автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Влияние влажности древесины на длительную прочность и ползучесть соединений строительных конструкций на металлических зубчатых пластинах

На правах рукописи

ЕРМОЛАЕВ ВИТАЛИИ ВИКТОРОВИЧ

ВЛИЯНИЕ ВЛАЖНОСТИ ДРЕВЕСИНЫ НА ДЛИТЕЛЬНУЮ ПРОЧНОСТЬ И ПОЛЗУЧЕСТЬ СОЕДИНЕНИЙ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ НА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ЗУБЧАТЫХ ПЛАСТИНАХ

05.23.01 - «Строительные конструкции, здания и сооружения»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

О 3 июн 2003

Казань - 2009

003472027

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Цепаев Валерий Александрович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Врагов Анатолий Михайлович

кандидат технических наук, доцент Котлов Виталий Геннадьевич

Ведущая организация: Муниципальное предприятие

Институт развития города «НижегородгражданНИИпроект»

Защита состоится «» 2009 г. в часов на за-

седании диссертационного совета Д 212.077.01 при Казанском государственном архитектурно-строительном университете по адресу: 420043, Республика Татарстан, г. Казань, ул. Зеленая, 1

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

Автореферат разослан » мая 2009 г.

Ученый секретарь .

диссертационного совета

доктор технических наук, профессор

4

.А. Абдрахманова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время одновременно с клееными деревянными конструкциями получило распространение производство деревянных конструкций с соединениями на металлических зубчатых пластинах (МЗП).

Металлические зубчатые пластины являются индустриальным видом связи, отвечающие требованиям скоростного строительства при массовом производстве конструкций. Деревянные конструкции с соединениями на МЗП изготавливаются в заводских условиях на автоматизированном оборудовании из заранее заготовленных стандартных элементов. Наряду с простотой изготовления деревянные конструкции на металлических зубчатых пластинах обладают хорошими экономическими показателями. Во-первых, это низкий расход древесины на единицу площади покрытия здания по сравнению с другими деревянными конструкциями с традиционными видами узловых соединений. Во-вторых, малая масса конструкций положительно сказывается на скорости их монтажа. Небольшие легкие конструкции могут устанавливаться вручную или с применением кранов небольшой грузоподъемности. Компактная конструкция соединений позволяет перевозить готовые изделия в пакетах, благодаря чему рационально используется грузоподъемность транспорта. Наконец, дороговизна земли в центре крупных городов приводит к необходимости реконструкции существующих зданий с плоской или холодной чердачной кровлей. Надстройка мансардного этажа с легкими несущими деревянными конструкциями на металлических зубчатых пластинах позволяет успешно решить эту задачу как с технической точки зрения (незначительная нагрузка на фундамент, легкость монтажа), так и с архитектурной (возможность создания выразительной кровли любой формы).

Однако из практики эксплуатации деревянных конструкций на МЗП зданий различного назначения известны случаи их отказов. Одной из основных причин таких отказов является игнорирование при расчете соединений содержания в древесине связанной влаги. Отличительная особенность древесины состоит в гидрофильности ее целлюлозных составляющих и содержания определенного количества связанной влаги, соответствующей средним значениям относительной влажности воздуха и температуры помещения. Таким образом, древесина в конструкциях всегда частично пластифицирована влагой, оказывающей влияние на её механические свойства, прочность и деформативность соединений на податливых связях. Проведёнными В.А. Цепаевым исследованиями установленная ярко выраженная зависимость прочности и деформативности соединений на металлических зубчатых пластинах от величины и продолжительности действия нагрузки. Однако до последнего времени отсутствовали сведения о влиянии влажности древе-

сины на длительную прочность и ползучесть этого вида соединений. Соединения элементов деревянных конструкций на МЗП обладают свойством упругого последействия, которое проявляется в постепенном увеличении их деформаций под нагрузкой с течением времени. Поэтому расчет таких соединений по деформациям под расчётной нагрузкой, учитывающей влажностное состояние древесины, может оказаться определяющим для обеспечения долговечности конструкций зданий.

Учитывая перспективность соединений деревянных конструкций на металлических зубчатых пластинах можно считать, что задача исследований работы соединений в условиях длительного загружения с учетом содержания связанной влаги в древесине является актуальной, решение которой позволит повысить эксплуатационную надежность конструкций.

Целью диссертационной работы являются экспериментально-теоретические исследования влияния влажности древесины на длительную прочность и ползучесть соединений на металлических зубчатых пластинах и разработка метода расчета соединений по деформациям от действия на конструкции эксплуатационных нагрузок.

Для достижения поставленной цели в процессе проведения научно-исследовательских работ решаются следующие основные задачи:

• исследование деформационно-прочностных характеристик древесины при смятии узким прямоугольным штампом в зависимости от направления волокон и влажности древесины;

• нормирование расчетных характеристик древесины в соединениях строительных конструкций на металлических зубчатых пластинах с учетом влажности древесины;

• экспериментально-теоретические исследования влияния влажности древесины на длительную прочность соединений на металлозубча-тых пластинах;

• экспериментально-теоретические исследования влияния влажности древесины на ползучесть соединений на металлозубчатых пластинах;

• разработка метода расчета соединений на МЗП по деформациям с учетом длительности действия на конструкции снеговой и постоянной нагрузок;

• экспериментальные исследования деформаций ползучести соединений деревянных элементов под углом на МЗП;

• экспериментально-теоретические исследования развития сдвиговых деформаций и перемещений составных деревянных балок на МЗП при длительном загружении;

• апробация методики прогнозирования развития деформаций соединений на металлических зубчатых пластинах во времени с учетом влажностного состояния древесины на основе результатов длительных испытаний узловых соединений и составных деревянных балок; 2

• внедрение результатов исследований в производственную практику.

Научная новизна работы:

• получены эмпирические зависимости для определения временных сопротивлений древесины и коэффициентов постели при смятии в зависимости от ширины сминающего штампа, направления волокон и влажности древесины;

• впервые определены значения расчетных характеристик древесины в соединениях на металлических зубчатых пластинах в зависимости от влажности (расчетные сопротивления и нормативные коэффициенты постели древесины при смятии под углом к направлению волокон);

• впервые установлены общие закономерности снижения прочности и роста деформаций соединений на МЗП при длительном загруже-нии в зависимости от влажности древесины;

• определены значения коэффициента условий работы к расчетной несущей способности соединений, учитывающего эксплуатационную влажность древесины конструкций;

• получено выражение для определения характеристики ползучести соединений на МЗП, используемой для оценки развития во времени деформаций соединений при длительном загружении;

• разработана методика расчета соединений на МЗП по деформациям с учетом режима и длительности действия на конструкции эксплуатационных нагрузок;

• проведены длительные испытания составных деревянных балок на металлозубчатых пластинах под действием расчетной нагрузки, определенной с учетом фактической влажности древесины балок;

• получены аналитические выражения для определения развивающихся во времени сдвиговых деформаций и прогибов составных деревянных балок на МЗП с учетом влияния влажности древесины, достоверность которых подтверждена результатами длительных испытаний балок.

Практическая значимость работы. Результаты выполненных исследований позволят учесть влияние эксплуатационной влажности древесины на снижение прочности и развитие деформаций соединений строительных конструкций на металлических зубчатых пластинах в течении заданного срока их службы. Реализация результатов работы позволит обеспечить необходимую долговечность деревянных конструкций покрытия на МЗП зданий с различными температурно-влажностными условиями эксплуатации на стадии проектирования.

