автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Совершенствование клееметаллических соединений деревянных конструкций с применением стальных шайб

Арискин Максим Васильевич

4843831

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КЛЕЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ ДЕРЕВЯННЫХ КОНСТРУКЦИЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ СТАЛЬНЫХ ШАЙБ

Специальность 05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 4 «П Р 2011

Пенза 2011

4843831

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства».

Научный руководитель:

кандидат

профессор

Михайлович

технических наук, Вдовин Вячеслав

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Селяев Владимир Павлович

доктор технических наук, доцент Жаданов Виктор Иванович

Ведущая организация:

государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Самарский государственный архитектурно-строительный университет».

Защита состоится «22» апреля 2011 года в 11 часов на заседании диссертационного совета ДМ 212.184.01 в Пензенском государственном университете архитектуры и строительства по адресу: 440028, Пенза, ул. Г.Титова, 28,1 корпус, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Пензенского государственного университета архитектуры и строительства.

Автореферат разослан «21» марта 2011 г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Предлагается высокопрочное клееметаллическое соединение, основанное на достоинствах совместной работы стальной шайбы и полимерных композиционных материалов (ВШ - вклеенные стальные шайбы). В отличие от других соединений гнездо предварительно заполняется клеевой композицией, которая после отвердения создает монолитное соединение стальной шайбы с древесиной и, кроме того, упрочнение контактной поверхности древесины.

В настоящее время в связи с увеличением числа новых и перестройки старых конструкций из дерева существует острая необходимость в соединениях, способных к передаче больших усилий на сравнительно небольшой площади. Подобные соединения нужны при выполнении стержневых несущих конструкций типа ферм, арок, рам, когда в узле соединяется несколько элементов, несущих на себе значительные усилия. Острая необходимость иметь такие соединения возрастает в связи с отсутствием определенной технологической базы изготовления клееных деревянных конструкций, относительно высокой цены на клей, а в ряде случаев - с невозможностью использовать другие виды соединений. Поэтому изучение соединений на ВШ является актуальным.

Цель работы. Целью настоящей работы является разработка соединения на вклеенных шайбах путем сведения к минимуму имеющихся недостатков в соединениях на клееметаллических шайбах, а также на круглых и призматических шпонках, путем введения клеевой композиции и совместности работы древесины, полимерной композиции и металла.

Задачи исследований. Для достижения поставленной цели необходимо решите следующие задачи:

1. Разработать новое соединение элементов деревянных конструкций, основанное на достоинствах гладких кольцевых шпонок, металлических шайб и полимерных клеевых композиций, отличающееся повышенной несущей способностью и жесткостью, простотой и доступностью изготовления, а также способностью передавать значительные усилия на сравнительно небольшой площади.

2. Разработать методику испытания соединений с применением ВШ. Экспериментальными исследованиями выявить характер работы соединений на вклеенных стальных шайбах под нагрузкой, установить их прочностные и деформационные характеристики.

3. Выбрать математический метод и разработать модель соединений на ВШ, позволяющую выявить действительное напряженно-деформированное состояние (НДС) соединения на вклеенных стальных шайбах, дать оценку работы и определить основные факторы и параметры,

влияющие ira предельное состояние соединений и дающие возможность в дальнейшем исследовать более сложные соединения с применением ВШ.

4. На основе результатов экспериментальных и теоретических исследований получить эмпирические зависимости расчетной нагрузки от параметров шайбы (толщины t, диаметра Д„) и формулы определения значений расчетной несущей способности соединения на вклеенных стальных шайбах с учетом требуемой надежности, действия внешних нагрузок и направления усилий по отношению к волокнам древесины соединяемых элементов.

5. Разработать алгоритмы расчетов элементов деревянных конструкций с применением ВШ.

6. Определить область рационального применения предлагаемого соединения на вклеенных стальных шайбах в несущих деревянных конструкциях.

Научная новизна работы заключается в разработке соединения элементов деревянных конструкций, отличающегося от других соединений тем, что стальная шайба вкладывается в гнездо так, чтобы она была заподлицо с деревом. При этом гнездо предварительно заполняется клеевой композицией, которая после отвердения создает монолитное соединение стальной шайбы с древесиной и, кроме того, создает упрочнение контактной поверхности древесины. Шайба в этом случае начинает работать не только на скалывание клеевого шва по поверхности, но и на смятие древесины по её торцу.

Разработана методика экспериментальных исследований соединений с применением ВШ. Отработаны технологические операции для изготовления предлагаемого клееметаллического соединения с применением стальных шайб и конструкций с их использованием.

Разработана расчетная модель соединений на ВШ, позволяющая выявить действительное напряженно деформируемое состояние. Произведено сопоставление теоретических и экспериментальных данных, которое дает возможность делать вывод, что данная модель может использоваться для исследования более сложных соединений с применением ВШ без проведения натурных испытаний.

Получены эмпирические зависимости расчетной нагрузки в зависимости от параметров шайбы толщины t и диаметра Дш формулы определения значений расчетной несущей способности соединения на ВШ с учетом требуемой надежности, действия внешних нагрузок и направления усилий по отношению к волокнам древесины соединяемых элементов.

Предложены алгоритмы расчета соединений элементов деревянных конструкций с применением ВШ.

Предложены конструктивные решения узлов плоскостных сплошных несущих деревянных конструкций и узловые сопряжения сквозных ферм с

применением Bill, которые могут быть применены как при новом строительстве, так и при усилении имеющихся деревянных конструкций.

Практическая значимость и реализация результатов работы заключается в разработке нового вида соединения деревянных конструкций, создании алгоритмов расчета соединений деревянных конструкций с применением Bill, разработке технологии изготовления данного вида соединения, и конструктивных решений узлов несущих деревянных конструкциях с применением ВШ.

Результаты исследований использованы при реконструкции жилого дома (усилении несущих деревянных балок) в г.Зарсчном Пензенской области организацией МУП «Ремонтно-строительная компания», в учебном процессе при подготовке специалистов по направлению «Строительство» профилю «Промышленное и i-ражданское строительство».

Апробация работы. По результатам проведенных исследований были сделаны доклады на Международных научно-технических конференциях Российской академии архитектуры и строительных наук: III-XI Международных научно-технических конференциях «Эффективные строительные конструкции: Теория и практика» (г. Пенза, 2004-2009гг.), прошли обсуждения диссертационной работы на кафедре Строительных конструкций МордГУ им. Н.П.Огарева (г. Саранск, 2009 г), на объединенном заседании кафедр ЖБК и МДК Самарского Г АСУ (г. Самара 2009 г), на объединенном заседании кафедр ЖБК и МДК Самарского ГАСУ (г. Самара 2010 г).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 печатных статей и тезисов докладов, из них 3 статьи опубликованы в изданиях, включенных в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, рекомендованных ВАК Российской Федерации.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов, списка использованных источников из 102 наименования, изложена на 155 страницах машинописного текста, 100 рисунках, 25 таблицах и 5 приложениях.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность исследования по разработке нового вида соединений деревянных конструкций, определены проблемы, цели и задачи исследований, обоснована научная новизна и практическая значимость работы, а также её формы и методы реализации.

В первой главе сделан обзор литературных данных по существующим конструктивным решениям соединений элементов деревянных конструкций на кольцевых шпонках и шайбах шпоночного типа, клеестальных шайб и описание примеров их использования в несущих деревянных конструкциях покрытий зданий. Проведенный анализ существующих решений соединений элементов деревянных конструкций на кольцевых

шпонках и шайбах показывает, что из большого многообразия соединения элементов деревянных конструкций современному уровню развития отвечают такие, которые отличаются меньшей податливостью и исключают опасную хрупкую работу древесины на скалывание вдоль волокон и на разрыв поперек волокон. Из существующих соединений этим требованиям в наилучшей степени отвечают соединения на клеях, клееметаллических шайбах, зубчатых и когтевых шайбах, вклеенных кольцевых шпонках, вклеенных стальных штырях и некоторые другие. Однако все эти соединения нельзя назвать универсальными и полностью отвечающими требованиям монолитности. Важным фактором при выборе того или иного вида соединения являются технологичность изготовления и экономичность. Таким образом, имеется необходимость в разработке соединения, которое удовлетворяет вышеперечисленным факторам.

