автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Исследование напряженно-деформированного состояния треугольных арок с клееным армированным верхним поясом



ВЛАДИМИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

АЗИМБАЕВ Келдибай Гапарович

ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕООРМИРОВАНШГО СОСТОЯНИЯ ТРЕУГОЛЬНЫХ АРОК С КЛЕЕНЫМ АРМИРОВАННЫМ ВЕРХНИМ ПОЯСОМ

Специальность 05.23.01 - строительные конструкции,

здания и сооружений

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель кандидат технических наук профессор, почетный академик строительного комплекса РФ, член-корр. Российской Академии инвестиций и экономии строительства В. Ю. Щуко

Владимир 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

1. АРМИРОВАНИЕ ДЕРЕВЯННЫХ КОНСТРУКЦИЙ, ИХ ИССЛЕДОВАНИЕ И

Т ЦЦЫ РНЬ "хЕТ^. «яаиалааагааваалаалаваааааьаа^аввададаааааааьааа

1.1. Применение армированных деревянных конструкций в строительстве и пути их развития..................................

1.2. Исследование работы армированных деревянных конструк-

тттдът

1.3. Цель работы и задачи исследование.....................

2.ОСОБЕННОСТИ РАСЧЕТА СЖАТО-ИЗГИБАЕМЫХ АРМИРОВАННЫХ ДЕРЕ" ВЯННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ В СОСТАВЕ ТРЕУГОЛЬНЫХ РАСПОРНЫХ СИСТЕМ.....

2.1. Анализ существующих методов расчета сжато-изгибаемых армировванных деревянных элементов............................

2.2. Приближенный метод расчета сжато-изгибаемых армированных деревянных элементов......................................

2.3. Порядок расчета сжато-изгибаемых деревянных армированг

НЫ^С "ЗеЖ Ь/1 ÖHT'ÖB заааааа»в8ага*8бадва«4»*«а»ааз*а8Лааабааб*дяавав*

2.4. Метод расчета сжато-изгибаемых армированных деревянных элементов с применением ЭВМ...............................

3. МЕТОДИКА ИСПЫТАНИЙ И РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ТРЕУГОЛЬНЫХ АРОК С КЛЕЕНЫМ АРМИРОВАННЫМ ВЕРХНИМ

Ii' ÖM ааааявьададаааагдаадавадьйаабвадвееаадьаееаваьааадазаад»

3.1. Методика, экспериментального исследования..............

3.2. Изготовление моделей треугольных арок с армированным

ВЬрХНИМ ПОЯÜОМ а ахаддаас&вгдгаазадаааадхддагадвававдабдддгдввдв

3.3. Результаты экспериментального исследования и их анализ

3.4. Выводы по главе.......................................

4. ИССЕДОВАНИЕ РАБОТЫ ТРЕУГОЛЬНЫХ АРОК С КЛЕЕНЫМ АРМИРОВАННЫМ ВЕРХНИМ ПОЯСОМ ПРОЛЕТОМ 12 М. ............................

4.1. Методика исследования натурных конструкций____........

4.2. Результаты экспериментальных исследований и их анализ.

4.3. Технико-экономическая эффективность армированных дере-

ВЯННЫЛ ЭЛеМЬНТОВ.аааавхаз*ааадвб«дхада8аддвдадбазааа»двааааааа

4J 4t ХЗЫВОДЫ ПО Р«ШЕ1В& аддаааадаадгаавагасагдгдаагаавдахагваад

ГУРПШТ* RURniTU

ь Г>И I У1О Г) i i'J ' -у. А О. aeaaaaaaaaiaeaaaia xxaassaxtxseaaa saaaafi&tftsaa«

ZTPJÍtJjLjtlílrEl 4iiaaaaaaaaa«b4aa«iitiaaaa«*aesaa44aaaaiíia»e»e»a

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Разработка и исследование деревянных армированных конструкций для строительства, является частью народно- хозяйстенной задачи по созданию новых видов несущих и ограждающих конструкций на основе древесины (4,25).

Зарубежный и отечественный опыт проектирования и эксплуатации показывает, что применение древесины в сжато-изгибаемых элементах строительных конструкций отвечает наиболее эффективному ее использованию как конструкционного материала. В свою очередь эффективность сжато-изгибаемых деревянных элементов может быть повышена за счет армирования наиболее напряженных зон сечения стальными стержнями.

