автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Прочность и деформативность армированных деревянных балок при длительном действии нагрузки

Министерство общего и профессионального образования РФ Владимирский государственный университет

ПРОЧНОСТЬ И ДЕФОРМАТИВНОСТЬ АРМИРОВАННЫХ ДЕРЕВЯННЫХ БАЛОК ПРИ ДЛИТЕЛЬНОМ ДЕЙСТВИИ

НАГРУЗКИ.

Специальность 05.23.01 - строительные конструкции,

здания и сооружения

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

УДК 624.011.2

Молотовщиков Сергей Леонидович

Научный руководитель кандидат технических наук профессор В.Ю. Щуко

Владимир 1999

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................1

Глава 1. АРМИРОВАННЫЕ ДЕРЕВЯННЫЕ КОНСТРУКЦИИ, ИХ ИССЛЕДОВАНИЕ И МЕТОДЫ РАСЧЕТА

1.1. Применение армированных деревянных конструкций в строительстве .........................................................................................................4

1.2. Исследование работы армированных деревянных конструкций. 10

1.3. Анализ существующих законов, описывающих работу конструкций с учетом ползучести материала.......................................................20

1.4. Цель работы и задачи исследования............................................37

Глава 2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЧНОСТИ И ДЕФОРМАТИВНОСТИ АРМИРОВАННЫХ ДЕРЕВЯННЫХ БАЛОК ПРИ ДЛИТЕЛЬНОМ ДЕЙСТВИИ СТАТИЧЕСКОЙ НАГРУЗКИ

2.1. Расчет изгибаемых армированных деревянных элементов с учетом ползучести..........................................................................................38

2.2. Длительная несущая способность деревянных балок армированных стальной арматурой..........................................................................47

2.3. Практический способ расчета изгибаемых армированных деревянных элементов с учетом ползучести.................................................50

2.4. Численные исследования напряженно-деформированного состояния армированных деревянных балок с учетом фактора времени с применением ЭВМ...................................................................................59

Глава 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ АРМИРОВАННЫХ ДЕРЕВЯННЫХ БАЛОК ПРИ ДЛИТЕЛЬНОМ ДЕЙСТВИИ СТАТИЧЕСКОЙ НАГРУЗКИ

3.1. Методика экспериментального исследования.............................71

3.2. Изготовление экспериментальных балок.....................................81

3.3. Результаты экспериментального исследования и их анализ......83

Выводы по главе 3..........................................................................97

Глава 4. ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ КЛЕЕНЫХ ДЕРЕВЯННЫХ БАЛОК С ПРОДОЛЬНЫМ АРМИРОВАНИЕМ ПРОЛЕТОМ 12 М 4.1. Методика исследования натурных конструкций........................98

стр.

4.2. Результаты испытаний натурных конструкций........................100

4.3. Технико-экономическая эффективность применения армированных деревянных балок...........................................................................107

Выводы по главе 4.........................................................................118

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ .............................................................................119

ЛИТЕРАТУРА.....................................................................................121

ПРИЛОЖЕНИЯ...................................................................................130

-1 -

ВВЕДЕНИЕ

Актуальость темы. Разработка и исследование армированных деревянных конструкций для строительства являются частью важной народно-хозяйственной задачи по созданию новых видов несущих и ограждающих конструкций на основе древесины [2, 24].

Одним из обстоятельств, препятствующих внедрению армированных деревянных конструкций в практику строительства, является их недостаточная изученность.

Существующие методы расчета армированных деревянных конструкций основываются на результатах исследований кратковременно действующими нагрузками. В практике же строительные конструкции подвержены, как правило, длительному загружению. Поэтому массовое применение таких конструкций со стальной арматурой может иметь место лишь после их всесторонних испытаний, главным образом, длительно действующими нагрузками. Надежность эксплуатации таких конструкций будет обеспечена, если при расчете и проектировании будут учтены все особенности их работы во времени.