Среди исследований, посвященных вопросам соединения деревянных конструкций, отмечаются работы Ю.М. Иванова, В.М. Коченова, В.Г. Лен-нова, Ю.В.1 [искунова, В.М. Вдовина, В.А. Цепаева, В.И. Жаданова, Р.Б. Орловича, Ю.П. Стрижакова, JI.K. Стрижаковой, Г.Г. Никитина, И.С. Инжутова, П.А. Дмитриева, O.A. Михайленко, Д.В. Ласкутовой, В.Н. Шапошникова, Ж.Н. Оспановой, и д.р., учитывая опыт данных исследователей, дано предложение по разработке соединения деревянных конструкций, которое основано на достоинствах совместной работы металлических шайб и шпонок в сочетании с монолитностью клееной композиции. Суть данного соединения заключается в следующем: гнездо под шайбу может быть выбранным несколько увеличенных размеров, что позволяет осуществлять свободную укладку в него металлической шайбы, а образовавшееся «лишнее» пространство в гнезде заполняется полимерной композицией, которая после отвердения позволяет шайбе сразу включиться в работу, минуя процесс первоначального обмятия и обжатия. Таким образом, в предлагаемом соединении благоприятно сочетается хорошая работа древесины на смятие под шайбой и рассредоточенная работа на скалывание по клеевому шву (под шайбой и по древесине вблизи шайбы).

Во второй главе содержатся экспериментальные исследования работы соединений на Bill при действии кратковременных нагрузок при передаче усилий как вдоль, так и под углом к волокнам древесины соединяемых элементов.

Разработана методика экспериментальных исследований, включающая в себя основные этапы проведения экспериментов. Методикой экспериментальных исследований предусматривается выявление влияния на работу соединений на ВШ таких факторов, как диаметр стальной шайбы Dm; толщина стальной шайбы размеры соединяемых элементов (а, Ъ, с,); зависимость несущей способности соединений от направления волокон

древесины соединяемых элементов по отношению к линии действующего усилия и от способа передачи усилия на образец.

Для испытываемых образцов принята древесина сосны (сосна европейская 1-сорт), так как эта порода имеет наиболее широкое применение в строительстве при изготовлении несущих деревянных конструкций. Влажность древесины принималась близкой к W=12%. Шайбы изготавливались из стали класса С255.

Форма и размеры образцов назначены, исходя из схемы их испытания на сдвиг при сжатии, с соблюдением ориентировочных размеров размещения шайб (шаг расстановки принимался в долях диаметра Дц). Общие виды шайб, заготовок и образцов показаны на рис. 1.

Рис. 1. Общий вид: а - шайб; б - испытания образца через металлические накладки; в - образца с тремя элементами

Диаметр стальных шайб назначался в зависимости от диаметра фрез, используемых для выборки гнёзд ( Дц = 50; 60; 80; 100 мм). Глубина гнезд принималась равной ширине шайбы (г = 5, 6, 8, 10 мм). Выборка гнезд производилась современными фрезами фирмы «РгоЮоЬ. Склеивание древесины и металла осуществлялось эпоксидной смолой ЭД-15. Для измерения сдвиговых деформаций в образце использовались индикаторы часового типа с ценой деления 0,01 мм.

Для определения разрушающих нагрузок и прогнозирования работы соединения с применением ВШ были проведены пробные испытания данного вида соединения.

Все образцы маркировались. В марку входили цифры, показывающие параметры шайбы (диаметр и толщину), и буквы, показывающие схему испытания и соответствующую серию.

Основные характеристики и размеры испытываемых образцов, согласно принятой маркировке, приведены в табл.1.

Таблица 1

Основные характеристики ислытываемых образцов__

Серия Марка Параметры Кол-во образцов И1мснение разрушающей нагрузки от способа передачи усилия на образец

А Ь с Да, мм 1. мм

А НШ - 50-4- А 200 150 50 50 4 5 Передача нагрузки через металлические накладки

ВШ - 50 • 6 - А 6 5

ВШ- 50 - 8 - А 8 5

ВШ -50 - 10- А 10 5

ВШ - 60 - 8 - А 200 50 60 8 3

ВШ- 80 - 8 - А 200 50 80 8 3

Б ВШ - 50 - 10 - Б 200 150 50 50 10 2 Передача нагрузки через деревянные элементы с вклеенными шайбами (трсхсоставной образец)

ВШ - 60 - 6 - Б 200 150 50 60 6 5

ВШ - 60 - 8 - К 8 5

ВШ-60- 10 Б 10 5

ВШ - 80 - 6 - Б 200 150 50 80 6 5

ВШ - 80 - 8 - Б 8 5

ВШ - 80 - 10 - Б 10 5

ВШ - 100 - 8 - Б 200 150 50 100 8 5

ВШ - 100- 10-Б 10 5

Г ВШ - 50 - 6 - АГ 300 200 50 50 10 3 Зависимость разрушающей нагрузки от геометрических характеристик

ВШ - 80 - 8 - АГ 200 80 8 5

ВШ -100-8- АГ 300 100 8 2

ВШ - 60 - 8 - БГ 200 60 8 5

ВШ - 60 - 8 - БГ2 300 60 8 5

ВШ - 80 - 8 - БГ 200 80 8 5

ВШ - 100-6-БГ 300 100 6 5

ВШ - 100 - 8 - БГ 300 100 8 5

ВШ - 100 - 10 - БГ 300 100 10 5

БШ ВШ - 60 - 8 - БШ 200 150 50 60 8 Зависимость разрушающей нагрузки от наличия в крайних элементах шайбы

БК ВШ - 60 - 8 - БК 200 300 50 60 8 Зависимость разрушающей нагрузки от наличия в гнезде клеевой прослойки

АУ ВШ - 80 - 8 - АУ0° 200 150 120 60 10 5 Зависимость разрушающей нагрузки от утла а между линией действия нагрузки и направлением волокон древесины образца

ВШ - 80 - 8 - АУ45" 200 150 120 60 10 <

ВШ - 80 - 8 - АУ60" 200 150 120 60 10 5

ВШ - 80 - 8 - АУ90" 200 150 120 60 10 5

Образцы испытывались на сжатие при нормальных температурно-влаж-ностных условиях, то есть при температуре 18-20°С и относительной влажности воздуха ^=65... 70%. Нагрузка создавалась прессом и прикладывалась ступенями, составляющими примерно 0.1 Ррмр. Перед приложением нагрузки и в дальнейшем после каждой ступени нагружения снимались отсчёты по индикаторам часового типа с целью фиксирования деформаций сдвига в образце. Скорость нагружения принималась непрерывной и равномерной с фиксацией конечного времени. В процессе испытаний осуществлялся осмотр образцов, фиксировались характер и вид их разрушения, разрушающая нагрузка принималась согласно рекомендациям ЦНИИСК «Испытание деревянных конструкций». Значения разрушающих нагрузок показаны в табл. 2.

Разрушающая нагрузка увеличивается с увеличением толщины шайбы от 6 до 10 мм, так как при этом увеличивается площадь смятия древесины под шайбой. Однако с уменьшением толщины шайбы с 6 до 4 мм заметно снижается разрушающая нагрузка, что обусловливается не только абсолютным уменьшением площади смятия по контуру шайбы, но и относительно острым вмятием шайбы в древесину. Это дает основание рекомендовать применение шайбы толщиной не менее 6 мм.

Таблица 2

Значения средних разрушающих нагрузок на образцы_

Марка образца Разрушающая нагрузка, Рсг кН Марка образца Разрушающая нагрузка. К,, я-Н Марка образца Разрушающая нагрузка, Рср, кН

ВШ - 50 - 4 - А 31,2 ВШ-80-6-Б 83,46 ВШ - 80 - 8 - БГ 97,16

ВШ-50-6-А 45,2 ВШ-80-8-Б 96,2 ВШ- 100- 6- БГ 88,87

ВШ-50-8-А 51,48 ВШ- 80- 10-Б 109,7 ВШ - 100-8-БГ 105,2

ВШ-50- 10-А 58,54 ВШ- 100- 8-Б 104,5 ВШ-100-10-Б 116,8

ВШ - 60 - 8- А 87,3 ВШ- 100- 10-Б 1 19,9 ВШ- 60-8-БШ 64,35

ВШ- 80 - 8- А 95,8 ВШ- 50 - 6 - АГ 46,01 ВШ - 60 - 8- БК 45,35

ВШ-50 - 10-Б 57,2 ВШ- 80 - 8- АГ 93,83 ВШ - 80 - 8- АУ0 99,9

ВШ- 60 - 6 - Б 75,52 ВШ- 100 - 8- АГ 100,9 ВШ- 80- 8- АУ45 97,32

ВШ - 60 - 8 - Б 88,06 ВШ- 60-8-БГ 86,03 ВШ- 80 - 8- АУ60 94,22

ВШ- 60- 10-Б 100,6 ВШ- 60 - 8 - БГ2 89,5 ВШ- 80 - 8- АУ90 91,12

На рис. 2 приведены характерные диаграммы работы образцов с вклеенными стальными шайбами. На рис. 3 приведена диаграмма работы образца на ВШ, построенная согласно рекомендациям ЦНИИСК. Данная диаграмма имеет вид диаграммы упруго пластического тела.

