автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Прочность и деформативность вклеенных анкеров в соединениях деревянных конструкций



ЦЕНТРАЛЬНЫЙ МУЧНО ^ И^Л^ОВАТЕЛЪСКИЙ ж пр05ктн0-зкспеей?<5ента11ьшй институт

КОМПЛЕКСНЫ!. ПРОБЛЕМ СТРОИТЕЛЬНЫ! КОНСТРУКЦИЙ И СООРУЖЕНИЕ им. В.А.КУЧЕРЕНКО /ЩШСК им.Кучеренко/

На правах рукописи

Лукьянов Евгений Иванович

чЬ

V

прочность и даюшшшюсть бшешж анкеров в соединениям деешебьк. конструщ!

Специальность 05.23.01 - Строительные конструкции,здания

и сооружения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ГЛЗСКЗА - 1992

Работа выполнена в ордена Трудового Красного Знамени Центра, ном научно-исследовательском и проектно-экспериментальном институ комплексных проблем строительных конструкций и сооружений им.В.А.Кучеренко (ЦНИИСК им.Кучеренко).

Научный руководитель - кандидат технических наук, ст.научн.

сотр. 1УРК0ВСКИЙ С.Б. Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

КОВАЛЬЧУК Л.М. - кандидат технических наук ФРОЛОВ АЛО.

Ведущее предприятие - ЦНИИЭП им.Мезенцева

Защита состоится »/Г» ш 1993 г. в 13 ч

на заседании специализированного совета Д.033.04.01 по защите дис сертаций на соискание ученой степени доктора технических наук при ордена Трудового Красного Знамени Центральном нэучно-исследовател ском и проектно-экспериментальном институте комплексных цроблем строительных конструкций и сооружений им.В.А.Кучеренко по специал ности 05.23.01 "Строительные конструкции, здания и сооружения", п адресу: 109428, Москва, 2-я Институтская, 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВДИИСК им.Кучеренко.

Автореферат разослан " )((/_199 г.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат технических наук

С.А.Воробьева

?0. • ••: ' .:. • ощш ХАРАКТЕРИСТИКА. РАБОТЫ

'ос ...••..•¡л;}

Актуальноеть тгмк. ¿ирокез использование в практике современного строительства болызепролетннх конструкций из клееной дре весины требует создания эффективных, узловых соединений, к которь предъявляются требования высокой прочности, низкой деформативнос и технологичности изготовления. К таким соединениям нохно отнеса соединения на вклеенных V -образных анкерах, несущая способное которых может быть ограничена только габаритам узла, а жесткост значительно вине всех известных типов. -

Исследование работы вклеенных Y -образных анкеров и разра ботка узловых соединений на их основе являются перспективным кап равлением в строительной науке как у нас в стране, так и за Рубеком, и выполнены в рамках плана НИР ОДК ЦНИКСХ ш. Кучеренко и Государственной программы "Стройпрогресс - 2СС0".

Целью диссертационной паботы является исследование напрякен но-дей-ормироваш^ого состояния вишенных V -образных анкеров в соединениях деревянных конструкций и разработка на основе получе ных данных предложений по их расчету, конструированию и изготов ленкю.

Для достижения поставленной дели решается ряд задач:.

- разработка инженерно-аналитической методики определения внутренне:. усилии в стергккях. анкера и его дэфсрматизности при различ ных конструктивных параметрах;

- определение условий наступления предельного состояния л несуще: способности V -образного анкера;

- численные исследования напряженного состояния клеевой прсслойкз и древесины в соединении с одиночным стерянем, вклеенным под раз> летными углами;

- экспериментальные исследования характера накопления повреждение

-4в соединениях с вклеекннми под различными углами стержнями методом акустической эмиссии;

- экспериментальные и численные исследования надряженно-дейсрми-рованного состояния V ~ образного анкера с различными конструктивными параметрами под действием кратковременной и длительной нагрузок;

- разработка предложений по расчету, конструированию и изготовлению соединений на вклеенных анкерах.

Научная новизна таботк состоит в :

- обосновании и разработке подхода к расчету V -образного анкера как к системе стерзней с податливыми опорами, определении по-датливостей заделок, формулировке и аналитическом выражениии условий прочности;

- установлении зависимости между углом вклеивания стержня, направлением и характером действующего усилия и напряженным состоянием древесины;

- установлении характера процесса накопления шкроповревдений при различных углах вклеивания; численном и экспериментальном обосновании предположения о причинах разрушения таких соединений^ выявлении возможности контроля качества соединений с вклеенными стержнями методом акустической эмиссии;

- установлении на основе теоретических, численных и экспериментальных данных зависимости напряженно-деформированного состояния древесины и стержней У~°бразного анкера от конструктивных параметров последнего; определении прочности и деформативности соединения на вклеенных анкерах при кратковременном и длительном за-гружениях;_,

- экспериментальном изучении и обосновании возможности использования V -образных анкеров в качестве узловыхсоединений деревянных и метаююдеревянных конструкций;

- разработка инженерно-аналитической методики расчета V-образного анкера с реализацией на ЭВМ IBM. PC AT/XT. и упрощенной инженерной методики..

