Содержание к диссертации
Введение
1 Состояние вопроса и задачи исследования 11
1.1 Общие сведения о соединениях строительных конструкций со связями, работающими на выдергивание 13
1.2 Отечественный и зарубежный опыт применения рассматриваемого класса связей в деревянных конструкциях 17
1.3 Теоретические и экспериментальные работы в области проводимых исследований 22
1.4 Пути совершенствования соединений деревянных конструкций со связями, работающими на выдергивание 31
1.5 Выводы по первой главе. Постановка задач исследования 32
2 Определение рациональных параметров стальных витых крестообразных стержней 35
2.1 Обоснование выбранного способа исследования 35
2.2 Методика проведения экспериментов 37
2.3 Исследование основных параметров стержней, обеспечивающих надежную работу соединений 43
2.3.1 Выбор марки стали стержня и способа обработки 43
2.3.2 Способ забивки 46
2.3.3 Влияние плотности древесины на усилие выдергивания 48
2.4 Поиск рациональных параметров стержней, влияющих на усилие выдергивания 50
2.5 Зависимость несущей способности стержня от угла его забивки по отношению к волокнам древесины 58
2.6 Выводы по второйглаве 63
3 Исследование и анализ особенностей напряженно-деформированного состояния соединений при выдергивании стержня из массива древесины 64
3.1 Оценка напряженно-деформированного состояния древесины и стержня численными методами 64
3.1.1 Методика численных исследований 64
3.1.2 Анализ результатов численных исследований 72
3.2 Исследование напряженно-деформированного состояния древесины при выдергивании стержня методом фотоупругих покрытий 79
3.3 Применение метода голографической интерферометрии для исследования НДС древесины в исследуемом типе соединений 85
3.4 Результаты испытаний опытных образцов при забивке стержней методом лаковых покрытий 98
3.5 Выводы по третьей главе 100
4 Разработка и экспериментальные исследования узловых соединений при действии кратковременных нагрузок 101
4.1 Общие положения, принятые при разработке узловых соединений на витых крестообразных стержнях 101
4.2 Конструктивные решения узлов деревянных конструкций с применением исследуемого типа стержней 102
4.3 Схемы усиления деревянных конструкций при помощи стальных витых крестообразных стержней 108
4.4 Экспериментальная оценка особенностей работы соединений при передаче нагрузки на группу стержней 112
4.4.1 Методика экспериментальных исследований 113
4.4.2 Анализ полученных результатов 119
4.5 Расчет соединений по деформациям 126
4.6 Выводы по четвертой главе 127
5 Методика расчета и рекомендации по конструированию соединений на витых стержнях, работающих на выдергивание, их технико-экономическая эффективность 129
5.1 Анализ возможных способов расчета 129
5.2 Исследование сопротивления древесины смятию поперек волокон под витым стержнем крестообразного поперечного сечения 131
5.3 Работа стержней при длительном действии нагрузки 136
5.3.1 Методика испытаний 137
5.3.2 Результаты испытаний 139
5.4 Методика расчета и рекомендации по конструированию 147
5.5 Оценка технико-экономической эффективности проведенных исследований 152
5.6 Выводы по пятой главе 159
Основные выводы 161
Список использованных источников 163
Приложение. Справки о внедрении результатов работы 178
- Отечественный и зарубежный опыт применения рассматриваемого класса связей в деревянных конструкциях
- Поиск рациональных параметров стержней, влияющих на усилие выдергивания
- Исследование напряженно-деформированного состояния древесины при выдергивании стержня методом фотоупругих покрытий
- Конструктивные решения узлов деревянных конструкций с применением исследуемого типа стержней
Введение к работе
Актуальность работы. Возможность легкою прочностного внедрения посторошіего тела в древесину является одним из весьма важных положительных качеств дерева как строительного материала, которое реализуется за счет широкого применения различных соединительных элементов типа гвоздей, шурупов, глухарей, нагельных пластин и т.п. Достаточно часто в деревянных конструкциях эти элементы работают на выдергивание, в частности, это узлы и стыки: в деревянном домостроении, крепления ограждающих элементов к несущим конструкциям, решетчатых целыюдеревянных и клееных ферм (в том числе и большепролетных), рамных и балочных конструкций, конструкций пространственного типа, башенных и мачтовых конструкций, монтажных соединений и т.д.