При увеличении диаметра разрушающая нагрузка возрастает также за счёт увеличения поверхностной площади смятия шайбы. Такая зависимость наблюдается только при изменении диаметра Ош шайб от 60 до 100 мм, а при уменьшении диаметра до 50 мм разрушающая нагрузка снижается в 1,5-2 раза. Это говорит о том, что применять шайбы с диаметром менее чем 60 мм нецелесообразно.

Рис. 2. Характерные диаграммы работы образцов с Bill

Разрушающая нагрузка зависит от угла а между линией действия нагрузки и направлением волокон древесины образца. Она уменьшается с изменением угла наклона волокон древесины от 0 до 90°.

Результаты экспериментальных исследований показали более высокую несущую способность (на 20%), достаточно высокую надёжность соединения на вклеенных шайбах по сравнению с соединениями на клеестальных шайбах. Введение клеевой композиции в соединение увеличивает жёсткость, позволяет шайбе быстро включаться в работу и снижает податливость всего соединения. Результаты испытаний позволяют рассматривать соединение на ВШ как монолитное.

В третьей главе приведены теоретические исследования напряженно-деформированного состояния элементов соединений на вклеенных шайбах. Дается также оценка полученных результатов решения задачи. Все расчеты были выполнены в программном комплексе Апэуз.

О! 2 56 " ? о И : 1 \

Рис. 3. Диаграмма работы образца построенная согласно рекомендациям

цнииск

и

Рис. 4. Расчетная схема соединения на вклеенных шайбах:

а - образец с тремя элементами; б - образец, испытываемый через металлические накладки

Расчетные схемы выполнены с соответствии с рис. 4. Так, для сравнения теоретических и экспериментальных данных была использована схема, показанная на рис. 4, а. В дальнейшем расчетная схема (рис. 3, б) принята за основную.

Расчет производился в упругой стадии работы древесины при действии на образец силы, равной Р=24525 Н на каждый конец болта, и 2,45 МПа - на каждый элемент. Так как в расчете используются два материала - металл и древесина, для них принимались характеристики: металла Ех=210 ГПа, Ц=0,3; древесины £х=16000 МПа, =0,5; Еу=1000 МПа, р,,. =0,2; £,=500 МПа, ¡^=0,02; Счу=1180 МПа, (7уг=690 МПа, £„=670 МПа, характеристики древесины приняты в соответствии с исследованиями Ашкенази.

В процессе расчетов получены картины напряженного состояния деревянного элемента для всех видов напряжений (рис. 5, 6, 7), а также деформированное состояние всего объема рассматриваемого элемента.

Особый интерес представляют максимальные значения всех видов напряжений, возникающих в образце, по которым можно судить о влиянии их предельного состояния на соединение деревянного элемента. Определяющее влияние на работу соединения оказывает напряжение смятия ау, поскольку максимальная величина его в несколько раз превышает все другие виды напряжений. Учитывая это, анализ результатов расчета акцентирован преимущественно на этом виде напряжения.

н«мМ

■ 1 ■ 8 й ШШ\

Л: -

«¡РР

■ Г . 1

Рис. 5. Результаты расчета по расчетной схеме с тремя элементами изополя напряжений ах: а - среднего элемента; б соединения

Рис. 6. Результаты расчета по расчетной схеме с тремя элементами изополя напряжений <ту: а - среднего элемента: б соединения

Рис. 7. Изополя напряжения в образце испытываемый черен металлические накладки: а - напряжения ах (распор или раскол); б - напряжения ау (смятие)

На рис. 8 и 9 приводятся зависимости изменения напряжений сту от толщины и диаметра шайбы для сечений, где они имеют наибольшие значения.

а б в

л- ■

150 , 151) , , 150

/.....'■'"■■ / ^ да у

риЛ /■ 1 \(>и 7МГ . \ ч / мш рЩ мипил . 105 р <« у . м;

Рис. 8. Зависимость напряжений оу по ширине образца с шайбой толщиной 8 мм от изменения диаметра шайбы: а - диаметр шайбы Ц„=60 мм; б толщина шайбы Ц„ =80 мм; в - толщина шайбы 0,„-\00 мм

Все напряжения носят локальный характер с максимальными значениями ау вблизи передачи усилия с шайбы на элемент. Активная зона действия нормальных напряжений составляет (2,5-3) Д„ - в продольном и (1,5-2) Д„ - в поперечном направлении элемента. На последующих участках элемента эпюры напряжений выравниваются, принимая определенные «осевые» значения. Знание длины активной зоны максимального всплеска

12

напряжений о, позволяет установить безопасный шаг расстановки шайб в многорядных соединениях, когда эпюры локального действия напряжений не накладываются друг на друга. Длина активной зоны действия напряжений оу по ширине элемента, как видно из рис. 10, практически не зависит от толщины шайбы, хотя максимальные значения ау довольго существенно уменьшаются (почти на 30%) при увеличении толщины шайбы с 6 до 10 мм.

а б в

/ ^ - / / /

(о) 0 -А-

f u V.U., У ми» \ ' / :.;ш> имп»Ч г tur Mil ;,1МГЬ:' V '. '■{ ijMl'ia

у V 41.22 Mita 3S.Ú2 МПа ® \ НА4МП« А

Рис. 9. Зависимостью напряжений ау по ширине образца с шайбой диаметром 60 мм от изменения толщины шайбы: а толщина шайбы 1=6 мм; б - толщина шайбы /=8 мм; в -толщина шайбьт /=10 мм

б в

Рис. 10. Зависимостью напряжений ау по высоте образца с шайбой диаметром 60 мм от изменения толщины шайбы: а толщина шайбы 1=6 мм; б - толщина шайбы /=8 мм; в толщина шайбы /=10 мм

Также были сопоставлены результаты теоретических и экспериментальных исследований (рис. 11). Как видно из графика, углы наклона ■ теоретической и эксперимен-

тальной линии отличаются менее чем на 12% в упругой стадии работы. В общем теоретические и экспериментальные данные достаточно хорошо согласуются друг с другом.

Таким образом, результаты исследования действительного напряженно-деформированного состояния деревянного элемента с вклеенными в него стальными шайбами позволили установить уровень нормальных и касательных напряжений, действующих по всему объему элемента, выявить зависимости

Рис.

J <1 5 Л 7 к <■ Iii 11 им

11. Сопоставление теоретических и экспериментальных данных 1 - теоретическая прямая; 2 - экспериментальная кривая

этих напряжений от толщины и диаметра шайбы, а также локальность их действия, и определить зону активного действия напряжений. Расчеты позволяют сделать вывод, что на несущую способность соединения решающее влияние оказывают напряжения смятия под шайбой.

В четвертой главе проведена оценка экспериментальных и теоретических исследований на вклеенных стальных шайбах и даются предложения по назначению предельной несущей способности соединений на Е;клеенных стальных шайбах.

Безопасность работы деревянных конструкций при назначении их несущей способности учитывается введением коэффициента надежности (к), вследствие чего расчетная несущая способность при определении ее через величину кратковременной разрушающей нагрузки (Ррщр) под-считывается как

N„ </> / к .

(1)

Переход от кратковременной разрушающей нагрузки (Ррюр) осуществляется через коэффициент надежности к, который в общем случае должен учитывать вариационный разброс экспериментальных данных, длительность действия экспериментальных нагрузок и длительную прочность.