Практическое значение заключается в:

- доказательстве возможности применения вклеенных V-образных анкеров в соединениях несущих деревянных: конструкций;

- разработке программного обеспечения для расчета V-образных анкеров применительно к ЭЬМ 1ВДРС AT/IT;

- разработке предложений по расчету, конструированию и изготовлению соединений на вклеенных ■ V"'-образных анкера^:;

- доказательстве целесообразности применения акустической эмиссии при испытаниях конструкций и их соединений на вклеенных анкерах, а такяе для неразрушашцего контроля качества их изготовления.

Результаты исследований внедрены:

- ЦНПИСК иь:.Кучеренко и Зологодграздазпроектом при усилении рам крытого стадиона "Торпедо" пролетом 42 м в г. Вологда;

- Гипронисельхозом при разработке альбома чертежей экспериментальных ферм пролетом 12 и 18 м типа ЩЦ / шифр 22 - 312 /;

- ЦШИСК им.Кучеренко при разработке и изготовлении 24-х метро-, вых ферм для спортивного комплекса в п. Лестово Новгородской области;

- Государственны:.! техническим исследовательским институтом VTT /Финляндия, Хельсинки/ при осуществлении Российско - минской программы исследований соединений KiK на вклеенных стерннях.

Апробация результатов. Основные положения диссертации доложены на XXI -ой научно-технической конференции молодых ученых и специалистов ЦЕЖСК им.Кучеренко в ISSOr., XLVII - XLVil научно-технических конференциях Новосибирского ИСП игл. Куйбышева в 1990 - 1991г.г., заседании секцш ЦП ВЕТО "Стройнндустрия" в 1991г., научно-техническом совещании предпринимателей и .сотрудни-

ков VTT В lS22r. /г. Seno, упвляндия/.

Объем -работы. Диссертация состоит из введения, пяти глаз, общих выводов, списка литературы из 124 наименований, приложения. Общий объем работы 260 страниц, в ток числе страниц машино-ппеного текста, Ю таблиц, ^ОВ рисунков.

СОШШШ РАБОТЫ

Бс введении обоснсвл-:а актуальность темы диссертации, сформулированы цель к задачи исследования, отмечены научная новизна и практическая ценность работы.

3 пвпвой главе кратко охарактеризованы применяемые типы соединений деревянных конструкций и отмечено, что наиболее полно отвечают требованиям по прочности, жесткости и технологичности, предъявляемые к узла'.! большепролетных конструкций, соединения ка вклеенных стержнях, научным исследованиям и конструктивным решениям, которым дан обзор.

Отечественный опыт исследования соединений на вклеенных связях /стеранях/ исчисляется с конца 60-х годов. Исследовательски:.!! центрами явились Союздорнии, ЦНИИСК им. Кучеренко, ВЗКСН, НИСИ юл. Куйбышева и другие. Известны работы Поспелова Н.Д., Соротокина В.В. Бондина B.Q., Зылегнсанина Ю.Б., Овчинниковой И.Г. и др., которые в основном посвящены случаю вклеивания стержня вдоль волокон О*/ Установлено, что при оС = 0° соединение при использовании арматурной стали кл. А TT -ДШ и клеевой композиции ЭПЦ-J обладает высокой жесткостью и прочностью /4-5-7 Ша/, но недостаточно надежно и технологично. Позднее, исследователи /Турковский С.Б., Сашшн В.В., Оспанова H.H., Колпаков C.B. и др./ обратились к случаю вклеивания стеряня под утлом к волокнам. Таким образом удалось повысить надежность соединения путем включения в работу большего

количества слоев древесины и вязкого характера разрушения. Податливость при этом несколько повысилась по сравнению с оС=0° , однако и прочность также увеличилась. Было установлено, что в большинстве случаев при различных углах вклеивания разрушение происходит по границе клей- древесина, а прочность соединения опре -делается прочностью древесины по этой границе. Однако, характер и локализация опасных напряжений при различных углах вклеивания исследованы были недостаточно.

Вопроса',® влияния тешературно-вланкостных воздействий на прочность и дсфор^ативйсстг. • cce^rcrdäkis: вклс.зяных стерзаи занимались Фрейдин A.C. ,Ву"Ба Кзем.Вылегжаяин Ю.Б. и др. Исследователями отмечено незначительное влияние кратковременного изменения температуры и влажности в диапазоне атмосферных воздействий.

Теоретические вопросы работы соединений на вклеенных стержнях и вопросы их расчета освещены в работах Еокцина В.«Поспелова К.д. Соротокика В.Ы. .Вклегжанкна ¿u.E. .Сспановой Z.H. .Свчинкпхозой И.Г. и др.

За рубежом исследования,аналогичные отечественны:,!, ведутся з QET / Университет в Карлсруэ /, Дании / Датский технический институт /, ¿инляндип /УТТинститут /. Известны публикации сльбека /Ehlbeck/, !;!елера /1АбЫеГ/, Рнберхольта /aiberholi / п др. Однако, исследования зарубежных ученых касается, з основном, пзуче-

занил такого типа соединений s узла:-: реальных Koscszjsxm&.