В настоящее время в связи со все возрастающей ролью древесины, как эффективного конструкционного материала, вопросы изучения и освоения армированных деревянных конструкций приобретают все большую актуальность. Армирование сечения деревянного элемента стальными стержнями, которые соединяются с деревом при помощи высокоэффективных клеев, обеспечивающих совместную работу этих материалов, открывает новые возможности перед проектировщиками и строителями, поскольку армирование дает возможность за счет увеличения несущей способности и жесткости снизить вес, уменьшить габариты и стоимость несущих деревянных конструкций [26, 36]. Высокие конструктивные показатели армированных деревянных конструкций позволяют расширить область применения деревянных конструкций и сделать их конкурентно-способными не только с железобетонными, но и с металлическими конструкциями [85, 88, 101, 105]. Кроме того армирование позволяет уменьшить влияние неоднородности и пороков древесины на прочность конструкций.

Увеличение объемов применения клееных деревянных конструкций в отечественной и зарубежной практике строительства

предъявляет новые, более высокие требования к проектированию таких конструкций.

Диссертационная работа посвящена изучению напряженно-деформированного состояния армированных деревянных элементов в процессе длительного нагружения и выполнена в рамках целевой комплексной программы ГБ НиР О.Ц.ОЭ1, плана ГБ НиР кафедры строительных конструкций и архитектуры ВлГУ в соответствии с единым заказ-нарядом научно-исследовательских работ МОПО РФ.

Целью работы является изучение напряженно деформированного состояния клееных деревянных балок, армированных стальными стержнями, при длительном действии статических нагрузок на основе экспериментальных и теоретических исследований и разработка методики их расчета при длительно-действующей нагрузке.

При этом решались следующие задачи:

— определение влияния армирования стальными стержнями на длительную прочность и деформативность деревянных элементов при поперечном изгибе;

— выявление особенностей перераспределения напряжений между арматурой и древесиной при длительном действии нагрузки;

— проведение численных исследований напряженно-деформированного состояния изгибаемых армированных деревянных элементов при длительном действии статических нагрузок;

— уточнение инженерной методики расчета изгибаемых армированных деревянных элементов при длительном действии статических нагрузок на основе экспериментальных исследований;

— оценка технико-экономической эффективности и внедрение конструкций клееных деревянных балок, армированных стальной арматурой.

Научную новизну работы составляют:

— теоретическим и экспериментальным путем изучена работа и выявлены особенности изменения напряженно-деформированного состояния изгибаемых деревянных элементов, армированных стальными стержнями, при длительных силовых воздействиях;

— предложена инженерная методика расчета изгибаемых армированных деревянных элементов при длительном действии нагрузки с учетом перераспределения усилий между арматурой и древесиной во времени.

На защиту выносятся:

— результаты теоретических и экспериментальных исследований напряженно-деформированного состояния армированных стальной арматурой клееных деревянных балок при изгибе длительно действующей нагрузкой в области затухающей ползучести;

— практический способ расчета изгибаемых армированных стальными стержнями деревянных балок с учетом ползучести при длительном действии нагрузки.

Практическое значение работы заключается в разработке и внедрении в проектирование метода практического расчета армированных стальной арматурой деревянных балок с учетом фактора времени, что позволит повысить эксплуатационную надежность изгибаемых конструкций, сократить расход древесины при их изготовлении, снизить монтажную массу.

Глава 1. АРМИРОВАННЫЕ ДЕРЕВЯННЫЕ КОНСТРУКЦИИ, ИХ ИССЛЕДОВАНИЕ И МЕТОДЫ РАСЧЕТА

Армированные деревянные конструкции имеют ряд преимуществ перед обычными клееными деревянными конструкциями [65, 80], заключающихся в меньшем расходе древесины (до 45%),в меньшем монтажном весе (до 25%), габаритах поперечного сечения и др. Армирование позволяет применять в конструкциях древесину 3-го сорта взамен 1-го и 2-го, используемого для обычных конструкций. Такие конструкции имеют более высокую эксплуатационную надежность.