Увеличение объемов применения клееных деревянных конструкций в строительстве предъявляет новые, более высокие требования к проектированию таких конструкций.

Диссертационная работа посвещена изучению напряженно-деформированного состояния армированных деревянных элементов и выполнена в рамках целевой комплексной программы ГБНиР 0.Ц.031. плана ГБНиР кафедры строительных конструкций и архитектуры в соответ-и с единым заказ-нарядом научно-исследовательских работ МОПО РФ.

Целью работы является изучение напряженно-деформированного состояния армированных деревянных элементов, работающих на одновременное действие продольного сжатия и поперечного изгиба в составе треугольных арок и разработка методики их расчета и конструирования на основе экспериментально-теоретических исследований.

При этом решались следующие задачи:

- определение влияния армирования стальными стержнями на прочность и деформативность деревянных элементов верхнего пояса треугольных арок;

- разработка методики расчета армированных деревянных элементов при сжатии с изгибом;

- проведения численых исследований напряженно-деформированного состояния армированных деревянных элементов верхнего пояса

треугольных арок;

- разработка инженерного метода расчета армированных деревянных элементов распорных систем;

- разработка конструкций треугольных арок с клееным армированными верхним поясом и исследование их на прочность и деформа-тивность.

Научную новизну работы составляют: - экспериментально-теоретическое исследование работы деревянных элементов верхнего пояса треугольных арок с симметричным и не симметричным армированием;

- установление закономерности изменения прочности и деформа-тивности армированных деревянных элементов верхнего пояса треугольных арок при сжатии с изгибом в зависимости от коэффициента армирования;

- разработка инженерного метода расчета сжато-изгибаемых армированных деревянных стержней,

На защиту выносятся: - результаты теоретических и экспериментальных исследований напряженно-деформированного состояния элементов верхнего пояса треугольных арок;

- рекомендации по расчету сжато-изгибаемых армированных элементов в составе треугольных арок, в т.ч с использованием ЭВМ;

- оценка несущей способности и деформативности Еерхних поясов треугольных арок с клееным армированным верхним поясом;

- оценка эффективности применения треугольных арок с клееным армированным верхним поясом.

Практическое значение работы заключается в использовании при проектировании и строительстве сжато-изгибаемых армированных де-реянных элементов в составе треугольных арок, позволяющее повысить эксплуатационную надежность распорных конструкций, а также сократить расход древесины несущих конструкций и применять для их изготовления древесину более низкого сорта,

А _ У:

1. АРМИРОВАННЫЕ ДЕРЕВЯННЫЕ КОНСТРУКЦИЙ, ИХ МССЖДОВАНМЕ

й МЕТОДЫ РАСЧЕТА.

Армирование клееных деревянных конструкций и конструкций из цельной древесины является перспективным направлением в области эффективного использования древесины в строительстве, служит способом их усовершенствования и привлекает внимание многих специалистов у нас и зарубежом (8Д3,21,31,42,60,62,66,95-107).

Такие конструкции обладают высокими конструктивными показателями, весьма надежны в эксплуатации, экономичны. Эти конструкции применяются в покрытиях производственных, сельскохозяйственных зданий, общественны;-! и спортивных зданий и сооружений,

Основное внимание в главе уделено клееным конструкциям, армированным стальными стержнями без предварительного напряжения, соединенными с древесиной при помощи клеевых композиций,

1.1. Применение армированных деревянным конструкций в строительстве и пути ш развития.

Среди конструкций из традиционных строительных материалов камня, металла, бетона, древесины значительная роль принадлежит комбинированным конструкциям, в которых рационально сочетаются положительные свойства материалов и исключается влияние некоторых отрицательных свойств,

К числу комбинированных конструкций относятся клееные армированные деревянные конструкции, в которых высокие конструктивные свойства обуславливаются совместной работой древесины и арматуры,

Всесторонние исследования, проведенные в нашей стране и зару-бежом, указывают на эффективность применения армированных деревянных конструкций, особенно в промышленных и сельскохозяйственных зданиях (43,61,63,66,67 ), Применение таких конструкций взамен обычных клееных деревянных дает возможность сократить расход древесины до 30% при их одинаковой прочности и жесткости /31,65, 96, 103, /,

В ряде зарубежных стран, таких, как США, Франция, Швеция, Великобритания, Швейцария, Германия, Чехия и Словакия наложено опытно-промышленное производство армированных конструкций, в ос-

новном балочного типа с симметрично-армированным сечением по всей длине пролета /98,101,102,104,/.