зсзанием вклеенных стержней намчсгс богаче. Разработаны конструктдз-нке решения стыковых соединений неразрезккх балок , узлов заземления колонн, жестких карнизных узлов рай, оперных нксньксвкх узлоз ферм и др., многие из которых претворены з жизнь. Наиболее эффективной является система узлов с наклонно вклеенными однонаправленными

стержнями, разработанная Турковсккм С.Б. и его сотрудниками.

3 целях повышения прочности, жесткости и надежности таких узлов предложено применять разнонаправленные стержни, объединенные з точке приложения внешней нагрузит и получившие название " V -образный анкер", исследованию которых посвящена данная

Зтотзач глава иосвядека теоретическим исследованиям калря-жекно-деформированноге состояния V -образного анкера. Для системы, изображенной ка p;:c.i, предельнее состояние. наступает если:

- напряжения в стержня:; анкера достигает предела текучести стали;

- напряжения сдвига в клеевой прослойке достигают критических значений;

- напряжения смятия под углом к волокна;-,- древесины в уровне заделки стершей достигают предельных значений; р

- напряжения среза по границе клей-древесина не превышает значения временного сопротивления древесины;

- перемещение точки приложения внешней нагрузки превышают предельно допустимую величину.

Наступление того или иного вида предельного состояния при данной величине нагрузки зависит от конструктивных параметров анкера, которые включают:

Рис. 1. Схема V -образного анкера.

- диаметры стержней и с!^ ;

- глубину вклеивания и 31 и С 52 ;

- утлы вклеивания оС1 и с£г ;

- эксцентриситет приложения внешней нагрузки 0 ;

- угол приложения внешней нагрузки Р> ;

- расстояние медду. точкой пересечения осей стерзней и уровнем заделки И

йнлензрно-ан&титичзская методика определения налряаенно-де-формированного состояния стернней анкера основана на методе сил. Основная система квто^а пре^ста^Аено. Не

1С*. . ■

Учитывая, что стержни заделаны в упруго-податливую среду, каковой является древесина, в уравнения равенства деформаций, впоследствии приводящихся к канонического виду, вводятся значения податливости стернней в уровне заделки. В общем случае, для каждого из стерплен отличает пять видов податливостей:

- осевач ст действия продольной силы - Д ¡1 ;

- поперечная ст действия псперечнси силы - Д,

- поперечна? от действия изгибавшего :ло;,:ента - Дм ;

- угловач ст действия поперечной силы - Ад(з ;

- угловая от действия пзгибащего :.:с:лента - Дд^

Под осевой податливостью подразумевается высота дедланацдз поверхности деревянного элемента в уровне заделки стергхня от действия

-ig-

единичного предельного усилия в стержне. Аналитическое выражение .для ■ находится из предположения, что депланация позерхностг

вызывается касательными напряжениями по границе клей-древесина, кс торке в радиальном от оси стержня направлении распространяются по экспоненциальной зависимости вида:

T=Toe"QV

То ~ напряжения в уровне задел:-:::, определяете по ¿ермуле предложенной Зылегг-анинкм Ij.B. ;

& = (Е-<£./Е0-*- 6о } /d о-тб ~ коэффициент, учитывающий анизотропию упругих свойств древесины.

Для определения поперечных и угловых податливостей вклеенный стержень рассматривается как балка на упругом основании, имеющем коэффициент постели Ср , определенный эмпирически з работах Дмнтрпеза П.А., Шевченко А.Е., Кононова S.A.

Используя дифференциальные уравнения оси изогнутого бруса и . зависимость ©усса-Винклера, находятся уравнения оси вклеенного стерння при действии каждого из силового факторов и соответствующие им податливости.

Длительное действие нагрузки учитывается введением в выражения для податливостей длительных величин упругих характеристик

Ср.) . Характеристики ползучести древесины, используемы« для определения длительных модулей деформации, приняты согласно данных Орловича P.E.. Внутренние усилия в стерлшях анкера находятся путем решения системы канонических уравнений метода сил, в коэффициенты при неизвестных и в грузовые коэффициенты которой введены соответствующие значения податливостей. По известным усилиям путем составления геометрического уравнения находится перемещение точки приложения нагрузки /точки пересечения осей стержней/.

Учет податливости заделок значительно усложнил расчет, поэтом; вся процедура определения внутренних усилий-и перемещений выполняется специально составленной на языке Turbo - &QSik. программе ANCHOR для IBM PC AT Aï. Данная программа проводит также проверку по условиям прочности:

- по стали стержней без учета и с учетом текучести;

- по сдвигу с растяжением /сжатием/ в клеевой прослойке;

- по смятию древесины под углом к волокнам в уровне заделки стержней без учета и с учетом образования зоны пластической работы;

- по срезу древесины по границе клей-древесина.

Зо второй глазе рассматривается также вопрос о влиянии сжатой связи на сдвиговую прочность деревянного элемента, в который заданная связь вклеена. Зта проблема обусловлена тем', что сжатый стержень V -образного анкера зачастую оказывается в зоне действия сосредоточенных сил /опорная зона и др./.

Растянутый стержень, ка-: ранее установил Погорельцез A.A., благотворно влияет на сдзигозуо прочность. Путем составления уравнения энергетического баланса определен эффективный угол вклеивания разный 35.26° и 144.74° при котором достигается максимальное сжатие величины касательных напряжений з зоне армирования вне зависимости ст знака усилия в связи. Однако, сжатый стержень вызывает в древесине поперечные гастягизсдцже напряжения, которые тем больже, чем менъпэ угол между осью стержня и направление:: волокон.

