Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ состояния вопроса 8
1.1. Развитие отечественной методики расчета нагельных соединений 8
1.2. Зарубежный опыт исследования нагельных соединений 23
1.3. Результаты анализа состояния вопроса и обоснование проведения исследований 39
ГЛАВА 2. Экспериментально-теоретические исследования торцевых нагельных соединений 43
2.1. Анализ методов оценки несущей способности и деформативности нагельных соединений 43
2.2. Работа нагеля в соединении и определение расчетных зависимостей
2.2.1. Расчет по прочности 71
2.2.2. Расчет по деформациям 79
2.3. Определение прочностных характеристик используемых материалов 81
2.3.1. Физико-механические характеристики 81
2.3.2. Прочность на смятие и деформативность нагельного основания 86
2.3.3. Механические характеристики нагеля при работе на изгиб 99
2.4. Оценка несущей способности торцевых нагельных соединений экспериментально теоретическим методом 113
ГЛАВА 3. Экспериментальные исследования торцевых соединений со стальными накладками 115
3.1. Исследования соединений при кратковременных нагрузках и определение влияния длины нагелей на их рабочие параметры 115
3.2. Исследование работы соединений при длительном действии нагрузки. Определение расчетной несущей способности соединений 125
3.3. Влияние параметров расстановки нагелей на несущую способность и прочность торцевых соединений из условия раскалывания 133
3.4. Исследование напряженно-деформированного состояния соединений 143
ГЛАВА 4. Исследования узловых торцевых нагельных соединений 160
4.1. Испытание узловых торцевых соединений со стальными накладками и нагелями из высокопрочной стали 160
4.2. Испытание узловых торцевых соединений деревянных элементов 166
ГЛАВА 5. Область применения, предложения по расчету и обеспечению эксплуатационной безопасности торцевых нагельных соединений 178
5.1. Область применения 178
5.2. Предложения по расчету и обеспечению эксплуатационной безопасности соединений 1 5.2.1. Расчет торцевых нагельных соединений со стальными накладками 180
5.2.2. Расчет торцевых нагельных соединений деревянных элементов 184
5.2.3. Обеспечение эксплуатационной безопасности торцевых соединений деревянных конструкций 187
Заключение 190
Список используемой литературы
- Зарубежный опыт исследования нагельных соединений
- Работа нагеля в соединении и определение расчетных зависимостей
- Исследование работы соединений при длительном действии нагрузки. Определение расчетной несущей способности соединений
- Испытание узловых торцевых соединений деревянных элементов
Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Торцевые нагельные соединения являются востребованными в практике применения деревянных конструкций, при этом отсутствие данных для расчета таких соединений ограничивает их применение.
Использование нагелей для торцевых соединений деревянных конструкций может быть эффективным решением, в сравнении с аналогичными (традиционными) решениями, и позволяет снизить расход металла, обеспечить его достаточную огнестойкость без специальной обработки, так как стальные нагели располагаются внутри деревянной конструкции.
Разработка и исследование торцевых нагельных соединений является актуальной задачей, так как позволяет обосновать возможность их практического применения и способствует развитию новых способов соединения элементов деревянных конструкций.
Степень разработанности проблемы. В нашей стране имеется значительный накопленный опыт в области исследований нагельных соединений, весомый вклад в который внесли работы Б. Л. Николаи, В. Ф. Иванова, Г. Г. Никитина, А. В. Леняшина, Ю. В. Слицкоухова, В. М. Коченова, Ю. М. Иванова, П. А. Дмитриева и других авторов. В результате анализа состояния вопроса установлено, что работа торцевых нагельных соединений не достаточно изучалась. Считалось, что такого рода соединения обладают относительно низкими несущей способностью и эксплуатационной безопасностью.
Было определено, что предложенные в отечественных нормах проектирования расчетные зависимости для нагельных соединений со стальными накладками и прокладками не позволяют оценить их несущую способность при "защемлении" нагеля в стальной пластине. В результате не используется возможность значительного увеличения их несущей способности. Кроме того, в нормах не учитывается эффект от применения нагелей из высокопрочной стали.
