Введение к работе
Актуальность работы. Одно из направлений экономического и социального развития России - федеральная целевая программа «Развитие физической культуры и спорта в Российской Федерации на 2006 - 2015 годы». Успех реализации программы связан со строительством новых спортивных и зрелищных сооружений с применением современных строительных конструкций, в том числе деревянных клееных, обеспечивающих снижение металлоемкости, нагрузки на опоры и фундаменты, стоимости и трудоемкости возведения зданий.
Очевидный интерес при возведении такого рода зданий представляют большепролетные клееные деревянные конструкции, объемы производства которых в России увеличиваются. Следует отметить, что использование конструкций на основе древесины в Сибирском федеральном округе особенно актуально, так как его территория занимает 30 % площади России, при этом 51 % его территории занимают лесные массивы.
С увеличением пролета конструкций повышаются усилия, действующие в их узлах. Несущая способность конструкции в целом определяется надежностью технических решений узловых соединений. Анализ существующего опыта мониторинга клееных конструкций в процессе эксплуатации показывает возможность появлении трещин в древесине в узлах, вблизи приопорных зон. Одна из причин появления трещин в узлах, связана с характером распределения напряжений и их концентрации. Использование в узловых сопряжениях деревянных элементов упоров переменной жесткости позволяет исключить возникновение концентраторов напряжений. Существующие методы расчета несущей способности соединений позволяют выполнять расчеты только с жесткими штампами, с учетом концентраций напряжений под кромками. Влияние переменной жесткости упорных элементов на несущую способность соединений деревянных элементов практически не изучено.
В связи с этим задача разработки и совершенствования методов расчета соединений с упорными элементами переменной жесткости является актуальной, имеющей теоретическое и практическое значение. Также вызывает необходимость поиска новых конструктивных решений узловых сопряжений и проведения экспериментальных и теоретических исследований.
Цель работы. Разработка и исследование узловых сопряжений деревянных элементов через упоры переменной жесткости для большепролетных ферм.
Задачи исследований. Для достижения поставленной цели, автором были поставлены следующие задачи:
выполнить опытно-конструкторскую разработку узловых сопряжений деревянных элементов через упоры переменной жесткости для большепролетных ферм, отличающихся повышенной надежностью;
провести численные исследования узловых сопряжений ферм и установить зависимости между металлоемкостью, напряженно-деформированным состоянием древесины в узлах и изгибной жесткостью упорных элементов. Установить критерии, определяющие эффективность технических решений упоров;
разработать практический метод расчета несущей способности узловых сопряжений ферм с учетом переменной изгибной жесткости упорных элементов;
определить влияние совместного действия продольных и поперечных сил на несущую способность узловых сопряжений ферм через упоры переменной жесткости;
провести физические эксперименты на крупномасштабных моделях сопряжений деревянных элементов ферм через упоры переменной жесткости для изучения характера их работы под нагрузкой и проверки достоверности результатов численных исследований;
подготовить рекомендации по конструированию, расчету и изготовлению узловых сопряжений деревянных элементов через упоры переменной жесткости.
Научная новизна работы:
установлены зависимости взаимного влияния характеристик переменной жесткости упорных элементов узловых соединений, их массой и напряженным состоянием древесины, позволяющие определять критерии эффективности предлагаемых конструкций упорных элементов. Предложены уравнения, описывающие влияние жесткости упорного элемента на расход стали и напряженно-деформированное состояние древесины в узлах;
теоретически обоснована и экспериментально подтверждена необходимость применения в расчетах несущей способности узловых соединений коэффициента Кизг.ж., учитывающего переменную изгибную жесткость упорных элементов, получены его значения;
теоретически обоснована и экспериментально подтверждена необходимость применения в расчетах несущей способности узловых соединений коэффициента Ky4.Q , позволяющего в расчете несущей способности узловых сопряжений ферм с упорами переменной жесткости учитывать совместное действие продольных и поперечных сил, получены его значения.
