автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Деревометаллические балки со стенкой из стальных профилированных листов

На правах рукописи

КАЛИНИН Сергей Владимирович

ДЕРЕВОМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ БАЛКИ СО СТЕНКОЙ ИЗ СТАЛЬНЫХ ПРОФИЛИРОВАННЫХ ЛИСТОВ

Специальность 05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

3 1 ОКТ 2013

005536470

Пенза 2013

005536470

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Оренбургский государственный университет»

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Жаданов Виктор Иванович

Официальные оппоненты: Инжутов Иван Семенович

доктор технических наук, профессор, ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет», профессор кафедры «Строительные конструкции и управляемые системы»

Вдовин Вячеслав Михайлович

кандидат технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства», профессор кафедры «Строительные конструкции»

Ведущая организация «Центральный научно-

исследовательский институт строительных конструкций им. В.А. Кучеренко» -подразделение ОАО «НИЦ «Строительство», г. Москва

Защита состоится 14 ноября 2013 года в 13-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.184.01, созданного на базе Пензенского государственного университета архитектуры и строительства по адресу: 440028, Пенза, ул. Г. Титова, 28, корпус 1, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Пензенского государственного университета архитектуры и строительства

Автореферат разослан 11 октября 2013 г.

Ученый секретарь --Бакушев

диссертационного совета С¿Г Сергей Васильевич

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Среди несущих конструкций зданий и сооружений наибольшее применение находят элементы, работающие по балочной схеме. Несмотря на огромный опыт эксплуатации таких конструкций, традиционность их типов, до настоящего времени внимание исследователей не ослабевает к совершенствованию конструктивной формы балочных элементов и данный вопрос не перестает быть актуальным. Анализ последних достижений в области строительной науки показал, что традиционное развитие конструкций из мономатериала (бетон, металл, дерево, конструкционные пластмассы) практически исчерпало себя. Их соверщенствование позволяет сэкономить не более 10% материала, в то время как есть потребность в гораздо большей экономии. Достичь её можно, развивая комбинированные конструкции из разномодульных элементов, но не путем их простой комбинации, а на основе творческой композиции, обеспечивающей эффективное использование полезных свойств каждого из применяемых материалов. Это позволяет достичь более высокого уровня снижения материалоемкости, трудозатрат и себестоимости при изготовлении конструкций, уменьшения эксплуатационных расходов.

Так, например, широкое применение в строительстве находят различные стапежелезобетонные фермы, деревобетонные конструкции, клеефанерные балки с плоской или волнистой стенками. При всех их достоинствах, в сравнении с конструкциями из мономатериалов, известные конструктивные решения нельзя признать совершенными, так как их использование связано либо со значительной трудоемкостью изготовления и сложностью сборки, либо с большим расходом материалов при ограниченной несущей способности. В связи с вышеизложенным, разработка новых конструктивных форм балок из разномодульных элементов, отвечающих требованиям современного производства, является актуальным направлением. Ключевым приоритетом разработок является обеспечение в конструкции минимального расхода материалов при одновременном использовании всех их положительных свойств. Стремление к снижению материалоемкости и улучшению других показателей должно сочетаться с обеспечением эксплуатационной надежности и долговечности разработанных конструктивных форм, что предопределяет необходимость адекватной оценки их напряженно-деформированного состояния на базе дополнительных теоретических и экспериментальных исследований.

Предлагаемая диссертационная работа проведена в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы, программное мероприятие «Проведение научных исследований под руководством докторов наук» (соглашение № 14.U02.21.0129). Также разработанная тема входит в план госбюджетных научно-исследовательских работ кафедры строительных конструкций Оренбургского государственного университета «Исследования прочности, устойчивости и износа конструкций зданий и сооружений» (№Г.Р.01990000100, код темы по ГРНТИ:67.11.37.67.11.41).

Цель работы: разработка и исследование новых конструктивных форм деревометаллических балок со стенкой из стальных профилированных листов, включенной в общую работу конструкции.

Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие взаимосвязанные задачи:

- обобщить и проанализировать отечественный и зарубежный опыт конструкторских разработок в направлении предпринятых автором исследований, сформулировать цель и задачи работы;

- разработать конструкции деревометаллических балок со стенкой из стальных профилированных листов, включенной в общую работу конструкции;

- провести численные исследования напряженно-деформированного состояния деревометаллических балок с учетом длительности действия нагрузки, податливости связей, конструктивных особенностей и температурно-влажностных условий эксплуатации;

- провести экспериментальные исследования натурных образцов балок для оценки достоверности результатов численных исследований, а также для изучения действительного характера работы предложенных конструктивных форм под нагрузкой и отработки технологических аспектов;

- определить технико-экономическую эффективность применения разработанных конструкций в зданиях различного назначения;

- дать рекомендации по конструированию, расчету и изготовлению деревометаллических балок со стенкой из стальных профилированных листов;

- внедрить в строительную практику и учебный процесс результаты выполненной работы.

Объест исследования - деревометаллические балки со стенкой из стальных профилированных листов.

Предмет исследования - напряженно-деформированное состояние предложенных конструктивных форм с развитием методики расчета и рекомендаций по их проектированию.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- разработаны новые типы деревометаллических балок со стенкой из стальных профилированных листов, включенной в общую работу конструкции (новизна разработок подтверждена патентами РФ № 2276239 и №54062);

- установлены закономерности влияния длительности действия нагрузки, податливости связей, конструктивных особенностей балок и температур-но-влажностных условий эксплуатации на напряженно-деформированное состояние разработанных конструктивных форм;

- разработана методика расчета деревометаллических балок со стенкой из стальных профилированных листов, включенной в общую работу конструкции, позволяющая адекватно оценить их фактическое напряженно-деформированное состояние;

- получены новые экспериментальные данные, подтверждающие достоверность установленных закономерностей и основных положений методики расчета, а также в достаточно полной мере отражающие действительную работу разработанных типов балок при действии эксплуатационных нагрузок.

Практическая ценность работы заключается:

- в разработке новых типов деревометаллических балок для использования в покрытиях зданий и сооружений различного назначения, включающей выполнение альбомов рабочих чертежей;

- в создании инженерного метода расчета предлагаемых деревометаллических балок с учетом включения стенки в общую работу конструкции, а также рекомендаций по их проектированию и изготовлению;

- в возможности повысить при применении разработанных конструкций эффективность капитальных вложений, снизить материалоемкость и трудозатраты по сравнению с традиционными деревянными конструкциями, что достигается за счет включения стенки в общую работу балок, технологической унификации и максимальной степени заводской готовности.

Внедрение результатов работы:

- предложенные деревометаллические балки нашли применение в проектах: малоэтажных жилых домов, зданий и сооружений сельскохозяйственного назначения, складов и стоянок, реконструкции зданий путем их надстройки (всего 6 объектов);

- материалы исследований и альбомы рабочих чертежей разработанных конструкций переданы для внедрения по запросу Министерству строительства, жилищно-коммунального и дорожного хозяйства Оренбургской области;

- рабочие чертежи разработанных балок переданы по запросам в строительные организации и проектные институты: ЗАО «Оренбургоблграждан-строй», ООО «Технология» (г. Оренбург), ОАО «Красноярскгражданпроект», ОАО «КумАПП» (г. Кумертау);

- материалы исследований включены в разделы специального курса «Индустриальные конструкции на основе древесины для строительства быст-ровозводимых зданий и сооружений», которые читаются студентам специальностей «Промышленное и гражданское строительство» и «Городское строительство и хозяйство» Оренбургского государственного университета и инженерно-строительного института СФУ (г. Красноярск).

На защиту выносятся:

- новые конструктивные решения деревометаллических балок со стенкой из стальных профилированных листов, включенной в общую работу конструкции, для покрытий зданий и сооружений различного назначения;

- результаты экспериментально-теоретических исследований напряженно-деформированного состояния разработанных балок с учетом длительности действия нагрузки, податливости связей, конструктивных особенностей и температурно-влажностных условий эксплуатации;

- методика расчета предложенных новых типов деревометаллических балок с учетом включения стенки в общую работу конструкции;

- результаты технико-экономической оценки разработанных балок, а также рекомендации по их проектированию и изготовлению.

