автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Деревянные конструкции на основе составных элементов с соединениями на наклонных металлических стержнях без применения клея

г О Л

I : ,1 ■■!

ГОССТРОЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

" ! / г Г

ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ЦЕНТРАЛЬНЫЙ НАУЧНОтИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИП И ПРОЕКТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫИ

ИНСТИТУТ

КОМПЛЕКСНЫХ ПРОБЛЕМ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ И СООРУЖЕНИИ имени В.А.КУЧЕРЕНКО (ЦНИИСК ИМ. В.А.Кучврвнко)

УДК 624.011.11624 078 На правах рукописи

Канд. техн. наук Линьков Владимир Иванович

ДЕРЕВЯННЫЕ КОНСТРУКЦИИ НА ОСНОВЕ СОСТАВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ С СОЕДИНЕНИЯМИ НА НАКЛОННЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СТЕРЖНЯХ БЕЗ ПРИМЕНЕНИЯ КЛЕЯ

Специальность QS.23.ei - Строительные конструкции,

здания и сооружения

Автореферат диссертации на соискании ученой степени доктора технически« наук

Москва, 1994

Рабата выполнена в ордена трудового Красного Знамени Центральном научно- исследовательском и проектно—

жсперименталоьном институте комплексных пройдам строительных конструкций и сооружений имени В.А.Кучеренко и Московском Государственном Строительном Университета.

Официальные оппоненты« доктор технических наук, прооессор Москалеа Н.С. доктор технических наук, профессор Серое E.H. доктор технических наук« профессор

академик Академии Транспорта России Валуйских В.П. Ведущая организации - ГИПРОНИСЕЛЬХОЗ

Зажита состоится Ь^^б^Л 1994 г. d

на заседании специализированного Совета ft.033.04.dl по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора технических наук при ордена трудового Красного Знамени Центральном научно- исследовательском и проектно- экспоримзнтал-ьном институте комплексных , проблем строительных конструкций и сооружений имени В.А.Кучеренко по специальности 05.23.01 ~ Строительные конструкции, аданип и сооружения, по адресу! 109423, Москва, 2-я Институтская ул., 6.

С . диссертацией можно оонакомиться в ви&лиотека института.

Автореферат разослан

___ 1994 г.

Ученый секретарь специализированного Совета кандидат техн. теских наук

С.А.Воробьева

- ваз -

Дроаосмна яо/1йэгся естественным строительным ма\ «риалом и овллдаэт нвчастпани, которые не только дэлают во пригодной для изготовления несущих и ограядаищих конструкций, но м наделяют высокой конкурентной способность« среди другим строительных МЛ-тстрил/юв. Статистические денныа Госкомстата СССР покаэывамт, что СНГ занимает ведущее места а миро по наличия лосоя, овладей четвертой частьи мировых а&пасаа лесонасаждений. Иэ .ЗАО Мгрд.куЯ.м общего количества дреовскнм на долга СНГ приходится 33.9 млрд.куб.и . ,Рлсмирэнно применения явсосырьеоык ресурсов для лроиоаодстоа строител».них конструкций приобретает ва»нов народно- хоояйсгоснмао стачениэ.

Одним мо путай попьян^нип »овюктионости испоя.ооч»ния древесины в стреитольних конструкциях го штатеп оспоомио изготовления конструкций иг» целиной др сто осины - окантованных йреяен, брусьев, в том число иэ древесины /ачетвенмик пород осины, берегом, стоимость которых о сопоставимых ценах, как исходного сырья, в 1.Э-2 рааа нныо стоимости ойроэмых строгимик досок, используемых и конструкциям клгнгнмх.

На согодм|м®ии(* леп-<ь ггалокпнио сырьевой ваоы таково, что я производства поступает материал (пиловочник» длиной 4.3 и 6.в м диаметром 169-180 им я варимом отруйв, т.о. максимальный размер поперечного срчсмия йрус*, на который могут рассчитьтать проектировок и иэготооитиль - 153» 130 мм. Таким сгЛраосм |л»«ити конструкций ив цсе/п.ной дрсязясимы - оконтооанния «5рео»м, Срусьоп могут быть только составными — иа даух-треж слово, мадожмо соединенных между совой о единый пакет. Соединение на наклонных металлических стержни», ■ыпалнмтов с использованием ручного мвк»ииоирп»линаго инструмента, яалявтея одним иэ вариантов соединение!, поэеоллшмих реемть поставленную аадачу. Постановка наклонных мяталличвеких стержней «5оа применения клоп позволяет

осуществлять соединение элементов иа древесины повышенной - <ба~ лео 2О'/. - влажности.

Цел*.» на^триией Работы является расширенно применения лесных ресурсов» в строительства, расширенно групп« производителей строительных конструкций путей разработки системы конструкций из цельной древесины, с т.ч. с использованием древесины лиственных пород, с соединениями не наклонных металлическим етер-кмях бег» применения клея.

В процессе решения поставленной проблемы нами были выполнены следуими^ ¡задачи»

- обобщение исследований соединений деревянных элементов, опыта ик применения в конструкциях иа целиной и клааной древесины, в т.ч. соединений иа мамашино раегкзломеннных сояаик, екловннмх и ее3 кл»я$

- исследование, на образцах и в состепе конструкций матурвл&мм» размеров, работы соединения деревянных элементо® к* накломмам металлических стержнях «Звз применении клан, оценка его несущей способности и деформативности;

- совершенетроодыи» методики испытаний несимметричных соединений деревянных элементов, предложение одиночного одноерваного образца моаой конструкции?

- совершенствование методики обработки экспериментальных данный с использованием современных вычислительных средств, разработка специального пакета прикладных программ;

- оценка напряженно- деформированного состояния конструкций изгибаемых »лемвнтоп составного сечения с соединениями на наклонных металлических стержнях трех типов;

- разработка нормативно- технической и проектно- конструктор ской документации на конструкции с.соединениями на наклонны металлических стержнях без применения клея и здания на их осна

- oas -

OD.

flfltop г7 инос ит нд здпиту1

- раоудитаты испытаний на прочность и дсмрорматияность образцов совдинаний на наклонных металлически* стержнях кратковременной магруокой, в т.н. прядлЬмэния по сояарвн?нстоовани«в мятадики испытаний!

- результаты ¿ксперимонтального иссдедсаания прочности и дефор-мативиости соодкненип на ойрвзцах при длительном действии нагрузки]

- результаты разработки специального пакета прикладных npoi— pa км < ППП > для обработки 1КСГн*р«!КЕНТ»льмых данных на ПЭВМ типа IBM PC/XT/ATl

- роаудьтати жеперимантапииых и теаратичоскик исследований нзпряжемно-десормироэйммого состояния конструкций яэгибагмыи элементов составного еочэмнз и» трох слаез длиной ь и с сооди-нинияки нл накдонних могаллмчегских стержнях трах гипоа j

- раоультаты внедрения« разрайотиу нормативна- технической документации, BHOflpeHHfj о практику проектирования и строительстеа дегрео янных конструкций на оснопга составных элементен с соединениями на наклоним« металлических стврнняя боа применении кл<гя и оданий на их основа.

научная работы, состоит»

- о исследовании рквоты ссюдинчмий деревянных »демомто» ма наклонны « металлических стеркнях Goo примзнония клоп при испытаниях крлткоорс-м^ммаЯ нагрузкой ма овраэцах и о состава конструкций натуральных рапмграп|

- а установлении закономерностей изменения' прочности и доформа-тионости соединений дорваянных »лемвнтоа во орвм«зии (при длительном действии нагрузки);

- о »кепериментально-тэ'оретичвеком исследовании нлпряжегнио- да-

- Шй -

еормир ов амко г о состояния изгибаемых »лементов составного сече-иияи с соединениями на наклонных металлических стержнях беэ применения клея;

- в совершенствовании методики испытаний соединений деревянных элементов по несимметричной схеме - предложен новый тип образца;

- в разработке методики и специального программного обеспечения по обработке экспериментальных данных с помощью современных вычислительных средств ;

Практическое а^ачвние работы заключается»

- в предложении нового типа односрезного образца для испытания соединений деревянных элементов по несимметричной схеме, конструкция которого позволяет снизить материалоемкость и трудоемкость его изготовления, упростить методику проае/дания испытаний »• повысить, достоверность получаемых результатов;

- а создании программного обеспечения по комплексной ойрлЗотке экспериментальных данных, включающего графичесюче построения и численные методы математического анализа исследуемых величин;

- о разработке нормативно—технической и проэктно- конструкторской документации на конструкции из цельной древесины с соединениями на наклонных металлических стержнях без применения клея и здания на их основе.