Вместе с тем армированные деревянные конструкции - сравнительно новые конструкции, использование которых в строительстве не превышает 15-18 лет.

Армирование деревянных конструкций является перспективным направлением в области эффективного использования древесины в строительстве, служит способом их усовершенствования и привлекает внимание многих специалистов в нашей стране и за рубежом [21, 38, 49, 66, 85, 86, 87, 88, 90, 91, 92-102, 103, 104].

1.1. Применение армированных деревянных конструкций в

строительстве

Новым видом строительных конструкций являются деревянные балки, армированные стальными стержнями. Введение стальных стержней в наиболее напряженные рабочие зоны балок дает возможность значительно повысить их несущую способность и жесткость.

Впервые серьезные попытки добиться повышения несущей способности деревянных балок путем их армирования были предприняты А.Д. Монасевичем, А. Фишером, X. Гранхольмом и др.

Впервые промышленное изготовление клееных армированных деревянных конструкций было осуществлено в г.Гетеборге шведской фирмой "АВМ ТоИшоп" [104]. Их армирование осуществлялось стальной арматурой периодического профиля диаметром 14 мм. Фирмой применено три вида поперечных сечений (см. рис. 1.1.).

В ряде зарубежных стран, таких как США, Великобритания, Франция, Швеция, Швейцария, Германия, Чехия и Словакия, налажено опытно-промышленное производство армированных деревянных

конструкций, в основном балочного типа с симметричным армированием по всей длине пролета [87, 90, 91, 93, 96, 100, 102, 104]. Армированные деревянные балки двутаврового, прямоугольного и коробчатого сечения пролетом до 24 м успешно применяются в несущих конструкциях сельскохозяйственных и общественных зданий, мостов разного назначения и др.

а)

4 014 мм

1

70.

11=140-504

б)

12 014 мм

н.

4 г

ь =182

к

В)

8014

мм

Ь=240

ч к

Рис. 1.1. Номенклатура типов поперечного сечения армированных деревянных конструкций, выпускаемых фирмой "АВИ ТоЬшоп"

Опыт изготовления и применения армированных клееных деревянных конструкций показал их преимущества для ускорения строительства. В технологическом отношении они ценны тем, что позволяют весьма экономно расходовать древесину, использовать маломерные, низкосортные пиломатериалы. Изготовление таких конструкций может быть достаточно высоко механизировано и автоматизировано. Благодаря способности синтетических клеев отвердевать за различные, в том числе короткие, промежутки времени (в зависимости от возможности и способов нагревания) скорость изготовления конструкций можно варьировать в широких пределах. Преимущества склеивания состоят также в том, что рабочие сечения элементов в месте их соединения не ослабляются отверстиями, врезками, шпонками и т.п. Форма сечения элементов может быть самой различной, исходя из конкретных архитектурно-технических требований, причем отдельные зоны поперечного сечения, нагруженные неодинаково, легче выполнить из соответствующих по прочности материалов и

элементов, чем при других способах соединения. Склеивание позволяет создавать конструкции весьма больших пролетов и криволинейной формы, массивные и полые, плоские и пространственные. Клееная древесина отличается от естественной древесины повышенной однородностью и прочностью.

Существует несколько способов соединения стальной арматуры с древесиной балок: клеями и компаундами на основе синтетических смол; цементными растворами и бетонами; механическим зацеплением кольцевых выступов на стержнях с древесиной балок. Во всех случаях для арматуры на плоскостях балки прорезаются пазы различного профиля: круглые, квадратные, трапециевидные и др. Сечения применяемых стальных стержней также имеют разный профиль: круглый, квадратный и др. Соединение арматуры с древесиной балок должно осуществляться компаундами, обладающими достаточной прочностью, жесткостью и хорошей адгезией к дереву и металлу. Таким требованиям лучше всего отвечают эпоксидные компаунды. Стоимость таких компаундов удается значительно снизить благодаря введению 70 - 80% наполнителя (цемент, песок) по весу компаунда.

