автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Совершенствование узловых сопряжений деревянных элементов через упоры переменной жесткости для большепролетных ферм

На праваурукописи

Барков Максим Сергеевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ УЗЛОВЫХ СОПРЯЖЕНИЙ ДЕРЕВЯННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ЧЕРЕЗ УПОРЫ ПЕРЕМЕННОЙ ЖЕСТКОСТИ ДЛЯ БОЛЬШЕПРОЛЕТНЫХ ФЕРМ

05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005061163

6 ! ;!0г| I

Томск-2013 г.

005061163

Работа выполнена в Федеральном государственном автономном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сибирский федеральный университет» (СФУ)

Научный руководитель: Инжутов Иван Семенович,

доктор технических наук, профессор.

Официальные оппоненты: Копаница Дмитрий Георгиевич,

доктор технических наук, профессор, зав. кафедрой «Металлические и деревянные конструкции» ФГБОУ ВПО «Томский государственный архитектурно-строительный университет», г. Томск;

Лабудин Борис Васильевич,

доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Инженерных конструкций и архитектуры» ФГАОУ ВПО «Северный (Арктический) федеральный университет имени М. В. Ломоносова», г. Архангельск.

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский го-

сударственный архитектурно-строительный университет», г. Санкт-Петербург.

Защита состоится 28 июня 2013 г. в 14-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.265.01 при ФГБОУ ВПО «Томский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2, корп. 5, ауд. 307.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке «Томского государственного архитектурно-строительного университета по адресу : 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2.

Автореферат разослан «24» мая 2013г.

Ученый секретарь диссертационного совета

}/ / 0 Н.О. Копаница

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Одно из направлений экономического и социального развития России - федеральная целевая программа «Развитие физической культуры и спорта в Российской Федерации на 2006 - 2015 годы». Успех реализации программы связан со строительством новых спортивных и зрелищных сооружений с применением современных строительных конструкций, в том числе деревянных клееных, обеспечивающих снижение металлоемкости, нагрузки на опоры и фундаменты, стоимости и трудоемкости возведения зданий.

Очевидный интерес при возведении такого рода зданий представляют большепролетные клееные деревянные конструкции, объемы производства которых в России увеличиваются. Следует отметить, что использование конструкций на основе древесины в Сибирском федеральном округе особенно актуально, так как его территория занимает 30 % площади России, при этом 51 % его территории занимают лесные массивы.

С увеличением пролета конструкций повышаются усилия, действующие в их узлах. Несущая способность конструкции в целом определяется надежностью технических решений узловых соединений. Анализ существующего опыта мониторинга клееных конструкций в процессе эксплуатации показывает возможность появлении трещин в древесине в узлах, вблизи приопорных зон. Одна из причин появления трещин в узлах, связана с характером распределения напряжений и их концентрации. Использование в узловых сопряжениях деревянных элементов упоров переменной жесткости позволяет исключить возникновение концентраторов напряжений. Существующие методы расчета несущей способности соединений позволяют выполнять расчеты только с жесткими штампами, с учетом концентраций напряжений под кромками. Влияние переменной жесткости упорных элементов на несущую способность соединений деревянных элементов практически не изучено.

В связи с этим задача разработки и совершенствования методов расчета соединений с упорными элементами переменной жесткости является актуальной, имеющей теоретическое и практическое значение. Также вызывает необходимость поиска новых конструктивных решений узловых сопряжений и проведения экспериментальных и теоретических исследований.

Цель работы. Разработка и исследование узловых сопряжений деревянных элементов через упоры переменной жесткости для большепролетных ферм.

Задачи исследований. Для достижения поставленной цели, автором были поставлены следующие задачи:

- выполнить опытно-конструкторскую разработку узловых сопряжений деревянных элементов через упоры переменной жесткости для большепролетных ферм, отличающихся повышенной надежностью;

- провести численные исследования узловых сопряжений ферм и установить зависимости между металлоемкостью, напряженно-деформированным со-

стоянием древесины в узлах и изгибной жесткостью упорных элементов. Установить критерии, определяющие эффективность технических решений упоров;

- разработать практический метод расчета несущей способности узловых сопряжений ферм с учетом переменной изгибной жесткости упорных элементов;

- определить влияние совместного действия продольных и поперечных сил на несущую способность узловых сопряжений ферм через упоры переменной жесткости;

- провести физические эксперименты на крупномасштабных моделях сопряжений деревянных элементов ферм через упоры переменной жесткости для изучения характера их работы под нагрузкой и проверки достоверности результатов численных исследований;

- подготовить рекомендации по конструированию, расчету и изготовлению узловых сопряжений деревянных элементов через упоры переменной жесткости.

Научная новизна работы:

- установлены зависимости взаимного влияния характеристик переменной жесткости упорных элементов узловых соединений, их массой и напряженным состоянием древесины, позволяющие определять критерии эффективности предлагаемых конструкций упорных элементов. Предложены уравнения, описывающие влияние жесткости упорного элемента на расход стали и напряженно-деформированное состояние древесины в узлах;

- теоретически обоснована и экспериментально подтверждена необходимость применения в расчетах несущей способности узловых соединений коэффициента Кш,ж, учитывающего переменную изгибную жесткость упорных элементов, получены его значения;

- теоретически обоснована и экспериментально подтверждена необходимость применения в расчетах несущей способности узловых соединений коэффициента Куч,в, позволяющего в расчете несущей способности узловых сопряжений ферм с упорами переменной жесткости учитывать совместное действие продольных и поперечных сил, получены его значения.

Практическая значимость работы заключается:

- в разработке рекомендаций по определению несущей способности узловых соединений с упорами переменной жесткости;

- в проведении экспериментальных исследования крупномасштабных узлов фермы с упорами переменной жесткости по результатам которых получено напряженно-деформированное состояние древесины в зоне контакта с упорами и подтверждены значения коэффициентов Кшгж и Куч&

- в разработке альбомов рабочих чертежей большепролетных ферм на основе древесины с верхними поясами из двускатных дощатоклееных элементов и узловыми сопряжениями через упоры переменной изгибной жесткости;

- в возможности использования практического метода расчета узловых сопряжений через упоры переменной жесткости в проектной практике, позволяющего значительно упростить и сократить сроки проектирования.

Реализация результатов диссертационной работы:

Результаты исследований использованы:

- при проектировании сооружений из клееных деревянных конструкций в Ленинградской и Московских областях в ООО «СПБГАСУ-ИННОДРЕВ» (г. Санкт-Петербург);

- при внедрении новых технологий по изготовлению двускатных дощато-клееных элементов в ООО «Хаус-Концепт «Содружество» (г. Санкт-Петербург);

- в специальном курсе и курсовом проекте дисциплины «Конструкции из дерева и пластмасс» при подготовке бакалавров, специалистов и магистров по направлению 270100 «Строительство», на кафедре «Строительные конструкции и управляемые системы» ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет».

Достоверность результатов работы. Достоверность полученных результатов обеспечивается корректным использованием основных положений теории расчета древесины и расчетными предпосылками, основанными на анализе обширных экспериментальных данных о поведении конструкций из древесины при статическом нагружении во всем диапазоне прочностных свойств. Применением сертифицированных лабораторных приборов и установок, использованием современных средств регистрации исследуемых параметров. Правильность расчетов подтверждена результатами испытаний крупномасштабных моделей узлов ферм.