Результаты исследований внедрены»

- в нормативна-техническую документами» - совместно с ОДК ЦНИ-ИСК им.В.А.Кучеренко разработаны Рекомендации по проектированию составных конструкций из цельной древесины с соединениями на наклонных металлических стержнях без применения клея}

- в проектно-конструкторскую документации - институтами ГИПРО-НИСельхоа, Кировагролромпраект . и ЦНИИСК им. В.А.Кучеренко при разработке типовых подстропильных деревянных■балок; при рааря-

ватке конструкции рамы пролетом 12 м в составе типового проекта 317-214.в "Навес для хранения сена емкость* 200 тонн. Каркас деревянный мз круглого ласа"} при разработка номенклатуры конструкций металлодсревянных распорных систем пролетом 9 и 12 м, форм шпренгельного типа пролетом 12 и 15 и, треугольных четырахпанельных' Ферм пролетом 16 и 21 м, колонн деревянных составных ЬысотоЙ 3 и 4.3 м; при разработка здания екла-да-навоса 1Й»18 м высотой до А м из составных деревянных конструкций С соединениями на НМС;

- о практику строительства агрофирмой—колхозом им. С.П.Кирова Еалашихинского района Московской области при осуществлении строительстоа здания склада-навеса;

- о учебном процесса на каввдрв КДиП МГСУ (быяш. МИСИ им.В.8.Куйбыиооа).

АПРОБАЦИЯ. Основные результаты работы были представлены в оиде докладов и тезисов <

- на ,41.VII межвузовской конференции МИСИ им. 8.0. Куййышеоа в 1791 г.,

на научно-практической конференции "Транспорт России! проблемы и пути их решения" (Суздаль, 1992 г.)}

- на заседании секции научно-технического Совета ОДК ЦНИИСК им. В.А.Кучеренко в 1992 г.

- на (заседании касадры КДиП МИСИ им. В.В.КуЛбышеаа в 1993 г.

ПУБЛИКАЦИИ. Основные положений диссертации опубликованы о десяти работах, из них четыре - о соавторство, а том число положительное решение ВНИМГПЭ Государственного патентного ведомства от 13.11.92 г. по заявке N 4942654/15 от 15.06.91 на получение патента на "Способ испытания образца мосиммотричного соединения деревянных элементов".

ОБъЕМ РАБОТЫ. Диссертация состоит из введения, восьми

глав, основных выводов, списка литературы и приложений. Оёкмй otSkGM работы 414 страниц, о т.ч. 109 рисунков, 67 таблиц и 2 страницы приложений. Список литературы состоит из 136 наименований, в т.ч. 12 - на иностранных языках.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ. .

Во введении обосновывается актуальность сыгранного напрао-лания, излагайтел цель работы, ев практической значение и научная новизна.

Псовая' глава посвящена оценке? состояния вопроса по созданию несущих и ограждающих конструкций из цельной дредосины, изучении и оценке несущей способности и деформативности соединений , постановке целей и задач мсслсдоаания.

Рассмотрены основные виды конструкций из цельной дрвоеси-ны, широкая номенклатура соединительнык элсментоз, применявшихся и применяемых до настоящего времени для индустриального и построечного изготовления цельнодвркипмних конструкций, болыаой вклад в развитие и изучение которым внесли отечественные ученыа Г.Г.Карлсен, B.C.Дереезгии, B.M.Kohehdq, U.E.Каган,

Г.В.Свенцицкий, .Ю.М.Иванов, Ю.В.Слицкоухоо, Г).А.Дмитриев. Рассмотрены современные виды соединений, о тон числе клеевые соединения, на основе которых организовано ¡заводское изготовление! клееных конструкций. Разработке, исследованию и технологии их изготовления посвящены работы Г.Г.Карлсена, Ю.В.Слицкоухоаа, Л.И.Ковальчука, А.С.фрейдина, By Ба Киема, E.H.Серова, Ю.Ц.Славика. Рассмотрены соединения на вклеенных стержнях, разработку, исследование и внедрение которых проводили Е.И.Светоэарова, .Е.Н.Серов, С.Б.Турковский, А.С.СреЙдин, Ж.Н.Оспансва, A.A.Погорельцев, а так же соединения на связях, в основе работы которых лежит принцип .дровности, — нагельные

пластины МЗГ1 и пластины системы КирПИ, вопросами изучения н применения который занимались А.К.Арлеминов, 13.В.Пискунов, Л.М.Ковальчук.

Одним из перспективных направлений, как показали исследования, проводимые в ОДК ЦНИИСК им. В.Л.Кучеренко и на кафедра КйиП МГСУ, являются соединения на наклонных стержнях. Рассмотрение отечественного и зарубежного опыта применения соединений с наклонным положением соединительных элементов показало, что положительный аффект от наклонного положения связей импот место о несущик и ограждающих конструкциях, а элементах крепления при навеске облицовочных паиэлой на стены и т.п. Эта послужило ос-нооянием для дальнейшей разработки эффективных соединений цель— нодеревянных элементов на наклонных металлических стержнпх <НМС) без клея с различными способами передачи усилий мегду стержнем и древесиной.

Основное внимание исследователей при испытаниях соединений деровпнных конструкций кратковременной нагрузкой направлено но изучение вопросов прочности соединения. В то же время несущая способность и девгарматионость составных деревянных элементов зависит от податливости связей сдвига. 3 работах В.Г.Писчикова, Г.3.Свенцицкого, В.М.Кононова, П.б.Плешкоеа, А. Р.Рханицына , поевименных теории составных стержней, жесткость связей учитывается коэффициентом, характеризующим их податливость. Податливость (или жесткость) связи определяет эксплуатационный ресурс составного элемента, выполненного на основе »тих связей, по условиям первого и второго предельных состояний и характеризуется деформациями взаимного сдвига соединяемых элементов в Функции сдвигающего усилия. Следовательно для соединений на податливых связях показателем исчерпания несущей способности в составе конструкции является достижение предельной.деформации, и оценку

- oía -

несущей способности таким соединений необходимо проводить не только по критерии прочности, но и по критерию да<рорматизности.

Развитию направления по созданию и исследования эффективных соединений на наклонных стержнях Cea клея и конструкций на их основе посвяшема настоящая работа.

Во второй главе дано описание методики проведения экспериментальных работ, подходов к обработке и анализу экспериментальных данных, а так же отработки технологии изготовления деревянных элементов составного сечения с соединениями на наклонным стержнях.

Исследования соединений и конструкций проводили в соответствии с Рекомендациями ЦНИИСК им. В.А.Кучеренко по испытанию деревянных конструкций и па испытанию соединений, разработанными д.т.н. проо>. Ю.М.Ивановым.

В целях разработки универсального оджзеразкого образца, который при уменьшении материалоемкости и трудоэмкасти изготовления и испытания мог бы с достаточной точностью отражать реальную картину работы соединения в конструкции натурных размеров, были проведены сравнительные испытания ойраэиоо одноервзных соединений с различным положением плоскости сдвига относительно направления действующего на образец усилил - под углом 0, 15, ЗО и 45 градусов. Расположение соединительного стеркня для все): рассматриваемых схем принято постоянным г- под углом 43 градусов к направлении» плоскости сплачивания образца. Схемы принятых к испытанию образцов представлены на рис. 1.а.

Испытания длительна действующей нагрузкой выполняли на одиночных одмосрезных образцах с положением плоскости сплачивала <сдпига> под углам 45 градусов относительно оси действия усилия. Испытания проводили при двух уровнях нагружения- 0.76 и ¡3.4 от нагрузки N»-u, полученной иэ испытаний трех образцов

кратковременной нагрузкой. Уровень нагружения 0.76 соответствовал расчетной несущей способности соединения из условия прочности, уровень 0.4 принят иа учета пластической работы соединения во времени. Время выдер «оси образцов под длительной нагрузкой - 1.5 года.

Разработку технологии изготовления деревянным элементов составного сечения балочного и стоечного типа с соединениями на наклонных стержням без клея, ее апробаци* и совершенствование проводили при изготовлении комплекта конструкций на аданио 10*18 и.

Конструкции, предназначенные для испытаний, имели размеры поперечного сечения 13в»43в мм, длину 6 м и представляли собой пакет из трех расположенных по высоте брусьев и окантованных бревен, объединенных ивяду собой с помощь» шести наклонных металлических стержней, оставленных в заранее просверленные отверстия по три стержня на каждом полупролете в оперных зонах конструкций. Для иоготовления конструкций использовали древесину хвойных (сосна, ель) и лиственных <осина) пород. Наклонные сопки выполняли из металлических стержней длиной 650 мм. Было применено три вида соединительных элементов« из арматурных сталей класса 0-11 диаметром 2В мм, класса Л-111 Диаметром 1Й мм и винтовых стержней с укрупненным шагом резьбы диаметром 20 мм. Закрепление концов стержней выполняли на шайбам в двух вариантах - на сварке и в виде шпилек с закреплением одного из концов заранее на сварке, а другого - с помощыэ гаек, о т.ч. использовалась арматура класса А-11I нового типа - винтового профиля (без продольного ребра). Конструкциям придавали строительный подъем 1/200 пролета. Конструкции стенда для изготовления, составного деревянного элемента, видов наклонных стержней и способов их крепления, схема испытаний представлены на рис. 1.6,в,г.

