автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Металлодеревянная двухшарнирная рама с затяжкой в уровне карнизных узлов

ПОЛТАВСКИЙ ШЕНЕРНО-СТРОИТЕЛЬНИЙ ИНСТИТУТ

На прагах. рукописи

САГАН Александр Омилианович

?Ж 624.072.3?.011.1:674.028.9

МЕТШОДЕРЕВЯННАЯ ЛВШАРНИРНАЯ РАМА С ЗЛ1Ш0Й 3 УРОВНЕ КАРНИЗНЫХ УЗЛОВ

05.23.0£ - Строительные конструкции, здания я сооружения

Ав-вореферат диссертации на соискание ученой степени кандидат-а технических наук

Полтаза - 1992

Работа выполнена-в Московском инженерно-строительнон институте им. Куйбьшева

Неумный руководитель - кандидат технических наук, профессор Ю.В.Слицкоухов

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор Е.Н.Серов

- кандидат технических наук, доцент Б.В.Фурсов

Ведущая организация - Полтавское областное объединение

агропромышленного строительства

Защита состоится час.

на заседании специализированного совета К.068.46.01 при Полтавском инженерно-строительном институте по адресу: 314601, Полтава, Первомайский проспект, -24.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Полтавского инженерно-строительного института.

Автореферат разослан "¿7 "

"¿7 " ЯСЛГ/М т2

т.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат технических наук,

доцент В. А. Бондарь

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Развитие современного строительного производства происходит в направлении дальнейшей его индустриализации. соперзБнствования структуры применяемых строительных конструкций и материалов, расширения использования прогрессивных: конструкция, з том числе и клеедеревянннх, снижения массы конструкций, сокращения сроков ввода в эксплуатацию строительных объектов.

Одним из перспективны* направления развития клееных деревянных конструкций является разработка статически неопределимых конструкций, отличавшихся более высокой жесткостьв и меньшей материалоемкостью по сравнении с аналогичными статически определимыми системами.

Основное направление данной работы - разработка более эффективной по сравнении с применяемыми в сельскохозяйственном строительстве рамной конструкции. Выбор такого направления определился следующими соображениям: во-первых, сельскохозяйственное строительство явллется основным потребителем КДК в настоящее время; во-вторых, применяемые при строительстве зданий на селе конструкции имеют ряд существенных недостатков (высокая материалоемкость, значительная трудоемкость монтажа и др.); в-третьих, рамные конструкции в наиболее полной мере,удовлетворяет требованиям габаритных схем именно сельскохозяйственных зданий.

Актуальность работы определяется направление« на снижение материалоемкости и стоимости строительства, сокршаение сроков ввода объектов в эксплуатацию.

Выполненная работа проводилась в соответствии с координационным планом секции "Деревянные конструкции", научно-координационного Совета Госстроя СССР по разделу 2.3.1 "Разработка я соверленсгвование клееных деревянных конструкций на базе унифицированных элементов и ноенх узловых соединений''.

Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работа является исследование действительной работы двтхяарнирчой мее-леревянноЯ рамы с затяжкой в уровне карнизных узлов к разработка практических рекомендаций по ее расчету и коиструироинкв.

Для достижения поставленной цели воз никла необходимость

решения следующих задач:

1. Разработать конструкцию рамы.

2. Разработать методику определения модуля упругости я сдвига клееной древесины при изгибе и установить их расчетные значения.

3. Разработать практический метод расчета с учетом особенностей, свойственных статически неопределимым системам с использованием древесины. Установить зависимости для определения размеров поперечного сечения рамы и выбора оптимального материала для затяжки.

Разработать программу расчета на ЭВМ для использования ее в системе автоматизированного проектирования.

5. Провести экспериментальное исследование натурных фрагментов карнизных узлов рамы с горизонтальным монтажниц стыком, установить их напряженно-деформированное состояние, степень податливости, сравнить полученные результаты с теоретическими значениями.

6. Провести испытание рамы, установить степень соответствия экспериментальных результатов теоретическим.