На защиту выносятся:

- конструкторские решения узловых сопряжений деревянных элементов через упоры переменной жесткости для большепролетных ферм;

- результаты экспериментально-теоретических исследований напряженно-деформированного состояния древесины в узлах ферм при различных технических решениях упорных элементов с переменной изгибной жесткостью;

- критерии выбора эффективных технических решений упорных элементов, в основу которых положены зависимости между переменной жесткостью упорных элементов узловых соединений, их массой и напряженным состоянием древесины;

- практический метод расчета с учетом коэффициентов., учитывающих переменную изгибную жесткость упорных элементов в узловых соединениях Кюг_ж и влияние поперечной силы в зоне контакта древесины и упора, установленного под углом к продольной оси элемента верхнего пояса фермы.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы представлены и доложены на XIV Международном симпозиуме «Современные строительные конструкции из металла и древесины» (Одесса, май 2010 г.); на XV Международном симпозиуме «Современные строительные конструкции из металла и древесины» (Одесса, май 2011 г.); на I Международной конференции студентов, магистрантов, аспирантов и молодых ученых «Инновационные технологии строительства» (Красноярск, октябрь 2011 г.); на V Съезде по деревян-

ному строительству СПбГАСУ (Санкт-Петербург, декабрь 2011 г.); на V Всероссийской научно-технической конференции НГАСУ «Актуальные вопросы строительства» (Новосибирск, апрель 2012 г.); на VII Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «МОЛОДЕЖЬ И НАУКА» (Красноярск, апрель 2012 г.); на VI Съезде по деревянному строительству МГСУ (Москва, декабрь 2012 г.).

Публикации. По материалам диссертационных исследований опубликовано 9 работ, из них печатных 8, 2 публикации в изданиях, включенных в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, рекомендованных ВАК Российской Федерации и, в том числе 2 патента РФ на изобретение.

Объем и структура диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы из 139 наименований. Общий объем работы 212 страниц, 103 рисунка, 13 таблиц.

Автор выражает глубокую признательность доктору технических наук, профессору П.А. Дмитриеву за консультации и ценные замечания, сделанные во время работы над диссертацией.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, дана краткая характеристика состояния вопроса, обосновывается необходимость в новых конструктивных решениях и проведения экспериментальных и теоретических исследований.

В первой главе приведен краткий исторический обзор развития решетчатых деревянных конструкций, а также дается обзор имеющихся конструктивных решений большепролетных ферм с техническими решениями узловых сопряжений, разработанных в России и других странах.

Исследованиями и опытно-конструкторскими разработками в данной области занимались такие ученые как, Н.П. Абовский, П.А. Дмитриев, JI.B. Енджиевский, В.И. Жаданов, И.С. Инжутов, М.Е. Каган, Г.Г. Карлсен, JI.M. Ковальчук, Б.В. Лабудин, АЛ. Найчук, Р.Б. Орлович, E.H. Серов, Ю.В. Слицкоухов, В .В. Стоянов, В.И. Травуш, С.Б. Турковский, и др.

Анализ современных конструктивных решений ферм показал целесообразность возобновления производства типовых, унифицированных, серийно изготавливаемых конструкций, которые должны обладать такими качествами, как:

- возможность деления ферм на транспортабельные малогабаритные части;

- минимальное количество отправочных марок;

- унифицированность элементов составляющих конструкцию, что позволяет использовать однотипные узловые сопряжения.

Подчеркнута проблема в конструировании узлов, так как в них действуют значительные усилия и от их надежности зависит несущая способность всей фермы. В тяжело-нагруженных узлах имеет место большая концентрация напряжений под упорами постоянной жесткости, что впоследствии приводит к образованию трещин в древесине элементов и разрушению конструкции. Внимание к исследованию напряженно-деформированного состояния древесины в

узлах привлек неудачный опыт применения в покрытии зданий деревометалли-ческих безраскосных ферм средних пролетов (12 м и 18 м) типа металлодере-вянные арки и металлодеревянные фермы серии 1.860-2. В процессе эксплуатации в деревянных элементах верхнего пояса отмечалось появление продольных трещин. Это в свою очередь привело к аварийному состоянию многих построенных зданий. В связи с многочисленными авариями деревянных ферм, изготовленных с применением такого рода соединений, многие специалисты занялись исследованием местных напряжений в узлах деревянных конструкций. Вопросам оценки напряженно-деформированного состояния (НДС) при передаче усилий на торцы деревянных элементов посвящены работы: В.И. Аганина, П.А. Дмитриева, Б.В. Лабудина, Д.В. Лоскутовой, A.A. Михайленко, АЛ. Най-чука, Р.Б. Орловича, С.Б. Турковского и др. В большей части работ внимание уделено учету концентраций напряжений под кромками упорных элементов постоянной жесткости. В работах A.A. Михайленко затрагивается вопрос о предотвращении возникновении концентраций напряжений, путем применения упорных элементов переменной жесткости. Исследуется влияние геометрических размеров упоров на НДС древесины под ними. Однако не затрагивается вопрос о том, как изменяются геометрические размеры упоров с изменением величины прикладываемой нагрузки и как надлежит учитывать переменную из-гибную жесткость этих упоров при определении несущей способности узлового соединения.

В работах Найчука А.Я. исследовалось напряженно-деформированное состояние коньковых и опорных узлов арок с металлическими башмаками при одновременном действии сжимающего усилия N и сдвигающего усилия Q. Предложен коэффициент!^, учитывающий влияние поперечной силы в зоне контакта соединений деревянных элементов в арочных конструкциях. Между тем, в узловых сопряжениях ферм упорные элементы расположены под углом к продольной оси соединяемых элементов, а часть поперечной силы воспринимается опорными столиками. Разрешение этого вопроса требует дополнительных исследований.

На основе анализа приведенного обзора автором сформулирована цель и задачи диссертационной работы.

Во второй главе приводятся результаты опытно-конструкторских разработок большепролетных ферм с верхними поясами из двускатных дощатоклее-ных элементов для четвертого снегового района. Фермы, с использованием двускатных элементов были предложены П.А. Дмитриевым и исследовались в работах В.Д. Ли и Л.И. Офицеровой.

Двускатные дощатоклееные элементы более экономичны по расходу древесины в сравнении с прямолинейными элементами, и конкурентоспособны в сравнении с гнутоклееными, Использование двускатных дощатоклееных элементов позволяет повысить эффективность конструкции благодаря новому способу изготовления, предложенному автором. Новизна подтверждена патентом РФ на изобретение № 2426640;

Пролет ферм составляет48 м, высота в середине пролета 8 м, поперечный шаг 12 м (рис. 1 а, б), б м (рис. 1, в).

Рис. 1. Большепролетные фермы марки: а - БДФ - 48 - 12. 1В; б - БДМФ - 48 - 12. 2В; в - БДМФ - 48 - 6.1В

Улучшить технические характеристики оказалось возможным в ферме, изображенной на рис. 1, б. Верхний пояс конструкции двухветвевой и образован восьмью двускатными дощатоклееными элементами шириной 180 мм и длиной 12,5 м. Высота поперечного сечения по торцам 798 мм, а в коньке 1188 мм. Нижний пояс запроектирован из стали. Показатели расхода основных материалов системы с фермой марки БДМФ - 48 - 12. 2В на блок 12x48 приведены в табл.1.