<Ь\ ЖЖШ :

Т1 ,,.1

Рис, 1. Кетодика проведения экспериментальных работ :

а - схемы принятых к испытанию образцов ; б - стенд для изготовления деревянных элемеитов составного сечения с соеди-| нениями на НМС ; в - конструкция деревянного элемента состав вного сечения с соединениями на НМС ; г - виды НМС и способы их крепления ; д - схема испытания конструкций натуривх '

©размеров.

- деревянные элемента 100x100 мм ;МП- металлические стер-' хни 0 16 А-1 .

8 целях изучения работы соединений в составе конструкций составного сечения натуральным размероо йыла принята методика испытаний нагруяемием с периодической разгрузкой.

Анализ результатов испытаний конструкций и образцов соединений деревянных элементов требует рассмотрения функциональных зависимостей изучаемых характеристик от «акторов внешнего воздействия, а так тее взаимных зависимостей исследуемых величин. Для установления связи между экспериментальными величинами йыя принят метод построения эмпирических оорнул, определение параметров которых выполнялось по методу наименьших квадратов.

Ял(1 сравнительного анализа дэформативности соединений и образцов, исследуемые диаграммы полни« деформаций о осях М-Вп необходимо привести к единому началу координат, отбрасывая рыхлые деформации каждого образце, что дает возможность оценить величину деформаций разных соединений и образцов при равных условиях проведения испытаний на по абсолютным, а по теоретическим (приведенным) аначениям. Работа соединений в конструкциях составного сечения, выражаемая деформациями взаимного сдвига соединяемы» элементов', по своему характеру Солыцэ соответстпует приведенным деформациям образцов тех ио соединений, т.к. диаграммы Ы-Вп соединений а составных конструкциях не иметт прко пораженных участков рыхлых дег-ормлций а начальной стадии нагру— Кения.

Применение численных методов при анализе экспериментальных данным на йаоя современных вычислительных средств позволило« составлять эмпирические формулы для комплектов деформационных характеристик исследуемого свойства - прогийоа, деформаций взаимного сдвига соединяемых элементов, нормальных напряжений и др., полученных при испытании образцов соединений и конструкций} проводить оооеншаанный сравнительный анализ несущей спо-

соСности и деформативности образцов соединений и конструкций} выполнять выравнивание фактических деформационных характеристик, сглаживая местные? неточности, допущенные при намерении исследуемых величин} определять верхним границу области упругой работы Ni-n образцов соединений, конструкций, их отдельных элементов по совокупности признаков на основании анализа всех диаграмм из комплекта деформационных характеристик*

В третьей глав«? излагаются методика составления и Описание програмного обеспечения па обработке результатов испытаний с применением современник .вычислительных средств и измерительных систем.

Обработка экспериментальных данных представляет собой процесс многократного повторения определенной последовательности операций, состав которых зависит от объекта исследования и методики выполнения эксперимента.

Проведенная классификация объектов исследования, режимов приложения нагрузки, состава комплектов деформационных характеристик позволяет привести процесс вычислений к нескольким стандартизированным сквмам, что дает возможность применять современные вычислительные средства для обработки экспериментальных данных, полученных при испытаниях строительных конструкций.

Создание прогреммого обеспечения выполняли на базе ПЭВМ ИСКРА 103(3.11, которая по ряду програмных средств совместима с известной системой ПЭВМ серии l£M PC/XT/At и входит в состав томзомотрического комплекса , обличающего систему измерительную тонзомотрическую СИИТ-2. Программы написаны на языке БЕИСИК, созтветствукцвм версии GWSASIC для ПЭВМ серии IBM.

В соответствии. с принятой классификацией был разработан специальный пакет ПО, в состав которого входят следующие программы*

1. Обработка результатов испытаний образцов соединений. Прш— рамма имеет возможность учитывать число связей в соединении, положение плоскости сдвига соединяемых элементов по отношении к направлении усилия, действующего на образец, и может быть использована для обработки результатов испытаний лмбых образцов, оснащенных механическими приборами и тензодатчиками.

2. Обработка результатов испытаний моделей и конструкций. Состоит из пяти программ.

3. Дополнительное программа» обеспечение. В него входят про1— раммы, позволяющие оперативна решать отдельны» задачи по подготовке и .обработке данных, которые не могут быть выполнены или были пропущены при работе с основными программами.

Разработанные программы лозполиитг

1. По показаниям механических приборов и темзоивтричоских преобразователей перемещений определять иаменэния линейных раоме— роа образцов и элементов, дэоормацми взаимного сдвига соединяемых элементов о образцам соединений и конструкциях составного сечения, перемещения контрольных точек на сопрягаемых элементах конструкций, про<-ибы моделей и конструкций С унятом осадки опор.

2. Па показаниям темзодатчикоа определять относительные деформации и напряжения в точках на элементах ейрлзцоо и конструкций!

3. Определять для каждого приЯарл полный комплект деформационных характеристик, соответствующий режиму нагруж«жип!

4. Объединять результаты вычислений и определять средние значения деформационных характеристик дли лмбого количества однотипных приборов, установленных симметрично и работавших синхронно на какой-либо вид напряженно- деформированного состояния!

5. Определят!, по показаниям тензодатчиков составные компоненты напряженного состояния для стержневых элементов, работающих на сжатие/растяжение с изгибом, а так же отношения этих величин; .

A. Представлять результаты вычислений в табличной форме, удобной для дальнейшего анализа и снабженной комментариями;

7. Выполнять на экране дисплея в веданном масштабе графические построения диаграмм зависимостей между нагрузкой на объект испытания и исследуемой величиной, между двумя исследуемыми величинами, эпмр нормальных напряжений по высоте поперечного сечения составных элементов;

B. Выполнять численными методами подбор аналитических выражений в виде полинома N-ноЙ степени для деформационных характеристик в указанных пределах нагружении, с выводом на печать значений и графическим построением фактически;: и теоретических диаграмм; исследуемых характеристик. Предусмотрены процедуры по ютрректи-ровке и выравниванию фактических деформаций на основе полученных аналитических выражений.

Программы отлажены и спроецированы при ойработк© ссек ¡рв~ аультатов испытаний, продетаяленыл о -настоящей работа.

В четвертой главе проводится сравнительный анализ результатов испытаний односрозных образцов несимметричных соединений деревянных элементов ма наклонных металлических стержнях с различным положением плоскости сдвига (рис.1.а), анализ напряженно-деформированного состояния соединения ч его элементов, сравнительный анализ результатов испытаний соединений с наклонным и традиционным положением связей, оценка метрологических характеристик предлагаемого типа односрезного одиночного образца.

Била выполнена, работа по выбору схемы универсального образца для испытания соединений деревянных элементов по несимметричной схеме. Приняты четыре " схемы образцов с положением

плоскости сдвига относительно направления оси действия усилия под углом И- — тип 1, 15" — тип 2, 30° - тип 3 и 45е - тип 4. Испытано три партии образцов на основе предлагаемых схем.

Разрушение образцов носило пластический характер, указывающий на опакую работу соединения вплоть до его разрушения. Средние аначения нагрузок длп образцов типа 1+4, представленныо как / Ком, составили соответственно 41.3, 31.1, 47.2 и 40.3 кН - разрушайся, 23.3, 28.9, 2в.а и 22.7 кН - N1-11.

Обработку деформаций взаимного сдвига соединяемых элементов проводили по нашей методике с использованием разработанного нами програииого обеспечения. Длп образца каидого типа оибиралм интервал магрусенмп, заключенный иеяду верхней точкой вогнутого участка кризой на диаграмме» "нагрузка - деформации полные" и точкой, ссотоотстпующзй аорхнай границе области упругой работы соединения. В продолах назначенного интервала получали систему точек ГМк, Сп13, гдэ - номер ступени нагружения, соот-

вотствувдий нижней и верхней границе выбранного интервала, на основании которым для оСраоца каидого типа подбирали эмпирическую оормулу, имеющую вид параболы второго порядка. Задаваясь величинами сдвигающего усилия в диапазона нагрузок от нулезоЯ до N1-11 по формулам определили еначения деформаций - иыровнен— них и приведенных к единому началу координат (Й<зз учето рыхлых деформаций), отбрасыэап свободный член из полученного выражения. Для нагрузок, превышающих уровень М«-«*, выровненные до-формации определяли по фактическим виачонийм последних без учета рыхлых деформаций. Нагрузку, соотоетствукэдую верхней границе области упругой работы N(->1 определяли пат совокупности признака» отклонения графиков от своего начального направления на основании совместного анализа всех диаграмм деформаций.

Полные деформации взаимного сдвига соединяемых элементов

- <мэ -

Юп в функции сдоиганлого, у си ли» №:№, фактические и выравненные - приведенные к началу координат - представлены* на рис.2. Деформации дли. каждого, из. обраоцоо на ссак уровнях нагруавмия имели близкие оначемияъ Образец тип 4 гю сравнению с эталонным образцом тип 1 имел отклонения деформаций о большую спорсиу, например при нагрузке Мх-и на 6.1 X.