В результате анализа методов оценки несущей способности нагельных соединений, установлено, что исследования в нашей стране проводились на образцах соединений деревянных конструкций.
В зарубежном опыте для расчета и исследований нагельных соединений разработана методика, основанная на определении физико-механических характеристик применяемых материалов. Считается, что проводить исследования на основании испытаний образцов соединений крайне сложно из-за большого количества возможных на практике типов нагельных соединений. Испытания образцов соединений выполняются, как правило, только для подтверждения результатов исследований. Также установлено, что подходы в нашей стране и в зарубежных странах к допускаемым на материалы нагрузкам имеют значительные отличия, поэтому, имеющиеся в Европе и Северной Америке методики определения прочностных характеристик материалов не могут быть перенесены на отечественные исследования.
Известны зарубежные исследования торцевых нагельных соединений. H.Riberholt и J.Ehlbeck определили рабочие параметры стержня с резьбой по всей длине, установленного на клее и работающего в торце деревянного элемента на сдвиг. С целью разработки узловых соединений для цельнодеревянных панелей типа CLT или X-lam T.Uibel и HJ.Blass провели испытания нагелей, работающих в торце деревянного элемента. Несмотря на имеющийся европейский опыт исследований торцевых нагельных соединений, его результаты не отражены в Европейских нормах проектирования из-за недостаточного объема проведенных исследований. Например, остался открытым вопрос о прочности торцевых нагельных соединений в деревянных конструкциях из условия раскалывания.
В североамериканских нормах расчет торцевых нагельных соединений предлагается выполнять как соединений с нагелями, работающими поперек волокон древесины, с последующим понижением прочности на эмпирический коэффициент. При этом, отсутствуют рекомендации по расстановке нагелей на торцевой поверхности и их расчету из условия раскалывания.
Цель исследования: Разработка торцевых нагельных соединений деревянных конструкций и методики их расчета.
Задачи исследований:
-
Разработка методики расчета нагельных соединений, основанной на определении механических характеристиках материалов соединения и учитывающей отечественный подход к допускаемым нагрузкам на материалы.
-
Определение механических характеристик материалов, требуемых для расчета нагельного соединения.
-
Экспериментальное исследование кратковременной и длительной прочности нагеля, установленного в торце, с анализом напряженно-деформированного состояния и проверка торцевых нагельных соединений деревянных конструкций.
-
Определение параметров расстановки нагелей в торце деревянного элемента.
-
Определение прочности торцевых соединений из условия раскалывания.
-
Экспериментально-теоретическое обоснование эффективности использования стальных накладок и нагелей из высокопрочной стали для нагельных соединений, в том числе торцевых.
-
Разработка рекомендаций по применению, расчету и обеспечению эксплуатационной безопасности торцевых нагельных соединений.
Объект исследования: Соединение деревянных конструкций на нагелях, установленных в торец.
Предмет исследования: Несущая способность и деформативность торцевых нагельных соединений деревянных конструкций.
Научная новизна исследования заключается в следующем:
-
Предложена и обоснована методика расчета нагельных соединений, основанная на определении свойств материалов соединения;
-
Экспериментально установлена зависимость прочности древесины нагельного гнезда на смятие от диаметра нагеля и плотности древесины;
-
Определена зависимость для расчета прочности нагеля при изгибе от его диаметра и временного сопротивления стали;
-
Установлена зависимость требуемого диаметра отверстия в стальной пластине от диаметра нагеля, толщины пластины и прочности стали для обеспечения условия "защемления" нагеля;
-
Определены параметры расстановки нагелей;
-
Установлены зависимости для расчета торцевых нагельных соединений из условия раскалывания, учитывающие размеры поперечного сечения деревянного элемента и параметры расстановки нагелей;
7. Предложено и экспериментально проверено новое техническое решение
торцевого соединения деревянных балочных конструкций с
использованием нагелей.
На защиту выносятся: 1. Методика расчета торцевых и других нагельных соединений, основанная на определении свойств используемых в соединении материалов.