На основании общего выражения коэффициента надежности к для деревянных конструкций, согласно рекомендациям по испытанию деревянных конструкций, имеем формулу

* = *,(*)• Р-*2-*3. (2)

где коэффициент длительной прочности (>1) или временная часть

коэффициента надежности;

Р - коэффициент, равный для несущих конструкций покрытий отношению Рд/Р, где Р - полная расчетная нагрузка, а Рл -временная (снеговая) нагрузка длительного действия; к2 и къ - компоненты коэффициента надежности, учитывающие разброс опытных значений несущей способности к2 (вероятностная часть коэффициента надежности) и изменение работы деформации при пластическом и хрупком разрушении к3.

Коэффициент к2 определялся статистическими методами обработки и анализа результатов испытания соединения. С этой целью проведен вероятностный анализ результатов испытаний соединений деревянных элементов на ВШ при различных параметрах шайб, за исключением образцов с диаметром Ош=50 мм и толщиной /=4 мм. Все результаты испытаний рассматривались как малые выборки из генеральных совокупностей значений разрушающих нагрузок для соединений на вклеенных стальных шайбах при передаче усилий вдоль волоксн. Проверка гипотезы о равенстве (однородности) эмпирических дисперсий при одинаковых объемах выборок п=5 выполнялась с помощью критерия Кочрена (так как одна из дисперсий значительно больше остальных).

Приняв для соединений на ВШ доверительную вероятность, равтто 0,95, и считая справедливым применение закона нормального распределения прочности данного соединения, получим к2=\Л. Коэффициента к2 достаточно мал и отличается от общепринятых значений: для деревянных конструкций кг = 1.42; для прогнозирования надежности новых видов соединений деревянных конструкций к2 = 1.57, что может свидетельствовать о чистоте и высокой надежности проведенного эксперимента.

Имея все искомые величины, определили коэффициенты для сроков службы 50 лет ¿(50), 25 лет к{2$) и среднее значение для сроков службы 25 -50 лет к.

к (50)= 1,1-0,8-1,1-0,97 _ 0,119-^ 0=1,71;

А: (25Г 1,10,8-1,1(1,91 -0,112- 1ё()=1.77; (3)

¿ = 1,10,8-1,1-(1,94-0,116- ^ 0=1,74.

Для обеспечения достаточной надежности расчетов новых соединений деревянных конструкций в соответствии с рекомендациями ЦНИИСК, коэффициент надежности в дальнейшем будет приниматься равным Ь-2, данный коэффициент в дальнейшем может быть уменьшен при проведении дополнительных исследований.

Как показали многочисленные испытания, определяющим фактором в обеспечении несущей способности является преимущественно работа древесины на смятие под шайбой, которая зависит от площади А=Ц„Г. С этой целью проведен анализ зависимости разрушающей нагрузки от

диаметра и толщины шаиоы. значения разрушающих нагрузок при передаче нагрузок вдоль волокон приведены в табл. 3.

При получении эмпирической зависимости для подсчета расчетной несущей способности можно воспользоваться уравнением эмпирической линии регрессии, представленным в виде

у=а+Ь(х - Зс), (4)

где у- зависимая переменная, являющаяся случайной переменой; а, Ь- случайные величины, не зависимые от параметров; х - детерминированная величина, х= Д(мм')

у=[Щ=^ (5)

гдеЛ^„- расчетная несущая способность, определяемая по формуле Nn~ N /к-

1у разр' Л>

Я'а,— расчетное сопротивление древесины I сорта смятию (Л'см=16 МПа), определяемое по формуле

1+а(ш-12)) (6)

где Дсч- расчетное сопротивление сортной древесины (МПа); а- нормативный коэффициент на изменение влажности; (д - влажность древесины в пределах 8-23%.

Таблица 3

№ Серия Ал, (мм) 1, (мм) N,, (кН) .г, (мм')

1 С- 1 60 6 73,1 74,3 75,8 , 76,3 78,1 360

2 С-2 8 85,3 87,1 88,5 о" ос 90,1 480

3 С-3 10 97.3 98.5 99,5 100 105 600

4 С -4 80 6 81,8 82 83 84,5 86 480

5 С - 5 8 93.8 95,3 96,4 97,5 98 640

6 С-6 10 108 | 109,7 110,8 111 112,5 800

7 С-7 100 6 86,5 87 88,4 89 93 600

8 С - 8 8 99,7 98,5 105,7 108,3 110,7 800

9 С-9 10 1 15.8 118.2 119,2 122,4 123,7 1000

Значения параметров регрессии определяются по формулам;

п

- ЕГ=.вд.

а = у- ~-;

п

где п = ^ ™ - общее число наблюдений.

16

(7)

(8) (8)

Выполняется проверка нулевой гипотезы о наличии зависимости разрушающей нагрузки от параметров шайбы диаметра Ош и толщины 1 по формуле:

<г I ^

Для вероятности 0,95 и числа степеней свободы Л=и-2=45-2=43 значение Грк~2,02. Сопоставив вычисленное значение статистики с табличным, можно сделать вывод о влиянии параметров шайбы на разрушающую нагрузку.

Рис. 12. Зависимости расчетной несущей способности соединений на ВШ от параметров шайб для древесины I сорта при относительной влажности 12 %

Таким образом, для вычисления расчетной несущей способности соединения на вклеенных стальных шайбах при эксплуатации конструкций в нормальных условиях можно воспользоваться формулой:

А^О,65+0,21■£)„,■/)-й». (И)

А с учетом влажностного режима:

7М1,65+0,21 ■ Д„7) -Дсм( 1 +а(ю-12)). (12)

Расчетную нагрузку в зависимости от угла а0 по формуле

#„=(!-10"2 а°) - (1,65+0,21 -Д„-0 (1 +а(о-12)), (13)

где а0- угол передачи усилий относительно волокон древесины, град;

D,„- диаметр шайбы, см; /- толщина шайбы, см;

/?СЧ1- расчетное сопротивление смятию сортной древесины (МПа); а- нормативный коэффициент на изменение влажности: со- влажность древесины в пределах 8 - 23%.

Зависимость расчетной несущей способности соединений на Bill от параметров шайб подсчитанной по формуле (11) показана на рисунке 12.

В пятой главе предложены алгоритмы расчета конструкций с применением ВШ, которые заключаются в следующем:

- задаемся параметрами используемых шайб Ц„, /;

-для растянутых и сжатых элементов подсчитывается усилие растяжения сжатия NfnNc;

- для изгибаемых элементов находится момент в проектируемом узле МпР, затем данный момент раскладывается на пару сил: сжимающую Nc и растягивающую Np:

-по формуле (13) определяется в зависимости от сорта древесины и температурно-влажностного режима расчетная нагрузка на ВШ;

- определяется количество шайб в растянутой nc>NJN„ и сжатой зонах n^>Np/N„;

- шаг расстановки шайб принимается равным (2,5-3)Д„ - в продольном и (1,5-2)ДЦ - в поперечном направлении элемента.

Далее приведены конструктивные предложения по применению в деревянных конструкциях соединений на вклеенных стальных шайбах. При описании настоящего раздела учтены имеющиеся в практике строительства деревянные конструкции и их узлы, выполненные на кольцевых и других шпонках и шайбах, но при этом оценивалась возможность применения в них соединений на ВШ.

Как показал анализ состояния соединений на ВЩ, наиболее рациональными областями их применения являются:

- стыковые соединения растянутых и сжатых деревянных элементов (как цельных, так и клееных);

- узловые сопряжения сжатых и растянутых элементов, расположенных под различными углами;

- стыковые соединения элементов, испытывающих действия изгибающих моментов или совместные действия изгибающих моментов с растяжением и со сжатием;

- жесткие узлы арок и рам;

- составные несущие конструкции (балки, арки, верхние пояса ферм);

- сквозные стержневые конструкции (фермы, арки, рамы, структуры).

- узловые соединения пространственных деревянных конструкций (купола, оболочки и др.).

Указанные области возможного применения соединений на BLII затрагивают практически все сферы применения несущих деревянных конструкциях: от соединений простейших элементов из досок и брусьеЕ, до узловых сопряжений мощных клееных элементов (клееных рам, клееных арок и др.).

В главе также представлено экспериментальное исследование узл.а клееной балки с применением стальных шайб (рис. 13). Соединение рассчитано согласно разработанному алгоритму.

