязко-пластичном теле. На справедливость расчета нагельных соединений с применением принципов метода предельных состояний указывали Коченов В.М. [65] и Дмитриев П.А. [28]. Возможность использования механики упруго-вязких тел для расчета деревянных конструкций отмечали Иванов Ю.М. [41], Ржаницын А.Р. [109], Быковский В.Н. [10, 11]. Никитиным Г.Г. были использованы общие законы деформирования упруго-вязких материалов для расчета соединений с учетом деформаций, развивающихся во времени [84, 85]. Позднее Дмитриевым П.А. была построена общая теория расчета соединений на металлических и пластмассовых нагелях с учетом упруго-вязких и пластических деформаций [33].
Рассмотрим, в чем выражается наступление предельного состояния 1-ой и И-ой группы для соединения на МЗП при кратковременных и длительных нагрузках.
В случае кратковременного воздействия соединение исчерпывает свою прочность, когда напряжения в древесине достигают своих предельных значений равных RGCPM и равномерно распределены на каждом однозначном участке вдоль зуба или же когда в нагеле-зубе происходит образование двух шарниров пластичности [33, 123]. Те же условия достижения предельного состояния 1-ой группы справедливы при воздействии длительной нагрузки с той лишь разницей, что напряжения в древесине ограничиваются длительным сопротивлением смятию Rf! .
Методика определения несущей способности соединений на МЗП создавалась Наумовым А.К. [82] и Цепаевым В.А. [108, 123] на основании общих предпосылок к расчету нагельных соединений Коченова В.М. [65] и Дмитриева П.А. [33] и получила хорошее подтверждение экспериментальными исследованиями.
Выявление и ограничение деформаций в соединениях на МЗП при кратковременных нагрузках не представляется важным с точки зрения эксплуатационных качеств конструкции, т.к. подавляющее большинство конструкций подвергается продолжительным воздействиям.
В случае же действия длительной нагрузки методика расчета сквозных деревянных конструкций на металлических зубчатых пластинах по П-ой группе предельных состояний должна полагаться на следующие предпосылки:
1. Действительная криволинейная диаграмма работы древесины на смятие заменяется спрямленной диаграммой деформирования идеального упруго-пластического материала.
2. После образования шарнира пластичности в основании зуба, расчетная схема нагеля-зуба изменяется, и дальнейший расчет производится с новыми граничными условиями, учитывающими постоянство пластического момента в основании зуба.
3. За предельное состояние П-ой группы принимается состояние, при котором деформация соединения достигает предельно допустимого значения (согласно [108] максимально допустимая деформация для нагельных соединений составляет 2 мм), либо напряжения смятия в нагельном гнезде (под зубом) превышают значение длительного сопротивления древесины смятия RcnM.
4. В расчетной схеме сквозных конструкций зубчатая пластина представляется конечным элементом, соединенным с элементами деревянных поясов и раскосов в точках расположения центров тяжести рабочих площадок МЗП. Все соединения в расчетной схеме представляются либо жесткими, либо упруго-податливыми с конечными линейными и угловыми жесткостями.
5. Жесткость зубчатой пластины при силовых воздействиях в ее плоскости существенно больше жесткости сопряжения деревянного элемента с МЗП, поэтому в расчетах жесткость конечного элемента, моделирующего зубчатую пластину, принимается условно бесконечной. Определение функциональных зависимостей между приходящимся на зуб усилием и смещением его основания.