Третья глава пссачнэна численны:.! исследования:.:, проведенными при помощи разработанной з Брестском ZZi на основе для 20 311 программы PRIVET . 3 отличие от изложенной в предыдущей главе инженерно-аналитической :,:етодики, данная программма позволяет оценить напряженно-деформированное состояние не только стержней, но и древесины, и клеевой прослойки.

Для получения достоверного результата при численном моделиро-

ванш соблюдаюсь следующие условия адекватной численной модели реальной:

- соответствие геометрических характеристик поперечного сечения реального и моделируемого стершей, а также периметра склеивания;

- использование приведенного модуля сдвига при сС>0° ;

- использование дизико-механичесЕпх характеристик материалов близких к реальным.

Проводилось моделирование образцов с одиночными стержнями и .

вклеенный стержень

клеевая

древесина

-I

ТГГ7

7

Ж

/7

\тк

У

с вклеенными анкерами. 3 образцах с одиночными стержнями изучалось влияние угла вклеивания и направления действия внешнего усилия на напряженное прослойка состояние древесины и клеевой прослойки. При этом конструктивные параметры, численных моделей были аналогичны соответсвующим параметрам образцов параллельно проводящегося физического эксперимента с углами вклеивания сС - 0°, 30°, 45°, 60°, 90° .Конечно-элементная схема представлена на рис. 3.

В результате численных исследований установлено, что: - напряженное состояние пограничных, с клеевой прослойкой слоев древесины при оС =0 ° и 90* характеризуется высокими касательными напряжениями по всей длине стержня с максимумом в начале дадел-ки - при о£, =0_' и в конце заделки - при оС =90 ° . Неравномерность распределения напряжений и абсолютная величина экстремума в первом

Рвс.З. Конечно-элементная схема.

случав вше; •

- напряженное состояние древесины при сС =0° ж SO в случае приложения выдергивающего усилия отлияает наличие растягивающих поперек волокон напряжений, что должно снизить прочность соединения по сравнению с, вдавливанием;

- при наклонном вклеивании определяющее значение имеют поперечные растягивающие; напряжения, локализующиеся при выдергивании в верхней зоне заделки со стороны восходящих волокон и в нижней зоне -со--'Стороны™шсжедш!Щ^^вс?яшеЕШ)-.-^-оеИ"С®в-1шм вСлокс».* при вдавливании. >

Абсолютные значения отрывающих напряжений и размеры щасной зоны увеличиваются до мере увеличения у?ла .:вклеив.ания;';

- с уменьшением угла вклеивания увеличиваются напряжения сдвига в верхней зоне клеевой прослойки со стороны нисходящих волокот,-приобретая опасные для прочности значения при оС <. 30° -

Численные исследования сдвигаемого деревянного элемента с вклеенными под различными углами связями подтвердили наличие растягивающих, поперек волокон напряжений С) у при угде вклеивания > 90°/связь сжата/ и тем больших, чем больше угол вклеивания оС . Вместе с тем, снижение касательных напряжений по плоскости сдвига при любом угле вклеивания вне зависимости от знака усилия в связи. Из исследованных углоз йаилучзпе'е воспринятие сдви-

f О

гащего усилия связью наблюдается при cL =150 - до 35^.

Численные исследования V -образного' анкера заключались в изучении влияния конструктивных параметров на его напряженно-деформированное состояние. Результаты исследования НДС стержней анкера сравнивались с результата™ полученными по программе ANCHOR. • Расхождения в данных составили Ее более 10%. Выяснилось, что вне зависимости от конструктивных параметров анкера наиболее опасной является зона, включающая пограничные с клеевой прослойкой слои

древесины, прилегающие к растянутому стержню со стороны восходя-" щих волокон. В этой зоне локализуются отрывающие напряжения /рис.4/.

Взаимное влияние стержней

сдвиг с от-на общий характер напряжен- рывом клее

ного состояния дреьесшн зой прослой; вблизи стержней незначительно, а влияние поперечной силы и момента з стержнях, .на напряженное состояние -.древесины ограничивается по

смятие под углом к во--.

\локнам ^и макс. Qv \ Мсм у

Р

растяжение поперек волокон

глубине зоной /5-1-8/d . Рис.4. Локализация опасных зон.

■ - ' Из конструктивных параметров наибольшее влияние на НДС стер-

•-жней оказывают эксцентриситет и угол приложения внешней силы, а

• также.углы вклеивания стержней.

Исходя из полученных результатов, не рекомендуется:

..'-.допускать положительный эксцентриситет, а отрицательный - не

• более 2 d. ;

' - внутренний утол между стержнями < 75° ; - глубина вклеивания < 10d ;

■ - угол приложения внешней силы отличный от 0° и 80° .

Четвертая глава посвящена методике и результатам экспериментальных исследований образцов с вклеенными стержнями и анкерами.