Рис. 13. Общий вид балки, готовой к испытанию

Нагрузка на балку создавалась с помощью домкрата расположенного в середине пролета балки и прикладывалась постепенно. Шаг приложения нагрузки был принят равным !0 кН. Нагружение образца производилось до нагрузки Р=140,0 кН. Общий прогиб балки при расчетной нагрузке составил 6,22 мм. Нарастания прогибов балки приведены на рис. \4, а. Раскрытие стыка фиксировалось индикатором, установленным в растянутой зоне балки (рис. 14, б.).

а б

Рис. 14. Графики зависимостей: а - прогиба балки от нагрузки; б - раскрытия стыка от нагрузки

Экспериментально установлено, что работа соединения носит упруго-пластический характер с явно выраженными упругими деформациями в начальной стадии нагружения (в диапазоне расчетной нагрузки) и увели-

19

ченными пластическими деформациями при повышенных нагрузках (за пределами расчетных).

Применение вклеенных шайб в стыках изгибаемых элементов позволяет получать равнопрочное соединение с несущей способностью и жесткостью как для цельных элементов.

Общие выводы

1. Разработан новый вид клееметаллического соединения с применением вклеенных в древесину стальных шайб, отличающихся от имеющихся аналогов повышенной несущей способностью и жесткостью. Предлагаемое соединение позволяет сравнительно на небольшой контактной площади передавать от одного элемента другому значительные усилия и обеспечивать несущую способность преимущественно за счет вязкой работы древесины на смятие, что повышает его надежность.

2. Разработана методика испытания соединений с применением вклеенных шайб. Экспериментальные исследования показали, что предельная нагрузка на соединение существенным образом зависит от толщины / и диаметра £>„, шайбы. С увеличением толщины и диаметра шайбы предельная нагрузка на соединение увеличивается. Характер изменения и расчетной нагрузки от / и как показали исследования, приближается к линейному. При анализе испытаний даны рекомендации по применению шайб с размерами Дп=бО...ЮО мм и /=6... 10 мм.

3. Разработана расчетная модель, которая позволила выявить действительное напряженно-деформиррванное состояние соединения с применением вклеенных шайб. На основе результатов численных вычислений установлены зависимости максимальных нормальных и касательных напряжений, действующих по всему объему образца, от диаметра и толщины шайбы. Путем анализа НДС были установлены безопасные предельно допустимые конструктивные параметры образцов и шаг расстановки шайб в многорядных соединениях: вдоль волокон (2,5-3)£>„„ поперек волокон (1,5-2)Ци, минимально допустимая толщина образца должна бьпъ не менее 5/.

4. Используя экспериментальные исследования, получены расчетные значения несущей способности соединений на вклеенных шайбах, с З'четом требуемого коэффициента надежности для соединений деревянных конструкций. Установлена эмпирическая зависимость расчетной нагрузки и получена формула для нахождения данной нагрузки на соединение в зависимости от диаметра и толщины шайбы.

5. Предложены алгоритмы расчета соединений деревянных конструкций с применением вклеенных шайб.

6. Определена область рационального применения таких соединений. Достоверность результатов проверена натурным испытанием клееной деревянной балки, узел которой запроектирован и выполнен в соответствии с предложенным алгоритмом.

Основные положения и результаты диссертационной работы изложены в следующих публикациях:

1.Арискин М.В., Вдовии В.М. Соединения на вклеенных стальных шайбах / М.В.Арискин, В.М.Вдовин// Эффективные строительные конструкции: Теория и практика: сб. ст. III Междунар. науч.-техн. конф. — Пенза: ПГУАС, Общество «ЗНАНИЕ» России, Приволжский дом знаний,

2004. С. 175-177.

2.Арискин М.В. Экспериментальные исследования соединений на вклеенных шайбах / М.В.Арискин, В.М.Вдовин // Студенческая наука -интеллектуальный потенциал XXI века: сб. реф. докл. науч.-техн. конф. -Пенза: ПГУАС, 2005. С. 35.

3.Арискин М.В., Вдовин В.М. Кравцов С.Ю. Экспериментальные исследования соединений на вклеенных стальных шайбах / М.В.Арискин, В.М.Вдовин // Эффективные строительные конструкции: Теория и практика: сб. ст. IV Междунар. науч.-техн. конф. — Пенза: ПГУАС, Общество «ЗНАНИЕ» России, Приволжский дом знаний, 2005. С. 147-152.

4. Арискин М.В., Вдовин В.М. Теоретические исследования напряженно-деформированного состояния элементов соединений на вклеенных шайбах / М.В.Арискин, В.М.Вдовин // Эффективные строительные конструкции: Теория и практика: сб. ст. IV Междунар. науч.-техн. конф. -Пенза: ПГУАС, Общество «ЗНАНИЕ» России, Приволжский дом знаний,

2005. С. 152-157.

5. Арискин М.В. Технология изготовления элементов конструкций на вклеенных стальных шайбах // Студенческая наука - интеллектуальный потенциал XXI века: сб. реф. докл. науч.-техн. конф. — Пенза: ПГУАС,

2006. С. 38.

6. Арискин М.В., Вдовин В.М., С.Ю.Кравцов. К оценке работы несущей способности соединений на вклеенных шайбах / М.В.Арискин, В.М. Вдовин, С.Ю.Кравцов // Эффективные строительные конструкции: Теория и практика: сб. ст. V Междунар. науч.-техн. конф. - Пенза: ПГУАС, Общество «ЗНАНИЕ» России, Приволжский дом знаний, 2006. С. 18-23.

7. Арискин М.В., Вдовин В.М. Оценка несущей способности вклеенной кольцевой шайбы в стыковых соединениях деревянных конструкций / М.В.Арискин, В.М. Вдовин// Эффективные строительные конструкции: Теория и практика: сб. ст. V Междунар. науч.-техн. конф. -Пенза: ПГУАС, Общество «ЗНАНИЕ» России, Приволжский дом знаний, 2006. С. 23-28.

8. Арискин М.В., Вдовин В.М., Кравцов С.Ю. Жесткий сборно-разборный узел клееных деревянных рам / М.В.Арискин, В.М. Вдовин, СЛО.Кравцов // Эффективные строительные конструкции: Теория и

практика: сб. ст. V Междунар. науч.-техн. конф. - Пенза: ПГУАС, Общество «ЗНАНИЕ» России, Приволжский дом знаний, 2006. С. 28-31.

9. Арискин М.В. [и др.] Применение вклеенных стальных шайб в стыковых соединениях элементов деревянных конструкций // Эффективные строительные конструкции: Теория и практика: сб. ст. V Междунар. науч.-техн. конф. - Пенза: ПГУАС, Общество «ЗНАНИЕ» России, Приволжский дом знаний, 2006. С. 131-135.

10. Арискин М.В., Вдовин В.М., Кравцов С.Ю. Клееметаллические соединения в несущих деревянных конструкциях / М.В.Арискин, В.М. Вдовин, С.Ю.Кравцов // Региональная архитектура и строительство. 2007. №1 (2). С. 18-23

11. Арискин М.В., Вдовин В.М., Кравцов С.Ю. Жесткий карнизный З'зел клееных деревянных рам с вклеенными стальными шайбами / М.В.Арискин, В.М. Вдовин, С.Ю.Кравцов // Региональная архитектура и строительство. 2007. № 2 (3). С. 84-89

12. Арискин М.В., Вдовин В.М., Кравцов С.Ю. Экспериментальное исследование соединений на вклеенных стальных шайбах при передаче усилий под углом к волокнам / М.В.Арискин, В.М. Вдовин, С.Ю.Кравцов Н Эффективные строительные конструкции: Теория и практика: сб. ст. VI Междунар. науч.-техн.й конф. - Пенза: ПГУАС, Общество «ЗНАНИЕ» России, Приволжский дом знаний, 2008. С. 61-65.

13. Арискин М.В., Вдовин В.М., Кравцов С.Ю. Жесткий узел клееных деревянных конструкций с применением стальных шайб / М.В.Арискин, В.М. Вдовин, С.Ю.Кравцов // Эффективные строительные конструкции: Теория и практика: сб. ст. VTI Междунар. науч.-техн. конф. - Пенза, ПГУАС, Общество «ЗНАНИЕ» России, Приволжский дом знаний, 2008. С. 61-65.