-
Способы повышения несущей способности нагельных соединений за счет жесткого крепления нагелей в стальных пластинах и применения высокопрочных нагелей.
-
Экспериментальные данные кратковременных и длительных испытаний нагельных соединений.
-
Методика расчета торцевых нагельных соединений из условия раскалывания.
-
Методы повышения несущей способности торцевых нагельных соединений из условия раскалывания деревянного элемента.
-
Разработанное новое техническое решение торцевого нагельного соединения балочных элементов.
-
Расчет узловых торцевых нагельных соединений и рекомендации по их применению и обеспечению эксплуатационной безопасности.
Методологической основой диссертационного исследования явилось использование методов математического анализа, строительной механики, теории упругости, пластичности и разработанной экспериментальной методики.
Личный вклад соискателя заключается в следующем:
в выборе и обосновании актуальности темы исследования, а также в постановке задач для реализации поставленной в работе цели;
в сравнительном анализе отечественной и зарубежных методик оценки несущей способности нагельных соединений;
в разработке, обосновании и экспериментальной проверке предложенной методики расчета, основанной на определении свойств используемых в нагельном соединении материалов;
в разработке и проверке торцевых нагельных соединений;
в разработке рекомендаций по расчету торцевых нагельных соединений, их усилению от раскалывания и обеспечению эксплуатационной надежности.
Область исследования соответствует паспорту специальности 05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения, п.З "Создание и развитие эффективных методов расчета и экспериментальных исследований вновь возводимых, восстанавливаемых и усиливаемых строительных конструкций, наиболее полно учитывающих специфику воздействия на них, свойства материалов, специфику конструктивных решений и другие особенности".
Достоверность результатов исследований подтверждается:
-
Общепринятыми гипотезами и допущениями в области строительной механики, теории упругости и пластичности;
-
Адекватностью физической и математической моделей материала нагеля и древесины;
-
Сходимостью теоретических результатов исследований с данными экспериментов;
-
Новизна предложенного технического решения торцевого соединения балочных элементов подтверждается авторским свидетельством на изобретение №2471930.
Практическое значение диссертационной работы заключается в том, что были разработаны методики экспериментального исследования и расчета нагельных соединений, основанные на определении свойств материалов. Автором были определены способы повышения несущей способности и разработаны рекомендации по применению и обеспечению безопасности торцевых нагельных соединений. Результаты исследований позволили определить расчетные зависимости для несущей способности торцевых нагельных соединений, вошедшие в СП 64.13330.2011 - Деревянные конструкции (актуализированная редакция СНиП П-25-80).
Результаты диссертационной работы применены более чем в 10 объектах несущих большепролетных конструкций покрытий зданий, в том числе в складах минеральных удобрений пролетом 84м, расположенных в районе Гремячинского месторождения в Волгоградской области, в складе апатитовой руды пролетом 36м в г. Кингисепп Ленинградской области и других.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы представлены и доложены:
-
Научно-техническая конференция "Новые исследования в области деревянных конструкций" посвященная 110-ю со дня рождения Г.Г.Карлсена, Москва, РААСН, 2004г.;
-
X, XI, XII, XV, XVI, XVII Международный симпозиум "Современные строительные конструкции из металла и древесины", Одесса (2005г., 2006г., 2007г., 2010г., 2011г., 2013г.);
-
Семинар при Международной выставке дерева в строительстве и архитектуре "WOOD Build-2005", Москва РАДеКК, 2005г.;
-
Семинар "Комплексный подход к проектированию зданий и сооружений", Москва, МВЦ "Крокус-Экспо", 2005г.;
-
Семинар "Малоэтажное строительство для Подмосковья", Москва, МВЦ "Крокус-Экспо", 2006г.;
-
Международная научно-техническая конференция "Промышленное и гражданское строительство в современных условиях", Москва 2011г.;
-
Научно-техническая конференция с международным участием "Деревянные конструкции: разработка, исследования, применение", Москва 2015г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 научных статей, в том числе 2 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, и получено авторское свидетельство на изобретение.