Результаты диссертационной работы внедрены:

• при проектировании мансардного этажа с использованием составных деревянных элементов на металлических зубчатых пластинах над домом № 60 по ул. Ильинской в г. Н.Новгороде;

• при проектировании двускатной кровли с использованием треугольных деревянных ферм на металлических зубчатых пластинах над зданием проходной на КС-22 в п. Абашево (Чебоксарское ЛПУМГ);

• при определении остаточного ресурса и оценке технического состояния зданий с составными деревянными элементами на металлических зубчатых пластинах при экспертизе промышленной безопасности ООО «ИКЦ «Промтехбезопасность».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены на VIII Всероссийской научно-практической конференции «Современные технологии в машиностроении» в г. Пензе (2004 г.); на X Нижегородской сессии молодых ученых в г. Дзержинске (2005 г.); на IV международной научно-технической конференции «Итоги строительной науки» в г. Владимире (2005 г.); на III международной научно-технической конференции «Современные проблемы совершенствования и развития металлических, деревянных, пластмассовых конструкций в строительстве и на транспорте » в г. Самаре (2005г.); на XI Нижегородской сессии молодых ученых в г. Кстово (2006 г.); на научно-технических конференциях аспирантов и магистрантов Нижегородского государственного архитектурно-строитель-ного университета (2005, 2006, 2007 г.г.)

На защиту выносятся:

• результаты исследований прочности и деформативности древесины разной влажности при смятии узким прямоугольным штампом;

• определение расчетных характеристик древесины в соединениях на металлических зубчатых пластинах с учетом влажности;

• результаты экспериментально-теоретических исследований длительной прочности соединений на МЗП в зависимости от влажности древесины;

• результаты экспериментально-теоретических исследований деформаций ползучести соединений на МЗП в зависимости от влажности древесины;

• метод расчета соединений на металлозубчатых пластинах по деформациям с учетом режима и длительности загружения снеговой и постоянной нагрузками;

• результаты экспериментально-теоретических исследований узловых соединений и составных деревянных балок на металлических зубчатых пластинах при длительном загружении.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, библиографического списка и четырех приложений. Общий объем работы составляет 152 страницы, в том числе 53 рисунка в виде схем, графиков и фотографий, 27 таблиц, библиографического списка, включающего 109 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы, определена цель исследований, указаны научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе приводится общая характеристика и опыт применения деревянных строительных конструкций с соединениями на металлических зубчатых пластинах, выполнено обоснование выбранного направления и сформулированы задачи исследований.

Отмечается, что долговечность деревянных конструкций на металлических зубчатых пластинах в значительной степени определяется прочностью и деформативностью их соединений. Характерной особенностью соединений на МЗП является зависимость их прочности и деформативности от величины и продолжительности действия нагрузки.

Среди исследований, посвященных вопросам длительной прочности и деформативности древесины отмечаются работы Ф. Кольрауша, Р. Баумана, О. Графа, Ф.П. Белянкина, В.Н. Быковского, H.A. Леонтьева, A.M. Иванова, В.Г. Михайлова, К.П. Кашкарова, В.Г. Леннова, В.П. Коцегубова, E.H. Квасникова и других. Фундаментальные исследования длительной прочности древесины проведены Ю.М. Ивановым.

Вопросам изучения работы нагельных соединений, к которым можно отнести соединения на МЗП, при действии длительных нагрузок посвящены работы В.М. Коченова, П.А. Дмитриева, Ю.Д. Стрижакова, Л.К. Стрижаковой и других. Универсальная теория расчета соединений деревянных элементов на цилиндрических нагелях с учетом влияния фактора времени была разработана П.А. Дмитриевым.

Исследования прочности и деформативности соединений на МЗП при действии кратковременных нагрузок проводились L. Beineke, S. Suddarth, Е. Rysavy, Н. Tomoyki, S. Hikaru, A.K. Наумовым, Д.В. Мартинцом, A.M. Дурновским, В.В. Даниловым, В.А. Цепаевым, Д.К. Арлениновым, В.Г. Котловым и другими. Комплексные экспериментальные исследования длительной прочности и деформативности соединений элементов из воздушно-сухой древесины на МЗП выполнены В.А. Цепаевым.

Первая методика расчета соединений на металлических зубчатых пластинах на прочность была предложена А.К. Наумовым, в основу которой были положены гипотезы расчета нагельных соединений В.М. Коченова. В.А. Цепаев, использовав предпосылки теории расчета нагельных соединений П.А. Дмитриева, существенно усовершенствовал методику расчета этих соединений, отклонив условное ограничение расчетной предельной деформации. Метод расчета соединений на металлозубчатых пластинах во времени по деформациям, основанный на представлении о древесине как об упруго-вязком материале, был

разработан В.А. Цепаевым и усовершенствован A.B. Крициным. Однако методы расчета предложенные В.А. Цепаевым и A.B. Крициным, встречают большие трудности при анализе напряженного состояния соединений и не удобны для расчета с инженерной точки зрения.

Наибольшее применение несущие деревянные конструкции с соединениями на МЗП нашли в покрытиях отапливаемых и неотапливаемых зданий, характеризуемых средним значением относительной влажности воздуха <р (%) и температуры. Согласно статистическим данным натурных наблюдений, систематизированных Ю.М. Ивановым, в «сухих» условиях эксплуатации отапливаемых зданий (<р~ 65...70% при 20°С) равновесная влажность древесины конструкций составляет о)р ~15 %, а для «влажных» условий эксплуатации а>р ~25%.

При эксплуатации конструкций в неотапливаемых зданиях или под навесом среднее взвешенное значение влажности древесины <0^=17,3%. Проведенными А.Д. Ломакиным исследованиями установлено, что в отапливаемых птицеводческих зданиях qj =15 %, а в неотапливаемых животноводческих зданиях зимой наружные слои древесины конструкций толщиной 20 мм увлажняются до 24 %. Следовательно, зубья пластин находятся в зоне древесины с повышенной эксплуатационной влажностью.

Поскольку соединениям на металлических зубчатых пластинах свойственна повышенная пластическая деформируемость даже при воздушно-сухой древесине, то увеличение в ней связанной влаги негативно отразится на работе этого вида соединений в условиях длительной эксплуатации.

Во второй главе приводятся результаты исследований влияния влажности на прочность и деформативность древесины сосны при смятии узким прямоугольным штампом.

При проведении исследований использовалась универсальная формула зависимости прочности древесины от влажности, предложенная Д.В. Мартинцом. На основании анализа результатов исследований В.А. Цепаева и результатов авторских эксперементов получены выражения для определения временного сопротивления древесины при смятии

штампом шириной В = 1,0 ....4,0 мм вдоль Rep ипоперек R^l90(6))

СМ.У)

направления волокон в зависимости от влажности со (%):

RZ. 0^) = °'38 • I1 + °'0034' (30-¿у)2} (12); (1)

R% 90 (а) = (0,367 -0,0414- В) х

Г 9 1' (2)

х [1 + 0,0034 • (30 - со)2 ]• R* (12)

б

где В6? (12) - временное сопротивление древесины при сжатии вдоль волокон для стандартной 12% -ной влажности.

Нормативное сопротивление древесины при смятии Я"м(со) с влажностью со определяется по формулам (1) и (2) с подстановкой нормативного сопротивления древесины при сжатии вдоль волокон, равного

для древесины сосны и ели 12) = 33 МПа.

При расчете соединений элементов деревянных конструкций на прочность используются расчетные сопротивления древесины гнезда при смятии, определяемые по формуле

Гт

дп,

см

(3)

где у - коэффициент надежности по материалу, равный 1,17 при смятии древесины вдоль волокон и 1,25 - при смятии поперек волокон; тсм ~ коэффициент длительного сопротивления древесины гнезда, определяемый по формуле дл

т„

= 0,77-

lgr3 22

(4)

дл

Коэффициент длительного сопротивления т¿^ определяется по эквивалентному времени т = 0,167 • Т действия неизменной нагрузки, обоснованному в действующих рекомендациях по испытанию соединений деревянных конструкций. Для срока службы конструкций на МЗП т = 25 лет тэ =4,175 года (1,32-Ю8 с; \%тэ =8,12) значение

т^м - 0,4, как и для гвоздевых соединений (В.М. Коченов). В табл. 1

приведены значения расчетных сопротивлений древесины различной влажности при смятии вдоль (0°) и поперек направления волокон (90°).