Технологический процесс изготовления армированных деревянных балок довольно прост. В пазы, выбранные на фрезерном станке, заливают компаунд и укладывают арматуру, после чего производится запрессовка арматуры.

Повышение эффективности армирования за счет увеличения числа стержней в ряде случаев не позволяет разместить необходимое количество арматуры обычным способом (рис. 1.2.а.), поскольку ширина клееных конструкций, выпускаемых нашей промышленностью, составляет 120-240 мм [31]. Размещение арматуры в два и более ряда по высоте сжатой и растянутой зон сечения усложняет технологию изготовления клееных деревянных конструкций и приводит к недоиспользованию прочностных и жесткостных свойств арматуры, расположенной ближе к нейтральной оси сечения [28, 29]. С целью более полного использования механических свойств арматуры и уменьшения расхода древесины авторами Смирновым Е.А. и Щуко В.Ю. предложено групповое размещение арматуры по два и три стержня в едином пазе (см. рис. 1.2.6.) [74]. Групповое армирование позволяет не только уменьшить высоту, но и ширину сечения деревянных конструкций. Следовательно, групповое армирование может быть более

эффективно, чем обычное. Заводской способ производства обеспечивает высокое качество клееных элементов и при серийном производстве снижает их стоимость.

Как показала практика строительства, применение армированных деревянных конструкций в настоящее время ведется по двум направлениям: с применением обычной и предварительно напряженной арматуры [62, 63]. Первый способ армирования по сравнению со вторым находит более широкое применение, так как требует меньшего количества специального оборудования и характеризуется меньшей трудоемкостью производства работ.

Эффективность первого способа может быть повышена еще и за счет рационального размещения арматуры по ширине сечения и длине пролета [65].

а) б)

Рис. 1.2. Способы армирования:

а) обычное армирование 8 > с1н;

б) групповое армирование 8 = (1н.

Высокая механическая прочность продольной арматуры обеспечивает надежную работу армированных деревянных конструкций при изгибе по нормальным сечениям. Для повышения эксплуатационных качеств опорной зоны возможно применение дополнительного поперечного армирования [9, 73, 80].

Вопросом усиления приопорных зон дополнительным поперечным армированием занимались В.Ю. Щуко и А.Я. Козулин [77, 82].

В практике строительства Московской области были применены гнутоклееные деревянные балки с продольным и поперечным армированием [56]. Поперечное армирование выполнялось из отдельных арматурных стержней, установленных в зоне действия максимальных

напряжений растяжения поперек волокон и в опорной зоне. Экспериментальные исследования таких конструкций показали хорошие результаты, однако было высказано пожелание соединить в единый каркас продольное и поперечное армирование.

В зарубежной практике впервые усиление опорных зон армированных деревянных балок было применено шведской фирмой "АВК ТоИшоп" при изготовлении экспериментальной партии конструкций [104]. В качестве усиления фирмой применялись боковые накладки из фанеры, соединенные с деревянной частью конструкции при помощи клеегвоздевой запрессовки.

Развитие армированных клееных деревянных конструкций привело к значительному расширению областей применения древесины в строительстве. В США, Канаде и Западной Европе из армированных деревянных элементов возводят несущие конструкции спортивных и театральных зданий, кинотеатров, школ, складов, торговых центров, заводских цехов (химической, текстильной, электротехнической и других видов промышленности), конторских зданий, сельскохозяйственных построек, ангаров, библиотек, клубов, ресторанов, гаражей и многих других сооружений. Расширение объема производства армированных деревянных конструкций в настоящее время в европейских странах объясняется экономичностью применения таких кони и

струкции для ряда областей.

Расширился диапазон применения армированных балок, арок и рам любых практически целесообразных габаритов сечений и пролетов. Высокая (относительно массы) прочность древесины позволяет создавать конструкции больших размеров для перекрытий зданий, имеющих свободные пролеты до 100 м и более.

Армированные деревянные балки пролетом 4.98 м установлены в перекрытие станции искусственного климата института АН