Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследований 12
1.1. Общие сведения 12
1.2. Область применения стеновых панелей на основе древесины и древесных материалов 15
1.3. Отечественный и зарубежный опыт применения стеновых панелей на основе древесины и древесных материалов 17
1.3.1 Производственные здания 17
1.3.2 Малоэтажные жилые дома 26
1.4. Обоснование выбранного направления и задачи исследований 34
1.5. Выводы по первой главе 35
2. Опытно-конструкторские разработки стеновых панелей 37
2.1. Предпосылки для создания клеефанерных стеновых панелей с обшивкой, включенной в общую работу конструкции 37
2.2. Общие положения, принятые при разработке опытных конструкций 42
2.3. Конструкции сжато-изгибаемых стеновых панелей 44
2.3.1 Стеновые панели с фанерными обшивками 44
2.3.2 Стеновые панели с клеедощатой обшивкой 60
2.4. Примеры конструктивных решений полносборных зданий и сооружений на основе предложенных панелей 64
2.5. Выводы по второй главе 71
3. Исследование и анализ напряженно-деформированного состояния клеефанерных стеновых панелей 72
3.1. Общее направление исследований, цель и задачи 72
3.2. Обзор теоретических работ по оценке напряженно-деформированного состояния клеефанерных ребристых конструкций 73
3.3. Обоснование выбранного метода исследования 80
3.4. Исследование влияния конструктивных особенностей и ста-тико-геометрических параметром на НДС панелей 83
3.5. Проверка устойчивости сжатых фанерных обшивок разработанных панелей 99
3.6. Определение расчетных усилий в ребристых сжато-изгибаемых панелях с обшивкой, включенной в общую работу конструкции 104
3.7. Выводы по третьей главе 112
4. Экспериментальные исследования клеефанерных сжато-изгибаемых стеновых панелей 114
4.1. Цель и задачи исследований 114
4.2. Методика испытаний опытных конструкций 115
4.3. Анализ результатов испытаний 125
4.3.1 Стеновая панель П-образного поперечного сечения ... 126
4.3.2 Стеновая панель поперечного сечения в виде 2Т 137
4.3.3 Длительные испытания 144
4.4. Выводы по четвертой главе 148
5. Рекомендации по конструированию, расчету и из готовлению сжато-изгибаемых клеефанерных стеновых панелей и их технико-экономическая эффективность 150
5.1. Рекомендации по конструированию, расчету и изготовлению 150
5.1.1 Общие положения 150
5.1.2 Материалы 151
5.1.3 Конструирование и инженерная методика расчета 151
5.1.4 Меры защиты 160
5.1.5 Изготовление стеновых панелей 161
5.2. Технико-экономическая эффективность сжато-изгибаемых клеефанерных стеновых панелей с обшивкой, включенной в общую работу конструкции 163
5.3. Выводы по пятой главе 174
Основные выводы 175
Литература 178
Приложение 197
- Область применения стеновых панелей на основе древесины и древесных материалов
- Общие положения, принятые при разработке опытных конструкций
- Обзор теоретических работ по оценке напряженно-деформированного состояния клеефанерных ребристых конструкций
- Стеновая панель П-образного поперечного сечения
Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время Россия остро нуждается в крупномасштабном расширении строительства малоэтажных зданий и сооружений массовых серий как в жилищном секторе, так и в области возведения производственных зданий различного назначения. Не вызывает сомнений целесообразность применения для этих нужд деревянных конструкций, тем более, что запасы леса Сибири, Алтая и Дальнего Востока исчисляются миллиардами кубометров.
Развитие базы клееных деревянных конструкций обусловило не только техническую возможность, но и экономическую целесообразность применения в зданиях и сооружениях различного назначения ребристых панелей стен на деревянном каркасе с наибольшими габаритными размерами, допустимыми по технологическим параметрам и условиям транспортабельности. Наиболее ярко преимущества панелей проявляются при совмещении ими несущих и ограждающих функций, когда основные продольные ребра выполняют роль колонн, а обшивки, включенные в общую работу панели вместе со вспомогательными элементами, являются ограждениями зданий и сооружений. В этом случае стеновая панель работает как сжато-изгибаемый элемент, воспринимая сжимающую нагрузку от вышерасположенных конструкций и изгибную ветровую нагрузку.
