автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Длительная прочность и деформативность треугольных арок с клееным армированным верхним поясом

/

£

Владимирский государственный университет

На правах рукописи

ДЛИТЕЛЬНАЯ ПРОЧНОСТЬ И ДЕФОРМАТИВНОСТЬ ТРЕУГОЛЬНЫХ АРМИРОВАННЫХ АРОК

Специальность 05.23.01 - Строительные конструкции

зданий и сооружений

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

УДК 624.011.2

РОЩИНА Светлана Ивановна

Научный руководитель -кандидат технических наук, профессор В.Ю.Щуко

Владимир 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

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

Глава 1. АРМИРОВАННЫЕ ДЕРЕВЯННЫЕ КОНСТРУКЦИИ В

СТРОИТЕЛЬСТВЕ И ВЛИЯНИЕ ДЛИТЕЛЬНО ДЕЙСТВУЮЩЕЙ НАГРУЗКИ НА ИХ ПРОЧНОСТЬ И

ДЕФОРМАТИВНОСТЬ............................7

1.1. Применение армированных деревянных конструкций в частях зданий......................................8

1.2. Учет влияния длительно действующей нагрузки при расчете АДК................... . .......................18

1.3. Цели и задачи исследования..................29

Глава 2. РАСЧЕТ СЖАТО-ИЗГИБАЕМЫХ АРМИРОВАННЫХ

ДЕРЕВЯННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ .....................31

2.1. Расчет сжато-изгибаемого армированного деревян ного элемента верхнего пояса треугольной арки.............31

2.2. Численные исследования напряженно-деформиро ванного состояния армированных деревянных арок с применени ем ЭВМ...............................................54

2.3. Расчет сжато-изгибаемых армированных деревянных элементов по предельным состояниям при длительном действии

нагрузки..............................................64

Глава 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ

ТРЕУГОЛЬНЫХ АРОК С АРМИРОВАННЫМ ВЕРХНИМ ПОЯСОМ ПРИ ДЛИТЕЛЬНОМ ДЕЙСТВИИ НАГРУЗКИ ........................................77

3.1. Задачи и методика проведения исследований......77

3.2. Изготовление элементов верхнего пояса моделей арок..................................................92

3.3. Результаты экспериментальных исследовании и их анализ................................................95

Выводы по главе 3...............................118

Глава 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ

ТРЕУГОЛЬНЫХ АРОК ПРОЛЕТОМ 18 М ПРИ

ДЛИТЕЛЬНОМ ДЕЙСТВИИ НАГРУЗКИ..........120

4.1. Конструктивное решение треугольных арок.......120

4.2. Изготовление опытных арок...................124

4.3. Методика проведения испытаний...............126

4.4. Результаты экспериментальных исследований и их анализ............................................... 133

Выводы по главе 4...............................139

Глава 5. ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ

ПРИМЕНЕНИЯ ТРЕУГОЛЬНЫХ АРОК............141

5.1. Методика определения технико-экономических показателей .............................................141

5.2. Технико-экономические показатели и их анализ. . .144

5.3. Внедрение результатов исследования...........151

Выводы по главе ...............................152

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ................................154

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК......................156

ПРИЛОЖЕНИЯ......................................173

ВВЕДЕНИЕ

Применение в современном строительстве клееных деревянных конструкций обусловлено их высокими технико-экономическими показателями и достаточной долговечностью. Армирование деревянных элементов конструкций стальными стержнями позволяет сократить расход древесины на конструкцию за счет уменьшения размеров сечения, монтажный вес, повысить надежность. Треугольные металлодеревянные арки пролетами от 12 до 24 м широко применяются в покрытиях зданий различного назначения, они отличаются лаконичностью конструкции, легко транспортируются и просты при монтаже. Армирование стальными стержнями клееных элементов верхнего пояса арок позволяет сократить расход клееной древесины до 40 % и снизить их себестоимость за счет возможности использования пиломатериалов 3-го сорта [28, 34, 49, 103]. При этом работа таких конструкций при действии длительных нагрузок практически не исследована, что ограничивает область их применения, поскольку армированная древесина имеет целый ряд особенностей, которые должны быть учтены при проектировании и использовании. Для древесины при длительном действии нагрузок характерны повышенная деформативность во времени, связанная с изменением основных физико-механических свойств: характеристик прочности, модуля упругости, меры ползучести и др., обусловленных особенностями строения и состава древесины. В армированных деревянных конструкциях

дополнительно к этому проявляется совместная работа древесины и арматуры, осложненная в ряде случаев сдвигом арматуры, изменением напряженно-деформированного состояния во времени и другими специфическими факторами. Существенное, а иногда и решающее влияние этих факторов на прочность, деформативность и долговечность привело к необходимости исследования работы распорных конструкций с армированными деревянными элементами при длительном действии нагрузки.