Зарубежный опыт исследования нагельных соединений
Для металлических накладок предполагалась проверка на растяжение и равномерное смятие в отверстии.
Были определены минимальные параметры расстановки нагелей: расстояние между нагелями вдоль волокон и до торца - 5d, между осями нагелей поперек волокон не менее 2,5d, до продольной кромки не менее 1,5d.
Упрощенные методы расчета, основанные на допущениях о распределении напряжений вдоль нагельного гнезда, были также предложены немецкими учеными: Шнидтманном, Жаксоном и Гестеши (рис. 1.2).
В методе, предложенном в 1935г. Б.Л.Николаи для симметричных сопряжений с накладками, делалась попытка построения теоретических формул для стадии разрушения. На тот момент в расчетно-теоретическом отношении это был шаг вперед. В основу метода положены допущения о том, что изгибающий момент в сечении после достижения предела текучести материала нагеля остается постоянным, а предельное состояние соединения определяется достижением максимально допустимого напряжения смятия в плоскости сдвига при упругой работе. Предложенный метод не был подтвержден экспериментально и оказался сложным для практического пользования.
В 30-х годах в ЦНИПС были проведены исследования соединений на нагелях, по результатам которых был разработан новый практический метод расчета, подробно изложенный в работе М.Е.Кагана [43], в основу которого было положено представление о нагеле, как о балке на упругом основании. Метод был подкреплен большим количеством испытаний различного типа нагельных соединений, которые провел А.В.Леняшин [49,50].
В расчете принималось, что усилие на нагель возрастает пропорционально увеличению толщин соединяемых элементов до тех пор, пока напряжение изгиба нагеля не превзойдет предела пропорциональности. При дальнейшем увеличении толщин несущая способность нагеля не увеличивается, так как в этом случае на смятие работает лишь некоторая рабочая часть длины нагеля. В пределах рабочей длины ось нагеля условно считается прямой, а закон распределения напряжений смятия вдоль нагеля линейным. Краевые напряжения смятия в соединяемых элементах определялись из условия равновесия моментов внешних сил и моментов внутренних сил (упругого отпора сминаемой древесины), а так же равновесия внешних сил равнодействующим напряжениям смятия древесины в нагельном гнезде. Приравнивая напряжения смятия и наибольшие изгибающие напряжения в нагеле к величинам допускаемых напряжений, были получены зависимости для определения расчетных величин усилия на один "срез" нагеля (рис. 1.3): - из условия смятия деревянного элемента толщиной c: TH=1Hc(1 + m)[ac]=kCMcd[ ], где при m 0, kсм=0,13-0,25, для m0, kсм=0,25. - из условия достижения с/2 рабочей длины (lн)с/2 нагеля (максимально возможное усилие на один "срез" нагеля): Тн = 0,4dH2cj[aCM]H-[aCM]a , - из условия смятия металлических накладок, считая распределение напряжений смятия металла равномерным по длине нагеля: Тн=ас1н[асм]ж, где [см]ж - допустимые напряжения смятия металла в отверстии.
В ходе испытаний симметричных соединений с металлическими накладками на стальных цилиндрических нагелях было установлено, что параметры расстановки нагелей, рекомендованные в [26], являются недостаточными и должны быть увеличены. Предложено расстояние между нагелями вдоль волокон и до торца деревянного элемента принять равным 6d, между нагелями поперек волокон 3,5d и от продольной кромки до оси нагеля 2,5d.
Результаты исследований ЦНИПС были положены в основу строительных норм НиТУ (1939) и нашли отражения в учебных пособиях того времени [1,45].
В 1939г. В.Ф.Иванов и Л.Н.Мальцев применили для анализа нагеля как балки на упругом основании, метод академика А.Н.Крылова, решили задачу более корректно, учтя в расчете изгибающие моменты в швах соединяемых элементов [37]. Деформации определялись путем интегрирования линейного дифференциального уравнения четвертого порядка с постоянными коэффициентами.
