автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Эффективные деревянные конструкции и методы их расчета с учетом нелинейных зависимостей

МПС РФ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ „ лп ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ (МИИТ)

НН-о—ОД ----

"9 ОКТ Ш5 На правах рукописи

Кандидат технических наук АРЛЕНИЦОВ ДМИТРИЙ КОНСТАНТИНОВИЧ

УДК 624.011.1:624.04

ЭФФЕКТИВНЫЕ ДЕРЕВЯННЫЕ КОНСТРУКЦИИ И МЕТОДЫ ИХ РАСЧЕТА С УЧЕТОМ НЕЛИНЕЙНЫХ ЗАВИСИМОСТЕЙ

Специальность 05.23.01 — Строительные конструкции, здания

и сооружения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени .доктора технических наук

Москва —

1995

Работа выполнена в Ордена Трудового Красного Знамени Центральном научно-исследовательском и проектно-экспери-ментальном институте комплексных проблем строительных конструкций (ЦНИИСК им Кучеренко).

Официальные оппоненты — доктор технических наук

профессор ХРОМЕЦ Ю .Н.'

доктор технических наук профессор, академик Академии Транспорта ВАЛУИСКИХ В. П.

доктор технических наук

линьков В. И.

Ведущая организация — ЦНИИЭПсельстрой

Защита состоится « » 1095 г. в /У часов

на заседании диссертационного совета Д 114.0508 при МИИТ по адресу: 101,475, Москва, А-55, ул. Образцова, 15, ауд.

///С

С диссертацией можно ознакомиться с Сиблиотгке университета.

Автореферат разослан « ^ > <£>^^ ^ Отзыв на автореферат, заверенный печатью, просим направлять по адресу диссертационного Совета.

Ученый секретарь диссертационного совета

В. И. Клюкин

• - 3 -

Актуальность работы. Наличие в стране богатой сырьевой базы самовозобновляющего материала - древесены требует более широкого его использования в строительстве. В стране создала индустриальная база по изготовлении клееных деревянных конструкций. Восемнадцать предприятий, которые имеют технологические линии для изготовления нлеених конструкций, в том числе,импортные, работает.на часть своих мощностей, а некоторые свернули это производство. Получившие наиболее широкое распространение з этой области типовые безраскоо-ные фермы, созданные двадпать лет назад в период освоения индустрии клееных конструкций, являются слишком ыатеряалоемними для успешной конкуренции с хелезобетонныл^ конструкциями. Помимо клееных конструкций ивдустреального изготовления необходимо восстановить незаслуженно забытые традиции-по изготовлению значительно более дешевых деревянных и металлодеревяяных конструкций из цельной древесины. Их можно изготавливать в построечных условиях на базе небольших предприятий, имеющих деревообрабатывающие участки и механические мастерские. Для районов Россш, где лес является местным строительным материалом, требуются разработки новых эффективных

конструкций, причем следует учитывать фактор использования свке-• ч

срубленной древесины, которая как показывает практика, зачастую вдет в производство. Для таких р&йояой' следует широко применять вне отехкологичные дощатые конструкции с соединениями на металлических зубчатых пластинах (ЦЗП), нашедшие широкое применение за рубежом, особенно в Скандинавских странах, Канаде, США.

Решение проблемы расширения области применения несущих деревянных конструкций связано с решением вопроса создания эффективных ограздаюащх конструкций, поскольку применяемая ныне номенклатура ограничивается дашой 3 ч.

Создание новых эгфек-яшшс камтртгъззппс раяеетЦ, сшгаюадл

материалоемкость, трудоемкость и технологичность конструкций связано с совершенствованием методов расчета деревянных элементов. Примерно 90$ всех типовых несущих конструкций представляют собой распорные трехшарнирные системы, расчет которых сводится к расчету сжатоизгибаемого элемента. В то же время нормативная методика расчета сжатоизгибаемых деревянных элементов, разработанная более сорока лет назад основана на формулах, не отражающих реальных условий закрепления стертая, с идеализированной осью деформирования для всех случаев нагружевия, в т. числе и при внецентренном приложении нормальной сюш. Реальная картина напряаенао-деформированно-го состояния деревянного элемента, полученная современными методами расчета с учетом нелинейных зависимостей различного рода дает значительное снижение уровня ыаксшшльншс напряжений, и как следст-.вае, снижение материалоемкости.

Основной целью работы является расширение номенклатуры деревянных конструкций, снижение их материалоемкости и трудоемкости по сравнению с конструкциями массового применения на базе новьис конструктивных решений и совершенствования ыетодики расчета.

Б соответствии с поставленной целью необходимо било решить следующие задачи:

. I. На основании анализа несущих и ограздаюдах деревянных конструкций, применяемых в массовом строительстве, определить направление исследований и предлаит» новые конструктивные решения.

2. Провести теоретическую оценку нормативной методики расчета оаггоизгибаемых деревянных ялементов.

3. Провести экспериментальные исследования на моделях кратковременной и длительной нагрузкой саатоизгибаемшс деревянных элементов в составе распорных систем.

4. Разработать и реализовать алгоритм конечно-элементного рас-

чета сяатоизгибаемого деревянного элемента с расчетной схемой, адекватной реальным условиям закрепления и учетом нелинейности деформирования под нагрузкой.

5. Провести экспериментальные исследования и получить уравнения аппроксимации диаграммы сжатия для древесины повышенной влажности.

6. Провести таслеянке исследования налряионно-дефорлировшшо* го состояния деревянных элементов верхнего пояса металлодеревяшшх ферм и оценить нормативную методику расчета.

7. Провести испытания кратковременной п длительной нагрузкой предлагаемых металлодеревяшшх форм. .

8. Изучить вапряшгао-дефоршрованпое состояние дощатых ферд

с податливыми соединениями в узлах и определить предельную величину дефорлативн оста соединения.

9. Назначить расчетные характерастики соединений на МЗП о предельной величиной деформаций и провести испытания конструкций кратковременной и длительной нагрузкой.

10. Разработать новый конструктивный элемент, гнутоклееный швеллер и определить его расчетные характеристики.

11. Разработать и испытать кратковременной и длительной нагрузкой клеефанеркую плиту с ребрами из фанерных швеллеров опти-ыального попортного сечения.

Эти задачи были решены автором в период работы в отделе деревянных конструкций ЦНИИ® юл.Кучеренко с 1972 по 1993 гг., самостоятельно и при участии аспирантов, научным руководителем которых автор являлся.

Научная новизна заключается в овершенствовании нормативной методики расчета деревянных конструкций, их элементов и соединений в части:

- 6 - •

- учета граничных условий, адекватных условиям закрепления

- совместного учета физической, геометрической и конструктивной нелинейности деформирования сжатоизгибаешх элементов деревянных конструкций; ■ .

- учета влияния влажности и контактных деформаций деревянных элементов на надрязднно-дефоршрованное состояние ■ -егаллодеревян-иых ферм;

- учета влияния податливости соединений на тапр^женно-дефор-мированкое состояние дощатых ферм и назначение предельной ведичи-■ ны деформаций соединений,

а также,

- в разработке метода расчета и оптимизации поперечного сечения клеефанорной плиты с ребрами из фанерных швеллеров;

, - в назначении расчетных.характеристик нового вида соединений деревянных конструкций с требуемой величиной податливости и нового 1 конструктивного элемента - фанерного швеллера.

Практическая ценность работы.' Результаты работы послужили основой для разработки альбомов рабочих чертежей новых деревянных конструкций как в центральных, так и в региональных проектных институтах. Техническая документация ианша применение на заводах в городах Вологде, Вельске, Нелидово, на которых выпуск тцпознх конструкций, был заменен конструкциями по альбому "Арки метаялоде-реиянаые клееные треугольные продетом 12 и 18 к. Усоверщецствовэн-•яыб соответствия с методикой 'БШ1С1С) 1990 г. Цифр 1935. Освоено лпоиободство металлодереэяяяих брусчатых ферм в Курганской области. К'хзефакерные плиты покрытия с ребра:.« из фанерных шврлдеров приме-иса±1.а покрытии склада концентрата третьего рудоуираялоякя ПО ГЗалорушушб" з г.Сошеорске. производство дощатых '.герм ка. ШП йыхо освэеио на Укралае (Впнкяикал обл.> и в Латвии (поо.АигажО. Результаты ксследОЕ-ант:!: л^ш'Г.: отражении у ряде рексмечдяциЬ ЦНИИСК

и учебных пособиях.

Апробация. Основные результаты работ по диссертации были доложены и обсуздены на научно-технических конференциях в ЛЖИ (1975, 1976 гг.), ВЗИСИ (1982), ЦКИИЭПсельстрое (1990 г.),на научно-технических семинарах в Гомеле (1977 г.), Ленинграда (1987), Пензе (1990 г.), Владимире (1990, 1991 г.).

На запрету выносится:

- результат исследований, предлагаемых несущих деревянных конструкций для массового строительства (клееную, брусчатую и дощатую) и отраздающую кяеефанерную конструкцию;

- расчетная модель сяатоизгибаемого деревянного элемента с вкецентреннкм приложением нормальной силы;

- результаты численных и экспериментальных исследований нал-ряжешю-деформируемого состояния сжатоизгибаемых деревянных элементов в состава распорных и стержневых конструкциях;

- расчетные значения несущей способности соединений на М311 с фиксирован но.2 податливостью;

- метод расчета и алгоритм оптимизации клеефанерной плиты покрытия с ребрами из фанерных гавеллеров.

СОДШАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе дай обзор применения' несущих и ограздающих де-девянных конструкций массового изготовления, в том числе из клееной и цельной древесины, приведены сведения о перспективных исследованиях направленных на создание новых конструктивных решений. Проведен анализ развития нормативной методики расчета сжагоизгибае-мых деревянных элементов и ее совершенствование в части учета нелинейных зависимостей различного р д.

Применяемые ныне типовые клееные деревянные конструкции, н разработку нормативно-методической базы которых внесли большой ¡вклад отечественные ученые Г.Г.Карлсен, Ю.М.Иванов, В.Ы.Коченоб,

Г.В.Свенцвдкий, Ю.В.Слицкоухов, П.А.Дмитриев, Е.М.Знаменский, У.Е.Коган в подавляющем большинстве представляют распорные конструкции с передачей усилия распора на затяжку или на фундаменты. Это трехшарнирнне арки, рамы, безраскосные фермы, состоящие из двух прямолинейных или гнугокяееных сжатоизгибаемых элементов, соединенных в коньке. Развитию методики расчета этих элементов посвящены труды Г.В.Свешшщсого, К.С.Завриева, В.В.Панадаана, Ф.П.Белянкша, В.Ф.Яценко, В.М.Коченова, В.А.Шляпша, В.И.Агани-г на, Л.В.Касабьяяа, В.й.Щуко и др. Вопросы в области совершенствования расчета деревянных конструкций в. настоящее время неразрывно связано с учетом нелинейных зависимостей. Учет физической, геометрической и конструктивной нелинейностей дает исчерпывающее представление о работе конструкции на всех этапах нагружения, .Еключая и-этап разрушения. Основываясь на работах А.В.Александрова, В.М.Бондаренко, Г.А.Гениева, Н.И.Карпенко, Б.Я.Дап-ецникова, П.А.Лушша, В.Ц.Йастаче"ккЬ, А.Ф.Смирнова и др. виднейших специалистов, теоретические исследования в области учета физической ш геометрической нелинейностей при расчете деревянных конструкций отражены в работах В.П.Валуйских, О.О.Андреева, Е.И.Светозаровой, Е.Н.Серова, В.П.Коцктубова, Б.К.Михайлова, Р.Б.Орловича, К.П.Пяти-крестовского, В.З.Юшыекко, С.И.Авдеева, Г.М.Башаева, ж др.авторов.

Наряду с клеенши деревянными конструкциями в практике строительства применяются несущие конструкции с использованием цельной древесины, которые можно условно классифицировать, как брусчатые и дощатые конструкции. Брусчатые металлодереаянные ( риы, разработанные Г.В.Свешщцкиы, В.С.Деревягиныы широко применялись, до 7С-х годов. Модернизацией этих конструкций и совершенствование методов расчета сжагоизгибаемых элементов верхнего пояса посвяще^ ны р!боты Ю.В.Иискунова, Ю.Д.Стркжакова, Н.В.Денеш, Д.й.Чахова, Ь.А.Прилекского, В.П.;',еева л др. Исследования в области додатцх

конструкций отражены в работах В.Ю.Щуко, Ю.Н.Буслаева, В.Г.Курганского, В.В.Гонольда, И.П.Зотовой, Е.А.Смирнова, Л.И.Еропова. В создании методики расчета дощатых конструкций с соединении.»! на металлических зубчатых пластинах исподьдовались исследованта А.К.Наумова, В.Г.Миронова, В.Л.Цепаева, А.М.Дуряовского. Большой вклад в разработку ограждающих конструкций с применением древесины внесли И.М.Лияьков, К.З.Козлов, А.С.Орейдин, Ю.Н.Хромец.

Проводимые в последнее время исследования под руководством С.Б.Туровского по вклеиванию арматурных стержней, повышающие надежность клееных конструкций, позволяют создать новые формы большепролетных конструкций, а исследования С.В.Колпакова, В.И. Линькова реализуются в использовании конструкций из цельной древесины.

Проведенный обзор применения деревянных конструкций в строительстве и исследовательских работ по создании конструкций, соединений и методов их расчета позволили определить пути совершенствования козструкний кассового изготовления. В части совершенствования конструктивных решений, это снижение материалоемкости безраскосных ферм с клееным верхним поясом, снижение трудоемкости и технологичность изготовления конструкций из цельной древесины, новые формы а оптимизация поперечного сечения ограждающих конструкций. В части совершенствования мете ов расчета, это учет совместного влияния физической, геометрической и конструктивной не-линейностей при расчете сжатоизгибаемых элементов верхних поясов ферм, учет податливости соединений дощатых ферм, назначение расчетных характеристик новых видов соединений и конструктивных -.элементов.

_Вторая глава посвящена теоретическим' исследованиям налря-.аенно-дефор&ируемого состояния схатоизгабаемого деревянного элемента',

- 10 -

Существующая нормативная методика расчета деревянных сжато-изгибаемых элементов разработана в 30-50 годы практически не претерпела изменений до настоящего времени, хотя расчетные предпосылки в 'части линейности деформирования, создают излишний запас прочности. И если сорок лег назад такой подход был вполне оправдан, поскольку достоверность назначения величия допускаемых напряжений, а затем расчетных сопротивлений древесины вызывала сомнение, то теоретические и экспериментальные исследования, в части вероятностного подхода к нормировании, проведенные в последние годы, дают достаточно точные значения расчетных сопротивлений древесины при различных видах напряженного состояния. Это и вызывает необходимость в, уточнении нормативной методики расчета сжатоизгибаемых элементов, которая дает завышенные значения расчетных напряжений. .Увеличение расчетных величия нормальных напряжений, подсчитанных по нормативной методике заножено: во-первых, в обобщенной аппроксимации оси деформирования элемента при различных видах [Гагрукени#; во-вторых, в граничных условиях, которые не всегда адекватны дальним условиям эксплуатации.

Неправомерность аппроксимация оси деформирования при комбинации поперечной и зяецентренно-приложенной продольной нагрузок, единой ординатой первого члена тригонометрического ряда манн о проследить, последовательно проинтегрировав дифференциальное уравнение изогнутой оси балки, нагруженной поперечной и продольной нагрузкой от каждой из нагрузок, изгибающие моменты которых равны между собой по абсолютной величине к противоположна по вн!_..у. Для балок о постоянным по пролету моментом прогиб в середине пролета будет равен АС1/8ЕУ , а гаягенс угла поворота опорного сечения будет равен Л С /¿ЕУ. Для балки с равномерно-распределенной нагрузкой прогиб в середине пролета будет равен Гу ¿*/зеу £3 , а

- И -

. Поскольку из условия равенства моментов вытекает, что разница прогибов и тангенса углов поворота опорных сечений от этих нагрузок равна нулю, модао определить величину изгибающего момента в функции поперечной нагрузки. Определяя это значение из условия равенства прогибов, получаем величину, которая не равна величине момента полученного из условия равенства тангенса углов поворота. Расхождение в величинах моментов; подтверждает предпосылку о некорректности нормативной методики расчета сжатоизги-баемого элемента для случая с внепентреннкм приложением нормальной силы, момент от которой имеет обратный знак изгибающему моменту. Поскольку эта расчетная схема в конструировании деревянных конструкций является основной, то достоверная опенка напряженно-деформируемого состояния имеет важное значение.

Вторая погрешность нормативной методики расчета заключается в том, что расчетная модель сжатоизгкбаемсго элемента в случае, когда изгибающий момент от продольной силы, приложенный с эксцентриситетом имеет обратный знак моменту от поперечной нагрузки, не соответствует физической модели, поскольку расчетной схемой предусматривается свободный поворот опорного сечения, т.е. стержень ■ рассматривается как статически- определимый.

Однако, в реальных условиях, опирание деревянных элементов верхних поясов |ерм и распорных конструкций чаще всего осуществляется через оторцовакные поверхности и передача нормальных усилий происходит, как правило, через всю площадь поперечного сечения или через ее часть, когда продольная сила приложена с эксцентриситетом. В результате опорное сечение, не имея возможности свободного поворота, обминается неравномерно. Вследствие этого,равнодействующая нормального усилия смещается относительно проектйой ■ точки, приложения вектора продольной силы,' которая разгружают ' V элемент. , '

- 12 -

Таким образом, в процессе деформирования происходит изменение расчетной схемы саатоизгибаемого элемента в части граничных условий, что позволяет рассматривать элемент как статически неопределимый стержень с конструктивной нелинейностью.

Конструктивная нелинейность будет проявляться в... различной мере в зависимости от ряда факторов. Для определения этих факторов данную плоскую задачу теории упругости можно условно привести к решению методом сил основной системы статически неопределимой балки, где неизвестная сила прилскена к крайним нижним волокнам элемента. Величина неизвестной силы будет равна X, « ¿и - К где К - числовой коэффициент, зависящий от характера нагрузки, Я -1(р)~ поперечная нагрузка, - пролет балки, Н - высота поперечного сечения.

