автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Соединения деревянных конструкций на вклеенных кольцевых шпонках

Введение

1. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ КОНСТРУКТИВНЫХ РЕШЕНИЙ И ИССЛЕДОВАНИЙ СОЕДИНЕНИЙ ЭЛЕМЕНТОВ ДЕРЕВЯННЫХ КОНСТРУКЦИЙ НА КОЛЬЦЕВЫХ ШПОНКАХ И ШАЙБАХ

1.1. Классификация и общая характеристика соединений

1.2. Шпоночные соединения в зарубежном строительстве

1.2.1. Кольцевые разрезные шпонки фирмы «Тухшерер», Бреславль

1.2.2. Кольцевые шпонки с лопастями фирмы «Дегалль»

1.2.3. Тавровые кольцевые шпонки «Кристол и Унмак»

1.2.4. Пружинящие дисковые шпонки инженера Шульца

1.2.5. Когтевые шайбы фирмы "Метцке и Грейм"

1.3. Кольцевые шпонки ^используемые в отечественном строительстве

1.3.1. Гладкие кольцевые разрезные шпонки

1.3.2. Зубчатые и когтевые шпонки

1.4. Примеры использования гладко-кольцевых шпонок в узлах деревянных конструкций

1.5. Цели и задачи диссертационной работы

2. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СОЕДИНЕНИЙ НА ГЛАДКО-КОЛЬЦЕВЫХ ШПОНКАХ

2.1. Предложения по совершенствованию соединений на гладких кольцевых шпонках

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОТЫ СОЕДИНЕНИЙ- НА ВКЛЕЕННЫХ КОЛЬЦЕВЫХ ШПОНКАХ ПРИ ДЕЙСТВИИ КРАТКОВРЕМЕННЫХ НАГРУЗОК

3.1. Методика экспериментальных исследований

3.1.1. Выбор формы и размеров образцов

3.1.2. Выбор клеевой композиции

3.1.3. Маркировка и разработка технологии изготовления образцов с клеекольцевыми шпонками

3.1.4. Подготовка и контроль образцов перед испытанием

3.2. Испытание образцов соединений на ККШ

3.3. Результаты испытаний образцов соединений на ККШ

4. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ СОЕДИНЕНИЙ НАККШ

4.1. Постановка задачи

4.2. Расчетная схема и исходные данные

4.3. Результаты расчетов и их анализ

4.4. Выводы

5. ОЦЕНКА РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ СОЕДИНЕНИЙ НА ККШ И НАЗНАЧЕНИЕ ПРЕДЕЛЬНОЙ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ КЛЕЕКОЛЬЦЕ-ВОЙ ШПОНКИ

5.1. Оценка результатов испытаний соединений на ККШ при действии кратковременных нагрузок

5.2. Учет влияния длительного действия нагрузок при назначении предельной несущей способности ККШ

5.3. Назначения несущей способности клеекольцевой шпонки, вывод расчетной формулы

5.4. Оценка результатов испытаний и назначение несущей способности соединений на ККШ при передаче ими усилий под углом к волокнам древесины

5.5. Назначение предельной несущей способности ККШ при передаче усилий под углом к волокнам древесины

6. КОНСТРУКТИВНЫЕ ПРЕДЛОЖЕНИЯ ПО ПРИМЕНЕНИЮ СОЕДИНЕНИЙ НА ККШ В ДЕРЕВЯННЫХ КОНСТРУКЦИЯХ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НЕКОТОРЫХ УЗЛОВ И КОНСТРУКЦИЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ ККШ

6.1. Области рационального и возможного применения соединений на ККШ в деревянных несущих конструкциях

6.2. Экспериментальные исследования стыковых соединений изгибаемых элементов на ККШ

6.2.1. Выбор образцов и методика эксперимента

6.2.2. Результаты испытаний

6.2.3. Выводы

6.3. Экспериментальные исследования жесткого карнизного узла мансардной рамы на ККШ