Таблица 1

Расчетные сопротивления древесины сосны и ели

Угол смятия, град. В, мм Значения расчетных сопротивлений древесины при смятии RcJa>) (МПа) в зависимости от влажности ш(%)

12 15 20 25 30

0 1-4 9,0 7,5 5,8 4,8 4,3

90 1,0 7,2 6,0 4,6 3,7 3,4

2,0 6,3 5,3 4,0 3,3 3,0

3,0 5,4 4,5 3,4 2,8 2,5

4,0 4,5 3,7 2,9 2,3 2,1

При расчете соединений на МЗП по деформациям используется упругая характеристика древесины, называемая коэффициентом постели. На основании статистической обработки результатов испытания A.B. Крицина и A.B. Авдеева получены уравнения регрессии, отражающие

зависимость коэффициента постели при смятии вдоль Cq(cü) и поперек Сдq(0)) направления волокон древесины в зависимости от ширины сминающего штампа В = 1,0...4,0 мм и влажности со (%):

cß {со) = (2,289 - 0,14 • В) ■ (1,655 - 0,0492 • со) ■ Rf (12); (5) сУсо) = (0,826 - 0,094 • В) ■ (1,531- 0,0398 • со) ■ Rf (12). (6)

Проведенные автором экспериментальные исследования показали хорошее совпадение опытных значений Cq{(0) и c^q(cd) с вычисленными по формулам (5) и (6) (отклонение составляет не более 7,18%).

В табл. 2 приведены значения нормативных коэффициентов постели древесины разной влажности, определенные по формулам (5) и (6)

с использованием 12) = 33 МПа.

Для промежуточных углов смятия а значения расчетных сопротивлений и нормативных коэффициентов постели вычисляются по стандартной формуле (СНиП П-25-80), в которой показатель степени и = 2.

Таблица 2

Нормативные коэффициенты постели древесины _сосны и ели разной влажности_

Угол смятия, град. В, мм Значения нормативных коэффициентов постели Cq (со) и Сд0(со) (МПа/мм) в зависимости от влажности со(%)

12 15 20 25 30

0 1,0 75,0 65,0 48,0 30,0 13,0

2,0 70,0 61,0 44,0 28,0 12,0

3,0 66,0 57,0 42,0 26,0 11,0

4,0 60,0 52,0 38,0 24,0 10,0

90 1,0 25,0 22,0 18,0 13,0 8,0

2,0 22,0 20,0 15,0 11,0 7,0

3,0 19,0 17,0 13,0 10,0 6,0

4,0 16,0 14,0 11,0 8,0 5,0

В третьей главе диссертации приводятся результаты экспериментально-теоретических исследований влияния влажности древесины на длительную прочность соединений на металлических зубчатых пластинах.

Снижение прочности соединений во времени при увеличении влажности древесины может быть оценено с помощью методики расчета В.А. Цепаева.

Несущая способность соединений (СО) и Т{ ((О) по изгибу зуба

длиной / с учетом влажности древесины ы при передаче усилия широкой Ь или узкой I плоскостью зуба определяется по формулам:

тъ(0>) = ки.ъ№)-к-*-л1яи ■ Ксм.ъ^); (7) Т((со) = киХ(о))-Ь-1-^Яи-Ясш(си), (8)

где

киЛ((о) = к1(со)-1-

ъ у

К-смЛа).

Я

кь(а>) = л

к,(со) =

2 + -

I2-*«

12-ясмЪт

-1;

(9) (Ю)

(П)

2 + -

I -*смЛ<»)

—1

(12)

7?г/ - сопротивление материала зуба изгибу.

Несущая способность соединений из условия равномерного смятия древесины гнезда определяется по формулам:

Ть(й)) = Ь-1-ЯсмЬ(й))1 (13)

Т1(0)) = 1-1-КсШ(С0). (14)

При определении кратковременной прочности соединений Т^ (СО) и Т^ (со) в формулы (7)...(14) подставляются временные сопротивления древесины смятию Я^, а длительной прочности Т^я((0) и Т^Л(0)) - длительные сопротивления = • т^,.

Влияние влажности на длительную прочность соединений на МЗП может быть учтено с помощью коэффициента условий работы тсв , т.е.

тЦл(со) = Т{!л{\2)-тсв-, (15)

Т(дл {со) = Ttdjl (12)-тсв, (16)

где (12) и г/л( 12) ~ длительная прочность соединений при стандартной 12%-ной влажности древесины.

Вычисленные средние значения коэффициента условий работы т°в

для эксплуатационной влажности древесины конструкций to = 12...25% приведены в табл. 3.

Таблица 3

Значения коэффициента условий работы mi

Обозначения со, %

пгсв 12 15 20 25

1,0 0,87 0,69 0,58

Для количественной оценки снижения прочности соединений на МЗП под нагрузкой с течением времени служит коэффициент длитель-

сопротивления т^Л = Т^Л (СО)/{(О) ■ В том случае, когда

ного

кратковременная и длительная прочность соединении определяется из условия изгиба зуба

дл

т„ =

кдЛо»

кр(а»

когда кратковременная прочность соединений определяется изгибом зуба, а длительная - равномерным смятием древесины гнезда

тдл_ 1-тдслм IR^(OJ) , (ig)

с kfP(0))-b V Ru

Длительная прочность Т{т) соединений на МЗП может быть представлена прямой в полулогарифмических координатах Т - Igt (т - время до разрушения , с) в виде (Ю.М. Иванов, В.А. Цепаев)

т(т)=1,03-ii-^l-rw (19)

к

Прямая (19) отсекает на оси абсцисс (времени) отрезок lgА = 17,1, а на оси ординат отрезок Т0 = 1,03Т(/). В (19) T(t) - кратковременная прочность соединений с приведенным временем испытаний t = Л/38,2, а t\ - время до разрушения при испытании с постоянной скоростью, ю

Для экспериментальной оценки влияния влажности со на длительную прочность соединений проводились испытания образцов соединений на пластинах с размерами зуба txbxl= 1,2x3x15 мм и равновесной влажностью древесины, равной 7, 12, и 30 %. Испытания проводились по методике Ю.М. Иванова, основанной на известном свойстве прямых долговечности, наклон которых можно найти, варьируя скорость на-гружения в серии образцов. На рис. 1 представлены опытные точки результатов испытаний с координатами Т(/, со); lg/, в результате статистической обработки которых получены следующие уравнения регрессии:

для (0 = 1% Т(т, со) = 536,2—31,93 • lg т; (20)

для СО = 12% Т(т, со) = 486,3 - 27,07 • lg Г; (21)

для (0 = 30% Т(т, (О) = 343,4- 20,15 -lg т. (22)

Прямые (20)...(22) отсекают на оси времени отрезок lgА, равный для влажности древесины 7, 12 и 30 % соответственно 16,79; 17,96 и 17,04 (среднее значение lgА = 17,26), т.е. незначительно отличаются от lg/1 = 17,1, отсекаемого прямой (19). Приняв в (20)...(22) lgr = 0 получим значения отношения T(0,co)/T(t, со), равные для влажности древесины 7, 12 и 30 % соответственно 1,031; 1,035 и 1,025, которые незначительно отличаются от соответствующего отношения из уравнения (19). Таким образом, лучи пучка прямых длительной прочности соединений на МЗП с разной влажностью древесины можно совместить в одну прямую при T(t, со) = 100%, представленную на рис. 2. В этом случае уравнение длительной прочности (19) можно трансформировать, представив его в виде

Т(г, со) = (1,03 - 0,0602 • lg т) ■ Tit, со). (23)

Установлено, что коэффициент длительного сопротивления соединений, определенный по экспериментальной прямой (23) для со = 12 и

30% = 0,493, отличается от теоретического значения в диапазоне изменения влажности (12...30)% = 0,519 на 5%.

В четвертой главе диссертации приводятся результаты экспериментально-теоретических исследований влияния влажности древесины на деформативность соединений на металлических зубчатых пластинах.

т,н

1 2 3 Рнс. I. Результаты испытаний соединений с разной влажностью древесины

Для экспериментальной оценки влияния влажности со на развитие деформаций ползучести проводились длительные испытания опытных образцов на пластинах с размерами зуба /хбх/ = 1,2x2,4x12 мм. В опытных образцах соединений усилие передавалось плоскостью зуба как вдоль (а = 0°), так и поперек (а = 90°) направления волокон древесины. Влажность древесины опытных образцов составила 6,25; 9,54; 18,0 и 21,9% для соединений под углом а = 0°, а для соединений под углом а = 90° -9,5; 15,5; 25,4 и 30%.