14. Арискин М.В., Вдовин В.М., Кравцов С.Ю. Теоретические исследования работы жесткого узла клееных деревянных конструкций с применением вклеенных шайб / М.В.Арискин, В.М. Вдовин, С.Ю.Кравцов // Эффективные строительные конструкции: Теория и практика: сб. ст. VII Междунар. науч.-техн. конф. - Пенза: ПГУАС, Общество «ЗНАНИЕ» России, Приволжский дом знаний, 2008. С. 65-69.

15. *Арискин М.В., Вдовин В.М. Расчет несущей способности соединений на вклеенных шайбах при передаче усилий вдоль волокон / М.В.Арискин, В.М. Вдовин // Приволжский научный журнал. ННГАСУ. 2009. №1 (9). С. 36-40

16. Арискин М.В., Вдовин В.М. Области рационального и возможного применения соединений на вклеенных стальных шайбах / М.В.Арискин, В.М. Вдовин // Проблемы современного строительства: сб. науч. тр. Междунар. науч.-техн. конф. - Пенза: ПГУАС, 2009. С. 102-105.

17. Арискин М.В., Вдовин В.М. Технология изготовления конструкций на вклеенных стальных шайбах / М.В.Арискин, В.М. Вдовин // Проблемы

современного строительства: сб. науч. тр. Междунар. науч.-техн. конфи. -Пенза: ПГУАС, 2009. С. 105-107.

18.Арискин М.В., Вдовин В.М., Кравцов С.Ю. Особенности работы и расчета жестких узлов клееных деревянных конструкций на вклеенных шайбах / М.В.Арискин, В.М. Вдовин, С.Ю.Кравцов // Региональная архитектура и строительство. 2009. № 1(6). С.69-73.

19. * Арискин М.В., Вдовин В.М. Напряжено-деформированное состояние элемента с вклеенными стальными шайбами /М.В. Арискин, В.М. Вдовин // Вестник ВОЛГАСУ. 2009. №13(32). С. 36-42.

20.*Арискин М.В., Вдовин В.М. Определение несущей способности соединений на вклеенных шайбах при передаче усилий вдоль волокон /М.В. Арискин, В.М. Вдовин // Приволжский научный журнал. ННГАСУ. 2009. №4 (12). С. 21-27.

* статья опубликована в издании, включенном в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, рекомендованных ВАК Российской Федерации.

Арискин Максим Васильевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КЛЕЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ СОЕДИНЕНИЙ ДЕРЕВЯННЫХ КОНСТРУКЦИЙ С ПРИМЕНЕНИЕМ СТАЛЬНЫХ ШАЙБ

Специальность 05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано к печати 16.03.2011. Формат 60x84 1/16 Бумага писчая белая. Печать на ризографе. Усл. печ. л. 1,0. Заказ № 34. Тираж 110 экз._

Издательство ПГУАС. Отпечатано в полиграфическом центре ПГУАС. 440028, г. Пенза, ул. Г. Титова, 28. E-mail: ofFice@pguas.ru www.pguas.ru

ВВЕДЕНИЕ.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ОБЗОР СОЕДИНЕНИЙ ДЕРЕВЯННЫХ КОНСТРУКЦИЙ.

1.1. Современные тенденции в развитии соединений деревянных конструкций в Российском и зарубежном строительстве.

1.2. Соединения на шпонках и шайбах 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 фирмы "Кристоф и Унмак".

1.2.4. Пружинящие дисковые шпонки инженера Шульца.

1.2.5. Когтевые шайбы фирмы "Метцке и Грейм".

1.3. Шпонки используемые в отечественной практике строительства.

1.3.1. Стальные призматические шпонки со стальными накладками.

1.3.2. Соединения на Т-образных шпонках.

1.3.3. Соединение на гладких кольцевых шпонках.

1.3.4. Шпонки и шайбы особых типов.

1.3.5. Соединения на шайбах шпоночного типа.

1.3.6. Клеестальные шайбы.'.

1.3.7 Вклеенные стальные стержни.

1.4 Анализ недостатков и предложения по совершенствованию соединений на шайбах.

Выводы по главе.

2. ЭКПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОТЫ 34 СОЕДИНЕНИЙ, НА ВКЛЕЕННЫХ СТАЛЬНЫХ ШАЙБАХ ПРИ ДЕЙСТВИИ КРАТКОВРЕМЕННЫХ НАГРУЗОК.

2.1. Задачи экспериментальных исследований.

2.2. Методика экспериментальных исследований.

2.3. Выбор формы и размеров образцов.

2.4 Разработка технологии изготовления образцов на вклеенных стальных шайбах.

2.4.1. Выбор инструментов и механизмов.

2.4.2. Клеевая композиция.

2.4.3. Изготовление соединений на вклеенных стальных шайбах.

2.5. Подготовка и контроль образцов перед испытаниями.

2.6. Маркировка испытываемых образцов.

2.7. Испытания образцов соединений на вклеенных шайбах.

2.8. Результаты испытания образцов.

2.8.1. Результаты испытания образцов, испытанных по схемам А и Б.

2.8.2. Результаты испытания образцов с различными параметрами шайб.

2.8.3. Результаты испытания образцов при изменении размеров деревянных элементов.

2.8.4. Результаты испытания образцов при отсутствии клеевой композиции и при отсутствии вклеенных шайб в крайних элементах.

2.8.5. Результаты испытания образцов при передачи шайбами нагрузки под углом к волокнам древесины.

2.9. Анализ результатов испытания образцов на ВШ.

Выводы по главе.

3. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ СОЕДИНЕНИЯ НА ВКЛЕЕНЫХ ШАЙБАХ.

3.1. Цели исследования напряженно-деформированного состояния элементов соединений на вклеенных шайбах.

3.2. Постановка задачи исследования.

3.3. Расчетная схема.

3.4. Создание конечно-элементной модели.

3.5. Исходные данные.

3.6 Сопоставление теоретических и экспериментальных исследований.

3.7 Оценка влияние геометрических параметров шайбы на характер 81 напряженно-деформируемого состояния элемента.

3.7.1 Результаты расчетов.

3.7.2 Анализ результатов расчетов.

3.7.3 Анализ результатов расчетов образцов по серии «J» и «С».

3.7.4 Анализ напряженно-деформированного состояния в зависимости 91 от толщины шайбы.

3.7.5 Анализ напряженно-деформированного состояния в зависимости от диаметра шайбы.

Выводы по главе.

4 . ОПРЕДЕЛЕНИЕ РАСЧЕТНОЙ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ

СОЕДИНЕНИЙ НА ВКЛЕЕНЫХ ШАЙБАХ.

4.1 Учет влияния длительного действия нагрузок при назначении предельной несущей способности вклеенных шайб.

4.2 Определение несущей способности соединений на вклеенных шайбах при передаче усилий вдоль волокон.

4.3 Получение эмпирической зависимости для подсчета расчетной несущей способности при передаче усилий вдоль волокон.

4.5. Определение несущей способности соединений на вклеенных шайбах при передаче усилий под углом к волокнам древесины.

Выводы по главе.

5. АЛГОРИТМ РАСЧЕТА СОЕДИНЕНИЙ НА ВКЛЕЕННЫХ СТАЛЬНЫХ ШАЙБАХ. ОБЛАСТИ РАЦИОНАЛЬНОГО

ПРИМЕНЕНИЯ СОЕДИНЕНИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ

ВКЛЕЕННЫХ ШАЙБ.

5.1. Алгоритмы расчета соединений деревянных конструкций с применением вклеенных шайб.

5.1.1 Расчет растянутых элементов.

5.1.2 Расчет сжатых элементов.

5.1.3. Расчет изгибаемых элементов.

5.2. Области рационального и возможного применения соединений на вклеенных шайбах в деревянных несущих конструкциях.

5.3 Клееные балки.

5.3.1. Экспериментальное исследование узла клееной балки с применением стальных шайб.

5.4 Конструкции цельнодеревянных ферм.

5.5 Рамы из цельных и клееных элементов.

5.6 Клеедощатая рама.

Выводы по главе.