6.3.2. Конструкция жесткого узла мансардной рамы и результаты испытаний

6.3.2.1. Испытание образца М-2.5ККШ-60-1Б

6.3.2.2. Испытание образца М-2.5ККШ-60-2Б

6.3.3. Анализ результатов испытаний и их оценка

6.3.4. Выводы 149 6.4. Испытание модели треугольной цельнодеревянной фермы с узловыми и стыковыми соединениями на ККШ

6.4.1. Методика эксперимента

6.4.1.1. Определение расчетной нагрузки на ферму

6.4.1.2. Изготовление модели фермы

6.4.1.3. Схема нагружения и расстановки приборов

6.4.2. Результаты испытаний модели фермы

6.4.3. Выводы 169 7. ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

Большое разнообразие соединений в деревянных конструкциях и продолжающийся сегодня поиск более современных видов, говорит о важности их для прогрессивного развития деревянных конструкций.

В 30-е гг. в практике отечественного и зарубежного строительства деревянных конструкций довольно широко применялись кольцевые металлические шпонки. Обладая сравнительно большой несущей способностью в сравнении с другими видами шпоночных соединений, кольцевые шпонки применялись преимущественно в стержневых конструкциях с сильно нагруженными элементами. BL-месте с тем, они не были лишены таких недостатков как повышенная деформативносгь, сложность выполнения, особенно в многсьрядных соединениях, зависимость надежности их работы от точности изготовления, опасность повреждения коррозией тонкой стальной шпонки и др. Поэтому уже в 50-х гг. действующими нормами на проектировании деревянных конструкций соединения на кольцевых шпонках не рекомендовались для широкого применения, а в 70-х гг. в связи с появлением новых прогрессивных клеевых соединений в деревянных конструкциях их вообще не стали применять.

Появившиеся затем клеевые соединения избавлены от недостатков шпоночных, но их изготовление потребовало специальных технологических линий и дорогих клеев, вследствие чего клееная древесина оказалась в несколько раз дороже не клеенной (цельной).

В настоящее время в связи с большими финансовыми затруднениями в строительстве и кризисе строительной индустрии применение клеенных деревянных конструкций в строительстве является проблематичным вопросом и по экономическим^ по техническим соображениям.

Целью настоящей работы является разработка и исследование нового вида высокопрочного соединения, основанного на достоинствах тонкой кольцевой шпонки и полимерных клеевых композиционных материалов, выявление аналитической зависимости основных расчетных характеристик соединений от различных факторов и получения научно-обоснованного метода расчета. Суть его заключается в том, что кольцевая бороздка под кольцевую шпонку может быть увеличенных размеров по ширине, что позволяет свободную укладку в нее кольцевой шпонки, а образовавшееся «липшее» пространство в бороздке между древесиной и шпонкой заполняется клеевой композицией, которая после отверждения позволяет шпонке сразу включиться в работу, минуя процесс первоначального обмятия и обжатия, устраняя неплотности и неточности изготовления, уменьшая деформативность и увеличивая несущую способность соединения. Поскольку подобное соединение является новым и неизученным, целесообразность и возможность практического его применения потребовали проведения экспериментальных и теоретических исследований узлов и конструкций, выполненных с их применением.

Научная новизна работы заключается в разработке нового соединения элементов деревянных конструкций, отличающегося относительной простотой изготовления, повышенной несущей способностью, жесткостью и надежностью в работе. На основе проведенных экспериментальных и теоретических исследований, и использовани я существующих теоретических методов оценки результатов испытаний соединений деревянных конструкций, получены аналитические зависимости и абсолютные величины расчетной несущей способности предлагаемого нового вида соединения с учетом требуемой надежности и временного фактора действия внешних нагрузок. Разработаны последовательность и способы выполнения технологических операций при изготовлении предлагаемого клеешпоночного соединения и конструкций с их применением.

Разработаны конструктивные решения жестких узлов несущих деревянных рам и конструкций сквозных ферм с применением клеекольцевых шпонок, проведены экспериментальные исследования их работы с оценкой этих результатов и предложены рекомендации практического их использования.