Несмотря на широкий круг соединений со связями, работающими на выдергивание, известные до настоящего времени типы соединительных элементов имеют ряд существенных недостатков, а именно:
- соединения на гвоздях, работающих на выдергивание, в соотвегствии
с действующими нормативными документами допускается применять только
во второстепенных неответственных несущих элементах;
-расчетная несущая способность гвоздей определяется силами трениями, возникающими по площади поверхности соприкасания гвоздя с древесиной, а шурупов - работой древесины на срез между витками нарезной части, что предопределяет незначительную несуп\ую способность таких соединений;
внедрение в массив древесины гвоздей и шурупов диаметром более 6 мм требует предварительную рассверловку «пилотных» отверстий, что существенно увеличивает трудоемкость выполнения узлов;
известные типы шурупов исключают возможность применения скоростных способов их внедрения в древесину (ударных, огнестрельного и т.п.);
работа гвоздей и шурупов, забитых или завинченных в древесину вдоль или под углом к волокнам, в соответствии с требованиями строительных норм не учитывается, что существеїшо сужает область применения известньк типов связей в узлах деревяішьк конструкций.
Условиями для создания и широкого внедрения в практику современного строительства новых конструктивных решений узлов деревянных конструкций, лишешшк вьшіеперечислеїшьгх недостатков служат: способность восприятия значительных расчетных усилий, низкая трудоемкость изготовления и стоимость, научно обоснованный инженерный расчет, отражающий действительную работу соединеїшя в натурных условиях. Несомненно, что в таких сопряжениях должны быть применены новые формы связей, обладающие как повышенной несущей способностью, так и легкостью внедрения в массив древесины.
Таким образом, проблема совершенствования соединений деревяшшх конструкций со связями, работающими на выдергивание, и методики их расчета не только актуальна, но и определяет новизну и общую постановку исследований.
Представленные в настоящей работе исследования направлены на решение проблемы совершенствования соединений деревянных элементов в соответствии с научно-технической программой Министерства образования и науки РФ «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники», раздел 21.03 «Создание эффективных строительных конструкций, совершенствование методов их расчета и конструирования» (№Г.Р.01.200.3 13588). Разработанная тема входит в план госбюджетных научно-исследовательских работ кафедры строительных конструкций Оренбургского государственного университета «Исследования прочности, устойчивости и износа конструкций зданий и сооружений» (№Г.Р.01990О0010О, кодтемы по ГРНТИ:67.11.37,67.11.41).
Цель работы: разработка и исследование соединений деревянных эле-меіггов на витых крестообразных стержнях, работающих на выдергивание, развитие методики их расчета и конструирования.
Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие задачи:
-на основе обобщения и анализа накопленного опыта конструкторских разработок в области соединений со связями, работающих на выдергивание, предложить пути их совершенствования и определить направление исследований;
- определить оптимальную конструктивную форму крестообразных ви
тых стержней;
-численными методами исследовать особенности напряженно-деформированного состояния соединений на предложенных типах связей;
- выполнить опытно-конструкторские разработки вариантов соединений
деревяшгых элементов на витых крестообразных стержнях;
-разработать методику и провести экспериментальные исследования работы узловых соединений с витыми стержнями, работающими на выдергивание, при кратковремешюм и длительном действии нагрузок;
-усовершенствовать методику расчета и разработать рекомендации по конструированию предложенных типов узловых соединений деревянных элементов;
-дать оценку технико-экономической эффективности разработанного способа соединения;
- внедрить в строительную практику и учебный процесс результаты вы
полненной работы.
Объект исследования: узловые соединения деревянных элементов на стальных витых крестообразных стержнях, работающих на выдергивание.
Предмет исследования: конструктивные особенности стального витого крестообразного стержня и напряженно-деформированное состояние деревянного элемента в зоне забивки.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-разработан новый тип витош крестообразного стержіи для соединений деревянных конструкций, новизна которого защищена патентами РФ на изобретения;
-определены оптимальные параметры предложенного типа стержней, обеспечивающие высокую несущую способность и легкость внедрения в массив древесины, в том числе скоростными способами;
-впервые выявлс}пл особенности напряженно-деформированного состояния соединений деревяшгых элементов на витых связях с использованием разработанной трехмерной конечно-элементной модели предложенных узлов;
выполнена экспериментальная оценка напряженно-деформированного состояния древесины при выдергивании витого крестообразного стержня при кратковременных и длительных нагрузках, в том числе методами фотоупругих покрытий, голографической интерферометрии, лакового покрытия;
усовершенствована методика расчета узловых соединений деревяшгых элементов на витых крестообразных стержнях, работающих на выдергивание.
