Содержание к диссертации
Введение
1 Способы усиления деревянных конструкций, состояние вопроса и задачи исследования 14
1.1 Общие сведения 14
1.2 Анализ способов усиления деревянных конструкций 17
1.3 Типы механических связей, используемых при усилении деревянных конструкций 20
1.4 Методология расчета деревянных конструкций при их усилении путем увеличения поперечного сечения 29
1.5 Выводы по первой главе. Постановка задач исследования 36
2 Исследование работы древесины на смятие в отверстиях жесткими штампами витой формы крестообразного поперечного сечения 39
2.1 Численные исследования работы древесины на смятие в отверстиях деревянных элементов предложенными стержнями 40
2.1.1 Методика исследований 40
2.1.2 Анализ полученных данных 48
2.2 Экспериментальная проверка результатов численных исследований 52
2.2.1 Методика и планирование эксперимента 52
2.2.2 Сравнительный анализ результатов численных и экспериментальных исследований
2.3 Факторный анализ параметров, влияющих на прочность древесины при ее смятии в отверстии 68
2.4 Выводы по второй главе 73
3 Теоретические исследования соединений усиливаемых конструкций на стальных витых крестообразных стержнях 74
3.1 Общее направление исследований, цель и задачи 74
3.2 Обоснование выбранного метода исследования 75
3.3 Исследование НДС соединений усиливаемых конструкций на предложенных связях
3.3.1 Односрезные соединения 77
3.3.2 Двусрезные соединения 90
3.3.3 Изгибаемые конструкции при их усилении путем увеличения поперечного сечения
3.4 Выводы по третьей главе
Экспериментальные исследования соединений на витых крестообразных стержнях и конструкций, усиленных с их использованием
4.1 Цель и задачи исследований
4.2 Методика испытаний соединений и конструкций с учетом параметров усиливаемых элементов
4.3 Анализ результатов кратковременных испытаний соединений, применяемых при усилении, и конструкций, усиленных при помощи предложенных стержней
4.3.1 Односрезные соединения
4.3.2 Двусрезные соединения
4.3.3 Усиливаемая балка составного поперечного сечения
4.4 Результаты длительных испытаний балки, усиленной путем увеличения поперечного сечения с использованием стальных витых крестообразных стержней
4.5 Выводы по четвертой главе
Рекомендации по усилению деревянных конструкций при помощи стальных витых крестообразных стержней с оценкой технико-экономической эффективности предложенных способов усиления
5.1 Общие положения
5.2 Область применения и варианты усиления деревянных конструкций с использованием витых крестообразных стержней
5.3 Указания по конструированию и расчету .
5.4 Указания к производству работ по усилению деревянных конструкций
5.5 Пример усиления деревянной балки перекрытия
5.6 Оценка технико-экономической эффективности использования стальных витых стержней крестообразного сечения при усилении деревянных конструкций
5.7 Выводы по пятой главе
Заключение
Список литературы
- Типы механических связей, используемых при усилении деревянных конструкций
- Экспериментальная проверка результатов численных исследований
- Исследование НДС соединений усиливаемых конструкций на предложенных связях
- Методика испытаний соединений и конструкций с учетом параметров усиливаемых элементов
Введение к работе
Актуальность темы исследования. В настоящее время на территории России эксплуатируется множество строительных объектов различного назначения, выполненных с использованием конструкций на основе древесины. За время эксплуатации из-за воздействия различных факторов зачастую возникает необходимость усиления строительных конструкций для восстановления их несущей способности и жесткости. Кроме этого необходимость усиления возникает при проведении технического перевооружения и реконструкции строительных объектов, при повышении грузоподъемности и интенсивности работы подъемно-транспортного оборудования, установке дополнительных коммуникаций и других работ, приводящих к увеличению эксплуатационных нагрузок.
Анализ трудов и работ в исследуемой области показал, что, как правило, проведение работ по усилению сопряжено с использованием различных типов соединительных связей. Наиболее эффективными и технологичными зарекомендовали себя соединения на стальных механических элементах, таких как гвозди, нагели, болты, вклеенные стержни и т.п. При всем многообразии все эти связи не лишены определенных недостатков в виде малой несущей способности и значительной деформативности, большой трудоемкости и сложности изготовления.
Несомненно, что создание и исследование новых типов соединительных элементов с высокой несущей способностью, возможностью внедрения в древесину без предварительной рассверловки отверстий, с обеспечением фиксации элементов в проектном положении без вспомогательных деталей, которые могут быть эффективно использованы при усилении деревянных конструкций, является актуальной проблемой, решение которой будет способствовать повышению эффективности применения древесины в строительстве. При этом рассматриваемая тематика требует комплексного подхода, связанного с всесторонним анализом наилучших отечественных и зарубежных аналогов и с внесением коррективов в существующие методики расчета и конструирования.