Таблица 1

Показатели расхода материалов покрытия на блок 12x48 м

Конструкция Расход материалов системы на блок 12x48 / на 1м2

Древесина, м3 Сталь, кг Фанера, м3

Покрытие на блок 12x48 м с использованием ферммакри БДМФ-48- 12.2В 54,94 0,095 3073 5,33 6,14 0,011

В основу новых узловых сопряжений большепролетных ферм положены контактные соединения деревянных элементов через упоры переменной жесткости, конструкция которых исключает появление концентраций напряжений в зоне контакта с древесиной и способствует увеличению надежности узлового соединения и конструкции фермы.

На рис. 2, а крепление упоров к торцам двускатных дощатоклеенных элементов выполнено при помощи вклеенных стержней. Для предотвращения смещений, торцы деревянных элементов опилены под углом 14 градусов в соответствии с направлением равнодействующей силы.

Для снижения влияния поперечной силы в опорном узле используются опорные столики выполненные из швеллеров (рис. 2, б). Упором при передаче усилий от деревянных элементов верхнего пояса к стальному валику служит упорный элемент с переменной изгибной жесткостью, выполненный из двух стальных пластин, приваренных к ребрам. Использование такого соединения позволяет упростить монтаж конструкции и снизить трудоемкость сборки.

а) -ЧГ б) V

Рис. 2. Опорные узлы большепролетной фермы марки БДМФ -48 - 12.2В с упорными элементами переменной жесткости: а - опорный узел вариант 1; б - опорный узел вариант 2

г) -

Рис. 3.Варианты сопряжений панелей верхнего пояса фермы через упоры переменной жесткости

На рис. 3 представлены варианты сопряжений панелей верхнего пояса фермы. Центрирование упоров в узлах выполнено через стальную трубу. Пере-

дача поперечной силы осуществляется через опорные столики, соединенные с трубой стальной пластиной, ориентированной по биссектрисе угла. Установка упоров возможна как под прямым углом к волокнам, так и под углом к продольной оси элемента (рис. 3, а, б). На рис. 3, в показан более экономичный вариант конструктивного решения узла, в котором для снижения расхода стали использованы скрепленные стальными накладками швеллеры взамен опорного сварного столика, показанного на рис. 3, б.

На рис. 3, г представлен вариант узла сопряжения деревянных элементов в ферме верхнего пояса, в котором использован упорный элемент переменной жесткости, составленный из двух пластин различной длины (патент РФ на изобретение).

В связи с тем, что несущая способность многих деревянных конструкций определяется величиной местных напряжений в узлах, большое внимание было уделено конструированию упорных элементов. На рис. 4 показано одиннадцать рассмотренных в работе вариантов технических решений деталей узловых шарниров.

Упор № 3 Упор № 4

Упор № 8

Упор № 5

Упор №11

Рис. 4. Технические решения упоров валикового шарнира

В третьей главе приведены численные исследования НДС древесины в узлах большепролетной фермы.

Численные исследования проведены с целью установления зависимостей между металлоемкостью и формой упоров, напряженно-деформированным состоянием древесины в узлах и изгибной жесткостью упорных элементов. На основе результатов численных исследований разработан практический метод расчета несущей способности узловых сопряжений ферм, учитывающий переменную изгибную жесткость упорных элементов и влияние поперечной силы в зоне контакта с древесиной.

В процессе численных исследований исследовано напряженно-деформированное состояние древесины в зоне контакта с упорными элементами. Проведен расчет конструкций ферм и узловых сопряжений с упорными элементами различной изгибной жесткости. Для реализации численных расчетов использованы программные пакеты SCAD Office и SolidWorks.

В контактной зоне исследованы факторы, определяющие характер распределения напряжений в древесине, включая изменение угла приложения сжимающих усилий по торцам двускатных дощатоклееных элементов, вызывающего появление поперечной силы в контактной зоне. Рассмотрено влияние подрезки деревянных элементов на снижение концентрации напряжений в древесине.

На первом этапе расчетов геометрические размеры упора № 1 (рис.4) определены в соответствии с СП64.13330.2011, из расчета древесины на смятие.

Упор № 1, выполнен с постоянной жесткостью по длине. Для определения характера распределения напряжений в древесине в контактной зоне под упором № 1 выполнен расчет посредством программного комплекса SolidWorks. В выявленных зонах концентрации напряжений под краями упора, максимальные значения эквивалентных напряжений достигали значений ажв = 21 МПа, превышающих расчетное сопротивление древесины смятию вдоль волокон (Дсм = 14 МПа). Рассмотрено влияние подрезки углов торцов деревянных элементов на снижение концентраторов напряжений в древесине под упорами. Показано, что подрезка не оказывает существенного влияния на возникновение концентраторов и характер распределения напряжений. В зоне концентрации значения напряжений в древесине, как и в случае без подрезки составили ажв = 21 МПа.

Наличие концентраторов напряжений в древесине под упором № 1 послужило основанием для увеличения площади контакта упора и подбора изгибной жесткости, при которой исключается возникновение концентраторов напряжений. Подбор изгибной жесткости упоров осуществлен варьированием толщины и длины пластин, составляющих упорный элемент, включением в работу треугольной траверсы. Для подбора эффективной конструкции упора рассмотрено и запроектировано десять упорных элементов с различной изгибной жесткостью. Для сравнения жесткостных характеристик, определена приведенная жесткость упоров, путем суммирования значений жесткости характерного сечения и делением на 1/2 длины упорного элемента (рис. 5).

1-Ы -И т-1

Рис. 5. Определение жесткости для сечений упорных элементов

В результате аппроксимации данных массы стали и приведенной жесткости получено уравнение, описывающее зависимость массы стали от приведенной жесткости упорных элементов:

Мст.р. = Кг

- 0,0004-(Е/уп-Ю-4)2 0Д74Я/у„-10~4

I-----Ь 15

к| к2

где Мст,р- расчетное значение массы стали на упор; К, - коэффициент для перехода к размерности кг; К2 - коэффициент приведения единиц измерения (размерность Н-м); Е1 - приведенная жесткость упорных элементов.

По результатам статических расчетов контактных соединений древесины с упорами № 2 - № 11 построены эпюры эквивалентных напряжений совмещенные с эпюрами приведенной жесткости (рис. 6).

С увеличением площади контакта упора № 2 снижается величина значений концентраторов напряжений, увеличение площади контакта не приводит к их исключению. Получено, что основным параметром, от которого зависит величина напряжений, и появление концентраторов является приведенная жесткость упорных элементов.

С увеличением приведенной изгибной жесткости упора, повышается несущая способность соединения. Следует отметить что, при увеличении приведенной изгибной жесткости упоров № 2, № 11 до Е1У„ = 650x104Н-м -н Е1уп = 850x104 Н ■м несущая способность соединения с существенно снижается (на 20 % - 25 %) за счет образования в древесине концентраторов напряжений (рис. 6). Таким образом, не рационально использовать упорные элементы с высокой приведенной жесткостью.