Достоверность полученных результатов работы обеспечивается корректностью постановки задач, представительным объемом экспериментальных исследований (более 700 зачетных опытов) напряженно-деформированного состояния соединений, использованием современного аттестованного измерительно-вычислительного оборудования, достаточной сходимостью полученных теоретических и экспериментальных данных.
Практическую ценность имеют:
новые типы соединений деревяшек конструкций: на витых крестообразных стержнях, отличающиеся от известных аналогов эффективностью, как по расходу материалов, так и по трудоемкости изготовления;
методика расчета и рекомендации по конструированию и изготовлению узловых соединений деревянных элементов на витых крестообразных стержнях, работающих на выдергивание;
-технико-экономическая оценка предлагаемых соединений деревянных конструкций.
Личный вклад автора заключается в решении задач настоящего исследования, проведении экспериментов, анализе и интерпретации полученных результатов, формулировке и разработке всех основных положений, определяющих научную новизну работы и ее практическую значимость.
К числу наиболее важных результатов, полученных лично автором относятся: выполнение разработок соединений деревянных элементов на витых крестообразных стержнях, работающих на выдергивание; определение оптимальной конструктивной формы витых крестообразных стержней и правил их расстановки в соединениях; выявление наиболее эффективного способа забивки разработанных типов стержней; экспериментальные данные, полученные при кратковременных и длительных испытаниях стальных витых крестообразных стержней на выдергивание из древесины; формулировка основных
положений методики расчета и рекомендаций по конструированию и изготовлению предложенных узловых соединений. На защиту выносятся:
- новый тип витого крестообразного стержня, работающий в соединени
ях деревянных конструкций на выдергивание;
-результаты исследования оптимальных параметров предложенного типа стержней, обеспечивающих надежную работу соединений и их высокую несущую способность;
оценка напряженно-деформированного состояния соединений при выдергивании стержня из массива древесины, проведенная при помощи численных исследований и экспериментальных методов фотоупругих покрытии, голографической интерферометрии и лакового покрытия;
результаты экспериментальных исследований прочности и деформа-тивности соединений деревянных элементов на витых крестообразных стержнях, работающих на выдергивание, в том числе при длительном действии нагрузок;
методика расчета и рекомендации по конструированию соединений на витых крестообразных стержнях, работающих на выдергивание.
Внедрение результатов работы:
предложенные стальные витые стержни крестообразного сечения нашли применение в проектах: малоэтажных жилых домов, усиления стропильных и балочных конструкций различных зданий (всего 6 объектов);
материалы исследований и альбомы рабочих чертежей разработанных соединений переданы по запросу Правительству Оренбургской области, РН-Юганскнефтегаз, Красноярскгражданпроекту и другим предприятиям, а также проектным институтам для внедрения в строительстве;
-результаты опытно-конструкторских разработок используются в курсовом и дипломном проектировании студентами по направлению «Строительство» специальностей «Промышленное и гражданское строительство» и «Городское строительство и хозяйство».
Апробация работы. Результаты диссертационной работы были доложены и обсуждены на научно-технических конференциях регионального, всероссийского и международного уровня в г. Пенза (2007, 2008, 2010 гг.), г. Оренбург (2008, 2011 гг.), г. Новосибирск (2008, 2010 гг.), г. Брест (2009 г.), г. Щтецын (Польша, 2009 г.), г. Одесса (2010, 2011 гг.), г. Самара (2011 г.).
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 22 печатных работ, в том числе 4 статьи в изданиях, включенных в перечень ВАК РФ, выпущен 1 информационный листок, получены 2 патента на изобретения.
Структура и объем диссертации. Диссертациоішая работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка использованных источников из 163 наименований и приложений. Общий объем работы - 186 страниц, в том числе 80 рисунков, 18 таблиц, 8 страниц приложений.