Позднее, в 1945г, В.Г.Донченко была отмечена сложность теории В.Ф.Иванова для практического применения [27]. В ДОРНИИ был разработан метод расчета односрезных и двухсрезных нагельных соединений, учитывающий неразрезность нагеля и возникающие в нем, вследствие этого, изгибающие моменты в плоскостях швов. Для решения дифференциального уравнения изогнутой оси балки применен метод нагельных параметров, а полученные результаты расчета были подкреплены экспериментальными исследованиями.
В 1955г Ю.В.Слицкоухов в своей работе [82] применил метод расчета балок на упругом основании при помощи двух коэффициентов постели, который разработал П.Л.Пастернак [64]. Применение для древесины коэффициентов сжатия и сдвига позволило более точно определить напряженное состояние нагеля, с учетом поддерживающего влияния соседних волокон. В результате исследований были получены эпюры напряжений смятия вдоль оси нагеля для упругой работы древесины нагельного гнезда и деформации соединений при кратковременном действии нагрузок.
Позднее, в работах [3,8], отмечалось, что применение постоянных коэффициентов постели для древесины существенно влияет на точность расчета, а их определение экспериментальным путем затруднительно. Кроме того, методы расчета, построенные на предпосылке упругой работы материалов (пропорциональности между напряжениями и деформациями), не дают полного представления о несущей способности нагельных соединений, так как фактически в предельном состоянии в них образуются пластически напряженные зоны. По этой причине "упругие" методы расчета не способны учитывать действительную несущую способность соединений.
Метод расчета нагеля, как балки, лежащей на сплошном упругопластическом основании, был предложен А.С.Григорьевым и И.И.Фаербергом [24,92,93]. Разрушающая нагрузка на нагель определялась из условия ограничения предельных деформаций fпр=2fт (рис.1.4). Для смятия древесины нагельного гнезда и изгиба нагеля приняты диаграммы деформирования идеального упругопластического материала (диаграмма Прандтля). В основу работы были положены предпосылки, что нагель является балкой, лежащей на основании, обладающем двухсторонней связью, при этом, его деформации не выходят за пределы упругих.
Работа нагеля в соединении и определение расчетных зависимостей
Для подтверждения высказанных предположений А.А.Фадеев провел серии экспериментов с изгибаемыми элементами прямоугольного сечения из стали Ст3Гпс. По результатам автор отмечает, что напряжения, соответствующие границе упругой работы (границе перехода из упругой в упругопластическую стадию), для крайнего фибрового волокна оказались значительно выше предела текучести стали при растяжении. Последующее нагружение, сверх этой границы, приводит к значительному увеличению градиента деформаций и сопровождается высокой интенсивностью развития пластического течения для материала на уровне фибрового волокна с образованием полос скольжения. Далее происходит проникновение полос скольжения вовнутрь сечения и "выравнивание" напряжений по толщине данного слоя. По мере втягивания более глубоких слоев, величины сопротивлений единичных слоев igr растут, приближаясь к временному сопротивлению стали. Повышение уровня сопротивлений А.А.Фадеев объясняет усилением стесненности образования пластических деформаций, приводящей к блокировке полос скольжения со стороны уменьшающейся упругой зоны.
Анализируя эпюры нормальных напряжений, приведенные на рис.2.4, автор делает вывод о том, что при увеличении объема пластически деформированного материала величина градиента напряжений упругой зоны возрастает, соответственно, величина сопротивления стали переходу в упругопластическое состояние также возрастает. Кроме того, характер изменения эпюры нормальных напряжений при изгибе и механика деформирования малоуглеродистой стали делают необходимым учет временного сопротивления, тем самым становится возможным более точно установить нижний и верхний предел сопротивления материала переходу в упругопластическое состояние.
В Европе для расчета нагельных соединений, в том числе и со стальными крепежными деталями, разработана методика, основанная на свойствах материалов
Зарубежные исследования в настоящее время, в основном, базируются на экспериментально-теоретическом методе, так как считается, что определить прочностные характеристики соединений из серий испытаний крайне сложно из-за большого количества возможных на практике типов соединений. В основу метода положена Европейская Модель Предельных состояний (EYM), фундаментальные принципы которой разработал K.W.Johansen [127,128].