Исходя из актуальности указанной проблемы, целью настоящей работы является обоснование возможности применения и разработка практических рекомендаций по проектированию треугольных арок с клееным армированным верхним поясом с учетом длительного действия нагрузки. В соответствии с целью ставились задачи:

1. Провести численные и экспериментальные исследования напряженно-деформированного состояния армированных деревянных элементов верхнего пояса треугольных арок, работающих на сжатие с изгибом, при длительном действии нагрузки.

2. В процессе длительных испытаний экспериментально оценить деформативность армированных деревянных элементов верхнего пояса треугольных арок при различных уровнях нагру-жений.

3. Установить влияние длительно действующей нагрузки на прочность армированных деревянных элементов треугольных арок.

4. На основе теоретических и экспериментальных исследований моделей конструкций длительно действующей нагрузкой

разработать предложения по расчету армированных деревянных сжато-изгибаемых элементов треугольных арок с учетом фактора времени.

5. Провести экспериментальные исследования натурных арок при длительном действии нагрузки.

6. Провести технико-экономический анализ эффективности треугольных арок с клееным армированным верхним поясом.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- экспериментально-теоретическим путем выявлены особенности напряженно-деформированного состояния армированных сжато-изгибаемых клееных элементов треугольных арок при длительном действии нагрузки;

- предложена методика расчета армированных сжато-изгибаемых деревянных элементов при длительном действии нагрузки, основанная на учете требований к элементам строительных конструкций по прочности, устойчивости и деформативности с учетом перераспределения усилий между древесиной и арматурой во времени;

- проведено экспериментальное исследование деформативности треугольных армированных деревянных арок пролетом 18м.

Практическое значение и внедрение результатов работы:

- составлены рекомендации по проектированию треугольных арок с затяжкой и клееным армированным верхним поясом;

- определено, что армирование деревянных элементов арок позволяет снизить расход клееной древесины в среднем на 18 -

40 % (в зависимости от коэффициента армирования) по сравнению с аналогичными типовыми конструкциями;

- результаты исследований применены при проектировании опытных конструкций, разработанных институтом "Росоргтех-сельстрой" и опытном внедрении на предприятии "Абакан-сельстрой" и при разработке экспериментального проекта институтом "Агропромпроект".

На защиту выносятся:

- результаты экспериментально-теоретических исследований в виде предлагаемой теории расчета сжато-изгибаемых армированных деревянных элементов треугольных арок при длительном действии нагрузок;

- практические предложения по проектированию клееных армированных элементов треугольных металлодеревянных арок.

Глава 1. АРМИРОВАННЫЕ ДЕРЕВЯННЫЕ КОНСТРУКЦИИ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

И ВЛИЯНИЕ ДЛИТЕЛЬНО ДЕЙСТВУЮЩЕЙ НАГРУЗКИ НА ИХ ПРОЧНОСТЬ И ДЕФОРМАТИВНОСГЬ

Клееные армированные деревянные конструкции (АДК) относятся к сравнительно новым видам строительных конструкций, номенклатура которых в основном ограничивалась балками с параллельными поясами и арками [9, 15, 33, 43, 64, 83, 88]. Эффективность АДК по сравнению с традиционными клееными конструкциями определяется меньшим расходом древесины (на

14 - 35 %) и монтажным весом (на 10 - 28 %), меньшими габаритами поперечных сечений, более высокой надежностью (за счет поддерживающего влияния арматуры), возможностью применения древесины более низкого качества [6, 11, 23, 27, 28, 32, 35, 48, 86, 89]. В то же время более широкое применение АДК ограничивается недостаточной их изученностью, особенно при длительном действии нагрузки.