Для выбора эффективных конструкций упоров, построены графики зависимостей между металлоемкостью упоров, напряженно-деформированным состоянием древесины в узлах и изгибной жесткостью упорных элементов. График (рис. 7, а) построен для случаев, когда усилие на деревянный элемент пе-

редается под прямым углом к волокнам, график (рис. 7, б) под углом 10 градусов. Значение угла торца деревянного элемента 10 градусов обусловлено установкой упорных элементов параллельно друг другу. Изменение угла приложения усилия на деревянный элемент в расчетах учитывается расчетным сопротивлением древесины смятия под углом к волокнам.

Анализ графиков (рис. 7) позволил выделить три критерия подбора эффективных конструкций упорных элементов с диапазонами значений:

- эквивалентные напряжения в древесине под упорными элементами (диапазон 10,4 МПа - 14 МПа, для древесины первого сорта);

- приведенная жесткость упорных элементов (диапазон от Е1У:„ = 65x10 Н-м до Е1у п= 170* 104 Н-м);

- масса стали (диапазон от 21,7 кг до 33,9 кг).

В результате анализа графиков по трем критериям установлено, что наиболее эффективны конструкции упоров № 6 и № 7. Упор № 5 менее эффективен по третьему критерию, однако трудоемкость его изготовления ниже, чем у упоров № 6 и № 7. При увеличении угла установки упоров в узлах деревянных конструкциях более 10 градусов целесообразно использовать упор № 8. Запас прочности соединений с упором № 8 относительно упоров № 5 - № 7 составляет порядка 25 %.

В результате аппроксимации графиков (рис. 8) получены уравнения, описывающие зависимость эквивалентных напряжений в древесине от приведенной жесткости упоров в валиковых узловых шарнирах большепролетной фермы (2, 3):

4Е-05-(Е/у,п'1СГ4) 0,043Иу,„-10

т(экв)а=0 — К3

ст(экв)а=10 — ^3

•+15'2

К| К2

4Е-05'(£/у,п'10~4)2 _ 0,041£;у,п-10~4 к| К2

(2) (3)

где П(жв) - эквивалентные напряжения в древесине; К3 - коэффициент для перехода к размерности МПа; К2 - коэффициент приведения единиц измерения (размерность Н-м); Е1 - приведенная жесткость упорных элементов.

Для учета различной изгибной жесткости упоров в расчетах по определению несущей способности соединений вычислены коэффициенты учета изгибной жесткости Кшгж, Коэффициенты, учитывающие изгибную жесткость упоров определены путем деления значений напряжений полученных в ходе численного эксперимента на значения напряжений полученных аналитическим расчетом с учетом рекомендаций СП 64.13330.2011:

^СМ-ЭКСП _ Туг (Д\

-- - изг.ж. У4)

г

Упор № 2

Упор № 3

Упор № 4

сг„= 6,5 МПа

сг„= 16,8 МПа

сг„„= 17 МПа

Упор № 5

Упор № 6

Упор № 7

11,5 МПа

ст„,= 11,7 МПа

~а„= 10,5 МПа

Е1у„г бЭ.-МоЧн-м)

£/,.„.= 101,9«10(Нм)

Упор № 8

Упор № 9

Упор №10

Ь„= 8,6 МПа

7,4 МПа

сг,„= 8,6 МПа

Е1,мг 168,5«10'(Нм)

Упор №11

229,2»10*(Н-м)

£/,.„.= 333,1 -Ю^Нм)

<}.„= 6,3 МПа

£1,.,.- 758,9"10'(Н-м)

Рис. 6. Эпюры изгибной жесткости упорных элементов (слева относительно центра упора) и эпюры эквивалентных напряжений в древесине под упорами (справа относительно центра упора)

а)

О 100 200 300 400 500 600 700 800 900 Приведенная жесткость упорных элементов Е1у„, Н-м 104

200

400

900

б)

Приведенная жесткость упорных элементов Е1у„, Н-м 104

Рис. 7. Графики зависимостей массы стали, напряжений в зоне контакта и приведенной жесткости упорных элементов: а - под прямым углом к волокнам;

б - под углом 10 градусов

Коэффициенты учета изгибной жесткости для упорных элементов с переменной жесткостью приведены в таблице 2.

Таблица 2

Коэффициенты учета изгибной жесткости для упорных элементов с переменной жесткостью

Упоры №3 №4 № 5 № 6 № 7 № 8 №9 № 10 № 11

^изг.ж. 2,74 2,71 1,85 1,89 1,69 1,39 1,37 1,19 1,02

Опираясь на данные таблицы 2, построен график зависимости коэффициента изгибной жесткости Кизгж упоров от их приведенной жесткости (рис. 8). Определен диапазон значений коэффициента Кпзгж от 1,35 до 2. Максимальное значение коэффициента Кизгж = 2 обусловлено минимальной допустимой приведенной жесткостью упорного элемента. В случае превышения указанного значения коэффициента, напряжения под валиком превысят допустимые значения. При снижении минимально допустимого значения Кизгж =1,35 под краями упоров образуются концентраторы напряжений.

В результате апроксимации графика (рис. 8) получено уравнение описывающее зависимость коэффициента учета изгибной жесткости упорных элементов в расчетах от их приведенной жесткости, для диапазона значений приведенной жесткости от Е1уп = 65* 104Н-м до Е1ум = 170*104 Н-м:

- 8Е-°5,(иу,п-10~4)2 0,02Шуг1-10~

Ки

-+ 3,

(5)

к§ тс2

где Кизгж - коэффициент учитывающий влияние переменной жесткости упорного элемента; К2 - коэффициент приведения единиц измерения (размерность Н-м); Е1уп - приведенная жесткость упорных элементов.

В том случае, если значения приведенной жесткости подбираемого упора вне диапазона Е1уп = 65*104 Н-м - Е1уп = 170х104 Н-м, а это может зависеть от сжимающего усилия, то следует использовать эффективные конструкции упоров, с учетом рекомендаций разработанных автором, приведенных в табл. 3.

В большинстве известных ферм шарнирные узлы верхнего пояса решены с использованием сварных штампов или вкладышей с постоянной изгибной жесткостью. Существующая методика расчета несущей способности соединений с жесткими штампами, рекомендованная СП 64.13330.2011, основана на определении несущей способности соединения Т не превышающем усилия 16

200

Приведенная жесткость упорных элементов EI, Н-м х104 Рис. 8. График определения Кшг.л

действующего на соединение. Расчетная несущая способность соединения, работающего на смятие, определяется по формуле:

Т = Я -Г . (6)

сма л см

Формула 6 справедлива для узлов с упорными элементами с постоянной изгибной жесткостью.

Таблица 3

Рекомендации по определению геометрических характеристик упоров

№

Модификации упоров

X.