Отечественный и зарубежный опыт применения рассматриваемого класса связей в деревянных конструкциях
На рисунках 1.5 и 1.6 показаны наиболее распространенные типы гвоздей, шурупов и глухарей улучшенного качества из закаленной стали, алюминиевых и медных сплавов, применяемые в отечественной и зарубежной строительной практике в сопряжениях деревянных конструкций.
Анализируя конструктивные особенности гвоздей улучшенного качества, приведенных на рисунке 1.5, необходимо отметить, что гвозди кольцевые ершовые (гребенчатые) и винтовые преимущественно применяют для сборки европоддонов (паллет) и деревянной тары, а также в гнущихся конструкциях, например, для наружной обивки зданий, для причалов или пола, т.е. во всех случаях, когда требуется хорошее сцепление гвоздя с массивом древесины, но усилия выдергивания при этом невелики. Говоря о гвозде с двойной шляпкой, необходимо отметить его небольшую несущую способность на выдергивание. Такие гвозди, как правило, предназначены для сборно-разборных сооружений. Нижняя шляпка гвоздя держит материал на месте, а после использования гвоздь очень легко изъять, не ломая материала. Комбинированные гвозди, в сравнении с другими, способны воспринять большее выдергивающее усилие, благодаря чему они нашли свое широкое применение при изготовлении конструкций с жестким сопряжением деталей. Соединения на шурупах более прочные при работе на выдергивание, чем на гвоздях. Шурупы различаются по длине и по форме головки (рисунок 1.6). Тип шурупа выбирают в зависимости от характера изделия. В случаях, если головку нужно скрыть, применяют шуруп с плоской конической головкой. Если шуруп может быть оставлен на поверхности, используют шуруп с круглой головкой. Для обеспечения повышенной прочности соединения и при отсутствии жестких эстетических требований применяют шурупы-глухари с квадратной или шестигранной. Такие шурупы завинчивают гаечными ключами. Чтобы головка шурупа не вдавливалась в дерево, под нее под-кладывают металлическую шайбу.
Отметим, что несущая способность на выдергивание практически всех представленных шурупов и глухарей определяется срезом древесины под витками нарезки. Исключение составляет шурупная стяжка «Конфирмат», в которой применен повышенный шаг резьбы, что предопределило ее широкое применение при сборке мебельной продукции как соединительного элемента.
Также нельзя не отметить, что все представленные виды шурупов, глухарей и гвоздей диаметром более 6 мм требуют предварительную рассверловку «пилотных» отверстий, что существенно увеличивает трудоемкость монтажных соединений.
В строительной практике нашли широкое применение вклеенные в массив древесины стальные арматурные стержни, работающие в узлах на выдергивание или продавливание (рисунок 1.7). Вклеенные в массив древесины стальные арматурные стержни могут быть ориентированы как вдоль и поперек, так и наклонно к волокнам древесины / 14, 54, 55, 72, 73, 74, 78, 103, 105 /. Примером применения наклонных стержней могут являться узловые соединения с закладными деталями / 35, 43, 94, 102, 104, 113 /. Закладные детали состоят из анкерных пластин и присоединенных к ним (до вклеивания или после) наклонных стержней (рисунок 1.8). Существенным недостатком таких соединений на вклеенных стальных стержнях является повышенная трудоемкость изготовления, а также возможность их выполнения только в заводских условиях при строгом контроле качества.
Дальнейшим совершенствованием вклеенных стержней можно считать клееввинченные и ввинченные стержни с метрической резьбой. За рубежом подобные работы (на ввинченных и клееввинченных стержнях) ведутся в Дании, Швеции, Финляндии, ФРГ, США, Польши и других странах / 63, 69, 70, 75, 89, 97, 98, 122, 123, 124, 127, 129, 130 /. К наиболее существенному недостатку этих соединений можно отнести необходимость предварительной рассверловки «пилотных» отверстий под стержни.
Развитие соединений на механических связях в России и за рубежом является следствием широкого внедрения механизации и высокопроизводительных электрических, пневматических и пороховых инструментов в технологию их изготовления. Отечественные фирмы, например, располагают строительно-монтажными пистолетами типа ПЦ 84, у которых патроны обладают энергией порохового заряда до 2700 Дж (1 Дж [джоуль] - 0,102 кгс м [килограмм-сила-метр]), а зарубежные фирмы имеют на своем вооружении пневмопистолеты для забивки нагелей, нарезных гвоздей или шурупов с производительностью до 1000-8000 штук в час в зависимости от типа используемых креплений.