Как видно из этого выражения на величину неизвестной силы, т.е. на проявление конструктивной нелинейности, влияет характер и величина поперечной нагрузки, а также геометрические характеристики, причем уменьшение высоты поперечного сечения в большей мере проявляет влияние.конструктивной нелинейности. .Для опенки влияния податливости горизонтальных опор на конструктивную .нелинейность запишем перемещение условной затяжки,которую будет в наием примере растягивать сила X, . а » X, С/еЗ Это выражение пока-

зывает,. что удлинение затяаки, а следовательно податливость горизонтальных опор обратно пропорциональна осевой жесткости затяжки. Если Е °° , -то будут отсутствовать перемещения ^ £ и конструктивная нелинейность выраяаегсян наиболее ярко. Если - ГО то а € мотет иметь значительную величину и опорные детали этой затяяки не бу^ут препятствовать повороту опорных сечений.Тём самым в этом случае конструктивная нелинейность не будет проя&ляться, и элечен? можно рассматривать" "как статически определимый'в соответст-

вии с расчетной схемой принятой в нормативной методике. Как видно на степень конструктивной нелинейности влияет значительное количество факторов от податливости опорных устройств до аесткостных характеристик скатоизгкбаемого элемента.

Поскольку в процессе деформирования в зоне торцов происходит перераспределение напряжений с белее нагруженных волокон на менее нагруненные и в крайних волокнах возможны пластические деформации в расчетах необходимо учитывать физическую нелинейность.

.Таким образом оценку нормальных, напряжений в расчетных сечениях статоизгибаекых деревянных элементов в составе распорных конструкций и верхних поясов металлодеревянных ферм необходимо производить с учетом физической, геометрической и конструктивной нели-нейностями,?.е. расчет простейшего стержня становится "триады" нелинейной задачей.

Для реализации1 алгоритма расчета саатоизгибаемого элемента с учетом нелинейностей во Владимирском Политехническом университете была разработана программа "ПРЕСС" в основу которой положен метод конечных элементов. 'Решение задачи осуществляется при:-помощи итерационного процесса, осуществляемого шаговым методом. Конечный элемент трезтожьный. Формирование матрицы жесткости происходит с учетом реальных- характеристик древесины в двух направлениях, вдоль и поперек волокон. Учет физической нелинейности реализуется с использованием касательного модуля, записываемого в виде £■* а * * Зс£ г где параметры ', определяли из диаграмм сжатия .<£-£ древесины различной влажности. Для расчета клееных конструкций использовалась диаграмма сжатия древесины влажностью 10$, полученная В.М.Кочено-вым, а для расчета конструкций из цельной древесины были получены диаграммы сгатия дрезесины влажностью 20 и 30$ путем проведения экспериментальных исследований на крупных образцах.

Программа "Пресс" составлена на языка " ьО/ИЯйМ раб0Ха-ет в диалоговом рекиме и имеет следующие возможности:

- процесс нанесения конечно-элементной сетки и вычисление координат узлов происходит автоматически, при этом сетка сгущается в опорной зона и в расчетном сечении;

- предусмотрена возможность применения разложения равномерно-распределенной нагрузки на составляющие, в зависимости от уклона верхнего пояса конструкций. Величины сил задаются в соответствии

с деформированным состоянием элемента, полученным на предыдущем этапе итерационного процесса;

- при расчете с учетом конструктивной нелинейности, "отлип" от штампа в верхних конечных элементах приопэрного слоя моделируется ликвидацией горизонтальных связей в узлах которых наблюдаются положительные перемещения; .

- горизонтальная податливость" опор моделируется модулем упругости штампа, через который передается усилив распора на деревянный элемент.

Для оценки нормативной методики расчета скатоизгибаемых элементов, по которой было подобрано поперечное сечение верхних поясов типовых безраскосных металлодеревянных ферм, были проведены расчеты этих конструкций по программе "Пресс". Расчеты произ-' водились для всей номенклатуры конструкций, изготовляемых по типовой серии 1-860-6... Расхождение в значениях максимальных нормальных напряжений верхних поясов ферм пролетом 12 и 18 м под различные нагрузки составили от II до 22$. Полученные результата, были реализованы при корректировке типовых чертежей, в результате которой материалоемкость конструкций уменьшилась в среднем на 9%.

^ третьей главе приводятся данные экспериментальных исследований схатоизгкбаемых деревянных элемертэв на моделях кратковременной а длительной нагрузкой.

- 15 -

Испытание кратковременной нагрузкой производили на крупноразмерных образцах, предстазляющкх собой распорную систему пролетом 8,9 м и состоящую из двух деревянных составных элементов верхнего пояса, имеющих длину 4,5 м я металлической затявки, жесткость которой изменялась. В перзэй модели несущая способность которой обуславливалась сечением верхнего пояса, затякка подбиралась по условии прочности из высокопрочной арматуры. Во второй модели сечение затякки было увеличено из условия ограничения удлинения затяжки 6 мм. В третьей модели опоры жестко фиксировались на силовом полу. Нагрукение производили до расчетной нагрузки. Увеличение жесткости затяжки снизило прогиб в середине пролета верхнего пояса с 53 до 32 мм, т.е. на 65$. Максимальные значения нормальных напряжений в скатах волокнах уменьшились с 11,0 до 9,2 Ша,. Эпюра смятия торцов имела ярко выраженный трапецеидальный характер. Такие результаты показызаэт на увеличение разгружающего момента от продольной силы, вследствие смещения равнодействующей, относительно проектного положения и. увеличения эксцентриситета, т.е. имеет место изменения расчетной схемы в процесса деформирования.

Для дополнительной оценки влияния податливости загляни на напряженно-деформированное состояние деревянных элементов были проведены испытания верхних поясов распорной системы на раздельное воздействие поперечной к продольной загрузкой. Суммарные напряжения сжатия в крайних волокнах элементов, подученные в процессе испытаний от соответствующих нагрузок были практически равны напряжениям, имевшим.место при испытании моделей о затяжкой,, подобранной по прочности.

Для оценки результатов экспериментальных исследований били проведены численные исследования напряжеино-дефзрмирэвавдзгэ cae-

тояния верхних поясов моделей с использованием программы "ПРЕСС". Значения нормальных напряжений сжатия в расчетном сечении практически соответствуют экспериментальным данным и в зависимости от жесткости штампу. который моделирует удлинение затяжки, равнялась 11,3; 10,6 и 9,3 Ша. В зоне контакта древесины со штампом напряжения имел! нелинейный характер, при этом нелинейность имела более вирапенный характер по мере увеличения модуля упругости штампа. При расчете третьего варианта, где удлинение затлнки отсутствует в верхних конечных элементах появлялись растягивающие напряжения, т.е. проявлялся эффект "отлила", что свидетельствовало об уменьшении площади контакта древесины со штампом.

Проведенные сравнения результатов расчета с фактическими данными подтвердили рабэтоспособгость программы и доказали необходимость y4Qia изменения расчетной схема в процессе деформирования.

С целью определения дефоркатнзносги и контактных деформаций . приопоркях зон сЕатонБГибаешх элементов была проведены испытания длительной нагрузкой. Испытания проводили на моделях распорных систем пролетом 2,4 м при соотношении изгибных п сжимающих напряжений = 115/15; 110/20100/30; .90/40 ; 80/50,

которые имею место в реальных распорных и стержневых деревянных конструкциях.

На длительные испытания было установлено II моделей распорных систем с передачей усилия распора на жесткие опоры. Замеренные' деформации древесины торцов деревянных элементов показали, что в верхней части сеченая наблюдается "отлип" от опор, а в нишей части происходит смятие древесины, величина которой увеличивается во времени. В результате неравномерности обилия торца продольное усилие действуат лксь на его иихкой части, что приводит к смете-' кию равнодействующей и появления эксцентриситета, что вызывает

разгружающий момент относительно изгибающего момента от поперечной нагрузки. Полученные данные подтверждают исходные предпосылки об отсутствии свободного поворота опорного сечения сяатоизги-баемого деревянного элемента, который заложен в расчетной схеме статзизгибаемого элемента, принятой в нормативной методике. Этим фактором объясняется значительное расхождение фактических данных по прогибу элементов с расчетными, подсчитанными по нормативной методике. Более высокие значения расчетных величин, прогибов, относительно фактических данных достигают 100$, причем эта разница увеличивается с уменьшением отношения /¿"н • Кроме этого в образцах где равняется. .: 80/50, наблюдаотся

ларадокзальное на первый взгляд явление. Прогиб в середине прилетов схатоизгибаемых элементов в процессе длительного приложения нагрузки уменьшается по сравнению с прогибом замеренным в момент приложения нагрузки, хотя в соответствии с расчетной схемой норматив! ной методики элемент должен догружаться нормальной силой при любом отношении <л*%/<эс£ . Полученные результаты подтверждают исходную предпосылку о неадекватности расчетной модели сгатоизгкбаемо-гр деревянного элемента физической модели. 3 процессе деформирования сяатоизгибаемых элементов имеет место изменение расчетной схемы в части граничных условий, что требует производить расчет с учетом конструктивной немнэйности.