Практическое значение работы заключается в получении расчетных характеристик величин предельных нагрузок на клеекольцевые шпонки, необходимых для проектирования и расчета клеешпоночных соединений, что способствует расширению областей применения деревянных конструкций в практике строительства. Приводит уся расширенная номограмма возможного и рационального применения предлагаемого соединения на клеекольцевых шпонках (KKLLI) в строительной практике изготовления несущих деревянных конструкций.

Предложены и экспериментально проверены некоторые конструктивные варианты использования предлагаемого клеешпоночного соединения в несущих деревянных конструкциях балок, рам и ферм для присоединения к узлу растянутых, сжатых, изгибаемых, сжатолзгибаемых элементов.

По результатам проведенных исследований были сделаны доклады на Международных научно-технических конференциях Российской академии архитектуры и строительных наук «Проблемы научно-технического процесса в строительстве в преддверии нового тысячелетия» (Пенза, 1999) и «Композиционные строительные материалы. Теория и практика» (Пенза, 2000), научной конференции Мордовского государственного университета им. Н.П. Огарева «Долговечность строительных материалов и конструкций» (Саранск, 2000), Всероссийской XXXI научно-технической конференции «Актуальные проблемы современного строительства» (Пенза, 2001).

По материалам выполненных исследований опубликовано 7 работ.

Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, выводов, списка использованных источников из 64 наименований, изложена на 176 страницах машинописного текста, 124 рисунках, 2 6 таблицах.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Соединения на центровых шпонках обладают сравнительно высокой несущей способностью. Однако при этом для многих из них наблюдается и достаточно высокая деформативностъ, которая проявляется как на начальной (рыхлые деформации, неточность изготовления)9 так и на конечной (податливость, ползучесть) стадиях работы. Применение впрессованных (зубчатых, когтевых и др.) шпонок снижает деформативностъ соединений, но при этом повышает сложность изготовления, требует специального оборудования, повышает трещинообразование в деревянных элементах, что ограничивает области их применения. Соединения на гладко-кольцевых разрезных шпонках технологически не сложны в изготовлении, однако не лишены общих недостатков шпоночных соединений и, кроме того, требуют повышенной точности при подгонке и установке шпонок в гнезда. Все эти недостатки привели к снижению интереса и даже к полному исключению из практики применения шпоночных соединений в современных индустриальных деревянных конструкциях, хотя в ряде случаев подобные соединения являются наиболее рациональными и эффективными (например, при сосредоточенном усилии в узле).

2. На основе анализа работы различного вида шпонок и учета достоинств (высокая прочность, монолитность) клеевых соединений предложены новые клеешпоночные соединения (ККШ), которые позволили 9 с одной стороны максимально исключить недостатки и,с другой стороны аккумулировать достоинства как шпоночных, так и клеевых соединений.

3. Результаты экспериментальных исследований показали сравнительно высокую надёжность предложенного клеешпоночного соединения. Введение клеевой композиции в соединение с гладко-кольцевыми шпонками повышает разрушающую нагрузку в 1.4 4- 2.0 раза, увеличивает жёсткость в 2.5 -г- 2.9 раза, позволяет быстро включаться в работу и снижает податливость всего соединения. Кроме того, предлагаемое клеешпоночное соединение отличается технологичностью и простотой изготовления, снижает требования к повышенной точности выборки кольцевых гнёзд и укладки в них колец, а также снимает вопрос антикоррозионной защиты тонких стальных кольцевых шпонок.

4. Как показали экспериментально-теоретические исследования, работа клеешпоночного соединения отличается повышенной надёжностью, вследствие снижения опасности хрупкого разрушения от скалывания и большему вовлечению соединяемых деревянных элементов в вязкую работу на смятие. Этому способствует клеевая прослойка между соединяемыми деревянными элементами в месте установки кольцевой шпонки, которая способствует повышению монолитности соединения, увеличивает площадь скалывания и смятия вблизи шпонок.

5. Установлено, что нормальные и касательные напряжения в соединяемых элементах и шпонке имеют локальный характер действия, распределяются крайне неравномерно по ширине, высоте и толщине соединения. Однако, зона их активного действия превышает размеры основных параметров шпонки. Испытания показали практически линейную зависимость увеличения разрушающей нагрузки с увеличением диаметра шпонки и ширины кольца.