Вместе с тем, негативным фактором, тормозящим применение совмещенных ребристых панелей на основе древесины в строительстве, является отставание конструкторских и научных исследований в этом направлении. Известные конструктивные отечественные и зарубежные решения нельзя признать удачными, так как их использование связано либо со значительной трудоемкостью изготовления и сложностью сборки, либо с большим расходом материалов. В большинстве случаев они не отвечают требованиям эксплуатационной надежности и пожарной безопасности, а также не позволяют на одних и тех же технологических линиях выпускать сборные конструкции как для жилищного, так и для промышленного строительства. Существующие методы расчета совмещенных клеефанерных панелей, работающих на сжатие с изгибом, не достаточно достоверно отражают условия совместной работы обшивок и ребер, особенно при наличии подкрепляющих элементов. Во многих случаях это приводит к несоответствию расчетных моделей реальному поведению конструкции при воздействии эксплуатационных нагрузок.
В связи с изложенным, разработка новых конструктивных форм сжато-изгибаемых клеефанерных панелей для зданий и сооружений различного назначения, обеспечивающих снижение материалоемкости, трудоемкости изготовления и монтажа приобретает особое значение. Стремление к снижению материалоемкости и улучшению других показателей должно сочетаться с обеспечением надежности работы как отдельных панелей, так и зданий или сооружений в целом. В связи с этим, для адекватной оценки их напряженно-деформированного состояния необходимы дополнительные теоретические и
экспериментальные исследования, на базе которых могут быть разработаны практические рекомендации по конструированию и расчету сжато-изгибаемых клеефанерных стеновых панелей, позволяющие учесть совместную работу отдельных элементов конструктивной системы.
Предлагаемая диссертационная работа проведена в рамках НТП Министерства образования и науки РФ (№Г.Р.01.200.3 12588). Тема работы вошла в план фундаментальных и научных исследований РААСН на 2007 год (тактическая задача 2, подзадача 2.3.13). Также разработанная тема входит в план госбюджетных научно-исследовательских работ кафедры строительных конструкций Оренбургского государственного университета (№Г.Р. 01990000100).
Цель работы: разработка и исследование новых конструкций сжато-изгибаемых клеефанерных стеновых панелей.
Для реализации поставленной цели необходимо было решить следующие взаимосвязанные задачи:
на основе отечественного и зарубежного опыта применения в строительстве стеновых панелей на деревянном каркасе предложить пути их совершенствования и определить направления исследований;
разработать новые конструкции клеефанерных стеновых панелей, совмещающих несущие и ограждающие функции;
численными методами определить эффект от включения обшивки в общую работу конструкции, а также оценить влияние сжимающих сил на этот эффект;
разработать инженерную методику расчета сжато-изгибаемых клеефанерных стеновых панелей с обшивкой, включенной в общую работу конструкции, в том числе с использованием ЭВМ;
экспериментально исследовать напряженно-деформированное состояние опытных конструкций клеефанерных панелей и их элементов;
оценить технологичность изготовления опытных конструкций панелей;
определить технико-экономическую эффективность применения разработанных панелей в зданиях различного назначения;
дать рекомендации по проектированию и изготовлению сжато-изгибаемых клеефанерных стеновых панелей;
- внедрить разработанные конструкции в строительную практику и
учебный процесс.
Научная новизна работы заключается:
в разработке для стеновых ограждений зданий и сооружений различного назначения новых конструктивных решений сжато-изгибаемых клеефанерных панелей с обшивкой, включенной в общую работу конструкции;
в установлении закономерностей влияния конструктивных особенностей на напряженно-деформированное состояние предложенных панелей;
- в усовершенствовании инженерной методики расчета сжато-
изгибаемых панелей, позволяющей адекватно оценить их фактическое напря
женно-деформированное состояние;
- в результатах экспериментальных исследований, подтверждающих
достоверность установленных закономерностей и в достаточно полной мере
отражающих действительную работу разработанных различных по конст-
рукции панелей под кратковременной и длительной нагрузками. Практическая ценность работы состоит:
в разработке новых конструкций сжато-изгибаемых клеефанерных панелей для стеновых ограждений зданий и сооружений различного назначения;
в разработке инженерного метода расчета предлагаемых панелей с учетом включения обшивок и вспомогательных элементов в общую работу конструкций, а также рекомендаций по их конструированию, расчету и изготовлению;
в проведении технико-экономической оценки разработанных конструкций, которая позволила подтвердить возможность повышения эффективности строительства за счет включения отдельных элементов в общую работу конструктивной системы, максимальной заводской готовности конструкций и использования современных методов крупноблочного монтажа.