7. Выполнить технико-экономический анализ, выявить рекомендуемые области использования двухшарнирных рам с затяжкой в уровне карнизных узлов в строительстве.

Научная новизна работы зао и чается:

- в разработке конструкции рамы и узлов соединения ее элементов;

- в результатах,теоретических исследований напряженного состояния рамы;

- в получении экспериментальных данных по несущей способности и деформативности рамы и карнизных узлов с горизонтальным монтажным стыком;

- в разработке рекомендаций по практическому расчету, конструированию и прогнозированию длительной прочности по результатам кратковременных испытаний.

Практическая ценность работы заключается:

- в разработке на основе результатов исследований методики практического расчета двухшарнирных рам г. затяжкой в уровне карнизных уело б;

- в разработке с использованием результатов исследований

- ч -

проектной документации на строительство сельскохозяйственных зданий пролетом 9 и 12 м для 1-го к II-го снеговых районов;

- в возможности использования полученных результатов исследований другими организациями.

Вмдзениерезультатов. Результата исследований использовались при разработке проектной документации ча строительство сельскохозяйственных зданий пролетом 9 и 12 м в гтроектно-язып-кательском институте "Полтавагропроект".

На защиту выносятся:

- конструктивные реиения двухиарнирных рак с затяжкой з уровне карнизных узлов и узловых соединений ее элементов;

- результаты теоретических исследований напряженного состояния рамы;

- методика и результаты экспериментальных исследований напряженно-деформированного состояния фрагментов карнизных узлов с горизонтальным монтажным стыком;

- методика и результаты экспериментального исследования рамы;

- методика прогнозирования длительной прочности рамы по результатам кратковременных испытаний;

- практический.метод расчета.

Апробация работы- Результаты работы были доложены и обсуждены:

- на XXXIX ... ХЬ ГУ научно-технических'конференциях Полтавского инженерно-строительного института, 1987-1992 г.г.;

- на П Республиканской научно-технической конференции "Применение пластмасс з строительстве и городском хозяйстве", Харьков, 1987 г.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка лигзратурн. Она содержит 142 страницы, в том числе ПО страниц машинописного текста, 9 таблиц, 53 рисунка, 6 фотографий и список литературы из 119 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТУ

Во введении обосновывается актуальность темы и целесообразность разработки и внедрения в практику проектирования и строительства двухшарнирпых рам с затяжкой в уровне карнизных узлов.

Перчая глава содержит описание особенностей проектирования и строительства сельскохозяйственных зданий; вопросы применения в них клееных дегревякных конструкций и направления их оовериенствования; обоснование выбранного направления исследований; анализ особенностей расчета статически неопределимых конструкции с использованием древесины.

Рассматриваются работы связанные с разработкой и исследованием. жестких узловых соединений деревянных элементов на вклеенных арматурных стержня», как наиболее приемлемых для статически неопределимых конструкций (авторы Турковский С.Б., Фролов A.B., Овчинникова К.Г., Колпаков C.B., Пинайкин И.П., Халтурин ¡0.3. и др.), работы по разработке и внедрению, новых типов конструкция, в том числе и статически неопределимых (авторы Леев В.П., Турковский С.Б. и др.).

В обосновании выбранного направления исследований приводится обоснование выбора конструктивной формы, вида узловых соединений, экономическое обоснование. На основании этого, а такне с учетом анализа особенностей, свойственных статически неопределимым системам с применением древесина, сформулированы цель и задача диссертационной работы.

Вторая глава содержит описание конструкции рамы, теоретические исследования ее напряженно-деформированного состояния и практический метод расчета.

Конструкция рамы разработана в двух вариантах: со сплошной стойкой (рис- I) к со сквозной, состоящей из растянутого гяаа и сжатого подкоса.