Для оценки экспериментальных данных и сравнения с расчетными величинами нормальных напряжений, полученных по нормативной методике были проведены численные исследования напряженно-деформированного состояния деревянных элементов моделей с учетом нелинейных зависимостей по программе "ПРЕСС". РАсхэздение максимальных напряжений з сжатых волокнах элементов, определенных точным методом с надрякэппямн,подсчитанными по нормативной методике,

колеблется от 17 до 41% э зависимости от соотношения кзгибшх и сжимающих напряжений. При этом четко прослеживается тенденция, .что по мере снижения доли изгибшх напряжений и увеличения доли сжатия, расхождение с величинами, полученными по нормативной методике, увеличиваются.

Образцы, сечение которых было подобрано под расчетное сопротивление, разное 13,0 Ша, с отношением изгибшх напряжений к сжимающим 11,5/1,5 Ша, имели напряжение в расчетном сечении 11,0 Ша, а при отношении 8,0/5,0 имели напряжение 9,2 Ша. Расхождение в величинах максимальных нормальных напряжений показывает, что образцы запроектированные и изготовленные как скатэкзгкбаешэ элементы с тент гальным приложением нормальной силы в процессе деформирования изменяют расчетную схему и работают как внецентренно сжатоизгибае-■ше элементы. Эпюры нормальных напряжений в зоне контакта древесины со штампом подтверждают эти выводы.

Результаты проведенных исследований явились основой для разработки альбомов рабочих чертежей, разработанных Гипронисель-хозом и ЦНЖСК им .Кучеренко "Арки металлодеревянные клееные треугольные пролетом 12 и 18 м для покрытий одноэташых сельскохозяйственных и производственных зданий (Усовершенствованные в соответ-' ствии с методиной ЦЕИИСК км.Кучервнко)" шифр 1935. Чертежи были переданы на заводы в г.Вологде, Вельске п Нелидово, где ими была-заменена типовая серия.

"Чег^ртая удаде посвящена разработке и исследованию безраскосной металлодеревянкой ферма со сниженной материалоемкостьь верхнего пояса из клееной древесины.

ДЛя снижения материалоемкости клееного деревянного верхнего пояса было предложено резание с переменной высотой сечения, на что было получено авторское свидэтельстзэ й 1698395 "Илеэшо деро-

вянные несущие элементы п способ изготовления". Снижение материалоемкости новой конструкции осуществляется за счет наличия развитых по высоте опорных зон. В результата этого центральная ось в пролете смещается к верхней грани относительно центральной оси опорной части, и появляется эксцентриситету помощью которого, вследствие действия нормальной силы, снижается расчетный изгибавший момент от поперечной нагрузки. Такое решение требует усиления опорных зон от окалывания с отрывом. Проведенные в. ЦЕСШСК км.Кучеренко исследования С.Б.Туркэвским и его учениками доказали эффективность армирования наклонно-вклеенными арматурными стержнями, что позволило прадяокить новое конструктивное репеше, которое снизило на 20$ материалоемкость при незначительном увеличении расхода арматуры и клея.

Для апробации технологии изготовления новой конструкции' клееных пояссз на технологическом оборудовании цеха клееных конструкций строптельногэ комбината "Нелидовский", где осуществлялся серийный выпуск типовых безраскосных мэталлодерезянкых ферм, было изготовлено две конструкции пролетом 18 м под нагрузку 9,0 и 12,0 кН/м. Технология изготовления клееных поясов, предложенная специалистами комбината, совместно с автором, позволила получить элементы с переменной высотой сечения без технологических и материальных издернек.

Для оценки несущей.способности конструкций и проверки нормативной методики расчета были проведены испытания двух ферм в три этапа. На первом этапе производили испатания односторонней нагрузки, т.к. этот вариант нагрузки Для данного вида конструкций является расчетным. На' втором этапе испытания производили симметричной нагрузкой до двух расчетных.

На третьем этапе испытания ферм производили до разрушения

при ограничении деформации затякки, путем передачи усилия распора на опоры. Разрушение обеих конструкций произошло от скалывания в . опорной части, по линии от которой идет увелинение высоты опорной зоны, и имело хрупкий характер разрушения. Коэффициенты безопасности конструкций, т.е.отношение разрушающей нагрузки к расчётной

составили: для фермы под нагрузку 9,0 кН/м - 2,3, а для фермы под нагрузку 1,2 кП/м - 3,0. Значительный коэффициент безопасности для второй фермы обусловлен тем, что в каядой опорной зоне • верхних поясов было вклеено по дза наклонных стержня, вместо одного для первой конструкции.

Испытание подобной методикой позволили получить на натурных конструкциях при расчетных нагрузках, уровень нормальных напряжений в сг.ато-изгкбаемых деревянных элементах при различных горизонтальных перемещениях опор и сравнить с расчетными значениями, подсчитанные по нормативной методике. По расчету величина нацрякенЭД сжатия в верхнем поясе от расчетной нагрузки для первой конструкции составляла 14,1 Ша, в то время как в процессе испытаний были зафиксированы напряжения равные 12,8-Ша в случае передачи усилия распора на затяжку, выполненную по проекту, и 10,0-Ша в случае передачи усилия распора на жесткие опоры, т.е..расхождение составило II и 39^.

Для уточнения уровня расчетных напрякений были проведены численные исследования по программе 'ПРЕСС". За начальный модуль упругости древесины принимали среднее значение модуля, полученного по стандартной методике на обрацах, выпиленных из поьоа после депонтага разрушенной конструкции. Модулем упругости штампа моделировали горизонтальный перемещения по формуле которые'составили для варианта с затяккой 54 мм, а для варианта ■ с кесткимп опорами 3 мы. Б первом случае расчет производился без

учета конструктивной нелинейности, во-втором, с учетом конструктивной нелиннАности. Расчетные значения максимальных нормальных напряжений составили 12,1 Ша в первом случае и 10,1 Ша во втором случав, т.е. имело место практически полная сходимость экспериментальных величин и величин подсчитанных с учетом нелинейных зависимостей. Сравнение напряжений, подсчитанных по нормативной методике и точным методом показывает, что итерационные процессы уточняют значение максимальных напряжений скатил в- верхнем поясе конструкций с затяжкой из высокопрочной арматуры на 16$. Сравнение напряжений для случая передачи распора на жесткие опоры показывает, что учет физической, геометрической и конструктивной нелинейности сникает уровень расчетных напряжений на 40$ по сразнениэ с нормативным расчетом.

Проведенные исследования были использованы при разработке альбомов рабочих чертежей проектным институтом Гипронисельхоз и ЦШШСК им.Кучеренко "Треугольные металлодеревянные арки с переменной высотой верхнего пояса" иифр 1945.

Р рятсй рирд приводятся результаты исследований треугольной металлодеревяннэй ферма пролетом 18 м с составным верхним поясом без связей .сдвига из древесины повышенной влажности, на которую получено авторское свидетельство й 1548380 "Способ изготовления металлодеревянной треугольк л фермы." Новизна заключается в том, что, используя подрезку сверху каждого из двух брусьев на половину высоты,нормальная сила в верхнем поясе прикладывается с эксцентриситетом к каждому брусу и этот фактор наряду с учетом нелинейностей депортирования при расчете позволяет отка--заться от трудоемкой операции по сплачиванию двух стандартных брусьев 150x150 мм по высоте. КРоме этого использование древесины повыиенной влажности повывает надежность такого конструктиз-

но'го решения верхнего пояса, поскольку в процессе эксплуатации будут появляться усушечные трещины, которые могут снизить несущую способность связей сдвига.

Необходимость учета повышенной влажности древесины была подтверждена расчетами по изменении влакности сосновых брусьев в процессе атмосферной сушки, выполненной по методике П.С.Серговского. ПРи использовании свекесрубленной древесины в октябре ; месяце, влакяосгь бруса в феврале-марте, т.е. в условиях максимальной снеговой нагрузки, будет не нике 30%. Исходя из этого были проведены численные исследования напряженно-деформированного состояния скато-изгибаемого элемента влажностью 10, 20 и 30%. Полученные результаты показывают, что если уровень нормальных напряжений практически не меняется, то дефэрмативность стертая, вследствие сникения мог ■дуля упругости при влажности с 10 до 20 и 30% увеличивается на 30 и -58$ соответственно.

ДЛЯ полной оценки деформативности фермы необходимо учитывать и контактные деформации торцов элементов верхнего пояса, которые как показали исследования на крупных .образцах при испытаниях до уровня расчетного сопротивления на \ скатие, ь зависимости от влажности составляли от 0,5 до I мм.

. Для исследования влияния влакности и контактных деформаций • на дефэрмативность предложенной конструкции был использован вычислительный комплекст "ЛКРА.". Расчеты проводили для влажности древесины 10, 20, 30^, модуль упругости которой принимали по данным Н.Л.Леонтьева. Для опенки влияния контактных дефор;. ^оий в. программу вводили величину приведенного мпдуля упругости, учитывающего полные деформации элемента Е , где

а £ *■ . В результате расчета получили, что уве-.

лдчекио вг.атлосту. древесины с 10$ до 30% повышает дефэрмативность

фермы на 40%, а учет контактных деформаций увеличивает' дсфоркэ тивность с 13 до 20$.