Внедрение результатов работы:
предложенные клеефанерные панели на деревянном каркасе нашли применение в проектах: малоэтажных жилых домов, зданий и сооружений сельскохозяйственного назначения, складов и стоянок, реконструкции зданий путем их надстройки (всего 8 объектов);
материалы исследований и альбомы рабочих чертежей разработанных конструкций переданы, по запросу Правительству Оренбургской области, для внедрения при обустройстве российско-казахской границы;
рабочие чертежи совмещенных плит покрытия и панелей стен переданы, по запросам, в строительные организации и проектные институты 000«Сургутгазпром», администрации города Новотроицка, ЗАО«Оренбург-облгражданстрой», 000«Севернефтегазстрой», ОАО«Красноярскграждан-проект» (всего 12 предприятий);
материалы исследований включены в разделы специального курса «Индустриальные конструкции на основе древесины для строительства быст-ровозводимых зданий и сооружений», которые читаются студентам специальностей 270102 «Промышленное и гражданское строительство» и 270105 «Городское строительство и хозяйство».
На защиту выносятся:
новые эффективные конструктивные формы сжато-изгибаемых клеефанерных панелей для зданий и сооружений различного назначения;
оценка их напряженно-деформированного состояния, базирующаяся на результатах проведенных численных исследований и включающая в себя закономерности влияния конструктивных особенностей на напряженно-деформированное состояние предложенных панелей;
инженерная методика расчета сжато-изгибаемых панелей, предусматривающая применение аппроксимационных формул и коэффициентов, которые позволяют адекватно оценить их фактическое напряженно-деформированное состояние;
основные принципы проектирования совмещенных ребристых конструкций на основе древесины для покрытий и стеновых ограждений зданий и сооружений различного назначения;
-результаты экспериментальных исследований разработанных конст-
рукций с учетом действия кратковременных и длительных нагрузок;
- результаты технико-экономической оценки предложенных клеефанерных панелей, а также рекомендации по их конструированию, расчету и изготовлению.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы были доложены и обсуждены на IV международной научной конференции «Прочность и разрушение материалов и конструкций», г. Москва, 2005 г.; III международной научно-технической конференции «Современные проблемы совершенствования и развития металлических, деревянных, пластмассовых конструкций в строительстве и на транспорте», г. Самара, 2005 г.; 62 - 65-й научно-технических конференциях НГАСУ (Сибстрин), г. Новосибирск, 2005 - 2008 г.; IV...VI международных научно-практических конференциях «Эффективные строительные конструкции: теория и практика», г. Пенза, 2005-2007 г.
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 24 печатных работах, в том числе 2 статьи в изданиях, включенных в перечень ВАК РФ, выпущено 3 информационных листа, получен 1 патент на изобретение и 1 патент на полезную модель.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка использованных источников из 192 наименований и приложения. Общий объем работы 209 страниц текста, в том числе 69 рисунков, 14 таблиц, 13 страниц приложения.
Область применения стеновых панелей на основе древесины и древесных материалов
Области применения клеефанерных панелей, являющихся как правило совмещенными элементами, определяются их преимуществами перед традиционными плоскостными деревянными конструкциями в виде стропильных балок и колонн с несущими и ограждающими элементами по ним, а также перед аналогичными железобетонными и металлическими конструкциями. Достоинства панелей на деревянном каркасе делают применение этих конст рукций экономически перспективным и технически обоснованным, особенно при строительстве в районах Урала, Сибири, Дальнего Востока и Севера. Разработанные сжато-изгибаемые панели на основе древесины могут быть использованы для стеновых ограждений малоэтажных жилых, производственных, сельскохозяйственных и промышленных, а также гражданских зданий и сооружений II - IV степени огнестойкости с микроклиматом групп А1,А2,Б1,Б2,В1,В2. В сельскохозяйственном строительстве сжато-изгибаемые панели на деревянном каркасе с обшивкой, включённой в общую работу конструкции могут быть использованы в стеновых ограждениях зерноскладов, складов и навесов для хранения сельхозтехники, гаражах, ремонтных мастерских, зрительных и спортивных залов, животноводческих и птицеводческих зданий с влажностью воздуха не более 75%.