- опытные точки длительных испытаний соединении по данным В.А. Цепаева

2 4 6 8 10 12 14 16 17,1 Рис. 2. Зависимость длительной прочности соединений на МЗП от времени

Длительные испытания образцов соединений проводились под расчетной нагрузкой Т£(б)) О), определенной с использованием расчетного сопротивления Ясм{о)) (3), учитывающего фактическую влажность и прочность древесины образцов. Увеличение влажности древесины со с 6,25 до 21,9% (а = 0°) снижает расчетную нагрузку в 1,63 раза, а с изменением со с 9,5 до 30% (а = 90°) расчетная нагрузка снижается в 1,69 раза. Установлено, что под действием на соединения расчетной нагрузки независимо от влажности и направления волокон древесины ползучесть соединений происходит с затухающей скоростью и одинаковой интенсивностью. Для оценки развития во времени деформаций соединений на МЗП использовалась характеристика ползучести <р(т). Для соединений на МЗП построена обобщенная кривая характеристики

ползучести гр°'90(т), для аппроксимации которой использовалась степенная зависимость вида

(р°'90(т) = 0,39 • г0,1968, (24)

где г - время в сутках. Для повышения достоверности полученной зависимости (24) дополнительно проводились испытания соединений (а = 0°) с влажностью древесины, равной 10,8; 11,2 и 11,8%, на пластинах с размерами зуба txbxl соответственно 1,2x3x15 мм; 1,8x3,5x20 мм и 2x4x22 мм. Степенная зависимость (24) удачно описывает опытные данные в осях Ф) - г.

При расчете соединений по деформациям древесина гнезда рассматривалась как сплошное, однородное, упругое основание, подчиняющееся гипотезе Винклера. Уравнение изогнутой оси зуба может быть представлено в виде неоднородного дифференциального уравнения четвертого порядка

ад ti

где у(.х, со) - прогибы оси зуба, соответствующие деформациям древесины с влажностью со; £ = xIL - безразмерная координата; L - характеристика балки на упругом основании

L = , (26)

\ с(а))

El - изгибная жесткость зуба; с(со) = с\(о)-Ь - погонный коэффициент постели древесины основания.

Зуб пластины загружен только в начальном сечении (х = 0, £ = 0) нагрузкой Тр{со) и изгибающим моментом М Поэтому уравнение (25)

сводится к однородному дифференциальному уравнению

^ß- + Ay{X,CO) = О- (27)

dg4

общее решение которого можно представить в виде

j(x, со) = е^ ■ (c¡ • cos £ + с2 • sin +

+ е~^ ■ (с3 • cos£ + сА • sin

где си С2, Сз, С4 - произвольные постоянные, определяемые из граничных условий.

В результате решения уравнения (28) получены зависимости для определения основных параметров изогнутой оси зуба (прогиба, угла поворота сечений, изгибающего момента и поперечной силы), с ис-

(28)

пользованием гиперболо-тригонометрических функций Ах, Вх, Сх, Ох, которые являются балочными функциями А.Н. Крылова. Для сокращения времени вычисления основных параметров выполнена автоматизация расчета.

Максимальный прогиб оси зуба в основании пластины определяется по формуле

.. . Тр(со) А1 + А- В ■ Б

у (0, со) = —---£-2-—, (29)

с{С0)-Ь АХ-ВХ+А.СХ-БХ

где* = /, а£= = 14.

Несущие деревянные конструкции покрытия зданий находятся под действием постоянной нагрузки с ежегодным приложением и удалением снеговой нагрузки. Полная деформация в соединяемом элементе от постоянной нагрузки N определяется из выражения

ёэдл {Щ = 51 (АО ■ (1 + 0,39 • г0'1968). (30)

Согласно идеализированной модели изменения снеговой нагрузки в течении зимы в период снегонакопления ^ каждую декаду ¿1/ происходит прирост нагрузки на одну и ту же величину 5",-, действующую в

течении времени /, = («+ 1 - /). Максимальную деформацию в соединяемом элементе от снеговой нагрузки .У в момент времени ¡т представим в виде суммы длительных деформаций <5^,(5^)

81 (5,-) = 81 (Я,) • (1 + 0,39 • /,0'1968). (31)

Суммарная деформация

(32>

/=1

где п - число декад в периоде снегонакопления { .

В (30)...(32) 8%(А0 и (£/) - кратковременные деформации,

возникающие немедленно после приложения нагрузки, определяемые по формуле (29).

Полная деформация соединений на МЗП для срока службы конструкций г = 25 лет от совместного действия снеговой и постоянной нагрузок может быть определена по формуле

$дл = 2,41 • бк(Т) , (33)

где SK (Т) - кратковременная деформация соединения от расчетной нагрузки тр (со) ■

В пятой главе диссертации приводятся результаты исследований процессов деформирования узловых соединений и составных деревянных балок на металлических зубчатых пластинах при длительном за-гружении.

С целью экспериментального подтверждения теоретических разработок в области прогнозирования деформаций ползучести соединений на МЗП проводились длительные испытания узловых соединений деревянных конструкций и составных деревянных балок на металлических зубчатых пластинах под расчетной нагрузкой. Для повышения достоверности результатов сравнения физико-механические характеристики древесины опытных соединений и балок определялись по результатам стандартных испытаний образцов, отобранных непосредственно из предназначенных для соединений элементов.

Образцы узловых соединений на МЗП представляли собой стык двух деревянных элементов под углом а, равным 30° и 90° (Т-образный стык) (рис. 3 и рис. 4). Разработанная конструкция составной деревянной балки пролетом 3,0 м, соединялась тремя пластинами с каждой стороны шва на длине 1,2 м (рис 5). В опытных образцах узловых соединений и балок использовались пластины с размерами зуба txbxl- 1,2x2,4x12 мм.

Рис. 3. Длительные испытания образцов соединений с расположением элементов под углом 90°

Рис. 4. Длительные испытания образцов соединений с расположением элементов под углом 30°

Рис. 5. Длительные испытания составной деревянной балки на МЗП

Апробация теоретических исследований заключалась в сопоставлении опытных и вычисленных значений деформаций ползучести узловых соединений, а также сдвиговых деформаций и прогибов составных деревянных балок.

Деформация ползучести соединений к моменту времени г вычислялась по формуле

¿Лт) = Яка(Т)-0,39-т°>т\ (34)

где §к а (Т) - кратковременная деформация, вычисленная от действия расчетной нагрузки на соединение.

Развивающиеся во времени г сдвиговые деформации составных деревянных балок определялись из выражения

6(Т) = 2-Зс -(1 + 0,39 -г0'1968), (35)

где 8С - перемещение одной связи (зуба пластины), вычисленное по

формуле (29) от действия усилия Тс в наиболее напряженных связях

по концам балки.

Прогиб составной балки на момент времени наблюдения г определялся по формуле

Дт) = к/(т)-/ч(т), (36)

где /ц (г) - прогиб балки цельного сечения под полной нагрузкой,

определяемый с использованием длительного модуля упругости древесины

Е(со) 1 + Ь-т°

Е(ш) - модуль упругости древесины с влажностью со (%); Ь - коэффициент, характеризующий изменение с влажностью скорости деформаций.

Коэффициент приведения прогиба kf (г) = Икж(т) определялся с помощью коэффициента жесткости кж(г)

в#Г- <38)

где а = 2 /[//,,; 1\ - момент инерции отдельных слоев балки; В(т) - коэффициент податливости шва

ад^-УУЛМЧМ, до,

е-1-пс-Тс

где 51! - статический момент части сечения, лежащий выше (ниже) данного шва; пш — число швов; е - расстояние между осями крайних слоев составной балки пролётом /; пс - число равномерно поставленных связей; Тс - сдвигающее усилие в наиболее напряженных связях.