Степень разработанности темы. Советскими и российскими учеными проведена колоссальная работа по определению различных видов дефектных состояний эксплуатируемых деревянных конструкций, причин их появления, а также по разработке различных методов и способов восстановления и усиления деревянных конструкций. Основные результаты такой работы отражены в трудах М.Д. Бойко, В.В. Большакова, И.М. Гуськова, Г.Н. Зубарева, В.Ф. Иванова, А.В. Калугина, Г.Г. Карлсена, Л.М. Ковальчука, Т.А. Мальцева, Н.А. Ми-тюшина, Г.В. Свенцицкого, Ю.В. Слицкоухова, А.В. Туркова, С.Б. Турковского, Г.А. Цвингмана и других ученых.
Творчество русских инженеров XVIII-XIX веков Д.И. Журавского, И.П. Ку-либина, И.К. Коробова, А.Д. Захарова, В.Г. Шухова легло в основу трудов в области расчетов деревянных конструкций и соединений с применением механических связей таких институтов, как ЦНИИСК, ЦАГИ, ЦНИПС, ВИАМ, ЦНИИМОД, ВИА, АН УССР, МИСИ, ЛИСИ, Сибстрин. Особого внимания заслуживают труды советских и российских ученых В.В. Большакова, В.К. Вильдемана, В.Ф. Иванова, Ю.М. Иванова, Г.Г. Карлсена, В.М. Коченова, А.В. Леняшина, В.Н. Маслова, Б.Л. Николаи, и позднее В.С. Деревягина, П.А. Дмитриева, М.Е. Кагана, Н.Ф. Ко-това, Ю.В. Слицкоухова, Ю.Д. Стрижакова, Г.А. Цвигмана, В.А. Цепаева.
В настоящее время теоретические и экспериментальные работы в области соединений на механических связях в России ведутся в ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко, МГСУ, СПбГАСУ, НГАСУ (Сибстрин), СФУ (г. Красноярск), ВлГУ (г. Владимир), Нижегородском ГАСУ, ПГУАС (г. Пенза), ПГТУ (г. Йошкар-Ола), ОГУ (г. Оренбург) такими учеными как С.Б. Турковский, А.А. Погорельцев, В.И. Линьков, Е.Н. Серов, Н.В. Шешукова, В.Н. Шапошников, В.В. Пур-тов, В.Н. Шведов, И.С. Инжутов, С.И. Рощина, В.А. Цепаев, В.М. Вдовин, В.Г. Котлов, Г.А. Столповский и другими.
На пути совершенствования механических связей в деревянных конструкциях В.Н. Шведовым был разработан новый тип соединительных элементов в виде крупноразмерных нагелей крестообразного поперечного сечения прямолинейной формы с возможностью их огнестрельной забивки. С целью улучшения их технических характеристик Г.А. Столповским предложен соединительный элемент в виде крестообразного стального стержня витой формы, который отличается хорошей работой на выдергивание из массива древесины. Сведения о дальнейших исследованиях витых крестообразных стержней, в том числе при характерной работе связей на изгиб, в доступных источниках отсутствуют. Также отсутствует четкая инженерная методика расчета деревянных конструкций при их усилении с использованием рассматриваемых стержней.
Цель работы: экспериментально-теоретическое обоснование целесообразности усиления деревянных конструкций с использованием стальных витых крестообразных стержней с совершенствованием методики расчета.
Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие взаимосвязанные задачи:
обобщить и проанализировать накопленный опыт конструкторских разработок, проведенных в направлении способов усиления деревянных конструкций с применением механических соединительных связей;
провести теоретические и экспериментальные исследования работы древесины на смятие в отверстиях жесткими штампами крестообразного поперечного сечения витой формы;
- численными методами исследовать особенности напряженно-
деформированного состояния соединений усиливаемых конструкций на предло
женных типах связей;
- экспериментальными методами при действии кратковременных и дли
тельных нагрузок подтвердить адекватность результатов численных расчетов;
с учетом результатов проведенных экспериментально-теоретических исследований выполнить опытно-конструкторские разработки вариантов усиления деревянных конструкций с использованием витых стержней крестообразного поперечного сечения;
усовершенствовать методику расчета и разработать рекомендации по усилению деревянных конструкций с использованием предложенного типа связей;
- дать оценку технико-экономической эффективности использования витых крестообразных стержней при усилении деревянных конструкций;
- внедрить в строительную практику и учебный процесс результаты вы
полненной работы.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- разработан новый способ усиления деревянных конструкций при помощи
стальных витых крестообразных стержней, на основе которого предложены эф
фективные конструктивные решения восстановления эксплуатационной надеж
ности растянутых, сжатых и изгибаемых несущих конструкций. Разработанный
способ основывается на принципе увеличения поперечного сечения усиливае
мой конструкции и обеспечения её совместной работы с усиливающими дере
вянными элементами за счет установки соединительных стальных витых кре
стообразных стержней;
- предложены конечно-элементные параметрические модели соединений
усиливаемых деревянных конструкций при помощи стальных витых крестооб
разных стержней, позволяющие определить и проанализировать основные ком
поненты напряженно-деформированного состояния этих соединения и усилива
емых конструкций в целом при их работе на изгиб;
установлены закономерности влияния на работу соединений в усиливаемых конструкциях на стальных витых крестообразных стержнях габаритных размеров стержней, толщин деревянных элементов, направления волокон древесины и типа соединения (симметричное или несимметричное);
доказана перспективность применения разработанного способа усиления деревянных конструкций, позволяющего восстанавливать их требуемую степень прочности и жесткости при уменьшении расхода древесины, стали и снижении трудоемкости работ в сравнении с известными аналогами;
введены в практическую методику расчета предложенного способа усиления деревянных конструкций новые формулы и корректировочные коэффициенты, позволяющие учесть реальную работу стальных витых крестообразных стержней в соединении усиливаемых и усиливающих элементов;
получены новые экспериментальные данные, в достаточно полной мере отражающие действительную работу разработанных способов усиления деревянных конструкций под действием кратковременных и длительных нагрузок.
Теоретическая значимость работы:
- доказана целесообразность использования витых крестообразных стерж
ней при усилении деревянных конструкций, что обеспечивает широкое приме
нение предложенного способа в практике ремонтных работ, который по сравне
нию с традиционными схемами усиления обладает меньшей материалоемкостью
и трудозатратами, а также повышенными показателями эксплуатационных
свойств и долговечностью;
применительно к тематике диссертации эффективно использованы современные численные методы и высокоинформативные экспериментальные методики исследования соединений усиливаемых деревянных конструкций, в том числе методы статистической обработки экспериментальных данных;
изложены положения аналитического решения задачи по определению прочности и жесткости соединений на стальных витых крестообразных стержнях, выполняемых при усилении деревянных конструкций;
- раскрыт принцип повышения прочности и жесткости эксплуатируемых
деревянных конструкций, который заключается в увеличении поперечного сече-
5
ния с обеспечением совместной работы деревянных элементов за счет использования стальных витых крестообразных стержней;
изучены закономерности влияния геометрических и конструктивных параметров витых крестообразных стержней на прочность и деформативность усиливаемых растянутых и изгибаемых деревянных конструкций;
проведена модернизация алгоритмов расчета усиливаемых деревянных конструкций с применением стальных витых крестообразных стержней, учитывающих неполноту информации об их напряженно-деформированном состоянии, а именно выведены и доказаны экспериментально-теоретические аппрок-симационные формулы, характеризующие влияние на соединение габаритных размеров стержней, толщин деревянных элементов, направления волокон древесины и фактической конструкции соединения.
Практическая значимость работы подтверждается тем, что:
разработаны и внедрены в строительную практику новые способы усиления деревянных конструкций с применением стальных витых крестообразных стержней;
обоснована методика конструирования и расчета усиливаемых деревянных конструкций, позволяющая учитывать фактические параметры узлов и устраняющая недостаточность отечественных нормативных документов в части проектирования рассматриваемого способа усиления;
- определены диапазоны варьирования геометрических параметров эле
ментов соединения усиливаемых деревянных конструкций, обеспечивающие их
технико-экономическую эффективность и эксплуатационную надежность;
- созданы практическая методика расчёта и разработаны рекомендации
по конструированию и выполнению усиления деревянных конструкций
при помощи стальных витых крестообразных стержней;
- представлена оценка технико-экономической эффективности предло
женного способа усиления.
Методология и методы диссертационного исследования. В работе использован экспериментально-теоретический метод. В теоретических исследованиях применены общие методы строительной механики и теории расчета деревянных конструкций. Физический эксперимент выполнен с использованием современного аттестованного измерительно-вычислительного оборудования в испытательном центре «Оренбургстройиспытания», а также в лаборатории проблемных испытаний Оренбургского государственного университета, что обеспечило необходимую достоверность полученных результатов.