Ктгж, Геометрические характеристики упоров

1,85

1,89

1,69

рупора

(2,8 ...3) ■ Ь,£1г

(-■■■-У

424 27/

упорапласт

(1,6 ... 1,8)^ пласт^2

пласт. рупора

(13 - 14) ЬУ"°ра ' 2

442 43/

рупора

(2,8 ...3)-Ь,Г1г

'упора5^2 пласт

(1,6 ... 1,7)1! ,

пласт — рупора

- Г- -к ■ 21

"' ду упора 1р. тр. (з) пласт, 2] £р.тр. — (4 5) рупора

рупора ~~ (2,8 ... 3) 1 Ь, пласт (25 "'27) Ьу™ра> ^ пласт = (!■■• 1Д)^1 пласт»

■7 1 =

упора 'р. трав, р.трав. — (4 — д) рупора

.25 ^2 пласт

упора »у ,11

1 -)ь

2 пласт

1,39

425 27/

рупора

(2,8 ... 3) ■ Ь, [

упора? ^2 пласт

12 пласт

иупора

(1,6 ...1,7)£ц

■ 2/

упора трав.

(з) '2 пласт^р.трав. — (4 •■■ 5) ^

упора

Ввиду отсутствия нормативных документов регламентирующих расчет несущей способности соединений с упорами переменной изгибной жесткости предложен практический метод расчета несущей способности соединения с учетом рекомендаций (табл. 3). Расчетная несущая способность соединения на упорах с изгибной жесткостью может быть определена как:

^ ._ Ксма'^см

К ^ '

где: Т - расчетная несущая способность соединения; Ясл,а - расчетное сопротивление древесины смятию под углом к волокнам; Рсм - площадь смятия под упором; Кшгж. - коэффициент учитывающий влияние переменной жесткости упорного элемента.

На рис. 9 приведен алгоритм практического метода расчета несущей способности контактных соединений с упорами переменной жесткости.

При расчете сжато-изгибаемых деревянных элементов в составе конструкции фермы в местах передачи осевых усилий возникают поперечные силы. В том случае, если усилие передается под прямым углом относительно волокон, поперечная сила воспринимается опорными столиками, если передача усилий осуществляется под некоторым углом к волокнам, то к действию осевых усилий добавляются поперечные силы. В своих работах А.Я. Найчук предложил в расчете несущей способности коньковых и опорных узлов арок с металлическими башмаками при одновременном действии сжимающего усилия N и сдвигающего усилия ввести коэффициент Кщ - коэффициент, учитывающий влияние поперечной силы. Для установления влияния поперечной силы на несущую способность узловых сопряжений с упорами переменной жесткости в

большепролетных фермах, произведен численный расчет двускатного элемента. В результате анализа расчетов определено, что в узлах конструкций ферм, при одновременном действии сжимающего усилия N и поперечной силы <2. Причем усилия N на торцы сжато-изгибаемых элементов передаются под углом к продольной оси элемента верхнего пояса фермы. В связи с этим существенно возрастают напряжения стэкв в зоне контакта под упорами. При установке упора под углом 10 и 14 градусов по отношению к продольной оси элемента верхнего пояса фермы разница в значениях напряжений под упорами составляет 34 % и 56 %.

Таким образом, в соединениях деревянных элементов с упорами переменной жесткости для учета поперечной силы в

Рис. 9. Алгоритм практического метода расчета несущей способности контактных соединений с упорными элементами переменной жесткости

зоне контакта в вычислениях следует использовать коэффициент учета поперечной силы Ky4 Q в формуле 8:

гр _ Rcmcc'FCM

Кцзгж.'Кучф

где: Т - расчетная несущая способность соединения; RCMa - расчетное сопротивление древесины смятию под углом к волокнам; FCM - площадь смятия под упором; Кизгж - коэффициент учитывающий влияние переменной жесткости упорного элемента; Ky4,Q - коэффициент учета поперечной силы Q при одновременном действии сжимающего усилия N.

По результатам численных расчетов путем аппроксимации графика (рис. 10) получено уравнение (9) для определения коэффициента Ky^Q для углов от 1 до 15 градусов относительно продольной оси элемента верхнего пояса фермы.

Ky4,Q = 0,0016а2 + 0,0171а + 1,0153, (9)

где Куч q - коэффициент учета поперечной силы Q при одновременном действии сжимающего усилия N;a- угол передачи усилия на торцы относительно волокон.

Рис. 10. График определения коэффициента коррекции Куч q

В четвертой главе приведена методика физических экспериментов крупномасштабных моделей узлов ферм (рис. 11).

В процессе эксперимента исследовались:

- физические и механические свойства древесины;

- характер распределения и значения напряжений в деревянных элементах верхнего пояса фермы в зонах контакта с различными конструкциями стальных упоров;

, Л ЯШ . * / т

Рис. 11. Крупномасштабные модели узлов ферм: а - Узел № 1; б - Узел № 2

Для проведения экспериментов на кратковременные статические и длительные нагрузки были разработаны испытательные стенды. Испытание узлов двухветвевого верхнего пояса деревометаллической фермы сделано в два этапа.

На первом этапе испытывали соединения с передачей усилий через контактные поверхности упоров (Узел № 1) при осевом усилии длительной и кратковременной статическими нагрузками. Для испытаний длительной статической нагрузкой автором разработана установка рычажного типа (рис. 12, а). При кратковременной статической нагрузке Узел № 1 доводили до разрушения, используя машину типа ИПэ-1500 (в дальнейшем - пресс).

Рис. 12. Испытательные стенды: а - установка рычажного типа (стенд № 1); б -

испытательный стенд № 2

- деформативность узловых сопряжений элементов фермы при длительном и кратковременном действии статической нагрузки;

- значения коэффициента Ктгж., учитывающего переменную изгибную жесткость упорных элементов, и коэффициента Куч (} учитывающего поперечную силу в зоне контакта.

На втором этапе проведены испытания узла верхнего пояса фермы, расположенного в четверти пролета (Узел № 2, рис. 12, б), кратковременной статической нагрузкой при осевых и поперечных усилиях.

В пятой главе изложен анализ результатов численных и физических экспериментов. Дана оценка деформативности узловых сопряжений элементов фермы при длительном и кратковременном действии статической нагрузки. Приведены результаты статических расчетов крупномасштабных моделей узлов, выполненных для обеспечения корректности сопоставления результатов физических экспериментов с теоретическими данными. При этом в расчеты вводились фактические геометрические параметры элементов и физические характеристики их материалов.

Анализ результатов физических экспериментов и статических расчетов узлов ферм показал, что:

- соединения с передачей усилий через контактные поверхности упоров характеризуется малой деформативностью, а изготовление и сборка узлов подтвердили технологичность принятых конструктивных решений;

- в результате испытаний Узла № 1, Узла № 2 установлена хорошая сходимость теоретических и экспериментальных значений: разница значений деформаций в древесине под центром упоров № 5, № 6 Узла № 1 составила 4 %, напряжений смятия 1 % - 2 %. В узле № 2 расхождение деформаций под упорами двух ветвей 10 %, напряжений 2 % - 10 %;

- в сравнении с упором № 6, под упором № 5 увеличение деформаций в древесине при длительных нагрузках составляет в среднем 2 %;

- в результате проведенных испытаний Узла № 1 кратковременной статической нагрузкой до разрушения установлено, при достижении нагрузки в 360 кН (превышающую расчетную в 2,5 раза) отмечено появление начальных деформаций ребер упорного элемента. Это позволило сделать вывод о достаточных резервах по прочности и деформативности упорного элемента;

- узел четверти пролета большепролетной фермы и конструкции упорных элементов обладают достаточной прочностью, жесткостью и надежностью, и могут быть рекомендованы для использования в составе большепролетной фермы покрытия.