Для описания процесса деформирования нагельного гнезда под действием нагрузки воспользуемся общим линейным законом деформирования упруго-вязких материалов [33, 102]: (x,f)=lM_I.j9(x,T).j5:0(r,r).rfr (2.1) У с с о Здесь С = Свр-Ьсм - кратковременный коэффициент постели единицы длины основания при смятии древесины узким прямоугольным штампом, Н/мм2; Ъсм - ширина сминающей стороны зуба, мм KQ(t,r) - наследственное ядро уравнения линейного деформирования древесины, сек 1; Приняв материал нагеля упругим, пренебрегая влиянием перерезывающих сил на деформации изгиба нагеля, а, также принимая гипотезу плоских сечений, получим интегро-дифференциалыюе уравнение изогнутой оси зуба в виде: . с. ()+г. +.у.Ш. 0((,т).л. ах fax (2.2) = q(x,t)+ jq(x,T) K0(t,r) dT о Внешняя распределенная вдоль оси зуба нагрузка g(x,0 отсутствует. Тогда уравнение (2.2) запишется: C (xj) + E J- + E-J-) p -K0(t,rydT = 0 (2.3) ах fax о
Будем решать это уравнение методом аппроксимации входящих в него заданных и искомых функций кусочно-линейными с достаточно малым шагом вдоль линейной и временной осей. Такое представление функций позволит перевести интегро-дифференциальное уравнение (2.3) в систему линейных уравнений относительно неизвестных значений функций в определенных точках положения и времени [33, 81, 106]. Эта система может быть записана в виде рекуррентного соотношения вдоль оси времени.
Определение механических характеристик древесины при смятии узкими плоскими штампами от действия длительных нагрузок
Как было показано, для применения методики расчета деревянных конструкций на МЗП, предлагаемой в настоящей работе, требуется знать кратковременные и длительные сопротивления древесины, а также кратковременные коэффициенты постели древесины, определенные для случаев смятия штампами шириной, соответствующей ширине (толщине) зуба пластины. К тому же необходимо установить выражение для определения наследственного ядра К0 (t) уравнения линейного деформирования нагельного гнезда, а также жесткость и предел текучести металла зубчатой пластины.
Исследованиями прочности и деформативности древесины разных пород на местное смятие штампами различной формы занимались многие отечественные ученые. Так Коченов В.М., Тахтамышев Г.Г., Мухин Г., Бахман Л., Панферов К.В., Андрейко Н.Т., Стрижаков Ю.Д. [2, 65, 98, 100] использовали в экспериментах штампы круглого сечения, а наиболее полные исследования прочности и деформативности древесины при смятии штампами круглого сечения были проведены Дмитриевым П.А. [29-31, 33] в Новосибирском инженерно-строительном институте им. В.В.Куйбышева.
В работах Наумова А.К. [82, 111], посвященных изучению соединений на МЗП, в качестве сопротивлений древесины сосны смятию под зубом приняты значения прочности, полученные для штампов круглого сечения: смятие вдоль волокон: RCM 0 = 0,7 Rc - при кратковременных нагрузках (3.1) RCM 0 = П МПа - при длительных нагрузках (3.2) где Rc - прочность древесины сжатию вдоль волокон; смятие поперек волокон принимается в зависимости от ширины площадки смятия Таблица 3. Ширина площадки смятия Ъсм, мм 2 3 4 Дш,90 МПа 8 7. 6 5
Цепаев В.А., работая в рамках той же темы, испытывал сосновые образцы узкими прямоугольными штампами шириной от 1 до 4 мм под разными углами к направлению волокон и получил следующие эмпирические зависимости и числовые значения для сопротивлений смятию и коэффициентов постели [123]: смятие вдоль волокон: RCMо =0,8-Rc -для штампов шириной 1-4 мм (3.3) Таблица 3. Ширина площадки смятия Ъсм, мм 3 4 С0, Н/мм3 111 114 94 смятие поперек волокон: RCMt9Q =(0,77-0,087-6CJM)-i?c -для штампов шириной 1-4 мм; (3.4) Таблица 3. Ширина площадки смятия Ъсм, мм 3 4 С90, Н/мм3 27 21 19 Позднее аналогичные испытания были проведены в Нижегородском строительном университете Авдеевым А.В. для штампов шириной 1, 2 и 3 мм [1].
Для выражения сопротивления древесины и коэффициентов постели при смятии под произвольным углом к волокнам у существует несколько опытных зависимостей [8, 136]. В данной работе используются следующие общепринятые формулы: Многочисленные исследования [8, 28, 33, 65, 119, 123, 136] показали, что формулы (3.5) и (3.6) должны иметь показатель степени п = 2. В этом случае указанные зависимости хорошо подтверждаются как для напряжений на пределе пропорциональности, так и для разрушающих напряжений.