Впервые промышленное изготовление клееных армированных деревянных конструкций было осуществлено в г.Гетеборге Щведской фирмой АВЫ ТоЬпзоп.

Основные виды несущих конструкций,выпускаемые фирмой "АВМ ТопЬэоп" приведены в таблице 1.1. Их армирование осуществлено стальной арматурой периодического профиля диаметром 14 мм. Соединение ее с древесиной обеспечено при помощи эпоксидного либо фенольного клея, причем во втором случае на поверхность арматуры наносится клей типа ЕФ, защищающий арматуру от коррозии при воздействии кислотного отвердителя. В большинстве конструкций клеевое соединение сталь-древесина предохраняется от внешних воздействий защитным слоем, выполненным из древесины или фанеры. В ряде случаев осуществляется усиление опорных частях балок фанерными боковыми накладками, что увеличивает сопротивление сечения сдвигающим усилиям /10,12,57/.

Повышение эффективности армирования за счет увеличения числа стержней, в ряде случаев, не позволяет разместить необходимое количество арматуры обычным способом (см.рисЛ.16) т.е. в отдельных пазах, поскольку ширина клееных конструкций, выпускаемых нашей промышленностью, составляет 120-170мм /15/. Размещение арматуры в два и более ряда по высоте сжатой и растянутой зон сечения усложняет технологию изготовления деревянных конструкций и приводит к недоиспользован!® прочностных свойств арматуры, расположенной ближе к нейтральной оси сечения /28/. С целью более полного использования механических свойств арматуры и уменьшения расхода древесины авторами Смирновым Е.А. и Щуко В.Ю. в работе /58/, предложено групповое размещение арматуры по два и по три стержня в едином пазе (см.рис.1.1).

Групповое армирование является вынужденной мерой конструирования, тем не менее, такое расположение арматуры позволяет не только уменьшить высоту, но и ширину сечения деревянных конструкций. Следовательно, групповое армирование в некоторых случаях может быть более эффективно чем обычное. При изготовлении несущих деревянных конструкций, как правило, применяют симметричное относительно нейтральной оси элемента расположение арматуры в сечении.

Таблица, X Л

Номенклатура армированных конЬтрукций фирмы "АВ Т®Кп5опи

В)

£

Рис. 1.1 Виды размещения арматурных стержней в поперечном сечении.

А

а - симметричное и несимметричное ^ б - обычное & > с1ц у в - групповое

В практике строительства, кроме армированных конструкций балочного типа, применяются трех и двухшарнирные металодеревянные арки с прямолинейными и криволинейными армированными поясами /102,107/. Так, например, в Швеции в покрытии производственного здания применены трехшарнирные арки с прямолинейными верхними армированными поясами двутаврового сечения (см,рисЛ,3). На рис.1.4 показан поперечный разрез одного из цехов химического завода, построенного в Чехии, в покрытии которого применены трехшарнирные арки с криволинейным верхним поясом прямоугольного сечения, изготовленные на предприятии "Arrnobeton Tesko".

Ряд авторов /16,33,33/ оценивая армированные деревянные конструкции, указывает, что подобные конструкции весьма перспективны в случаях, где к несущим конструкциям предявляются требования повышенной прочности, жесткости и надежности при малой высоте и относительно небольшой собственной массе, Отмечается, что масса армированных деревянных конструкций в 7-8 раз меньше, чем железобетонных конструкций равной несущей способности и в 1,3-1,8 раза меньше, чем у металлических (стальных).

Наряду с конструкциями, армированными обычной арматурой в практике строительства применяются деревянные конструкции с предварительно напряженной арматурой. Так, в покрытии производственных зданий по откорму крупного рогатого скота в Иссык-Куль-ской области Кыргызстана применены асбестоцементные плиты покрытия 1,5x8,0 м с деревянным каркасом,ребра которых преднапряжены стальной арматурой, размешенной в растянутой зоне /27/.

В последнее время, для армирования несущих конструкций зданий, эксплуатируемых в химически агрессивной среде,вместо стальной арматуры применяют стеклопластиковую. На рис.1.4 показан поперечный разрез одного из складов, построенного в Белоруссии, в покрытии которого применены несущие конструкции с предварительно-напряженной стеклопластиковой арматурой /57/.