На защиту выносятся:
новые способы усиления деревянных конструкций при помощи стальных витых крестообразных стержней;
результаты исследования работы древесины на смятие в отверстиях жесткими штампами витой формы крестообразного поперечного сечения, обеспечивающие надежную работу соединений усиливаемых конструкций и их высокую степень эксплуатационной надежности;
результаты оценки напряженно-деформированного состояния соединений на витых крестообразных стержнях и конструкций, усиленных с их использованием, проведенной при помощи численных исследований и экспериментальных методов при кратковременном и длительном действии нагрузок;
- методика расчета и рекомендации по усилению деревянных конструкций с
использованием соединительных связей витой формы крестообразного попереч
ного сечения, а также результаты их технико-экономической оценки.
Достоверность полученных результатов работы обеспечена использованием обоснованных математических моделей задач строительной механики и теории упругости, представительным объемом экспериментальных исследований (356 зачетных опытов) напряженно-деформированного состояния соединений, использованием современного аттестованного измерительно-вычислительного оборудования и лицензионного расчетного программного комплекса, достаточной сходимостью полученных теоретических и экспериментальных данных.
Апробация результатов. Результаты диссертационной работы были доложены и обсуждены на IV региональной научно-практической конференции аспирантов, молодых ученых и студентов «Современные технологии в строительстве. Теория и практика», Пермь, 2013 г.; Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы строительного и дорожного комплексов», Йошкар-Ола, 2013 г.; VI, VII, VIII, IX и Х Всероссийских научно-технических конференциях «Актуальные вопросы строительства», Новосибирск, 2013-2017 гг.; Всероссийских научно-методических конференциях (с международным участием) «Университетский комплекс как региональный центр образования, науки и культуры», Оренбург, 2013-2017 гг.; I и II Международных научно-технических конференциях «Инновационные строительные технологии. Теория и практика», Оренбург, 2013 г., 2015 г.; Международной научно-практической конференции «Деревянное домостроение Сибири 2030», г. Красноярск, 22-23 апреля 2015 г.; Научно-технической конференции «Деревянные конструкции: разработка, исследования, применение», г. Москва, 26-27 октября, 2016 г.
Внедрение результатов работы:
с использованием витых крестообразных стержней выполнены работы по усилению стропильных и балочных конструкций зданий жилых домов, школ, детских садов и других объектов общественного назначения (всего восемь объектов в г. Оренбурге и Оренбургской области);
материалы исследований и альбомы рабочих чертежей разработанных способов усиления деревянных конструкций переданы по запросу в Правительство Оренбургской области, а также в проектные организации и институты для внедрения в строительстве;
результаты опытно-конструкторских разработок используются в курсовом и дипломном проектировании студентами ОГУ, обучающимися по направлению «Строительство» профилей «Промышленное и гражданское строительство» и «Городское строительство».
Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 21 печатной работе, в том числе 7 статей в рецензируемых научных изданиях, включенных в перечень ВАК Минобрнауки РФ. Получено 2 патента РФ на изобретения.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы из 185 наименований и приложения. Общий объем работы – 190 страниц, в том числе 65 рисунков, 20 таблиц, 6 страниц приложения.
Типы механических связей, используемых при усилении деревянных конструкций
В настоящее время существуют различные способы усиления деревянных конструкций в целом или их отдельных элементов, основные из которых приведены на рисунке 1.1.
Вопрос о выборе способа усиления для каждого конкретного случая решается в зависимости от характера дефекта, но при этом необходимо соблюдать основные принципы усиления деревянных конструкций: - усиленные конструкции должны либо полностью выполнять свои прежние функции, либо частично. В последнем случае должен быть решен вопрос о передаче части прежних функций усиливаемых конструкций на другие существующие или новые строительные конструкции; - усиленные конструкции по несущей способности, деформативности и т.п. должны удовлетворять требованиям действующих в момент разработки проекта усиления строительных норм; - целесообразность усиления деревянных конструкций и выбор варианта усиления должны быть экономически обоснованы. Рационально обеспечить максимально возможную сохранность существующих строительных конструкций, элементов, отделки и т.д. Работы по усилению целесообразно выполнять без нарушения технологического режима здания или сооружения; - однотипные деревянные конструкции с характерными для них дефектами следует усиливать единообразными методами.
Способы усиления деревянных конструкций Выполнив обзор вышеперечисленных методов усиления деревянных конструкций, и проведя их анализ, необходимо отметить следующее.
При разгружении конструкций зачастую возникает необходимость устройства разгружающих или заменяющих конструкций, что сопряжено с сложностями при их монтаже и может привести к увеличению общих габаритов конструкции. Кроме этого, проведение мероприятий по уменьшению действующих нагрузок часто оказывается недостаточным, в связи с этим разгру-жение конструкций, как правило, совмещают с другими способами усиления.
