автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Учет нелинейных зависимостей различного рода в сжато-изгибаемых деревянных элементах

ордеж трудового красного знамени шпрллыши НАУЧЮ-ИССЛВДОШВЛЬСШ и 11роекпю-эксперим2нтальм

шатитат шшжш проблш строительны* конструкций и сооружений

им.В.А.10гЧЕРЕНН) (ЦНШСК ям, Кучеренко)

На правах рукописи АВДЕЕВ Сергей Николаевич

ч

учет неш1нейнж зависимостей различного рода в смто-иашбшж деревянных элементах

Спациольноогь 05.23.01 - строительные коноцэукщи,

здания в сооружения

Автореферат диссертации на соискание ученой стелена кандидата технических наук

Москва - 1992

Раоота шполнена в ордена рудового Красного Знамени Централь ном научно-исследовательском к проектно-экспериментальном институте комплексных проблем строительных конструкций и сооружений им.В .А .Кучеренко (ЩЖКСК им.Кучеренхо).

Научный руководитель - кандидат технических наук, ст.науч.

сотр. АРЛЕНИНОВ Д.К. Официальные оппоненты --доктор технических наук, профессор

ХРОМЕЦ, Ю.Н. - кандидат технических наук ЛИНЬКОВ Б.И.

Ведущее предприятие ЦНШСС ,

Защита состоится " / / " М_ 1992 г. в /^ ч

на заседании специализированного совета Д.033.04.01 по .защите дис серхаций на соискание ученой степени доктора технических наук при ордена Трудового Красного Знамена Центральном научно-исследовател сксм и проокгно-эксперкшнталъком институте комплексных проблем строительных конструкций и сооружений им.В. А .Кучеренко по спецнал ности 05.23.01 "Строительные конструкции, здания и сооружения", л '.'адресу; Ю9428, Москва, 2-я Институтская, 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЦНКИСК ш.Кучеренко. /у и .

Автореферат разослан " ' /" __:_;_ 19_г.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат технических наук

С.А.ВОРОБЬЕВА

, * ОЩЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

, - -' I - 1ктуалькость работы. Существующая нормативная методика раоче-1 деревянных сжато-изгибаемых элементов, разработанная в довоенное ремя, практически ке претерпела изменений до настоящего времени, ;тя расчетные предпосылки в части линейности деформирования соэда-? излишний запас прочности. И если пятьдесят лет назад такой под->д был вполне оправдан, поскольку достоверность назначения величин »пускаемых напряжений, а затем расчетных сопротивлений вызывала сом-¡ния, то теоретические и экспериментальные исследования ¡роятносгного подхода к нормированию, проведенные в последние де-[ть-двадцать лет, дают достаточно точные значения расчетных сопро-¡влешй древесины при различных видах напряженного состояния. Это вызывает необходимость в уточнении нормативной методики расчета ато-изгкбаемых деревянных элементов, которая дает завышенные знания расчетных напряжений.

Уточнение, нормативной методе«! требует применения таких мето-в расчета, которые максимально учитывали бы реальное поведение нструкцийв процессе эксплуатации. Точная оценка несущей способ--сти строительных конструкций, и деревянных в том числе, возможна иь при учете различных нелинейных зависимостей: геометрической, зическок, конструктивной, что позволяет рассматривать напряженно-нормированное состояние как физический процесс и дать вязальное оставление о работе конструкции на всех этапах нагруженпя.

Исходя из актуальности указанной проблемы, целью диссертацион-1 работы является научение напряженно-деформированного состояния ревянных элементов, работающих на одновременное действие продольно сжатия и поперечного изгиба в составе распорных конструкций,с зтом геометрической, Физической и кокструкглзной нзлииейностей.

Научная новизна работа заключается в следующем: экспериментально подтверждена 'необходимость корректировки корла'

тинной методики расчета сжаго-изгибаемых деревянных элементов в части-учета геометрической и конструктивной нелинейносгей деформирования;

- разработан алгоритм и программа " PRESS " < расчета деревянных эля-ментов , работающих на сжатие с изгибом в составе'верхних поясов распорных конструкций, учитывающая реальное закрепление элементов и изменение граничных условий в процессе деформирования.

Практическое значение работы состоит* в том, что:

- реализация программы "PRESS" позволила снизить уровень расчетных нормальных напряжений в верхних поясах типовых металлодере-вянных ферм серив 1.660-6, что способствовало уменьшению ма-тё^алоемкоата верхнего пояса на 9$;

- разработана новая конструкция безраскосной металлодереааыной фермы с переменной высотой пояса, позволяющего уменьшить расход клеексй древесины на 20$.