В промышленном строительстве такие панели можно использовать при возведении складских зданий, цехов деревообрабатывающих предприятий, ремонтных баз и тому подобных объектов. В гражданском строительстве на базе совмещенных клеефанерных конструкций могут быть разработаны выставочные залы, спортивные арены, зрелищные и торговые комплексы и т.д., во всех случаях, когда применение деревянных конструкций допускается действующими правилами пожарной безопасности и другими нормативными документами. На основе совмещенных деревянных конструкций могут быть запроектированы сборно-разборные секции зданий, представляющие собой блок, в котором плита покрытия шарнирно соединена с откидными стенами. Для перевозки таких блок-секций в сложенном виде могут быть использованы обычные автомобили, трюмы судов и даже авиатранспорт. Их монтаж может быть осуществлен обычным подъемно-транспортным оборудованием с грузоподъемностью до 5 т. Таким образом, при применении складывающихся секций может быть достигнуто существенное сокращение сроков строительства упомянутых выше зданий. Особо перспективным представляется применение разработанных конструкций в малоэтажном домостроении в районах с суровыми климатическими условиями. Особо ценными здесь являются такие их свойства, как легкость, низкая теплопроводность, морозостойкость, повышение прочности с понижением температуры, малое термическое расширение, простота, индуст-риальность, низкая энергоёмкость изготовления, легкость транспортировки и монтажа, исключение «мокрых» процессов и сокращение до минимума объема послемонтажных работ, доступность сырья, экологическая чистота, высокие архитектурно-эстетические качества и др.
Наибольшего экономического эффекта можно добиться, применяя совмещенные панели на основе древесины: — при строительстве на слабых, просадочных, пучинистых вечномерз-лых грунтах, а также в сейсмоопасных районах; — при надстройке зданий городской застройки путем возведения дополнительных этажей или мансард; — при строительстве быстровозводимых, в том числе мобильных, зданий и сооружений. Разработка ограждающих конструкций заводского изготовления на деревянном каркасе для строительства производственных зданий базировалась на фундаментальных трудах Ф. П. Белянкина, В. В. Большакова, Е. М. Знаменского, Ф. В. Иванова, Ю. М. Иванова, Г. Г. Карлсена, М. Е. Когана, В. М. Коченова, М. Ф. Ковальчука, Д. А. Кочеткова, Н. Л. Леонтьева, А. Р. Ржани-цына и других выдающихся ученых, в трудах которых были продолжены и развиты традиции И. П. Кулибина, Д. И. Журавского и В. Г. Шухова, блестяще сочетавших теорию с практикой. Необходимые расчетные формулы и достоверные сведения по анизотропии упругих свойств и прочностных характеристик древесины и фанеры, в том числе с учетом влияния различных факторов на их физико-механические свойства, были получены Е. К. Ашкенази и Э. В. Гановым / 6, 7 /, С. Г. Лехницким / 77 /, В. М. Хрулевым, В. В. Большаковым и Г. П. Макаровым, Н. Л. Леонтьевым, И. М.Линьковым / 78 /, Е. И. Светозаровой и Е. Н. Серовым / 126 /, И. М. Гуськовым / 28 /. В трудах Л. И. Балабуха, С. А. Корзина, С. Г. Лехницкого, Г. Г. Ростовцева, Я. И. Секерж-Зенкевича решены основные задачи устойчивости фанерных пластинок. На основе хорошо изученных свойств древесины и фанеры стало возможным приступить к разработке ограждающих строительных конструкций на основе фанеры. Несомненно, на эти разработки оказали большое влияние исследования Н. С. Стрелецкого, В. И. Трофимова, В. В. Бирюлёва, Ю. М. Дукарского, Ф. Ф. Тамплона, Ю. Н. Хромца, А. М. Чистякова и других ученых, труды которых способствовали широкому внедрению в практику строительства легких металлических ограждающих конструкций.