Из приведенных в диссертации графиков видно, что аналитические кривые деформаций ползучести узловых соединений, сдвиговых деформаций и прогибов составных балок незначительно отличаются от экспериментальных.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Из практики эксплуатации строительных конструкций с соединениями на металлических зубчатых пластинах известны случаи их отказов, одной из основных причин которых является игнорирование при расчете соединений содержания в древесине связанной влаги.

2. В результате проведения исследований смятия древесины узким прямоугольным штампом установлены эмпирические зависимости временных сопротивлений и коэффициентов постели от направления волокон и влажности древесины.

3. Определены значения расчетных сопротивлений и нормативных коэффициентов постели при смятии под углом к направлению волокон и влажности древесины, необходимые для расчета соединений на МЗП по предельным состояниям первой и второй групп.

4. Установлено значительное влияние влажности древесины на величину длительной прочности соединений на МЗП. Влияние влажности может быть учтено с помощью коэффициента условий работы тсв , значения которого для эксплуатационной влажности древесины конструкций со = 12...25% находятся в пределах 0,58 < < 1,0.

5. Экспериментально подтверждена возможность построения пучка прямых длительной прочности соединений с разной влажностью древесины путем их проведения через полюс IgA =17,1 (отрезок, отсекаемый на оси времени в координатах Т - lgr) и точки кратковременной прочности соединений T(t,a>) с приведенным временем машинных испытаний t.

Лучи пучка прямых длительной прочности соединений с разной влажностью древесины можно совместить в одну прямую при T(t,a>) = 100%, которая может быть использована для прогнозирования длительной прочности соединений на МЗП.

6. Экспериментальные исследования деформаций ползучести соединений на МЗП с разной влажностью древесины со под расчетной нагрузкой Тр(бО) позволили установить закономерности их изменения во времени и получить выражение для определения реологической характеристики соединений - характеристики ползучести.

7. В результате решения задачи изгиба зуба пластины, лежащего на сплошном линейно-деформируемом основании, получены выражения для определения основных параметров изогнутой оси зуба, для сокращения времени вычисления которых выполнена автоматизация расчета.

8. В результате расчета соединений по деформациям с учетом длительности действия на конструкции снеговой и постоянной нагрузок

получены выражения для определения величины полных деформаций соединений на МЗП к концу срока службы конструкций.

9. Проведены длительные испытания узловых соединений деревянных элементов под углами 30° и 90° и разработанных составных деревянных балок на МЗП под расчетной нагрузкой. Установлено, что аналитические кривые деформаций ползучести узловых соединений, сдвиговых деформаций и прогибов составных деревянных балок незначительно отличаются от экспериментальных. Этот факт свидетельствует о достоверности разработанной методики расчета соединений по деформациям.

10. Реализация результатов выполненных исследований позволит решить проблему обеспечения долговечности деревянных конструкций покрытия на МЗП для зданий с различными влажностными условиями эксплуатации на стадии проектирования.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. Ермолаев, В. В. Теоретическое обоснование метода прогнозирования длительной прочности соединений на металлических зубчатых пластинах (МЗП) с учётом влияния влажности древесины / В. В. Ермолаев, В. А. Цепаев // Современные технологии в машиностроении : материалы Всерос. науч.-практ. конф. - Пенза, 2004. - С. 262-266.

2. Ермолаев, В. В. Теоретическая оценка влияния влажности древесины на длительную прочность соединений на металлических зубчатых пластинах / В. В. Ермолаев, В. А. Цепаев // Итоги строительной науки : материалы между-нар. науч.-техн. конф. - Владимир, 2005. - С. 36-40.

3.Ермолаев, В. В. Влияние влажности древесины на величину коэффициента постели при смятии узким прямоугольным штампом / В. В. Ермолаев // Технические науки : X нижегородская сессия молодых ученых : тез. докл. -Дзержинск, 2005. - С. 29-30.

4. Ермолаев, В. В. Автоматизация расчета соединений деревянных конструкций на металлических зубчатых пластинах (МЗП) по деформациям /

B. В. Ермолаев Ч Технические науки : сб. тр. аспирантов и магистрантов / Ни-жегор. гос. архитектур.-строит. ун-т. - Н. Новгород, 2005. - С. 17-20.

5. Ермолаев, В. В. Экспериментальные исследования влияния влажности древесины на длительную прочность соединений на металлических зубчатых пластинах / В. В. Ермолаев, В. А. Цепаев // Современные проблемы совершенствования и развития металлических, деревянных, пластмассовых конструкций в строительстве и на транспорте : сб. науч. тр. междунар. науч.-техн. конф. -Самара, 2005. - С. 338-342.

6. Ермолаев, В. В. Теоретическая оценка влияния влажности древесины на деформативность соединений строительных конструкций на металлических зубчатых пластинах / В. В. Ермолаев, В. А. Цепаев, В. П. Гущин // Вестник РААСН. Волжское региональное отд-ние. - Н. Новгород, 2005. - Вып. 8. -

C. 163-173.

7. Ермолаев, В. В. Опыт реконструкции гражданских зданий с применением конструкций на (МЗП) / В. В. Ермолаев, А. В. Крицин // Промышленная безопасность - 2006. Исследование технического состояния строительных конструкций, зданий и сооружений в процессе экспертизы промышленной безопасности опасных производственных объектов : сб. ст. - Н. Новгород, 2005. -С. 95-98.

8*. Ермолаев, В. В. Расчётные характеристики древесины в соединениях строительных конструкций на металлических зубчатых пластинах / В. В. Ермолаев, В. А. Цепаев II Жилищ, стр-во. - 2006. - № 2. - С. 14-15.

9. Ермолаев, В. В. Экспериментальные исследования влияния влажности древесины на ползучесть соединений на металлических зубчатых пластинах / В. В. Ермолаев, В. А. Цепаев // Вестник РААСН. Волжское региональное отд-ние. - Н. Новгород, 2006. - Вып. 9. - С. 201-211.

10*. Ермолаев, В. В. О расчете деформаций соединений деревянных конструкций / В. В. Ермолаев, В. А. Цепаев // Жилищ, стр-во. - 2006. - № 6. - С. 2123.

11. Ермолаев, В. В. О характеристике ползучести и величине предельной деформации соединений деревянных конструкций на металлических зубчатых пластинах / В. В. Ермолаев // Технические науки : X нижегородская сессия молодых ученых : тез. докл. - Татинец, 2006. - С. 67-68.

12. Ермолаев, В. В. Экспериментальные исследования ползучести соединений деревянных элементов под углом на металлических зубчатых пластинах I В. В. Ермолаев И Технические науки : сб. тр. аспирантов и магистрантов / Ни-жегор. гос. архитектур.-строит. ун-т. - Н. Новгород, 2006. - С. 21-25.

13. Ермолаев, В. В. Теоретические и экспериментальные исследования развития сдвиговых деформаций и перемещений составных деревянных балок на металлических зубчатых пластинах при длительном загружении / В. В. Ермолаев, В. А. Цепаев II Вестник РААСН. Волжское региональное отд-ние,-Н. Новгород, 2007. - Вып. 10. - С. 178-184.

14. Ермолаев, В. В. О предельной величине полной деформации соединений конструкций на металлических зубчатых пластинах в зависимости от влажности древесины / В. В. Ермолаев // Технические науки : сб. тр. аспирантов и магистрантов / Нижегор. гос. архитектур.-строит. ун-т. - Н. Новгород, 2007. - С. 23-26.

15. Ермолаев, В. В. Влияние влажности древесины на длительную прочность и ползучесть соединений на металлических зубчатых пластинах /

B. В. Ермолаев, В. А. Цепаев II Современные строительные конструкции из металла, дерева и пластмасс: материалы междунар. симп. - Одесса, 2007. -

C. 238-243.

* - статья опубликована в издании, включённом в Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, рекомендуемых ВАК Российской Федерации.

Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1. Заказ 303. Тираж 100.

Типография Нижегородского госуниверситета им. Н.И. Лобачевского 603000, Н. Новгород, ул. Б. Покровская, 37

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ СОЕДИНЕНИЙ ДЕРЕВЯННЫХ СТРОИТЕЛЬННЫХ КОНСТРУКЦИЙ НА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ЗУБЧАТЫХ ПЛАСТИНАХ.