Усиление деревянных элементов путем восстановления их несущей способности, целесообразно применять в случаях, когда дефекты возникают не по всей их поверхности, а носят сугубо локальный характер. При использовании такого способа усиления добиться увеличения несущей способности конструкции весьма проблематично, но при этом, в ряде случаев проведения работ по восстановлению бывает достаточно для обеспечения надежности и долговечности в процессе их дальнейшей эксплуатации.
Увеличение несущей способности путем усиления конструкций с изменением статической схемы работы и изменением напряженно-деформированного состояния связано с более или менее значительным изменением интерьера помещений и уменьшению их габаритов. Данная особенность проведения работ указанным способом для зданий жилого и общественного назначения является нежелательной, а для производственных объектов зачастую недопустимой ввиду технологических особенностей производства. Поэтому в условиях ограниченного доступа к конструкциям и стесненных условий при выполнении работ эти методы находят ограниченное применение и требуют технического обоснования.
Для усиления деревянных конструкций эксплуатируемых зданий и сооружений наиболее рациональным способом является увеличение несущей способности без изменения статической схемы работы, при этом данные способы усиления рекомендуется (при необходимости) использовать совместно с восстановлением несущей способности и разгружением конструкций. Наиболее простым, и в то же время эффективным способом усиления деревянных конструкций эксплуатируемых зданий и сооружений является увеличение площади поперечного сечения элементов. Усиление указанным способом основывается на включении дополнительных элементов (элементов усиления) в общую работу конструкции, при этом совместность их работы обеспечивается при помощи соединительных связей.
При использовании такого способа усиливаемый элемент и элементы усиления образуют составной стержень, т.е. стержень, поперечное сечение которого состоит из нескольких частей, соединенных между собой. Несомненно, что наиболее эффективным будет решение, когда эти части соединены между собой жестко по всей длине (например, при помощи клея). В этом случае стержень может считаться монолитным и рассматриваться как цельный элемент. Однако, при проведении работ по усилению зданий и сооружений в условиях эксплуатации, ввиду технологической сложности, как правило, не удается жестко соединить отдельные деревянные элементы при помощи клея, и на практике наиболее часто применяют дискретные механические соединительные связи, обладающие определенной степенью податливости.
Экспериментальная проверка результатов численных исследований
Первый индекс при указывает направление поперечной деформации , второй – направление вызвавшего ее напряжения . Двойные индексы при G соответствуют направлениям осей симметрии, между которыми происходит изменение прямого угла. Индекс a указывает направление вдоль волокон древесины, r – радиальное направление поперек волокон, t – тангенциальное направление поперек волокон.
По результатам проведенных испытаний (таблица 2.2) и с учетом нормативных данных при моделировании вводились следующие значения физико-механических характеристик и упругих констант древесины сосны 2 сорта: модуль упругости вдоль волокон – 11 000 МПа, модуль упругости поперек волокон – 540 МПа, коэффициент Пуассона поперек волокон (напряжения вдоль волокон) – 0,45, коэффициент Пуассона вдоль волокон (напряжения поперек волокон) – 0,018, модуль сдвига вдоль и поперек волокон – 500 МПа.
При моделировании деревянного бруса размеры назначались с учетом правил расстановки стержней в соответствии с конструктивными требованиями СП 64.13330.2011 [144] для цилиндрических нагелей; для крестообразных прямолинейных и витых стержней с учетом рекомендаций В.Н. Шведова [159] и Г.А. Столповского [125]. Таким образом, расстояния вдоль волокон от стержней до торцов и между стержнями были не менее 15d; ширина образцов была принята в интервале 9d…12d. В настоящей работе обозначению «d» соответствует габаритный размер поперечного сечения витого стержня.
Особо следует отметить вопрос назначения толщины деревянного бруса. Для сравнительного анализа работы древесины при ее смятии в отверстии жесткими цилиндрическими штампами, прямолинейными крестообразного поперечного сечения с ориентацией ребер по отношению к волокнам = 00 (900) и = 450 и штампами витой формы крестообразного поперечного сечения толщина деревянных элементов была принята 5d. Толщина 5d была принята ввиду того, что при данной толщине ориентация ребер витого стержня не оказывает влияния на напряженно-деформированное состояние древесины (ориентация ребер при входе и выходе из массива древесины одинакова).
Для создания жесткого штампа стержни были смоделированы абсолютно жесткими. Таким образом, смятие древесины по всей толщине деревянного элемента происходило равномерно. При проведении исследований были использованы стержни с габаритными размерами 10, 12, 16, 20 мм. Толщина ребра крестообразных стержней составляла 2 мм. Шаг навивки крестообразных стержней витой формы принят S=20d.