Апробация работы. Результаты диссертационной работы были доложены и обсуждены на 61, 62, 65 научно-технических конференциях НГАСУ (Сибстрин), г. Новосибирск, 2004, 2005, 2008 г.; VI, V международной науч-

ной конференции «Прочность и разрушение материалов и конструкций», г. Оренбург, 2005, 2008 г.; международной научной конференции «Современные проблемы совершенствования и развития металлических, деревянных, пластмассовых конструкций в строительстве и на транспорте», г. Самара, 2005; международных симпозиумах «Современные строительные конструкции из металла и древесины», г. Одесса, 2005г., 2006г., 2008г., 2010г., 2012г., 2013г; VI, VI, VIII, X международных научно-практических конференциях «Эффективные строительные конструкции: теория и практика», г. Пенза, 2005г., 2006г., 2008г., 2010 г.; международном конгрессе «Наука и инновации в строительстве», г. Воронеж, 2008г.; международном симпозиуме «Современные металлические и деревянные конструкции (нормирование, проектирование и строительство)», г. Брест, 2009 г.; VIII Международной научной конференции «Вге\упо I ша1епа1у <1ге\упорос1тос1пе кош^кдасИ ЬисЬи'кпусЬ», Щецын, Польша, 2009 г.; межвузовской молодежной научно-практической конференции в рамках дней молодежной науки в Оренбургской области, г. Оренбург, 2011 г; IV, V, VI научно-технических конференциях «Актуальные вопросы строительства», г. Новосибирск, 2011г., 2012г., 2013г.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 24 печатных работах, в том числе 5 статей в изданиях, включенных в перечень ВАК РФ, выпущено 4 информационных листка, получено 2 патента на изобретение и полезную модель.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка использованных источников из 145 наименований и приложения. Общий объем работы 183 страницы текста, в том числе 60 рисунков, 14 таблиц, 8 страниц приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы исследований, дана краткая характеристика состояния вопроса, сформулированы цель и задачи работы, отмечены сведения, составляющие научную новизну и практическую значимость исследований.

В первой главе приведен краткий исторический обзор развития балочных конструкций. Показана эволюция конструктивных форм балок, выполненных, в том числе, из разномодульных материалов. Исследованиями и опытно-конструкторскими разработками в данной области занимались научно-исследовательские институты и высшие учебные заведения, такие как: ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко, ЦНИИпромзданий, МГСУ, СПбГАСУ, Владимирский государственный университет, Новосибирский ГАСУ (Сибстрин), Оренбургский государственный университет, Пензенский ГУ АС, Самарский ГАСУ, Сибирский федеральный университет (г. Красноярск), Томский ГАСУ.

Значительный вклад в развитие конструирования, расчета, а также экспериментальных исследований конструкций, сочетающих разномодульные материалы (древесина и материалы на ее основе, металл, бетон, конструкционные пластмассы) внесли В.В. Бирюлев, Бондин В.Ф., Вдовин В.М., Дмитриев П.А., Инжутов И.С., Ольков Я.И., Осипов Ю.К., Погадаев И.К., Погорельцев А.А., Рощина С.И.,

Серов E.H., Стрижаков Ю.Д., Тамплон Ф.Ф., Травуш В.И., Турковский С.Б., Холопов И.С., Щуко В.Ю., разработки которых базировались на трудах таких известных ученых как Ааре И.И., Амбарцумяна С.А., Блейха Ф., Броуде Б.М., Вольмира Д.С., Воровича И.И., Евстратова A.A., Ильюшина A.A., Каленова В.В., Лампси Б.Б., Лехницкого С.Г., Мельникова Н.П., Папковича П.Ф., Рокки К., Ржаницына P.P., Тимашева С.А., Тимошенко С.П., Уманского A.A.

Рассмотрены известные способы соединения стальных листов с деревянным каркасом при помощи гвоздей, самонарезающих винтов, дюбелей, вклеенных стержней. Проанализированы их преимущества и недостатки.

Проведен анализ трудов в области теоретических и экспериментальных исследований напряженно-деформированного состояния балок с гибкими стенками. Такие исследования проводились как за границей, так и в России. Отмечен значительный вклад в области теоретического исследования конструкций с тонкими стенками ученых Ааре И.И., Броуде Б.М., Бычкова Д.В., Вагнера Г.В., Власова В.З., Горбунова Б.Н.,Дмитриева П.А., Ендрика Е., Каленова В.В., Кармана Т., Мельникова Н.П., Олькова Я.И., Осипова Ю.К., Пога-даева И.К., Ромашевского А.Ю., Симакова Ю.Н., Стригунова В.М., Тимошенко С.П., Трофимова В.И., Шкалоуда М.

Критический анализ конструкторских разработок и экспериментально-теоретических работ, посвященных исследованию напряженно-деформированного состояния балочных конструкций, выполненных из разномодульных материалов, позволил автору сформулировать цель и задачи диссертационной работы, а также следующие рабочие гипотезы.

Рабочая гипотеза №1: обеспечить включение стальной стенки в общую работу конструкции возможно за счет ориентации гофров профилированных листов вдоль пролета балки, что обеспечит снижение материалоемкости и общей стоимости балочных конструкций на основе древесины.

Рабочая гипотеза №2: на степень участия стальной профилированной стенки в общей работе конструкции будут влиять длительность действия нагрузки, податливость связей, конструктивные особенности и температурно-влажностные условия эксплуатации деревометаллических балок.

Рабочая гипотеза №3: за счет варьирования толщины и высоты гофров стенки, шага ребер жесткости можно обеспечить устойчивость стенки до достижения конструкцией предельного состояния.

Разработкам новых типов деревометаллических балок со стенкой из стальных профилированных листов посвящена вторая глава диссертации. Новизна предложенных конструктивных форм защищена двумя патентами РФ на изобретение и полезную модель. При разработке опытных конструкций автор исходил из целесообразности и необходимости: проектировать конструкции, состоящие из материалов, качество и параметры которых оговариваются государственными стандартами; руководствоваться принципом упрощения конструктивной формой при одновременном уменьшении общей массы конструкции; добиваться высокой технологичности и максимальной заводской готовности конструкций.

Реализация принципа упрощения конструктивной формы достигалась

уменьшением количества узловых сопряжений, использованием материалов в соответствии с действующим сортаментом, сокращением отходов производства, при этом учитывалась необходимость обеспечения совместности работы деревянных поясов и стальной стенки, а также условие обеспечения устойчивости стенки до достижения конструкцией предельного состояния. Такой подход позволил существенно уменьшить сечение верхнего и нижнего поясов балок и, как следствие, собственную массу конструкции.

Разработанные деревометаллические балки предназначены для перекрытия пролетов до 12,0 м, что позволяет избежать стыкование стенки по высоте, (рисунок 1). Деревянный каркас состоит из цельного или клееного верхнего и нижнего поясов, соединенных между собой вертикальными ребрами жесткости ширина которых равна ширине поясов. Расстояния между ребрами принимаются из условия обеспечения устойчивости стальной профилированной стенки.

Рисунок 1 - Общий вид (а) и принципиальная конструктивная схема (б) деревометаллической балки со стенкой из стальных профилированных листов с ориентацией гофров вдоль поясов Соединение вертикальных ребер жесткости и поясов может быть выполнено с помощью одинарных шипов, стальных глухарей, стальных или

___/

стеклопластиковых нагелей, предпочтительно вклеенных, зубчатых шипов. С двух сторон к поясам крепятся профилированные листы по ГОСТ 24045, при этом образуется двухстенчатая балка коробчатого сечения. Для крепления стенок к поясам предлагается использовать гвозди, дюбели или саморезы. Количество соединительных связей определяется из расчета на усилия сдвига, возникающее в швах между стенками и поясами и может назначаться различным с учетом изменения сдвигающих усилий по длине балки, при этом расстановка гвоздей (саморезов) должна удовлетворять требованиям норм.

Особенностью защищаемых конструктивных решений является то, что гофры стального профилированного листа имеют горизонтальную ориентацию, т.е. расположены вдоль поясов, за счет чего стенка включается в общую работу балки на изгиб, обеспечивая при этом увеличение геометрических характеристик ее поперечного сечения и, как следствие, экономию расхода материалов. Например, при пролете балки 12,0 м, равномерно-распределенной нагрузке 9,0 кН/м2 доля участия стенки толщиной 0,5 мм в приведенном моменте инерции составляет 37,5%, а при толщине стенки 0,7 мм - 45,7%.

Толщина и тип гофра профилированного листа определяется из требуемой прочности и жесткости балки, а также из условия обеспечения устойчивости стенки. При необходимости повышения устойчивости стенки в конструкции предусматривается уменьшенный, в сравнении с рядовым, шаг ребер жесткости в приопорных отсеках. Также предложен способ повышения устойчивости стенки за счет введения в каркас балки подкрепляющих ребер жесткости, которые предусматриваются в гофрах, полки которых не примыкают к ребрам жесткости и поясам. Подкрепляющие ребра ориентированы, как и гофры стального профилированного листа, вдоль продольной оси балки, причем для их соединения с профилированным листом и с деревянными ребрами жесткости рекомендуется использовать те же средства крепления, что и для соединения стенки с каркасом.

Предложенная балка работает следующим образом. При действии вертикальной нагрузки происходит поперечный изгиб балки, при этом возникающие нормальные напряжения воспринимаются верхним и нижним поясами, боковыми стенками и подкрепляющими ребрами. Включение в совместную работу с каркасом профилированных листов и подкрепляющих ребер обеспечивается за счет соединения элементов между собой, а также за счет ориентации гофров профилированных листов и подкрепляющих элементов вдоль продольной оси балки. Кроме этого, при применении профилированных боковых стенок с гофрами, ориентированными вдоль пролета балки, и подкрепляющими элементами достигается увеличение изгибной жесткости стенок из плоскости балки, за счет чего достигается увеличение устойчивости балки в целом при изгибе из плоскости, что позволяет упростить конструктивные мероприятия, обеспечивающие устойчивость балок из плоскости их изгиба, вследствие чего расстояния между точками поперечного раскрепления балок можно увеличить.