В рамах со сплошной стойкой карнизный узел решается при помощи горизонтального сборно-разборного стыка с передачей растягивавшего усилия через вклеенные в ригель и стойку арматурные стержни, а сжимающего - через вклеенные в ригель стержни и простым упором на стойку. Такое решение стыка дает возможность применить несложные соединительные детали для сты-

г

Рио. I. Конструкция двухиарнириой рама

0 затяжкой из парных стеряней арматурной стали

1 - ригель клеедордатнй постоянной

высоты сечения;

2 - стойка переменной высоты сечения;

3 - затянка;

- муфта отяжнея;

5 - подвеска из арматурной стали;

6 - муфта или фланец карнизного узла

ковки растянутых стержней между собой (фланцы или стяжные муфты) и передать распор на затяжку простым упором в нее торцов ригеля. С целью предотврааения расслоений древесины рекомендуется стержни растянутой зоны вклеивать в ригель на всю высоту его сечения, а стойку армировать в поперечном направлении одиночным стержнем.

В статическом отношении рама является дважды статически неопределимой системой. Для.ее решения используется метод сил.

Точный расчет по деформированной схеме реализован на ЭВМ. Разработанная программа расчета основана на методе последовательных приближений и позволяет определять внутренние усилия и размеры поперечных сечений элементов. При составлении программы учтены особенности, характерные для расчета конструкций с использованием древесины, а именно, влияние поперечных сил и податливости узловых соединений на распределение усилий.

При помощи разработанной программы получены зависимости для назначения размеров поперечных сечений элементов рамы, а также значения коэффициента ^ , взаимосвязывающего усилия в деформированном и недеформиро'ванном состояниях.

Одним из достоинств статически неопределимых систем является возможность на стадии проектирования регулировать характер распределения внутренних усилий в них. Для данной конструктивной схемы это достигается путем изменения отношения жесткос-тей ригеля и затяжки и при их определенном соотношении может быть обеспечена равнозагружекность наиболее напряженных узлов. 3 этом случае расход древесины на раму будет минимальным.

Установлено, что оптимальным матершлом для затяжки'будет материал для которого:

^•т^ шй/Е,

где Я , Е - соответственно расчетное сопротивление и модуль упругости материала затяжки; /\с - расчетное сопротивление древесины сжатию вдоль волокон;

Рф - коэффициент, зависаний от геометрических разме-. ров рамы (рис. 2).

1ля рам с металлической затяжкой характерном является непрерывный процесс перераспределения внутренних усилий во вре-

Рис. 2. Графики зависимости коэффициентов впр от геометрических размеров рамы г

меня, что есть следствием изменения модуля деформаций древесины при длительном загружении. В результате анализа работы конструкции во времени получена зависимость для определения временного коэффициента безопасности, позволяющего прогнозировать длительную прочность рамы по результатам кратковременных испытания:

m-i-

a oí [д ¡э

где 6í. -/fift^jr*- - коэффициент, учитываювдй снижение проч-Л| ности древесины и перераспределение усилий во времени: ба,,,бдл - напряжение в начальный период загружения и через время, равное сроку эксплуатации, соответственно;

1Э - эквивалентное время действия нагрузок на конструкции, сек.;

tm - приведенное к неизменному действии нагрузки время до разруиения, сек.; Изменение модуля упругости древесины во времени, а также значительная статистическая изменчивость его может привести к несоответствию фактического характера распределения усилий расчетному. Рекомендуется, - дая обеспечения надежной безотказной работы конструкции, значение модуля упругости принимать равным минимальному вероятному значению, а металлические соединительные детали карнизного и опорного узлов рассчитывать на усилия, полученные при его максимально возможном значении. Для упрощег ния расчетов приводятся графические зависимости коэффициентов /и -U£nax/U£ , где U.£max - распор при максимально возможном. значении модуля упругости.

Для выявления вида загруженил, определяющего напряженно-деформированное состояние, проведены численные расчеты рам пролетом 12-24 м с высотой стойки 3,6; 4,8; 6,0 м и установлено, что воздействие ветровой нагрузки следует учитывать, если:

где Ц.ш - расчетная ветровая нагрузка на раму без учета аэродинамического коэффициента:

-Ю-

" погонная вертикальная нагрузка.