Принципы проектирования нагельных соединений, используемые в европейских (EuroCode5) и североамериканских (NDS) нормах, а также в нормах многих других зарубежных стран, основаны на этой теории. Уравнения для определения несущей способности соответствуют моделям разрушения и определяют предел прочности соединений нагельного типа в результате потери несущей способности деревянных элементов соединения или формирования пластического шарнира в крепеже. Точная модель разрушения определяется в зависимости от геометрии и свойств материалов: изгибающего момента для крепежа и прочности на смятие в отверстии для древесины.
В основу современной зарубежной методики расчета нагельных соединений по предельному состоянию положена концепция жесткопластического тела - условие пластичности Сен-Венана-Мизеса. В соответствии с этим условием, принимается, что, если напряжения в теле меньше некоторого предельного значения, определяющего переход в пластическое состояние, то деформации тела принимаются равными нулю, то есть путь нагружения выпадает из рассмотрения, как и начальные напряжения и деформации. Схема жесткопластического тела является крайней идеализацией, однако считается, что ее использование оправданно применительно к нагельным соединениям, так как пластические деформации для них значительно превосходят упругие. При решении задачи о предельном равновесии жесткопластического тела требуется найти такие внешние нагрузки, при которых наступает общая текучесть, то есть тело получает возможность неограниченно пластически деформироваться, что соответствует исчерпанию его несущей способности. В этом случае становится возможным заменить действительные эпюры напряжений условными, состоящими из прямоугольников, что и позволило упростить теорию расчета нагельного соединения.
В действительности, при экспериментальных исследованиях в Европе, прочность нагельного соединения определяется как максимальная нагрузка при деформациях 15мм, достигнутых в плоскости сдвига при обоюдном смещении деревянных элементов [115]. При испытании соединений со стальными пластинами предельно допустимые деформации принимаются равными 7,5мм. За предел прочности древесины нагельного основания принимался предел текучести древесины при смятии в отверстии.
В Северной Америке дефоративность нагельных соединений ограничивается условным пределом текучести, при котором величина деформаций оказывается в пределах 2,5-5мм. Отличительной особенностью такого подхода является то, что термин “предел текучести” применятся не к нагелю, а к соединениям деревянных элементов в целом. Для определения предела текучести использовался метод, который впервые предложили новозеландские ученые Harding и Fowkes в 1984 году [122]. Согласно данного метода, по кривой “нагрузка-деформации” фиксировалась предельная нагрузка для соединения, как пересечение кривой с прямой, параллельной начальной части зависимости, и смещением её на расстояние 5% диаметра крепежа.
С учетом особенностей определения несущей способности нагельных соединений в мировой практике исследований прочностных свойств древесины и крепежных нагельных элементов существуют различные методики, которые будут рассмотрены далее в работе.
В Европе исследования механических свойств нагельного основания активно начали проводиться с середины 80-х годов, и были связаны с подготовкой европейских норм проектирования деревянных конструкций EuroCode5.
Наиболее значимые исследования в период с 1983-1987 годы провели L.R.J.Whale и I.Smith [167,168,169,151,158]. Авторы установили пределы прочности на смятие древесины нагельного гнезда, соответствующей разрушающему усилию, в зависимости от направления волокон, плотности древесины и диметра нагеля:
Исследование работы соединений при длительном действии нагрузки. Определение расчетной несущей способности соединений
При разработке методики определения механических характеристик нагеля при изгибе был использован отечественный и зарубежный опыт исследований, изложенный в работах [3,8, 27,47,48,95,] и стандартах [99, 117].