Контакт между стержнем и массивом деревянного бруса задавался с помощью встроенной карты Connections в модуле Static Structural. Тип контакта Frictionless (без трения), Penetration Tolerance (возможное проникновение одного тела в другое) имело значение 0,005 мм (рассчитывалось из условия Penetration Tolerance (min) = 1 % от толщины прилегающего элемента).
Для генерации конечно-элементной сетки в программном комплексе Ansys WorkBench использовался встроенный автоматический генератор объемных сеток в модуле Static Structural.
Для твердотельного моделирования деревянного бруса были использованы объемные конечные элементы 1-го порядка тетраэдрической формы. При этом вблизи отверстия, образованного стержнем, использовалась функция призматического слоя (сгущения) Inflation, позволяющая увеличить точность расчета и контактного взаимодействия (рисунок 2.3). Толщина призматического слоя Maximum Thickness 0,5 мм.
При моделировании стержней в качестве конечных элементов были использованы объемные конечные элементы формы гексаэдра. При разбиении цилиндрический стержней на конечные элементы его поперечное сечение разбивалось на 16 частей (рисунок 2.4 а). Для крестообразных стержней прямолинейной и витой форм каждое ребро поперечного сечения по каждому направлению разбивалось на - 4 части (рисунок 2.4 б, в, г). По длине каждый тип стержня разбивался на 100 элементов. а. U±L 7\ / \ /Tv /vs4 -Ы Рж ч Ж Сгм т И 7f- ШкЖ ДРд Рс Щій Рисунок 2.3 – Модель деревянного бруса после разбиения на конечные элементы вблизи отверстия, образованного стержнем: а – цилиндрическим; б – крестообразным с ориентацией ребер 0о-90о; в – крестообразным с ориентацией ребер 45о; г – витым крестообразным. а – цилиндрический; б – крестообразный с ориентацией ребер 0о-90о; в – крестообразный с ориентацией ребер 45о; г – витой крестообразный. Заключительным этапом моделирования является задание силового воздействия путем приложения нагрузки к стержню. Нагрузку прикладывали до перемещения стержня в массиве древесины на 1 мм, что соответствует предельной деформации соединения при кратковременных испытаниях.
Как уже указывалось выше, при толщине деревянного бруса в трехмерной модели равной c = 5d (поворот каждого из 4-х ребер на 90) ориентация ребер витого стержня не оказывает влияния на напряженно-деформированное состояние древесины. Однако при толщине деревянного бруса, отличной от c = 5d, ориентация ребер сечения на поверхности внедрения стержня и на поверхности выхода стержня из массива будет различна, что будет находить отражение в НДС древесины при ее смятии в отверстии.
Для оценки влияния ориентации ребер стержней на НДС древесины при ее смятии были проведены дополнительные исследования, в которых толщина деревянных брусьев c в трехмерной модели принималась в соответствии с ГОСТ 24454-80 [34] и составляла 50, 75, 100, 125 и 150 мм. Указанные толщины деревянных элементов были приняты ввиду того, что в настоящей работе исследуется вопрос усиления деревянных конструкций на витых крестообразных стержнях, а в качестве материалов для элементов усиления используется пиломатериал, размеры которого должны удовлетворять требованиям вышеуказанного ГОСТ [34]. Габаритные размеры витых крестообразных стержней d приняты 10, 12, 16 и 20 мм, толщина ребра t=2 мм, шаг навивки S=20d. При этом исследовалось НДС древесины при ее смятии в отверстии стержнями каждого из габаритных размеров в сочетании с каждой из толщин деревянного элемента при смятии вдоль и поперек волокон древесины.
На НДС древесины при ее смятии так же будет оказывать ориентация ребер витого стержня по отношению к волокнам на поверхности внедрения авн. При внедрении витых крестообразных стержней в массив древесины благодаря использованию численных методов в программном комплексе Ansys WorkBench была задана конкретная ориентацию ребер на поверхности внедрения. В рамках настоящих исследований величина авн имела значения авн = 0о иаек = 45 о .
Исследование НДС соединений усиливаемых конструкций на предложенных связях
Прочность и деформативность деревянных конструкций зависят, прежде всего, от прочности и деформативности соединений, которые в свою очередь зависят от типа соединительных связей. Теоретические и экспериментальные исследования соединений на стальных цилиндрических нагелях достаточны для выполнения их расчета и конструирования, при этом существующие методики в значительной степени отражают реальную работу древесины и стержня в соединениях. Использование соединительных связей с поперечным сечением, отличенным от круглого, безусловно, влияет на несущую способность и деформативность соединений элементов и деревянных конструкций в целом. Так В.Н. Шведовым [159, 161] была усовершенствована существующая методика расчета соединений при использовании прямолинейных стержней крестообразного поперечного сечения. В частности, им было доказано влияние ориентации ребер по отношению к волокнам древесины на напряженно-деформированное состояние соединений.