6. Экспериментально установлено, что работа клеешпоночного соединения носит упругопластический характер с явно выраженными упругими деформациями в начальным момент нагружения (в диапазоне расчетной несущей способности) и увеличенными пластическими деформациями при повышенных нагрузках (за пределами расчетных).

7. Экспериментальные и теоретические исследования показали весомую роль стяжного центрового болта в соединениях на ККШ. Наличие центрового стяжного болта приводит к увеличению разрушающей нагрузки в 1.53 -ь 2.08 раза и снижает опасность хрупкого разрушения соединения вследствие раскалывания. Установка стяжных центровых болтов необходима для восприятия сил распора действующих в поперечном направлении стыков. Как показали эксперименты введение клея в соединения на ККШ приводит к увеличению разрушающей нагрузки в 1.4-7-2.0 раза и 2.5 раза уменьшению деформативности по сравнению с соединениями только на кольцевых шпонках (КШ).

8. Теоретически и экспериментально установлено, что превалирующее влияние на предельную работу соединения оказывают местные сжимающие (<Ту) и касательные (Тху) напряжения, действующие соответственно под шпонкой и по высоте образца по границе шпонки. Однако более существенную роль на предельное состояние соединения оказывают напряжения смятия (сту), поскольку скалывающие напряжения (тху) в соединяемом элементе имеют несколько мест концентрации по длине скалывания, что в целом приводит к более равномерному распределению их и к относительному уменьшению тшах.

9. Применение клеекольцевых шпонок (ККШ) в стыках изгибаемых элементов из досок позволяет получать равнопрочное соединение с несущей способностью и жесткостью не менее ?чем для цельных элементов. При этом несущую способность соединения можно регулировать как величиной диаметра шпонок, так и расстановкой их по длине стыка. В образцах соединяемых изгибаемых элементов на ККШ отсутствует податливость и экспериментально зафиксирована повышенная в 2 -г- 2.7 раза жесткость по сравнению с образцами, выполненными на гладких кольцевых шпонках.

10. Экспериментальные исследования работы жесткого карнизного узла мансардной рамы показали высокую жесткость соединений на ККШ в узлах элементов, подверженных одновременному действию продольных сил и изгибающих моментов. Установлено, что несущая способность и жесткость таких узлов может определяться работой элементов цельного сечения, т. е. применение ККШ позволяет выполнить соединения, равнопрочные цельному элементу.

11. Испытание модели цельнодеревянной фермы с узловыми соединениями на клеекольцевых шпонках показали высокую надежность работы предложенной конструкции фермы и всех ее узловых соединений. Полученный при испытании коэффициент надежности К = 2.38 и отсутствие при такой нагрузке каких-либо признаков разрушения узлов, стыков и элементов фермы говорит о том, что подобные фермы могут быть допущены к безопасной эксплуатации и применению в покрытиях зданий и сооружений. Испытания показали высокие жесткостные характеристики фермы с узловыми соединениями на ККШ. Максимальный прогиб даже при расчетной нагрузке составил, примерно 1/700 от пролета, при практически линейной зависимости роста прогибов в пределах действия расчетной нагрузки.

1. Агапов В.П. Метод конечных элементов в статике, динамике и устойчивости пространственных тонкостенных конструкций. Учебное пособие. М., издательство ABC, 2000г.

2. Бывших М.Д., Фёдоров Н.И. Защитная обработка древесины. М., "Лесная промышленность", 1981г.

3. Вахненко В.Г., Андриенко Н.Т. Расчет и конструирование частей жилых и общественных зданий. Справочник проектировщика. Киев, Будевильник, 1987г.

4. Вдовин В.М. Проектирование клеедощатых и клеефанерных конструкций. Учебное пособие, 2-е издание испр. М., изд. АСВ, Пенза, ПГАСА, 1999г.

5. Вдовин В.М. Проектирование клеенных деревянных арок и рам. Учебное пособие. Пенза, ИСИ, 1993г.

6. Ветрюк И.М. Конструкции из дерева и пластмасс. Учебное пособие для ВУЗов по специальности «ПГС», 2-е изд. перераб. и доп. Минск, Высшая школа, 1978г.