В содержание глава входит также разработка методики расчета карнизного узла с горизонта! ьным монтажным стыком на вклеенных арматурных стержнях.

Установлено, что наиболее напряженными сечениями узла являются горизонтальное в месте монтажного стыка и сечение параллельное верхней плоскости ригеля и проходящее через верх вклеенных в растянутой зоне стержней. Из совместного решения уравнений равновесия и неразрывности деформаций получены заьа-симости для определения усилий в стержнях, напряжений смятия з стоике и растяжения поперек волокон з ригеле.

Третья глава посвящена экспериментальным исследованиям напряженно-деформированного состояния и прочности двухиарнирных рам с затяжкой.

Программа исследований включает з себя: определение модуля упругости и сдвига при изгибе клееных элементов заводского изготовления; натурные испытания фрагментов карнизных узлов с горизонтальным монтажным стыком; испытание рамы до разрушения кратковременной нагрузкой я прогнозирование ее длительней прочности.

Модули упругости и сдвига определены по величинам- деформаций, замеренных в трех точках пролета при испытании 25 балочек ка чистый изгиб. Балочки были изготовлены из клееных блоков Ко--ростышевскогс ССК и содержали пороки допустимые для древесины второго сорта. Среднее значение модуля упругости составило 8520 МПа, модуля сдвига - ЗВД МПа. Рекомендуется в расчетах по первой группе предельных состояний принимать значение модуля сдвига = 0,06 Е1 С £ - минимальное вероятное значение

модуля упругости), а в расчетах по второй группе предельных состояний & * О.ОЬЕ {Е - среднее значение модуля упругости).

Для определения напряженно-деформированного состояния и прочности карнизных узлов с горизонтальным монтажным стыком были изготовлены и испытаны три.фрагмента узла. Каждый фрагмент (рис. За) состоял из двух клееных блоков сечением. 122x253 мм, соединенных между собой при помощи вклеенных штырей из арматуры класса А-Ш диаметром Гб мм я длиной 160-190 мм. Итыри вклеивались а просверленные отверстия на эпоксидном клее ЗПЦ-Г

Рис. 3. Схема испытания фрагмента узла (а) и характер разрушения (б)

1-иееные блоки; 2-вклеенные арматурные стержни диаметром 16 мм; 3-распределительные прокладки; 4-вадики диаметром 36 мм.

после предварительной их приварки к соединительным металлическим элементам.

Испытание проводилось на'универсальной испытательной мь-шине. Передача нагрузки на узел осуществлялась посредством металлических валиков и пластин, закрепленных на торцах деревянных элементов. Общие деформации узла замерялись прогибомерам^ и индикаторами часового типа, деформации волокон .- тензомстрр-ческим методом. '"

Нагружение узлов производилось ступенями по 7,5 кН равномерно в течение 3 мин. После нагружения в' течение 12 мин осуществлялась выдержка.

Разрушение всех фрагментов узлов произошло от разрыва древесины поперек волокон в сечении, проходящем через верх вклеенных в растянутой зоне стержней (рис. Зб). При дальнейшем незначительном увеличении нагрузки в двух узлах произошло скалывание древесины в направлении, перпендикулярном оси стершей, а в третьем - образование складки в сжатой зоне и разрыв вдоль волокон древесины растянутой зоны, отсеченной трещиной части сечения.

Во всех случаях отношение разрушающей нагрузки к' расчетной больше требуемого коэффициента безопасности, вычисленного с учетом времени загружения (табл. I), что свидетельствует о достаточной несущей способности и соответствии принять« при рас- . чете предпосылок действительной работе. ...'•.

Деформативность узлоз соответствует теоретической.' Бри расчетной нагрузке для узлов й I и й 2 вертийальние перемещения меньше теоретических, вычисленных с учетом податливости соединений, соответственно на 15 и 18%, а для узла, й 3 больве на 12?.