В отличие от исследованных прямолинейных стержней у витых крестообразных стержней ориентация ребер по их длине изменяется. Результаты пилотных экспериментов показали, что данный факт будет оказывать влияние на прочностные и деформативные характеристики соединений и конструкций в целом. Однако каких-либо данных об исследованиях в обозначенной области не проводилось, за исключением работы Г.А. Столповского [125] в которой рассматриваемые стержни изучены исключительно с точки зрения их выдергивания из массива древесины. Так же, отсутствуют какие-либо указания и рекомендации по способам усиления деревянных конструкций с использованием стальных витых крестообразных стержней. Для широкомасштабного использования витых крестообразных стержней в соединениях деревянных элементов, а так же при усилении конструкций необходимы теоретические исследования в указанном направлении с последующим экспериментальным подтверждением полученных результатов.
В связи с вышеизложенным, целью теоретических исследований явилось изучение фактического напряженно-деформированного состояния соединений на витых крестообразных стержнях численными методами. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи: – в существующей методике расчета соединений выявить параметры, на которые оказывает влияние использование предложенных стержней; – определить прочностные и деформативные характеристики односрез-ных и двусрезных соединений на витых крестообразных стержнях; – исследовать НДС конструкций при их усилении путем увеличения поперечного сечения с использованием витых крестообразных стержней; – на основе результатов численных исследований сформулировать основные положения практического расчета соединений и конструкций на витых крестообразных стержнях.
Несущая способность и жесткость соединений на витых крестообразных стержнях обуславливается работой древесины на смятие в отверстии, образованном стержнем, и изгибом самого стержня. Учитывая сложную форму стержня, при которой положение ребер по его длине изменяется, и анизотропию древесины изучение фактической работы древесины при ее смятии при помощи аналитических методов сопряжено с большими трудностями. Помимо этого аналитически не представляется возможным учесть разрушения и деформации части волокон, которые возникают при внедрении витого крестообразного стержня в массив древесины [125]. Сложности связаны и с тем, что разрушение соединений, обусловленное изгибом стержня, сопровождается образованием по длине стержня зон пластических деформаций, однако для витого крестообразного стержня с изменяющимся положением ребер будет иметь значение их ориентация именно в зоне пластических деформаций.
Широкое внедрение электронной вычислительной техники в инженерную практику позволяет уменьшить различия между расчетной схемой и реальной конструкцией, однако, усложнение математического аппарата зачастую скрывает сущность расчетов. Наряду с развитием и применением универсальных численных методов при решении таких задач, представляется необходимым развитие альтернативных и полуаналитических методов, базирующихся на экспериментально-теоретической основе, которые в пределах выполняемых исследований имеют высокую эффективность. О целесообразности такого подхода свидетельствует как отечественная, так и зарубежная практика применения и развития методов расчета строительных конструкций. Теоретические исследования за рубежом, в основном, сводятся к численному анализу напряженно-деформированного состояния рассматриваемого узла и созданию на этой основе системы корректирующих коэффициентов, тщательно выверенных экспериментально. Такой подход открывает реальную возможность перехода к строго научной основе в области расчета соединений деревянных конструкций на витых крестообразных стержнях и позволяет решить все трудности на пути их изучения. Поэтому наряду с созданием и развитием программных средств на основе аналитических методов очень важно разрабатывать упрощенные, экспериментально-теоретические методы. В этом случае целью является получение достаточно простых формул и коэффициентов, отражающих специфику работы исследуемых соединений и конструкций. Это может быть достигнуто решением ряда задач с поочередно меняющимися главными факторами, сравнением и уточнением полученных данных с экспериментальными результатами, с последующей аппроксимацией результатов решений простыми, удобными в обращении формулами. В связи с изложенным, в качестве основного инструмента исследований, представленных в настоящей работе, принят экспериментально-теоретический метод, реализованный в следующей последовательности: – определение и изучение факторов, влияющих на несущую способность и деформативность соединений, выполненных с использованием витых крестообразных стержней; – численные исследования соединений деревянных конструкций на витых крестообразных стержнях для качественного анализа особенностей их работы; – уточнение количественных характеристик узловых соединений на витых стержнях, влияющих на их напряженно-деформированное состояние; – аппроксимация полученных данных в виде формул и коэффициентов для формулировки основных положений методики практического расчета рассматриваемого класса соединений деревянных конструкций; – теоретические исследования изгибаемых конструкций при их усилении путем увеличения поперечного сечения с использованием витых крестообразных стержней.