Результаты исследований использованы при разработке:

- альбома "Арки металлодвревявные клееные треугольные пролетом

12 и 18 м для покрытий одноэтажных сельскохозяйственных и производственных зданий (Усовершенствованные в соответствии с методикой ДНИЙСК им .Кучеренко). Рабочие чертежи" (ишйр-193^);

- альбома "Треугольные металлодереванные арки с переменкой высотой сечения верхнего пояса. Рабочие чертежи" (шифр 1945).

На защиту выносятся:

- результаты теоретических и экспериментальных исследований напряженно-деформированного состояния сжато-изгибаемых деревянных элементов, работающих в составе раопорных систем с учетом нелинейных зависимостей;

- результаты экспериментальных исследований конструкций металлоде-ревяншх ферм с переменной высотой верхнего пояса при кратковре-

мецнш действии расчетной нагрузки.

Апробация рябдт. Основные положения диссертации докладывались на Ш научно-технической конференции молодых ученых и специалистов иШИСК (192(3 г.), на научно-технической конференции "Молодые ученые - сельскому строительству" в г.Апрелевка (1990 г.), на всесоюзном научно-практическом семинаре "Расчёт и компьютерное проектирование деревянных конструкций" в г.Владимире (1991 гО.

Публикации". Основные положения диссертации опубликованы з 4 печатных работах.

Объем -работы. .Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы, включающего И 7 наименований, и приложений. Работа содержит страниц, в том числе 60 риоун-ков, if таблиц, i$6 страниц машинописного текста,- а такяе приложений на 26 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность теш, приведено аннотация выполненной'работы. •

Первая глава диссертации посвящена обзору методов расчета сжато-изгибаемых деревяшш: элементов, вопросам, расчета конструкций с учетсгл нелинейных зависимостей, определению целей и задач исследований.

Совершенствование линейных методов расчета дерввяншх глемеЛ-гов, работающих на сжатие с изгибом, основу которых составляют закон Гука и принцип малости перемещений, происходит по двум направлениям. Исследователи одного направления рассчитывали предельную зпособноот*, исходя из теории устойчивости стержней по Эйлеру~1аг-

ранжу, согласно которой критическая сила определялась предельным состоянием равновесия между внешним моментом и моментом внутренних сил. За критическую нагрузку принималась такая,при которой происходит ускоренный рост прогибов при малом увеличении нагрузки. Исследователи другого направления рассматривали предельную несущую способность сжато-изгибаемых стержней как проблему напряжений, иредпо лагая наличие связи между несущей способностью стержня и максималь ным краевым напряжением. Этот подход получил название "метода краевых напряжений".

Развитию методов расчета деревянных сжато-изгибаемых элементов посвятили свои работы ДиК.А.рленинов, Ф.П.Белянкин, B.II.Banyi ских, ИДДенеш, Е.М.Коченов, Б.Г.Миронов, Л.Н.Офицерова, В.В.Ди-наджан, Л.В.Палкина, Г.В.Свенидцкий, Ю,В,Слицкоухов, В.А.Шлятга, В.Ф.Яценко и другие авторы.

Исследования в области расчета сжатс-изгибаашх деревянных элементов, базирующиеся на линейных методах, предполагает шарнирное отгранив элементов, деформированное состояние которых в зависимости от схем нагружения учитывается коэффицентами. Эти методы расчета зафиксированы в нормах и обеспечивают надежную работу кон • етруедий о излишним запасай прочности.

Однако в настоящее вреыя асе большее числю исследователей ис пользуют метода расчета конструкций с учетом нелинейных зависимое гей, что позволяет.более точно определить напряженно-деформирован нов со стояние конструкции в процессе эксплуатации.

Среди нелинейных зависимостей принято выделять три вида: reo метрическую, физическую и конструктивную. Учет всех видов нелиней них зависимостей очень уоложнйет расчет. Поэтому приходится рассматривать частше случаи общей задачи, d которых в зависимости о поставленных ц$ле£ расчета и особенностей конструкции учитываются

ie все три вида нелинейностей сразу, а некоторые из них.

Вопросы расчета конструкций с учетом нелинейных зависимостей тражеш в работах 13.13.Ананяна, Г'.Б.Еюлырингера, Л.СЛ'ригорьева, '..А.Гучмазовой, Ш.И.Гречухо, А.ЯДривинга, М.И.Ерхова, А.А.Ильюыи-а, А.К.Кутилина, П.А.Лукаша, С.Д.Лейтеоа, ¡..Р.Репина, А.Г.Иазаро-а, Ь.В.Новожилова, В.М.Проскуриной, Е.П.Иопова, И.М.Рабиновича, •АЛ'олоконнккова, С .11. Тимошенко, k) .Н. Хромца, й.Ходаинсола, И .'А. урпал и ;гругих. Большой практический интерес в нелинейных расче-ах металлических и железобетонных'-конструкций имеют труда Т.А.Ба-ана, А.Р.Гвоздева, Г.А Дениеза, H.li.Карпенко и многих других ав-оров.