Для оценки несущей способности предложенной конструкции фермы и изучение напрякешо-дефаршрованного состояния элементов верхнего пояса были проведена испытания фермы кратковременной нагрузкой до разрушения и длительные испытания двух Ферм,

Испытания кратковременной нагрузкой проводили на стенде с приложением силы домкратами через траверсы,. Приложение нагрузки в четвертях пролета каждой панели верхнего пояса обеспечивало ■ величину изгибающего момента, эквивалентного моменту от проектной равномерно-распределенной нагрузки. Испытания проведали в два этапа. На первом этапе оценивалось влияние контактных деформации в узлах на дэфорыативность ферм. Нагрузка доводилась до расчетной, после чего разгружала«. . Для восстановления деформаций древесины ферма ввдергавалась без нагрузки в течение двух месяцев, после чего проворился второй этап, до разрушения. При расчетной нагрузки на порв:;м этапе прогиб, замеренный в коньке ферм»!, на 3 о превышал прегиб конька на втором этапе испытаний, что подтвердил!) предпосылку о необходимости учета контактных деформаций.

Этпры смятия торцов элементов верхнего пояса подтвердили отсутствие свободного поворота опорного сечения брусьев в опорном и промежуточном узлах верхнего пояса, что требует их расчета с учетом конструктивной нелинейности. Значительный наклон эпюры смятия обусловлен унифицированным сечешшм нижнего пояса, подобранного по максимальному из усилий в стержнях. Горизонтальные перемещения под расчетной нагрузкой составили 14 мм.

Фактические максимальные нормальные напряжения в расчетных сечениях брусьев приэпорной пгнелл составили 9,05 и 9,15 Ша. в то время как при проектировании фермы расчетные напряжения сос-

тавляля 12,5 Ша. Значительное расхождение в расчетных и фактических величинах напряжений, а такнз характер эпюр смятия торнов элементов подтвердило предпосылки об учете нелинейных зависшаос-тей при расчета скатоизгибаемых пояоов. Для оценки напрякенно-де- ' формированного состояния наиболее нагруженной прнопорной панбли с учетом физической, геометрической и конструктивной нелинейностью использовали программу "ПРЕСС". Для оценки влажности использовалось уразнение аппроксимации диаграмм статия древесины при влажности 30?. Расчетное значение максимальных нормальных напрякений в расчетном сечении составило 9,3 Ша, что имеет хорошую сходимость с фактическими данными и на 34$ нике значений, подсчитанных по нормативной методике. Коэффициент безопасности конструкции составил , хотя при характере разрушения от смятия в промекуточном узле верхнего пояса полного исчерпания несущей способности не произошло, что указывает на надезность конструкции.

Для оценки деформатпврости фермы из древесины повышенной влакности были проведены испытания длительной нагрузкой. Две фермы были изготовлены и установлены на территории Мархинского завода строительных конструкций близ Якутска. Влакность древесина в мол. .га нагружения составляла 33^. Загружение производилось расчетной равномерно-распределенной нагрузкой. Фермы выдергивались под нагрузкой 271 день. В день загружения прогибы промевуточрых узлов ферм составили 56 мм, что на 27/1 больпе, чем у фермы с влажностью древесины 105?. За весь срок экспонирования под нагрузкой прогиб ферм увеличился незначительно,: на 16 мм, причем основное приращение произошло в первые месяцы.

Проведенные исследования позволили рекомендовать разработанные ферма к производству. Проектным институтом "Якутскагропром--проект" совместно с ЩЩСК им .Кучеренко был разработан альбом

рабочих чертекей "ферма металлодеревяшыо брусчатые пролетом 18 м под нагрузку 600 кг/м для покрытий неотапливаемых зданий:" (шифр 0350-88). Аналогичные конструкции были освоены в Курганской области по альбому Гипронисельхоза совместно с ЦНКИСК им .'Кучеренко "ФЕрмы металлодеревянные брусчатые из униф. цировьишкых элементов пролетом 12 и 18 м для покрытий" (шифр 1686).

Ц[дс,тая рл^ва посвящена исследованиям дощатых стеряневых конструкций с податливыми соединениями в узлах.

На оснозгнии изучения различных видов металлических зубчатых пластин было выявлено, что наиболее рациональной конструкцией являются пластины с однонаправленным расположением вышташоэантах зубьев, при длине зуба 12 tt ширине зуба , шаге зубьев вдоль оси пластинн 17г" .поперек пластины 5 * , где с ~ толщина листа из которого вистамиовывае^ся зуб. С целью внедрения дощатых конструкций в Йотаар-Олинском Политехническом институте, в Горьковском ИСИ были проведены исследования оценки работы зуба с вышеперечисленными геометрическими параметрами в нагельном гнезде древесины сосны. Одгако эти исследования, сделавшие .большой вклад, в разработку метода расчета конструкций на учитывали некоторых особенностей, ш> когорых остановился автор этих строк. Во-первых, некор-ретна экстраполяция несущей способности одного зуба на рею зубчатую плр.стину, в которой иееет место дополнительный момент, который возникает из-за несимметричного расположения зубьев относительно оси усилия, что объясняется различным шагом зубьев вдоль и поперек пластины. Во-вторих, расчетные величины несущей способности зуба получены в предпосылке, что величина допустимой при эксплуатации деформации соединения конструкц: ' равны 2,0 мм, что хотя и соответствует нормативу (табл.15 СНиП П-25-80), представляется несколько завышенной, что доказывается исследованиями, проведенными в диссертации.

Дая определения влияшч податливости узлов на напряЕзнно-де-фг>рмярэваннэе состояние треугольных дощатых ферм были проведем ■ слошне исследования. Для этой цели использовался программный комплекс расчета пластинчато-стераневых конструкций, разработанный в ОВТ Ц1ШСК на языке "Алгол" и реализованный на ЭВМ "Минск- • -222". Алгоритм, базирующийся на расчете методом конечного элемента предусматривает возможность учета податливости стержней в узлах, путем введения соответствующих коэффициентов податливости. ОБъектом исследования явилась дощатая треугольная ферма пролетом 12 м, разработанная ЦНИИСК км.Кучеренкэ, совместно с Гипрони-сгльхозом. За конечный элемент принимался етеряень решетки и часть неразрезкых поясов, заключенных мезкду узлами фермы. При этом расчет производился в предпосылке шарнирности узловых соединэвяй и дшп?иной податливости стершей равных 0;1,«н 2,0 мм.

Результаты численных исследований показывают, что линейная подагливссгь соединений значительно влияют ка величину изгибающих моментов в неразрезных поясах, особенно в приопорной зоне, где знсога манду поясам невелика. В маете, где крайняя к опоре стойка решетки передает усилив с верхнего пояса на ниееий., из- ' гибавдий момзе1 при расчетной нагрузке увеличивается, при податливости соединений на I мы в 1,5 раза, а при податливости соединений б 2 ш почти в ^ раза, по сравнению с соединениями, где податливости нет. Поскольку величина нормальной силы в стержнях практически не Меняется в зависимости от податливости, то увеличение качений нормальных напряжений в скатоизгибагаемых и растянуто-изгибаемом поясах несколько даке. В верхнем-поясе увеличение податливости до 2 ш вызывает увеличение напряжений с 9,4 Ша до 12,3 Ша; а в нижнем поясе с 7,8 Ша до 11,3 Ша.' ТЛкое увеличение напрякений з приопорной зоне, требует увеличения поперечного сечения пиломатериала, что значительно увеличи-

вает материалоемкость конструкции, элементы которой унифицированы. В связи с этим было рекомендовано ограничить деформации соединения I мм. Необходимо отметить, что податливость соединений значительно сказывается и на деформативности конструкции в целом. Даже увеличение податливости соединений до I мл увеличивает прогиб фермы в середине продета в 1,5 раза.

Для назначения расчетной несущей способности соединений дощатых конструкций о соединениями на металлических зубчатых пластинах с предельной величиной податливости равной I мм, включающей в себя смятиз древесины в нагельном гнезде, изгиба зуба я деформации базы пластина, были проведены испытания серии образцов. Образцы соединений изготавливались таким образом, чтобы растягивающие усилия воспринимались как широкой, так и узкой плоскости зубьев, а также под утлом 45°, при направлении усилий к ж вдоль так и поперек волокон древесины. Поскольку соедин -ия на МЗП характеризуются нелинейной зависимостью между усилиями и•деформациями, испытвняя проводили по методике ЦНИИИПС с разгрузкой и замером остаточных деформаций. Разрушение образцов, как правило, имело пластический характер и характерисзэзались смятием древесины а нагельном гнезде, деформацией пластины и образованием шарнира пластичности у основания зубьев с последующим изгибом пластины и выдергиванием зубьев. Деформации соединения' при разрушения достигши значительной величины. При испытаниях', было выявлено, что при ориентации пластины под углом к оси соединения возникает изгибающий момент, нс-за несимметричного располокзния зубьев относительно оси, что объясняется различным пагом зубьев вдоль и поперек пластины. Оценку несущей способности производили в соответствии с рекомендациями д.т.н.проф. ЮЛ .Иванова. По графикам испытаний для принятой величины расчетной несущей способности

находили величину деформации. Во всех случаях эти величина не превышали 0,4 ым, что о учетом временного фактора обесценивает н? болое I ш. Для удобства проведения расчетов соединений, значения несущей способности соедиизкий на с указанными параметра-

2

ш зубьев были пересчитаны на I см поверхности пластины и сведены о табл.1. Размерность дана в Н/см2.