Совместно с сотрудником ЦНЖИСК Гариным O.S. были проведены исследования процесса накопления микроповрезденнй в соединении с вклеенными под различными углами одиночными стержнями, для чего была изготовлена и испытана в гидравлическом прессе на продавли-вание стержня серия из 24-х образцов размером 130x150x250 с углами вклеивания стержня 0 14А]П оС =0° , 30° , 45° , 60° , 90" . Процесс накопления микроповреждений во время непрерывного натру-

-из-

дания регистрировался при помощи акустико-эмиссионного прибора АФ-15, по данным которого были построены графики /рис.5/. '

Рис. 5. Кривые акустической эмиссии. На рис. 5 изображены характерные кривые для образцов с с£ =0* и об =20° . Кз анализа кривых для всех углов вклеивания следует, что процесс накопления повреждений в данном типе соединения при монотонно возрастающей нагрузке характеризуется тремя этапами:

- отсутствием микроповреждений /отрезок С - 1 на рис. 5/;

- появлением и устойчивы?,! ростом микроповреждений в зонах, где превышен предел длительной прочности древесины или клея /_ -2 /;

- гктизицацией роста ьзщропозреадезий, соответствующей превышение предела зременного сопротивления. Последний этап начинается разрушением соединения на микроуровне и завершается его ™:зпчэсклм разрушением /2-3/.

Изменение характера накопления повреждений в зависимости от утла вклеивания заключается з изменении относительной протяженности- этапов и крутизне кривой суммарного счета АЭ на последнем этапе, которая характеризуется параметром разрушения f , определенным

кгак приращение условных средних касательных напряжений на последнем этапе к разрушающим касательным напряжениям.

Условные средние касательные напряжения определялись как отношение нагрузки на прессе к площади склеивания по границе клей -древесина. При < 20% разрушение носит хрупкий характер, при

> 2С£ - вязкий. Зклеизание вдоль волокон дает хрупкое разрушение , при малых угла:-; вклеивания / Л ^ ЗС ° / разрушение нме-ет двойственный xapai;Tep / So * 39.6% /, выше ЗС° -вязки!

Процесс накопления :д:кропозреждеш:й регистрировался при наг-ружении специально изготовленных идентичных образцов с искусственно созданными дефектами вклеивания разной величины. Выяснилось, что у образцов, тлевших дефекты, отмечалось раннее появление эмиссии и ее устойчивый рост, причем этот процесс напрямую зависел от размеров дефекта. Сделан вывод, что метод акустической эмпсси позволяет по наличию и интенсивности образования микрсповреждений производить раннее прогнозирование несущей способности и диагностировать качество выполнения соединения без его разрушения.

Для экспериментальной проверки влияния угла вклеивания связи на сдвиговую прочность деревянного элемента были изготовлены и испытаны на сдвиг со сжатием 25 малых /утлы вклеивания сС =30°, 45 60°,т20°, 120°, 135°, 150° и контрольные - без связи/ и 10 натурных /сС =20°, 12С°, 150° / образцов, общий вид которых приведен на рис. 6.

В результате испытаний установлено, что прочность деревянного элемента, подвержаного сдвиговому воздействию -с наклонно - вклеенной связью выше, чем элемента без связи или со связью, вклеенной поперек волокон. При этом прочность выше при таком положении связи, когда сдвиговое усилие вызывает в последней растяжение /0< оС< * < 90/, и максимальна при сС =30°. Характер разрушения при этом хрупкий и определяющими его являются касательные-напряжения в дре-

Зёсияе.

При 0°< сС <9061шеет место И стадия работы /как составного элемента/ с сохранением несущей способности до 0.3 расчетной для цельного сечения.

012 а!

Рис. 6. Схемы образцов и испытаний на сдвиг со сжатием: а/ малого образца, б/ натурного образца.

■V

В случае сжатой связи /20°< об < 180? характер разрушения ■меняется в сторону вязкого и при угле вклеивания оС =150"имеет ярко выраженные черты такового. Определяющими являются поперечные растягивающие напряжения. Повышение сдвиговой прочности по сравнению с контрольным незначительно /до 1С$/. Вторая стадия работы отсутствует вследствие быстрого раскрытия шва и изгиба стержня.

"С целью экспериментального изучения работы V -образного анкера под нагрузкой, характера его депортирования и разрушения, а также отработки конструктивных решений были проведены кратковременные испытания образцов с вклеенными V-образными анкерами /рис.?/ Образцы А и Б испытывалксь в разрывной машине непрерывно возрастающей нагрузкой, а Г и Д - в прессе с разгрузкой на каждой

ступени.

и,,

02ОА1 1,=

/V

<

V

\

\ А

500

а/ Р

б/

и- 200

в/

г/

Рис. 7. Схемы образцов к приложения нагрузки:

а/ образец А, б/ образец Б, в/ образец Г, г/ образец Д.

Образец А разрушался при нагрузке Р=274кН, а образец Б - при нагрузке Р=240 кН. Разрушение произошло по древесине вследствие отрыва и среза восходящих по отношению к оси стержня и пограничны: с клеевой прослойкой волокон в версией зоне растянутого стержня, тлело зязкий характер и сопровождалось раскалыванием древесины перед сжатием и позади растянутого стержня, деформации смещения точки пересечения осей стержней составили /0.22 *■ 0.35/ мм. Испытания образцов Г и Д обнаружили, что V - образный анкер имеет двойственную природу деформирования, которая заключается в линейной зависимости между нагрузкой и деформацией, свойственной соеди нениям 1-ой группы и явно выраженной нелинейностью соотношения упругих и остаточных деформаций -при нагрузках, превышающих предел

прочной работы, что характерно для соединений Н -й группы.-Дбля остаточных деформаций при расчетной нагрузке составляет до 40$ 'от полных.

Длительные испытания V -образных анкеров проводились на . образцах Ад, Бд, Вд аналогичных образца?,I А и Б /рис. 7/. Образец

В отличается от образца Б- тем, что стержни его анкеров вклеива-

д д .

лись в подогретом до 60 С состоянии.

Нагружение образцов производилось при помощи рычажннх установок до расчетной нагрузки, которая для образца Ад составила 132 кК / по 61 кН на каждый анкер /, для образцов Бд и Вд - 35 кН /47.5кН/ Период стабилизации деформаций смещения анкеров из-за наличия двухсторонней текучести в стержнях оказался длительным: около полугода - у .Ад и около 80 суток - у Бд и Зд. При этом характеристика ползучести анкера связанная с ползучестью только древесины не превысила С. 35.

.Напряженное состояние боковой поверхности деревянного элемента характеризуется локализацией в зоне обрыва растянутых стержней напряжений, превышающих Я.р>до ,для воспринятая которых' необходимо специальное армирование на всю высоту сечения деревянного элемента.

Напряжения во вклеенных стержнях имеют тенденцию к перераспределению во времени со смещением участка с максимальным изгибаю- ■ щим моментом в глубь заделки /до 2 с! от поверхности/. Зона заметного влияния изгибающего момента распространяется вглубь -заделки на расстояние /7 8/(1

У-образный анкер сохраняет несущую способность и при достижении напряжений текучести в крайних волокнах стержней, но де-формативяостъ его значительно возрастает, так же, как и время стабилизации деформаций. Колебания температуры в положительном интервале и влажность воздуха существенного влияния на деформатив-

-20' г-.

ность анкера не оказывают.

Коэффициент длительной прочности Кцд при использовании стержней С1 ^ 20мм возможно принимать равным 0.48.

В пятой главе приводятся данные о методике и результатах испытаний натурных конструкций с использованием в узловых соеданени-ях V -образных анкеров. Последние были применены для закрепления расположенных в приопорной части внешней арматуры шестиметровой деревянной балки /рис. 8/. При этом кроме увеличения несущей способности по нормальным нахфякения&Г ^й^Уовата^тч^ * ~

возможность восстановления при помощи стержней анкера несущей спо"-собности балки по касательным напряжениям в приопорной части, так как деревянный пакет имел значительные расслоения.

Конструкция упора состояла из двух последовательно установленных V -образных анкеров в двух параллельных плоскостях и вваренной между ними пластины, на которую производилось натяжение внешней арматуры.

|\\ XX 1 \\ XX \>м

Н-У^и- е................. ................. 5700

ГЧ V 020АН // //

ц Ч // * ,

|| Ч 7^ 4 /' -у

1 V

СЦЩ==:ЧУ у/ I

. Рис. 8. Внешне армированная балка с упорами на вклеенных анкерах.

Кратковременные испытания установили, что жесткость армированной 'балки увеличилась по сравнению с неаршрованной до 1.5 раз,

4Ш- -тпг * -; ■ О О

-тг

примерно во столько же раз снизились максимальные напряжения в Л древесине растянутой зоны. Преднапряжение арматуры увеличивает данный эффект до 2-х раз.

Разрушение балки наступило от разрыва растянутых волокон в зоне зубчатого шипа при общей нагрузке 184 кН и имело вязкий характер с остаточной несущей способностью 154 кН. Расчетная несущая способность армированной балки составила 31 кН /неармированной -53 кН/. Сдвиговую прочность приопорных зон удалось восстановить полностью.

Распределение сдвигающего анкеры усилия /усилия в арматуре/ между последними , несмотря на высокую жесткость соединительной пластины, оказалось неравномерным. Более загруженным оказался анкер 2, блине расположенный к точке уцрирания арматуры; коэффициент неравномерности достигал 1.8. Напряженное состояние стержней характеризовалось наличием напряжений изгиба в уровне заделки /рис. 9/, распространяющимися на глубину не менее 5С1 .

" Рис.9. Эпюры нормальных напряжений по длине вклеенных стержней-.,/Ша/. Деформации смещения анкеров относительно древесины составили 0.1 * 0.25,мм при расчетной нагрузке. Максимальное сдвигающее .анкеры усилие / усилие в затяжке/ по данным тецзометрирования сос-

тавило 180 кН. Визуальных признаков разрушения анкеров обнаружено не было.

Для достижения разрушения приопорные фрагменты балки длиной 1.5 м были испытаны в установке, состоящей из пресса и домкрата. Торцы фрагментов зажимались в прессе, а к соединительной пластине анкеров домкратом прикладывалось сдвигающее усилие. Разрушение анкерных узлов наступило при нагрузке 440 кН и 400 кН'вследствие достижения предела текучести вклеенными стержнями анкеров. Текучесть стали наступила раньше выдергивания стержней по причине низкого класса стали /А И. / и глубокой заделки стержней /27.5 d. /.

При данной схеме испытания деревянный элемент был сжат и де-?'. формативность V-образных анкеров оказалась на 50$ ниже, чем в случае, когда анкеры находились в растянутой зоне.

В целом испытания подтвердили возможность применения V-образных анкеров в качестве жестких упоров высокой несущей способности для крепления внешней арматуры и других элементов в ыетало-деревянных конструкциях.

В развитие этой теш была изготовлена и испытана 18-ти метровая безраскосная треугольная ферма ФГДД 18-900, особенностью которой являлось:

- наличие жесткого сборного конька на вклеенных стержнях, сделавшего систему дзухпарнирной;

- знеопоркое крепление затяжки на V -образных анкерах, позволившее развить экцентриситет приложения распора до 420 мм /0.84 И /см. рис. 1С.

Последняя особенность позволила снизить расход древесины по сравнению с типовым аналогом J/ДА 18-9С0 на 20/L

Конструкция узла крепления затяжки /рис. 1С6/ представляет собой спаренные V-образные анкеры, у которых сжатые и растянутые стержни приварены на отдельных пластинах, вклеены в одной

плоскости и соединены между собой шарнирно.

б/ узел крепления затяжки.

Испытания фермы до расчетных симметричной и несимметричной нагрузок показали, что максимальные напряжения древесины не превысили расчетного сопротивления, а прогибы верхнего пояса не достигли предельно, допустимых.

Тензометрирование стержней анкера указало на неодновременное по причине шарнирного соединения включение сжатых и растянутых стержней в работу, вследствие чего растянутые стержни оказались на начальном этапе перегруженными, а деформации смещения точки крепле-

1ния затяжки превысили ожидаемые, что снизило усилие в затяжке почти на 19$.

• Тем не менее, замеры акустической эмиссии, проведенные сотрудником 1ЩИИСК Гуринвд О.В. зарегистрировали практически полное отсутствие микроповреждений в зоне узла крепления затяяки при расчетной нагрузке, что указывает на хорошую работоспособность вклеенных анкеров.

Разрушение фермы наступило при нагрузке 1.29 расчетной вследствие потери устойчивости сжатыми стержнями У-образного анкера, причинеп чему явилась конструктивная ошибка, выразившаяся-в односторонней приварке соединительной пластины и, как результат, вне-дентренной передаче сжимающего усилия.

С целью проверки конструктивных решений, заложенных в проекте 24-х метровой фермы покрытия спортивного комплекса в п.Пестово Новгородской области был изготовлен и испытан фрагмент фермы -опорный узел /рис. 11/, который является ее главной особенностью. Новизна конструктивного решения заключается з передаче опорной реакции и распора на опорный башмак, вваренный между двумя параллельно вклеенными анкерами. Распор передается на анкеры эксцентриситетом по отношению к оси верхнего пояса е=523 мм. Таким образом удалось снизить высоту сечения верхнего пояса с 726 мм до 66G ш, то есть на Sf?.

Экспериментальный образец имел меньшую по сравнению с реальной конструкцией высоту верхнего пояса - SCO :.r,i и исиктызатся в экспериментальной установке /рис. Из/, нагружаюсь спорной реакцией Q . При нагрузке 265 кН, что составляет 1.5 расчетной в экспериментальной установке появились пластические зоны и проведение дальнейших испытаний стало невозможным. Однако, судя по очертанию кривой разности полных деформаций смещения анкерной пластины несущая способность узла оказалась выше расчетной. Деформация

скещекия башмака относительно древесины составила 0.6 мм, что близко к расчетному значению 0.52 км. Неравномерность распределения внешней нагрузки мзгду параллельно установленными анкера*,х оказалась кике, чем при последовательной расстановке. Коэффициент неравномерности еэ превысил 1.2.

. в/ схема испытания.

Но результатам испытаний данное конструктивное решение было рекомендовано в производство и реализовано в фермах покрытия спортивного зада и бассейна.

основные вывода.

1. Экспериментально подтверждено, что вклеенные анкеры при соответствующем конструктивном решении обладают высокой прочностью

и жесткостью и могут быть использованы в качестве основных соединительных. деталей в узлах сильнонагруженных конструкций.

2. На основе метода сил с учетом всех видов податливостей заделок стержней разработана инженерно-аналитическая методика определения напряженно-деформированного состояния стержней вклеенного V-образного анкера, сформулированы условия прочности. Разработана программа расчета анкеров на ЭВМ РС АТДТ.

3. Численны?,ш методами установлено, что напряженное состояние вклеенного стержня и древесины зависит главным образом от угла вклеивания стержня и направления приложения осевого усилия1'» При этом причиной разрушения соединения по границе клей-древесина может являться достижение предела сопротивления древесины как касательными, так и поперечными растягивающими напряжениями, причем вторые являются определяющими для прочности соединения при 0<

<с£< 90.

4. На соснове численных исследований определено, что из конструктивных параметров наибольшее влияние на НДС стержней анкера оказывают эксцентриситет и угол приложения внешней силн, а также углы вклеивания стержней.

5. При помощи метода акустической эмиссии установлено, что процесс накопления повреждений в соединении с вклеенным стержнем л::е2Т три о тала: отсутствие г.сжроповрзжцекнй, иоязлоние и устойчивый рост количества и размеров ьикроповрезденнй, активизация роста. Абсолютная и относительная продолжительность этапов зави-снтот угла вклеивания /при прочих разных параметрах/. Начало второго этапа соответствует достижению в наиболее напряженных зонах соединения предела длительной прочности древесины, а третьего -

- предела временной прочности, Третий этап является этапом разрушения соединения.

6. Теоретически, численно и экспериментально доказало, что _:

сжатая от действия сдвигового усилия связь /стержень/ зызывает в древесине поперечные растягивающие напряжения, которые тем больше, чем меньше угол мезду связью и направлением волокон. Однако, благодаря снижению касательных напряжений, прочность деревянного элемента без трещин со сжатой связью на сдвиг не уменьшается по сравнении с элементом без связи, но зтсрая стадия работы /как составного элемента/ при зтом отсутствует.

7. Разрушение V-образного анкера по древесине происходит вследствие поперечного отрыва восходящих по отношению к осп растянутого стержня волокон дрезеспны з пограничных с клеевой прослойкой слоях и носит вязкий характер.

8. Установлено, что V -образный анкер имеет двойственную природу деформирования с характерны.® признакам соединений как

Т -ой, так и И-ой груш и высоким процентом эластически:-!: деформаций /до 2Ь% от полных/. Кратковременная податливость ззависимос-

ти от конструктивных особенностей находится в пределах /2 т- 7/х

„1П-3 мм

• кН.

9. Коэффициент длительной прочности Кдд при использовании стержней диаметром ^ 20 мм можно принимать равным 0.48.

Стабилизация деформаций при длительном нагруг.енип происходит в. течение 2 -г 3 -х месяцев, а при проявившейся текучести в крайних волокнах стержней - до полугода. В этот период идет перераспределение напряжений по длине стержня.

При недопущении текучести полные длительные деформации смещения составляют 1.35 начальных.

10. Вид напряженного состояния древесины и величина напряжений в ней оказывают малое влияние на характер напряженного состояния стержней вклеенного анкера. Однако они'способны влиять на распределение усилий между стержнями и анкерами при их последовательной расстановке и на деформативность соединения в целом. 1ест^"

кость соединения на вклеенных в сжатую зону анкерах выше, чем на

вклеенных в растянутую /до 5С%/. ;■■.....

■ »

11. Установлено, что прочность и деформативность V -образ-ногоанкера и соединений на его основе в значительной мере зависит ст конструктивного решения наружной его части.

При групповом расположении анкеров на распределение усилия между последними влияет схема их расстановки. При последовательной расстановке анкеров неравномерность их загружения значительно вше, чем при параллельной.

5 :гспложе;птп к диссертации дакн предложения по расчету, кон-", струирозанию и изготовлению вклеенных V -образных анкеров. Fac-чет предлагается производить по упрощенной инженерной методике, формулы которой получены путем аппроксимации зависимостей, полученных по программам PRIVET и AM CHOR и сопоставлением их с данными физического эксперимента. Предложения по конструированию и изготовлению анкеров основаны на практическом опыте.

В приложении также приводится текст програагы AM CHOR. , реализующей инженерно-аналитическую методику применительно к IBM

ре AT/;:?.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работав:

1. Турксзок:;;: G.E., Лукьянов П.... Знежкее ар::нрсза:с:е изгибаемых элементов из клееной древесины //Тр. пн-та /ЦНИПСН им.Кучеренко. - 1991.- Теоретические и экспериментальные исследования строительных конструкций. - 0. ИЗ -

2. Турковский С.Б., Лукьянов 2.П. Исследование нового способа анкеровки внешней арматуры в деревянных конструкциях //Тр. ин-та /ДНИИСК им.Кучеренко. - 1SS1. - Совершенствование технологии изготовления деревянных конструкций. - С. 4 - 15.

3. Лукьянов Е.й. Турковский С-.Б. Применение вклеенных анке-

роз з соединениях металлодеревянкых конструкций: Тезисы докладов научно-практической конференции НИСН и,'.Куйбышева. - Новосибирск, 1991. - С. 38 - 39.

4. A.C. £1761897. Предварительно-напряженная иетазлодеревян-ная балка /Лукьянов Е.й., Турковский С.Б., Погорельцев A.A., Кур-

5. Заявка на A.C. Й49225/33. Долаккзедьное региен;:е от 2t.C8.9ir. Деревянная шпренгельная оалка /Турковскпп С.Б., Лукьянов , Погорельцев л.А./.

£. Гурин 0.3., Лукьянов В.К. Сценка качества вклеивания стержней методом акустической эмиссии //дефектоскопия. - 1992. -й 7. - С. 31 - 34.

7. TurkoVtky S.&., U/kyorov f-F, PogcreLtzeuA.A. ttsa cf

¿a/fjor rei'nforce.m-arrt of Ьоосс/ structures.: ßzport for ■ International fjmier £/ig/hee.nhcj conference.. -2-5 ze^piesnier t99t.~London. — -VaL. 3., p. 3212 - 32/7.