Поиск рациональных параметров стержней, влияющих на усилие выдергивания
Для исследования влияния плотности древесины на усилие выдергивания были изготовлены деревянные призмы размером 100x150x400 мм из древесины липы, сосны и дуба. Фактическая плотность образцов находилась в интер-вале от 460 кг/м до 700 кг/ м . Влажность древесины при испытаниях составляла 8+2 %. Степень влияния исследуемого параметра на усилие выдергивания изучалась путем забивки в контрольные образцы одинаковых стержней на одну и ту же глубину. Для получения достоверной информации опыты при неизменных параметрах повторяли по пять раз. Расчетное усилие определяли как среднеарифметическое между тремя средними показателями. Эксперименты проведены на стержнях диаметром 12 мм, 14 мм, 18 мм и 22 мм. Общее количество испытанных образцов - 60. Дополнительно до и после проведения испытаний контролировали плотность гнезда после забивки стержня и характер разрушения путем раскалывания деревянных образцов вдоль волокон (рисунок 2.11). Полученные результаты позволили констатировать следующее.
Витые стержни крестообразного поперечного сечения, изготовленные в соответствии с рекомендациями, приведенными в разделе 2.3.1, обеспечивают плотность гнезда и свою геометрическую неизменяемость, как при забивке, так и при выдергивании, в независимости от используемой породы древесины или от ее плотности. 2. Зависимость предельного усилия выдергивания от плотности древесины носит прямолинейный характер. При изменении плотности от 460 кг/м3 до 700 кг/м происходит увеличение усилия выдергивания в среднем на 25 %, что, несомненно, необходимо учитывать в практических расчетах. 3. Аппроксимация полученных данных позволила вывести формулу для определения значения корректировочного коэффициента кп , позволяющего учесть в практических расчетах степень влияния фактической плотности древесины на усилие выдергивания: При исследовании основных параметров стержней, обеспечивающих надежную работу соединений, результаты которых приведены в разделе 2.2 настоящей главы, выявлено, что наибольшее влияние на усилие выдергивания оказывают такие факторы, как глубина внедрения стержня в массив древесины, его диаметр и шаг навивки ребер. В связи с этим для комплексной оценки влияния этих факторов на несущую способность стержней требуется проведение многочисленных экспериментов, которые позволят получить адекватные формулы для расчета предложенного способа соединения деревянных элементов. Для минимизации количества опытов целесообразно применить методику планирования эксперимента, позволяющую получить объективные результаты при наименьшем количестве испытанных образцов / 99 /. Задача построения математической модели сопряжения деревянных элементов на витых стержнях с помощью методов планирования эксперимента требует количественной формулировки цели исследования. Такой количественной характеристикой является параметр оптимизации, который представляет реакцию от воздействия изучаемых факторов на исследуемый процесс. При анализе требований, предъявляемых к параметру оптимизации наиболее оптимальным и объективным является усилие, необходимое для выдергивания стержня из деревянного элемента Febld. Введем обозначения исследуемых факторов: Xi (h3.) - глубина забивки стержня, мм; Х2 (dcr.) - диаметр стержня, мм; Хз (SHaB.) - шаг навивки стержня, мм. Выбранные факторы в полной мере удовлетворяют основным требованиям, таким как: управляемость, однозначность, совместимость и отсутствие линейной корреляции. Следующий этап подготовки к проведению эксперимента - это выбор модели. Главное требование к модели - это способность предсказывать направление дальнейших опытов. Исходя из этого, выбираем полином первой степени. Данная модель содержит информацию о направлении градиента, с другой стороны в ней минимально возможное число коэффициентов при данном числе факторов. При использовании моделирования для сложных систем при числе факторов, равное трем, выбираем полный факторный эксперимент типа 2к, в котором реализуются все возможные сочетания уровней факторов / 162 /. Так как нет полной гарантии, что в выбранном интервале варьирования факторов процесс описывается линейной моделью, то необходимо количественно оценить эффекты взаимодействия. Для этого к матрице планирования добавляем еще четыре столбца. Построенная матрица планирования приведена в таблице 2.2. Статистическая обработка результатов испытаний проведена по формулам / 90 /.