Из рассмотрении напряженного состояния сосдимитальМмг ментов - наклонных металлических стержней - установлена, чт;> Аля растягивающих напряжений «",» характерна равномерное распределение по длине стержни. Увеличение расткгиааицик напряжений с уаеличемием нагруоки на оСрааец на оааисима от положения плоскости сдвига носило линейный характер до верхней границы области упругой работы соединения. При магрувке N»-13 нап^киенип составили в сродним 177.4 МПа, что не провыашвт расчетного сопротивления арматуры класса А-1. Напряжения нагиба распределились по длина стержня неравномерна. Максимальные: оначенип возникали в крайних тачках стержня в области установки шайй. В с родне и по стержню отношение больше единицы и сострило

1.В6. Следопатольно преобладающей излилась работа; наклонного металлического стержня» на растяжение. Показатели- напряженного состояния' стершей, идйдстгкюлснад. в тдСл. 1.

Можно, сдолйггь,' викой), чете» ма> зависимо от положения- плоскости« слшюа ен ойдаоцак,. дли- саеяиМеммй» мя? ИМС имоет мнето единая напр!тенно-дваопии;>сюаиьо1г- состояние На приняты« к рассмотрению тнпао сгёразцоо- нанСалао близкие характеристики работы под нагруакоЛ по. отношении к эталонному сСраацу тип 1 с положением плоскости сдвига, соападамщим с. осью действия усилия Р, показал образец тип 4 с положением плоскости сдвига под углом 43 градусов. В партиях 1*3 деформации взаимного сдвига соединяемых элементов для образцов. тип 1 и 4 отличались на 6+12. Я, величина

^ЙФОРМЛаИЙ ь9лилио?о П0АШ2, /ЛА

Рис. 2» Деформации полнив Ъ п взаимнаго сдвига соединязмнх элементов :

а - деформации фактические ; б - деформации выровненные .

Таблица 1.

Растягивавшие напряжения аМП» - средни» по стержни. Образцы втоооН партии.

(чсдв

К. онструкция ойразца тп-тах

кН Тип 1 -----0°---- Тип 2 ----13"---- Тип 3 ----ЗВ"---- Тип 4 ----45—---- 7.

11) 34.45 за.е 34.3 за. 1 6.3

1Н 36. 7 36. а 07. 44 91.3 З.в

20 1 12.5 121. 1 117. 7 129.1 ' 12.а

25 143.4 153. а 143. 1 - 6.27

сдвигамцага усилия, соответствующего х* - в среднем не 10,

соответствующего N1-8 среднем на 2.5 -

При оценке несушей способности соединения учитывали фактическую влажность соединяемых элементов. Проведенные вычислений показали, что верхняя граница области упругой работы достигается но условия работы древесины на смятие под шайбами. Например а третьей партии: среднее для четырех образцов отношении ^х-»I/ГЫсдо1 (коэффициент надежности фактический по Ых-ха) при расчетной несутай способности соединения СМсдвЗ, □проделанной (-ю условия смятия древесины под шайбами, составило 1.50, что о 1.21 раза выше требуемого и отвечает требованию*, предъваляемым в Рекомендациях ЦНИИСК к соединениям второй группы. Среднее для четырех образцов значение коэффициента надежности требуемого , определенного по временной хараючзрмстике испытаний 1:» составило Ктр в 2.356. Из условия смятия древесины под шайбами коэффициент надежности фактический по № составил в среднем Кф •= 2.66, что о 1.13 раза больше требуемого.

В целях аыпалемия отличительных особенностей в работе соединений с наклонным (под углом 43 градусов - образец тип 4/15) и традиционным (под углом ТО градусов - образец тип 4/9И) поло-яением соединмтвльндо элементов были выполнены испытания образца по типу 4 , в котором соединительный элемент был устансилен е направлении, перпендикулярном К плоскости сплачивания и к направлении волоком соединяемых элементов. На основании сравнительного анализа результатов испытаний, полученных для образцов Хил 4/45 . и 4/90 можно сделать следующие выводы! прочность соединения при наклонном положении стержневого соединительного элемент« увеличивается о среднем в 2.17 раза, деформатианость снижается по абсолмтным значениям деформаций при одинаковой нагруоке в 2.26 раза; деформирование соединения на наклонных

связях носит болев упруги« характер - в пределах его упругой работы доля упругих деформаций от полных составляет в среднем. 79 ?. , для соединения с традиционным положением наголя -13.8 Г| до нагрузки в наклонном металлическом стержне

преобладают растягивающие напряжения, которые} больше изгибающих а ' среднпм по стержня в 1.8& раза. 8 наголэ, установленном поперек палокон, действуют в основном изгийающио напряжения, которые з в 10 pari выше изгййаюпих напряжений в наклонном стержне.

Напряженное состоянии стержня характеризует определяющие условия для напряженного состояния соединений! смятие древесины о нагольном гноэяо и изгиб нагеля характерны для соединения с традиционным положением соединительного элемента; рзстпжмпта макленнаго стержня и смятие древесины под шайбами - для соединения с наклонным полоясниам ссядинитольмого эломрмта.

Оценка метрологических характеристик прэдлагастюго типа образца показала, что предлагаемая конструкция образца для испытания соединений деревянных элементе г» позволяет получать экспериментальны» оначейии прочностных и деформационных характеристик соединений, для которых характерна низкая изменчивость исслалувмогв г. pert сто а. Коэффициент аариаиии для раорушамшей нагрузки Ns it нагрузки, еоотвотствуккчЕЙ оерхний граница области упругой работы N*_xx еоставйп 4.5 и 6.3&Х, что на противоречит

с ~

известным данным, показатель точности иссдддоаания составил 1.3 •и 1.34 X, что не превышает 35:—го уровня. Определяй«» границ доверительных интороалоз при односторонней vt и двусторонней V» доверительных еераятнастпх наказало, что случайная погрешности для получаемых иэ эксперимента прочностных характеристик о 93 случаях иа 100 на превысит ±3.13% па N» и *4.в37. по N*-«*, а 99 случаях из 100 не превысит «4.42* no N* и «3.72* по N,_u. Для деформаций Т>„ коэффициент изменчивости при нагрузке N*_«t сос-

тавил 9.18Х, для деформаций дОг. - 1В.37., показатель точности исследований - 2.65 и ~5.3Х соответртвенно. Статистические вычисления проводили на ПЭВМ ИСКРА 1С30.11 по состааланной нами программе.

На основе выполненной работы для практического применения рекомендуется образец для испытания несимметричных соединений деревянных конструкций (рис.1.а, тип 4), состоящий на соединяемых элементов 1 и соединительных элвмантов (связей) 2. Плоскость сплачивания располагается наклонно под углом 43 градусов по отношении к оси действия усилия и под углом 90-45=45 градусов по отношаним |£ опорной плоскости. При этом величину сдвмга-кяуего усилия Ыс«» определяют как геометрическую проекцию общего юоздЕйствумщего усилии Р на плоскость сплачивании соединяемых глемонтоо. Оценку несущей способности и двворматиамостм такого образца необходимо производить по усилии» , выаьшамщему вза-

имный сдвиг соединяемы» элементов.

В пятой гяаря рассматриваются результаты исследований прочности и дезшрматизностн совдимзннй деревянных элемантов на наклонных стержни» при длительном действии нагруаки.

Изучимте длительной прочности древесины поевнадоим крупм«« исследоаатсгльскмсг работы О.П.Белянкнна;, 11. Л. Лаонтьсггз, К!» СТ. Иванове,, Е»И.Змймаиского, В.М'.Иэамова?» Л-. С.Сркйдина, Юг. КГ. Слаяика м> др. Во> »се» ребота» отмечается" снижение прочности древесины во времани> по® постоянно догйствумщей нагрузкой. При назначении расчетные сопротивлений древесины оно учитывается коэффициентом 0.66 .

Такое' поведении древесины объясняется особенностями ее строани» ' »«■ сизико—механичоскик свойств , влияние которых являет— с» олредалягею-м -. ак «о при работе соединений под длительна дейстзуикдоН нагрузкой. Однако оценку нееуцай способности соеди-

нений на податливых сзяэях при длительном действии нагрузки необходимо выполнить по критерии дяформатмямости соединении, т.е. по признаку достижения во времени предельно допустимой двФориа-

ЦИН.

йнализ рпаультдтоз испытаний покая.'лл, что я отличив от испытаний малин образцов из чистой дровосин!!, при испытании соединений, пыпплн&нныи из м&ссианып дерпплмны* аломежтоя, нл£5ггл-даотся стайилимасти как прпчнпстних, так и дгоормодионных пока-аатвлой. Это объясняется ввокпй работой соединений и влмямиэм масштабного фактора, когда рлйатаспссойксть »лвмвнта опрздиля-ится усреднггниыки соайстягпти мзесипа материала. Установлена, Что деоормлции соединения на податливых спизик нч им.'гзт тиндон-цин к колебаниям вслед за изменениями температуры и алаяности аоздуха, на накапливаются при отрицательном воздействии указам— них факторов и на овазращаится к своему первоначальному состоя-Мню. Деформации соединении, полученный вслэдствмэ усукки дтрч— рпнных элементов, так жа носит необратимый характер, т.о. на обротают своих первоначальны;* значений при увеличпыии алаяности древесины и се? раяйухании.