Угол егду осью пластина Угол между осью пластины .и направлением волокон лпеяосиш А . гоая.........

и усилием, грод. 0-15 30 45 60 75-90

0-15 80 70 60 50 40

30 80 70 60 60 50

45 £0 ТО 73 60 60

60 80 70 70 70 ТО

75 :0 , ТО ТО 70 70 70

С целью оценки прочности и дефэрмативноститреутольных дощатых ферм изготовленных в соответствии с "Рекомендациями по проектор анва и изготовлению дощатых конструкций с соединениями кг металлических зубчатых пластинах" были проведены испытания двух головных образцов ферм пролетом 12 м опнтно-прокупленной партии, изготовленной в Виншгаком отделенш "Сельхозтехники". В связи с трудоемкостью испытаний, методика которых предусматривает поотапнов кагружение с дальнейшим разгруженкем, был запроектирован и изготовлен рычажный стенд, обеспеаивакщий пестикрат-ное приложение нагрузки. Деформации в узлах ферм осуществлялись индикаторами часового типа с ценой деления 0,01 мм. Площадь металлических зубчатых пластин в узлах и стыках нижнего и верхнего поясов подбиралась в соответствии с назначенными расчетными веЛИ-

ЧлКаМ,;: .

Было испытано две фермы, ппичгм одна из них выдерживалась под расчетной нагрузкой в течении трех месяцев. В момент ■■

нагрукения проТкб в середине прлэта составил 2,9 см. и практически бил равен расчетной величине. В процессе экспонирования под нагрузкой через три месяца прогиб вырос в 2,3 раза и составил 6,8 см. После снятия нагрузки прогиб составил 3,8 см, т.о упругая составляющая прогиба соответствовала расчетной величине.

После проведения длительных испытаний обе фирмы были испытаны кратковременной нагрузкой до разрушения. Заметенные деформации в соединениях при расчетной нагрузке не превышали 0,5 мм. Разрушение одной фермы произошло при нагрузке эквивалентной равномерно-распределенной и превышающей расчетную нагрузку в 2,5 разя. Разрушение произошло в стыке нижнего растянутого пояса. Пластянд, установленная до одну сторону плоскости стыка разрушилась по сечению от растяжения. Пластина с другой стороны плоскости стыка осталась целой, а зубь^ выдернулись и? древесины. Разрушающая нагрузка превысила расчетное сопротивление перфорир ванной пластины, назначенной в соответствии с вышесказанными "Рекомендациям!..." в 1,9 разг., •

Разрушение второй фермы произошло при нагрузке, превышающей расчетную п 2,1 раза. Разрушение произошло по древесине одновременно s црюйорннх панелях верхнего и нижнего пояса возле крайней стойки решетки, т.е. в зоне максимального изгибакшщего момента. Такой характер разрушения подтвердил проведенные исследования об ограничении пддатливооги соединений в узлах и предложенные рекомендации об изменении нормативной величины деформации нагельных соединений с 2 мм до I ым.

Проведенные испытания подтвердили полокеиия "Рекомендаций по проектировании и изготовлении дощатых конструкций с соединениями на металлических зубчатых пластинах" в части методики их расчета и послутлли осгээой для разработки : альбомов рабочих

- 30 -

чертет^й различных конструкций, таких кок "Фермы деревянные стропильные пролетом 9 к 12 м с соединениями на ЫЗП для сельскохозяйствен^ зданий". Гипрокксельхоз, ШИИСК им.Кучеренко шифр 1520; \Рамн пролетом 12 и 18 м деревянные с соединением злез,тактов на металлических зубчатых нахддздках для сельскохозяйственных зда>глй" ГшхронисвльхоЗ, ЩИИСК им.Кучоренко вкфр 1384; "ферма деревянные стропильные пролетам 18 м и подстропильные прлатом 3 п 6 и с соэдигешем элементов на металлических зубчатых накладка?: для -¡ельскохозяйственпых зданий'.' Гипронисэльхоз, ЦШИСК им.Кучерзпко, шифр 1339.

Проектным институтом Латвгипросельстрой при участии автора разработаны различные конструкции для условий Латвии и освоено производство дощатых конструкций с соединением на ЫЗП в пос.Ал-лаки <?-тз, Сигудцн на импортном оборудовании, закупленном в Финляндии.

В, г^арй- рассмотрены вопросы исследования клеэфанер-

нон пляти покрытия о ребрами.из гнутоклеекых фанерных швеллеров. Отказ от катериалэеюшх ребер из клееной древесины возможен путей создания нового конструктивного элемента - гнутоклееного фанэрнопого швеллера, целесообразность которого помимо малой материалоемкости обусловлена утилизацией отходов фанерного производства (кусковой шпон и шон низких сортов). По заказу ЦШИСК им.Кучеренко в СКТБ института химии древесины Латвии была создана опытно-промышленная установка позгаионного прессования для изготовления гнутокелеешх профильных элементов длиеой 6 м. Сочетание однородных элементов ребер и сбиивок позволило создать эффективную клеефанерную конструкцию замкнутого коробчатого сечения. -3 связи с этим необходимо было решить ряд вопросов не исследован-шх ранее и,в первую очередь, определить расчетные к упругие

характеристики материала швеллера. Исходя из технологических соображений и условий работы в конструкции, структура накета слоов шона швеллера отличается от структуры пакета клееной фанеры той кэ толщины и состоит из пяти слоев шона, волокна которых ориентированы вдоль оси швеллера, и двух слое. - поиерек, при толщине пиона 1,5 мм. С целью обеспечения формоустойчивосгя швеллера, а также для увеличения сопротивления сгибу (разгМу) полок швеллера поперечные слои шпона располагали симметрично, непосоедствен-но под наруяими слояш. Такой пакет слоев шона сникает расчетные сопротивления материала швеллера при сдвиге по сравнению с семи-слойной фанерой, где слои шона чередуются.

Теоретический анализ влияния соотношения продольных и попереч-ныхслзев шона фанеры различной толщины, проведенный по методике Карри показал, что дроделы прочности и модули упругости при сжатии, растякекии и изгибе у материала швеллера ш-шэ, чем у се-мислойной фанеры той же толщины, что объясняется преобладанием слоев шапона, волокна которых ориентированы по направлению дейст вия силы. Аналогичная зависимость расчетных'значений наблюдается у трехслойной, пятислойной и сешслойной фанеры. Соответствие процентного отношения слоев шона материала швеллера и трехслойной 4-х мм фанеры позволяет при расчетах использовать нормативные характеристики трехслойной фанеры. Проведенные испытания та срез образцов, выпиленных аз плоскчх участков швеллера (стенка, полки), подтвердила расчетные предпосылки и позволили рекомендовать для гнутоклееного фанерного швеллера с данной структурой пакета слоев ипона нормативные .■• значения тревслойной фанеры, пакет которой близко соответствует пакету . . швеллера.

Учитывая, что при изготовлении швеллера давление при запрессовке в зона перегиба несколько меньше, чем на плоских участках соченяя.

а такг-а возможен излом отдельных слоев шпона были проведены испытания на срез в зоне перегиба.

ДЯя проведения испытаний было разработано приспособление для испытания на срез, защищенное авторским свидетельством й 569153. Два образца длиной 100 мм из уголков, вырезанных их швеллеров, закреплялись симметрично между собой и сдвигались в зоне перегиба. Полученные результаты выявили снижение прочности материала при срезе в зоне перегиба по сравнению с плоскими участками сеченая, при зток отношение прочности составило 0,74. Сравнение с результатами аналогичных испытаний гнутоклееных уголков, проведенных в Тверском Политехническом институте, где это отношение равнялос 0,66, показало на более совершенную технологию за-прессоихи на опытно-промышленной установке. Полученные результаты позволили ввести коэффициент 0,7 к нормативно^ значению на срез трехслойной фанеры для дальнейших расчетов конструк-ции.

Методика расчета рассматривалась в предпосылке, что конструкция пл:*ты представляет собой трехслойную пластину, где два внешних тонких слоя кестко связаны отдельными ррофильными элементами (ребристый заполнте ль ) с тонкими стенками, обладающими податливостью при сдвиге. В связи с этим деформации изгиба сопровождается взаимным смещением обшивок, т.е. оказывается непримемлемой теория плоских сечений, Поэтому расчет возможен путем введения некоторых допущений, отракадюищцих специфику работы конструкции и прзволшэщих значительно упростить решение задачи, не допуская . при этом существенных погрешностей. Основное допущение заключается в том, что нормальные усилия и моменты воспринимаются обшивками и полками швеллеров, а сдзигаодие усилия воспринимался стенка-швеллера. Допустимая область применения данной предпосылки для' .трехслойных конструкций- била исследована А.Я.Александровым л : .«- '•

А ,Б .Губенко. При разных подходах к этому вопросов обоих с луча : для конструкция коробчатого сечения с тонкостенными фанерными ребрами размером 1,5x6,0 м и высотой 1/25 - 1/30 пролета условие, сформулированные авторам«,выполняется и нормальными напряз шями в ребрах мэено пренебречь. Принимается услозие, что средний слой в виде тонкостенных ребер заменяется сплошным, однородным условным заполнителем с приведенным модулем сдвига эквивалентным исходному ребристому заполнителю. Для упрощения расчета вводится понятие приведенной толщины обшивок, где учтено, что полки швеллеров "размазываются" по соответствующим обшивкам и при этом учитывается различный модуль упругости полок швеллера и фанерных обшивок. ■

Для учета деформаций сдвига заполнителя вводятся следувдаю допущения. Линия перпендикулярная к его срединной поверхности до деформации плиты, остается прямой и в процессе деформирования, но за счет сдвига перпендикулярность нарушается, при изгивэ обшивки не сближаются и не давят на заполнитель, изгибная жесткость тонки:? обшивок равна нулю. Таким образом, нормаль проведенная через все три слоя в процессе деформирования-становится ломаной. Те;; ая расчетная схема позволяет записать величину поперечной силы через перемещения точен-обшивок с учетом деформаций сдвига среднего слоя. Значение нормальных усилий в верхней и нижней обшивках в любой точке пролета также мокнэ записать через пврвмэднпа . Предложенный алгоритм позволяет автоматизировать расчет при решении задачи оптимизации.