В ходе исследований планировалось определить величины изгибающего момента для границы упругой работы Mупр, для условного предела текучести при изгибе Mт5% и соответствующее сопротивление изгибу Fyb, а также предельно допустимый изгибающий момент, соответствующий разрушению нагельного соединения My,k, далее Мпред, при этом установить их зависимость от диаметра нагеля и прочностных характеристик стали. Кроме того, ставилась задача определения влияния толщины пластины и допуска отверстия на условия работы нагеля, для возможности определения механизма разрушения нагельного соединения и определения влияния способа заделки нагеля в стальной пластине на величину изгибающего момента в нагеле.
Стальные пластины для серий №9-21 были изготовлены из стали марки Ст3пс, класса прочности С235. Их габариты назначались в соответствии с нормами [86], таким образом, чтобы они не влияли на величину определяемых характеристик. Для этих серий образцов рабочая длина нагеля была принята: /р=- , где t - толщина пластины, / - расстояние между опорами. В качестве условия плотной посадки нагеля в отверстии стальной пластины была принята величина допуска по диаметрам нагеля и отверстия не более 0,1d, как для "толстой" пластины, в соответствии с требованиями Eurocode 5. Таким образом, величина допуска для нагеля 020мм не превышала 2мм.
При жестком объединении нагеля и пластины сварной шов выполнялся типа T12-PЗ по ГОСТ [20]. Для схемы Б сварка производилась симметрично с двух сторон пластины, а для схемы В только с внешней стороны пластины. После сварки шов зачищался от наплывов и окалины. Каждая серия состояла из трех образцов, что при изучении механических свойств металла обеспечивает достаточную надежность эксперимента.
Для испытаний использовалась машина ИП-100 мощностью 5000кг, с электронной системой измерения СИ-2-100-УХА 4.2.
В качестве оснастки использовалась стальная опора, с креплением для индикаторов и металлический пуансон (см. рис.2.22).
Измерение деформаций производилось с помощью двух индикаторов часового типа ИЧ-10, с ценой деления 0,01мм. Для этого индикаторы устанавливались в зажимы на стальной опоре и упирались в пуансон или упоры на стальной пластине.
Испытания проводились в соответствии с EN409 с постоянной скоростью нагружения, которая определялась таким образом, чтобы предел прочности достигался через 300±120 секунд. В результате, время испытаний составляло около 4мин. Деформации образца определялись по индикаторам часового типа через равные интервалы приращения нагрузки. Величина ступеней возрастания усилия для определения предела пропорциональности была назначена 0,1 от предельной нагрузки, которая составляла не менее 25% от мощности испытательной машины.
Прочностные характеристики стержней при изгибе определялись по графикам, как показано на риc.2.23. Изгибающий момент для границы упругой работы нагеля при изгибе Mупр определялся по графику зависимости “момент - деформации”. За величину предела упругой работы принималась точка, в которой происходит отступление от линейной зависимости между изгибающим моментом и величиной деформацией. Момент, соответствующий условному пределу текучести Mт5% определялся в соответствии с ASTM F1575 [99], как пересечение
Испытание узловых торцевых соединений деревянных элементов
Распределение изгибающего момента в нагеле определялось с помощью установки тензодатчиков на поверхность нагелей с двух сторон. Для защиты датчиков и проводов от воздействия сил трения между нагелем и древесиной, датчики наклеивались в специальные пазы глубиной 2мм, шириной 3мм, выбранные на нагеле, в которые также укладывались провода, как показано на рис.3.10. После чего оставшееся пространство в пазе заливалось эпоксидным клеем для восстановления поверхности контакта нагеля с древесиной, при этом, защита датчиков от клея выполнялась полиэтиленовой пленкой. По показаниям пары датчиков, расположенных на одинаковом расстоянии от стальной накладки на противоположных поверхностях нагеля, определялся изгибающий момент. Для этого величина напряжений, действующих в сечении между двумя датчиками, умножалась на величину пластический момента сопротивления сечения нагеля. Вычисленный пластический момент сопротивления с учетом ослабления сечения нагелей пазами для нагеля 016мм оказался ниже на 26%, а для нагеля 020мм на 16% и составил Wп,016=542мм3 и Wп,020=1149мм3 соответственно.