1.1 Общая характеристика и опыт применения деревянных строительных конструкций на металлических зубчатых пластинах в строительстве.

1.2 Обоснование выбранного направления и задачи исследований.

ГЛАВА 2 ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ВЛАЖНОСТИ НА ПРОЧНОСТЬ И

ДЕФОРМАТИВНОСТЬ ДРЕВЕСИНЫ ПРИ СМЯТИИ УЗКИМ ПРЯМОУГОЛЬНЫМ ШТАМПОМ.

2.1 Основные сведения.

2.2 Влияние влажности на сопротивления древесины при смятии узким прямоугольным штампом.

2.3 Влияние влажности древесины на значения коэффициента постели при смятии узким прямоугольным штампом.

2.4 Выводы по главе.

ГЛАВА 3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

ВЛИЯНИЯ ВЛАЖНОСТИ ДРЕВЕСИНЫ НА ДЛИТЕЛЬНУЮ ПРОЧНОСТЬ СОЕДИНЕНИЙ НА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ЗУБЧАТЫХ ПЛАСТИНАХ.

3.1 Теоретическая оценка влияния влажности на длительную прочность соединений.

3.2 Обоснование метода прогнозирования длительной прочности соединений с учётом влияния влажности древесины.

3.3 Экспериментальная оценка влияния влажности древесины на длительную прочность соединений на МЗП.

3.4 Выводы по главе.

ГЛАВА 4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

ВЛИЯНИЯ ВЛАЖНОСТИ ДРЕВЕСИНЫ НА

ДЕФОРМАТИВНОСТЬ СОЕДИНЕНИЙ НА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ

ЗУБЧАТЫХ ПЛАСТИНАХ.

4.1 Экспериментальные исследования влияния влажности древесины на ползучесть соединений.

4.2 Теоретическая оценка влияния влажности древесины на деформативность соединений.

4.3 Расчёт деформаций соединений с учётом длительности действия снеговой и постоянной нагрузок.

4.4 Выводы по главе.

ГЛАВА 5 ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ДЕФОРМИРОВАНИЯ УЗЛОВЫХ

СОЕДИНЕНИЙ И СОСТАВНЫХ ДЕРЕВЯННЫХ БАЛОК НА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ЗУБЧАТЫХ ПЛАСТИНАХ ПРИ ДЛИТЕЛЬНОМ ЗАГРУЖЕНИИ.

5.1 Экспериментальные исследования деформаций ползучести узловых соединений деревянных конструкций.

5.2 Теоретические и экспериментальные исследования развития сдвиговых деформаций и перемещений составных деревянных балок при длительном загружении.

5.3 Выводы по главе.

В настоящее время одновременно с клееными деревянными конструкциями получило распространение производство деревянных конструкций с соединениями на металлических зубчатых пластинах (МЗП) [2, 59, 7, 41, 46, 67, 68, 42, 62]. Металлические зубчатые пластины являются индустриальным видом связи, в наибольшей мере отвечающие требованиям скоростного строительства при массовом производстве конструкций.Конструкции с соединениями на металлических зубчатых пластинах изготавливаются в заводских условиях на автоматизированном оборудовании из заранее заготовленных стандартных элементов. Металлические зубчатые пластины изготавливаются из листовой малоуглеродистой стали марок 08 КП и 10 КП толщиной от 1 до 2 мм методом холодной штамповки. В результате штамповки образуется система зубьев, отогнутых относительно поверхности пластины под прямым углом. Для изготовления конструкций на МЗП используются остроганные с четырёх сторон пиломатериалы толщиной 40...60 мм.Наряду с простотой изготовления деревянные конструкции с соединениями на металлических зубчатых пластинах обладают хорошими экономическими показателями. Во-первых, это низкий расход древесины на единицу площади покрытия здания по сравнению с другими деревянными конструкциями с традиционными видами узловых соединений. Во-вторых, малая масса конструкций положительно сказывается на скорости их монтажа.Небольшие лёгкие конструкции могут устанавливаться вручную или с применением кранов небольшой грузоподъёмности. Компактная конструкция соединений позволяет перевозить готовые изделия в пакетах, благодаря чему рационально используется грузоподъёмность транспорта. Наконец, дороговизна земли в центре крупных городов приводит к необходимости реконструкции существующих зданий с плоской или холодной чердачной кровлей. Надстройка мансардного этажа с лёгкими несущими деревянными конструкциями на металлических зубчатых пластинах позволяет успешно решить эту задачу как с технической точки зрения (незначительная нагрузка на фундамент, лёгкость монтажа), так и с архитектурной (возможность создания выразительной кровли любой формы).Из практики эксплуатации деревянных конструкций зданий различного назначения известны случаи их отказа [3, 45, 53]. Одной из основных причин таких отказов является игнорирование при расчёте соединений содержания в древесине связанной влаги. Отличительная особенность древесины состоит в гидрофильности её целлюлозных составляющих и содержания определённого количества связанной влаги, соответствующей средним значениям относительной влажности воздуха и температуры помещения. Таким образом, древесина в конструкциях всегда частично пластифицирована влагой, оказывающей влияние на её механические свойства, прочность и деформативность соединений на податливых связях [19]. Проведёнными В.А. Цепаевым исследованиями [69] установлена ярко выраженная зависимость прочности и деформативности соединений на металлических зубчатых пластинах от величины и продолжительности действия нагрузки. Однако до последнего времени отсутствуют сведения о влиянии влажности древесины на длительную прочность и ползучесть соединений строительных конструкций на металлических зубчатых пластинах. Соединения элементов деревянных конструкций на МЗП обладают свойством упругого последействия, которое проявляется в постепенном увеличении деформаций с течением времени при неизменной нагрузке [14]. Поэтому расчёт таких соединений по деформациям под расчётной нагрузкой, учитывающей влажностное состояние древесины, может оказаться определяющим для обеспечения долговечности конструкций зданий.Учитывая перспективность соединений деревянных конструкций на металлических зубчатых пластинах, можно считать, что задача исследований работы этого вида соединений в условиях длительного загружения в зависимости от содержания связанной влаги в древесине является актуальной, решение которой позволит повысить эксплуатационную надёжность конструкций.Ц е л ь ю д и с с е р т а ц и о н н о й р а б о т ы являются экспериментально-теоретические исследования влияния влажности древесины на длительную прочность и ползучесть соединений на металлических зубчатых пластинах и разработка метода расчета соединений по деформациям от действия на конструкции эксплуатационных нагрузок.П р а к т и ч е с к а я з н а ч и м о с т ь д и с с е р т а ц и и Результаты выполненных исследований позволят учесть влияние эксплуатационной влажности древесины на снижение прочности и развитие деформаций соединений строительных конструкций на металлических зубчатых пластинах в течении заданного срока их службы. Реализация результатов работы позволит обеспечить необходимую долговечность деревянных конструкций покрытия на МЗП зданий с различными температурно-влажностными условиями эксплуатации на стадии проектирования.Р е з у л ь т а т ы д и с с е р т а ц и о н н о й р а б о т ы в н е д р е н ы : - при проектировании мансардного этажа с использованием составных деревянных элементов на металлических зубчатых пластинах над домом № 60 по ул. Ильинской в г. Н.Новгороде (Приложение А); - при проектировании двускатной кровли с использованием треугольных деревянных ферм на металлических зубчатых пластинах над зданием проходной на КС-22 в п. Абашево (Чебоксарское ЛПУМГ) (Приложение Б); - при определении остаточного ресурса и оценке технического состояния зданий с составными деревянными элементами на металлических зубчатых пластинах при экспертизе промышленной безопасности ООО «ИКЦ «Промтехбезопасность».А п р о б а ц и я р а б о т ы . Основные положения диссертационной работы доложены на VIII Всероссийской научно-практической конференции «Современные технологии в машиностроении» в г. Пензе (2004 г.); на X Нижегородской сессии молодых ученых в г. Дзержинске (2005 г.); на IV международной научно-технической конференции «Итоги строительной науки» в г. Владимире (2005 г.); на III международной научно-технической конференции «Современные проблемы совершенствования и развития металлических, деревянных, пластмассовых конструкций в строительстве и на транспорте » в г. Самаре (2005г.); на XI Нижегородской сессии молодых ученых в г. Кстово (2006 г.); на научно-технических конференциях аспирантов и магистрантов Нижегородского государственного архитектурно-строительного университета (2005, 2006, 2007 г.г.) П у б л и к а ц и и . По теме диссертации опубликовано 15 работ.С т р у к т у р а и о б ъ е м р а б о т ы . Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, библиографического списка и четырех приложений. Общий объем работы составляет 165 страниц, в том числе 53 рисунка в виде схем, графиков и фотографий, 27 таблиц, библиографического списка, включающего 109 наименований.Работа выполнена в Нижегородском государственном архитектурностроительном университете. Научный руководитель — доктор технических наук, профессор Цепаев В.А.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Древесина в конструкциях всегда частично пластифицирована влагой, что сказывается на её механических свойствах, прочности и деформативности соединений их элементов.

2. Из практики эксплуатации строительных конструкций с соединениями на металлических зубчатых пластинах известны случаи их отказов, одной из основных причин которых является игнорирование при расчете соединений содержания в древесине связанной влаги.

3. В результате проведенных исследований смятия древесины узким прямоугольным штампом установлены эмпирические зависимости временных сопротивлений и коэффициентов постели от направления волокон и влажности древесины.

4. Определены значения расчётных сопротивлений и нормативных коэффициентов постели древесины при смятии под углом к направлению волокон и влажности древесины, необходимые для расчёта соединений на МЗП по предельным состояниям первой и второй групп.

5. Установлено значительное влияние влажности древесины на величину длительной прочности соединений на МЗП. Влияние влажности может быть учтено с помощью коэффициента условий работы тсв, значения которого для эксплуатационной влажности древесины конструкций со = 12.25% находятся в пределах 0,58 <т°6< 1,0.

6. Экспериментально подтверждена возможность построения пучка прямых длительной прочности соединений с разной влажностью древесины путем проведения лучей через полюс пучка (lg\А = 17,1) и точки кратковременной прочности соединений T(t, со) с приведённым временем машинных испытаний t.

Лучи пучка прямых длительной прочности можно совместить в одну прямую Т — lgr (при Т в %), которая может быть использована для прогнозирования длительной прочности соединений на МЗП с разной влажностью древесины.

7. Экспериментальные исследования деформаций ползучести соединений на МЗП с разной влажностью древесины со под расчетной нагрузкой Тр(со) позволили установить закономерности их изменения во времени и получить выражение для определения реологической характеристики этого вида соединений — характеристики ползучести.

8. В результате решения задачи изгиба зуба пластины, лежащего на сплошном линейно-деформируемом основании, получены выражения для определения основных параметров изогнутой оси зуба, для сокращения времени вычисления которых выполнена автоматизация расчёта.

9. В результате расчёта соединений по деформациям с учётом длительности действия на конструкции снеговой и постоянной нагрузок получены выражения для определения величины полных деформаций соединений на МЗП к концу срока службы конструкций.

10. Проведенные длительные испытания соединений деревянных элементов под углами 30° и 90° и разработанных составных деревянных балок на МЗП под расчётной нагрузкой позволили установить, что аналитические кривые деформаций ползучести узловых соединений, а также сдвиговых деформаций и прогибов составных деревянных балок незначительно отличаются от экспериментальных. Этот факт свидетельствует о достоверности разработанной методики расчёта соединений по деформациям.

11. Реализация результатов выполненных исследований позволит решить проблему обеспечения долговечности деревянных конструкций покрытия на МЗП для зданий с различными влажностными условиями эксплуатации на стадии проектирования.

1. Андрейко Н.Т. Влияние влажности на механические свойства древесины осины

2. Текст. / Н.Т. Андрейко // Тр. МИСИ им. В.В. Куйбышева № 13. М.: Стройиздат, 1958. - С. 94 - 120.

3. Арленинов Д.К. Конструкции из дерева и пластмасс Текст. / Д.К. Арленинов,

4. Ю.Н. Буслаев, В.П. Игнатьев и др. М.: Издательство АСВ, 2002. - 280 с.

5. Асташкин В.М. Эксплуатационная надежность и особенности работы некоторых типов деревянных ферм Текст. / В.М. Асташкин // Изв. вузов. Строительство и архитектура — 1989. — №7 — С. 21-26.

6. Ашкенази Е.К. Прочность анизотропных древесных материалов Текст. / Е.К. Ашкенази М.: Лесная промышленность, 1966. - 166 с.

7. Быковский В.Н. Применение механики упруго-вязких тел к построению теориисопротивления древесины с учетом фактора времени Текст. / В.Н. Быковский // Исследование прочности и деформативности древесины. — М.: Стройиздат, 1956.-С. 32-41.

8. Быковский В.Н. Сопротивление материалов во времени с учетом статистических факторов Текст. / В.Н. Быковский М.: Стройиздат, 1958. — 149 с.

9. Данилов В.В. Деревянные фермы заводского изготовления, соединенные зубчатыми пластинами Текст. / В.В. Данилов, A.M. Дурновский // Реф. информ. Механическая обработка древесины / ВНИПИЭИ леспром. 1975. -№4.-С. 9-10.

10. Денеш Н.Д. Учет длительности действия снеговой и постоянной нагрузок прирасчете прогибов деревянных конструкций Текст. / Н.Д. Денеш // Изв. вузов. Строительства и архитектура. 1990.- №7.- С.16-20.

11. Дмитриев П.А. Соединение элементов безметальных деревянных конструкцийна цилиндрических нагелях из высокопрочного стеклопластика АГ-4С Текст. /

12. П.А. Дмитриев, Ю.Д. Стрижаков // Изв. вузов. Строительство и архитектура. — 1972.-№8.-С. 17-22.

13. Дмитриев П.А. Исследование длительной несущей способности соединений деревянных элементов на стальных цилиндрических нагелях Текст. / П.А. Дмитриев // Изв. вузов. Строительство и архитектура. — 1973. — №5. — С. 28-35.

14. Дмитриев П.А. Исследование прочности соединений деревянных элементов на нагелях из стеклопластика АГ-4С при действии длительных нагрузок Текст. / П.А. Дмитриев, Ю.Д. Стрижаков // Изв. вузов. Строительство и архитектура. — 1974.-№6.-С. 32-38.

15. Дмитриев П.А. Исследование прочности древесины на смятие в отверстии при кратковременном и длительном действии нагрузок Текст. / П.А. Дмитриев // Изв. вузов. Строительство и архитектура. 1965. — №12. - С. 165 — 173.

16. Дмитриев П.А. Исследование прочности древесины на смятие в отверстии поперёк волокон при действии кратковременных и длительных нагрузок Текст. / П.А. Дмитриев, Ю.Д. Стрижаков // Изв. вузов. Строительство и архитектура. 1969. - №7. - С. 22 - 28.

17. Дмитриев П.А. Исследование смятия древесины в отверстии с помощью оптически чувствительных покрытий Текст. / П.А. Дмитриев, В.А. Жилкин, Ю.Д. Стрижаков // Изв. вузов. Строительство и архитектура. — 1971. — №2. — С. 18-24.

18. Иванов A.M. Упругое последействие воздушно-сухой древесины Текст. / A.M. Иванов // Исследование прочности и деформативности древесины. М.: Стройиздат, 1956.-С. 56-67.

19. Иванов Ю.М. Предел пластического течения древесины Текст. / Ю.М. Иванов. -М.: Госстройиздат, 1949. 198с.

20. Иванов Ю.М. Современное состояние исследований длительного сопротивления древесины Текст. / Ю.М. Иванов // Исследование прочности и деформативности древесины. М.: Стройиздат, 1956. — С. 42-55.

21. Иванов Ю.М. Длительная прочность древесины Текст. / Ю.М. Иванов // Изв. вузов. Лесной журнал. — 1972. — №4. — С. 76-82.