Панели стен на деревянном каркасе с асбестоцементными и фанерными обшивками длиной 3,0м были предложены и в опытном порядке внедрены в наше строительство еще в конце 40-х, начале 50-х годов прошлого столетия /161/. Такие панели стен облегченной конструкции на деревянном каркасе с фанерными и дощатыми обшивками ФСД-332 по серии 1.832-1 разрабатывались в Гипрониссельхоз, ЦНИИСК им. Кучеренко и имели габаритные размеры 3,0х 1,5м и толщину 0,174 м, а также панели стен для массового поточного механизированного производства ФСДИ-331 по серии 1.832-4, разработанные ЦНИИЭПсельстрой, с габаритными размерами 3,0 1,5м и толщиной 0,156 м. Было установлено, что наибольший экономический эффект при применении легких сборных ограждений достигается в строительстве в сейсмических и отдаленных районах Севера, Сибири и Дальнего Востока, где расходы на транспортировку конструкций особенно велики. Эти разработки и соответствующие им экспериментально-теоретические исследования были продолжены в последующие годы и сопровождались все более широким использованием
Общие положения, принятые при разработке опытных конструкций
Разработка опытных конструкций совмещенных клеефанерных стеновых панелей проведена в соответствии с требованиями / 106, 119, 132 /. В качестве основных материалов использованы древесина сосны с влажностью 10 ± 2% по ГОСТ 24454 - 80 / 21 / и водостойкая фанера марки ФСФ по ГОСТ 3916.1 - 96 / 22 /. Для склеивания элементов приняты водостойкие клеи ФР-12, ФР-100, ФРФ-50, рекомендуемые действующими нормативными документами. В качестве утеплителей предусмотрено использовать минеральный утеплитель из базальтовых волокон (БСТВ) по ГОСТ 4640-93 / 24 /. Утеплитель БСТВ обладает эксплуатационной долговечностью, пожарной безопасностью (группа горючести НГ), стойкостью к агрессивным химическим средам, не накапливает радиацию, биостоек (не подвержен грибку и плесени), экологичен, вибростоек, не повреждает при соприкосновении кожу. Стеновые панели разработаны как для отапливаемых, так и неотапливаемых зданий высотой от 3,0 м до 6,3 м при ширине от 1,2 до 3,0 м под нормативную ветровую нагрузку до 0,85 кН/м согласно СНиП / 130 /. Приведем наиболее важные положения, которые учитывались при разработке опытных конструкций.
В качестве основных несущих элементов в разработанных клеефанер-ных совмещенных стеновых панелях принято два продольных ребра, что позволяет снизить расход древесины по сравнению с часторебристыми стеновыми панелями / 54 /. Обшивку целесообразно выполнять из водостойкой фанеры и приклеивать её к продольным ребрам, тогда она вовлекается в общую пространственную работу стеновой панели, образуя совместно с ребрами П-образное или в виде двойного Т поперечное сечение. Включение обшивки в работу позволяет существенно увеличить моменты инерции и сопротивления поперечного сечения, что и приводит к экономии материала. Также в ряде случаев это позволит применять для несущих ребер цельную древесину вместо клеёной и за счет этого получить дополнительный экономический эффект. Поперечное сечение в виде двойного Т обеспечивает наиболее равномерное распределение нормальных сжимающих, а также изгибных напряжений в обшивке, которые возникают при общем изгибе панели и при действии на обшивку равномерно-распределенной внешней нагрузки. С другой стороны, П-образное поперечное сечение в наибольшей степени отвечает требованиям неповреждаемости конструкции, что особо актуально для районов с рассредоточенными строительными объектами, а также для всех других случаев, когда возникают трудности, связанные с транспортировкой конструкций к месту строительства. Альтернативным решением является использование взамен фанерных обшивок из брусков малых сечений (40 40мм, 50x40мм) или из узких реек (Ь 100 мм), склеенных по кромкам между собой и с каркасом панели. Дощатые обшивки могут быть продольными (что предпочтительнее) или двухслойными перекрестными из реек, расположенных под углом 45 к основным ребрам и склеенных с ними и друг с другом.