Приведены показатели расхода основных материалов для разработанных конструкций, подсчитанные по рабочим чертежам. В сравнении с извест-

ными аналогами разработанные балки обладают меньшей материалоемкостью. Так, приведенный к 1 м2 перекрываемой площади расход древесины составляет 0,005...0,006 м3 и 0,008...0,011 м3 при пролете балок 9,0 ми 12,0 м соответственно, а расход стали равен 2,9...4,3 кг и 3,4...5,1 кг в зависимости от толщины примененного профилированного листа для вышеназванных пролетов. Вес балок составляет 210...217 кг при пролете 9,0 м и 406...415 кг при пролете 12,0 м. Полученные показатели расхода основных материалов подтверждают рабочую гипотезу №1.

Показана целесообразность использования предложенных конструкций в качестве верхних поясов пластинчато-стержневых комбинированных конструкций покрытия в виде шпренгельных балок и деревометаллических ферм, а также в качестве несущих элементов распорных треугольных систем с опи-ранием балок непосредственно на фундаменты.

Определена область применения предложенных конструктивных форм. Отмечено, что наибольшего экономического эффекта можно добиться, применяя деревометаллические балки: при строительстве на слабых, просадоч-ных, пучинистых вечномерзлых 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.

Особенности конструктивных решений разработанных балок явились предметом численных исследований, приведенных в третьей главе, целью которых было изучение фактического напряженно-деформированного состояния предложенных конструктивных форм и проверка выдвинутых гипотез №2 и №3. Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи: изучить напряженно-деформированное состояние элементов деревометаллических балок при их работе на поперечный изгиб с учетом длительности действия нагрузки и податливости узловых соединений; оценить влияние геометрических параметров и толщины профилированного листа на степень его участия в общей работе конструкции; определить степень влияния на НДС предложенных конструктивных форм длины пролета балки и шага поперечных ребер жесткости; установить закономерности изменения характера распределения напряжений в поясах и стенках балок с изменением темпе-ратурно-влажностных условий эксплуатации; дать общую оценку напряженно-деформированного состояния разработанных балок при их работе на поперечный изгиб с учетом включения стенки в общую работу конструкции.

Для решения поставленных задач был использован программный комплекс «ЛИРА-9.2» (лицензия №521821425). Объектом исследования являлась составная деревометаллическая балка пролётом 5,0 м с коробчатым поперечным сечением шириной 100 мм и высотой 465 мм, тип примененного профилированного листа - С-10 толщиной 0,5 мм (базовый вариант). Выбор параметров базового варианта был определен размерами одной из опытных конструкций, на которой проводились натурные испытания. Такой подход обеспечивает возможность сравнения результатов численных исследований с экспериментальными данными.

В расчетной модели пояса и ребра жесткости балки задавали объемными конечными элементами - параллелепипедами (КЭ31) с модулями упругости Ед, = 10000 МПа для нагружения расчетной длительной нагрузкой и Екр = 12600 МПа (по результатам испытаний стандартных образцов, вырезанных из экспериментальных конструкций) для нагружения кратковременной нагрузкой. Профилированный лист моделировали с использованием универсальных четырехугольных конечных элементов оболочки (КЭ41) толщиной 0,5 мм с модулем упругости Ес =206010 МПа. Гвоздевые соединения смоделированы универсальными прямоугольными конечными элементами оболочки, направленными вдоль волокон поясов или ребер жесткости, соответственно. Их упругие характеристики также соответствуют древесине сосны.

Податливость гвоздевых соединений стенок с поясами учитывали по методике профессора Инжутова И.С. расчетами в две итерации: вначале осуществляли статический расчет с исходными модулями упругости в предположении отсутствия деформаций податливости. Затем по найденным усилиям в оболочечных элементах, моделирующих гвоздевое соединение, вычисляли условный модуль упругости по формуле (1) и повторяли статический расчет:

_ Е

6-Е-Р' (1)

(N■1)

где Е — исходный модуль упругости конечных элементов, моделирующих гвоздевое соединение (£= 10000 МПа); <5 - расчетное предельное значение деформаций податливости (в соединениях на нагелях всех видов 2,0 мм для длительной нагрузки и 1,0 мм для кратковременной); Т7 - площадь поперечного сечения оболочечного элемента, м2; N - усилие, действующее в оболочечном элементе, кН; / - длина оболочечного элемента, м.

Для расчета на второй итерации в формулу (1) вводили скорректированное значение предельный деформации с учетом степени использования несущей способности соединения:

. (2)

где Т - расчетное сопротивление гвоздевого соединения.

Для решения поставленных задач варьировали следующие параметры: длину балки (3,0 м, 5,0 м и 9,0 м); профиль листов (С-10, С-15, С-21, НС-35); высоту поперечного сечения балок в зависимости от пролета и примененного типа профлиста; толщину профилированного листа (0,5 мм, 0,6 мм и 0,7 мм); шаг вертикальных ребер жесткости (равный высоте, половине высоты и двум высотам поперечного сечения балки). Кроме варьирования вышеперечисленными параметрами также оценивали влияние длительности действия нагрузки и податливости крепления стенок к каркасу на напряженно-деформированное состояние исследуемого типа балок. Для сопоставления полученных результатов анализировались данные для балок пролетом 3,0 м и 5,0 м, что обеспечило сравнение данных численных расчетов и экспериментальных результатов.

Прогиб балки пролетом 5,0 м, вычисленный без учета податливости креплений стенок к поясам, составляет при расчетном значении нагрузки: 9,96 мм

(1/502 пролета) при кратковременной нагрузке и 12,6 мм (1/396 пролета) при длительной нагрузке. Вследствие податливости упомянутых креплений прогиб при кратковременной нагрузке возрастает до величины 14,0 мм (1/357 пролета) - в 1,4 раза и до величины 19,1 мм (1/262 пролета) при длительной нагрузке - в 1,5 раза. Максимальные нормальные растягивающие напряжения в профилированном листе стенки, определенные расчетами с учетом податливости креплений стенок, при кратковременной нагрузке оказались равны 188 МПа, а при длительной нагрузке - 250 МПа. Максимальные нормальные сжимающие напряжения в верхнем поясе балки в центре пролета, определенные с учетом податливости связей, составляют при кратковременной нагрузке - 10,1 МПа, а при длительной - 9,14 МПа. В нижнем поясе балки растягивающие напряжения при кратковременной нагрузке - 8,99 МПа, а при длительной - 8,08 МПа.

Полученные результаты подтверждают, что стальная стенка из профилированных листов с ориентацией гофров вдоль пролета балки воспринимает касательные напряжения и, тем самым, работает в составе поперечного сечения на восприятие нормальных напряжений. При этом, длительность действия нагрузки существенно влияет на напряженно-деформированное состояние предложенного типа деревометаллических балок. С течением времени за счет уменьшения модуля упругости древесины происходит количественное перераспределение нормальных напряжений, действующих в стенках и поясах, но качественная картина эпюр напряжений сохраняется. Доля воспринимаемой нагрузки деревянными поясами уменьшается с соответствующим увеличением максимальных значений нормальных напряжений, действующих в стальных поясах. Данный эффект рекомендовано учитывать в практических расчетах соответствующими корректировочными коэффициентами. Например, базируясь на полученных данных, при определении прогиба балок в расчет необходимо вводить длительный модуль упругости. Эффект перераспределения напряжений между стенкой и поясами можно учесть путем введения при расчете стенок балок по нормальным напряжениям к расчетному сопротивлению стали корректировочного коэффициента 0,8. Полученные результаты хорошо согласуются с рекомендациями свода правил по проектированию деревянных конструкций.

Податливость механических соединений стенки к поясам также оказывает существенное влияние на напряженно-деформированное состояние как поясов, так и стенок балки. За счет такой податливости напряжения, действующие в поясах, уменьшаются, а напряжения в стенках увеличиваются с сохранением форм эпюр распределения нормальных напряжений по высоте поперечного сечения балки. Прогибы балки при учете податливости связей с учетом длительности действия нагрузки увеличиваются в 1,5 раза. По аналогии с учетом длительности действия нагрузки податливость механических связей также можно учесть в практических расчетах корректировочными коэффициентами. В частности, по результатам проведенных расчетов при определении прогиба балок к расчетному моменту инерции поперечного сечения рекомендуется ввести корректировочный коэффициент 0,65, а при расчете стенок балок по нормальным напряжениям - коэффициент 0,75 к расчетному сопротивлению стали.

Во всех расчетных схемах в середине пролета балки имела место местная потеря устойчивости в профилированном листе в верхней сжатой зоне между креплениями стенки к поясу. Расстояние между точками раскрепления составляло 40мм. Для оценки работы балки в закритической стадии работы зоны стенки, потерявшие устойчивость участки профилированного листа выключали из работы, для чего в расчетной модели их модуль упругости понижали на один порядок. Гвозди, попавшие в этот участок, также выключали из работы. Производили следующую итерацию статических расчетов. В результате проведенных расчетов выявлено, что в сравнении с величинами прогибов, полученными при расчете без учета потери устойчивости стенки между точками закрепления к поясам, все значения прогибов, приведенные выше, увеличились на 3...5%, т.е. процесса существенного роста деформаций балки, вызванных учетом потери устойчивости стенки, не произошло. Процесса существенного роста напряжений в стенке и поясах балки, вызванных учетом потери устойчивости стенки, также не произошло (в пределах 4%). Это доказывает, что местная потеря устойчивости в профилированном листе в верхней сжатой зоне между креплениями стенки к поясу не оказывает практического влияния на прочность и жесткость балок и может не учитываться в инженерных расчетах.

