автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.05, диссертация на тему:Технология изготовления составных деревянных конструкций с металлическими зубчатыми пластинами

На правах рукописи

КАРЕЛЬСКИЙ АЛЕКСАНДР ВИКТОРОВИЧ

ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СОСТАВНЫХ ДЕРЕВЯННЫХ КОНСТРУКЦИЙ С МЕТАЛЛИЧЕСКИМИ ЗУБЧАТЫМИ ПЛАСТИНАМИ

Специальность 05.21.05 - Древесиноведение, технология и

оборудование деревопереработки

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Архангельск 2015

005570130

Работа выполнена в ФГАОУ ВПО «Северный (Арктический) федеральный университет имени М. В. Ломоносова»

Научные руководители:

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор, Лабудин Борис Васильевич доктор технических наук, профессор, Мелехов Владимир Иванович

Рощина Светлана Ивановна

доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых», 600000, г. Владимир, ул. Горького, 87, тел. (4922) 47-98-04 Черных Александр Григорьевич доктор технических наук, профессор, академик Российской академии естественных наук (РАЕН), и.о ректора ФГБОУ ВПО "Санкт-Петербургская государственная художественно-промышленная академия имени А.Л. Штиглица", 191028, г. Санкт-Петербург, Соляной переулок, 13, тел. (812) 273-29-93 ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет», 603950, г. Нижний Новгород, ул. Ильинская, д.65 тел. 8(831) 434-02-91, www.nngasu.ru

Защита состоится «01» июля 2015 г. в 12-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.008.01 при ФГАОУ ВПО «Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова» по адресу: 163002, г. Архангельск, наб. Сев. Двины, 17, главный корпус, ауд. 1220.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГАОУ ВПО «Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова» и на сайте www.narfu.ru. Автореферат разослан <.<,22» ылал 2015 г.

Учёный секретарь /-т-. Земцовский

диссертационного совета, к.т.н / Алексей Екимович

Ведущая организация:

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Древесина - самовозобновляемый природный материал, обладает высокими физико-механическими и конструкционно-технологическими свойствами и используется во многих отраслях промышленности.

Технологии изготовления деталей, изделий и конструкций из древесины постоянно развиваются и применяются в промышленном производстве.

Одним из направлений совершенствования технологий является применение составных деревянных конструкций (СДК) и деревоклееных конструкций (КДК), выполненных на основе конструкционных пиломатериалов.

Для обеспечения составности деревянных конструкций применяются различные виды соединений: клей, нагели, шпонки, нагельные группы, нагельные пластины и др. Однако для некоторых конструкций работа соединений в составе изделия, конструктивные решения и технологии изготовления недостаточно изучены. Поэтому целенаправленное исследование, разработка и совершенствование технологии изготовления составных деревянных балочных конструкций с металлическими зубчатыми пластинами (МЗП) является актуальным.

Объект и предмет исследования являются составные деревянные и деревоклееные балки с дефектами и повреждениями. Предмет исследования - конструктивные и технологические решения по изготовлению СДК и усилению КДК.

Область исследования соответствует требованиям паспорта научной специальности ВАК РФ 05.21.05 - «Древесиноведение, технология и оборудование деревопереработки» п. 1,2,4.

Цель работы - исследование прочностных и деформационных характеристик соединений древесины с МЗП и разработка конструктивных и технологических решений изготовления составных деревянных и деревоклееных конструкций с МЗП.

Для достижения поставленной цели определены задачи:

- выполнить анализ развития конструктивных и технологических решений по усилению деревянных конструкций;

- разработать классификацию дефектов и повреждений составных деревянных конструкций и провести анализ существующих методов и способов усиления;

- обосновать выбор физической и математической модели составных деревянных конструкций с учетом анизотропных свойств материала;

- разработать уточненный алгоритм расчета прочности и жесткости клееных деревянных балок с дефектами и повреждениями;

- выполнить экспериментальные исследования прочностных и деформационных характеристик соединений древесины с МЗП;

- провести численные исследования напряженно-деформированного состояния составных деревянных балок с МЗП;

- выполнить экспериментальные исследования напряженно-деформированного состояния составных деревянных балок с МЗП;

- разработать технологические решения по изготовлению и усилению составных и клееных деревянных балок с МЗП.

Методы исследований.

При проведении исследований использованы методы планирования многофакторного эксперимента и математической статистики, методы тензометрирования, вычислительные программные комплексы и современное инструментальное сопровождение.