Задача оптимизации сводится к отношопио минимума площади поперечного сечения плиты. Получение минимума целевой пункции осуществлялось при заданном отношении стоимости фанеры и швеллера (2 ), при закрепленном количестве швеллеров (с ) и при непре-

рывне изменяющихся размерах элементов поперечного сечения

F -- г U¿"с <?») с i(2h + г г,) - где h) h) • управ ля-од.'е параметры.

Ограничения задачи формулируются по полученным значениям навдякекиС' удовлетворяющим условиям прочности верхней и никней обкявки, условию прочности на срез в зоне перегиба швеллера, условию прочности верхней обшивки на местный изгий от сосредоточенной нагрузки, а такке по условию аосткости плиты, вертикальные перемещения точек которой не превысили нормативного значения.

Таким образом задача оптимизации формулируется следующим образом. Подобрать управляющие параметры, чтобы критерий оптимальности бы минимальным и выполнялись перечисленные ограничения. Исходя из конструктивных оообракений к технологических требований, задавзласъ область допустимых значений управлюющих параметров и шаг с которым эхи значения меняли свою величину.

Исходя из небольшой области допускаемых значений для решения задача был выбран наиболее простой метод программирования - метод последовательного перебора. Программа была составлена на языке

"Алгол" и реализована на электронной цифровой вычислительной ма- * *

шине ''М-222". Алгоритм отыскания минимума функции цели построен при закрепленном значении ^количества ребер, поэтому при постоянной ширин« плиты 150 см и неизменной нагрузке минимум целевой функции вычисляли при трех, четырех и пяти швеллерах. Активными ограничителями были условия прочности верхней обшивки от местной

зосредэточбынйй силы .• и условие жесткости. Оптимальным сечением

р

было сечение площадью 459,1 см с .егярьмя швеллерами при толщина 8 им и высоте 220 мм, а такие толщине верхней обшивки 10 ым п.. ■ ' кккией 5 мм.

Для испытания кратковременной нагрузкой до "разрушения было

изготовлено три плиты оптимального поперечного сечения, за исключением толщины швеллера, которая была равна 10 мм. Две плиты разрушилась при нагруэхе 8000 н а третья плита при натру -

не 6800 Ц/м2. Характер всех плит идентичен, и характеризовался разрушением стыкового соединения "на уо" фанеры нижней обшивки По отношению к расчетной веоущей способности, коэффициент безопасности составил 2,2-2,6.

Сравнение фактических нормальных напряжений и расчетных, подсчитанных по предложенной методике показывает, что расчетные значения превышают фактические на более чем на 10$. Относительные деформация по высоте сечения швеллера равномерно увеличивались по мере удаления от нейтральной оси до крайних волокон обшивок, что указывает на качество клеевых ооедилений ребер с обпьшами. Прогиб всех плит вплоть до разрушения нарастал пропорционально нагрузке, интенсивного прироота на каком-либо этапе не наблкдалооъ. Сравнение с расчетным прогибом показало близкое совпадение. Оцо-' нано влияете сдвига па деформативность плит , доля которого составила от изгиба.

Две шита были испытаны длительной нагрузкой. Плиты быж ' йагрушты равномерно-распределенной нагрузкгй, эквивалентной нормативной нагрузка от онега, утеплителя н кровли. Плиты были установлена на отркнтоы воздухе под навеоом и выдерживались под нагрузкой 1,5 года. После снятия нагрузки плиты выдерживались более 3 месяцев.

Проведенные исследования показали, что прогиб стабилизировался к окончанию проведения испытаний. Интенсивный прирост деформаций наблюдался в течение первых трех ме ,цев. После снятия нагрузки, восстановление прогиба иыело затухающий характер. Результаты испытаний, а также анализ реологических свойств фанеоц

л исс.'.одований клеефанерныг плит на деревянном каркасе, проведенные И.М.Лирьковым показывают, что при расчетте плит по второму предельно^;/ состоянию необходимо','злцяшш действия длительной нагрузка к к улрутоку прогибу вводить коэффициент 1,7, учитывающий снижение модуля упругости и модуля сдвига фаиоры во времени.

Результаты исслэдованаЗ клоефанерпых плит с ребрами из гнутокле ених фанерках швеллеров пакли применение при строительстве в условиях химически агрессивной среда. В третьем рудоупрвлении "Болоруськалкй" в г.Содигорске било осуществлено этими плитами покрытие склада концентрата.

Оценка эффективности исследуемых конструкций приведена в РШЩ&о^-ИШЕ:-' - Оценка всех конструкций производилась по материалоемкости ц трудозатратам.

Ислол?зованке точного ыетвда расчета позволяет снизить материалоемкость клееной древесина на а трудозатраты на 10$ для ■ типовых безраскоскх ыеталлодеревянных форм пролетом 18 м, а пнедрс-ние новой безраскосной ферма с переменной высотой клееного верхнего пояса позволяет снизить материалоемкость клееной древесина на со снижением трудозатрат на одну конструкцию на 13,6$.

Эффективность предлагаемой треугольной ыеталлодеревякной брусчатой фермы пролетом 18 м по сравнению с аналогичной фермой, в которой верхний пояс выполнен из брусьев на пластинчатых нагелях, определяется трудозатратами на сплачивание брусьев, которые в 3 4 раза повышают трудоемкость изготовления поясов.ферм. Эффективность в части снижения материалоемкости по древесине по сравнению с'фермой, верхний пояс которой выполнен из клееной древесины, составляет 36%, которые идут в отходы при обработке пало- : материала. ,'

Оценку эффективности дощатых ферм с соединениями в-узлах

на ШП производили по сравнению с типовыми мэталлвдеревяншми брусчатыми фермами по серии 1.063.9.2. В показателях учтены затраты на блок покрытия, т.к. шаг дощатых ферм принимали разным Т м, а пвг типовых брусчатых ферм 3 м. Сравнение тохнико-эконо ческих показателей покрытия говорит о том, что дожатые ^эрмы с сооданешх-ви на МЗП по сравнению с аналогом являются более эфф ;тивными по древесиноемкости на 14%, а по металлоемкости на

Оценку эффективности'предлагаемой клеефанерной плиты покрытия о ребрами из фанерных швеллеров сводили к сразнении с конструкцией ребра из клееной древесины, выпиленного из клееного бруса, прячем сравнение приводили по объему древесина в круглом леса, т.к. изготовление швеллеров осуществляется из шпона, при лущении березовых чураков. Расход березовых чураков при отгм ц 6,4 раза меньше, чем круглого леса хвойных пород, которая к тому па дефицитное и дороне березы.

основные вывода

I. Проведенные теоретические и экспериментальный исследования позволили получить данные для уточнения нормативной методами сватоиагибпомых деревянных элементов.

Принятая в нормативной мктодике расчетная модель не отражает действительных условий его работы, т.к. не учитывается конструктивная нелинейность, роль которой возрастает со сниженном пэдат-ливостп смежных элементов.

Реализованный в нормативной методике учет геометрической нелинейности в линейной постановке дает излишний запас прочности по сравнению с расчетом 1ЖЭ с использованием итерационного процесса. Для верхних поясов типовых Зазраскосних форм запас прочности достигает 22$.

- 38 -

2. Проведенные экспериментальные и численные исследования

с учетом (физической, геометрической и конструктивной нелинейности на моделях свидетельствует о том, что при передачи усилия распора на яеслпе опоры нормальные напряжения в расчетных сечениях скато-изгпбаошх элементах не соответствуют расчетным значениям, подсчитанным по нормативной мегрдике. Нормативная методика для этого случая дает запас прочности до 40%. При этом расховдение увеличивается с уменьшением отношения <£*х / . При передачи усилия распора на затяжку, подобранную из условия прочности, нормативная методика дает запас прочности до 18$.

3. Исследования безраскосных металдодеревянных фрры с кле-ошы верхним поясом со сшшенной на 20% материалоемкостью выявили высокую несущую способность и надежность этой конструкции. Коэффициент безопасности испытанных конструкций составил 2,3 и 3,0. Замеренные з процессе испытаний прогибы и фактические нормальные напряжения в расчетном сечении практически соответствуют расчетным значениям, полученным точным методом с учетом нелинейных зависимостей. Величина максимальных напрякений сжатия в клеен см верхноы поясе на 1&% ниве значений, подсчитанных по нормативной хн' годике.

4. Исследована треугольная металлодерезянная ферма с составным верхко» поясом из'двух брусьев повышенной влажности. Коэффициент безопасности составил 2,2. В элементах верхнего пояса, с внеионтрешшм приложением нормальной силы к каздому'нз брусьев, нормальные напряжения в расчетных сечениях, подсчитанные с учетом физической, геометрической и конструктивной нелинейности соответствуют фактическим данным, полученным при испытаниях, и на . 34% нине величин, подсчитанных по нормативной методике. Внецент-ренное приложение силы к каждому брусу и реализация точного метода

расчета позволило откататься от связей для сплачивашгя нишюгэ и верхнего бруса.

Изучено влияние повышенной влажности и контактных деформаций торцов деревянных элементов верхнего пояса на- деформатквность фермы. Полученные результаты показывают, что увеличение влакнос-ти древесины с • 10$ до 30$ повышают деформативмость предложенной конструкции на 40^, при этом учет контактных деформаций увеличивает деформативнэсть от 13$ до 20$..

5. Проведенными исследованиями выявлено влияние податливости узловых соединений на металлических зубчатых пластинах на напря пенно-дефоршрованное состояние треугольных дощатых ферм. Нормативное значение предельной деформации нагельных соединений равное 2 мм, значительно увежчивает изгибающие моменты в приопорных стержнях н-еразрез!шх поясов и прогиб ферм. Рекомедцовано для расчета дощаты* ферм с соединениями на МЗП снизить предельную дефор-

О

мацию соединения до I мм.

6. Определена расчетная несущая способность соединений на

МЗП, при которой деформации соединения не превышают I мм. Для

удобства проведения расчетов соединений, в табличной форме да-

2

на расчетные усилия на I см поверхности пластины при различных углах мевду продольной осью пластины с направлением волокон древесины и направлением усилий.

Проведенные испытания кратковременной я длительной нагрузкой натурных конструкций ферм пролетом 12 м подтвердили результаты следований о влиянии податливости соединений на поличину изгиба* чх моментов в штопорных стержнях неразрез:шх поясов, а также наэнавеннао величины расчетной несущей способности соединений. Первая ферма разрушалась от ЕБП'ба в верхнем и никнем поясах в место максимального мо;.:снта. КоофЕ-аиават бозопеоиос-

ти составил 2,1. Вторая форма разрушилась в стыке нижнего пояса по сечению пластины. Коэффициент безопасности составил 2,5.

7. Исслсдована новая конструкция клеефанерной плиты коробчатого сочешя с ребрами из фанерных швеллеров, у которых соотношение продольных и поперечных слоев шпона отличается от листовой фанеры той же толщины. Определены расчетные характеристики стешет y полки швеллера толщиной 10 мм при сдвиге, которые соответствуют расчетному сопротивлению и модулю сдвига 4-х мм фанеры. Для. зоны перегиба швеллера к расчетному сопротивлению при сдвиге вводится поникающий коэффициент 0,7.

8. Разработан метод расчета и алгоритм оптимизации поперечного сечения плиты, гдо активным ограничителем является жесткость плиты.'Испытания 3-х плит.кратковременной нагрузкой подтвердили прочность оптимального сечения плиты, коэффициент безопасности которых составил от 2,2 до 2,6.

При наследовании деформативности плит выявлено влияние сдвигающих усилий на прогиб.доля которых составляет 12% от общего значения. Испытания длительной нагрузкой выявили наличие остаточная деформаций, учет которых рекомендуется производить путем ¿ведения коэффициента равного 1,7 к расчетному значению прогиба от поперечной нагрузки.

9. Разработанные конструкции экономически целесообразны, нашли применение в практике проектирования и строительства, а метода их расчета уточняющие отдельные положения нормативной методики будут внесены в новую редакцию СНиП."Деревянные конструкции. Нормы проектирования".

- 41 -

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1.' О корректировке нормативной методики расчета скато-нзгибаемых деревянных элементов. Расчет и комаьютовноо прс.гктиро-ванне деревянных конструкций: Материалы Всосоюз .научи.-прак':. семинара. - Владимир, 1991. - С. 6-7.

2. Учет конструктивной нелинейности сжато-нагибаемых доро7 внппых элементов. Расчет и компьютерное проектирование деревянных конструкций: Материалы Всесоюз.иаучн.-практ.семинара. - Владимир, 1991. - С.7-8 (в соавторстве).

3. Деформатявнооть стержневых деревянных конструкций. М. ЦНШСК им .Кучеренко, 1989. - С.5-10.

4. О расчете дощатых ферм с податливыми узлаш. Исслэдоаания в области деревянных конструкций / М.: ЦНИИСК им .Кучеренко, 1985. - С.53-57.

5. Прочность п устойчивость стенки клееного фанерного швал--лера от действия сдвигающих сил пра изгибо. ЦНИИСК ин.Кучерешсо. М., 1976. - С.67-74.

6. Постановка задачи и алгоритм оптимизации клеэфанерной ылита покрытая. 1ЩШСК аы.Кучаренко. М., 1976.

7. Продлогоння по расчету нлеефанерноЗ плита покрытия с реб-ра!,н из гнутоклаеных фанерних проиилей, II., ЦНИШК им .Кучеренко. "Теоретические исследования строительных конструкций". 1977. -

С.154 160

8 Рекомендации по проектирование и изготовлении дощаты* конструкций с соединениями па.металлических зубчатых пластинах. Мэскпа. ЦНИИСК., 1985. - С.40 (в соавторстве' .

9. Оптимизация гнутоклеенах ь дощатых арок о учетом трансформации их расчетных с*он - Актуальные проблемы оптимизаций

ионструкгш!;. - Суздаль, Владимир. - 1990. - G.10-12 (в соавторство) .

10, 0 несущей способности соединений деревянных элементов на металлических зубчатых пластинах. - Материалы н.-т.кэпф. ВЗИСИ. Москва, 1982. - С. 22 (в соавторстве).

11. Конструкции из цельной древесины // Состояние и перспективы исследований в области деревянных строительных конструкций / 1.1,: ЦШСК им.Кучерьнко, 1983. - С.66-71 (В соавторстве).

12. Трехшарнкрше кеталлодеревяшше арки с верхним поясом переменной высоты ш поперечного сечения. Научно-техн.конфер. Апреловка, 1090. - С.8 (в соавторстве).

13. Ыаталлодеревянная ферма для сельского строительства. -Рациональные типы деревянных конструкций для сельского строительства. -Якутск, 1Э90. - С. 41-44 (в соавторстве).

14. Соединенно элементов деревянных конструкций на наклонах винтах. - 1966. ВШИС. Серия 8, Экспресс-информация (в соавторстве) .

15. Экспериментальные исследования мэталлодеревянного структурного покрытия размером 18x18 м. Ц.ИИИСК им.Кучеренко. M., 1984.• Несущие деревянные конструкции. - С.29-34.

16. Деревянные конструкции в современном строительстве. -Проектирование и расчет строительных конструкций. - Ленинград. Общество "Знание", 1987. - С.28-^.

17. Несущие дощатые конструкции в современном строительстве.// Обзорная информация. - М.: ВНИИИЗ, 1Э83. - серия 29.55. - выл.2, -53 с (в соавторстве). ' •

16. Перспективные деревянные конструкции. - На стройках Рос-; сии, .'S 7. - 1987. - С.2-6 (в соавторстве). - ■ -

18. A.c. 559153, зарегистрировано 28.01.1977. "Приспособление для испытания на срез" (в соавторстве).

■ 19. A.c. 823525,' зарегистрировано 22.12.80. "Покрытие" (п соавторстве).

20. A.c. 939684, зарегистрировано 23.02.82 "Дорозяпная клееная балка" (в соазторстзе).

21. A.c. 1073400, зарегистрировано 15.10.83. "Кропог.шый элемент для соединения деревянных конструкций" (з соавторство).

22. A.c. I20II32, зарегистрировано 1.09.85 "Устройство для изготовления строительных конструкций" (в соавторстве).

23. A.c. 1247487, зарегистрировано 1.04.86. "Зисячее покрытие" (в соавторстве).

24. A.c. 1370203, зарегистрировано I.I0.87 "Дощатогиутый составной элемент" (В соавторства).

<¿5. A.qy I5483C0, зарегистрировано 0.II.89. "Способ изготовления металлодерсвянной треугольной формы" (в соавторство).

26. A.c. 1698395, зарегистрировано 12.04.91. "Клееше доро-вянные несущие элементы и способ их изготопяония" (п соавторстве).

Арлешкюв Дмитрий Констаатяяовдч Эффективные деревянные конструкции, и нетолы их расчета с учетом нелшейшис зависимостей

Спеоиальностй 05.23.01 - Строитель вые конструкт.:::,

:гдш1дя и сооружения"

Сдано в набор • /7, Off 9Ь s Подписано к яочатд //. CS, yb\ *'ор;.;ат бумаги 60Х&Ч fa' Съе:л ^SrS Вояаз 6С}> Т..;-:; Г«

Типе ура;''", л :';;.':та, "осква, у/'.^бгазшл.-а ГО