±1 области деревянных коиструквий .1еелбдова>а-.ю деревянных эле-ентов с учетом нелинейных зависимостей посвящены работы Д.К.Арле-инова, В.Ь.Клмменко, Б.К.Михайлова, Р.Е.Орлоеича, А.С.Прокофьева, .П.ПятикрестовскогС, Е.Н.Серова, и.И.-лмимонова, Л.К.Чахова^и дру-их. Kmc правило, авторы рассматривали геометрическую нелинейность сформирования элементов, а также реальную зависимость между де-орыациями и напряжениями, не учитывая вопросы граничных условий.

Массовое внедрение UiiM и персональных компьютеров в процесс

роектирования строительных конструкций позволило исполйЬовать наи-

олее полно физико-механические свойства материала и применять

овременше численьые метода расчета конструкций, существенно уп-

ощая решения нелинейных задач. Разработай и широко используются в

рантике расчета строительных конструкций с учетом физической и еометричееког нелинейных эавмешретей такие вычислительные ком-

лексы, пик 1'а1(Ж, -i'tHIiKO и другие, i¡следствие своей универсаль-

ости о и обладает досадаочиоа сложностью алгоритмов, в ряде слу-

аеи не учитывая специфики рас'ютн конструкцией

При целенаправленных исследованиях необходима разработка специальной программной системы,которая позволяет максимально приблизить численные исследования к действительным условиям.

На основании вышеизложенного сформулированы следующие задали исследований:

1. Разработать алгоритм и программу расчета на ЭВМ (ШВМ) сжато-изгибаемых деревянных элементов с учетом конечных перемещений, реальных физико-механических характеристик древесины и конструктивной нелинейности.

2. Провести численные и экспериментальные исследования напряженно-деформированного состояния сжато-изгибаемых деревянных элементов с учетом реальной работы опорных узлов.

3. В процессе длительных испытаний экспериментально оценить деформативность элементов и характер контактных деформаций при различных сочетаниях напряжений от поперечных и продольных усилий.

4. На основе теоретических исследований и экспериментальных испытаний образцов дать предложения по расчету сжато-нагибаемых деревянных элементов с учетом нелинейных зависимостей различного рода.

5. Разработать конструкцию металлодеревянной фермы о. верхним поясом переменной жесткости и провести экспериментальные и численные исследования с учетом нелинейном;ей различного рода.

Во второй главе приводятся обоснования теоретических предпосылок, описание алгоритма и программы расчета сжато-изгибаемых деревянных элементов верхних поясов распорных конструкций с учетом нелинейных зависимостей, результаты теоретических и экспериментальных исследований сжато-изгибаемых деревянных элементов на моделях с различной податливостью опор кратковременной и длительной нагрузкой.

В iiaoroii/.ee время нормативная методика расчета сжато-изгиба-л.юго деревянного элемента предусматривает расчетную схему элемента лак: шарнирно-опертую баллу с приложением продольного усилим о жсцентриситетом или без него, что способствует появлению опорно-1о момента, который разгружает элемент. При этом, деформированное »стояние элемента в некоторой степени учитывается коэффициен-'огл ^ , определяющим дополнительный момент от продольной сила ¡следствие прогиба сжато-изгибаемого элемента. Такой подход пред-[слагает свободный поворот опорного сечения в процессе действия агрузки относи!ельно точки, лелсашеЧ на нейтральной оси.

Однако в реальных конструкциях опираниэ деревянных элемента верхних поясов чаще всего осуществляется через оторцованные гаверхности, а горизонтальная податливость опорных устройств ог-■аничивается затяжкой и другими конструктивными решения?®!. Это риводит к тоглу, что опорное сечение не имеет возможности свободою поворота.

Таким образом, в процессе де<$оркяроваотя происходит измене-ие расчетной схемы сяато-изгибаемого элемента в части грашгчных словий, что позволяет рассматривать элемент как статически неол-еделишй стержень с конструктивной нелинейностью. В связи с этим редголагается'расчетная схема стато-изгибашого элемента:з которую елью 01раш1чения свободного поворота опорного сечения по его гагате введенн дополнительные горизонтальные связи с заданной яеет-эстъю.

Для полного определения внутренних силовых ^акторов важным зляегся учет деформированного состояния сжато-изгибеемсго элемен-i, а также реальной диаграммы работа древесины.-

Для реализации поставленной задачи разработан алгоритм я сос-шлена программа "PRESS" расчета таких элементов с учетом ноля-

нейкых зависимостей: геометрической, физической и конструктивной.