Научная новизна результатов исследований:

- разработана расчетно-математическая модель клееных деревянных балок с дефектами и повреждениями;

- предложено научно-обоснованное решение задачи по расчету составных деревянных балок на основе стержневой модели;

- получены научно-обоснованные коэффициенты составное™ kw и кж для деревянных составных балок, соединенных МЗП;

- разработана уточненная методика прочностного и деформационного расчета усиления клееных деревянных балок МЗП и составных деревянных балок с МЗП.

На защиту выносятся:

- результаты теоретических и экспериментальных исследований деревянных составных конструкций с МЗП;

- расчетная модель конструкций с уточненными статико-геометрическими параметрами;

- методика расчета прочностного и деформационного расчета составных и клееных деревянных конструкций с дефектами и повреждениями;

- практические рекомендации по совершенствованию технологии изготовления СДК и усилению КДК.

Практическая ценность работы.

Научно-обоснованные технологические решения по изготовлению СДК и усилению КДК могут быть использованы при восстановлении несущих конструкций и при изготовлении новых балочных конструкций.

Достоверность полученных результатов обеспечивается использованием сертифицированных приборов и оборудования, строгим решением задачи в соответствии с принятыми предпосылками и моделями строительной механики, использованием расчетного программного комплекса SCAD Office (лицензированная версия), сходимостью результатов экспериментальных и теоретических исследований.

Личный вклад автора в решение исследуемой проблемы состоит в разработке программы экспериментальных исследований, получении результатов исследований, их обобщении и анализе.

Реализация результатов работы.

Результаты работы использованы при проектировании усиления балок покрытия ЛДК №3 г. Архангельска и при проектировании балок перекрытия малоэтажных жилых зданий в ООО «Беломорлес».

Апробация работы. Основные положения работы докладывались: на международной научно-технической конференции «Строительная наука-2010: теория, практика, инновации северо-арктическому региону» (г. Архангельск, 20 Юг), на научно-практическом семинаре «Деревянное домостроение в условиях Европейского Севера» (г. Архангельск, 2013г.); на международной научно-технической конференции «Строительная наука-2014: теория, практика, инновации северо-арктическому региону» (г. Архангельск, 2014г.), на VIII международном конгрессе по деревянному строительству (г. Санкт-Петербург 2014).

Публикации. По результатам научных исследований опубликовано 11 печатных работ, в том числе три в изданиях, рекомендованных ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, библиографического списка, изложена на 138 страницах, содержит 54 рисунка, 24 таблицы, 2 приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении отражена актуальность темы исследования, сформулированы цели и задачи, показана научная новизна, дана общая характеристика работы.

В первой главе рассмотрены этапы исследования древесины как конструкционного материала, выполнен анализ основных дефектов и повреждений деревянных конструкций и разработана классификация дефектов и повреждений КДК. Проведен анализ существующих методов и способов усиления КДК. Рассмотрена область применения соединений деревянных конструкций с МЗП.

Исследованием древесины, как конструкционного материала, и деревянных конструкций, в разное время занимались Д.К. Арленинов, П.А. Афанасьев, Е.К. Ашкенази, Р. Бауман, Н.М. П.Ф. Белянкин, С.А. Богословский, Бурый, Ю.Н. Буслаев, С.И. Ванин, A.C. Вареник, И.С. Вдовин, A.B. Гадолин, А.Б. Губенко, Д.И. Журавский, В.Д. Жаданов, Е.М. Знаменский, В.Ф. Иванов, Ю.М. Иванов, И.С. Инжутов, A.B. Д.Н. Кайгоро-дов, Калугин, П.Я. Каменцев, Г.Г. Карлсен, Л.М. Ковальчук, Н.Л., Копей-кин A.M., Леонтьев, Б.В. Лабудин, В.И. Мелехов, А.Н. Митинский, Б.К. Михайлов, Г.Ф. Морозов, А.Я. Найчук, Р.Б. Орлович, А.Х. Певцов, А.Ю. Педдер, Л.М. Перелыгин, В.А. Петровский, С.Н. Пластинин, A.A. Погорельцев, К.П. Пятикрестовский, С.И. Рощина, Р.И. Рыков, Е.И Савков, P.C. Санжаровский, Е.И. Светозарова, E.H. Серов, В.В. Стоянов, А.Е. Теплухов, Х.Д. Тиман, В.И. Травуш, A.B. Турков, С.Б. Турковский, В.Г. Турушев, Б.Н. Уголев, H.A. Филиппов, В.В. Фурсов, В.М. Хрулев, П.Н Хухрянский, Malinowski С, J.Kangas, M.Leivo, L.Ozola и др.

В процессе эксплуатации клееных деревянных конструкций возникают дефекты и повреждения. Наиболее распространенным дефектом являются трещины в клеевом шве. Для высоких балок с отношением h/b>5 трещины могут быть сквозными и снижают несущую способность КДК, которую необходимо восстанавливать.

Вызывает интерес технология усиления КДК с применением МЗП, которая представляет собой стальную пластину с отштампованными и отогнутыми перпендикулярно пластине зубьями. Изучением характерных вопросов работы МЗП с древесиной занимались В.Г. Леннов, Д.К. Арле-нинов, С.Б. Турковский, Ю.Ю. Славик, А.Н. Дурновский, А.К. Наумов, В.Г. Миронов, В.А. Цепаев, В.Г. Котлов, Ю.В. Пискунов, A.B. Крицин и др. В основном исследования проводились применительно к стержневым системам. В то же время вопросы взаимодействия МЗП с древесиной в изгибаемых составных элементах изучены недостаточно. Поэтому целью работы является исследование прочностных и деформационных характеристик соединений древесины с МЗП и разработка конструктивных и технологических решений изготовления составных деревянных и дере-воклееных конструкций с МЗП.

Во второй главе проведены численные исследования прочностных и деформационных характеристик составных деревянных балок, установлены пределы развития опасных трещин в клеевых соединениях КДК, разработаны методики расчета СДК и КДК с МЗП.

Для анализа напряженно-деформированного состояния СДК и КДК предложено рассмотреть составную деревянную балку как шарнирно-стержневую конечно-элементную модель, реализуемую в программных продуктах SCAD Office, Lira Windows, Ansys и т.п. За основу принята теория расчета составных стержней А.Р.Ржаницына с исходными данными и допущениями: в изгибаемых деревянных балках прямоугольного сечения напряжения в сжатой зоне равны напряжениям в растянутой зоне (идеальная балка без дефектов в упругой стадии); толщина шва составного деревянного элемента принимается бесконечно малой; шов рассматривается как податливая упругая связь (клеевой шов при малой толщине является жестким, однако в связи с податливостью древесины вдоль и поперек волокон, можно считать связь податливой), связи устанавливаются непрерывно вдоль шва, связи сдвига воспринимают только растягивающие составляющие усилия сдвига; поперечные связи обеспечивают только прижатие одного стержня к другому; изгибающий момент швом не воспринимается, поэтому стык связей с продольными стержнями принимаем шарнирным,; продольные стержни принимаются монолитными неразрезными на всю длину балки

Деревянные стержни составного сечения приняты как пояса шар-нирно-стержневой схемы (ШСС). Связями сдвига в ШСС являются раскосы, а поперечными связями - стойки. Раскосы в ШСС должны воспринимать только растягивающие усилия, поэтому до середины пролета

ШСС приняты нисходящие раскосы, а от середины - восходящие (Рисунок 1).

Определение статико-геометрических параметров составных изгибаемых балочных элементов для ШСС в зависимости от местоположения шва сдвига представлено выражением (1) и на рисунке 2.

, Ъ2 ,

УиД Уш

\fjp5

ппх ' упп;

У - высота составной балки; Б1, Э2 - шаг поперечных связей Рис. 1 Шарнирно-стержневая схема составной балки из двух стержней Расстояния У между осями поясов ШСС, определяется:

„ Л т И-(т + 2-к) И3 -3-А-т2 -2-т3

У = - + — + —5--+- -----

2 2 3-г-(т + Н) б-(т-И)-(т + И)

(1)

А

асж

V

араст

араст

п V V

г

л 1

У

асж

Р7

К

араст

асж

араст

а б в г

Рис. 2 Определение расстояния между осями поясов ферм а - эпюра нормальных напряжений в прямоугольной балке; б -расстояние между поясами фермы для стыка, расположенного посередине высоты сечения балки; в -расстояние между поясами фермы для стыка, расположенного на 1/3 высоты сечения балки; г -расстояние между поясами фермы для стыка, расположенного на 1/4 высоты сечения балки. Для учета податливости связей сдвига в общем случае в ШСС вводится коэффициент жесткости связей сдвига:

* = % (2), где Е - модуль упругости соединения, равный в данном случае модулю сдвига; 5 - площадь сечения элемента; £ — длина элемента равная расстоянию между поперечными связями.

Преобразуем (2) применительно к клеевому шву (А.Р.Ржаницын)

к=щ

с'

(3)

где Ь - ширина балки; б - модуль сдвига; с - расстояние между осями составных стержней.

Изменением модуля сдвига и размеров сечения элемента в формуле (3), варьируется податливость соединения.

Усилие сдвига до рассматриваемого сечения в ШСС с неразрезными поясами определяется:

(Мвт+М,Ш1)

1

р>

COSCCi 1+

Усилие сдвига на отдельном участке:

Т = Npi cosaj +

(К,

-м.

eni-l

+м„

-м,

нт-1

)

(4)

(5)

(6)

Изгибающий момент в балке:

М=ТхГ,

где Npi — продольное усилие в /-том раскосе; ар, — угол наклона /-го раскоса; М„„„ М„„„ Meni./, MHni.i — изгибающие моменты в поясах ШСС (рисунок 1).

В системе с неразрезными поясами и шарнирным примыканием стоек и раскосов, можно удалять связи сдвига. Это позволяет моделировать «непроклей» в клееной деревянной балке и рассчитывать составные деревянные балки с различными видами связей.

Для анализа влияния непроклеев на напряженно-деформированное состояние КДК по предложенной ШСС выполнен расчет напряженно-деформированного состояния (НДС) клееных деревянных балок с повреждением при равномерно распределенной нагрузке (рисунок 3). Непроклей смоделирован в середине и по торцам балки удалением связей сдвига ШСС. Трещины смоделированы симметричными. Длина трещин принята от а/1 = 0,133 до а/1 = 0,8, где а — длина трещины, / — пролет балки. Проведен анализ следующих параметров: вертикальных перемещений, нормальных напряжений в балке (рисунок 4а,б), касательных напряжений в балке (рисунок 4в,г), сдвигающих усилий в шве.

Трим. Ьтмж) ь анчмжщм,

Трещина |неГфок/1ей)

Поперечные __Вер'ний

>рхнего и нижнего nowoM У

Рис. 3 Приведение составной балки к шарнирно-стержневой системе (шарниры в узлах условно не показаны) а - клееная балка с трещиной посередине пролета; б -приведение балки с трещиной посередине пролета к ферме.

ДЛИНА, №

-♦-При з/1=0 -«- Ru

при 3/1=0,06657 —— при э/1 =0,1333 —*—при а/1 = 0,2 при а/1 =0,2666

—г- при s/i=0.333 ——приа/1=0,4 при з/1=0,466 при a/i=0,5333 при з/1=0.6 при а/1=0,666 при a/í=0.733 при а/! = 0,8

а

с' О О О ■ - - -! (Ч ñ -Ч гч

ДЛИНА, М

-♦-при а/1 =0 -«-Ra

-4-г,ри a/i =0.0666? -и-при а/1 =0,1335

— при a/i = 0,2 ■ при a/i =0,2666

■ приа/1=0,333 при з/:=0,4

при a/i=0,466 при a/i=0,5333

N 7 О Й rt N "Г Й » « N Л М п

COCO Н .-< -Í « N « N О О О О ^ч <н —' г- N N N N

-»-приа/1=0 -«-при а/1 = 0,0666

-*-приаЛ=0,13333 при а/1 = 0.2 -«-приа.Л=0 -*-при а/1 = 0.0666

-»=-лриа/1 = 0.2666 -«-при а/1 =0,33333 -*-лри а/1 = 0,13333 приа/1 = 0,2

—»—при 3/1=0,4 -при 3/1=0.46666 -»-при а/1 = 0,2666 -»-при а/1 = 0,33333

-ПРИ а/1=0,5333 -»-при а/|=0.6 .. „ ,

—+—при а/1=и.4 -при 3/1=0,466со

—•—при 3/1=0,666 -*- пои 3/1=0.73 3

при а/1 = 0.8 —при ,/1=0,5333

В Г

Рис. 4. Зависимости изменений нормальных и касательных напряжений: а,б - для балки с непроклеем в середине пролета, МПа; б,г - для балки с непроклеем на торцах.

Потеря несущей способности балок по теоретическим расчетам происходит при превышении нормальными напряжениями предела прочности древесины на участках с непроклеем. При непроклее в середине балки превышение предела происходит при отношении длины трещины к пролету а11 = 0,67, а при непроклее на торцах - 0,5аII = 0,2.

Расчет составных деревянных балок, соединенных МЗП производится по двум группам предельных состояний по СНиП с введением в них коэффициентов к\у и кж полученных экспериментально:

———<*„ =-—-,<Кт, /„=—■ &1'1' <[/•]. (7)

™прр-к р <Р„-Кпр-К ^ 384 Е-1пр-кж и* >

Шаг и размеры МЗП подбираются по формуле:

J,5(MB-MA)Sfjp

"с --->

"бР

где Т — расчетная несущая способность МЗП в шве; МА, Мв — изгибающие моменты в начальном А и конечном В сечениях рассматриваемого участка; S6p— статический момент брутто сдвигаемой части поперечного сечения элемента относительно нейтральной оси; 16р — момент инерции брутто поперечного сечения элемента относительно нейтральной оси.

Расчетная несущая способность МЗП в шве определяется по формуле:

Т К-пл^расЧ! (9)

где Rm - расчетное сопротивление сдвигу, МПа, определяемое по результатам экспериментальных исследований; Fpac4 - расчетная площадь части МЗП.

Расчет сечения МЗП выполняется:

У(10) где / - толщина МЗП; Л - длина пластины МЗП вдоль шва с вычетом перфорации; 1Ь - расчетное сопротивление пластины срезу.

В третьей главе приведена методика проведения экспериментальных исследований и планирования эксперимента. Дано описание экспериментальных установок и аппаратного сопровождения.

В методике предусмотрено три этапа экспериментальных исследования. На первом этапе определяются физико-механических свойства образцов древесины, вырезанных из экспериментальных балок, при сжатии, изгибе и скалывании по ГОСТ 16483.10-73, ГОСТ 16483.3-73, ГОСТ 16483.5-73. На втором этапе проводится исследование соединения древесины с металлическими зубчатыми пластинами (соединение «МЗП-древесина») на сдвиг. Образец при испытании на сдвиг выполнен в виде пакета из 3-х заготовок сечением 240x105x35 мм, при этом средняя заготовка смещена относительно крайних на 30 мм. МЗП установлены с двух сторон, применены МЗП фирмы Мкек типа СЫА20-М1Т и Т150-М1Т. Деформации определялись ИЧ-10. Рассмотрено два положения пластин

при запрессовке относительно оси пакета и МЗП: 0° и 90° (рисунок 5). Влажность древесины образцов 11-12%.

; =

и ч^твд 9 цццмщ тццщ ицччщ

-ЧИПЧШ; I ' '

О'' ЩЦт»

Рис. 5 Образцы с МЗП, запрессованными под углом 0° и 90° соответственно, и схема испытания соединения. I - доска 240x105x35 (3 штуки); 2 - МЗП марки Т150-М1Т; 3 - сжимающие хомуты; 4 - ИЧ-10 Принят многофакторный метод планирования эксперимента. Учтены 3 фактора: нагрузка (х0, тип МЗП (х2) и угол поворота МЗП в своей плоскости (хз). Построены матрицы факторов и дисперсий, выполнена проверка воспроизводимости результатов опытов по критерию Кохрена, определено уравнение регрессии и по критерию Фишера доказана адекватность его решения:

у = 1,401+0,531x1 +0,844х2-0,62бх3 +0,224Х]х2-0,10бх,х3-0,419х2х3 (11) На третьем этапе выполняется исследование составных балок с МЗП на изгиб. Основной задачей проведения испытаний является определение сдвигоустойчивости составного шва с МЗП. Для испытаний принят элемент с одним швом, состоящий из двух стержней. Пролет балок 3 м. Высота сечения балки И = 300 мм, ширина Ь = 50 мм. Шов расположен посередине высоты сечения балки. Для исключения потери устойчивости балки попарно раскреплены вертикальными диафрагмами. Опирание балок - шарнирное. Испытание проводится по двухточечной схеме загружен™ (рисунок 6). Общий вид экспериментальной установки приведен на рисунке 7.

1 1-1

2 - - Iе— 8 5

-тт С

210 .200 210 200 .210 700 ,210 к 50

¥

¥

1000

1000

1000

Рис. 6 Модель экспериментальной балки и схема нагружения 1 - доска 150x50 мм; 2 -

МЗП 200x150 мм.

Рис. 7 Общий вид экспериментальной установки

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований. В результате испытания образцов древесины по ГОСТ 16483.10-73, ГОСТ 16483.3-73, ГОСТ 16483.5-73 определены расчетные сопротивления древесины при сжатии вдоль волокон 11,31 МПа, при изгибе 8,89 МПа и при скалывании 1,69 МПа, что соответствует расчетным сопротивлениям пиломатериалов III сорта.

Для исследования соединения «МЗП-древесина» в соответствии с сеткой планирования опытов изготовлено 12 образцов соединений. Результаты исследований соединений на сдвиг приведены в таблице 1 и на рисунке 8 в виде зависимостей.

Таблица 1. Результаты испытания соединений «МЗП-древесина»

№ Параметр T150 приО0 T150 при 90° GNA20 при 0° GNA20 при 90°

1 Разрушающее усилие N1, кН 62,50 46,25 42,50 32,50

2 Деформации 81, мм 4,15 1,85 1,18 0,55

3 Усилие, соответствующее верхней границе области линейных деформаций Ni.ii, кН 46,10 28,90 41,10 19,90

4 Деформации 6i.ii, мм 2,38 0,60 0,40 0,10

5 Единичная податливость, соответствующее верхней границе области линейных деформаций, кНсм" 36,88 14,83 6,95 3,59

6 Модуль сдвига соединения Ее, Мпа 92,24 229,37 489,29 947,62

7 Продолжительность испытаний, сек 810,00 360,00 1690,00 810,00

8 Приведенная к неизменному действию разрушающего усилия Ы, продолжительность испытаний, сек 21,20 9,42 44,24 21,20

9 Коэффициент надежности, Кпл 2,29 2,34 2,24 2,29

10 Несущая способность соединения, К[ь кН 27,32 19,78 18,96 14,21

11 Расчетная несущая способность двухстороннего соединения на МЗП на единицу площади, МПа 2,13 1,61 1,35 1,31

70

50

а б

Рис. 8 Диаграмма зависимости N-5 при испытании на сдвиг соединения деревянных конструкций на МЗП при углах 0 и 90 градусов: а - для Т-150; б- для СЫА-20 Характер разрушения во всех образцах - пластичный. При определении коэффициента надежности соединения деревянных конструкций использована зависимость (Иванов Ю.М., Цепаев В.А., Миронов В.Г):

кт = 1,54-(1,61-0,094-(12)

Для оценки деформативности соединения на МЗП определена единичная податливость (В.Г. Котлов):

~8а=31~ПА-п Л (13>

Несущая способность СЫА-20 на 30% меньше, чем у Т-150. Податливость соединения GNA-20 на 81% меньше, чем у Т-150, это объясняется большей жесткостью зуба.

При испытании составных балок с МЗП установлено разрушение двух типов: I тип — пластичное разрушение при образовании продольной трещины под МЗП (разрушающая нагрузка 58 кН); II тип - хрупкое разрушение от нормальных напряжений в середине длины балки в местах ослабления от сучков (разрушающая нагрузка 34 кН), что объясняется неоднородностью и анизотропией материала.

Результаты приведены в таблице 2 и на рисунке 9.

_ 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 40 44 48 52 56 * Прогиб, мм

{

/ ! 7

!

. ' Ï.....

1

0,0 0,5 1,0 1,5 2.0 2

Балка без связей - Балка цельного сечения

а

S

M -.

Суммарный сдвиг, мм Балка с МЗП. I тип разрушения Балка с МЗП. II тип разрушения

б

Рис. 9 Экспериментальные зависимости: а - максимального прогиба балок от нагрузки; б - суммарного сдвига от нагрузки; Результаты испытаний балок I типа положены в основу физической и математической шарнирно-стержневой модели, реализованной в программном комплексе SCAD Office (таблица 3). Хорошая сходимость результатов экспериментальных и численных исследований НДС балки подтверждает правомерность выбранной математической модели. Таблица 2 Результаты испытаний составных балок

Показатель Ед. изм. Балка с МЗП, I тип разрушения Балка с МЗП, II тип разрушения

Разрушающая нагрузка, N кН 58,00 34,00

Расчетная нагрузка, N1-11 (в упругой стадии) кН 35,40 34,00

Коэффициент надежности, Кпл 2,24 -

Коэффициент надежности, Кхр - 2,76

Прогиб Г при Ni.ii мм 22,51 24,93

Расчетный прогиб f цельной балки при Ni.ii по СНиП П-25-80 мм 15,06 14,46

Коэффициент Кж 0,67 0,58

Нормальные напряжения, овсрх при Nt МПа 32,10 21,00

при Ni-n 23,20

Нормальные напряжения, аниж при Ni МПа 33,30 21,30

при Ni-ii 23,80

Нормальные напряжения при Nm для цельной балки МПа 23,60 22,67

Коэффициент Kw 0,99 1,06

Сум. сдвиг S при Nt мм 2,46 0,36

Сум. сдвиг S при Nui мм 0,23 0,36

В результате численных исследований получены значения коэффициентов К\у и Кж, которые учитывают податливость соединений МЗП при расчете двухярусных составных балок.

Таблица 3 Сравнение результатов исследований балки I типа разрушения

Показатель Ед. изм. Экспериментальные исследования Теоретические исследования Расхождение результатов, %

Разрушающая нагрузка Ni кН 58,00 58,00 -

Расчетная нагрузка Nui в упругой стадии кН 35,40 35,40 -

Прогиб f при Ni-ii мм 22,51 23,05 2,34

Нормальные напряжения аюрх при Nl-II в середине пролета МПа 23,20 24,61 5,73

Нормальные напряжения а™* при Ni-н в середине пролета МПа 23,80 24,53 2,98

В зависимости от местоположения в пролете и вертикальной равномерно распределенной нагрузки вычислены максимальные коэффициенты составное™. Наибольшие значения Кж получаются при распределении МЗП на участке 0,2...0,3 пролета балки, а К\у на участке 0,35...0,4 пролета (рисунок 10). Значения Кж варьируются от 0,6 до 0,97, а К\у от 0,85 до 1.

г\ч

0,00 0,10 0,20 0,50 0,40 0,50 пролет

— Бзлнэ 3 м при Ч=2кН/м и 5 МЗП Бз,-:*Э 4,5 м при. q=ZxH/M и. S МЗП

—Бая«а б «при q=2xH/'w к 5 МЗП

—Балка 3 м при q=2xH/w « 3 МЗП

— Балкк 3 'л при q=5 кН/м и 4 МЗП

1Д5 1Д 1,05

5

х 1

6

s

fo.ss

с

0,9 0,85 0,8

0,00 0,10 0,20 0,30 0.40 0.50 Пролет

Рис. 10 Зависимости коэффициентов составное™ Кж и Kw от местоположения МЗП.

В пятой главе приведена технология заводского изготовления и усиления деревянных составных балок с МЗП.

Технологический процесс изготовления составных деревянных балок с МЗП осуществляется в следующем порядке:

Выполняется отбор сухого пиломатериала по группам, производится фрезерование пластей и боковых кромок. Формируется сечение заготовок, производится постсортировка с выявлением недопустимых пороков и выполняется защитная обработка. Из отобранных заготовок формируется пакет с проектным сечением составной балки. Пакет поступает на сборочный стапель и ориентируется боковой поверхностью параллельно столу, на котором предварительно разложены по схеме упрочняющие элементы - металлические зубчатые платины. Сориентированный пакет укладывают на острие выступов зубчатых элементов. На противоположной стороне пакета симметрично раскладывают пластины, ориентированные острием зубьев вниз. Далее производят запрессовку МЗП симметрично с двух сторон гидрофицированным оборудованием. На всех стадиях изготовления производится текущий контроль. После запрессовки получившаяся составная конструкция транспортируется на участок ОТК, где производятся контрольные испытания по прочности и жесткости; выполняется маркировка продукции, составляются паспорт и сертификаты. В случае особых требований производится упаковка конструкции в полиэтиленовую пленку. Готовая продукция транспортируется на склад.

Технологический процесс усиления клееных деревянных балок МЗП на объекте (рисунок 11) осуществляется в следующей последовательности:

Выполняется обследование технического состояния КДК с составлением ведомостей дефектов и повреждений, документированием, разработкой детальных схем расположения дефектов. Разрабатывается проектная документация по усилению балки с указанием мест установки, размеров, шага и типа МЗП, технологическая карта на производство работ, в которой предусмотрен выбор конструктивных решений и оснастки. Выполняется устройство лесов, подмостей, подъемных механизмов. Осуществляется подготовка поверхности усиливаемых участков балки. Производится разгрузка конструкции. Устройство для запрессовки поднимается на проектную отметку и осуществляется последовательная запрессовка МЗП одиночно или попарно в соответствии со схемой расстановки МЗП. При запрессовке выполняется обязательный контроль равномерности погружения зубьев в древесину, не допускается изгиб зубьев и пластины. После усиления балки осуществляется демонтаж разгружающих элементов. Выполняется визуально-инструментальная проверка качества выполненных работ. При необходимости выполняется защитная обработка соединения МЗП. После установки МЗП для ответственных

конструкций предусмотреть испытание балок в соответствии с нормативами.

"За

Рис. 11 Схемы усиления составных деревянных балок при помощи МЗП.

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

В результате проведенных исследований можно заключить:

1. Проведены исследования и разработаны технологические и конструктивные решения по изготовлению составных деревянных и дере-воклееных конструкций с МЗП

2. Выполнен системный анализ дефектов и повреждений КДК. Разработана классификация дефектов и повреждений клееных деревянных конструкций. Установлены пределы развития опасных трещин в клеевых соединениях КДК и меры по их ограничению.

3. Рассмотрены способы усиления КДК, обоснован выбор физической и математической модели составных деревянных конструкций. Предложенная шарнирно-стержневая модель позволяет определять усилия сдвига и характер распределения их в любом сечении составной балки.

4. Разработана уточненная методика расчета прочности и жесткости КДК с дефектами и повреждениями. Для моделирования дефектов и повреждений клеевого шва в балке предложена расчетная модель в виде шарнирно-стержневой системы.

5. Определены параметры сдвигоустойчивости МЗП системы М1Тек в зависимости от угла направления пластин к волокнам древесины: податливость, модуль сдвига, расчетная несущая способность соединения МЗП.

6. Прочность составных деревянных балочных конструкций с МЗП повышается в 1,5 ..2 раза, а жесткость в 2...3 раза.

7. Технологические и конструктивные решения по усилению КДК с МЗП рекомендуется использовать на объектах реконструкции с деревянными изгибаемыми несущими элементами

8. В инженерных расчетах СДК рекомендуется применять коэффициенты составности Кж = 0,6...0,97 и К\у = 0,85... 1,0.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Карельский A.B. Испытание на изгиб деревянных составных балок, соединенных металлическими зубчатыми пластинами, разрушающей нагрузкой /Карельский A.B., Журавлева Т.П., Лабудин Б.В. //Инженерно-строительный журнал - С-Петербург, 2015 -№2 с. 7785.

2. Карельский A.B. Испытание на сдвиг элементов деревянных конструкций, соединенных металлическими зубчатыми пластинами /Карельский А.В, Лабудин Б.В, Мелехов В.И.//Строительство и реконструкция -Орел, 2015 - № 1 - с .11 -16

3. Карельский A.B. Требования к надежности и безопасной эксплуатации большепролетных клееных деревянных конструкций /Карельский А.В, Лабудин Б.В, Мелехов В.И. //ИВУЗ. Лесной журнал. - Архангельск, 2012. - №3. - с.143-147.

публикации в других изданиях

4. Карельский A.B. Испытание на изгиб деревянных составных балок, соединенных металлическими зубчатыми пластинами / Журавлева Т.П, Карельский А.В, Лабудин Б.В.//Строительная наука - 2014: теория, образование, практика, инновации: сборник трудов международной научно-технической конференции. - Архангельск: Северный (Арктический) федеральный университет, 2014 г-с. 156-163.

5. Карельский A.B. Классификация дефектов и повреждений конструкций, выполненных из клееной древесины /Карельский А.В, Лабудин Б.В, Мелехов В.И. //Деревянные конструкции - 2011: образование, практика, инновации в странах Баренцева Евро-Арктического региона. Сборник научных трудов Международного научно-образовательного семинара. - Архангельск: Издательство ООО «Агентство рекламы «РАД», 2012 г. -с.91-95

6. Карельский A.B. Об актуальности вопроса живучести зданий и сооружений из клееной древесины /Карельский А.В, Лабудин Б.В, Мелехов В.И. //Вузовская наука - региону: Материалы восьмой всероссийской научно-технической конференции. В 2-х т. -Вологда: ВоГТУ, 2010. - Т.1. -с. 203-204

7. Карельский A.B. Обследование приопорных зон арок покрытия Дворца Спорта в г. Архангельске. /Карельский А.В, Лабудин Б.В, Серов E.H. //Строительная наука — 2010: теория, практика, инновации северо-арктическому региону: сборник научных трудов международной научно-технической конференции. - Архангельск: Северный (Арктический) федеральный университет, 2010 г - с. 188190.

8. Карельский A.B. Определение усилия сдвига в деревянных составных балках /Карельский А.В, Вешняков A.B., Журавлева Т.П.

//Строительная наука - 2014: теория, образование, практика, инновации: сборник трудов международной научно-технической конференции. - Архангельск: Северный (Арктический) федеральный университет, 2014 г - с. 183-190.

9. Карельский A.B. Результаты натурных обследований деревянных гнутоклееных арок крытого катка в г. Архангельске после длительной эксплуатации /Карельский A.B. //Теоретические основы строительства. Сборник научных трудов XIX Польско-словацко-российского семинара. -Словакия, г. Жилина, 12-16 сентября 2010 г. -М.: Издательство АСВ, 2010 г. - с. 177-180

10.Карельский A.B. Результаты натурных обследований конструкций зданий плавательных бассейнов после длительной эксплуатации на севере./ Яшкова Е.А, Варфоломеев Ю.А., Попов А.Н., Карельский А.В.//Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов. Сборник научных трудов. Выпуск 73. - Архангельск 2007 г. - с. 274-277

11. Карельский A.B. Обследование строительных конструкций после пожара. /Карельский A.B., Лабудин Б.В, Мелехов В.И. //Актуальные проблемы лесного комплекса/ Под ред. Е.А. Памфилова. Сборник научных трудов по итогам международной научно-технической конференции. Выпуск 24. - Брянск: БГТИА, 2009 г. -с. 94-96.

Подписано к печати 15.05.2015 г. Формат 60x84/16 Объем 1,0 усл. п.л. Тираж 100 экз. Заказ №588

Отпечатано с готового оргинал-макета ООО «Агентство рекламы «РАД» 163000, Архангельск, ул.Садовая, 38