Определены экспериментальные значения коэффициентов учитывающих влияние переменной жесткости Кизгж. Для упорного элемента № 5 Кюгж= 1,91, разница с теоретическим значением 1 %. Для упорного элемента № 6 Кизг-Ж = 1,88, разница с теоретическим значением 1,6 %.

Определены экспериментальные значения коэффициентов учитывающих влияние поперечной силы на несущую способность контактного соединения с упорами № 6: ^=1,32, ^=1,35, ^=1,37, ^=1,39, разница с теоретическим значением коэффициента определяемого по формуле 9 от 1,5 % до 4 %

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Разработаны новые узловые сопряжения деревянных элементов через упоры переменной жесткости для большепролетных ферм, отличающиеся повышенной надежностью и способностью воспринимать значительные усилия.

2. Выявлены зависимости между переменной жесткостью упорных элементов, их массой и напряженным состоянием древесины в узловых соединениях и установлены критерии, определяющие эффективность упорных элементов для которых:

- эквивалентные напряжения в древесине первого сорта находятся в диапазоне 10,4 МПа 14 МПа;

- приведенная жесткость в пределах от Е1уп = 65х104 Н-м до EIyn = 170х 10411-м;

- масса стали от 21,7 кг до 33,9 кг.

3. Предложен практический метод расчета узловых сопряжений ферм с использованием коэффициентов ^изгж. и Куч(>, учитывающих в расчетах несущей способности соединений переменную изгибную жесткость упорных элементов и влияние поперечной силы в зоне контакта упоров с древесиной.

4. Установлено, что диапазон изменения значений коэффициента, учитывающего переменную жесткость упорных элементов Кютж находится в диапазоне 1,35 2, а коэффициента, учитывающего влияние поперечной силы в зоне контакта — 1 1,62.

5. Экспериментально получены новые опытные данные, характеризующие распределение напряжений в зоне контакта древесины с упорными элементами переменной жесткости в зависимости от величины продольной и поперечной силы. Показано, что расхождения между экспериментальными значениями коэффициентов Кттж и Ky4 Q и их расчетными значениями составляют 1 - 4 %.

6. Предложены алгоритмы определения несущей способности соединений с использованием упоров переменной изгибной жесткости и выбора эффективных конструкций упорных элементов. Разработаны рекомендации по расчету несущей способности контактных соединений деревянных элементов через упоры переменной жесткости.

Публикации по теме диссертации Статьи в журналах, включенных в перечень ВАК

1.Инжутов И.С. Формообразование большепролетных покрытий общественных зданий и сооружений с применением двухскатных клеедощатых элементов [Текст] / И.С. Инжутов, М.С. Барков, В.М. Никитин, В.Н. Ермолин // Вестник томского государственного архитектурно-строительного университета. / Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Томский государственный архитектурно-строительный университет. - Томск, 2012. - №1. -С. 100-105.

2. Инжутов И.С. Расчет сжато-изгибаемых двускатных клеедощатых элементов большепролетных ферм с учетом поперечных сил при передаче осевых усилий через упоры переменной изгибной жесткости [Текст] / И.С. Инжутов, М.С. Барков, П.А. Дмитриев, В.И. Жаданов // Научно-технический вестник Поволжья. - Казань, 2012. - № 6. - С. 264-267.

22

Статьи в других печатных и электронных изданиях

3. Инжутов И.С. Опытно-конструкторские разработки ферм с двускатными элементами [Текст] / И.С. Инжутов, П.А. Дмитриев, М.С. Барков // Современные строительные конструкции из металла и древесины: Сб. науч. трудов. / Одесская государственная академия строительства и архитектуры. - Одесса,

2010.-Ч.1.-С. 56-61.

4. Инжутов И.С. Конноспортивный комплекс [Текст] / И.С.Инжутов, П.А. Дмитриев, М.С. Барков, C.B. Деордиев, К.С. Гриогорьев // Современные строительные конструкции из металла и древесины: Сб. науч. трудов. / Одесская государственная академия строительства и архитектуры. - Одесса, 2011. -4.2.-С. 102-105.

5. Инжутов И.С. Опытно-конструкторские разработки узлов ферм и способа изготовления двухскатных элементов [Текст] / И.С.Инжутов, П.А. Дмитриев, В .И. Жаданов, М.С. Барков, C.B. Деордиев, Д.В. Лоскутова // Современные строительные конструкции из металла и древесины: Сб. науч. трудов. / Одесская государственная академия строительства и архитектуры. - Одесса,

2011,-4.4.-С. 76-80.

6. Barkov M.S. CERCHAS DE MADERA [Электронный ресурс] / M.S.Barkov, I.S.Inzhutov, E.S.Medvédeva// Молодёжь и наука: сборник материалов VII Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, посвященной 50-летию первого полета человека в космос/отв. ред. ОА.Краев-Красноярск : Сиб. федер. ун-т., 2011.

7. Барков М.С. Стенды для испытаний узлов деревянных конструкций [Текст] / М.С. Барков, И.С. Инжутов, C.B. Деордиев// Сборник научных трудов Sworld. -2012. - №3, т.З. С. 90-99.

Патенты

8. Пат. 2426640 Российская Федерация, МПК B27D 1/04. Способ изготовления двухскатных дощатоклееных элементов [Текст] / Инжутов И.С., Дмитриев П.А., Жаданов В.И., Барков М.С.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирский федеральный университет» - № 2010116310/21; заявл. 23.04.2010; опубл. 20.08.2010, Бюл. № 23 (IV ч.). - 7 е.: ил.

9. Пат. Шарнирный узел сопряжения деревянных элементов в ферме [Электронный ресурс] / Инжутов И.С., Дмитриев П.А., Жаданов В.И., Барков М.С.; заявитель и патентообладатель Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Сибирский федеральный университет». - № 2012100829/ 21 , заявл. 11.01.2012. - Режим fl0CTyna:http://wwwl.fips.ru/fips_servl/fips_servlet.

Подписано в печать 22.05.13. Формат 60x84. Бумага офсет. Гарнитура Тайме. Уч.- изд. Л. 1,26 Тираж 100 экз. Заказ № 226

Изд-во ФГБОУ ВПО «ТГАСУ», 634003, г. Томск, пл. Соляная, 2. Отпечатано с оригинал-макета автора в ООП ФГБОУ ВПО «ТГАСУ». 634003, г. Томск, ул. Партизанская, 15.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

04201360346

БАРКОВ МАКСИМ СЕРГЕЕВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ УЗЛОВЫХ СОПРЯЖЕНИЙ ДЕРЕВЯННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ЧЕРЕЗ УПОРЫ ПЕРЕМЕННОЙ ЖЕСТКОСТИ ДЛЯ БОЛЬШЕПРОЛЕТНЫХ ФЕРМ

Специальность 05.23.01 - «Строительные конструкции, здания и сооружения»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель -доктор технических наук, профессор

И. С. Инжутов

На правах рукописи

Красноярск -2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ................................................................................ 5

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ОБОСНОВАНИЕ ЦЕЛИ И ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ........................................................... 11

1.1 Общие сведения. Краткий обзор истории развития решетчатых деревянных конструкций....................................................... 11