Практическая значимость работы заключается:
в разработке рекомендаций по определению несущей способности узловых соединений с упорами переменной жесткости;
в проведении экспериментальных исследования крупномасштабных узлов фермы с упорами переменной жесткости по результатам которых получено напряженно-деформированное состояние древесины в зоне контакта с упорами и подтверждены значения коэффициентов Кизг.ж и Ky4.Q.
в разработке альбомов рабочих чертежей большепролетных ферм на основе древесины с верхними поясами из двускатных дощатоклееных элементов и узловыми сопряжениями через упоры переменной изгибной жесткости;
в возможности использования практического метода расчета узловых сопряжений через упоры переменной жесткости в проектной практике, позволяющего значительно упростить и сократить сроки проектирования.
Реализация результатов диссертационной работы:
Результаты исследований использованы:
при проектировании сооружений из клееных деревянных конструкций в Ленинградской и Московских областях в ООО «СПБГАСУ-ИННОДРЕВ» (г. Санкт-Петербург);
при внедрении новых технологий по изготовлению двускатных дощато- клееных элементов в ООО «Хаус-Концепт «Содружество» (г. Санкт- Петербург);
в специальном курсе и курсовом проекте дисциплины «Конструкции из дерева и пластмасс» при подготовке бакалавров, специалистов и магистров по направлению 270100 «Строительство», на кафедре «Строительные конструкции и управляемые системы» ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет».
Достоверность результатов работы. Достоверность полученных результатов обеспечивается корректным использованием основных положений теории расчета древесины и расчетными предпосылками, основанными на анализе обширных экспериментальных данных о поведении конструкций из древесины при статическом нагружении во всем диапазоне прочностных свойств. Применением сертифицированных лабораторных приборов и установок, использованием современных средств регистрации исследуемых параметров. Правильность расчетов подтверждена результатами испытаний крупномасштабных моделей узлов ферм.
На защиту выносятся:
конструкторские решения узловых сопряжений деревянных элементов через упоры переменной жесткости для большепролетных ферм;
результаты экспериментально-теоретических исследований напряженно- деформированного состояния древесины в узлах ферм при различных технических решениях упорных элементов с переменной изгибной жесткостью;
критерии выбора эффективных технических решений упорных элементов, в основу которых положены зависимости между переменной жесткостью упорных элементов узловых соединений, их массой и напряженным состоянием древесины;
практический метод расчета с учетом коэффициентов., учитывающих переменную изгибную жесткость упорных элементов в узловых соединениях Кизг.ж и влияние поперечной силы в зоне контакта древесины и упора, установленного под углом к продольной оси элемента верхнего пояса фермы.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы представлены и доложены на XIV Международном симпозиуме «Современные строительные конструкции из металла и древесины» (Одесса, май 2010 г.); на XV Международном симпозиуме «Современные строительные конструкции из металла и древесины» (Одесса, май 2011 г.); на I Международной конференции студентов, магистрантов, аспирантов и молодых ученых «Инновационные технологии строительства» (Красноярск, октябрь 2011 г.); на V Съезде по деревянному строительству СПбГАСУ (Санкт-Петербург, декабрь 2011 г.); на V Всероссийской научно-технической конференции НГАСУ «Актуальные вопросы строительства» (Новосибирск, апрель 2012 г.); на VII Всероссийской научно- технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «МОЛОДЕЖЬ И НАУКА» (Красноярск, апрель 2012 г.); на VI Съезде по деревянному строительству МГСУ (Москва, декабрь 2012 г.).
Публикации. По материалам диссертационных исследований опубликовано 9 работ, из них печатных 8, 2 публикации в изданиях, включенных в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, рекомендованных ВАК Российской Федерации и, в том числе 2 патента РФ на изобретение.
Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы из 139 наименований. Общий объем работы 212 страниц, 103 рисунка, 13 таблиц.