Таким образом, в настоящей время существуют лишь разрозненные значения коэффициентов постели при местном смятии древесины плоскими штампами различной ширины. По этой причине авторами были проведены экспериментальные исследования с целью получения регрессионных зависимостей коэффициентов постели и уточнения регрессионных зависимостей пределов прочности древесины от ширины сминающего штампа при смятии вдоль и поперек волокон. Известные результаты других исследователей были использованы в настоящей работе как статистический материал для построения эмпирических формул.
Полученные в настоящей работе показатели прочностных и деформативных свойств древесины приводились к стандартной влажности по формулам ГОСТ 16483.10-73 [21], ГОСТ 16483.2-70 [19], ГОСТ 16483.24-73 [22], ГОСТ 16483.25-73 [23].
В качестве опытных образцов в настоящей работе использовались соединения на металлических пластинах МЗП 1,2x70 (ТУ 1111-002-48314050-98 [122], свидетельство на полезную модель №5603 U1, Роспатент РФ), которые были разработаны в Нижегородском архитектурно-строительном университете и широко применяются при проектировании стропильных систем зданий и сооружений в Волго-Вятском регионе. Поэтому для проведения испытаний древесины на смятие были изготовлены металлические штампы шириной 1,2 мм и 2,4 мм, что соответствует размерам сечения зуба указанной пластины (геометрические параметры и чертеж пластины приведены на рис.3.1).
Как уже было замечено, для расчета соединения на МЗП кроме всего прочего необходимо знать прочность и жесткость зуба пластины при изгибе. Исследователи, занимавшиеся соединениями на МЗП, определяли эти механические характеристики как теоретически, так и экспериментально для пластин, изготовленных из разных марок стали [82, 123]. Эффект упрочнения после штамповки учитывался введением к пределу текучести теоретически определенного и экспериментально подтвержденного коэффициента и = 1,6. . В настоящей работе для определения предела текучести и модуля упругости стали, из которой изготавливаются пластины МЗП 1,2x70, были проведены испытания серии специально подготовленных образцов по ГОСТ 1497-84 [18] и ГОСТ 11701-84 [16].
Действие на соединение осевой силы и изгибающего момента
Для исследования влияния совместного действия осевой силы и изгибающего момента на деформации соединений на МЗП и характер их развития во времени, а также для апробации предлагаемой методики расчета в лаборатории длительных испытаний кафедры конструкций из дерева, древесных композитов и пластмасс Нижегородского строительного университета на рычажных установках были поставлены соответствующие испытания 8-й образцов.
Диаграмма деформирования соединений серии С-4-Д под длительной нагрузкой Т = 0,ЗТвр по данным [123] и диаграмма, полученная теоретически с применением предлагаемой методики.
Диаграмма деформирования соединений серии С-5-Д под длительной нагрузкой Т = 0,45Твр по данным Г123] и диаграмма, полученная теоретически с применением предлагаемой методики.
В экспериментальных образцах были использованы зубчатые пластины МЗП 1,2x70 размером 140x98 (марка М14Б). Ориентация пластин в образцах была принята такой, что аг = 90; р = 90 (здесь ат означает угол между направлением сдвигающего усилия Т и главной осью пластины, совпадающей с нормалью к широкой стороне зуба). Экспериментальные образцы подвергались длительному воздействию усилия Т = 5300 Н, вычисленному по [108 и 123] как для соединения нагруженного осевой силой, что составило 15% от кратковременной несущей способности запроектированного соединения.
К соединениям, подверженным действию пары сдвиговых сил, вызывающих возникновение как линейных, так и угловых деформаций, можно отнести большинство встречаемых в инженерной практике сопряжений элементов в подобных конструкциях. Примерами могут служить, например, сопряжения элементов составных балок или опорные узлы фермы, показанной на рис.4.19. Схема испытательной установки показана на рис. 4.20, а общий вид стендов на рис. 4.21 и 4.22.
Деформации сдвига деревянных элементов относительно зубчатой пластины в разных направлениях измерялись переносным индикатором часового типа с ценой деления 0,01 мм. Для упора штифтов индикаторов использовались металлические уголки, которые были приклеены к зубчатой пластине и к деревянным элементам с обеих сторон. Такая постановка индикаторов и упоров обеспечила контроль за линейными (сдвиговыми) и угловыми (поворотными) перемещениями пластины относительно каждого деревянного элемента.