В основу алгоритма положен метод конечных элементов. В качестве конечного элемента принят треугольный . ^ормкроваше ш трииы жесткости происходит с учетом реальных физико-механических характеристик древесины. Задача решается при помощи итерационного процесса, осуществляемого методом последовательных нагружзним.

Так как сжато-изгибаемые элементы верхних поясов распорных конструкций могут изготавливаться и из клееной и из цельной древесины , влажность которых может находиться в различных пределах, в алгоритме используется фактическая диаграмма деформирования древесины б- £ в зависимости от влажности. При влажности древесины д 10$ использовалась диаграмма сжатия, полученная В.J,1.Коченозым, а при влажности древесины ¡¿и и Зи% диаграммы получены экспериментально, путем испытания на сжатие серии образцов IU'Jxio0x2U(J мм. Для введет« экспериментальных кривых б-£ о помощью аналитических формул в программу расчета была произведена аппроксимация экспериментальных диаграмм.

Программа "PRESS " составлена на языке FORTRAN , работает в диалоговом режиме я имеет следующие.возможности:

- процесс нанесения конечно-элементной сетки и вычисление координат узлов происходит автоматически, при этом сетка сгущается в опорной зоне и в расчетном сечении;

- предусмотрена возможность применения сосредоточенной и рак дгомерно-распределенной нагрузки с разложением на составляющие, а значения нагрузок задаются в соответствии с деформированным состс яниш элемента, полученным на предыдущем этапе итерационного процесса;

- при расчете о учетом конструктивной нелинейности модели-

— 9

руется эффект "отлила" в конечных элементах первого приопорного слоя'верхней части сечения деревянного элемента;

- горизонтальная податливость опор моделируется модулем упругости штампа, через который перелается продольное усилие на сжато-изгибаемый элемент.

а

Для экспериментальной оценки влияния. горизонтальной податливости опор на сжатие с изгибом были проведены испытания треугольных распорных систем пролетом Ь м. Система состоит из деревянных элементов верхнего пояса, выполненного из брусьев сечением'150x150 мл, и нижнего пояса в виде затяжки из арматурных стержней периодического профиля. -Всего было'исштано три модели - TPC-I, ТРС-2, ТРС-З, которые отличались друг ст друга жесткостью затяжки; горизонтальное перемещение опор при этом уменьшилось с 2S до I мм.

Проведенные испытания показали, что с увеличением жесткости нижнего пояса прогноз в середине элемента верхнего пояса снизились с 53 ш для модели 'iPC-L до á'¿ ил для модели ТРС-З, что составляет в делом ЗЬ%. Ыаксшальше значения нормальных напряжений в расчетном сечешь уменьшились с II,U до 9,2 Mía. Следовательно, при постоянных величинах поперечшх и продольных усилий происходит уменьшение напряжений и прогибов, что объясняется увеличением в процессе нагрух.ения разгружающего момента зследсй&иа неравномерности обмнтия торцов саато-изгибаемых элементов, которая обосновывается эпюрами смятия, имевшими трапециевидный характер."

Для подтверждения результатов экспериментальных исследований, с целью приближения расчетной модели сжато-изгибаемого элемента к действительной проведены численные исследования деревянных элементов треугольных распорных систем с учетом нелинейных зависимостей, с ^пользованием программы "PRtSS".

13 ходе чколеншх исследований установлено, что напряжения в

зоне контакта древесины с опорной площадкой, имеют нелинейный характер и по мере уменьшения податливости опорного штампа наблюдается рост напряжений ь крайних нижних волокнах и появление незначительных растягивающих напряжений в верхних, т.е. проявляется, эффект "orJama". Зто свидетельствует об уменьшении площади контакта древесины с опорной плитой и подтверждает экспериментальные данные о неравномерности сбмятия древесины горца верхнего псяса. Значения нормальных напряжений в расчетном сечении практически ооо ветствуют экспериментальным данным и снижаются в зависимости от изменения жесткости штампа с II ,3 до S,3 МПа.

Численные исследования подтвердили работоспособность предложенного алгоритма и программы, показали корректность теоретичес-1сих предпосылок о необходимости учета реальных граничных условий.

Дальнейшие экспериментальные исследования сжато-изгибаемых элементов проводились на моделях распорных систем пролетом 2,4 м с длительным приложением нагрузки.

Цель экспериментальных исследований - определение деформатив-ности и контактных деформаций в приопорных частях деревянных сжато-изгибаемых элементов в момент яагрукения и в процессе длительного приложения нагрузки в зависимости от соотношения, нагибных и сжимающих напряжений.

Испытания проводились на моделях при соотношении изгибшх и сжимающих напряжений Сиъ/бс* = Il£/If5, 110/2,0, 100/3.0. 9.0/40, ' ВД/tjO, которые имеют место,в реальных конструкциях,и различных соотношениях длины элемента и его высоты.

Модели представляли собой распорную систему из двух деревян-.ных элементов, в которых распор воспринимался жесткими стальными опорами. Элементы изготовляли из сосновых досок и устанавливались с уклоном 1:4, стыкуя в коньке через металлический башмак.

Гагруэну прикладывали в третях продета каждого элемента, а также с коньке для образцов-с большими ажимаюшими усилиями. ■

Анализ результатов проводился на момент нагруженкя и в процессе четырех месяцев прилокеямя нагрузки (си. таблицу).

Б ходе ^сштэниУ на момент чагружешш установлено, что фактические прогибы в середине пролета элементов нижа расчетных, полученных по нормативной методике, на 40+60$. При этом, как видно из -таблицы,это расхождение увеличивается по мере возрастания сжюлакъ и;их усилий.

Одной из причин выявленного несоответствия расчетных и фактических прогибов является то, что нормативная методпса расчета сжато-изгибаемого Цемента определяет расчетную схему как схему Ъ граничными условшм!,предусматривающими свободный поворот оперного сечения деревянного элемента. В действительности опорное сечение не имеет свободного поворота и обмят.вд древесины торца происходит неравномерно. Подтверждением- этого являются эпюры смл-. кя торцов сзато-изгибаешх элементов, полученные в ходе испытаний (ряс.1). Экспериментальные исследования показали, что в верхней зоне торца спорною сечения наблюдается "отлип", а в нишей зоне - смятие древесины. В результате неравномерности обыятия торца опорного сечения яро-цсльное усилие на опоре дэйствует не по всей высоте торца, а лишь по его части, что приводит к возникновению опорного разгружающего /омекта, не предусмотренного нормативной методикой.

После 4-месячной экспозиции под нагрузкой установлено, что увеличение прогибов зависит от соотношения бкь/беж . С увзлича-шем доли сжимающих напряжений проявляется эффект разгружавшего гсмента, вызванного изменением реальных граничных условий.

Установлено, что для образцов с соотношение»: С*>/<эс* < <!,';.Г; арактерно изменение знака деформирования по срзниепи?) с прогибом,

$ «Р, Т «ОГ., Г. 1 Ь

биь/Зс* мм мм ММ мм

115/15 2,34 3,27 4,17 2,20

115/15 2,14 3,80 4,11 2 ,20

- 110/20 1,82 2,84 3,64 1,80

100/30 1,78 2,56 4,21 1,65 15

90/40 - - 3,84 1,Ь0

90/40 1,67 2,14 4,36 1,05

Ш/50 2,20 1,95 4,43 0,65

80/50 1,55 1,08 3,97 0,75

90/40 80/50 1,95 1,90 1,81 1,73 2,86 1,95 1,20 0,60 10

110/20 220/10 3,22 2,08 4,54 3,22 5,08 4,62 2,25 2,50 20

Примечание:

экспериментальные данные по прогибам в момент нагруженшр експериментальше данные по прогибам после 4 месяцев нагружения;

расчетные прогибы, подсчитанные по нормативной методике; Г Г- расчетные прогибы по про^ралеие ".

тогнозируекым нормативной методикой.

Для оценки результатов,- поденных в ходе экспериментальных [¿следований на момент нагружения, проведены ■ численные исследования элементов по программе " PRESS" с учетом нелинейных зависимос-

et.

В ходе исследований установлено, что с увеличением сжимающих силий на опоре происходит качественное изменение распределения :апряяении_в нижних волокнах пс длине сжато-изгибаемого элемента: юна растягивающих напряжений уменьшается,и при 80/50

ice сечете сжэго-изгибаемого элемента находится под действием ;жшающпх усилий .< (рис Л). В расчетном сечении значения нормальных ¡апряжений в сжатий зоне, получениие по программе " PRESS", ним» шачешй, подсчитанных'по нормативной методике, учитывающей свободный поворот опорного сечения сжато-изгибаемого элемента на 'd-i-29% в зависимости от ^отношения 5мь/бс*. Для элементов с :оотаоиением б^ъ/6с* 3,3, как видно из таблицы.сравнение про-хибоп показывает хорошую сходаюсть(до 5$)фактнческих и численных данных, что подтверждает необходимость учета реальных условий описания сжато-изгибасмого. деревянного элемента.

Третья глава посвящена численным лсследованиям сзсато-изгиба-« деревянных элементов по программе "PRP.SS" при раздельном чете нелинейных зависимостей, численным исследованиям верхних гоясоа распорных конструкций с затяжкой, обобщению предложений :о ра'счету сжатогизгибаешх элементов с учетом нелинейностей.