Методика испытаний соединений и конструкций с учетом параметров усиливаемых элементов
Результаты численных исследований двусрезных соединений на витых крестообразных стержнях модели первого типа так же (как и для односрезных соединений) подтверждают значительный разброс значений их несущей спо собности. Следует отметить, что при 1 комбинации толщин несущая способность соединения на витых стержнях оказывается меньше несущей способности соединений на прямолинейных стержнях как при ориентации ребер 00(900), так и при 450, несмотря на то, что как с точки зрения смятия древесины, так и с точки зрения прочности и жесткости самого тела в зоне образования пластических деформаций витой крестообразный стержень занимает промежуточное положение между прямолинейными стержнями с ориентацией ребер 00(900) и 450. Это объясняется неблагоприятным сочетанием ориентации ребер у плоскости сплачивания элементов и в зоне образования пластических деформаций, а именно: менее благоприятная ориентация ребер у плоскости сплачивания - 450, в зоне образования пластических деформаций - 00(900).
Численные исследования двусрезных соединений на витых крестообразных стержнях модели второго типа показывают, что максимальный разброс значений их несущей способности относительно прямолинейных стержней составляет 14,3 % для стержней с габаритными размерами 10 мм. Необходимо отметить, что для некоторых рассматриваемых комбинаций толщин модели первого типа на витых крестообразных стержнях характерна наименьшая несущая способность. Несущая способность двусрезных соединений модели второго типа на витых стержнях выше, чем на прямолинейных стержнях с ориентацией 00(900) и ниже в сравнении с соединениями на прямолинейных стержнях с ориентацией 450, данный факт объясняется тем, что сопротивление древесины смятию в отверстии для витого стержня в сравнении с прямолинейным с ориентацией ребер 00(900) выше на 7-10 %, в сравнении с прямолинейным при ориентации ребер 450 - ниже на 8-10 %.
Выявленная разница в значениях несущей способности двусрезных соединений моделей первого и второго типов объясняется тем, что сопротивление древесины смятию в отверстии вдоль волокон выше, чем при смятии поперек волокон, что подтверждается выводами по результатам исследований, приведенным в 2 главе, в том числе в формулах (2.5) и (2.6). 3.3.3 Изгибаемые конструкции при их усилении путем увеличения поперечного сечения
Анализ существующих способов усиления деревянных конструкций эксплуатируемых зданий и сооружений, выполненный в 1 главе, показал, что наиболее простым, и в то же время эффективным способом является усиление путем увеличения площади поперечного сечения элементов. Такой же вывод можно сделать из публикаций и зарубежных авторов [ 166, 168, 171, 176, 177]. Учитывая особенности конструктивной формы витых крестообразных стержней, целесообразным является их использованием при усилении конструкций, в которых они бы работали на выдергивание. Наиболее наглядным примером являются изгибаемые конструкции, которые при их усилении путем увеличения поперечного сечения совместно с элементами усиления образуют составную балку, в которых роль соединительных связей выполняют предлагаемые стержни. В таких конструкциях витые крестообразные стержни позволяют отказаться от установки стяжных болтов. Особенно необходимо отметить, что при усилении эксплуатируемых конструкций стержни воспринимают выдергивающие усилия, возникающие при включении элементов усиления в работу вследствие наличия у усиливаемой конструкции остаточных деформаций.
Оценка напряженно-деформированного состояния составной балки, выполненной с использованием витых крестообразных стержней, была проведена с использованием численных методов в программном комплексе Ansys по алгоритму приведенному ниже.
При помощи программы Компас 3D была создана пространственная геометрия деревянных элементов и витых крестообразных стержней, далее в режиме сборки из них были созданы трехмерная твердотельная сборочная единица, общий вид которой представлен на рисунке 3.9.
Размеры элементов составной балки при проведении численных исследований были приняты в соответствии с фактическими размерами предварительно изготовленных балок, которые были использованы при проведении экспериментальных исследований. Размеры поперечного сечения усиливаемо 97 го элемента – 94х145(h) мм, элемента усиления 94х95(h) мм. Общая длина составной балки – 3000 мм. В качестве соединительных связей использованы витые крестообразные стержни с габаритными размерами 12 мм общей длиной 240 мм. Шаг стержней – 120 мм, при этом в средней зоне балки на участке длиной 0,2l = 600 мм установка стержней не предусматривалась.
Задание физико-механических характеристик деревянных элементов и витых крестообразных стержней выполнялось по аналогии с численными исследованиями одно - и двусрезных соединений. При этом для деревянных элементов модуль упругости при изгибе был принят Eд=12000 МПа, который был определен при проведении натурных испытаний составных балок.