В целом, результаты экспериментов подтвердили теоретические предпосылки, показали надежность соединений деревянных элементов на вклеенных арматурных стержнях, их мини малькуп податливость, дали направление на конструктивное ' соверяенствоьа.чк;-узлов (предложен вариант крепления затяжки при помоет соо^ь.. обеспечивающей поперечное обжатие торца ригеля, вариант узль. ? котором растягивавсие усюмя передается нв вкдееннье в ригель стержни, работавпие на вдевхивание).

Таблица I

узла

Расчетная нагрузка, кН

Разруша-.

вшая - ----

по здав- :по раз си-: нагрузка; требуе-ливанию .ву поперек н . мый стержней "волокон ""

Коэффициент безопасности

фактический

31, В 31,0 28,2

28,6 25,6 23,2

66.4

64.5 56, В

2,32 2,32 2,32

2,32 2,52 2,45

Для выявления характера распределения внутренних усилий, деформативности и определения фактической несущей способности двухшарнирных рам с затяжкой в уровне карнизных узлов проведено испытание рамы пролетом 4,5 м (рис. 4). Рама изготовлена из сосновых брусьев второго сорта сечением после острожки 90x146 мм. Соединение элементов ригеля б коньке и ригеля со стойками выполнено при по ко щи вклеенных стержней из арматурной стали класса A-i диаметром. 12 мм на эпоксидном клее ЭПЦ-1 (рис. 5). для опорных узлов рамы использованы стальные башмаки, снабженные призматическими шарнирами из низколегированной стали. Восприятие распора обеспечено жестким соединением опорной плиты шарнира с траверсой испытательной установки.

Испытание рамы произведено в горизонтальном положении, для чего использовалась установка, состоящая из опорной, загрузочной, двух распределительных траверс, гидравлического домкрата и несосной станции. Б процессе испытаний производились замеры прогибов в пяти точках по длине ригеля и общих деформаций затяжки при помощи прогибомеров ПАО-6. Для определения внутренних усилия были наклеены на ригель, стойку и стяжную муфту тен-зорезисторы с базой 50 мм. Стяжная муфта до ее сварки с арматурными стержнями бьма протарирована на прессе.

Потеря несущей способности рамы произошла при нагрузке 69 кН от выдергивания вклеенного стержня в растянутой зоне конькового узла. В карнизных узлах никаких признаков разрушения не ньблвдалось. Отношение фактической разрушающей нагрузки к длительной несущей способности оказалось равным 2,9, что больае интегрального коэффициента оезопасности для конькового узла на 95.

Ряс. ч. Схема испытания рамы и деформации при расчетной нагрузка

Рис. 5- Конструкция узлов рамы:

а) конькового; (5) карнизного

По результатам замеров относительных деформаций волокон вычислены величины распора и усилия в затяжке для каждой ступени нагружения. Отклонение экспериментальных значений распора и усилия в затяжке от теоретических соответственно составило - 12-17$ и 2-26/? в зависимости от величины нагрузки.

В четвертой главе приводятся результаты технико-экономического сравнения двухпарнирных рам. с затяжкой в уровне карнизных. узлов и стоечно-ригельных систем с типовыми распорными системами треугольного очертания. Конструкции для сравнения запроектированы пролетом 12, 18, 24 м. под погонную нагрузку 10 и 20 кН/м; внутренний габарит принят равным 3,6 и 4,8 м; шаг конструкций - 3 и б м. Стоимость клееной древесины в расчетах принята разной 302 руб/м->, стоимость металла 700 руб/т.

Приведенные затраты и экономический эффект по вариантам, вычислены в соответствии с рекомендациями ЦНИИСК им. Кучеренко. Во всех случаях двухпарнирные рамы оказались более экономичными чем стоечно-ригельные системы (эффект 1,4-16$). Расход металла в двухшарнирных рамах по сравнению со стоечно-ригельными системами в некоторых случаях может быть снижен на 20-25%. Трудоемкость монтажа рам меньше на 20-35%.

•- основные вывода .