При необходимости обшивку панелей можно выполнять из плоских асбестоцементных листов. Асбестоцемент является более дешевым и огнестойким материалом по сравнению с фанерой, но в этом случае, как правило, исключается возможность включения обшивки в общую работу конструкции. Представляется интересным, с точки зрения автора, применение в качестве обшивок ориентированных стружечных плит (OSB), плит из клееного шпона (LBL) и древесноволокнистых плит (МДФ). При разработке опытных конструкций автор исходил также из необходимости обеспечить: - простоту их изготовления и монтажа; - возможность изготовления на существующих деревообрабатывающих заводах; - повышенную степень заводской готовности стеновых панелей. С учетом вышеизложенного были разработаны конструкции панелей, предназначенных для использования в стеновом ограждении зданий различного назначения. Ниже рассматривается ряд предлагаемых конструкций, разработанных с использованием сформулированных выше положений. Совмещенная стеновая панель (рисунок 2.1) с размерами в плане 1,5Х3,0 м состоит из двух дощатых ребер, которые вместе с приклеенной к ним фанерной обшивкой образуют П-образное поперечное сечение. Поперечные вспомогательные ребра из брусков расположены через 750 мм по длине панели. При таком шаге рёбер обеспечивается прочность, жесткость и устойчивость обшивки при действии на нее внешней и монтажных нагрузок. Торцы поперечных ребер соединены в зубчатый шип либо в полдерева с обрамляющими элементами, которые, как и поперечные ребра, приклеены к фанерной обшивке. Клеевые соединения обшивки с основными, вспомогательными и обрамляющими ребрами выполнены при помощи гвоздевого прижима. Для обеспечения неизменяемости поперечного сечения панели между основными продольными ребрами предусмотрены дощатые диафрагмы жесткости, которые поставлены на расстоянии 500 мм от торцов конструкции для удобства выполнения опорных узлов.
При необходимости диафрагмы можно располагать по торцам панели (например, при конструировании карнизных узлов в зданиях с вертикальной разрезкой). Варианты конструктивных решений узла примыкания диафрагм к основным ребрам показаны на рисунке 2.2. В качестве утеплителей предусмотрено использовать минеральный утеплитель из базальтовых волокон (БСТВ). Отметим, что без существенных изменений в конструкции панели можно использовать другие утеплители. В частности, между вспомогательными ребрами можно уложить на обшивку по слою оклеечной либо покрасочной пароизоляции минераловатные плиты на синтетическом связующем с креплением в проектном положении при помощи брусков, прибитых к поперечным ребрам. Предлагаемая стеновая панель монтируется непосредственно на фундамент, а не навешивается на колонны, за счет чего достигается совмещение несущих и ограждающих функций. Ориентация основных продольных ребер может быть различная, как внутрь, так и наружу помещения. За счет жесткого клеевого соединения продольных рёбер и фанерной обшивки последняя вовлекается в общую работу конструкции, обеспечивая при этом увеличение геометрических характеристик поперечного сечения панели, которые с учетом разномодульности материалов определяются по следующему алгоритму. 1. Расчетная ширина фанерной обшивки равна:
Обзор теоретических работ по оценке напряженно-деформированного состояния клеефанерных ребристых конструкций
Анализ отечественной и зарубежной научно-технической литературы показал, что с достаточной для практических целей точностью ребристые конструкции на основе древесины с обшивкой, включенной в общую работу конструкции, можно рассчитывать как тавровые или двутавровые элементы, полками в которых являются обшивки. Сжимающие напряжения, действующие в полках, имеют максимальные значения у ребер и уменьшаются к середине поля обшивки, при этом в расчет вводится не конструктивная, а уменьшенная (приведенная) ширина обшивки (рисунок 3.1). Эта ширина определя ется с таким расчетом, чтобы при использовании элементарных теорий изгиба и сжатия значения наибольших напряжений для преобразованного и действительного сечений оказались равными. К первым работам, посвященным изучению величины работающей части обшивок (полок) ребристых плит для случаев, наиболее близких к рассматриваемым конструкциям, относятся труды Т. Кармана, X. Кокса, Ландквиста, Метцера, Дутко, С. П. Тимошенко, Г. Г. Ростовцева, С. Г. Лехницкого, А. Б. Губенко, В. Н. Быковского и других авторов /9, 26, 77, 113-116, 169-172, 174 /. Говоря о формулах Кармана и Кокса, необходимо отметить, что они являются приближенными и относятся к пластинам, прогибы которых невелики в сравнении с толщиной. Ландквист по результатам большого количества опытов получил выражение для определения приведенной ширины пластинок более тонких, чем у Кармана и Кокса (в конце тридцатых годов тонкие пластинки стали широко применяться в самолетостроении). По Ландквисту: (3.3)