С целью сравнительной оценки раздельного влияния геометрк-еской, физической и конструктивной нелинейностей на напрчяенно-* еформкрованксэ состояние сжато-изгибаемых элементов проведен« коленные' исследования образцов с различиям соотношение".'.» иэггб-ых к сжимающих напряжений. Расчеты проводились, для гхсынгсп

Рис.1. Результаты исследований моделей треугольных распорных систем пролетом 2,4 м:

а. - эпюры ойлятия (ш) торцов деревянных элементов; <5 - распределение нормальных напряжений по длине

элемента в нижних волокнах (по ггрогра\ате "PRESS")

в составе распорных систем, участвующих в испытаниях длительной нагрузкой.

Первоначально для всех элементов расчет проводился' без учета нелинейностей, затем о учетом геометрической, физической и конструктивной нелинейностей, взятых каждая в отдельности, о

В ходе численных исследований установлено, что из трех видов нелинейных зависимостей наибольшее влияние на напряженно-дефорки-рованное состояние сж&го-изгибаешго деревянного элемента оказывает конструктивная нелинейность, которая обеспечивает снижение нормальных напряжений не. 20+35)$, а прогибов на 30+60$ в зависимости от нормальных усилий по сравгэкию с расчетами, не учитывающими, нелинейные зависимости-.

Геометрическая нелинейность незначительно повышает уровень напряжений от 4 до 12%, а физическая - оказывает самое наименьшее влияние, отвная значения напряжений на 1,5*0$. Необходимо отме- -теть, что с увеличением сжимающих усилий влияние геометрической и особенно конструктивной нелинейностей возрастает.

.0 учетом значительного влияния "конструктивной нелинейности^на напряженно-деформированное состояние сжато-изгибаачого элемента, проведены численные исследования по оценке степени горизонтальной податливости опор. ■ -о

Установлено, что с увеличением горизонтальной податливости опор влияние конструктивной нелинейности на уровень нормальных напряжений снижается и сжато-изгибаемые элементы можно рассчитывать как статически определимые стержни.

Для сравнительной оценки уровня максимальных нормальных напряжений, полученных по нормативной и предлагаемой методикам,"проведены расчеты верхних поясов типовых ыеталлсдеревянных ферм серии 1.8СС-С, разработанных Гипрошшсельхозом. С учетом значительной по-

датливости опор ори проектной жесткости затяжи была принята расчетная схема, исключающая влияние конструктивной нелинейности.

Полученные результаты показали, что значения максимальных нормальных напряжений ниже значений напряжений, определенных по. нормативной методике. Ито снижение находится в пределах Ю+14>;, в зависимости от марки конструкции.

Результаты исследований позволили снизить материалоемкость конструкции на 9%.

На основе результатов экспериментальных и теоретических исследований даны предложения по расчету ржато-изгибаешх элементов верхних поясов распорных конструкций в. части учета нелинейных зависимостей различного рода.

В четвертой главе изложены: конструктивное решение новой ме-таллодеревянной безраскосной фермы с переменной высотой верхнего пояса, результаты экспериментальных исследований натурных образцов ферм кратковременной нагрузкой, результаты численных исследований верхних поясов ферм с переменной высотой поперечного сеченш сГучетом нелинейностей.

С целью дальнейшего совершенствования металлодеревянных конструкций за счет сшксения материалоемкости разработана н^вая конструкция треугольной безраскосной металлодеревянной шермн с переменной высотой верхнего пояса "(рис.2), которая защищена авторским свидетельством №1698395 "Клееные деревянные несущие элементы и способ их изготовления".

Новая ферма' пролетом. 18 м разработана как альтер нагива типовой фермы по серии 1.860-6, которая получила широкое распространение в практике строительства,и отличается коиструкцие верхнего клееного деревянного пояса с переменной высотой поперечного сечения за счет наличия развитых по высоте опорных зон.

Рис ,2. Мамдлодерваяшая безраскосная ферма с пврвменной высотой верхнего пояса: I - верхний псяс; 2 - шшшй пояс; 3 - ме-т?ллэтескиз опорные уз л*; 4 - подвеска.

1В

В результате у клееного деревянного элемента такого профиля центральная ось смещается к верхней грани и автоматически увеличивается эксцентриситет действия нормальной силы.С учетом исследований п< усилению клееных деревянных балок поперечным армированиемпроводимые в цКШСЕ под руководством „Турковсксго С .Б., в опорных зонах элементов верхних поясов на опоре и в коньке предусмотрены вклеенные арматурные стержни. Два стержня Ф 10 ш вклеены на торцах поперек волокон и один стержень ^ 16 мм под углом 45° до всей дли-" не увеличенного сечения. Стальные элементы нижнего пояса и опорных узлов приняты типовыми.