1. Разработана конструкция сборно.-р&зборной рамы для одноэтажных сельскохозяйственных, зданий 1У и 7 степени огнестойкости, .температурно-вланкостные условия эксплуатации которых ртве-чаит требованиям групп АГ, А2, БГ, Б2. Изготовление рамможет быть осуществлено на действующих предприятиях • клееных деревянных конструкций без изменения существующих технологических процессов.

2. Разработан практический метод расчета рамы и программа "деформационного" расчета на ЭВМ, позволяющая определять внутренние усилия и размеры поперечных сечений ее элементов.

3. Разработана методика определения модуля упругости и сдвига клееных элементов при изгибе и установлены их нормативные значения, которые составили соответственно 6950 МПа и

400 МПа. Рекомендуется в расчетах по первой группе предельных состояний значение модуля сдвига принимать равнум 0,06 модуля

упругости.

t. Установлено, что

- узловые соединения ригеля со стойкой при помощи горизонтального монтажного стыка обладают достаточной прочностью (г среднем значение коэффициента безопасности на h,l% больше тре-

.буемого) и жесткостью (деформации в среднем на h% меньше теоретических);

- для увеличения несущей способности узлов стеркни растянутой зоны следует вклеивать в ригель на всю его высоту;

J - экспериментальный характер распределения внутренних усилий в раме в целом соответствует теоретическому (отклонение 2-26*);

- фактическая несущая способность рамы выше расчетной кратковременной в 1,9 раза, а планируемой разрушающей нагрузки в 1,28 раза; деформативность ригеля рамы при расчетной кратковременной нагрузке равна 1/302 пролета, что свидетельствует о достаточной прочности и жесткости рамы.

5. Экономическим расчетом установлено, что двухяарнирные para с затячкоп в уровне карнизных узлов являются более эффективными, чем пироко применяемые- в современном сельскохозяйственном строительстве стсечно-ригельные системы. Внедрение рекомендуемых рам в практику строительства даег возможность снизить расход металла (до 252), трудозатраты на монтаже (на 20-35%), приведенные-затраты (до I6Ï).

6. При пролетах до 12 м и малых нагрузках рамы могут быть изготовлена из брусьев цельного сечения, что позволяет организовать базу по их производству на лпбом деревообрабатываосек заводе.

ОСНОЗНОЕ С02ЕЙШИЕ ДИССЕРТАЦИЙ ОПУБЛИКОВАНО В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

1. Саган А.Э. Двухшарнирная металлодеревянная рама с затяжкой в уровне карнизных узлов /Полт. ИСИ. - М., 1988. - 12 о. Деп. во В НИШ Се 15.02.83, » 6618.

2. Андрейхо Н.Т., Саган А.Э. Перспективы использования древесно-слоистого пластика в узлах клеедощатых рам //Применение пластмасс в строительстве и городском хозяйстве: Тез. доо. П Республиканской научно-технической конференции. Часть П. Харьков: ШКС, 19В7. - С. 19.

3. Саган А.Э. Исследование прочности и деформативности карнизных узлов клеедощатых рам с горизонтальным монтажным стыком/Дез. докл. 42 науч. ковф. проф., преп., науч. работников, асп. и студентов ин-та. Полтава: Полт. ИСИ, 1990. - С. 100.

4. Саган А.Э. Брусчатая металлодеревянная рама для сельскохозяйственных зданий //Тез. докл. 43 науч. конф. проф., преп., науч. работников, аоп. и студентов ин-та. Полтава: Полт. ИСИ. 1991. - С. 128.

5. Саган А.Э. Экспериментальное исследование прочности и деформативности металлодеревянной двухиарнирной рамы //Тез. докл. 43 науч. конф. проф., преп., науч. работников, асп. и студентов ин-та. Полтава: Полт. ИСИ, 1991. - С. 129.

6. А.З.Сагак. Эффективность применения двухшарнирных рам с затяжкой в уровне карнизных узлов в сельскохозяйственном строительстве //Снижение материалоемкости и трудовых затрат в строительстве: Сб. науч. гр. - К.: УЫК ВО, 1991. - С. 73-83.