1.2 Отечественный и зарубежный опыт применения большепролетных деревянных ферм в строительстве............................................ 15

1.3 Развитие и совершенствование методов расчета узлов большепролетных конструкций.............................................. 31

1.4 Цель и задачи диссертационного исследования.......................... 35

ГЛАВА 2. ОПЫТНО-КОНСТРУКТОРСКИЕ РАЗРАБОТКИ УЗЛОВЫХ СОПРЯЖЕНИЙ ДЕРЕВЯННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ЧЕРЕЗ УПОРЫ ПЕРЕМЕННОЙ ИЗГИБНОЙ ЖЕСТКОСТИ ДЛЯ БОЛЬШЕПРОЛЕТНЫХ ФЕРМ..................................................................... 37

2.1 Общие положения, принятые при разработке узловых сопряжений

и большепролетных ферм....................................................................... 37

2.2 Новый способ изготовления универсальных двускатных дощатоклееных элементов.................................................................... 42

2.3 Узловые сопряжения деревянных элементов через упоры переменной жесткости для большепролетных ферм........................... 45

2.4 Конструирование упорных элементов в узлах ферм........................... 62

2.5 Крупноразмерные ограждающие клеефанерные плиты...................... 67

2.6 Область применения................................................................................ 71

2.7.Рекомендации по конструированию, сборке и изготовлению

большепролетных ферм и узловых сопряжений деревянных

элементов.................................................................................................. 74

2.8 Выводы по главе...................................................................................... 77

ГЛАВА 3. ЧИСЛЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ДРЕВЕСИНЫ В УЗЛАХ ПРЕДЛАГАЕМОЙ БОЛЬШЕПРОЛЕТНОЙ ФЕРМЫ............................ 79

3.1 Цель и формулировка задач численных исследований................... 79

3.2 Численные исследования и анализ результатов........................... 80

3.3 Выводы по главе.................................................................. 122

ГЛАВА 4. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ............................................................................................ 124

4.1 Цель и задачи исследований.................................................... 124

4.2 Общие положения................................................................ 124

4.3 Измерительно-вычислительный комплекс, тарировка................... 126

4.4 Определение прочностных характеристик древесины.................. 129

4.5 Испытания соединений с передачей усилий через контактные поверхности упоров (Узел № 1) длительной и кратковременной статическими нагрузками.................................................................. 130

4.5.1 Испытательный стенд №1 и материалы для испытаний.................................................................................... 130

4.5.2 Методика испытаний контактных соединений древесины с упорными элементами переменной жесткости (Узел № 1) 135

4.6 Испытания узла верхнего пояса фермы (Узел № 2), расположенного в четверти пролета, кратковременной статической нагрузкой............................................................................... 140

4.6.1 Испытательный стенд № 2 и материалы для испытаний.................................................................. 140

4.6.2 Методика испытаний Узла № 2 при совместном действии продольных и поперечных сил......................................... 142

ГЛАВА 5. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ФИЗИЧЕСКИХ ЭКСПЕРИМЕНТОВ С КРУПНОМАСШТАБНЫМИ МОДЕЛЯМИ УЗЛОВ ФЕРМЫ................................................................................................. 152

5.1 Обеспечение сопоставимости экспериментальных данных и

теоретических............................................................................... 152

5.2 Результаты расчетов исследуемых узлов................................... 154

5.2.1 Соединения с передачей усилий через контактные поверхности упоров (Узел № 1)....................................... 154

5.2.2 Узел верхнего пояса фермы (Узел № 2) при совместном действии продольных и поперечных сил................................... 156

5.3 Сопоставление результатов физических экспериментов и статических расчетов........................................................... 159

5.3.1 Соединения с передачей усилий через контактные поверхности упоров (Узел № 1)....................................... 159

5.3.2 Узел верхнего пояса фермы (Узел № 2) при совместном действии продольных и поперечных сил............................ 166

5.4 Выводы по главе.................................................................. 172

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ............................................................... 174

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК............................................. 176

ПРИЛОЖЕНИЕ А. Патенты на изобретения............................................. 192

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Акты внедрения................................................................ 194

ПРИЛОЖЕНИЕ В. Рекомендации по конструированию и расчету узловых сопряжений деревянных элементов через упоры переменной

изгибной жесткости............................................................................................. 198

ПРИЛОЖЕНИЕ Г. Технико-экономический анализ применения большепролетной деревометаллической фермы с узловыми сопряжениями через упоры переменной жесткости.................................................................. 206

ВВЕДЕНИЕ

Одно из основных направлений экономического и социального развития России - федеральная целевая программа «Развитие физической культуры и спорта в Российской Федерации на 2006 - 2015 годы» [110]. В этапы реализации программы вошли мероприятия по реконструкции спортивных баз и центров, развитие спортивной инфраструктуры, строительство новых спортивных сооружений с применением современных строительных конструкций, в том числе деревянных клееных, обеспечивающих снижение металлоемкости, массы, стоимости и трудоемкости возведения зданий. Следует отметить, что использование конструкций на основе древесины в Сибирском федеральном округе особенно актуально, так как его территория занимает 30 % площади России, при этом 51 % его территории занимают лесные массивы.

Очевидный интерес при возведении такого рода зданий представляют большепролетные клееные деревянные конструкции. Производство которых интенсивно набирает обороты в нашей стране. За последние годы построено более десяти спортивных сооружений с пролетами до 100 м. С ростом пролёта их преимущество в сравнении с традиционными плоскостными конструкциями из других материалов существенно возрастает. Это обусловлено малым объёмным весом клееных деревянных конструкций, повышенной огнестойкостью, высокой химической стойкостью и малой теплопроводностью.

С увеличением пролета конструкций повышаются усилия, действующие в их узлах. Несущая способность конструкции в целом определяется надежностью технических решений узловых соединений. Анализ существующего опыта мониторинга клееных конструкций в процессе эксплуатации показывает возможность появлении трещин в древесине в узлах, вблизи приопорных зон. Одна из причин появления трещин в узлах, связана с характером распределения напряжений и их концентрации. Использование в узловых сопряжениях деревянных элементов упоров переменной жесткости позволяет исключить возникновение концентраторов напряжений. Существующие методы расчета несущей

способности соединений позволяют выполнять расчеты только с жесткими штампами, с учетом концентраций напряжений под кромками. Влияние переменной жесткости упорных элементов на несущую способность соединений деревянных элементов практически не изучено.

Автор выражает глубокую признательность доктору технических наук, профессору П.А. Дмитриеву за консультации и ценные замечания, сделанные во время работы над диссертацией.

Цель работы.

Разработка и исследование узловых сопряжений деревянных элементов через упоры переменной жесткости для большепролетных ферм.

В первой главе обоснована актуальность диссертационной работы. Приведен краткий исторический обзор развития решетчатых деревянных конструкций, а также дается обзор имеющихся конструктивных решений большепролетных ферм с техническими решениями узловых сопряжений, разработанных в России и других странах. Сформулированы цели и задачи исследований.

Во второй главе приводится описание разработанных автором конструкций ферм, их совершенствование, а также опытные разработки узлов ферм с применением в сопряжении верхних поясов упоров переменной изгибной жесткости. Приведена эволюция конструкций упорных элементов.