Актуальность темы. В настоящее время в связи с увеличением строительства новых и реконструкции существующих зданий с применением конструкций из дерева возникает острая необходимость в соединениях, способных к передаче больших усилий на сравнительно небольшой площади. Острая необходимость иметь такие соединения возрастет в связи с отсутствием определенной технологической базы изготовления клееных деревянных конструкций, относительно высокой цены на клей, а в ряде случаев, с невозможностью использовать другие виды соединений. Поэтому разработка новых соединений деревянных конструкций является актуальной.

Целью настоящей работы является разработка соединения на вклеенных шайбах, которое позволит свести к минимуму имеющиеся недостатки в соединениях на круглых, призматических шпонках и клееметаллических шайбах приклеиваемых к боковой поверхности элементов, путем введения клеевой композиции в гнездо под шайбу, позволяющей обеспечить после её отвердения монолитного и стальной шайбы.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать соединение элементов деревянных конструкций, основанное на достоинствах гладких кольцевых шпонок, металлических шайб и полимерных клеевых композиций, простотой и доступностью изготовления;

2. Разработать методику испытания соединений с применением ВШ. На основе анализа результатов проеденных экспериментов выявить характер работы соединений на вклеенных стальных шайбах под нагрузкой, установить их прочностные и деформационные характеристики;

3. Разработать расчетную модель соединений на ВШ, позволяющую методом конечных элементов выявить напряженно-деформированное состояние (НДС) соединения на вклеенных стальных шайбах, дать оценку работы и определить основные факторы и параметры, влияющие на предельное состояние соединений и дающие возможность в дальнейшем исследовать более сложные соединения с применением ВШ;

4. На основе результатов экспериментальных и теоретических исследований получить эмпирические зависимости расчетной нагрузки от параметров шайбы (толщины диаметра £)ш) с учетом требуемой надежности, действия внешних нагрузок и направления усилий по отношению к волокнам древесины соединяемых элементов;

5. Разработать алгоритм расчета элементов деревянных конструкций с применением ВШ;

6. Определить область рационального применения предлагаемого соединения на вклеенных стальных шайбах в несущих деревянных конструкциях.

Научная новизна работы заключается в разработке соединения элементов деревянных конструкций, отличающегося от других соединений тем, что стальная шайба вкладывается в гнездо так, чтобы она была заподлицо с деревом. При этом гнездо предварительно заполняется клеевой композицией, которая после отвердения создает монолитное соединение стальной шайбы с древесиной и, кроме того, создает упрочнение контактной поверхности древесины. Шайба в этом случае начинает работать не только на скалывание клеевого шва по контактной поверхности, но и на смятие древесины по торцу шайбы.

Разработана методика экспериментальных исследований соединений с применением вклеенных шайб (ВШ). Отработаны технологические операции по изготовлению предлагаемого клееметаллического соединения с применением стальных шайб, а также деревянных конструкций с их использованием.

Разработана конечно-элементная модель соединений на ВШ, позволяющая выявить действительное НДС. Доказана адекватность данной модели, что в дальнейшем даёт возможность исследовать более сложные соединения с применением ВШ.

Получены эмпирические зависимости предельной нагрузки от параметров шайбы, толщины / и диаметра Ди, предлагаются формулы для определения значений расчетной несущей способности соединения на ВШ с учетом требуемой надежности, действия внешних нагрузок и направления действующего усилия по отношению к волокнам древесины соединяемых элементов. Разработана методика расчета соединений элементов деревянных конструкций с применением ВШ.

Предложены конструктивные решения узлов плоскостных сплошных несущих деревянных конструкций и узловые сопряжения сквозных ферм с применением ВШ, которые могут быть применены как при изготовлении новых, так и при усилении имеющихся деревянных конструкций.

Практическая значимость работы заключается в разработке нового вида соединения деревянных конструкций обладающего повышенной прочностью, создании методики расчета соединений деревянных с применением ВШ, разработке технологии изготовления данного вида соединения, предложены конструктивные решения узлов несущих деревянных конструкциях с применением ВШ.

Реализация результатов работы. Результаты исследований использованы при реконструкции жилого дома (усилении несущих деревянных балок) в городе Заречном Пензенской области организацией МП «Ремонтно строительный комбинат», в учебном процессе при подготовке специалистов по направлению «Строительство» профилю «Промышленное и гражданское строительство». (Приложение А).

Апробация работы. По результатам проведенных исследований были сделаны доклады на Международных научно-технических конференциях

Российской академии архитектуры и строительных наук: Ш-Х1 Международной научно-технической конференции «Эффективные строительные конструкции: Теория и практика» (Пенза, 2004г.-2009 гг.), обсуждение диссертационной работы на кафедре Строительных конструкций МГУ им. Огарева (г.Саранск, 2009 г), обсуждение диссертационной работы на объединенном заседании кафедры ЖБК и МДК Самарского ГАСУ (г.Самара 2009 -2010 гг.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 печатных статей и тезисов докладов, из них 3 статьи опубликованы в изданиях, включенных в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, рекомендованных ВАК Российской Федерации.

Общие выводы

1. Разработан новый вид клееметаллического соединения с применением вклеенных в древесину стальных шайб, отличающихся от имеющихся аналогов повышенной несущей способностью и жесткостью. Предлагаемое соединение позволяет сравнительно на небольшой контактной площади передавать от одного элемента другому значительные усилия и обеспечивать несущую способность преимущественно за счет вязкой работы древесины на смятие, что повышает его надежность.

2. Разработана методика испытания соединений с применением вклеенных шайб. Экспериментальные исследования показали, что предельная нагрузка на соединение существенным образом зависит от толщины I и диаметра Бш шайбы. С увеличением толщины и диаметра шайбы предельная нагрузка на соединение увеличивается. Характер изменения и расчетной нагрузки от X и Бш, как показали исследования, приближается к линейному. При анализе испытаний даны рекомендации по применению шайб с размерами Вш=60.100 мм и t=6.10 мм.

3. Разработана расчетная модель, которая позволила выявить действительное напряженно-деформиррванное состояние соединения с применением вклеенных шайб. На основе результатов численных вычислений установлены зависимости максимальных нормальных и касательных напряжений, действующих по всему объему образца, от диаметра и толщины шайбы. Путем анализа НДС были установлены безопасные предельно допустимые конструктивные параметры образцов и шаг расстановки шайб в многорядных соединениях: вдоль волокон (2,5-3)Бш, поперек волокон (1,5-2)Вш, минимально допустимая толщина образца должна быть не менее 51

4. Используя экспериментальные исследования, получены расчетные значения несущей способности соединений на вклеенных шайбах, с учетом требуемого коэффициента надежности для соединений деревянных конструкций. Установлена эмпирическая зависимость расчетной нагрузки и получена формула для нахождения данной нагрузки на соединение в зависимости от диаметра и толщины шайбы.

5. Предложены алгоритмы расчета соединений деревянных конструкций с применением вклеенных шайб.

6. Определена область рационального применения таких соединений. Достоверность результатов проверена натурным испытанием клееной деревянной балки, узел которой запроектирован и выполнен в соответствии с предложенным алгоритмом.

1. Abi О. Aghayere, Jason Vigil, Structural wood design: a practice-oriented approach using the ASD method. John Wiley and Sons, 2007

2. Агапов В.П. Метод конечных элементов в статике, динамике и устойчивости конструкций. Учебное пособие. М., издательство ABC, 2004г.

3. Ашкенази Е.К., Ганов Э.В. Анизотропия конструкционных материалов. Справочни., Ленинградское отделения издательства «машиностроение», 1980г.

4. Басов К.А. ANSYS в примерах и задачах. М. КомпьютерПресс, 2002г.

5. Басов К.А. ANS YS для конструкторов. Издательство «ДМК-пресс», М.,2009г.

6. Басов К.А. ANSYS и LMS Virtual Lab Геометрическое моделирование. Издательство «ДМК-пресс», М.,2006г.

7. Басов К.А. ANSYS Справочник пользовотеля. Издательство «ДМК-Пресс», М.,2005г.

8. Bathe, Klaus Jürgen Finite element procedures New Jersey : Prentice Hall, 1996

9. Бойтемиров Ф. А., Головина В. M., Улицкая Э. М. Расчет конструкций из дерева и пластмасс: Учебное пособие для вузов. М. Изд. Академия, 2007г.

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

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

12. Вдовин В.М. Конструкции из дерева и пластмасс. Ростов-на-Дону. Издательство «Феникс»,2007 г.