Варьирование типом примененного профиля стенки влияет на общее напряженно-деформированное состояние деревометаллической балки (рисунок 2).

а. |

Рисунок 2 - Гистограммы изменения максимальных прогибов и нормальных напряжений в зависимости от профилей стенки

Следует обратить внимание, что балка с профилем С-10 имеет минимальное значение прогиба. Нормальные напряжения в стенке при профилях С-10 и С-15 практически одинаковы, а минимальное значение выявлено у балки со стенкой С-35. В стенке из профиля С-21 касательные напряжения были больше, чем в остальных профилях, что несомненно следует учитывать при выборе профилированного листа при проектировании.

В результате численных расчетов балок с варьируемым параметром толщины профлиста установлены математические модели, описывающие влияние толщины стенки на максимальные значения прогиба базовой балки, нормальных и касательных напряжений в стенке в пределах варьируемых параметров:

/= 1552-29,55 + 30,1 ; (1)

Р шах = -10052 + 2905 - 370 ; (2)

тшах= 10052- 1875+ 121,9, (3)

где 5 - толщина профилированного листа в миллиметрах.

Применение математических моделей, полученных путем квадратичной аппроксимации, позволяет достаточно просто корректировать значения прогиба и напряжений в балках в зависимости от толщины примененного профилированного листа, что особенно актуально, например, при вариантном проектировании. Аналогичные формулы можно получить и для других базовых конструкций с различными пролетами и рассчитанными под различные нагрузки. При этом, анализ полученных результатов показал, что сравниваемые величины изменяются практически пропорционально изменению толщины стенки. Этот факт также хорошо согласуется с теорией элементарного поперечного изгиба в предположении, что стальная стенка полноценно участвует в общей работе конструкции.

Влияние шага ребер на НДС изучали на базовой балке при длительной нагрузке с учетом податливости соединений стенки с каркасом. Результаты расчетов сведены в таблицу 1.

Таблица 1.

Шаг ребер, До /шах, про-флист, МПа О шах, ПРО- флист, МПа г„„н,про-флист, МПа а „И№ верхний пояс, МПа и „мг, нижний пояс, МПа

До = 0,5к 16,7 234 39,0 -8,45 8,15

а0 = И 18,5 247 46,9 -8,86 8,12

ао = 21г 20,8 257 55,3 -10,9 7,62

Анализируя полученные результаты, можно констатировать, что шаг ребер жесткости напрямую влияет на напряженно-деформированное состояние деревометаллических балок со стенкой из профилированных листов с продольной ориентацией гофров, включенной в общую работу конструкции. При шаге ребер жесткости а о = 21г напряжения в верхнем поясе существенно увеличиваются в сравнении с базовым вариантом при одновременном снижении значений напряжений в нижнем поясе. Данный факт свидетельствует о выключении части сжатой зоны стенки из общей работы балки из-за частичной потери устойчивости, которая имеет место как между точками раскрепления стенки к каркасу, так и в опорном отсеке. Отметим, что при шаге ребер ао < /,2/г явление потери устойчивости стенки в опорных отсеках не выявлено. С уменьшением расчетного шага ребер жесткости условия работы стенки улучшаются из-за большего количества точек раскрепления с деревянным каркасом. С другой стороны, увеличение количества ребер жесткости приводит к перерасходу древесины на конструкцию и усложняет технологию изготовления предлагаемого типа балок. То есть в рассматриваемом типе конструкций инженер-проектировщик должен уделить особое внимание назначению шага ребер жесткости, выбрав наиболее оптимальный вариант.

Влияние температурной нагрузки на НДС оценивалось на базовой балке при длительной нагрузке с учетом податливости связей. Температура изменялась от +20°С до +35°С, коэффициент температурного расширения древесины 5*10"6 С"1, профилированного листа 13*10"6 С1. В расчетах на температурное воздействие балку нагружали температурными нагрузками, приложенными к древесине по всему объему, а к профлисту по всей площади. Выявлено, что значения нормальных напряжений как в деревянных верхнем и нижнем поясах, так и в стальной стенке практически не изменились (менее, чем на 2%). Прогибы балки практически также не увеличились (увеличение прогиба составляет 2,6%), что хорошо согласуется с рекомендациями п. 5.2.6 СП 64.13330.2011.

При оценке влияния влажности на напряженно-деформированное состояние деревометаллических балок длительный модуль упругости, зависящий от влажности древесины и длительности эксплуатации конструкций, с учетом развития деформаций последействия при условии, что напряжения в несущих элементах, возникающие от постоянных и временных длительных нагрузок составляют более 80% суммарных напряжений от всех нагрузок, рассчитывался в соответствии с методикой, разработанной В.А. Цепаевым, по формуле:

ЕД1(со) = Е,н,(со)-т(х,со), (4)

где Е"(со)- кратковременный модуль упругости, определяемый для древесины хвойных пород с влажностью со (%) по формуле:

Е^(со) = Е^(12)[1-0,019(ш-12)]; . (5)

т(х, а)- коэффициент длительной деформативности при действии неизменной нагрузки в течение всего срока службы конструкций, включающий характеристику ползучести ср(т, со) = Ьх0,21 (х - время (ч));

. 0,01

Ь =- - коэффициент, характеризующий скорость де-

0,735 - 0,02087со ^ Р У * *

формаций от изменения влажности),

, . 1 (35,22- а)

ш(х, со) = ----- =-——. (6)

1 + ф(х,С0) (35,22 - со+ 0,479х )

Расчетный период времени принимался равным 50 годам (439200 ч). Длительный модуль упругости рассчитывался для влажности древесины со = 20 %, что соответствует третьему классу условий эксплуатации конструкций. Коэффициент длительной деформативности согласно расчетам по формуле (6) составил ш(х,со) = 0,86.

Анализ полученных результатов показал, что при увеличении влажности с 12% до 20% прогибы балки в сравнении с базовым вариантом увеличился в 1,12 раза. Также с увеличением влажности за счет уменьшения модуля упругости древесины происходит количественное перераспределение нормальных напряжений, действующих в стенках и поясах, при этом качественная картина эпюр напряжений сохраняется. В сравнении с базовым вариантом нормальные напряжения в профлисте увеличились на 13,2% при одновремен-

ном уменьшении нормальных напряжений в верхнем поясе на 7,2% и в нижнем поясе на 8,8 %. В связи с этим изменение влажности в инженерной методики расчета необходимо учитывать путем введения корректировочных коэффициентов Кк к расчетному сопротивлению стали и Кж к модулю упругости древесины, которые будут зависеть от величины эксплуатационной влажности древесины.

С целью изучения действительной работы предлагаемых конструкций, их элементов и соединений, выявления степени достоверности результатов численных исследований, проверки выдвинутых при проектировании гипотез, обоснованности усовершенствованных методик расчета были проведены статические испытания балок пролетом 3,0 м (две конструкции ДМБ-3-1 и ДМБ-3-2) и 5,0 м (три конструкции). Кратковременным испытаниям были подвержены все изготовленные балки. На действие длительных нагрузок была испытана одна балка пролетом 5,0 м. Методика и анализ результатов экспериментальных исследований приведены в четвертой главе.

Расчетная схема испытываемых конструкций представляла из себя балку, имеющую с одной стороны шарнирно-подвижную, с другой - шарнирно-неподвижную опоры.

Для получения действительной картины работы деревометаллических балок под нагрузкой при проведении испытаний измеряли основные деформации системы прогибомерами 6ПАО-ЛИСИ и индикаторами часового типа с ценой деления шкалы 0,01 мм и 0,001мм, а также фибровые деформации тен-зорезисторами с базой 12 мм. В качестве регистрирующего устройства использовалась микропроцессорная многоканальная тензометрическая система ММТС-64, которая обеспечивала время снятия отсчетов не более 1 секунды. Всего на каждой испытываемой балке пролетом 3,0 м (5,0 м) было установлено 34 (42) тензорезистора, 7 (7) прогибомеров, 28 (28) индикаторов с ценой деления 0,01 мм, 2 (2) индикатора с ценой деления 0,001 мм. Нагрузку прикладывали к верхнему поясу при помощи гидравлических домкратов и шар-нирно опертых траверс с одной подвижной катковой опорой, при помощи которых усилие от домкратов передали на балку в виде сосредоточенных сил в третях пролета конструкции (балки пролетом 3,0 м) или в восьми точках, равномерно расположенных по пролету (балки пролетом 5,0 м).

Нагружение балок производили до расчетных нагрузок ступенями, равными 0,2 Ррасч После завершения первых испытаний балки разгружали и выдерживали перед проведением следующих не менее 3 суток. После трехкратного испытания балок расчетными нагрузками конструкции доводили до разрушения, при этом нагрузку также увеличивали такими же ступенями в соответствии с ранее принятой схемой. Всего в ходе проведения кратковременных экспериментальных исследований было проведено 19 испытаний.

При проведении испытаний на действие длительной нагрузки и установления действительной работы балки и ее отдельных элементов измеряли прогибы балки в середине и третях пролета, осадки опор, изменение длины пролета, прогибы и выгибы стенки в наиболее напряженных отсеках. Для определения вышеуказанных деформаций, а также для сопоставления результатов испы-

Рисунок 3 - Общий вид момента испытаний: а - балка пролетом 3,0 м; б - балка пролетом 5,0 м.

таний, комплектность и расстановка механических приборов при кратковременных и длительных испытаниях были полностью идентичны. Измерение фибровых деформаций элементов балки при длительных испытаниях не проводили в связи с изменением модуля упругости древесины и стабильности показаний тензометрической системы ММТС-64.01 с течением времени.

Нагружение балки осуществляли непрерывно до достижения нагрузки расчетной величины. Нагрузку создавали системой гидравлических домкратов и траверс при помощи насосной станции, при этом нагрузку передавали на верхний пояс балки в виде сосредоточенных сил в восьми точках, что полностью соответствовало схеме загружения балки при проведении кратковременных испытаний. Отсчёты с приборов снимали 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 проведении испытания постоянно осуществляли контроль за величиной нагрузки (давлением в насосной станции) и температурно-влажностным режимом в помещении (первые три дня - постоянное дежурство и подкачка давления при его падении на величину не более 5% от заданной величины, следующие десять дней - контроль давления в гидравлической системе через каждые шесть часов, далее -через каждые восемь часов).

В результате проведенных экспериментов выявлено, что при достижении нагрузкой расчетной величины (9,0 кН/м) максимальные значения прогибов балок пролетом 3,0 м в середине пролета составили 4,23 мм или 1/697 от расчетного пролета (рисунок 4 а). При нормативном значении нагрузки (6,6 кН/м) эти величины соответственно были равны 3,12 мм и 1/945Ь. Все величины прогибов были определены с учетом фактических значений осадок опор при этом в расчет вводили среднеарифметическое значение от измеренных величин. Также пропорционально росту нагрузки происходило увеличение горизонтальных деформаций стального листа в середине опорного отсека (рисунок 4 б), что свидетельствует об его упругой работе в пределах расчетных величин нагрузок. При расчетной нагрузке максимальная величина этой деформации составила 3,2 мм. Расхождения в показаниях для двух балок не превышали 9%.

Рисунок 4 - Прогибы балок пролетом 3,0м в середине и третях пролета (а) и горизонтальные деформации стального листа в середине опорного отсека (б)

Значение прогиба в середине пролета, определенного по программе «ЛИРА-9.2» при действии расчетной нагрузки с учетом податливости связей составило 5,12 мм, что на 21% больше соответствующего экспериментального значения. Данное расхождение можно объяснить тем, что при кратковременных испытаниях податливость связей не сказалась в полной мере, что фактически подтверждено результатами замеров величин сдвигов между профилированным листом и каркасом. Деформации сдвига между верхним поясом и стенкой в опорных сечениях при расчетном значении нагрузки не превышали величины 0,003 мм, что может быть объяснено тем, что забивке гвоздей в профилированном листе образовывался «вулканчик», который дополнительно препятствовал смещению профилированного листа относительно деревянного каркаса. Из-за незначительной толщины стенки (0,5...0,7 мм) автор счел целесообразным этот дополнительный положительный фактор не учитывать, что обеспечит некоторый запас прочности и жесткости конструкции. С другой стороны экспериментальное значение максимального прогиба в середине пролета балки 4,23 мм всего лишь на 6% больше теоретической величины 3,97 мм, полученной при проведении численных расчетов при кратковременной нагрузке без учета податливости связей. Этот факт подтверждает адекватность принятой в численных исследованиях расчетной модели и полученных теоретических результатах.

Характер распределения нормальных напряжений в стенке в середине пролета балки показан на рисунке 5. Как видно из рисунка, стенка из стальных профилированных листов с продольной ориентацией гофров практически полностью включается в общую работу балки, тем самым увеличивая её прочность и жесткость. При этом в зоне крепления стенки к поясам при помощи гвоздей наблюдается некоторое падение значений напряжений, что можно объяснить локальными точками крепления листа к поясам, за счет чего

Рисунок 5 - Характер распределения нормальных напряжений в профилированном листе в середине пролета балки Ь=3,0 м

и происходит такое снижение. Предполагая, что характер распределении нормальных напряжений в стенке соответствует элементарной теории поперечного изгиба и, сравнивая теоретические эпюры с экспериментальными данными, можно рассчитать корректировочный коэффициент, учитывающий изменение нормальных напряжений в стенке в зоне ее крепления к поясам в меньшую сторону. Обработка опытных данных показала, что значение такого коэффициента составляет 0,92. Отметим, что рост напряжений во всех контролируемых точках, как и нарастание деформаций, происходил практически пропорционально росту нагрузки, что является дополнительным фактом, позволяющим утверждать об упругом характере деформирования балки при достижении нагрузкой расчетной величины.

Опытная конструкция балки ДМБ-3-1 разрушилась при нагрузке 12,0 кН/м, что в 1,33 раза превышает расчетную величину. Разрушение произошло из-за характерной потери устойчивости стенки в опорном отсеке у шарнирно неподвижной части, причем складки были расположены по нисходящей диагонали (рисунок 6 а). Балка ДМБ-3-2 разрушилась при нагрузке 12,6 кН/м, что в 1,40 раза превышает расчетную величину. Потеря устойчивости стенки в опорном отсеке проявилась меньше, что можно объяснить начавшимся процессом вырывания гвоздей из массива древесины в местах крепления профилированного листа к опорному вертикальному ребру и затем в зоне крепления стенки к верхнему поясу (рисунок 6 б). Полученный коэффициент безопасности для условий испытаний деревометаллической конструкции с учетом фактического характера разрушения (деформации стального профилированного листа) можно считать достаточным для гарантии эксплуатационной надежности предложенного типа балок. Отметим, что какие-либо разрушения деревянных поясов не наблюдались. Также сохранили целостность и узловые сопряжения ребер жесткости с поясами, что было подтверждено после демонтажа стенок и детального осмотра зон сопряжения ребер жесткости с поясами.

Рисунок 6 - Характер разрушения балок пролетом 3,0м из-за потери устойчивости стенки в опорном отсеке (ДМБ-3-1) и из-за деформаций гвоздей с последующим вырывом в опорной зоне (ДМБ-3-2)

Результаты испытаний балок пролетом 5,0 м по своему характеру были практически идентичны результатам, полученным для балок пролетом 3,0 м. Так, при достижении нагрузкой расчетной величины прогибы в середине пролета для балок ДМБ-5-1 и ДМБ-5-2 составили 10,24 мм или 1/481 от расчетного пролета, при этом разница деформаций двух балок не превышала величины 4%. Максимальный прогиб балки ДМБ-5-3 с уменьшенным в два раза шагом ребер жесткости у опор в середине пролета составил 9,54 мм, что на 6,8% меньше, чем у балок с постоянным шагом ребер на всем пролете.

Сравнение полученных теоретических и экспериментальных значений нормальных напряжений в стальной стенке и деревянных поясах балок при расчетной нагрузке приведено в таблице 2.

Таблица 2

Теоретические и экспериментальные значения нормальных напряжений в стенке и поясах балок пролетом 5,0 м при расчетной нагрузке (9,0 кН/м)

Элемент балки, середина пролета Теоретическое значение, МПа Экспериментальное значение, МПа Процент расхождения

Стенка, верхняя грань 193/196 208/210 7,7/7,1

Стенка, нижняя грань 195/199 213/217 9,2/9,0

Верхний пояс, верхняя грань 10,5/10,3 10,1/9,7 3,8/5,8

Нижний пояс, нижняя грань 10,7/10,4 10,3/9,8 3,7/5,8

Примечание. В таблице через дробь приведены значения для балок ДМБ-5-1 и ДМБ-5-2 (в числителе) и для балки ДМБ-5-3 (в знаменателе).

Опытная конструкция балки ДМБ-5-1 разрушилась при нагрузке 12,8 кН/м, а балки ДМБ-5-2 - 12,4 кН/м, что в 1,42 и 1,38 раза превышает расчетную величину. Процесс разрушения в первой и второй балках был идентичным и сопровождался падением давления в гидравлической системе и при восстановлении его непрерывным ростом деформаций балки, при этом в опор-

ных сечениях происходило выпучивание гофров профилированного листа из плоскости балки с выдергиванием крепежных гвоздей из опорного вертикального ребра жесткости и приопорных зон поясов. Балка ДМБ-5-3, испытанная трехкратно до расчетных нагрузок, была выдержана в течении 10 суток и поставлена на длительные испытания (03.05.2011г.).

При длительных испытаниях наиболее интенсивное нарастание прогиба балки в третях и в середине пролета наблюдалось в первые 15 суток, в следующие 15 суток скорость нарастания деформаций заметно падала, а в последние 90 суток испытаний значение прогиба практически не изменялось. Максимальный прогиб в середине пролета, за период наблюдений, составил 14,85 мм или 1/332 пролета, таким образом, его величина возросла по сравнению с кратковременным в 1,45 раза. Аппроксимация полученного графика позволила получить формулу для определения прогибов деревометаллических балок со стенкой из стальных профилированных листов, включенных в общую работу конструкции, в любой расчетный период эксплуатации:

Опытная конструкция балки была выдержана под расчетной нагрузкой £/=9,0 кН/м в течение 120 суток. За время наблюдений каких-либо признаков разрушений элементов и соединений балки не обнаружено. В целом, характеристики деформативности конструкции не превысили предельно допустимых значений, что подтверждает её надежность при воздействии длительно действующих нагрузок.

В пятой главе изложены рекомендации по конструированию, расчету и изготовлению разработанных деревометаллических балок со стенкой из стальных профилированных листов с горизонтальной ориентацией гофров. Инженерный расчет можно выполнять по методу приведенного сечения с введением корректировочных коэффициентов, учитывающих характер распределения нормальных напряжений в стенке, податливость связей, длительность действия нагрузки и температурно-влажностные условия эксплуатации.

Также в пятой главе отражены результаты технико-экономического анализа разработанных балок в сравнении с известными аналогичными конструкциями: клеедощатые балки, клеефанерные балки с плоской и волнистой стенками, стальные балки с гофрированной стенкой. Технико-экономическая оценка проводилась по таким показателям, как расход материала, масса конструкции, трудоемкость изготовления и стоимость конструкции.

Применение предлагаемых деревометаллических балок обеспечивает сокращение трудоемкости изготовления на 15...28 %, а экономия стоимости «в деле» в сравнении с рассмотренными аналогами достигает 32,4%, при этом стоимость «в деле» предложенной балки пролетом 9,0 м, рассчитанную под погонную нагрузку до 9,0 кН/м, определенная в ценах 2013 года для строительства на территории Оренбургской области, составила 13100 рублей.

(7)

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

Проведенные теоретические и экспериментальные исследования дере-вометаллических балок со стенкой из стальных профилированных листов позволяют сделать следующие основные выводы.

1. Дальнейшее совершенствование балочных конструкций на основе древесины, обеспечивающее высокий уровень экономии материала и себестоимости при минимальных капитальных вложениях, возможно за счет применения деревометаллических балок со стенкой из стальных профилированных листов, которая включается в общую работу конструкции за счет ориентации гофров вдоль пролета балки.

2. Разработаны новые типы технологически унифицированных дерево-металлических балок, у которых за счет включения стальной профилированной стенки в совместную работу с деревянным каркасом достигнуто повышение момента инерции поперечного сечения на 37,5 - 45,7% в зависимости от габарита балки и типа примененного профилированного листа. Новизна конструктивных решений защищена патентами РФ на изобретение и полезную модель.

3. Анализ напряженно-деформированного состояния разработанных конструкций, выполненный на базе проведенных численных исследований, позволил установить степень влияния различных факторов на характер распределения напряжений в деревянных поясах и стальных стенках и деформа-тивность балок, которую необходимо учитывать в инженерных расчетах:

- длительность действия нагрузки и податливость соединений приводит к увеличению прогибов в 1,92 раза, а также вызывает эффект перераспределения нормальных напряжений, действующих в стальных стенках и деревянных поясах при сохранении качественной картины эпюр напряжений;

- тип примененного профилированного листа и его толщина существенно влияют на прочность и жесткость балок, что можно учесть полученными соответствующими математическими моделями;

- для обеспечения устойчивости стенки до достижения конструкцией предельного состояния достаточно принимать отношение шага ребер жесткости к высоте балки не более 1,2;

- местная потеря устойчивости в профилированном листе в верхней сжатой зоне между креплениями стенки к поясу не оказывает практического влияния на прочность и жесткость балок и может не учитываться в инженерных расчетах;

- изменение температуры эксплуатации до 35°С в практических расчетах балок можно не учитывать, изменение влажности до 20% приводит к увеличению напряжений в стенке и прогибов балки, что необходимо учитывать путем введения корректировочных коэффициентов К„ = 0,75 к расчетному сопротивлению стали и Кж = 0,65 к модулю упругости древесины.

4. В результате проведенных экспериментальных исследований выявлены:

- действительное распределение напряжений в деревянных поясах и

стальной стенке, при этом стенка в случае горизонтальной ориентации гофров должна учитываться при определении геометрических характеристик поперечного сечения балки с коэффициентом 0,92;

- достаточные несущая способность и жесткость разработанных конструкций и их отдельных элементов при действии как кратковременных, так и длительных нагрузок;

- эмпирическая формульная зависимость, позволяющая определить фактический прогиб балки в любой расчетный период эксплуатации;

- удовлетворительная сходимость результатов экспериментальных и теоретических исследований (в пределах 12% для величин напряжений и 19% для значений прогибов).

5. Результаты изготовления опытных натурных конструкций показали высокую степень их технологичности, а также возможность производства таких конструкций на действующих деревообрабатывающих заводах без какой-либо существенной переналадки существующих технологических линий.

6. Выполненный сравнительный анализ разработанных конструкций свидетельствует о технико-экономической целесообразности применения деревометаллических балок в строительной практике. Экономия стоимости «в деле» в сравнении с известными аналогами достигает 32,4%, трудозатрат на изготовление - 15 - 28% в зависимости от примененного в проекте аналога.

7. С использованием результатов экспериментально-теоретических исследований разработаны рекомендации по конструированию, расчету и изготовлению деревометаллических балок со стенкой из стальных профилированных листов с горизонтальной ориентацией гофров.

Основные положения диссертации опубликованы:

- в изданиях, рекомендуемых ВАК:

1. Калинин, C.B. Новые конструктивные решения крупноразмерных плит на основе древесины [Текст] / C.B. Калинин, П.А. Дмитриев, Г.И. Гре-бенюк, В.И. Жаданов // Вестник Оренбургского Государственного университета, 2004,-№2. -С. 177-181.

2. Жаданов, В.И. Новые конструктивные решения деревометаллических балок со стенкой из стальных профилированных листов [Текст] / В.И. Жаданов, C.B. Калинин // Вестник Оренбургского Государственного университета, 2006.-№ 12.-С. 480-486.

3. Калинин, C.B. Экспериментальные исследования деревометаллических балок со стенкой из стального профилированного листа при поперечном изгибе [Текст] / C.B. Калинин, В.И. Жаданов // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета, 2012. - № 3. - 117-125.

4. Калинин, C.B. Особенности напряженно-деформированного состояния деревометаллических балок со стенкой из стальных профилированных листов [Текст] / C.B. Калинин, В.И. Жаданов, Украинченко Д.А., Лисов C.B.

// Вестник Оренбургского государственного университета, 2012. - №9. -С. 184-190.

5. Жаданов, В.И. Деревометаллические балочные конструкции со стенкой из стального профилированного листа [Текст] / В.И. Жаданов, C.B. Калинин // Известия ВУЗов. Строительство, 2012. - № 6. - С. 90-96.

- патенты РФ на изобретения:

6. Патент № 2276239 Российская Федерация, МПК Е04С 3/07. Балка [Текст] / Дмитриев П.А., Жаданов В.И., Калинин C.B.; заявитель и патентообладатель Оренбургский государственный университет. - № 2004132315/03; заявлен 04.11.2004; опубл. 10.05.2006, Бюлл. № 13. - 6 с.

7. Патент № 54062 Российская Федерация, МПК Е04С 3/12. Деревянная балка [Текст] / Жаданов В.И., Калинин C.B., Тисевич Е.В.; заявитель и патентообладатель AHO НТП Оренбургского государственного университета (AHO НТП «Технопарк ОГУ»). - №2006102332/22; заявлен 26.01.2006; опубл. 10.06.2006, Бюлл. № 16. - 1 с.

- в других изданиях:

8. Калинин, C.B. Эффективные конструкции крупноразмерных плит и панелей на основе древесины и древесных материалов для зданий и сооружений [Текст] / C.B. Калинин, В.И. Жаданов // III международная научно- техническая конференция «Эффективные строительные конструкции: теория и практика». - Пенза, 2004. - С. 200-202.

9. Калинин, C.B. Деревометаллическая балка пролетом до 6,5 м. [Текст] / C.B. Калинин // Информационный листок. Оренбург: Оренбургский ЦНТИ, 2004. - № 50-004-04. - 3 с.

10. Калинин, C.B. Деревометаллическая балка пролетом до 12,0 м. [Текст] / C.B. Калинин // Информационный листок. Оренбург: Оренбургский ЦНТИ, 2004. - № 50-019-04. - 3 с.

11. Калинин, C.B. Деревометаллические балки с тонкой гибкой стенкой и конструкции на их основе [Текст] / C.B. Калинин, В.И. Жаданов, Е.В. Тисевич // Сборник статей молодых ученых №5. - Оренбург, 2005. - С.253-259.

12. Жаданов, В.И. Ресурсо- и энергоминимизационные современные крупноразмерные конструкции на основе древесины [Текст] / В.И. Жаданов, C.B. Калинин, Е.В. Тисевич // Сборник статей IV Международной технической конференции. - Пенза, 2005. - С. 163-165.

13. Калинин, C.B. Деревометаллическая балка из цельной древесины с подкрепляющими ребрами [Текст] / C.B. Калинин, В.И. Жаданов // Информационный листок. - Оренбург: Оренбургский ЦНТИ, 2005. - №50-039-05. - 3 с.

14. Калинин, C.B. Применение комбинированных конструкций один из путей повышения эффективности строительства [Текст] / C.B. Калинин, В.И. Жаданов, Е.В. Тисевич // Сборник научных трудов ІП-Международной научно-технической конференции «Современные проблемы совершенствования и развития металлических, деревянных, пластмассовых конструкций в строительстве и на транспорте». - Самара, 2005. - С. 114-118.

15. Жаданов, В.И. Деревометаллические балки с тонкой гибкой стенкой и конструкции на их основе [Текст] / В.И. Жаданов, C.B. Калинин // Сборник научных трудов «Современные строительные конструкции из металла и древесины». - Одесса, 2005. - С. 40-44.

16. Калинин, C.B. Комбинированные конструкции на основе древесины и металлов [Текст] / C.B. Калинин, В.И. Жаданов, Е.В. Тисевич // Материалы 4-й международной научной конференции. - Москва, 2005. - С. 111-115.

17. Калинин, C.B. Деревометаллические балки с тонкой гибкой стенкой и конструкции на их основе [Текст] / C.B. Калинин, Е.В. Тисевич // Вестник Красноярской государственной архитектурно-строительной академии. -Красноярск, 2005. - С. 98-103.

18. Калинин, C.B. Экспериментальные исследования деревометалличе-ских балок со стенкой из стального профилированного листа [Текст] / C.B. Калинин // Сборник научных трудов «Современные строительные конструкции из металла и древесины». - Одесса, 2006. - С. 66-69.

19. Калинин, C.B. Совмещенные ребристые плиты и панели на основе древесины для быстровозводимых зданий и сооружений [Текст] / C.B. Калинин,

B.И. Жаданов, Е.В. Тисевич // Сборник научных трудов «Современные строительные конструкции из металла и древесины». - Одесса, 2006. - С. 79-84.

20. Калинин, C.B. Деревометаллические балки как один из путей повышения эффективности строительства [Текст] / C.B. Калинин, В.И. Жаданов // Сборник статей V международной научно- технической конференции «Эффективные строительные конструкции: теория и практика». - Пенза, 2006. -

C. 137-139.

21. Калинин, C.B. Экспериментальные исследования деревометалличе-ских балок со стенкой из стального профилированного листа при поперечном изгибе [Текст] / C.B. Калинин // Сборник статей VI Международной научно-технической конференции. - Пенза, 2007. - С. 66-69.

22. Калинин, C.B. Разработка и исследование деревометаллических балок со стенкой из стальных профилированных листов [Текст] / C.B. Калинин // Материалы 69-й Всероссийской научно-технической конференции По итогам НИР 2011 г. - Самара, 2012. - С. 383-387.

23. Столповский, Г.А. Соединения деревянных элементов на стальных витых стержнях, забитых скоростными способами [Текст] / Г. А. Столповский, C.B. Калинин, Е.В. Тисевич // Всероссийская научно-методическая конференция «Университетский комплекс как региональный центр образования, науки и культуры». - Оренбург, 2013. - С. 516-519.

24. Калинин, C.B. Особенности учета температурно-влажностных воздействий при расчете соединений деревянных конструкций со стальной обшивкой [Текст] / C.B. Калинин, C.B. Лисов, И.И. Лисицкий // Материалы международной научно-практической конференции. «Актуальные проблемы строительного и дорожного комплексов». - Йошкар-Ола, 2013. - С. 135-138.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «ОРЕНБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

04201 364190

На правах рукописи

КАЛИНИН Сергей Владимирович

ДЕРЕВОМЕТАЛЛИЧЕСКИЕ БАЛКИ СО СТЕНКОЙ ИЗ СТАЛЬНЫХ ПРОФИЛИРОВАННЫХ ЛИСТОВ

Специальность 05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель — доктор технических наук, профессор В.И. Жаданов

Оренбург - 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ........................................................................ 4

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ......... 12

1.1 Общие сведения........................................................ 12

1.2 Анализ конструктивных решений балок........................ 14

1.2.1. Балки из однородных материалов....................... 14

1.2.2. Балки из разнородных материалов...................... 18

1.3 Способы соединения стального листа с деревянным

24

каркасом................................................................

1.4 Теоретические и экспериментальные работы по оценке напряженно-деформированного состояния балок с гибкими стенками................................................................. ^

1.5 Пути совершенствования балочных конструкций на основе древесины с тонкой стенкой........................................

1.6 Выводы по первой главе. Постановка задач исследования... 38

2 РАЗРАБОТКА НОВЫХ ТИПОВ ДЕРЕВОМЕТАЛЛИЧЕСКИХ БАЛОК СО СТЕНКОЙ ИЗ СТАЛЬНЫХ ПРОФИЛИРОВАННЫХ ЛИСТОВ......................................................................... 40

2.1 Общие положения, принятые при разработке опытных конструкций............................................................

2.2 Описание предложенных конструктивных решений......... 43

2.2.1 Новые типы деревометаллических балок............... 43

2.2.2 Способы соединения стального профилированного листа с деревянным каркасом............................. ^

2.2.3 Примеры конструкций на основе деревометаллических балок.................................................. ^

2.3 Область применения предложенных конструктивных форм 64

2.4 Выводы по второй главе............................................. 68

3 ЧИСЛЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И АНАЛИЗ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ РАЗРАБОТАННЫХ КОНСТРУКЦИЙ.............................................................. 70

3.1 Обзор методов расчета строительных конструкций с применением стального профилированного листа..................

3.2 Цель и задачи численных исследований.......................... 72

3.3 Методика численных исследований деревометаллических балок с учетом работы стального профилированного листа

3.4 Анализ влияния различных факторов на напряженно-деформированное состояние предложенных конструктивных форм

3.4.1 Длительность действия нагрузки и податливость крепления стенок к каркасу................................................................^

3.4.2 Геометрия и толщина профилированного листа стенки..........................................................

3.4.3 Шаг поперечных ребер жесткости............................................91

3.4.4 Температурно-влажностные воздействия............................95

3.5 Выводы по третьей главе........................................................................................99

4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДЕРЕВОМЕТАЛ-ЛИЧЕСКИХ БАЛОК..................................................................................................................100

4.1 Цель и задачи исследований................................................................................100

4.2 Методика испытания................................................................................................101

4.2.1 Опытная конструкция балки пролетом 3,0 м....................101

4.2.2 Опытная конструкция балки пролетом 5,0 м....................108

4.2.3 Длительные испытания балки пролетом 5,0 м..................113

4.3 Анализ результатов кратковременных испытаний........................114

4.3.1 Результаты испытаний деревометаллических балок пролетом 3,0 м................................................................................................^ 5

4.3.2 Результаты испытаний деревометаллических балок пролетом 5,0 м..............................................................................................122

4.4 Результаты длительных испытаний деревометаллической

балки пролетом 5,0 м..................................................................................................128

4.5 Выводы по четвертой главе..................................................................................132

5 РЕКОМЕНДАЦИИ ПО КОНСТРУИРОВАНИЮ, РАСЧЕТУ И ИЗГОТОВЛЕНИЮ ДЕРЕВОМЕТАЛЛИЧЕСКИХ БАЛОК СО СТЕНКОЙ ИЗ СТАЛЬНЫХ ПРОФИЛИРОВАННЫХ ЛИСТОВ

И ИХ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ............133

5.1 Общие положения........................................................................................................133

5.2 Материалы............................................................................................................................133

5.3 Конструирование и расчет....................................................................................134

5.4 Меры защиты......................................................................................................................146

5.5 Технология изготовления деревометаллических балок................147

5.6 Технико-экономическая эффективность применения деревометаллических балок в строительстве............................

5.7 Выводы по пятой главе............................................................................................156

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ....................................................................................................................157

ЛИТЕРАТУРА............................................................................................................................................160

ПРИЛОЖЕНИЕ. Справки о внедрении результатов работы............................175

ВВЕДЕНИЕ

При расходовании на нужды строительства огромных объемов материальных и энергетических ресурсов повышение эффективности их использования приобретает существенное значение и становится важной народнохозяйственной проблемой. Одним из путей решения этой проблемы является широкое внедрение в строительную практику легких конструкций из различных конструкционных материалов. Применение их позволяет успешно решать задачи снижения веса, трудоемкости изготовления и стоимости сооружения, повышения эффективности капиталовложений в строительстве / 11, 27, 60, 76 /.

Среди несущих конструкций зданий и сооружений наибольшее применение находят элементы, работающие по балочной схеме. Несмотря на огромный опыт эксплуатации таких конструкций, традиционность их типов, до настоящего времени внимание исследователей не ослабевает к совершенствованию конструктивной формы балочных элементов и данный вопрос не перестает быть актуальным. Анализ последних достижений в области строительной науки показал, что традиционное развитие конструкций из мономатериала (бетон, металл, дерево, конструкционные пластмассы) практически исчерпало себя. Их совершенствование позволяет сэкономить не более 10% материала, в то время как есть потребность в гораздо большей экономии. Достичь её можно, развивая комбинированные конструкции из разномодульных элементов, но не путем их простой комбинации, а на основе творческой композиции, обеспечивающей эффективное использование полезных свойств каждого из применяемых материалов / 4, 6, 29, 30, 34, 36, 49, 75, 83, 100, 102, 111 /. Это позволяет достичь более высокого уровня снижения материалоемкости, трудозатрат и себестоимости при изготовлении конструкций, уменьшения эксплуатационных расходов.

Так, например, широкое применение в строительстве находят различные сталежелезобетонные фермы, деревобетонные конструкции, клеефанерные балки с плоской или волнистой стенками, со стенками из древесностружечных и цементностружечных плит. При всех их достоинствах в сравнении с кон-

струкциями из мономатериалов, известные конструктивные решения нельзя признать совершенными, так как их использование связано либо со значительной трудоемкостью изготовления и сложностью сборки, либо с большим расходом материалов при ограниченной несущей способности. В связи с вышеизложенным разработка новых конструктивных форм балок из разномо-дульных элементов, отвечающих требованиям современного производства и обеспечивающих минимальный расход материала при одновременном использовании всех положительных свойств материалов, входящих в конструкцию, является на современном этапе актуальной.

Настоящая диссертационная работа посвящена разработке и исследованию деревометаллических балок со стенкой из стальных профилированных листов, включенной в общую работу конструкции. Актуальность выбранного направления также обусловлена:

- отсутствием эффективных технических решений деревометаллических балок со стенкой из стальных профилированных листов, включенной в общую работу конструкции;

- целесообразностью применения таких конструкций для строительства быстровозводимых зданий, в том числе в районах со сложными грунтовыми условиями и в сейсмоопасных районах;

- недостаточной степенью экспериментально-теоретических исследований аналогичных конструкций и отсутствием каких-либо нормативных документов, регламентирующих конструирование, расчет и изготовление деревометаллических балок со стенкой из стальных профилированных листов.

Представленные в настоящей работе исследования направлены на решение проблемы совершенствования комбинированных строительных конструкций и повышения их технико-экономической эффективности в соответствии с федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы, программное мероприятие «Проведение научных исследований под руководством докторов наук» (соглашение № l'4.U02.21.0129). Также разработанная тема входит в план гос-

бюджетных научно-исследовательских работ кафедры строительных конструкций Оренбургского государственного университета «Исследования прочности, устойчивости и износа конструкций зданий и сооружений» (№Г.Р.01990000100, код темы по ГРНТИ:67.11.37.67.11.41).

Цель работы: разработка и исследование новых конструктивных форм деревометаллических балок со стенкой из стальных профилированных листов, включенной в общую работу конструкции.

В процессе реализации рассматриваемой комплексной проблемы поставлены и решены следующие взаимосвязанные задачи:

- обобщить и проанализировать отечественный и зарубежный опыт конструкторских разработок в направлении предпринятых автором исследований;

- разработать конструкции деревометаллических балок со стенкой из стальных профилированных листов, включенной в общую работу конструкции;

- провести численные исследования напряженно-деформированного состояния деревометаллических балок с учетом длительности действия нагрузки, податливости связей, конструктивных особенностей и температурно-влажностных условий эксплуатации;

- провести экспериментальные исследования натурных образцов балок для оценки достоверности результатов численных исследований, а также для изучения действительного характера работы предложенных конструктивных форм под нагрузкой и отработки технологических аспектов;

- определить технико-экономическую эффективность применения разработанных конструкций в зданиях различного назначения;

- дать рекомендации по конструированию, расчету и изготовлению деревометаллических балок со стенкой из стальных профилированных листов;

- результаты выполненной работы внедрить в строительную практику и учебный процесс.

Объект исследования - деревометаллические балки со стенкой из стальных профилированных листов.

Предмет исследования - напряженно-деформированное состояние предложенных конструктивных форм с развитием методики расчета и рекомендаций по их проектированию.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- разработаны новые типы деревометаллических балок со стенкой из стальных профилированных листов, включенной в общую работу конструкции (новизна опытно-конструкторских разработок подтверждена патентами РФ на изобретение № 2276239 и на полезную модель №54062);

- установлены закономерности влияния длительности действия нагрузки, податливости связей, конструктивных особенностей балок и температур-но-влажностных условий эксплуатации на напряженно-деформированное состояние разработанных конструктивных форм;

- разработана методика расчета деревометаллических балок со стенкой из стальных профилированных листов, включенной в общую работу конструкции, позволяющая адекватно оценить их фактическое напряженно-деформированное состояние;

- получены новые экспериментальные данные, подтверждающие достоверность установленных закономерностей и основных положений методики расчета, а также в достаточно полной мере отражающие действительную работу разработанных типов балок при действии эксплуатационных нагрузок.

Практическая ценность работы заключается:

- в разработке новых типов деревометаллических балок для использования в покрытиях зданий и сооружений различного назначения, включающей выполнение альбомов рабочих чертежей;

- в создании инженерного метода расчета предлагаемых деревометаллических балок с учетом включения стенки в общую работу конструкции, а также рекомендаций по их проектированию и изготовлению;

- в возможности повысить при применении разработанных конструкций эффективность капитальных вложений, снизить материалоемкость и трудозатраты по сравнению с традиционными деревянными конструкциями, что до-

стигается за счет включения стенки в общую работу балок, технологической унификации и максимальной степени заводской готовности.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности. В соответствии с формулой специальности 05.23.01 «Строительные конструкции, здания и сооружения» в рамках диссертации разработаны новые типы дерево-металлических балок со стенкой из стальных профилированных листов и методика их расчета. Диссертация содержит научно-технические исследования и разработки в области рационального проектирования балочных конструкций, основанные на современных экспериментально-теоретических методах. Отраженные в диссертации научные положения соответствуют пунктам 1, 3 области исследования специальности 05.23.01 «Строительные конструкции, здания и сооружения»:

Пункту 1 «Обоснование, исследование и разработка новых типов несущих и ограждающих конструкций зданий и сооружений» соответствует разработка и экспериментально-теоретические исследования новых конструктивных решений деревометаллических балок со стенкой из стальных профилированных листов.

Пункту 3 «Создание и развитие эффективных методов расчета и экспериментальных исследований вновь возводимых, восстанавливаемых и усиливаемых строительных конструкций, наиболее полно учитывающих специфику воздействий на них, свойства материалов, специфику конструктивных решений и другие особенности» соответствует разработка методики расчета и проведения экспериментальных исследований деревометаллических балок со стенкой из стальных профилированных листов, разработка рекомендаций по их проектированию и изготовлению.

На защиту выносятся:

- новые конструктивные решения деревометаллических балок со стенкой из стальных профилированных листов, включенной в общую работу конструкции, для покрытий зданий и сооружений различного назначения;

- результаты экспериментально-теоретических исследований напряжен-

но-деформированного состояния разработанных балок с учетом длительности действия нагрузки, податливости связей, конструктивных особенностей и температурно-влажностных условий эксплуатации;

- методика расчета предложенных новых типов деревометаллических балок с учетом включения стенки в общую работу конструкции;

- результаты технико-экономической оценки разработанных балок, а также рекомендации по их проектированию и изготовлению.

Внедрение результатов работы:

- предложенные деревометаллические балки нашли применение в проектах: малоэтажных жилых домов, зданий и сооружений сельскохозяйственного назначения, складов и стоянок, реконструкции зданий путем их надстройки (всего 6 объектов);

- материалы исследований и альбомы рабочих чертежей разработанных конструкций переданы для внедрения по запросу Министерству строительства, жилищно-коммунального и дорожного хозяйства Оренбургской области;

- рабочие чертежи разработанных балок переданы по запросам в строительные организации и проектные институты: ЗАО «Оренбургоблграждан-строй», ООО «Технология» (г. Оренбург), ОАО «Красноярскгражданпроект», ОАО «КумАПП» (г. Кумертау);

- материалы исследований включены в разделы специального курса «Индустриальные конструкции на основе древесины для строительства быст-ровозводимых зданий и сооружений», которые читаются студентам специальностей «Промышленное и гражданское строительство» и «Городское строительство и хозяйство» Оренбургского государственного университета и инженерно-строительного института Сибирского федерального университета (г. Красноярск).

Обоснованность и достоверность положений и выводов диссертации обеспечена корректностью постановки задач, согласованностью данных о напряженно-деформированном состоянии разработанных балок, полученных в результате численных исследований, проведенных с использованием апроби-

рованного и широко применяемого программного комплекса «ЛИРА-9.2» и экспериментальных исследований, выполненных на натурных конструкциях с применением дублирующих методов определения эксперимент