Третья глава посвящена оценке напряженно-деформированного состояния древесины в узлах ферм при различных упорных элементах. Представлены исследования по определению влияния жесткостных характеристик упорных элементов на деформативность древесины, а также изменения угла приложения нагрузки. Выявлены зависимости между переменной жесткостью упорных элементов узловых соединений, их геометрической формой, массой, напряженным состоянием древесины. Предложены уравнения, описывающие основные характеристики упорного элемента и влияние изгибной жесткости упора на напряженно-

деформированное состояние древесины в зоне контакта. Исследовано напряженно-деформированное состояние древесины в узлах под упорными подушками отдельно и в составе со сжато-изгибаемым элементом с учетом действия поперечных сил в зоне контакта. По результатам исследований определены наиболее рациональные формы упоров. Дана оценка напряженно-деформированному состоянию сжато-изгибаемого двускатного элемента при приложении упоров: по центру торца, с эксцентриситетом, под углом к волокнам. Предложен практический метод расчета узловых сопряжений ферм с использованием коэффициентов Кизг.ж.

и АГуч.д, учитывающих в расчетах несущей способности соединений переменную изгибную жесткость упорных элементов и влияние поперечной силы в зоне контакта упоров с древесиной.

Четвертая глава посвящена физическим экспериментам над узлами большепролетных ферм. Представлена методика проведения экспериментов, запроектированы испытательные стенды для проведения испытаний длительной и кратковременной нагрузками. Приведено описание технологии сборки узлов, а также используемых приборов при испытаниях. Определены прочностные характеристики древесины для сопоставления численных результатов с физическим экспериментом.

В пятой главе представлен алгоритм построения расчетной модели, численного эксперимента узла верхнего пояса, четверти пролета фермы. Изложен сопоставительный анализ результатов численных исследований с экспериментальными. Основные результаты представлены в виде графиков и таблиц.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- установлены зависимости взаимного влияния характеристик переменной жесткости упорных элементов узловых соединений, их массой и напряженным состоянием древесины, позволяющие определять критерии эффективности предлагаемых конструкций упорных элементов. Предложены уравнения, описывающие влияние

жесткости упорного элемента на расход стали и напряженно-деформированное состояние древесины в узлах;

- теоретически обоснована и экспериментально подтверждена необходимость применения в расчетах несущей способности узловых соединений коэффициента Кшг.ж_, учитывающего переменную изгибную жесткость упорных элементов, получены его значения;

- теоретически обоснована и экспериментально подтверждена необходимость применения в расчетах несущей способности узловых соединений коэффициента Кучд, позволяющего в расчете несущей способности узловых сопряжений ферм с упорами переменной жесткости учитывать совместное действие продольных и поперечных сил, получены его значения.

Практическая значимость работы заключается:

- в разработке рекомендаций по определению несущей способности узловых соединений с упорами переменной жесткости;

- в проведении экспериментальных исследования крупномасштабных узлов фермы с упорами переменной жесткости по результатам которых получено напряженно-деформированное состояние древесины в зоне контакта с упорами и подтверждены значения коэффициентов Кшгж и Куч,2;

в разработке альбомов рабочих чертежей большепролетных ферм на основе древесины с верхними поясами из двускатных дощатоклееных элементов и узловыми сопряжениями через упоры переменной изгибной жесткости;

в возможности использования практического метода расчета узловых сопряжений через упоры переменной жесткости в проектной практике, позволяющего значительно упростить и сократить сроки проектирования.

Достоверность полученных результатов обеспечивается корректным использованием основных положений теории расчета древесины и расчетными предпосылками, основанными на анализе обширных экспериментальных данных о поведении конструкций из древесины при статическом нагружении во всем диапазоне прочностных свойств. Применением сертифицированных лабораторных приборов и установок, использованием современных средств регистрации исследуемых параметров. Правильность расчетов подтверждена результатами испытаний крупномасштабных моделей узлов ферм.

Апробация работы.

Основные результаты диссертационной работы представлены и доложены на:

- XIV Международном симпозиуме «Современные строительные конструкции из металла и древесины» (Одесса, май 2010 г.);

- I Международной конференции студентов, магистрантов, аспирантов и молодых ученых «Инновационные технологии строительства» (Красноярск, октябрь 2011 г.);

- XV Международном симпозиуме «Современные строительные конструкции из металла и древесины» (Одесса, май 2011 г.);

- V Съезде по деревянному строительству СПБГАСУ (Санкт-Петербург, декабрь 2011);

- V Всероссийской научно-технической конференции НГАСУ «Актуальные вопросы строительства» (Новосибирск, апрель 2012 г.);

- VII Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «МОЛОДЕЖЬ И НАУКА» (Красноярск, апрель 2012 г.);

- VI Съезде по деревянному строительству МГСУ (Москва, декабрь 2012 г.).

Публикации:

По материалам диссертационных исследований опубликовано 9 работ, из них печатных 8, 2 публикации в изданиях, включенных в перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, рекомендованных ВАК Российской Федерации и, в том числе 2 патента РФ на изобретение.

На защиту выносятся:

- конструкторские решения узловых сопряжений деревянных элементов через упоры переменной жесткости для большепролетных ферм;

- результаты экспериментально-теоретических исследований напряженно-деформированного состояния древесины в узлах ферм при различных технических решениях упорных элементов с переменной изгибной жесткостью;

- критерии выбора эффективных технических решений упорных элементов, в основу которых положены зависимости между переменной жесткостью упорных элементов узловых соединений, их массой и напряженным состоянием древесины;

- практический метод расчета с учетом коэффициентов., учитывающих переменную изгибную жесткость упорных элементов в узловых соединениях Кизгж и влияние поперечной силы в зоне контакта древесины и упора, установленного под углом к продольной оси элемента верхнего пояса фермы.

Объем диссертации: Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, библиографического списка литературы из 139 наименований, в том числе 6 наименований на иностранных языках. Общий объем работы 212 страниц, 105 рисунков, 13 таблиц.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ОБОСНОВАНИЕ ЦЕЛИ И ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Общие сведения. Краткий обзор истории развития решетчатых деревянных конструкций

Идея решетчатых конструкций родилась еще в Древнем мире и реализовывалась строителями на основе интуиции задолго до того, когда была разработана теория их расчета. Это были именно деревянные конструкции. До стальных, и тем более железобетонных, было ещё очень далеко. Развитие конструкций деревянных стропильных ферм шло по пути от наслонных стропил к подвесным системам с одной, двумя и более подвесками -«бабками». С появлением в подвесных стропилах дополнительных подкосов, уменьшающих длину панелей по верхним поясам, названные системы вплотную приблизились к современным конструкциям деревянных ферм. В 1817 г. в покрытии манежа в Москве были применены деревянные фермы (рис. 1.1, а), пролетом почти 50 м, возведенные инженером Карбонье по проекту инженер-генерала Бетанкура [42]. В таком виде покрытие просуществовало до пожара 2003 г., в результате которого оно было полностью уничтожено. Учитывая историческую значимость здания - памятника, покрытие было восстановлено в 2005 г. с использованием подобных ферм из клееной древесины (рис. 1.1, 6) [13].Общими существенными недостатками констр