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

14. 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.

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

16. Гаппоев М.М., Гуськов И.М., Ермоленко Л.К. Конструкции из дерева и пластмасс: Учебник для вузов. М. АСВ, 2004г.

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

18. Гете К.Г., Хоор Д., Меллер Ю. Атлас деревянных конструкций. М., Стройи-здат, 1985г.

19. Гмурман В.Е. Теория вероятностей и математическая статистика: учебное пособие. М. Юрайт, 2009.

20. Губенко А.Б. Клеевые конструкции из досок. М., Стройиздат, 1949г.

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

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

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

24. Donald Е. Breyer, Design of wood structures—ASD. McGraw-Hill, 2003

25. Donald E. Breyer, Kelly E. Cobeen, Design of wood structures~ASD/LRFD. McGraw-Hill Professional, 2007

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

27. Жаданов В.И. Индустриальные пространственные деревянные конструкции. / Жаданов В.И., Дмитриев П.А.,Стрижаков Ю.Д., Кондаков А.Г./ В кн. Древесина в строительных конструкциях. ЧССР, Братислава, 1984г.

28. Жаданов В.И. Соединения элементов деревянных конструкций на стальных винтовых крестообразных стержнях, работающих на выдергивание. / Жаданов В.И., Дмитриев П.А., Столповский Г.А./ Изв. Вузов. Строительство, Новосибирск 2010, №4,с. 133-137.

29. James Ambrose, Patrick Tripeny, Simplified Engineering for Architects and Builders. John Wiley and Sons, 2010

30. Жемочкин Б.Н. Расчет рам. M., Стройиздат, 1965г.

31. Judith J. Stalnaker,Emest С. Harris, Structural design in wood. Springer, 1997

32. Зубарев Г. H., Бойтемиров Ф. А., Головина В. М., Ковликов В. И., Улицкая Э. М. Конструкции из дерева и пластмасс. М. Академия, 2008г.

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

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

35. Иванов В.А., Клименко В.З. Конструкции из дерева и пластмасс. Киев, Ви-ща школа, 1982г.

36. Инжутов И.С., Жаданов В.И., Пинайкин И.П. Конструкции из дерева и пластмасс. Часть 1. Учебное пособие Оренбург-Красноярск-Иркутск:ОГУ-СФУ-ИрГТУ, ИПК ГОУ ОГУ, 2009.

37. Инжутов И.С., Жаданов В.И., Пинайкин И.П., Пуртунов В.В. Конструкции из дерева и пластмасс. Часть 2. Учебное пособие Оренбург-Красноярск-Иркутск :ОГУ-СФУ-ИрГТУ, ИПК ГОУ ОГУ, 2009.

38. Каменцев П.Я. Новый метод расчета деревянных конструкций. Труды МИ-ИКС, вып. 4. 1947г.

39. Канн Э.А., Серов E.H. Деревянные конструкции в современном строительстве. Кишинев, Штиинца, 1981г.

40. Каплун А.Б. ANSYS в руках инженера. Практическое руководство. М., Еди-ториал УРСС, 2003 г.

41. Keith F. Faherty, Thomas G. Williamson, Wood engineering and construction handbook, McGraw-Hill Professional, 1997

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

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

44. Кузнецов A.B. Узловые сопряжения деревянных ферм. Госиздат, 1932г.

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

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

47. Орлович Р.Б. Тенденции в развитии соединений деревянных конструкций в строительстве за рубежом/Р.Б. Орлович// Известия вузов. Строительство. 2004 г. № 11

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

58. Селяев В. П., Низина Т. А., Лазарев A. JL Статистические методы планирования и анализа эксперимента в строительстве : учеб. пособие Саранск изд-во Мордов. ун-та 2004

59. Селяев В.П., и др. Теория эксперимента и статистические методы исследования строительных материалов, изделий, конструкций. Саранск. Изд-во. Мордов. Ун-та, 2010.

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

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

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

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

64. СНиП Н-25-80, «Деревянные конструкции». М., Стройиздат, 1980г.

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

66. СНиП-Н-23-81, «Стальные конструкции». М., Стройиздат, 1982г.

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

68. Степанов М.Н. Статистические методы обработки результатов механических испытаний: справочник. М., Машиностроение, 1985.

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

70. Хечумов P.A. и др. Применение метода конечных элементов к расчету конструкций. Учебное пособие для ВТУЗов. М., издательство ABC, 1994г.

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

72. 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.

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

74. Цепаев В.А. Металлические зубчатые пластины для соединения деревянных конструкций/ В.А. Цапаев// Информ. Листок №94-79 Горьковского ЦНТИ.-Горький, 1979г.

75. Цепаев В.А. Основы реконструкции деревянных конструкций зданий и сооружений. Нижний Новгород, полиграфцентр ННГАСУ, 2005г.

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

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

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

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

80. Чигарев A.B., Кравчук A.C. ANSYS для инженеров: справочное пособие. М., Машиностроение-1, 2004 г.

81. Ярцев В.П., Киселева O.A. , Проектирование и испытание деревянных конструкций: Учебное пособие. Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2005.

82. Protool. Каталог Сверл-Фрез Электронный ресурс.: [сайт].[2008]. Url:http://www.protool.ru/catalog.aspx?catID=2930 (дата обращения 17.02.2010)

83. СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ НАУЧНЫХ РАБОТ:

84. Арискин М.В. Экспериментальные исследования соединений на вклеенных шайбах / М.В.Арискин, В.М.Вдовин // Студенческая наука интеллектуальный потенциал XXI века: сборник рефератов докладов научно-технической конференции. Пенза: ПГУАС, 2005. С. 35.

85. Арискин М.В. Технология изготовления элементов конструкций на вклеенных стальных шайбах // Студенческая наука интеллектуальный потенциал XXI века: сборник рефератов докладов научно-технической конференции. Пенза: ПГУАС, 2006. С. 38.

86. Арискин М.В., Вдовин В.М., Кравцов С.Ю. Жесткий сборно-разборный узел клееных деревянных рам / М.В.Арискин, В.М. Вдовин, С.Ю.Кравцов // Эффективные строительные конструкции: Теория и практика: сборник статей V

87. Международной научно-технической конференции. Пенза: ПГУАС, Общество «ЗНАНИЕ» России, Приволжский дом знаний, 2006. С. 28 31.

88. Арискин М.В., Вдовин В.М., Кравцов С.Ю. Клееметаллические соединения в несущих деревянных конструкциях / М.В.Арискин, В.М. Вдовин, С.Ю.Кравцов // Региональная архитектура и строительство. 2007. №1 (2). С. 18 -23

89. Арискин М.В., Вдовин В.М., Кравцов С.Ю. Жесткий карнизный узел клееных деревянных рам с вклеенными стальными шайбами / М.В.Арискин, В.М. Вдовин, С.Ю.Кравцов // Региональная архитектура и строительство. 2007. № 2 (3). С. 84 89

90. Арискин М.В., Вдовин В.М. Расчет несущей способности соединений на вклеенных шайбах при передаче усилий вдоль волокон / М.В.Арискин, В.М. Вдовин // Приволжский научный журнал. ННГАСУ. 2009. №1 (9). С. 36 40

91. Арискин М.В., Вдовин В.М., Кравцов С.Ю. Особенности работы и расчета жестких узлов клееных деревянных конструкций на вклеенных шайбах / М.В.Арискин, В.М. Вдовин, С.Ю.Кравцов // Региональная архитектура и строительство. 2009. № 1(6). С.69-73

92. Арискин М.В., Вдовин В.М. Напряжено-деформированное состояние элемента с вклеенными стальными шайбами /М.В. Арискин, В.М. Вдовин // Вестник ВОЛГАСУ. 2009. №13(32). С. 36-42

93. Арискин М.В., Вдовин В.М. Определение несущей способности соединений на вклеенных шайбах при передаче усилий вдоль волокон /М.В. Арискин, В.М. Вдовин // Приволжский научный журнал. ННГАСУ. 2009. №4 (12). С. 21 27

94. Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет архитектурыи строительства»1. На правах рукописи1. Арискин Максим Васильевич

95. Совершенствование клееметаллических соединений деревянных конструкций с применением стальных шайб

96. Специальность 05.23.01 строительные конструкции, здания и сооружения