1.1. Применение армированных деревянных конструкций в частях зданий

Армированные деревянные конструкции являются разновидностью комбинированных строительных конструкций, часто применяемых при возведении каркасных зданий различного назначения. В подобных конструкциях совмещаются положительные свойства разнородных материалов, что позволяет повысить их несущую способность, жесткость, долговечность и надежность. Одним из первых примеров эффективного применения металла и древесины можно считать деревянное колесо, «одетое» в металлический обод. В строительных конструкциях идея применения металла для усиления деревянных конструктивных элементов пришла из авиации, когда в 1927 г. Фишер запатентовал деревянный стрингер «для аэропланов», усиленный стальной проволокой [84, 129]. Кроме того, способ усиления деревянных конструкций армированием как специальных, так и аварийных применяется за рубежом довольно часто [15,55, 116-123].

Армирование сжато-изгибаемых деревянных элементов нашло применение в несущих конструкциях зданий, построенных в нашей стране и за рубежом, Первый подобный опыт применения армирования был осуществлен под руководством Х.Гранхольма шведской фирмой «АВМ ТоЬшоп», наладившей выпуск 42 типоразмеров АДК, в том числе и треугольных металлодеревянных арок и трехшарнирных рам с клееными армированными элементами пролетом до 30 м [118, 121] (рис, 1.1, 1.2, 1.3). Затем в середине 60-х годов производство клееных армированных арок было освоено в бывшей ЧССР [117]. Арки применялись в покрытиях производственных цехов химических предприятий и имели пролет более 30 м (рис. 1.4). В указанных выше конструкциях применялись арматурные стали периодического профиля, выпускаемые для армирования железобетонных конструкций. Соединение арматуры с древесиной осуществлялось при помощи эпоксидных клеевых композиций.

В Финляндии фирма «Наскшап» запатентовала и освоила производство клееных армированных балок, арок пролетом до 30 м, а также колонн. Арматура квадратного сечения 14x14 мм вклеивается в продольные пазы двух смежных слоев досок. При этом плоскости паза направлены под углом 90°, в то время как по отношению к пласти угол составляет 45°.

Отмечается, что подобное армирование позволяет значительно снизить высоту поперечного сечения конструкций, а также компенсировать ослабление сечений сквозными отверстиями для прокладки коммуникаций [15].

7-/5 м

âo 24 м

i

7

Рис.1.1 Конструкции выпускаемые фирмой "АБН Тонсон"

2014

в

I

6014

+

6*14

4ФЩ

А

т

к

11§э5

11

40/4

Рис.1.2. Поперечные сечения армированных деревянных конструкций выпускаемых в Швеции

1-х

---—36200 --+

Рис.1.4 Клееная армированная арка в покрытии цеха химичесю го завода / ЧССР /

Рис.1.3 Клееная армированная треугольная арка в покрытии производственного здания / Швеция /

Рис.1.5. Клееные арки с предварительно напряженной стеклопластиковой арматурой е покрытии склада химудобрений /Белоруссия/

Начиная о 60 - 70 годов разработкой и исследованием АДК начали заниматься наиболее интенсивно, что отразило потребности строительства, особенно сельскохозяйственного, в легких эффективных конструкциях.

Первые работы в этой области выполнены В.Ю. и С.А.ГЦуко, А.Я.Козулиным, И.М.Линьковым, В.М.Соротоки-ным, Л. С. Чеботаревой, В. Д.Ли, Е.А.Смирновым, В.Б.Касаткиным, Б.В.Накашидзе и др., которые проводились в ЦНИИСК им. Кучеренко, Иркутском, Владимирском, Томском, Хабаровском политехнических, Белорусском, Новосибирском инженерно-строительных институтах, ИСиА Госстроя БССР, ЦНИИ-Промзданий и других организациях [6, 23, 24, 27, 28, 30, 32 - 35, 37, 38, 41, 50, 56, 59, 64, 78, 79, 80, 83, 85, 86, 88 - 107].