В соответствии с предложенным конструктивным решением разработаны рабочие чертежи Ферм под нагрузку 9 и 12 кН/пм, по которым были изготовлены опытные образцы на строительном комбинате "Нелидовский" в Тверской области.

Изготовление элементов верхнего пояса осуществлялось на стандартном оборудовании, при этом обеспечивалось безотходное производство вырезанной части клееного пакета.

С целью определения фактической несущей способности и информативности разработанной конструкции, а также с целыо оценки влияния горизонтальной податливости .опор на'нагфяженно-дсформированное состояние верхнего пояса фермы проведены экспериментальные исследования двух натурных образцов ферм кратковременной нагрузкой.

При испытаниях равномерно-распределенная нагрузка была заменена восемью эквивалентными сосредоточенными силами. Кагружение ферм проводилось черва траверсы, четырьмя домкратами, равными ступенями, составляющими 0,25 от расчетной нагрузки. Испытания, проводились в 4 этапа. На первом этапе каждая ферма нагружалась односторонней нагрузкой, на втором этапе - расчетной нагрузкой по все-

пролету при проектной жесткости нижнего пояса. На третьем эта-те 1-зпытания проводились с различной жесткостью нижнего пояса, что изволило ограничить податливость опор и оценить влияние конструктивной нелинейьости. А. на четвертом зтапе натрутшше осуществляюсь до полного разрушения конструкции.

, . В ходе испытаний ферм с различной горизонтальной податливость0 >пор установлено, что значения фактических прогибов и каксимэль-их нормальных напряжений ниже расчетных напряжений, подсчитанных го нормативной методике на 23 и 1.1$ соответственно. С увеличением жесткости нижнего пояса фермы разница между фактическими и расчетный значениями по прогибам увеличивается до а по напряжени-м до 25%. Такое снижение общего уровня напряжения деформирован-юго состояния сжато-изгибаемого элемента верхнего пояса фермы «зваьо влиянием реальных условий опирания торца деревянного эле-;ента, ограничивающих свободный поворот опорного сечения, что нормативной методикой не учитывается".

Разрушение конструкции произошло от скалывания в опорной час- , и по линии, от которой вдет увеличение высоты опорной зонн.и имело рупкий характер. При этсм фактическая несущая способность Конст- -укции фермы, определенная в соответствии.с методикой д.т.п.,проф. ванова 1и.М., превысила расчетную в 2,3 раза, что говорило надеж-ой работе верхних поясов о переменной высотой в составе распорах конструкций.

Численные исследования верхних поясов ферм с учетом нелиней-, ах зависимостей по программе "РЙЕ^З " показали, что расчетные зна-ения нормальных напряжений и прогибов близки к фактическим данным, олученшм в ходе испытаний ьатуршх образцов ферм с различной го-йзонтэ'!ьной псдатлюостыо опор,и подтвердили необходимость точно-о расчета.

В геятой главе приведены: расчеты технико-экономической эффекта, нооти разработанной конструкции и предложенной методики расчета ежа-то-изгибаешх деревянных элементов, внедрение результатов исследований.

Оценка эффективности проводилась методом сравнительного анализа технико-экономических показателей (НИ) с аналогом. В качестве аналога была принята типовая конструкция - металлодер'

вянная безраскосная ферма по серии I.8C0-6. При технико-экономических расчетах за предает исследования принимался- только верхний пояс конструкции.

Сравнение вариантов показало, что для клееных элементов, расче-которых производился по предложенной методике с учетом неливейносте; основные ТоП: приведенные затраты, себестоимость-изготов-

ления, расход клееной древесины,снизились на % по сравнению о показателями типового элемента, рассчитанного по нормативной методике.

При оценке ТЭП аналога к новой конструкции фермы установлено, что несмотря на незначительное увеличение металлоемкости, а также дополнительные затраты по вклеиванию стержней себестоимость изготовления элемента с переменной высотой поперечного сечения снизилась на 16$, а расход клееной древесины уменьнрлся на 20$ цо сравнению с типовым элементом верхнего пояса.

Результаты проведенных теоретических и экспериментальных исследований попользованы при разработке двух альбомов рабочих чертеж жей, выпущенных Гилрониисельхозом: "Арки металлодеревянкые клееные треугольные пролетом 12 и 18 м для покрытий одноэтажных сельскохозяйственных и производственных зданий (Усовершенствованные в соот-

н

зетствш о. методикой ДНИИСК им .Кучеренко). Рабочие чертеки " (ииде IS35), "Треугольные металлодеревянкые арки с переменной высотой сечения верхнего пояса. Рабочие чертежи " (шифр 11-45).

О С II О В Н И Е ■ В Ы В О Д Ы

1. Разработан алгоритм и составлена программа "PRESS" расчета сжато-изгибаемых деревянных элементов, работающих в составу конструкций, с.учетом реальных условий опирания, геометрической нелинейности деформирования и физической нелинейности работы древесины. Предложенный алгоритм, в отличие от нормативной методики расчета, рассматривает сжато-изгибаемый элемент как статически-неопределимый стержень, в котором степень поворота опорного сечения определяется модулем упругости штампа, передающего нормальное усилие на элемент'. Алгоритм использует итерационный процесс aaipy-жения, учитывает' /лзико-механэтеские характеристики древесины вдоль и поперек волокон и позволяет моделировать процесс "отляпа" с помощью выключающих связей и конечных элементов с малым модулем упругости.

2. Численные исследования по программе "PRESS," показывают, что учет конструктивной, геометрической и физической нелинейностей в расчетах деревянных элементов, работающих на сжатие с изгибом в распорных системах,, снижает уровень расчетных напряжений по сравнению с нормативной методикой. При передаче усилия распора на жесткие упоры уровень расчетных напряжений может снижаться в зависимости от соотношения продольной и поперечной нагрузки др З'с%, а прогибов-до 50$. При атом, наибольшее влияние на напряленяо-де-формированное состояние сжато-изгибаемого деревянного элемента оказывает конструктивная нелинейность. В случае передачи усилия распора на затяжку, подобранную из условия прочности, уровень нормальных напряжений в расчетном сочетай сштается до 14% по сравнению о нормативной методикой, что вызвано учетом геоглетрьческой нелинейности. Учет реальной диаграммы работы древесины не значит с-ль-

¿К) сказывается на шпряжекно-дефорьжрованном состоянии сжато-изгибаемого элемента.

3. Экспериментальными исследованиями треугольных распорных систем подтверждено отсутствие свободного поворота опорных сечешз; деревянных сжатс-изгибаешх элементов, что приводит к возникновению разгружающего момента, ке учитываемого нормативной методикой расчета. Расхождение фактических данных с расчетными, подсчитаны* ми по нормативной методике, составляет чо нормальным напряжениям 16+29/0, а по/прогибам-! I+50/i а зависимости от горизонтальной податливости опор а соотношения биъ/бс* . Расчеты с учетом нелине нсстей более точно отражают напряженно-деформированное состояние сяато-изгабаемых элементов, что подтверждается сходимостью (Фактических данных с расчетными, полученными по программе" PRESS".

» - -

4. ,Но основе результатов : теоретических и эксиерикенталь нкх исследований сжато-изгибаемых элементов даны предлонешш по расчету верхних поясов дереачниых распорных конструкций.

5. Разработана новая конструкция безраскосной металлодеревян ной фермы со сниженной на 20$ материалоемкостью верхнего пояса п сравнению с типовой конструкцией , за счет увеличения эк центриситета приложения нормальной сила, вызванного переменной вы сотой сеченая. Цредложекная конструкция защищена авторским свидетельством №1698395 "Клееные деревянные несуще элементы и способ их изготовления". Испытаниями кратковременной нагрузкой до разрушения натурных образцов ферм подтверждена надежность конструкции. Фактическая несущая способность верхнего пояса превысила раочетну в 2,4 раза. -

6. В результате проведенных испытаний натурных образцов ферм с различной,;податливостью опорных узлов, которая моделировалась жесткостью затяжки, установлено, что расхождение фактических зна-

гний нормальных напряжений достигает 28%, а прогибов - . 40$ ) сравнению с расчета,та величинами, полученными по нормативной гтодике. Расхождение фактических данных с результатами расчетов > программе "PRESS" с учетом нелинейных зависимостей составляет 5% и подтверждает корректность предложенной методики расчета ато-изгибаемых элементов.

Основные положена! диссертации опубликованы з работах:

К?

1. А.с.Ж698335 C'JGP. Клееные деревянные несуще элементы и особ их изготовления/ а.К.Арлекинов, С.Н.Авдеев и др.

2. Авдеев G.H., Арленкнов ¿..К, Трехшарнирные металлодеревян-е арки с верхним поясом переменной высоты поперечного сечения

Тез. докл. науч.-техн. конф. "Молодые' ученые - • льскому строительству". Апрелевка, 1990. С.6.

3. Авдеев G.H. '.экспериментальные исследования угловой податли-сти опорных зон сжато-изгибаемых деревянных элементов //Теороти-ские и экспериментальные исследования строительных конструкций: .науч. тр. /ЦНЙИСК им. й. А .Кучеренко. M., 1991. С .59^64."

4. Арленинов Д.К., Авдеев С.Н. Учет конструктивной нелинейно-г сжато-изгибаешх деревянных элементов //Расчет и г.оь\р>юторнов эектирование деревянных, конструкций; Материалы Всесоюз,. науч..-? акт. семинара.1 Владимир, 1991. С.7 - 8.