Исследование напряженно-деформированного состояния древесины при выдергивании стержня методом фотоупругих покрытий
Деформации древесины, вызванные усилиями передаваемыми стержнями, можно представить как сумму деформаций от равномерно распределенной нагрузки и от самоуравношеннои нагрузки, характеризующей неоднородность деформированного состояния, обусловленной локальностью приложения нагрузки. При расчете соединений, расстояния между стержнями следует выбирать таким, чтобы неоднородности деформированных состояний, вызванные разными стержнями, не перекрывались. Неоднородность деформированного состояния может характеризоваться изменением сдвиговой деформации. Для того чтобы определить закон изменения сдвиговой деформации строились эпюры порядков полос вдоль одних и тех же сечений на картинах полос, зарегистрированных с симметричных относительно нормали направлений, для каждой голограммы. Направление сечений совпадает с направлением волокон древесины. Для каждой голограммы строились эпюры порядков полос в двух или трех сечениях. Затем вычислялись разности порядков полос в одних и тех же точках сечений для картин полос наблюдаемых с симметричных направлений. На рисунке 3.25 приведен наиболее характерный пример эпюры распределения разностей порядков интерференционных полос. На этом рисунке эпюра 1 построена через голограммы вдоль сечения, ближайшего к пластине стержня, по прямой параллельной волокнам древесины. Эпюры 2, 3 построены в сечениях параллельных сечению 1 и отстоящих от него на 6 мм, эпюра 2 во внешнюю относительно стержня сторону, эпюра 3 во внутреннюю. Дальнейшие исследования показали, что наибольшие значения постоянной затухания получаются при обработке сечений 1 и 3, в остальных случаях обрабатывались эти сечения. Как следует из (3.33), кривая, представленная на рисунке 3.35, пропорциональна компоненте вектора перемещений U, совпадающей с направлением волокон древесины. Коэффициент пропорциональности, цена полосы, ра
Отсюда следует, что за постоянную затухания возмущения г можно принять расстояние, на котором величина In AN уменьшается на единицу.
На рисунке 3.26 приведен характерный график изменения In AN вдоль волокон древесины вблизи стержня. Кружочки соответствуют данным, полученным при обработке рисунка 3.25. Как видно из рисунка, полученные данные хорошо ложатся на прямые, что подтверждает предположение об экспоненциальной зависимости деформаций. По построенным прямым можно определить постоянные затухания. Они оказались равными 1,4 см по данным, полученным при обработке сечений 1, 2 и 1,75 см для сечений 1 и 3 рису 98 нок4.17. При нагружение стержня 12 мм усилием 400 Н, постоянная затухания равняется 1,80 см. Для стержня 16 мм постоянная затухания 1,95 см.
Как и ранее, чтобы исключить раскалывание деревянного элемента при забивке и работе стержней, расстояние между ними следует принимать таким, чтобы в области наложения напряжений, обусловленных забивкой двух соседних стержней, величина каждого из напряжений снижалась до 5 % от максимальной величины, т.е. 5т. Таким образом, для витых стержней рекомендуется принимать расстояние вдоль волокон древесины Канифольные хрупкие покрытия целесообразно использовать для установления зон высокой концентрации напряжений, а также для определения направления главных деформаций растяжения, что и представляет интерес при исследовании рассматриваемого класса соединений. Метод лаковых пленок, в котором используется канифоль (гарпиус) сразу дает траектории главных напряжений (изостаты) и позволяет приближенно определить их. При проведении экспериментов на поверхность детали наносили тонкий (0,05 -0,10 мм) слой хрупкого лака и подвергали деталь нагружению. На участках повышенных растягивающих напряжений в пленке возникали трещины, перпендикулярные направлению главных растягивающих напряжений вдоль оси образца и параллельные главным сжимающим напряжениям, ортогональным к растягивающим напряжениям. Образовавшаяся картина трещин на поверхности хрупкого покрытия представлена на рисунке 3.27.
Точность определения напряжений методом лаковых пленок невелика (±10 %). Однако даже при такой точности было выявлено, что на расстоянии более 4d вдоль волокон и 1,5d поперек волокон эффект от забивки стержня в массив древесины практически не проявляется, что хороши согласуется с результатами ранее проведенных исследований при помощи методов фотоупругих покрытий и голографической интерферометрии.