В треугольных арках для покрытий складов химудобрений, выпускавшихся Гомельским заводом КДК, армирование клееных элементов осуществлялось стеклопластиковыми преднапряжен-ными стержнями [64] (рис. 1.5). Начиная с 80-х гг. институтами "Росоргтехсельстрой" и Владимирским политехническим разрабатываются треугольные металлодеревянные арки с клееным

армированным верхним поясом пролетом до 12 - 24 м для пои Ч-Г ___V /

крытии сельскохозяйственных производственных здании (рис. 1.6). Проведенные испытания моделей и натурных конструкций показали их высокую эффективность и достаточную надежность. Впервые в СССР были разработаны рекомендации по проектированию деревянных констр)тсций [102]. Опытное внедрение арок пролетом 12 и 18 м, разработанных под шаг 6 м и изготовленных на Красноярском и Абаканском ССК, подтвердили воз-

•стяжная муфта

затяжка из стали класса А-ПЕ

е- ¿гооо-гиооо____

"7

Рис. 1.6. Треугольная металлодеревянння арка пролетом 32-24 м

можность их эффективного применения [24, 32, 49, 51, 93, 95, 106]. Большой объем работ по исследованию и внедрению треугольных армированных арок был проведен Л.С.Чеботаревой в «НИИПромстрое» (г. Уфа) [83, 85].

Однако в начале 90-х годов, в связи с участившимися отказами клееных элементов верхних поясов из-за скалывания и раскалывания в опорных и коньковых зонах, производство треугольных металлодеревянных арок МДА серии 1.860 - 2 стало сокращаться, что вызвало необходимость изменения конструкции опорных частей арок. Новые конструктивные решения опорных узлов, выполненные ЦНИИСКом для типовых конструкций АМД серии 22 - 252 и ВПИ для экспериментальных армированных арок, сократили до минимума опасность скалывания и раскалывания опорных частей арок [73, 81, 98, 99]. С целью предотвращения возможного скалывания и раскалывания элементов из-за технологических факторов, а также и силовых, в опорных и коньковых частях арок целесообразно использовать поперечное армирование элементов [30, 69, 93].

Анализ литературных публикаций и отчетов по НИР показал, что большинство приведенных исследований АДК связано с кратковременным действием статических нагрузок, а это не позволяет в полной мере оценить их эксплуатационную пригодность и выявить особенности напряженно-деформированного состояния, проявляющиеся при длительном действии нагрузки.

Достоверно оценивать результаты зарубежных исследований по длительной прочности АДК можно весьма приблизитель-

но, т.к. публикуемые материалы носят большей частью рекламный характер [116-118, 121, 122].

Первые исследования работы АДК (балок) при длительном действии нагрузок были проведены в 1966 - 1970 гг. В.Ю. и С.А.ГЦуко в Иркутском политехническом институте [47, 88, 90]. Исследования проводились на балках пролетом 2,7 м, имевших двойное симметричное и одиночное (растянутой зоны) армирование и показали по сравнению с контрольными (неармирован-ными) значительно меньшую деформированность во времени. При этом был отмечен эффект перераспределения усилий, приводящих к росту нормальных напряжений в арматуре и соответственному снижению их в древесине, что позволило сделать вывод о качественном влиянии армирования на эксплуатационную надежность АДК.

В дальнейшем исследование длительной работы АДК (в основном балок) как с преднапряженной арматурой, так и с обычной, проводились в ПРИИСК им. Кучеренко В.М.Соротокиным, И.М.Линьковым, П.С.Кузнецовым;, в «Оргэнергострое» совместно с ВИСИ им. Куйбышева В.Б.Касаткиным, В.Ф.Бондиным, В.Б.Вылегжаниным, В. Д. Ли; в «НИИПромстрое» (г. Уфа) Л.С.Чеботаревой [11, 27, 28, 41, 47, 50, 80, 85].

В целом накопленный опыт исследований и опытной эксплуатации АДК, работающих при изгибе, говорит о достаточно высоких свойствах таких конструкций и перспективности применения их в современном строительстве. В то же время достоверных сведений о длительной прочности и деформативности АДК с сжато-изгибаемыми элементами (арок, рам, распорных

систем, колонн и т.п.) накоплено недостаточно для широкого их внедрения в практику строительства.

1.2. Учет влияния длительно действующей нагрузки

при расчете АДК

Известно, что в основу методов расчета АДК положен закон Гука и принцип малости перемещений, позволяющий вести расчет по недеформированному состоянию. На основе этого принципа было решено много задач по исследованию напряжен-но-деформиров энного состояния конструкций и создано большое число достаточно обоснованных теоретических методов расчета. В частности была разработана методика расчета по допускаемым напряжениям, обеспечивающая высокую безопасность сооружении. В дальнейшем совершенствование линеиных методов расчета и теоретических исследований деревянных сжато-изгибаемых элементов происходило по двум основным направлениям.

В первом случае предельная несущая способность элемента определялась исходя из теории устойчивости �