7. ВНИИ ШЛИ «Строительство и архитектура», серия: «Деревянные конструкции. Соединения деревянных конструкций», вып. 3. М., 1988г.

8. Гестеши Т. Деревянные сооружения гражданские и инженерные. Основы расчёта и конструирования. Под ред. П. Я. Каменцева. М., Гостехиздат, 1929г.

9. Гете К.Г., Хоор Д., Меллер Ю. Атлас деревянных конструкций. М., Строй-издат, 1985г.

10. Гринь И.М. Строительные конструкции их дерева и синтетических материалов. Проектирование и расчет. Киев, 1975г.

11. Гринь И.М., Фурсов В.А., Бабушкин Д.М. и др. Проектирование и расчет деревянных конструкций. Справочник. Киев, Будевильник, 1988г.

12. Губенко А.Б. Строительные конструкции с применением пластмасс. М., Стройиздат, 1970г.

13. Губен^ко А.Б. Клеевые конструкции из досок. М., Стройиздат, 1949г.

14. Гуськов И.М. Примеры проектирования конструкций из дерева и пластмасс. М., МИСИ им. В.В. Куйбышева, 1978г.

15. Гуськов И.М. Ремонт деревянных конструкций. Учебное пособие. МИСИ им. Куйбышева, 1982г.

16. Деревянные конструкции в современном строительстве. Материалы Всесоюзного совещания. М., 1972г.

17. Жемочкин Б.Н. Расчет рам. М., Стройиздат, 1965г.

18. Иванов А.М., Алгазинов Л.Д., Мартинец Д.В. Строительные конструкции из полимерных материалов. М, Высшая школа, 1978г.

19. Иванов В. Ф. Конструкции из дерева и пластмасс. JL, Издательство литературы по строительству, 1966г.

20. Иванов В.А. Конструкции из дерева и пластмасс. Примеры расчёта и конструирования. Киев, Высшая школа, 1981г.

21. Иванов В.А., Клименко В.З. Конструкции из дерева и пластмасс. Киев, Вища школа, 1982г.

22. Иванов В.А., Кучитский Л.П., Кормаков Л.И. и др. Деревянные конструкции. Примеры расчетов и конструирования. Киев, Госстройиздат, 1960г.

23. Иванов Ю.М. Предел пластического течения древесины. М., Стройиздат, 1948г.

24. Каменцев П.Я. Новый метод расчета деревянных конструкций. Труды МИИКС, вып. 4. 1947г.

25. Канн Э.А., Серов Е.Н. Деревянные конструкции в современном строительстве. Кишинев, Штиинца, 1981г.

26. Конструкции из дерева и пластмасс. Учебник для ВУЗов.(Слицкоухов Ю.В., Гапоев М.М. и др.) под редакцией Карлсена Ю.В., 5-е изд. перераб. и доп. М., Стройиздат, 1986г.

27. Ковальчук Л.М., Турковский С.Б., Пискунов Ю.В. Деревянные конструкции в строительстве. М., Стройиздат, 1995г.

28. Кочетков Д. А Деревянные конструкции в жилищно-коммунальном строительстве. М., Л., Издательство Минкомхоза, 1950г.

29. Кузнецов А.В. Узловые сопряжения деревянных ферм. Госиздат, 1932г.

30. Мейер-Бое В. Строительные конструкции зданий и сооружений / Пер. с нем. Ю.Н. Потапова, под ред. З.А. Казбек-Казиева, М., Стройиздат, 1993г.

31. Нормы и технические условия проектирования деревянных конструкций (Ни ТУ-2-47). М., Стройиздат, 1948г.

32. Освенский Б.А. Скалывание и раскалывание в деревянных конструкциях. МИСИ им. Куйбышева, М., 1978г.

33. Отрежко С.И. Применение деревянных конструкций в строительстве. М., Стройиздат, 1947г.

34. Отрешко А.И. Справочник проектировщика «Деревянные конструкции.» М., Стройиздат, 1957г.

35. Питлюк Д.А. Испытание строительных конструкций на моделях. Ленинградское отделение, Стройиздат, 1971г.