С применением численных методов исследовано напряженно-деформированное состояние соединений деревянных конструкций на витых стержнях крестообразного поперечного сечения в зависимости от конструктивных особенностей, значения усилия выдергивания и расстояния между опорами. Использование методики оценки напряженно-деформированного состояния исследуемых соединений, основанной на методе конечных элементов, позволило достаточно точно характеризовать их работу под действием сил выдергивания. 2. Проведенные численные исследования покали адекватность принятой расчетной модели, которая может быть использована другими авторами при расчете соединений на витых стержнях крестообразного поперечного сечения с характеристиками, отличными от исследуемых в настоящей работе. 3. Проведенные исследования особенностей напряженно-деформированного состояния древесины в зоне забивки стержней методами фотоупругих покрытий, голографической интерферометрии и лаковых покрытий позволили установить минимально допустимые расстояния между осями витых стальных стержней крестообразного поперечного сечения при их забивке в массив древесины в направлении поперек волокон, которые следует принимать: - между осями стержней и от оси стержня до торца деревянного элемента в направлении вдоль волокон — Si 6d; - между осями стержней в направлении поперек волокон древесины - S2 3d; - от оси стержня до кромки деревянного элемента в направлении поперек волокон - S3 3d. 4. Примененные методы исследований показали сопоставимые резуль таты, что подтверждает объективность полученных данных. Рассматриваемый тип соединений элементов деревянных конструкций на стальных витых стержнях крестообразного поперечного сечения с передачей усилий поперек волокон может применяться в конструкциях из цельной и клееной древесины, эксплуатируемых в условиях согласно требований / 148,149 /. Полученные данные позволяют рекомендовать для изготовления стержней диаметром не более 14 мм сталь марки С255, для стержней диаметром 16- 22 мм - сталь марки 40Х с термообработкой. Древесина сосны должна соответствовать сорту 2 с влажностью не более 20 % и удовлетворять требованиям ГОСТ 8486-86 / 137 /, ГОСТ 24454-80 / 139 /. Соединения на витых стержнях крестообразного поперечного сечения целесообразно использовать в конструкциях для подвески технологического оборудования, в узловых сопряжениях отдельных элементов /157/ и т.д. (смотри рисунки настоящей главы).
Особенно эффективным может оказаться использование таких соединений в конструкциях, которые должны быть быстро изготовлены в полевых условиях, на строительных площадках, удаленных от баз стройиндустрии (например, в отдаленных районах Сибири, Севера и Дальнего Востока), а также в военном строительстве.
В показанных ниже схемах и рисунках обосновывается целесообразность замены широко известных и применяемых гвоздей и шурупов на нагели крестообразного сечения с увеличенным диаметром, за счет чего возможно существенно повысить несущую способность упомянутых соединений при сохранении их технологических достоинств.
Конструктивные решения узлов деревянных конструкций с применением исследуемого типа стержней
В действующей нормативно-технической документации /148,149 / расчетная несущая способность гвоздей и шурупов, работающих на выдергивание и забитых в древесину поперек волокон, определяется по формулам (1.1) и (1.2). Как видно из названных формул, усилие выдергивания при известном расчетном сопротивлении зависит по сути только лишь от площади контакта внедренного в массив древесины элемента непосредственно с древесиной. При этом нормами предусмотрен ряд поправочных коэффициентов, учитывающих особенности эксплуатации соединения, в частности повышенная температура, влажность, преимущественное действие длительных нагрузок. В то же время особенности конструкции самих гвоздей или шурупов (шаг и глубина нарезки, форма поперечного сечения), забивка вдоль, поперек или под углом к волокнам, особенности работы группы стержней, когда возможно неравномерное распределение усилия между отдельными элементами, расчетные формулы не учитывают, хотя проведенными исследованиями / 97, 98 / установлено существенное влияние этих параметров на сопротивление выдергиванию. Эти данные совпадают и с результатами наших экспериментов.