Как показала практика строительства, развитие армированных деревянных конструкций в настоящее время ведется по двум направлениям: с применением обычной арматуры и с предварительно напряженной стальной или стеклопластиковой. Первый способ армирования по сравнению со вторым находит более широкое применение, т.к.требуется меньшее количество специального оборудования, и характеризуется меньшей трудоемкостью производства работ.

Рис. 1.2. Промышленное здание, Швеция

1-армированная треугольная безраскосная металле деревянная ферма

Рис. 1.3. Цех химического завода,. Чехия.

I-клеенная армированная трёх шарнирная арка.

1-1

Рис. 1.2. Промышленное здание, Швеция

1-армированная ^треугольная безраскосная металлодеревянная ферма

1.2. Исследование работу армированных деревянных

конструкции.

В настоящее время в нашей стране разработкой и исследованием клееных армированных конструкций занимается целый ряд научно исследовательских и учебных заведений. Так, исследования балок., рам, панелей покрытия с обычным и предваврительно напряженным армированием проводятся в ЦНИИСК им.Кучеренко, НИСИ им. Куйбышева, Владимирском, Нижегородском, Хабаровском технических университетах.

Развитие клееных армированных конструкций ведется по двум направлениям: с применением обычной арматуры и с предварительно напряженной- Второй способ армирования в работе не рассматривается, но следует отметить, что к наиболее важным работал в этой области относятся исследования, проведенные Линь ковш И.М., Со-ротокиным В.М.и Чеботаревой Л.С./21,54,62/.

За рубежом разработкой и исследованием армированных конструкций занимаются: в США Медисонская лаборатория лесной продукции /96,105,106,114/, в Великобритании Еелфайский университет и Ассоциация по исследованию и развитию древесины ТРАДА /97,98, 108,109,110,111/, е Германии Отеленборгский университет /107/, в Швеции Чалмерский университет /108,117/, институты Франции /101, 102,103/ и некоторых других стран.

К наиболее важным экспериментальным и экспериментально-теоретическим работам по армированным деревянным конструкциям относятся исследования Granholma, Иванова Ю.М.,Линькова И.М.,Щуко В.Ю.,Щуко С.А., Соротокина Е.М., Смирнова Е.А. /21,54,63,108/, а к теоретическим - исследования Бондина В.Ф./9/ и Хлебного Я.Ф. /60/.

В работах Щуко В.Ю. и Щуко С.А. большое значение отведено выбору класса арматуры периодического профиля,клеевым композициям, обеспечивающим совместную работу арматуры с древесиной, расположению арматуры в поперечном сечении и расчету армированных деревянных балок /63,64,65,66,67,71,72/.

Они выявили две характерные стадии работы армированных деревянных конструкций: условно-упругую и упруго-пластическую /63,72/.

Авторами разработаны инженерный метод расчета таких конструкций. Им удалось установить рациональные границы коэффициента армирования балок (0,015-0 j 035),нашедшего широкое применение при проектировании армированных деревянных изгибаемых конструкций

/Л А ъл

X *ж 5 fiw JL 5 frwr—// »

В настоящее время вопросу прочности клеевого соединение арматуры с древесиной посвящены многочисленные исследования,которые показали, что армирование деревянных конструкций целесообразно выполнять арматурой периодического профиля класса АН и А111. При этом прочность клеевого соединения определяется прочностью древесины на скалывание вдоль волокон,которое составляет в среднем 6,8 МПа /5,12,18,32,37,50,56,59,63,70/. В работах Смирнова Е. А. исследованы прочность и деформативность в армированных балок, в т.ч балок с групповым расположением арматуры, вклеенной в общий паз /51/.

1.3. Цель работы и задачи исследования.

Целью работы является изучение напряженно-деформированного состояния армированных деревянных элементов, работающих на одновременное действие продольного сжатия и поперечного изгиба в составе распорных крнструкций и разработка методики их расчета на основе экспериментально-теоретических исследований.

При этом решались следующие задачи: - определение влияние коэффициента армирования стальными стержнями на прочность и деформативность деревянных элементов верхнего пояса треугольных арок;

- разработка методики расчета армированных деревянных элементов при сжатии с изгибом;

- разработка инженерного метода расчета армированных деревянных элементов распорных систем;

- разработка конструкций треугольных арок с клееным армированным �