36. Питлюк, Д.А. Расчет строительных конструкций на основе моделирования. М., Стройиздат, 1965г.

37. ЦНИИСК им. Кучеренко Госстроя СССР. Пособие по проектированию деревянных конструкций (к СНиП-П-25-80). М., Стройиздат, 1986г.

38. Пособие по расчётным характеристикам клеевых соединений для строительных конструкций. М., Издательство литературы по строительству, 1972г.

39. Раевский А.Н. Оптимизация рамных каркасов из условия прочности и устойчивости. Пенза, ПГАСА, 1996г.

40. Раевский А.Н. Примеры расчета балок и рам в предельном состоянии. Учебное пособие. Пенза, ГЕИСИ, 1991г.

41. ЦНИИСК им. Кучеренко Госстроя СССР. Рекомендации по испытанию соединений деревянных конструкций. М., Стройиздат, 1981г.

42. Рекомендации по проектированию соединений элементов деревянных конструкций с передачей усилий стальными стержнями, вклеенными поперек волокон. ЦНИИпромиздат, М., 1984г.

43. Руководство по индустриальному изготовлению деревянных клеёных конструкций. М., Стройиздат, 1975г.

44. Руководство по проектированию клееных деревянных конструкций. М., Стройиздат, 1977г.

45. ЦНИИСК им. Кучеренко Госстроя СССР. Руководство по проектированию клеенных деревянных конструкций. М., Стройиздат, 1977г.

46. Руководство по обеспечению долговечности деревянных клеёных конструкций при воздействии на них микроклимата зданий различного назначения и атмосферных факторов. М., Стройиздат, 1981г.

47. Слицкоухов Ю.В. Индустриальные деревянные конструкции. Примеры проектирования. М., Стройиздат, 1991г.

48. СН-528-80, «Перечень физических соединений подлежащих применению в строительстве». Госстрой СССР, М.,Стройиздат, 1981г.

49. СНиП 2-01.07-85, «Нагрузки и воздействия». М., Стройиздат, 1985г.

50. СНиП П-25-80, «Деревянные конструкции». М., Стройиздат, 1980г.

51. СНиП-П-23-81, «Стальные конструкции». М., Стройиздат, 1982г.

52. Соколовский Б.С. Деревянные конструкции в строительстве. М., Стройиздат, 1973г.

53. Турковский С.Б. Карнизный узел деревянной рамы. ЦНИИСК, Бюлл. изобр. №17,1989г.

54. Турковский С.Б. Опорный узел деревянной фермы. ЦНИИСК, Бюлл. изобр. №29,1988г.

55. Турковский С.Б., Саянин В.В. Исследование монтажных соединений клеенных деревянных конструкций. (Несущие деревянные конструкции). М., ЦНИИСК им. Кучеренко, 1981г.

56. Хечумов Р.А. и др. Применение метода конечных элементов к расчету конструкций. Учебное пособие для ВТУЗов. М., издательство ABC, 1994г.

57. Хрулев В.М. Производство конструкций из дерева и пластмасс. Учебное пособие для строительной специальности ВУЗов. 2-е изд. перераб. и доп., М., Высшая школа, 1989г.

58. Хрулев В.М. Деревянные конструкции и детали. Справочник строителя. М., Стройиздат, 1982г.

59. Хрулев В.М., Мартынов К.Я., Лукачев С.В., Шутов Г.М. Деревянные конструкции и детали. 3 изд. перераб. и доп., 1995г.

60. ЦНИИСК Кучеренко В.А. Рекомендации по проектированию и изготовлению деревянных конструкций с соединениями на пластинах с цилиндрическими нагелями (система КирПИ-ЦНИИСК). М., 1988г.

61. Иванов Ю.М. Прогнозирование длительной несущей способности соединений. Известия ВУЗов. Лесной журнал, №1,1978г.

62. А.с. 1477864 СССР. Карнизный узел деревянной рамы. ЦНИИСК. Турковский С.Б.и др. Бюлл. изобр. №17,1989г.

63. СНиП III. 19-76. Правила производства и приемки работ. Деревянные конструкции. М., Стройиздат, 1976г.