На основе формулы Кармана (3.1) для пластинок с различными характеристиками жесткости в разных направлениях профессор Г. Г. Ростовцев предложил приближенную формулу для расчета приведенной ширины пластинок с учетом анизотропии: (3.7) Известны также решения И. Г. Бубнова, П. Ф. Папковича, П. А. Соколова, Шнаделя, Вагнера, Хертеля, но они в меньшей степени соответствуют работе исследуемых плит и поэтому не приводятся. Заметим, что вышеприведенные выражения (3.1) - (3.7) не учитывают геометрических параметров конструкций, например длины и ширины, а применительно к крупноразмерным панелям - шага подкрепляющих ребер. Работа фанерной обшивки совместно с деревянными ребрами в плитах покрытия исследовалась теоретически и экспериментально в ЦНИПСе, а также В. Н. Быковским и Б. С. Соколовским в НИИ по строительству Мин-машстроя / 9 /. Ими предложен график для определения коэффициента приведения в зависимости от соотношения размеров сторон обшивки и формулы для расчета краевых напряжений.
Полученные данные были проверены экспериментально при испытании серии клеефанерных щитов размером 0,5x6,0 м. Отметим, что построенный график и выведенные формулы расчета изгибаемого щита, загруженного равномерно распределенной нагрузкой, учитывают наличие только основных ребер, шарнирно опертых на концах, и исключают возможность учета каких-либо вспомогательных элементов и действие, например, сжимающих продольных сил. Эксперименты с клеефанерными плитами, выполненные А. Б. Губенко, показали, что несущая способность конструкций определяется способом сопряжения фанерных листов в растянутой зоне сечения / 26 /. Отмечено также, что при уменьшении толщины фанеры до 6...4 мм, сжатая обшивка теряет устойчивость и в дальнейшем, до разрушения плиты, работает в закри-тической стадии. Предложенная А. Б. Губенко методика расчета клеефанерных плит с несущественными изменениями сохраняется в действующей главе СНиП/132/. И. М. Линьковым были обобщены результаты испытаний ограждающих клеефанерных плит. По итогам экспериментов сделан вывод, что применяемая в практике проектирования методика расчета клеефанерных плит является оправданной в связи с удовлетворительным совпадением экспериментальных и теоретических данных. В связи с этим заметим, что приведенные в СНиП формулы расчетной ширины справедливы для часторебристых изгибаемых клеефанерных плит, в которых ребра размещены с шагом а 50ё (S— толщина обшивки):
Стеновая панель П-образного поперечного сечения
Для определения вышеуказанных деформаций, а также для сопоставления результатов испытаний, комплектность и расстановка механических приборов при кратковременных и длительных испытаниях были полностью идентичны. Нагружение стеновой панели осуществляли непрерывно до достижения изгибной и сжимающей нагрузок расчетных величин. Изгибную нагрузку создавали контрольными грузами, равномерно распределенными по всей площади фанерной обшивки. Для точного выхода на полную расчетную нагрузку было приготовлено 90 контрольных грузов по 20 кг и 10 контрольных грузов по 13 кг. Отсчёты с приборов брали с интервалом в 1 час в течение первых трех суток, через 24 часа в одно и то же время в последующие 3 недели и далее через 72 часа до окончания испытаний. При этом постоянно осуществляли контроль за величиной сжимающего усилия. Испытания клеефанерных стеновых панелей П-образного и в виде 2Т поперечного сечения, с размерами в плане 1,5x3,0 м, проведены в полном соответствии с вышеизложенной методикой. Для обработки результатов испытаний определяли модули упругости древесины и фанеры. Образцы для определения упругих характеристик отбирали из основных ребер и обшивки стеновой панели после проведения испытаний. Из каждого элемента конструкции вырезали по шесть образцов. Отбор образцов проводили на участках ребер и обшивки в зонах расположения тен-зорезисторов. Значения упругих характеристик древесины и фанеры, установленные стандартными испытаниями на изгиб, составили: ф=13500 МПа, Еф= 11800 МПа, Еф=1900 МПа. Влажность стандартных образцов при определении модуля упругости соответствовала влажности в момент испытания панелей, определялась электронным влагомером МГ-4Д и составила 8.. .10%.