Для оценки длительной прочности соединения по критерию де-формативноети испольооаалм четыре диаграмм1.» полных деформаций соединения! две диаграммы машинных испытаний образцов с рдалич— ной скоростью нагруаення и две диаграммы испытания образцов длип'м.моЯ нагрузкой - 0.4 и 0.76 от Мх-хг. ЛмбоЛ точке на как-дой из диаграмм соответствуют определенные оначенип нагрузки, времени ее действия на образец и деформации соединения. Одну иэ диаграмм принимали а качестве исходной и на ней выбирали точку, отвечающую определенному напряженно-деформированному состояния соединения. Длп этой точки определяли три характеристики — деформацию, нагрузку и время. Полученную величину деформации счи-

тали тем признаком, на основании которого будет оцениваться длительная промости соединения. По остальным диаграммам дли' принятой величины деформации определили соответствующие онане-ния ' нагрусски и времени. Те ме действия повторяли, приняв в качестве исходной, друг/» диаграмму.

Такмм* оЙвазой»,, ¿¿ns* оценки длительной прочности соединения получила чстырл» значения критггриальния деформаций Бп, для каждого иэ которых имолось по четыре тачки, саотзвтствумщих различным режимам нагружения и характеризуемых нагрузкой раины» уровней* N и оременем ее непрерыаного дайствия t. Используя кинетическую* концепцию , прочности твердых тел,, применительно к дрйеееммз развитую д.т.н.проф. 13.И.МваназЫм, строим графики прямых а полулагорифмпческих координатах эмпирические формулы дли: которых определяли методам наименьших квадратоа. & результате получили пучок, прямых (рис.3) с центрам; и® ост ординат да точка йд»»ХЙЗ К Ii; ig, t=0. Для всей совокупности точек определил»! эмпирическую еормулу средней! пр^кей (прямая 5, рис. 3), которая ммавт вид

liQi ti «*■ lll^ll - ßvl>l'5»tf (1).

Отйрасиои ТОЧ1СИ;,, ссзо<пвет?ст»уюи<ме> образцам 0.7 Ns—t*t и повторив обработку.,, получили; уравнение- ервднпй примой (6 на рис.3) для совокупности! оставшихся тачек

Ig t » С?' - И. 167л G* (2) ,

гди t- — время; до; достижения соединением предельно допустимой деформации* под постоянно действующей нагрувкой, с; tf>— относительные величины нагруаок и процентах err Ni-ti.

Палучшчная линия (6) на графике а полулагорифмичееких координатах отражает взаимосвязь нагрузок, деформаций и времени их достижения. Долю снижения нагрузки можно рассматривать * о качеств». коэффициента жесткости, учитывающего" сдвиг ;

|fID К-

stv

l .

1

'М-

5ДГ

l.ü¡KM2.?íl-D.ll«<S а.

"Ni

V4!

N

2. 4 6 S il

й/Чч

ве? пилил O'JGx-s

N

ч\ 4V Xa*

íi

4

4.

JSW

J

14 £<? ¿jf

■Íno,]3. Снияение во вреношг несущей способности соединения ' по критерия 'дофориштивностиг

Д ' ■ F.

j Прогибы сагтлыш Конйпрйш^ & середине продешл

■ -Рлсчеш<1ЫЕ По

^ 60 W

D"

'<-"> "I.....

Л—!■

II lf !■■■ I ■■■■

_ 4Q ЯП ' Ó ' АО "'Ж ' й ' 40 'fl'D Сушдше е^имшее усилие, suik,

Рис. Прогибы составных конструкция в середине продета (I) и суммарные сдвигавщио усилия в иве сплачивания элементов от опоры до точки приложения нагрузки (2).

податливого соединения при определении прогибов составного эла-кенте в зависимости от еремани эксплуатации конструкции! К» ■» fit). Для задаваемы« реальны« сроков эксплуатации конструкций Ю, 25 и S3 лет коэюяицие-нты жесткости, вычисленные пй формуле (2), составят 0.5, 0.48 и 0.46 соответственно.

В ц«?ст(?й f~о проводится анализ напряженна- дооармирсоан-ного состошия изгибаемых элементов составного сечения из трек слайи с соэдмнаникки на наклонным мзтадличаскии стержнях, имеющих различные способы закрепления на дреосзсине.

Были проведены испытания трек конструкций составного сечения lS0*450«-60Ba км, изготовленных , на основе различных типов КИС» 1 - на ввинченных стержнях диаметром 20 мм с укрупненным шагом резьбы, имзючих дополнительный» крепления концов шайбами на гайках; 2 - на стержнях из арматуры класса A-II с шайбами .на сиарке; 3 - на стеркнях-шпиликак из арматуры класса A-III с винтовым профилем и закреплением концов шайбами, одного предварительно иа сварко и другого на гайке. Конструктивные особенности соединений представлены на рис. 1.г. Обработку результатов испытанй проводили на основе составленного нами программного обеспечений.

Максимальная нагрузка при испытании на конструкцию Н 1 составила 1.32 от расчетной (ЮС кН), на конструкций N 2 и 3 -1.В34 от расчетной <80 кИ). Графики прогибов, нормальным напряжений о деревянных и металлически» элементах конструкций, деформаций взаимного сдвига соединяемых элементов показывают, что конструкции в течение осего периода нагружания работают в упругой стадии.

Прогибы конструкции N 1 при верхней ступени нагружения состаеили 1/1ВО пролета, в то аремя как исчерпание месущой способности конструкции наступает при прогибе 1/50 пролета. Проги-

бы при нагрузке, соотшгтствунэ'цэй нормативной, составили: для конструкции N 1 1/225 пролета, для конструкции N 2 - 1/166 пролита, длл конструкции N 3 - 1/274 пралптл. Конструкция N 2 получила прогиб Йольые допустимого С1/20Ш по СНиП 2.01.07-85, однако с учетом строительного подъема па реальный прогий относительно няйгральной пси составил не? йолоа 1В им и нарушения эстетики- психологических требований к помещению игу будет. Кроме того необходимо иметь я виду, что влажность древесины на момент испытания составляла бол^о 24 7. и увеличение прогиба конструкции за счет пластификации древесины сппэаннсП влагой составляет не мснае 13 '/.. В то яе ореня для составного злпнпнта иэ трок . йрусьср, на без спязой на наклонных стерпнпя, прогиб при такой жо нагрузки' составил йы 1/51 пролета, т.п. на уровня исчерпания конструкцией несущей способности. Как видим, соединение на наклонных стержнях С1) уоелмч) ялвт жесткость конструкции составного сечении и 4.36 раол, на наклонных стержнях -в 3.1 раза, на наклонны;! стркнях (3> - в 5.1 раза по сряякэтв» с конструкцией бта связей. В" град!?л.а;< упругой работы конструкций до ля проги5ог> остаточные За >г упругая Ну в состг.ог» полным наемт устойчивый- характер и составляет г» среднем« для конструкции. 1 - 31.4Х для остаточных и 60.ЬХ длл упруги«! для конструкции 2 - 31.0 и £-5.2 71; для конструкции 3 - П7 и 41 X. Для конструкций 1 и 2 долл упругих деформаций в 2,2 и в 1.0 раза превышает дол» остатбчных. В конструкции N 3 соотношение Во и »у для прогийоо говорит о высокой плотности примыкания элементов, составляющих поперечное сеченио конструкции.

Эпюра фактических нормальных напряжений в середине пролета конструкций соответствует работе составного изгибаемого элемента на податливых связях,- имеет ступенчатый характер. Для каждой ступени нагруисения в каждом ёруса линии эгмр имеет одинаковый

наклон. При расчетной нагрузке максимальные напряжения 8 растянутой зоне (нижнем брусе) составного элемента для конструкций I, 2 и 3 составили 13.3 , 12.9 и а.5 МПа, о сватай зона (верхнем брусе) - 10.2 , 12.2 и 9.53 МПа, что не превышает рас-' четного сопротивления при изгибе для древесины второго сорта па СНиП 11-25-80. Доля упругих напряжений превышает долю остаточных для конструкций 1, 2 и 3 п среднем в 4.45 , 4.06 и 2.4 раза, что свидетельствует об их упругой работе. Сравнение изгибающих напряжений фактических из эксперимента и расчетных для

*

конструкции тех же размеров цельного сечения показывает, что коэффициент, учитыаамций снижение прочности составной конструкции по сравнению с конструкцией сплошного сечения за счет по-датлииости связей сдвига, не зависимо от типа НМС моивт быть принят дли элемента из трех слоев пролетом 6 м Ки = 0.35 . По сравнению с конструкцией составного сечении без связей сдвига, прочность составной конструкции с соединениями на НИС повышается: на соединительных элементах (1) в 2.51 раза, на соединительных элементах (2) о 2.41 раза и на соединительных элементах (3) о 3.6 раза. .