По результатам испытаний были построены графики дефомирования соединений в зависимости от уровня нагружения и зависимости остаточной деформации за цикл от упругой деформации, по которым определялась нагрузка, соответствующая границе области упругой работы соединения г , как показано на рис. 3.12. Для соединения с нагелями 016мм граница области упругой работы из расчета на один срез нагеля составила Т М,5кН, а для 020мм -7 =12,5кН, при этом деформации составили 1,61мм и 2,38мм, соответственно. Полученное более низкое значение г для нагеля в сравнении с ожидаемым, по всей видимости, объясняется большим влиянием, чем для нагеля 020мм, ослабления сечения продольными пазами в одном из нагелей. Кроме того, для диаметра нагеля 016мм, ослабление нагельного основания в результате не заполнения клеем участка шва сплачивания непосредственно в рабочей зоне нагеля также оказывало большее влияние на работу нагельного соединения. Несмотря на это, полученное значение г укладывается в доверительные границы для среднего арифметического при доверительной вероятности 0,95 и коэффициенте вариации 14% (стандартном для нагельных соединений).
Как видно из рис.3.11, величина нагрузки 12,5кН, при которой произошло разрушение образца от раскалывания по клеевому шву сплачивания, не позволила определить границу области упругой работы соединения с нагелями 020мм. При этом, учитывая результаты ранее проведенных исследований, в результате которых было определено, что эта величина является близкой к средней величины г для данного диаметра нагеля, поэтому она была принята за границу упругой работы для данного соединения.
По результатам обработки показаний тензодатчиков были определены зоны распределения и величины краевых напряжений вокруг нагельных отверстий диаметром 16 и 20мм, в зависимости от расстояния до их центра, относительно осей, ориентированных по направлению и перпендикулярно сдвигу, для которых также были построены эпюры напряжений (рис.3.12-3.15). При этом величина напряжений у края отверстия принималась, исходя из анализа ранее проведенных исследований, и на эпюрах показана условно, так как методом тензометрии невозможно определить с достаточной точностью напряжения непосредственно вблизи отверстия. В ранее проведенных методом голографической интерферометрии исследованиях было определено, что при работе нагеля поперек волокон коэффициент концентрации напряжений (отношение максимальных растягивающих напряжений поперек волокон у отверстия к средним напряжениям в сечении) может колебаться от 9 до 21 [87].
Из полученных эпюр распределения напряжений вокруг нагельных отверстий диаметром 16 и 20мм на торце деревянного элемента видно, что при нагрузке, равной г , уровень напряжений аy по направлению сдвига становится равным 0 на расстоянии 4d от центра отверстий. Ранее экспериментально было определено, что расстояние от последнего нагеля по направлению сдвига до кромки деревянного элемента может быть принято равным S1=3,5d. На указанном расстоянии напряжения не превышают 0,1-0,2МПа, что составляет менее чем 1% от максимальных напряжений, равных примерно 3МПа, поэтому S1=3,5d может считаться оптимальным расстоянием.
Напряжения аy в направлении, перпендикулярном сдвигу, затухают на расстоянии 3d для отверстия 020мм и на расстоянии 3,5d для отверстия 016мм, но учитывая, что при расстоянии
3d уровень напряжений не превышает 0,2МПа, оптимальное расстояние до кромки деревянного элемента может быть принято равным S4=3d.
Зона распределения напряжений ах в направлении оси, перпендикулярной сдвигу, не превышает принятые расстояния S1 и S4. При этом, если для отверстия 020мм в зоне над нагелем фиксировалось сжатие волокон древесины, то для отверстия 016мм - растяжение.
На рисунке 3.16 приведены эпюры распределения напряжений зy по оси, совпадающей с направлением сдвига, в зависимости от расстояния между нагелями и уровня нагружения.
Как видно из рисунка, напряжения начинают резко затухать, начиная с расcтояния 3d от центра отверстия, и становятся равными 0 на расстоянии 4d, при этом снижаясь с величины 0,5МПа до нуля. Ранее экспериментально было установлено, что расстояние между нагелями