С целью исключения влияния на деформации колебаний влажности каждый образец был заключен в герметичную полиэтиленовую упаковку.
По испытаниям стандартных образцов древесины, использованной для изготовления экспериментальных образцов, были установлены предел прочности древесины при сжатии вдоль волокон и влажность, которые составили Лс=52МПа и Ж = 7,1%.
На рис. 4.23 приведены диаграммы роста сдвиговых деформаций между двумя деревянными элементами, а на рис.4.24 - диаграммы роста угловых деформаций пластины относительно каждого деревянного элемента. При этом средняя деформация сдвига составила 0,41 мм (экстремальные значения в этой серии были зафиксированы равными 0,46 мм для образца MN-4 и 0,36 мм для образца MN-2), средняя угловая деформация составила 0,180 градуса (экстремальные значения в этой серии были зафиксированы равными 0,214 градуса для образца MN-4 и 0,146 градуса для образца MN-8).
Используя формулы (2.27), (2.39Н2.41), (3.7НЗЛ0), (3.14), (3.15) и алгоритм расчета конструкций из главы 2 настоящей работы, получим теоретические сдвиговые и угловые деформации испытанных соединений к моменту последнего наблюдения. Они составят соответственно 0,45 мм и 0,188 градуса. Отклонение теоретических значений от средних экспериментальных величин деформаций сдвига и поворота (в сторону завышения теоретических величин) соответственно оказались равны 9,8% и 4,5%, что является вполне удовлетворительным.
Изображенные на рис.4.21 и 4.22 диаграммы не обнаруживают перехода зубчатых соединений в упруго-пластическую стадию работы металла зуба. Это объясняется принятым уровнем нагрузки для этой серии соединений. Удовлетворительная точность предсказания деформаций соединений в стадии до образования пластического шарнира в основании зубьев свидетельствует о том, что предпосылки, реализованные в использованной методике расчета оказались верными.
В силу особенностей физических процессов набухания и усушки древесины в результате колебаний влажности и периодического характера действия снеговой нагрузки, которая составляет большую долю полной нагрузки на покрытия с легкими деревянными несущими конструкциями, элементы и соединения на МЗП способны накапливать остаточные деформации [57].
Для оценки деформативности соединений на МЗП под действием переменной длительной нагрузки по сравнению с вариантом, когда на конструкцию действует только постоянная нагрузка по величине равная максимальному значению переменной, Цепаевым В.А. были проведены испытания двух серий узлов на МЗП с зубьями, сминающими древесину как вдоль, так и поперек волокон (всего 12 шт.) [123]. Схема изменения статической нагрузки приведена на рис.4.25. Каждый цикл имел продолжительность около 70 дней с одинаковым периодом нагрузки-разгрузки. Максимальная нагрузка принималась равной расчетной длительной несущей способности соединения Тр, а минимальная (состояние "разгрузки") - 0,4-Г . Такое
соотношение нагрузок соответствует относительным долям постоянной и полной (с учетом снеговой) нагрузок для покрытий из конструкций на МЗП.
Как видно из диаграмм испытаний, представленных на рис.4.26 и 4.27 остаточные деформации не появляются уже после 6-го цикла нагружения. Упругие и упруго-вязкие деформации, возникающие от приложения очередной ступени нагрузки, полностью исчезают после разгружения к началу следующего цикла.
Подобное свойство материалов, обладающих свойствами ползучести, уже известно и было отмечено Дмитриевым П.А. при испытаниях древесины [33] и Цепаевым В.А. при испытаниях деревобетонов [131].
Эксперимент показал, что предельная величина деформации соединений при циклических нагрузках не превысила на всем протяжении испытаний максимальной деформации, возникающей от действия постоянной нагрузки, но при этом оказалась очень близкой к ней.
Похожие диссертации на Расчет сквозных деревянных конструкций на металлических зубчатых пластинах с учетом упруго-вязких и пластических деформаций