Рассмотрение напряжений в соединительных элементах конструкции 1 показывает, что а наклонных металлических стержня* преобладают напряжения растяжении. При нагруака на балку, в 1.034 раза превышающей расчетную, напряжении растяжения составили 166.9, 140.7 и 155.4 МПа, что в среднем в 1.83 раза ниже напряжений, соответствующих пределу текучести стали, из которой изготовлены стеррни. Доля упругих напряжений составила в сроднен 76.6% от полных и в 3.3 раза превысила долю напряжений остаточных. Таким образом применение соединений на наклонных металлических стержнях с резьбой и дополнительной фиксацией шайбами на гайках обеспечивает плотное соединение наклонных связей

С дровасиной и передача усилил с древесины на стержни осуществляется веса потерь. При работе ¿сантругадки N I о предела« постоянной и полной расчетных нагруоак разница между растягивающими Напряжениями в НМС на полупролете конструкции составила от 2 до 12 Я. Можно сделать вывод, что три наклонных стержня, установленных на полупролито конструкции , работают совместно на восприятии суммарного сдвигающего усилия в юзе сплачивания.

На основании статистического анализа полных деформаций сдвига соединяемых элементов установлена их максимальная вероятная величина. При нагруоке, соответствующий 1.034 расчетной, аначеуащ среднего при-уиптичсскаго двфсрмаций сдвига на опора для конструкций 1, 2 и 3 составили соответственно 2.67 мм при коэффициенте изменчивости 0.22, 3.63 мм при коэвфициентв изменчивости 0.174, 2.47 мм при коэффициента изменчивости В.156. Максимальный вероятные! сдвиг на опоре с обеспеченность» (доверительной вероптностыв> по максимуму 0.93 составил длл конструкций 1, 2 и 3 соответственно 3.63 мм, 4.67 мм и 3.1 мм.

Рдссмотреммэ взаимозависимостей нагрузки, сдвигов, прогибов, напряжений по экспериментальным данным показала, что вааи-симости деформационных характеристик Вп исследуемых свойств от нагрузки носят криволинейный характер и могут быть выражены уравнением пета и квадратной параболы уа'х^Ын+с, взаимозависимости исследуемых свойств - примолинйный ,характер и могут быть выражены уравнением прямей линии у**а*х+Ь.

В работе, по результатам испытаний конструкций определены аналитические выражения для функциональным зависимостей между жепериментальными величинами, например!

— зависимость прогибов в середине пролета от полной нагрузки 4 «= 2.1 «10-а«М» + а.за*р - 0.1в - коне тр. Х| 4 - -3.54»10-в«М* + И.69«Р *■ О.402 - констр. 2»

/ » 2.S57*A0-*«iWa * <0.40»P - 0.2И25 - констр. 3j

- зависимость сдвигов на опорах от полней нагрузки

D - 2.41И0-*»«» + 1.40«10-*«N - В.В7 - констр.

D —4.34»ia""e»N3» + 4.a0»10-a*N - И.023- констр. 2»

D - 4.71*ta-e«N* + 2.67*1Е>—®*N - 0.010- констр. 3»

- зависимость прогибов е. середине пролета от сдвигов на опорах

f - 13.27»D + 3.49 - констр.1; * =■ 1S.S»D - В.5 - констр.2|

f ■» 14.0 »D + 0.266 - констр.3| и т.д.

Графики прогибов конструкций е середине пролета, графики суммарных сдонгамицих усилий а шэах сплачизания от опоры до точки приложения нагруезки представлены на рис.4.

Сравнительный анализ ыагфсшенно-двформирооаннаго состояния конструкций с соединениями на НИС трех типов показал, что при прочих равных услоаиих конструктивное решение соединение на НМС, на основании которого выполнена конструкция, является определяющим для ее прочности м деоормативнрети. Величина максимальной вероятной деформации взаимного сдвига соединяемым элементов для соединений ма KMC о составе конструкции натурных размеров составила в среднем 3.0 мм, с округлением 4 мм.

Все конструкции обладают достаточной несущей способность« по условиям первого и второго предельных состояний. Все рассмотренные типы соединений на НМС без применение клея могут Сыть рекомендованы к применении. В качестве наклонных стержней может быть использована арматура класса fi-I, ft-II и A-I1I. Постановка соединений на НМС йез применения клея увеличивает жесткость конструкции составного сечения в среднем о 4.1 раза, прочность в 2.6 раза по сравнении с такой >е конструкцией без связей сдвига. Установленные на основе экспериментальны* данных эмпирические зависимости поаооляют при получении одного из показателей определять остальные взаимозависимые величины в зави-

} ш

(2Л

симзсти от вида соединяемый элементов.

В дельно^ глапо выполнен анализ результатов испытаний (Задан на основа теории составных стержней Д.Р.Ржамицына. Согласно этой теории конструкция балки представляет собой элемент составного сечвния из трех отдельный стержней, соединенный мвжду собой связями сдвига и о«5разу«щи* статически неопределимую сис-. току. Система дифференциальных уравнений для «авоз принятой трвкслойноЯ йалки имеет сид

Т» " « + л»а*Та +

Та"/£ » -Яа»*Т» + Яиз'Тя» + Коэффициенты дифференциальных уравнений

■Я»! ■» Лза = 2/ЕЛ + Ь^/ЗЕЛ » <2 + Ь*/31*>/ЕР л»з « Да» » -1/ЕР + Ь3/ЗЕ0 = - 1)/ЕГ

■Я 1а » Лзи» = - И^аи/ЗЕЛ я - МЯ«11/31Я/ЕР г до Т5. - суммарноо сдвигающее усилие в г -и шее;

Ь — расстояние между центрами тяжести сечений

даун смежных стержней?; цк» _ иагийзгащий« помнят" в» €>аиког лишенной спяэйй сдвига?. Б» - коэффициент» кастосте' спзкзой едпнга д.-го ияа,

получаемый из эксперимента; 1 - радиус инерции сечения каидого бруса. Подставляя коэффициенты <2> а систему (1>, яоидп новые обозначения М»«|1/31я, Д=ЕР/В,

новый постоянные Та«<Та+Та)/2, Тв*»ПЧ-Та)/2 и проделав ряд преобразований, получим

Та" и Л»=»Тл + г,.*п I . л

т.... } {Г)

Решение системы (3) имеет вид х

Т*-А»вЬА,К 0*сИА»Х + *»/,Д(^1р1в>вЬА» <Х-6>с!Е , Т.-С*5ЮвХ + Э*сЬА»Х . 0

Иа граничных условий Т„ (0)«Te (L)=0 следует Т"Ть"»Т]1»»Т:в. Суммарное сдвигающее усилив в шве составит при 0<»Х<»а

Wit»P/3i »Л»*»(Х-сЬА» (L-a) *slU»X/ CA>«chAiL) > при a<*X<«L

T=hf,P/3i*A,=i»{a+sh>»{X-a)/Ai-chA».(L-a>«Bhík1X/(Ax*ch.VL)) , где а - расстояние от опоры да точки приложения усилия, L - половина пролета.

Погонные усилия в ¡ласк вычисляется по формула t«=T'. Дифференцируя и подставляя i*"h"/l2 получим

4Jt«<tP/9tv*<t-cíiA»<t_-a)«chA»X/(chA«L>> при 0<»Х<»а, t*=4P/9h*(chA»(X-a)-chA»(L-a>«chA,X/<chAtL>> при a<*»X<=L. Перемещения (прогибы) балки вычисляются па формуле I EiSiM"».- (1a + £h»Tj. j Z Ei3i.W » - JJ<M* - 2hT)dKa + C»X ♦ C» . . Для принятой схемы оагруквния при 0<=Х<»а мм«Р«:<, при a<»)««»L , Интегрируя получим при G<=X<»a

£ E0*W»»-PXa/6+8P/9»-(Ха/&—chAi <L-a)«вйА»Х/<chA»L«A»®)>+CtX+Ca, при a<»X<«»L

ЕЕЛ*Wa=-PaX*/2+SP/9»(aX»/2*bhAÍ4X-a) /A»*-cti>t (L-a) *ehAtX/ (Ai*»*ch AiL)) +C»X+C».

Постоянные интерироа анив» C¿«»-P(aa/l8-8/9Aia+aL/9> , CasQ, Ca-PaL/9, C»»-Pa(aa/34-8/9A»«).

На основании полученных выражений была составлена программа для ПЭВМ "ИСКРА 1030" на языке БЕЙСИК для расчета изгибаемых элементов составного сечения из трех слоев, соединенных подат-

.шиии связями сдвига, работающих по балочной схеме с шарнирны-

• -

ми опарами для нагружения в виде сосредоточенных сил, приложенных в четвертях пролета. Исходные данные, применяемые в расче-

та, принимались иа проведенного о настоящей работеэ эксперимента.

Прогибы конструкций и сдвигающие усилия, фактические и расчетные, представлены на графиках на рис. Л, на которых наблюдается удовлетворительное совпадение данных Фактических , па— лученный иа эксперимента, и расчетный по программа, составленной на основании теории составных стержней А.Р.Рясаницына. Расхождения составлпит 2rl2 X.

Были проведены численные исследования влияния количества связей, установленных на полупролете конструкции, на несущую способность составного иогийЛемаго элемента на податливых спя— апх на условия второго предельного состояния.

Сечение ветвей, ойразумщих•трехслойный составной элемент, принимали согласна сорт-амгнту на пиломатериалы по ГОСТ 24451-80 в виде ¿руса размерами 103*120, 100»150, 125*125,

123*153 и 133*130 -мм. Для кдчдого типоранмера конструкции ч расчет е!кздили различное количество связей — от 1 до Ь соединительны« злемаитоз, установленных на палупралвте конструкции. Величины нагрузок и схему приложения усилий принимали в сот— ветствии с проведенным экспериментом.

Анализ полученных результатов проводили для составных элементов каждого типоразмера при нагрузках, соответствующих расчетной несущей способности составного элемента из условия первого предельного состояния. Расчеты показапи, что интенсивное снижение прогибов составного изгнйдсмого элвнемтп на податливых связях имеет место при увеличении количества связей сдвига от 1 до 3-х. Так, при постановке второй связи на полупролэтв, прогибы конструкций снижаются на 26.3+29.5 Постановка третьей податливой связи позволяет уменьшить прогив на 13.2+17.6 X. Дальнейшее увеличение количества связей не оказывает существ «энного

влияния на величину прогибов составного изгибаемого элемента.

На основании выполненных расчетов можно сделать вывод( что число наклонных металлических стержней, устанавливаемых без применения клея на полупролате составного иагийаамого элемента, не должно превышать количества связей, необходимого для восприятия суммарного сдвигающего усилия, действующего в шве сплачивания - не болев двух стержней на полупролото при высоте поперечного сечения ветви до 123 мм, и не более трех - при высоте поперечного сечения ветви ISO мм.

В восьмой главе рассматривайте» вопросы внедрения и технике- экономических расчетов для разрабатываемых конструкций.

Вопросы внедрения конструкций решались параллельно с проведением научно- исследовательских равот и проводились в трек направлениях! о направлении разработки нормативным докумомтов) в направлении разработки альбомов рабочих чертежей конструкций и зданий с их применением} в направлении организации непосредственного 'изготовления конструкций и строительства адания с их применением.

На основе проведенных экспериментальных исследований и накопленного опыта конструкторских разработок, выполненных за период с 1983 года по настоящее время в Лаборатории несущих и ог-раждакицих конструкций ОДК ЦНИИСК им.В.А.Кучеренко, на каоедре КДиП МГСУ <быаш. МИСИ им.В.В.Куйбышева), в отделе строительный конструкций института Гипрониселькоз, были составлены "Рекомендации по расчету и конструированию составных деревянным конструкций из цельной древесины, е т.ч. лиственных пород (осины, бвреоы), с соединениями на наклонных металлическим стержнях без применения клеев с закреплением концов стержней на шайбах".

Рекомендации содержат общие положения по разработке и при-

менению конструкций составного сечения с соединениями на НМС воз применения клея, требования к материалам для этих конструкций , основные положения по расчету и конструирорванию, а так по примеры расчета.

В соответствии с намеченной программой реализации предлагаемой системы конструкций (рис.5) совместно с институтами Гмл-ромисольхоз и ЦНИИСК им.В.А.Кучеренко были разработаны следующие плоскостные сплошные и сквозные конструкции! валки подстропильные пролетам 6 м (номенклатура из 10 типоразмеров), метал— лодорезйниыз распорные системы пролетом 9 и 12 м (номенклатура из 10 типоразмероз), двухскатные (дермы шпрпнгелъного типа пролетом 12 и 15 н (номенклатура из IQ типоразмеров), треугольное четырехпанельныв фермы пролетом 18 и 21 м (номенклатура из Ш типоразмеров), колонны деревянные составные высотой 3 и 4.3 м (номенклатура из 6 типоразмеров). Конструкции выполнены на основе деревянных элементов составного огачемия с соединениями на ■НМС без применения клал и предназначены длп строительства зданий в I-JV районах по гаосу снегового покрова и 1-1IX районах по давлению ветра включительно при шага конструкций 3, 4.5 и 6 м. Установлено, что о среднем для всех конструкций при увеличении пролета на 3 м расход основных материалов на 1 кп.м площади покрытия увеличивается - для древесины на 22%, для металла на 14.6%. Конструкции предназначены для эксплуатации в зданиях II и III класса ответственности, отапливаемых с сухим и нормальным режимами помещений при относительной влажности воздуха но болао 73 % и неотапливаемых о сухой и нормальной зонах возведения, с расчетной температурой наружного воздуха не ниже минус 5в"С и эксплуатируемых при установившейся температуре воздуха до 33"»С . включительно.

Разработано лрограмное обеспечение для проектирования

©

боор

©

к

—>ц

.т

"12." А^ООО

Рис. 5. Система конструкций, разработанных на основе деревянных элементов составного сечения с соединениями на ШС без применения клея : !

I - балки стропильные и подстропильные ; 2 - «еталлодеревянныо распорные системы ; 3 - фермы впренгельного типа ; ^ - форма треугольная четырехпанельная ; 5 - стойки - колонны ; 6 - рама из круглого леса ; 7 - панель покрытия с продольными ребрами составного сечения .

конструкций составного сечения с соединениями на НМС без применения клея. Предлагаемые программы могут выть использованы длп расчета указанны« конструктионых форм на действие нагрузок другой величины, длп других значений пролетов, а так же для расчета сжато— изгибаемым деревянных элементов составного свчекия с соединениями на НМС бео применения клея в составе любых форм плоскостных сплошных и сквозных конструкций.

Институтами Кирооагропрампроект и ЦНИИСК при нашем участии разработана конструкция рамы пролетом 12 м в составе типового проекта 817-214.S.

Разработан совместно с ЦНИИСК им.В.А.Кучеренко проект зда-нип склада- навеса многоцелевого назначения размерами в плане 13*13 м, со стоечно— балочной системой каркаса при ware расстановки колонн 6 м в поперечном и продольном направлении. Несущие конструкции каркаса и ргбра плит покрытия проектировали на основе общего конструкционного признака — из цельной древесин (окантоеамных бревен, 6русы?в) с соедь¡ныниями на НМС без применения клея. На 1 ко.и здания раскол /шееясины с учетом покрытия составил 0. С6& куб.м, металла на каркле 2.9 кг.

S процессе изготовления комплекта конструкций для строительства здания были отработаны технологические приемм изготовления элементов составного сечения с соединенипми на НМС балочного типа. При изготовлении использовали древесину лиственных пород — осину. Применены три варианта соединительных элементов, в т.ч. из арматуры с винтовым профилем, разработанной о НИИЖ1?. Отработано изготовление конструкций колонн составного сечения с постановкой НМС о вида перекрещивающихся стержней. Опыт изготовления комплекта конструкций на здание показывает, что в сломившихся условиях высоких цен на материалы, услуги, производство строительных работ предлагаемые оиди конструкций с соедине—

- аза -

ниями на НМС без применения клея являются перспективными для изготовления и строительства силами малых предприятий и непосредственных потребителей.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Для создания системы конструкций на основе составных элементов ив цельной древесины - врусьаа, окантованных ¿репон -нами предложено и всесторонне исследовано на прочность и дефор-мативность на образцах и конструкцияк о натуральную величину соединение деревянных элементов на наклонных металлических стержнях боа применения клея с оакрвплением концов стержней на шайбах с , различными способами фиксации последних - гайками или на сварке. Применение в конструкциях брусчатых деревянных элементов и круглого леса позволяет полнее использовать расчетные характеристики древесины, уменьшить себестоимость исходных материалов и потери древесины при обработке. Требуемое количество наклонных связей, работающих в основном на растяжение, аначи-тельно меньше, чем связей, работающих на изгиб. Повышается надежность работы конструкций. Применение стержней с закрепленном концов на шайбах позволяет испольоооать при изготовлении древесину повышенной влажности - более 20 X, в том числе древесину лиственных пород - осину, .березу, позволяет упростить технологический процесс изготовления конструкций и, тем самым, расширить группу производителей строительных конструкций, приблизить Изготовителя к потребители, что особенно важно в изменившихся социально- экономических условиях хозяйственной жизни страны.

■2. Усовершенствована методика испытаний на прочность и дв-Форматианость образцов несимметричных соединений деревянных элементов путем перехода от образцов односрезных парных к образцу односрезному одиночному с наклоном плоскости сплачивания

под углом 45 градусов к направления действующего усилия.