При расчете гвоздей и шурупов на выдергивание в качестве расчетного сопротивления необходимо принимать Re2_, которое определяется силами трения и работой древесины на смятие с последующим скалыванием в направлении поперек волокон под витками нарезки. На самом деле, как показали проведенные экспериментальные исследования, основная доля несущей способности витого крестообразного стержня определяется работой древесины на смятие при забивке поперек или под углом к волокнам и работой на скалывание при забивке в направлении вдоль волокон. Следовательно, использование для витых стержней расчетного сопротивления выдергиванию, рекомендованного /148, 149 / для гвоздей и шурупов, внедренных в массив древесины в направлении поперек волокон, не совсем правомерно.
В действующих нормативно-технических документах отсутствуют правил расстановки крестообразных крупноразмерных стержней при забивке их в массив древесины без предварительной рассверловки «пилотных» отверстий. Неизвестно так же, как определяется несущая способность группы стержней. Умножение несущей способности одного стержня на количество стержней здесь не приемлемо. Опыты показывают, что с увеличением количества стержней снижается несущая способность, приходящаяся на один стержень.
Таким образом, нормативные методы расчета не учитывают ряд особенностей работы соединений на витых крестообразных стержнях, что может привести к существенным ошибкам.
Аналитическим путем решить задачу по определению напряженно-деформированного состояния соединений стальных стержней с древесиной, работающих на выдергивание, не представляется возможным. Для стержней,. внедренных в массив древесины, нельзя не учитывать анизотропию древесины. При учете анизотропии, когда количество упругих констант значительно увеличивается, теоретическое решение многократно усложняется.
В настоящее время в расчетной практике находят широкое применение численные методы. Наиболее универсальным из них является метод конечных элементов (МКЭ). Он обладает относительно простой логикой, что удобно для реализации на ПК / 38, 39 /. Кроме того, данный метод позволяет учесть анизотропию, пластические свойства и другие особенности материалов. С помощью МКЭ легко можно рассчитать напряженное состояние тел из нескольких материалов, можно учесть в расчетной схеме ожидаемую концентрацию и др.
Существует достаточно много стандартных вычислительных программ, разработанных на основе МКЭ. В настоящей работе использован программный комплекс АРМ WinMachine / 142 /, разработанного компанией НТЦ АПМ в г. Королев (смотри главу 3). При всех преимуществах численных расчетах нельзя не отметить то факт, что полученные результаты, отражая фактическую качественную картину особенностей работы соединения, количественно до 25 % отличаются от данных экспериментальных исследований. Данные расхождения могут быть объяснены тем фактом, что при внедрении стержня в массив происходит разрыв ее волокон, который, несомненно, снижает плотность контакта древесины и стержня. Однако, при создании расчетной модели это невозможно учесть.
Говоря о работе стержней на выдергивание, можно констатировать, что для инженерных расчетов не требуется знание картины распределения напряжений как в древесине, так и в самом стержне. Проектировщику необходимо и достаточно определить значение несущей способности соединения, что возможно путем применения метода практического расчета соединений на стальных витых стержнях, работающих на выдергивание, базирующегося как на теоретических, так и на экспериментальных данных. Предлагаемая ниже методика расчета основана на данных численных исследований и полученных экспериментальных результатах. Для ее реализации необходима характеристика сопротивления древесины смятию поперек волокон под витым стержнем крестообразного поперечного сечения и значение коэффициента, учитывающего длительность действия нагрузки, так как исследуемые стержни являются новым видом соединений, работа которых при длительном действии нагрузки практически не изучена.
Как уже отмечалось, напряженно-деформированное состояние древесины в зоне контакта с витым стержнем достаточно сложно. При внедрении стержня в массив древесины происходит ее обмятие, волокна деформируются и перерезаются. Работа древесины на смятие поперек волокон частично сочетается с работой на скалывание, особенно при изменении угла забивки стержня от 90 до 0 по отношению к направлению волокон. Нормативные документы значение расчетного сопротивления древесины смятию поперек волокон под ребрами витого стержня не оговаривают. В связи с этим для более обоснованной оценки прочности и разработки достоверной методики расчета соединений на витых стержнях крестообразного поперечного сечения, работающих на выдергивание проведены экспериментальные исследования работы древесины на смятие под ребрами витых крестообразных стержней диаметром 12 мм, 16 мм и 22 мм с толщиной ребра 2,0 мм, внедренных в массив древесины на глубину 100 мм гидравлическим прессом со скоростью 0,2 м/мин.