Приведенные в настоящем разделе результаты получены как средние арифметические по данным трех испытаний при двух наиболее характерных загружениях: - загружение I изгибной нагрузкой, равномерно распределенной по площади обшивки при N=0; - загружение II при совместном действии сжимающей нагрузки, приложенной к ребрам, и изгибной нагрузки, равномерно распределенной по площади обшивки. При других схемах загружения картина распределения сжимающих напряжений в обшивках и напряжений изгиба в ребрах были идентичными, разница в значениях не превышала 4 - 6%. Максимальные прогибы основных ребер в середине пролета находились в пределах норм. Значение фактического прогиба от нормативной нагрузки сжатия и изгиба составило в среднем 4,41 мм (рисунок 4.9, а), а относительный прогиб был равен 1/680 от расчетного пролета. При действии на панель расчетной нагрузки значение прогиба увеличилось до 6,38 мм и составило 1/470/рясс Расхождения в значениях прогибов по ступеням загружения при различных схемах приложения изгибной нагрузки (только к несущим ребрам или по всей площади обшивки) не превышали 3%. Значение прогибов, определенных по программе SCAD при действии расчетной нагрузки составило 8,11мм, что на 27% больше соответствующего экспериментального значения. Данное расхождение можно объяснить включением в общую работу конструкции продольных обрамляющих элементов, что при проведении численных исследований не учитывалось. При загружении конструкции только поперечной нагрузкой, равномерно распределенной по площади панели, относительный прогиб обшивки при нормативной нагрузке в центре наиболее напряженного отсека (измеренный относительно основных ребер) составил 1 /268 пролета обшивки, а при расчетной нагрузке - 1/196 пролета (рисунок 4.9,6). При совместном действии нагрузок изгиба и сжатия эти значения составили 1/234 1об и 1/178 / соответственно. Наряду с этим, в процессе испытаний наблюдалась депланация поперечного сечения панели между диафрагмами. Наибольшая величина расхождения ребер в уровне их нижних граней (рисунок 4.10,6) составила 1,15 мм -при нормативной нагрузке и 1,65 мм - при расчетной. Отметим, что все деформации панели и её элементов нарастали практически пропорционально значениям действующих нагрузок (рисунок 4.10).
Испытания опытных конструкций на различных стадиях показаны на рисунках 4.11 и 4.12, а их основные результаты приведены в табл. 4.2 и 4.3. Напряженное состояние элементов панели оценивали по результатам тензометрирования. Характер распределения изгибных напряжений в основных ребрах П-образной панели в исследуемом сечении представлен на рисунке 4.13. Отметим, что при испытаниях панелей нагрузкой, приложенной толь ко к основным ребрам и нагрузкой, равномерно распределенной по площади обшивки, эпюры распределения изгибных напряжений в ребрах были идентичны. Как видно из рисунка, продольные обрамляющие элементы панелей полностью включаются в общую работу системы, тем самым увеличивая её прочность и жесткость. С другой стороны, стоит отметить, что при включении продольных обрамляющих элементов в общую работу конструкции нейтральная ось смещается к фанерной обшивке, что приводит к увеличению скалывающих напряжения между шпонами фанеры. Для сопоставления результатов численных и экспериментальных исследований были проведены дополнительные испытания, при которых продольные обрамляющие элементы искусственно исключали из работы путем устройства в них вертикальных прорезей на всю высоту поперечного сечения. Напряжения в краевых волокнах обшивок были определены по формулам /6, 7/:
