автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Тонкостенная металлодеревянная двутавровая балка с ребрами жесткости в виде полуцилиндрических гофров

На правах рукописи

АКТУГАНОВ АЛЕКСАНДР АНАТОЛЬЕВИЧ

ТОНКОСТЕННАЯ МЕТАЛЛОДЕРЕВЯННАЯ ДВУТАВРОВАЯ БАЛКА С РЕБРАМИ ЖЕСТКОСТИ В ВИДЕ ПОЛУЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ГОФРОВ

05.23.01 — Строительные конструкции, здания и сооружения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

11 АПР 2013

Казань - 2013

005051796

005051796

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Поволжский государственный технологический университет»

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент,

Котлов Виталий Геннадьевич

Официальные оппоненты: Жаданов Виктор Иванович,

доктор технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный университет», профессор кафедры «Строительные конструкции»

Хисамов Рафаиль Ибрагимович, кандидат технических наук, профессор ФГБОУ ВПО «Казанский государственный архитектурно-строительный университет», профессор кафедры «Металлические конструкции и испытание сооружений»

Ведущая организация ФГБОУ ВПО «Нижегородский государ-

ственный архитектурно-строительный университет»

Защита состоится «8» апреля 2013 г. в 15.00 час. на заседании диссертационного совета Д 212.077.01 при Казанском государственном архитектурно-строительном университете по адресу: 420043, г. Казань, ул. Зеленая, д. 1, ауд. 3-203 (зал заседаний Ученого совета).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Казанский государственный архитектурно-строительный университет».

Автореферат разослан «6» марта 2013 г.

Ученый секретарь «л

диссертационного совета Абдрахманова Л.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

В настоящее время быстрыми темпами развивается коттеджное и малоэтажное строительство. В несущих конструкциях каркаса, покрытий и перекрытий таких зданий широко применяются тонкостенные стальные профили или конструкции из древесины. Каждая из этих стальных и деревянных конструкций имеет свои преимущества и недостатки, например, по несущей способности, жесткости, звукопроницаемости, теплотехническим, и прочим свойствам. Это способствует расширению рынка новых строительных конструкций, обладающих рядом конструкционных качеств, которые обеспечивают сохранение несущей способности при снижении массы конструкции, уменьшение срока строительства, повышение энергоэффективности и снижение эксплуатационных расходов. Из этого вытекает целесообразность сочетания в несущих конструкциях при пролетах более 6 м наиболее положительных эффективных свойств металла и древесины за счет их оптимального конструктивного комбинирования. Одной из таких конструкций является двутавровая балка, пояса которой выполнены из древесины, а стенка - из тонколистовой оцинкованной стали, в которой выштампованы гофры полуцилиндрической формы. Сочетание указанных материалов в конструкциях балки вызывает вопросы, связанные с их совместной работой и требует проведения исследований по разработке методики расчета, экспериментальному исследованию их действительной работы и оценке технико-экономических преимуществ. Поэтому разработка методики расчета и исследование работы тонкостенных металлодеревянных балок и напряженно-деформированного состояния является актуальной задачей.

Целью работы является создание нового конструктивного решения и методики расчета напряженно-деформированного состояния тонкостенной металлодеревянной двутавровой балки с ребрами жесткости в виде полуцилиндрических гофров, с экспериментальной проверкой теоретических положений.

Поставленная цель достигается на основе решения следующих задач:

• анализа существующих методик расчета и выявления недостатков существующих конструктивных решений тонкостенных деревянных и металлических двутавровых балок;

• численным исследованием напряженно-деформированного состояния (НДС) балки и получением аналитической методики расчета, с уточнением существующих положений расчета несущей способности и жесткости;

• экспериментальными исследованиями напряженно-деформированного состояния тонкостенной металлодеревянной двутавровой балки с ребрами жесткости в виде полуцилиндрических гофров;

• технико-экономической оценкой эффективности внедрения полученных результатов в производство.

Научная новизна работы заключается в следующем:

• в новом конструктивном решении тонкостенной металлодеревянной двутавровой балки с ребрами жесткости в виде полуцилиндрических гофров, позволяющем эффективно сочетать работу древесины и металла, а также обеспечивающем снижение материалоемкости по сравнению с существующими типами конструкций тонкостенных балок;

• в получении аналитических зависимостей для определения критического касательного напряжения и модуля сдвига для тонких пластин, работающих в закритической стадии;

• в уточнении зависимостей при работе стенки балки в закритической стадии работы для деревянных поясов, тонких стенок и полуцилиндрических гофр с учетом работы устойчивой части стенки на основе существующих методов расчета.

Достоверность результатов обеспечена применением апробированных численных методов решения и экспериментальными результатами, согласованными с «Рекомендациями по испытанию деревянных конструкций». Применением теории планирования и математической статистики при обработке экспериментальных данных.

Практическая значимость:

• разработана методика расчета несущей способности предложенного конструктивного решения;

• разработаны рекомендации по расчету и конструированию тонкостенных металлодеревянных двутавровых балок.

Реализация результатов исследований: предложенное новое конструктивное решение тонкостенной металлодеревянной двутавровой балки, реализовано при разработке проектов складского помещения для хранения строительных материалов фирмы ООО «Стезя-Дом»; при разработке проекта склада готовой продукции ООО «Сувенир» и мансардного этажа в г. Йошкар-Ола; в учебном процессе при изучении курсов «Проектирование и исследование легких металлических конструкций» и «Строительные конструкции в малоэтажном деревянном домостроении».

На защиту выносятся:

• результаты анализа методик расчета и конструктивных решений тонкостенных двутавровых балок;

• конструкция тонкостенной металлодеревянной двутавровой балки, подтвержденная патентами РФ (№238285, № 2441120);

• алгоритм численного расчета напряженно-деформированного состояния тонкостенной металлодеревянной двутавровой балки с ребрами жесткости в виде полу цилиндрических гофров;

• аналитическая методика определения напряженно-деформированного состояния тонкостенной металлодеревянной двутавровой балки с учетом особенностей конструктивного решения;

• результаты экспериментальных исследований действительной работы тонкостенных металлодеревянных двутавровых балок, подтверждающие основные теоретические положения.

Апробация работы:

Основные результаты выполненных исследований доложены на научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава МарГТУ (ныне ПГТУ) (г. Йошкар-Ола в 2008-2012 г.), международной научно-технической конференции «Строительная наука 2010» (г. Владимир, 2010 г.), научно-практической конференции «Современные деревянные конструкции. Теория. Практика. Эксперимент» (г. Санкт-Петербург, 2010 г.), Всероссийской междисциплинарной научной конференции: «Пятнадцатые Вавиловские чтения — Россия в глобальном мире: вызовы и перспективы» (г. Йошкар-Ола, 2011г.), международных научных молодежных конференциях по естественнонаучным и техническим дисциплинам «Научному прогрессу творчество молодых» (г. Йошкар-Ола, 20082011 г.), на 64-й Всероссийской научной конференции (г. Казань, 2012 г.), международной научно-практической конференции «Научные исследования и их практическое применение. Современное состояние и пути развития 2012» (г. Одесса, 2012 г.), международной конференции «Новое в архитектуре, проектировании строительных конструкций и реконструкции» (г. Чебоксары, 2012 г.).

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 18 работ, в том числе две научные статьи в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ. Новизна технических решений подтверждена двумя патентами РФ: № 2382855 «Металлодеревянная двутавровая балка», № 2441120 «Метал-лодеревянная двутавровая балка».

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и приложений. Работа изложена на 151 листе машинописного текста, содержит 4 таблицы, 81 рисунок в виде графиков, схем, фотографий и 4 приложения. Список литературы включает 155 наименований.

Автор выражает глубокую благодарность за помощь в работе доктору технических наук, профессору Кузнецову Ивану Леонидовичу, а также коллективу кафедры «Металлические конструкции и испытание сооружений» Казанского государственного архитектурно-строительного универ-

ситета за ценные советы, учтенные при выполнении диссертационной работы.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, определены ее значение и направленность. Дана общая характеристика работы, сформулированы цель и задачи исследования.

Первая глава посвящена анализу опыта применения и исследования способов совершенствования конструктивных форм и методов расчета деревянных и тонкостенных металлических двутавровых балок различных конструктивных решений.

В результате исследования установлено, что в современном строительстве используются различные типы тонкостенных металлических двутавровых балок, которые можно отнести к двум основным группам (металлические балки с гибкой стенкой и металлические балки с гофрированной стенкой). Деревянные балки, в свою очередь, подразделяются на клееные балки, клеефанерные балки, брусчатые балки на пластинчатых нагелях. При этом каждая группа имеет свои преимущества и недостатки.

В исследование и совершенствование конструкций деревянных двутавровых балок значительный вклад внесли Г. Г. Карлсен, В. С. Деревя-гин, В. В. Большаков, М. Е. Каган, Г. В. Свенцицкий, В. М. Коченов, Д. А. Кочетков, В. Е. Шишкин, В. Ф. Иванов, П. А. Дмитриев, В. И. Жа-данов, И. С. Инжутов, А. И. Отрешко, А. К. Наумов, В. Г. Котлов, В. Ю. Щуко, С. И. Рощина, Ю. М. Иванов, Ф. П. Белянкин и др.

В исследовании и совершенствовании конструкций, а также методик расчета тонкостенных металлических двутавровых балок отмечена значительная роль Д. И. Журавского, С. П. Тимошенко, Н. С. Стрелецкого, А. И. Балабуха, Б. М. Броуде, Б. Б. Лампси, Е. И. Беленя, И. Л. Кузнецова, В. В. Горева, А. Л. Васильева, Г. А. Ажермачева, Е. М. Концевого, Я. И. Олькова, А. Н. Степаненко и др. Из зарубежных авторов исследованием тонкостенных металлических двутавровых балок занимались В. Фейрберн, М. Хуботт, В. Лилли, Ф. Турнор, X. Мур, В. Уилсон, Р. Са-утсвелл, С. Бергман, X. Вагнер, С. Скан, и др.

Исходя из проведенного анализа опыта применения тонкостенных металлических и деревянных балок, сформулированы цели и задачи исследования.

Во второй главе рассмотрено новое конструктивное решение метал-лодеревянной тонкостенной двутавровой балки и результаты её численных исследований.

Металлодеревянная тонкостенная двутавровая балка (рис. 1, а) с ребрами жесткости в виде полуцилиндрических гофров включает верхний 1 и нижний 2 пояса из древесины и тонкую металлическую стенку 3 с поперечными гофрами из оцинкованной стали. Соединение стенки с полками

выполнено на клею. Для обеспечения местной устойчивости в стенке вы-штампованы ортогональные гофры в виде полуцилиндра радиусом г, который является высотой гофра f. Гофры ориентированы в разные стороны относительно оси балки. В поясах балки выполнен пропил 5 и цилиндрические углубления 6, в которые вставлены плоские и гофрированные участки кромок стенки 3, при этом гофры 4 зафиксированы в углублениях 6 цилиндрическими нагелями 7.

В целях увеличения местной устойчивости стенки и сдвиговой жесткости металлодеревянной тонкостенной двутавровой балки разработан второй её вариант (рис. 1, б). Для повышения прочности нагельного соединения со стороны цилиндрического нагеля устанавливаются дополнительные крепежные элементы, по форме повторяющие фрагмент стенки, включающие гофр и плоские участки стенки с каждой его стороны. В цилиндрические углубления 6 вставлены плоские и гофрированные участки кромок стенки 3 и вставки 8, при этом гофры 4 и вставки 8 зафиксированы в углублениях б и цилиндрическими нагелями 7, выполненными на

крепежными элементами

Соединения тонкой стенки с полкой выполнены на клею и усилены цилиндрическими нагелями, вставленными в заглубления в полках на клею. Все соединения деревянных конструкций являются податливыми, за исключением клеевых. Клеевые соединения прочны и монолитны, поэтому клееные элементы рассчитывают как элементы цельного сечения. Таким образом, соединение полок со стенкой является жестким, что учтено при численном исследовании работы тонкостенной металлодеревянной балки и в аналитических расчетах.

Для численного и экспериментального исследования подобраны и выбраны сечения балок пролетом 3 м - высота сечения 300 мм принята из условия жесткости, пояса 100x40 мм - из условия прочности, стенка из

оцинкованной стали толщиной 0,7 мм - из условия предельной гибкости, равной Я,„ = 400. Для обеспечения местной устойчивости стенки были выштампованы ортогональные полуцилиндрические гофры радиусом 20 мм с шагом 250 мм. В опорной зоне предусмотрено дополнительное ребро жесткости, установленное на расстоянии 120 мм от опоры. Физико-механические свойства приняты для поясов - по результатам экспериментального исследования образцов древесины на сжатие и изгиб, для стенки — по ГОСТ 14918. Численное исследование НДС проведено по программному комплексу «SCAD 11.1».

Построение модели велось в трехмерном пространстве oXYZ в масштабе 1:1. Для моделирования стальной стенки и полуцилиндрических гофров радиусом г = 20 мм использовались плоские четырехузловые прямоугольные конечные элементы. Для моделирования поясов и опорных ребер из древесины использовались объёмные восьмиузловые изопара-метрические конечные элементы (КЭ-36). Расчетная схема по первой модели (РС-1) представляла балку с поясами из древесины и стенкой из тонколистовой оцинкованной стали, загруженную сосредоточенной нагрузкой в 1/3 пролета, исполненную в виде конечно-элементной модели (рис. 2 а).

Расчетная схема по второй модели (РС-2) представляет собой ферму, пояса которой повторяют пояса балки, а стойка состоит из поперечного сечения гофра и устойчивой части стенки по обе стороны от него шириной 0,65tw^E / Ry . Площадь растянутых раскосов принимается вариант-

но: как из условия равенства угла сдвига стенки отсека решетчатого аналога, так и по методике балок с гибкой стенкой (рис. 2 б).

Численные исследования показали, что в тонких прямоугольных отсеках стенки между полками и ортогональными гофрами, в диагональном направлении образуются наклонные волны. Это подтверждается также и исследованиями работы балок с гибкой стенкой, проведенными другими авторами. Образование наклонных волн свидетельствует о переходе стенки в закритическую стадию работы, а образовавшиеся наклонные гофры воспринимают растягивающие усилия от действия поперечных сил. Восприятие нормальных и перерезывающих сил происходит по типу решетчатой конструкции. Нормальные усилия воспринимаются поясами и устойчивой частью стенки вдоль поясов, а перерезывающие усилия — поперечными гофрами (стойками) и устойчивой частью стенки с обеих сторон, работающими на сжатие, и нисходящими раскосами, работающими на растяжение. Поэтому металлодеревянную балку можно представить как решетчатую балку, т.е. как ферму с параллельными поясами высотой равной высоте балки, которые повторяют пояса балки, а решетка включает

ет стойки и нисходящие раскосы, работающие на растяжение. Данная решетчатая ферма

Результаты численного исследования НДС тонкостенной металлоде-ревянной двутавровой балки по двум расчетным моделям (РС-1 и РС-2) приведены на рис. 3. Расхождение нормальных напряжений в поясах составило 5,0 %, прогибов - 7 %, сдвига пояса относительно стенки -4,5 %.

а) б)

Р Р

1 - |з

тщзоо .зоо .зоо ,т .зоо .зоо ,т .зоо шл __________________1._____:___________зооо________________________

Рис. 2. Расчетные схемы балок: а) по первой модели; б) по второй модели

б)

- Рвот в* 1 и««п 4' -а Ркчп м 2 ивдош у г 6л учет* Апорпог* ивматга

Ж

и* 1 ньаыт с учетам анврнот» мвмтта

24001

20006

16000 //

12000 //

в»(М У

-с-РвСЧСГПО 1 модели

у/ -с Расчет по 2 иедоли

о, мм /.«*

Рис. 3. НДС балки: а) напряжения в поясах балки б) прогиб балки

В третьей главе изложен аналитический метод определения НДС тонкостенной металлодеревянной двутавровой балки.

Численные исследования показали, что в тонкостенных металлодере-вянных балках, можно выделить три зоны работы: зона чистого изгиба, зона чистого сдвига и зоны, где одновременно действуют изгибающий момент и поперечная сила.

Расчет поясов металлодеревянной тонкостенной балки в условиях ее работы, близкой к чистому изгибу, выполняется на нормальные усилия сжатия и растяжения. Тонкая стенка между гофрами после образования диагональных волн работает в закритической стадии и практически не воспринимает нормальные напряжения, за исключением устойчивой части стенки, которая включается в состав сжатого пояса, как это допускается нормами для внецентренно-сжатых элементов. Пояс балки рассмат-

вается как неразрезная балка, лежащая на упругих опорах-гофрах, в которой кроме нормальных усилий возникают и изгибающие моменты. Нижний пояс балки рассматриваем как центрально-растянутый или внецен-тренно-растянутый элемент, а верхний пояс - как центрально-сжатый или внецентренно-сжатый элемент (сжато-изгибные элементы). Исходя из этого условия, определяем:

N

прочность -¿1,0; (1)

А^+Б-^Яу

N

устойчивость -< 1,0, (2)

где N - Л/ / у — продольное усилие; V — расстояние между центрами сечения поясов; Л' = 0,65 ■ /1{/ ¡/:/ Ну - устойчивая часть стенки; - толщина стенки; Аг - площадь поперечного сечения пояса; И1, — расчетный момент сопротивления пояса, включая устойчивую часть стенки; Яу- расчетное сопротивление древесины, равное Яр - при работе на растяжение, Ис- при работе на сжатие и Ку- расчетное сопротивление материала стенки;

<р = \- 0ДЯ/100)2, но не менее 70;

Численные результаты исследования показали, что над ребрами жесткости в верхнем поясе тонкостенной металлодеревянной двутавровой балки, над поперечными гофрами и в пролете между ними появляются дополнительные изгибающие моменты (рис. 4 а)

Значение дополнительного изгибающего момента над опорами предлагаем определять по аналогии работы балок с гибкой стенкой, но с учетом работы пояса из древесины. В закритической стадии работы стенки момент над гофрами равен

(3)

где Фг = 0,25/-/0 ; О = £7,,, /(£у./у) • сох4 а ; а - угол наклона диагонали отсека.

Прочность пояса с учетом опорного момента над гофрами определяем по формуле

N М-к

<1,0, (4)

где МК = М!($-кн) - изгибающий момент в расчетном сечении для балок, лежащих на упругом основании, от действия поперечных нагрузок над ребрами жесткости; кн =ая +£(1-ав),а„ = 1,22 - при треугольной эпюре, аи = 0,81 - при прямоугольной эпюре; 4 = \-Ы1(<р-11с ■ А^) - коэффициент, учитывающий деформированную схему работы пояса, 0 < 4 < 1,0; к = Яр / Я,, .

б)

1: С

< £дхт а

--— У

/

Рис. 4. Работа металлодеревянной балки в закритической стадии: а) моменты в поясах от действия поперечных сил; б) деформации стенки при образовании диагональных волн Тонкая стенка представляет собой прямоугольную пластинку, защемленную полками и поперечными гофрами. Численные исследования, а также исследования работы балок с гибкой стенкой, проведенные другими авторами, показали, что при выпучивании пластинки образуются наклонные волны, близкие к прямолинейным. Рассмотрим виртуальный прогиб пластины по синусоиде. По С. П. Тимошенко и Б. М. Броуде, для пластинки с конечным отношением сторон прогиб имеет вид

Л1 = 1//=1

. т-я-х . п-7с-у •5111--вш-

(5)

а Ь

Решая уравнение методом Ритца и аппроксимируя выражение для прогиба с помощью ряда, получаем критическое касательное напряжение для тонких пластин:

(6)

где 4 - поправочный коэффициент, учитывающий работу стенки в закритической стадии; ц - отношение ширины отсека к высоте в пределах (1... 1,25)/?»..

81 81

1+-+

625

81 11+//2

25 (9 V

(7)

11 + 9^7

Устойчивость стенки обеспечена, если

фсг< 1, (8) где т = (Э/Он-Ь^ ; Q - поперечная сила в середине отсека.

При работе стенки в закритической стадии (рис. 46) оси главных напряжений в отсеках смещаются относительно кромок на угол, равный ух и уу. Одно из этих напряжений является растягивающим, а другое -

сжимающим. Таким образом, создается система наклонных растягивающих усилий, уравновешенных реакциями поперечных ребер (гофров). Рассматривая эту модель как диагонально-растянутое поле, получим деформации по направлениям х и у :

(ех = е cos2 а + еч sin2 а еу=Е sin2 а+еч cos2 а

Принимая, что подкрепляющие ребра недеформируемые, т.е. ех =sY = 0 , получим г = 0,25Еу. Вводя понятие приведенного модуля сдвига Gx, характеризующего жесткость пластинки после образования наклонных волн, будем иметь: G, = т/у = 0,25Е. По отношению к начальному модулю сдвига G величина Gl составит: G¡ = G(\ + v)/2. Для квадратных пластин, когда угол наклона диагонали равен 45°, a v = 0,3, получим модуль сдвига

Gx = 0,65(7. (10)

Гофры рассматриваем как цилиндрические оболочки (рис.5). Основное уравнение устойчивости цилиндрических оболочек принимаем по А. С. Вольмиру и И. Г. Кильдибенко.

Рис. 5. Напряжения в гофре: а) нормальные; б) касательные

Выражение прогиба для шарнирно опертой оболочки имеет вид

, . ттгс . плу

(О-f sin-sin-— , (11)

a b

где тип- числа полуволн образующей и по дуге.

Напряжение полуцилиндрических гофров не отличается от напряжений для цилиндрических оболочек. Принимая, что а и /} являются ортогональными координатами, совпадающими с линиями главной кривизны координатной поверхности, и рассматривая ее как цилиндрическую оболочку с радиусом R2, используя гипотезу неделимых нормалей и прини-

мая !//?[ = О, \/R2 = , и решая уравнение устойчивости методом Бубнова - Галеркина, получим локальные критические нормальные и касательные напряжения вдоль гофр от поперечных нагрузок.

Cloc.cr = 1Ф(г + S)fRy /Jl, (12)

\2,9{hwl[l(r + S)^RsIXw. (13)

Устойчивость гофра обеспечена, если выполняется условие

(^loc^loc.crf + (r/TcrlocY * 1. (14)

где oUk - нормальное напряжение вдоль гофра от поперечных нагрузок с учетом устойчивой части стенки S с обеих сторон гофра, г - радиус гофра.

Прогиб металлодеревянной тонкостенной двутавровой балки с ребрами жесткости в виде полуцилиндрических гофров с учетом изгибных и сдвиговых деформаций при условии равномерного распределения касательных напряжений равен

(15,

Efh GiAw

где М , Q , М, Q- изгибающие моменты и поперечные силы соответственно от единичного усилия, действующего в направлении прогиба, и от нагрузки; J¡ - момент инерции балки без учета стенки; Ef - модуль упругости материала пояса (древесины); G¡ - модуль сдвига стенки при образовании наклонных волн по диагонали.

Четвертая глава посвящена экспериментальным исследованиям, целью которых являлось изучение действительной работы, определение фактического напряженно-деформированного состояния и их сравнение с результатами численного и аналитического исследований. Эксперименты производились на опытных балках пролетом 3 м.

Всего было изготовлено и испытано шесть балок. Первое экспериментальное исследование было произведено в КГ АСУ в лаборатории кафедры МКиИС для балки пролетом 2,4 м, высотой 265 мм, сечением пояса 197x50 мм, высотой стенки 210 мм из оцинкованной стали толщиной 0,63 мм. Исследованием установлено, что восприятие перерезывающей силы происходит по типу решетчатой конструкции, т.е. с образованием частью стенки в зонах гофр стоек, работающих на сжатие, и нисходящих раскосов, работающих на растяжение.

Для более подробного изучения работы тонкостенных металлодере-вянных двутавровых балок в Поволжском государственном технологическом университете было проведено испытание пяти балок пролетом 3 м.

Для изготовления металлической стенки применена тонколистовая оцинкованная сталь по ГОСТ 14918. Механические свойства древесины

приняты по результатам испытания стандартными методами на сжатие и изгиб и установлено, что материал полок соответствует для первых двух балок 3-му сорту с расчетным сопротивлением Rj = 107 кг/см , для 3-5 балок- 2-му сорту с /?у = 138 кг/см2.

Первая балка. Пояса балки изготовлены из деревянных брусьев сечением 140x40 мм (ель, третий сорт), а стенка - из тонколистовой оцинкованной стали толщиной 0,7 мм, шириной 260 мм. На стенке балки вы-штампованы гофры, разделяющие её на 12 отсеков. Гофры полуцилиндрической формы диаметром 40 мм, шагом 250 мм. Гофрирование ребер жесткости выполнено в поперечном направлении с поочередной ориентацией влево и вправо относительно оси стенки В опорной зоне на расстоянии 120 мм выштампованы дополнительные гофры. Соединение стенки с полкой на клее-герметике «Момент-Гермент» фирмы Henkel. Опорные ребра балки выполнены двумя деревянными брусками из сосны сечением 40x40 мм, которые установлены с обеих сторон стенки и соединены нагелями между собой и полками.

Вторая балка выполнена аналогично балке № 1. В отличие от балки № 1 соединение стенки с полкой выполнено на эпоксидном клее ЭПД-универсал, первые гофры от опор (после дополнительного ребра) не усиленны деревянными нагелями на всю высоту. Загружение балок № 1 и № 2 произведено равномерно распределенной нагрузкой (рис. 6, а).

Третья балка выполнена аналогично балке № 2. В отличие от балки № 2, пояса балки изготовлены из деревянных брусьев сечением 100x40 мм (сосна второй сорт). Опорное ребро балки выполнено деревянными брусками из сосны сечением 100x40 мм с пропилом шириной 2 мм, глубиной 20 мм, в который установлена металлическая стенка на эпоксидном клею. На балку приложена сосредоточенная нагрузка в 1/3 пролета (рис. 6, б и 7, б). Деформация стенки в отсеке при образовании диагональных волн приведена на рис. 4, б.

Четвертая и пятая балки выполнены аналогично балке № З.В отличие от балки №3,.для обеспечения устойчивости поперечных полуцилиндрических гофров с другой стороны относительно стенки установлены полуцилиндрические дополнительные вставки. Вставка представляет полуцилиндрический гофр аналогичного диаметра и высоты с выштампо-ванными гофрами на стенке, а также участка стенки шириной

0,65/ ¡Е/ Ry с обеих сторон.

Для испытаний разработана и изготовлена специальная экспериментальная установка (рис. 6). Усилия на загрузочную систему передаются при помощи гидравлического домкрата ДГ-10 грузоподъемностью 10 тс. Образцы установлены на шарнирные опоры. Первая балка нагружена рав-

номерно распределенной нагрузкой (рис. 6, а), к остальным балкам приложена сосредоточенная нагрузка на 1/3 пролета балки (рис. 6, б).

Рис. 6. Экспериментальная установка для испытания опытных балок а) распределенной нагрузкой; б) сосредоточенной нагрузкой, приложенной в 1/3 пролета

Прогибы измерены с помощью индикаторов часового типа ИЧ-50 с ценой деления 0,01 мм, закрепленных на штативе в середине пролета балки, а также при помощи прогибомера. Для определения напряженно-деформированного состояния на обе стороны полок наклеены электрические датчики сопротивления (тензорезисторы с тензочувствительностью 201-202 Ом), которые подключены к цифровой тензостанции АИД-4. Схемы загружения образцов и расположения приборов приведены на рис. 7.

а)

б)

Ь.

Г1.

I

I

Рис.7. Схемы расположения измерительных приборов (а) и загружения экспериментальных образцов при сосредоточенной нагрузке на 1/3 пролета (б)

Во всех балках после упругой области работы произошло выпучивание стенки (хлопуны), но балки не теряли несущую способность. Исчерпание несущей способности в первых двух балках произошло из-за потери прочности верхнего сжатого пояса, а в балках 3,4,5 - из-за потери прочности нижнего пояса.

Результаты экспериментальных, численных и аналитических исследований приведены на рис. 8... 10.

а) б)

Экспериментальное значение 3 балки -и • Экспериментальное значение 4 балки - - Экспериментальное значение 5 балки -*- Численное значение » Аналитическое значение

10

>, МПя

14

18

а)

16000 12000 8000 4000

24 ООО 20000 16000 12000 8000 4000

Рис. 8. Напряжения в поясах: а) балки 1,2; б) балки 3,4, 5

б)

Г/ /У

да «/

-/¡б- Экспериментальное значение 1 балки .» /-о Экспериментальное значение 2 балки — — иигпаиипв ямйийыив

Аналитическое значение

24000 20000 16000 12000 8000 4000

Л'/" г > 0

• А ..О-"

О-'"

£ *?>■■ Экспериментальное значение 3 Оалки ^ Экспериментальное значение 4 балки

f / - - Экспериментальное значение 5 балки 4 Численное значение - Аналитическое значение

35.15

а)

Рис. 9. Прогибы балок: а) балки 1,2; б) балки 3, 4, 5

б)

Л'

Л

.со

-о Экспериментальное значение 1 балки -I • Экспериментальное: — Численное значение

24000 20000 16000 12000 8000 4000

Экспериментальное аначение 3 балки -С Экспериментальное »начение 4 балки

--Экспериментальное эначениев Фалкм

Численное «наченив

0.0 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0 2.4 &,мм

0.0 0.4 0.8 1.2 1.6 2.0 2.4

Рис. 10. Сдвиг полки относительно стенки балок: а) балки 1, 2; б) балки 3, 4, 5

В пятой главе приведена технико-экономическая оценка вариантов балок. Технико-экономическая оценка (ТЭО) производилась по таким показателям, как расход материала, трудоемкость изготовления и стоимость конструкции на франко-складе назначения.

Для ТЭО рассмотрены деревянные, металлические и металл одеревян-ные разрезные балки пролетом 6 м.

Для сравнения ТЭО произведен подбор сечений для покрытия здания пролетом 6 м. для г. Йошкар-Ола. Цены на древесину и на металл приняты по прейскуранту на ноябрь 2012 г. для г. Йошкар-Ола.

Для ТЭО приняты следующие варианты балок покрытия/ 1 - клееные деревянные балки; 2 - деревянные балки с клеефанерной стенкой; 3 - тонкостенные металлические балки с гофрированной стенкой; 4 - тонкостенные металлодеревянные балки с ребрами жесткости в виде полуцилиндрических гофр; 5 - балки Деревягина с нагельными соединениями.

Основные результаты ТЭО всех вариантов балок приведены на рис 11-12.

1 21427 12

14216,9

1 12665,77

и

1 || 1674,18 «67,44 ■ шш...............т........

Влршнт оэлок покрытии

Рис. 11. Гистограмма массы конструкции

Рис. 12. Гистограмма распределения стоимости конструкции Общие выводы

1. Результаты анализа методик расчета и конструкций деревянных и металлических балок показали целесообразность применения тонкостенных металлодеревянных двутавровых балок. Предложено новое конструктивное решение тонкостенной металлодеревянной двутавровой балки с ребрами жесткости в виде полуцилиндрических гофров, подтвержденное двумя патентами Российской Федерации.

2. Численные исследования работы, аналитические расчеты и результаты имитационного моделирования показали, что тонкостенную ме-таллодеревянную двутавровую балку можно рассчитывать как балку с гибкой стенкой (при работе стенки в упругой области) и как ферму с параллельными поясами и решеткой, включающей стойки и нисходящие раскосы (при работе стенки в закритической стадии). Оценка напряженно-деформированного состояния балок, рассчитанных по указанным моде-

лям, показала, что сходимость между ними в упругой зоне работы стенки находиться в пределах 95..97 %, в закритической стадии - 86..88 %.

3. Разработана методика определения напряженно-деформированного состояния тонкостенных металлодеревянных двутавровых балок с ребрами жесткости в виде полуцилиндрических гофров, с учетом конструктивных особенностей; уточнены зависимости для расчета несущей способности полок, устойчивости тонких стенок и полуцилиндрических гофров с учетом их работы в закритической стадии.

4. Разрушение экспериментальных балок произошло вследствие потери несущей способности поясов при действии нагрузок превышающих расчетную нагрузку F = 16000 Н: для балок № 1и 2 в 1,38 раза; балки № 3 в 1,57 раза; балок № 4 и 5 в 1,62 раза.

5. В упругой области в балках с гофрами полуцилиндрической формы, усиленных дополнительными вставками, прогиб составил 10,75 мм, сдвиг полки относительно стенки - 0,89 мм, что меньше чем у балок с гофрами полуцилиндрической формы на 25,8 % и 6,7 %, соответственно.

6. Экспериментальные исследования показали, что при расчетной нагрузке F= 16000 Н нормальные напряжения в поясах балок меньше аналитических на 6 %, численных - на 10 %. Прогибы балок меньше аналитических на 7,5 %, численных - на 18 %. Значения сдвига стенки относительно полки больше численных - на 23,6 %.

7. По напряженно-деформированному состоянию балки с гофрами полуцилиндрической формы, усиленные дополнительными крепежными элементами-вставками, эффективнее балок с гофрами полуцилиндрической формы: по прочности - на 27,6 %; по жесткости - на 15,4 %.

8. Проведенные технико-экономические сравнения различных типов балок выявили эффективность предлагаемых тонкостенных металлодеревянных двутавровых балок по таким критериям как материалоемкость (64,95...82,45%), стоимость конструкции (29,7...92,19 %) по сравнению с рассмотренными: клееными деревянными балками, деревянными балками с клеефанерной стенкой; тонкостенными металлическими балками с гофрированной стенкой; тонкостенными металлодеревянными балками с ребрами жесткости в виде полуцилиндрических гофр; балками Деревяги-на с нагельными соединениями.

Основное содержание работы опубликовано в 18 работах: - в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК:

1. Кузнецов, И.Л. Разработка и исследование металлодеревянной двутавровой балки / И.Л. Кузнецов, A.A. Актуганов, А.П.Трофимов // Известия Казанского государственного архитектурно-строительного университета. - Казань: КГ АСУ, 2010. - С. 117-121.

2. Кузнецов, И.Л. Разработка и исследование металлодеревянной двутавровой балки с цилиндрическими ребрами жесткости, усиленными дополнительными крепежными элементами / И.Л. Кузнецов, A.A. Актуганов, А.Н. Актуганов,

B.Г. Котлов, // Приволжский научный журнал: сб. статей № 4. Н. Новгород: НГАСУ, 2012.-С. 47-54

- патенты РФ:

3. Патент РФ № 2382855, МПК Е04С 3/29. Металлодеревянная двутавровая балка /И.Л.Кузнецов, А.А.Актуганов, А.П.Трофимов .RU 2382855С1; заявл. 12.12.2008, опубл. 27.02.2010. Бюл. №6.-6 с.

4. Патент РФ № 2441120, МПК Е04С 3/292. Металлодеревянная двутавровая балка / И.Л. Кузнецов, А.Н. Актуганов, A.A. Актуганов, А.П. Трофимов -RU 2441120С1; заявл. 25.05.2010, опубл. 27.01.2012. Бюл. №3.-5 с.

- в других изданиях:

5. Актуганов, A.A. Деревянные балки с тонкими металлическими стенками /Актуганов A.A. // Научному прогрессу - творчество молодых: материалы Международной студенческой конференции по естественнонаучным и техническим дисциплинам. Ч. 3,-Йошкар-Ола: МарГТУ, 2009.-С. 114-115.

6. Актуганов, A.A. Деревянные балки со стенками из тонких оцинкованных листов / A.A. Актуганов, И.Л. Кузнецов, А.Н. Актуганов // Наука в условиях современности: науч.-техн. конф. проф.-преп. состава, докторантов, аспирантов, сотрудников МарГТУ: сб. статей- Йошкар-Ола: МарГТУ, 2009. -С. 152-155.

7. Актуганов, A.A. Металлодеревянная тонкостенная балка / A.A. Актуганов, И.Л. Кузнецов, А.Н. Актуганов // Актуальные проблемы строительного и дорожного комплексов - 2009: межвузовский сборник научных статей. - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2009,-С. 29-31.

8. Актуганов, A.A. Теоретические предпосылки расчета устойчивости стенок металлодеревянной тонкостенной балки / A.A. Актуганов, И.Л. Кузнецов, А.Н. Актуганов // Актуальные проблемы строительного и дорожного комплексов

- 2009: межвузовский сборник научных статей. - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2009. -

C. 32-35.

9. Актуганов, A.A. Устойчивость стенки металлодеревянной тонкостенной балки /A.A. Актуганов // Научному прогрессу - творчество молодых: материалы Международной студенческой конференции по естественнонаучным и техническим дисциплинам. Ч. 3 - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2009. - С. 116-117.

10. Актуганов, A.A. Экспериментальное исследование металлодеревянной тонкостенной балки / A.A. Актуганов // Наука в условиях современности: науч.-техн. конф. проф.-преп. состава, докторантов, аспирантов, сотрудников МарГТУ: Сб. статей - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2010.-С. 161-164.

11. Актуганов, A.A. Новая металлодеревянная балка / A.A. Актуганов // Строительная наука 2010: материалы международной научно-технической конференции / под общ. ред. д-ра техн. наук В.Н. Ланцова. - Владимир: Владимир, гос. ун-т, 2010.-С. 19-21.

12. Актуганов, A.A. Исследование работы тонкостенных металлодеревянных двутавровых балок с ребрами жесткости, выполненных в виде цилиндрических гофр /A.A. Актуганов // Научному прогрессу - творчество молодых: Материалы международной молодежной научной конференции по естественнонаучным и техническим дисциплинам. Ч. 3. - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2011. - С. 97-98.

13. Актуганов, A.A. Работа и расчет металлодеревянных двутавровых балок, укрепленных полуцилиндрическими поперечными ребрами / A.A. Актуганов, И.Л.

Кузнецов, А.Н. Актуганов // Исследования, технологии, инновации, ежегод. науч.-техн. конф. проф.-преп. состава, докторантов, аспирантов, сотрудников МарГТУ. Сб. статей. - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2011. - С. 242-245.

14. Актуганов, A.A. Тонкостенная металлодеревянная двутавровая балка / A.A. Актуганов, И.Л. Кузнецов, А.Н. Актуганов // Россия в глобальном мире: вызовы и перспективы развития: Четырнадцатые Вавиловские чтения: материалы постоянно действующей Всероссийской междисциплинарной научной конференции с международным участием: в 2 ч. / под общ. ред. проф. В.П. Шалаева. -Йошкар-Ола: МарГТУ, 2011. - Ч. 2. - С. 231 -232.

15. Актуганов, A.A. Тонкостенная металлодеревянная двутавровая балка с ребрами жесткости в виде цилиндрических гофр / A.A. Актуганов, И.Л. Кузнецов, А.Н. Актуганов // Инновационные ресурсы и национальная безопасность в эпоху глобальных трансформаций: Пятнадцатые Вавиловские чтения: материалы постоянно действующей Всероссийской междисциплинарной научной конференции с международным участием: сб. статей: в 2 ч - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2012. - Ч. 2 -С. 135-136.

16. Актуганов, A.A. Анализ расчетных схем металлодеревянной двутавровой тонкостенной балки / A.A. Актуганов, И.Л. Кузнецов, А.Н. Актуганов, O.A. Актуганов//Исследования, технологии, инновации: сб. статей, науч.-техн. конф. проф.-преп. состава, докторантов, аспирантов, сотрудников ПГТУ. - Йошкар-Ола: ПГТУ, 2012.-С. 143-145.

17. Актуганов, A.A. Методика расчета тонкостенных металлодеревянных двутавровых балок / A.A. Актуганов, И.Л. Кузнецов, В.Г. Котлов, А.Н. Актуганов, O.A. Актуганов. // Материалы международной научно-практической конференции «Научные исследования и их практическое применение. Современное состояние и пути развития 2012»: сборник научных трудов SWorld. - Т. 30, вып. 3. - Одесса: КУПРИЕНКО, 2012. - С. 53-63.

18. Актуганов, A.A. Расчет поясов тонкостенной металлодеревянной двутавровой балки / A.A. Актуганов И.Л. Кузнецов, В.Г. Котлов, А.Н. Актуганов // Новое в архитектуре, проектировании строительных конструкций и реконструкции: материалы I международной (VII Всероссийской) конференции. - Чебоксары: Изд-во Чуваш, ун-та, 2012. - С. 35-42.

Подписано к печати «1» марта 2013 г. Формат 60x84/16. Печать офсетная Объем 1,0 п.л. Заказ №5043. Тираде 100 экз.

Отпечатано в редакционно-издательском центре ПГТУ 424006, Йошкар-Ола, ул. Панфилова, 17