Обеспечивается точность получаемым результатов. Оценка метрологических характеристик предлагаемого типа образца пока-аала, что коэффициент вариации для разрушающей нагрузки и на1— рузки, соответствующей верхней границе области упругой работы Мх—* ж составил 4.5 и 6.ВЗ %, показатель точности - 1.3 и 1.34 X, т.е. не превышот 5%-го уровня. Коэффициент вариации для деформаций полны» при нагруаке N1-11 составил 9.10 X, для разности полных деформаций - ЗВ.З X, показатель точности - 2.63 и 3 X. Случайная погрешность для получаемых из эксперимента прочностных характеристик при двусторонней доверительной вероятности 0.93 нз презьювает ±3.13Х по М* и *4.05% по N1-12, при двусторонней доверительной вероятности 0.99 не превышает 44.42Х по IV)« и &3.72Х по N1-1*. Образец может быть использован для оценки мэсупей способности и деформатиш-гости соединений деревянных конструкций. Повышается достоверность получаемых результатов, обеспечивается экономия материалов и снижении времени на подготовку и проведение испытаний.

Получено положительное решение патентной экспертизы на оформление патента по нашей авторской заявке: "Способ испытаний образца несимметричного соединения деревянных элементов".

3. Разработан, отяаяен и опробован пакет прикладных про1— рамм (ППП), позволяющих проподить комплексную обработку экспериментальных донных и определять показатели, необходимые для абсолютной и сравнительной оценки несуцей способности и дефор— мативности исследуемых объектов.

Разработанное нами программой обеспечение отлажено и апробировано при обработке всех результатов испытаний, представлении х о настоящей работе.

4. Показано, по результатам испытаний на образцах првдло-

.конной конструкции, что определяющим в несущей способности соединения на наклонных стержнях с закреплением концов на шайбах является смятие древесины соединяемых злгментов под шайбами. Коэффициент надежности фактический по этому признаку при наг-' рувке Mi-n составил 1.3S, что на 217. выше требуемого.

Для соединительных стержней, установленных под углом 45 градусов к направлению плоскости сплачивания, преобладающим является работа на растяжение. Отношение напряжений больше единицы и составило 2.86, 1.73, 2.0,'1.65.

5. Показано, по результатам испытаний образцов соединений длительно действующей нагрузкой, что, при обеспеченной прочности, соединения деревянных элементов без применения клея обладают повышенной податливостью и оценку их несущей способности во времени следует производить с учетом ограничений па деформациям.

Для рассматриваемых соединений установлена граница предельна допустимой деформации и предложено уравнение, которое отражает, согласно кинетической концепции прочности твердых тел, взаимосвязь нагрузок, деформаций и времени их достиженя: 1 g t « 16.Q -И.167*6 .

Предложено доли снижения несущей способности соединения с учетом ограничения па деформациям рассматривать в качестве коэффициента жесткости, учитывающего сдвиг податливого соединения при определении прогибав конструкции в зависимости от времени эксплуатации (t). Рекомендовано для задаваемых реальных

сроков эксплуатации 10, 25 и ¡50 лет жесткость сечения принимать на основе выполененных вычислений равной 19.5, 0.48 и О.46 ЕЛ, соответственна.

6. Показано, по результатам испытаний кратковременной нагрузкой, что деревянные конструкции составного сечения с соеди-

нениями на наклонных металлических стержнях с закреплением концов на шайбах обладает достаточной несущей способностью по условиям псраого и второго продольных состояний. Испытания трех конструкций состапного сечения натурних размеров с различными вариантами кроплений показали, что в пределах упругой работы нормальные напряжения в расТ5?нутой зоне конструкций на превышали расчетного' сопротивления 13 МПа, предусматриваемого СНиГ! IX—25-EQ, прогиби а серсдине пролета не вызывали нарушения требований к эстетика- психалогичоскому восприятии» покрытий coi— ласна СНиП 2.01.07-83.

Устаноэлена дсг^орматипность соединений на предлагаемых связях в состава конструкции: соелинчнис* на ввинченных стержнях с шайбами - 0.015 мм/кг), на стержнях из арматуры класса 0XII с шайбами на сварке - В.021 мм/кН, на сторкнлх—шпилысах из арматуры класса ЛИ — 0.Й14 мм/кН.

Установлена величина максичальной вероятно") деформации взаимного сдвига 'соединяемых элементов для соединений на НМС в составе . конструкций натурных размеров. S среднем для трех типов Соединений на ИКС без применения клея она составила 3.Q мм - с округленипм Л им.

Постановка соединений на наклонных металлических стержня» £оз применения клея увеличивает жесткость конструкции составного сечения о среднем в 4.1 раза, прочность о 2.8 раза по сравнении с такой ае конструкцией без связей едпига.

Все рассмотренные типы соединений на НМС без применения клея могут быть рекомендованы к применении. В качестве наклонных стержней может быть использована арматура классов A-I, A-IX и А—III.

7. Показано, что англиз напряженно-деформированного состояния рассматриваемых конструкций не зависимо от варианта креп-

ления соединяемых элементов может быть произведен с применением теории составных стержней А.Р.Ржаницына. Составлена программа для расчета на ПЭВМ трехслойных изгибаемых элементов на подать ливых связях. Расхождения между фактическими и расчетными зна-т чениями для прогибав и сдвигающим усилий а основном нв превышают 12 X.

Численными методами на основании теории составных стержней А.Р.Рканицина установлено, что число наклонных металлических стержней, необходимых для обеспечения несущей способности составного изгибаемого элемента по условиям второго предельного состояния, нв должно превышать расчетного количества связей для восприятия суммарного сдвигающего усилия - не более 2-х стержней на полупролете при высоте поперечного сечения ветви до 125 мм, не более 3-х — при высоте поперечного сечения ветви 15И мм.

8. Внедрение результатов экспериментально-теоретических исследований прочности и деформативности соединений деревянных элементов на наклонных металлических стержнях без применения клея и составных деревянных конструкций с соединениями на НМС осуществлоно в направлении создания нормативно- технической и проектно- конструкторской документации, а так же в практику изготовления и строительства.

Составлены "Рекомендации по расчету и конструированию составных деревянных конструкций иэ цельной древесины, в т.ч. лиственных пород (осины, березы), с соединениями на наклонных металлических стержнях без применения клая с закреплением концов стержней на шайбах".

Совместно . с институтами Гипронисельхоз и ЦНИИСК им.В.А.Кучеренко разработаны конструкции балок подстропильных пролетом 6 м (номенклатура из 18 типоразмеров), металлодеревян-

них распорных систем пролетом ? и 12 и {номенклатура из 1(9 типоразмеров) , двухскатных ферм шпренгельного типа пролетом 12 и 13 м (номенклатура из 10 типоравмеров), треугольных четырехпа-нельных ферм пролетом и 21 и (номенклатура из 10 типоразмеров), колонн даревинных составных высотой 3 и 4.3 м (номенклатура из 6 типоразмеров). В среднем для конструкций покрытия при увеличении пролета на 3 м расход основных материалов на 1 ка.м площади покрытия увеличивается - для древесины на 22%, для металла на 14.&3.

Разработано программой обеспечение для проектирования конструкций составного сечения с соединениями на НМС без применения клея. Предлагаемые программы могут Сыть использованы длп расчета указанных конструктивных Форм на действие нагрузок другой величины, для других значений пролетоп, а так жо для расчета сжато- изгибаемых деревянный элементов составного сечения с соединениями на НМС без применения клея п составе лк>йых форм плоскостных сплошных и скеазмих конструкций.

Разработан совместно с ЦНИИСК им.В.Л.Кучеренко проект здания склада- навеса многоцелевого назначения размерами а плане 10*13 м. Осуществлено изготовление комплекта конструкций — балок, колонн — составного сечения с соединениями на НМС, элементов горизонтальных и вертикальны« связей. Строительсство склада — навеса осуществляет Агрофирма- колкоз им. С.П.Кирова Бала-шихинского района Московской области.

Накопленный опыт внедрения конструкций с соединениями на НМС без применения клея в нормативную, проектную и фактическую практику, строительства показывает, что изготовления предлагаемых конструкций может быть организовано без привлечение значительных ,капитальных .влокений, без применения дорогостоящего прессового , оборудования, с. максимальным использованием ручного

механизированного инструмента силами организаций, располагающих собственными лесными ресурсами и пилорамой, малых предприятий, а так шв непосредственных потребителей.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах!

1. Линьков В.И. Исследование конструкции составной балки из цольной древесины //Тр. ин—та/ЦНИИСК им. В.А.Кучеренко.-1989. — Разработка и сопериенствованиа деревянным конструкций. - С. S3—60.

1 2. Линьков В.И. К вопросу о методике испытаний соединений деревянных элементов /Известия вуооп. Строительство.— 1992. -N5-6. -С.21-25,

3. Линьков В.И. Обработка результатов испытаний на персональном компьютере типа IBM //Стройтех-информатика.- 1993. — N 3.- С. 12-15. ' -.vO

4. Линьков И.И., .Циников В.И. Здание с конструкциями из цельной древесины //йеравообрабатываищая промышленность. -1991.-N Е. -С.19-21.

5. Кузнецов Н.ф., Линьков U.M., Линьков В.И. Склад ио цельной древесины //Сельское строительство. - 1992.- N 11. С.34-35.