22. Иванов Ю.М. Длительная несущая способность деревянных конструкций Текст. / Ю.М. Иванов // Изв. вузов. Строительство и архитектура. — 1972. — №11.-С. 6-12.

23. Иванов Ю.М. Влияние влажности на длительную прочность древесины Текст. / Ю.М. Иванов // Изв. вузов. Лесной журнал. 1975. - №5. - С. 90-97.

24. Иванов Ю.М. Анализ коэффициента безопасности деревянных конструкций Текст. / Ю.М. Иванов // Изв. вузов. Строительство и архитектура. — 1975. -№7. С. 6-11.

25. Иванов Ю.М. О методике оценки длительной прочности древесины и фанеры Текст. / Ю.М. Иванов, Ю.А. Лобанов // Изв. вузов. Строительство и архитектура. 1977. - №9. - С. 25-30.

26. Иванов Ю.М. О длительной прочности древесины по результатам испытаний образцов крупного размера Текст. / Ю.М. Иванов // Изв. вузов. Лесной журнал. 1978. -№1.- С. 77-83.

27. Иванов Ю.М. Безопасность деревянных конструкций с учетом длительности действия нагрузки Текст. / Ю.М. Иванов // Исследования в области деревянных конструкций: Сб. науч. тр. ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко / ЦНИИСК.-М., 1985.-С. 4-11.

28. Иванов Ю.М. К методике определения деформаций деревянных конструкций в покрытиях зданий Текст. / Ю.М. Иванов // Изв. вузов. Строительство и архитектура. 1990. - №6. - С. 107-109.

29. Иванов Ю.М. Последействие в древесине конструктивных элементов Текст. / Ю.М. Иванов // Изв. вузов. Строительство и архитектура. 1977. - №1. - С. 2432.

30. Иванов Ю.М. Области упругого и неупругого деформирования древесины и фанеры Текст. / Ю.М. Иванов // Изв. вузов. Строительство и архитектура. -1979.-№ 12.-С. 17-22.

31. Кашкаров К.П. Длительное сопротивление древесины Текст. / К.П. Кашкаров // Исследование прочности и деформативности древесины. — М.: Стройиздат, 1956.-С. 68-92.

32. Квасников Е.Н. Вопросы длительного сопротивления древесины Текст. / Е.Н. Квасников JL: Стройиздат, 1972. — 95 с.

33. Котлов В.Г. Пространственные конструкции из деревянных ферм с узловыми соединениями на металлических зубчатых пластинах: Дис. . канд. техн. наук / НИСИ им. В.В. Куйбышева. Новосибирск, 1991. - 215 с.

34. Коцегубов В.П. Некоторые вопросы долговременного сопротивления древесины сосны сжатию вдоль волокон Текст. / В.П. Коцегубов // Исследование прочности и деформативности древесины. М.: Стройиздат, 1956.-С. 127-140.

35. Коченов В.М. Несущая способность элементов и соединений деревянных конструкций Текст. / В.М. Коченов. — М.: Стройиздат, 1953. 319 с.

36. Крицин А.В. Расчет сквозных деревянных конструкций на металлических зубчатых пластинах с учетом упруго — вязких и пластических деформаций: Дис. . канд. техн. наук / ННГАСУ. Нижний Новгород, 2004. - 180 с.

37. Леннов В.Г. Исследование сопротивления древесины сосны с учетом влияния фактора времени Текст. / В.Г. Ленов // Исследование прочности и деформативности древесины. М.: Стройиздат, 1956. - С. 93-106.

38. Леонтьев Л.Н. Экспериментальные исследования сопротивления древесины длительному действию нагрузки Текст. / Н.Л. Леонтьев // Исследование прочности и деформативности древесины. — М.: Стройиздат, 1956. — С. 118-126.

39. Ломакин А.Д. Исследование влияния температурно-влажностных воздействий среды животноводческих и птицеводческих зданий на состояние деревянных конструкций Текст. / А.Д. Ломакин: Автореф. дис. . канд. техн. наук // ЦНИИЭПсельстрой. М., 1972. - 22 с.

40. Львовский Е.Н. Статистические методы построения эмпирических формул Текст. / Е.Н. Львовский. М.: Высшая школа, 1982. - 224 с.

41. Мартинец Д.В. Деревянные стропильные фермы на металлических зубчатых пластинах Текст. / Д.В. Мартинец, А.К. Наумов // Реф. сб. Общие вопросы строительства. Отечественный опыт. — Вып. 12. М., 1974. — С. 49-52.

42. Мартинец Д.В. Влияние влажности на прочность древесины Текст. / Д.В. Мартинец // Тр. МИСИ им. В.В. Куйбышева № 13. М.: Стройиздат, 1958. - С. 41-58.

43. Михайлов В.Г. О длительном сопротивлении древесины и методе его ускоренного определения Текст. / В.Г. Михайлов // Исследование прочности и деформативности древесины. — М.: Стройиздат, 1956.-С. 107-117.

44. Молева Р.И. Особенности поверочных перерасчетов при обследовании эксплуатируемых деревянных конструкций Текст. / Р.И. Молева, В.А. Цепаев // Жилищное строительство. — 2002. — №7. — С. 16-18.

45. Наумов А.К. Индустриальный способ соединения деревянных конструкций Текст. / А.К. Наумов // Строительные материалы, технология строительного производства и строительные конструкции / МПИ им. М. Горького. — Йошкар-Ола. 1972.-С. 63-68.

46. Наумов А.К. Исследование несущей способности нагеля-зуба в соединениях деревянных элементов Текст. / А.К. Наумов // Вторая научная конференция молодых ученых Волго-Вятского региона: Тез. докл. Йошкар-Ола, 1973. - С. 16-17.

47. Наумов А.К. Исследование несущей способности соединений на металлических зубчатых пластинах Текст. / А.К. Наумов // Материалы конференции по итогам научно-исследовательских работ за 1974 г. / МПИ им. М.Горького. — Йошкар-Ола, 1975. — С. 24-26.

48. Наумов А.К. Исследование соединений легких деревянных несущих конструкций на металлических зубчатых пластинах: Дис. . канд. техн. наук / ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко. -М., 1978.- 143 с.

49. Никифоров С.Н. Сопротивление материалов Текст. / С.Н. Никифоров. М.: Высшая школа, 1966. - 584 с.

50. Орлович Р.Б. Тенденции в развитии соединений деревянных конструкций в строительстве за рубежом Текст. / Р.Б. Орлович, 3. Гиль, П.А. Дмитриев // Изв. вузов. Строительство. — 2004. — №11. С. 4-9.

51. Панфёров К.В. Работа древесины при смятии поперёк волокон Текст. / К.В. Панфёров // Исследования по деревянным конструкциям. — М.: Стройиздат, 1950.-С. 63-82.

52. Панфёров К.В. Смятие и сжатие деревянных элементов поперёк волокон при длительной нагрузке Текст. / К.В. Панфёров // Вопросы применения дерева и пластических масс в строительстве. М.: Стройиздат, 1960. — С. 62 - 74.

53. Пособие по проектированию деревянных конструкций (к СНиП Н-25-80) Текст. / ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко. М.: Стройиздат, 1986. - 216 с.

54. Рекомендации по испытанию соединений деревянных конструкций Текст. / ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко. М.: Стройиздат, 1980. - 40 с.

55. Рекомендации по проектированию, изготовлению, транспортировке, монтажу и эксплуатации стропильных дощатых ферм с соединениями узлов на металлических зубчатых пластинах Текст. / Минсельстрой РСФСР. Горький, 1985.-40 с.

56. Слицкоухов Ю.В. Конструкции из дерева и пластмасс Текст. / Ю.В. Слицкоухов, В.Д. Буданов, М.М. Гапоев и др. -М.: Стройиздат, 1986. -543 с.

57. СНиП П-25-80. Нормы проектирования. Деревянные конструкции Текст. / Госстрой СССР. -М.: Стройиздат, 1983. 31 с.

58. Справочник проектировщика промышленных, жилых и общественных зданий и сооружений. Расчётно-теоретический Текст. / под ред. А.А. Уманского — М.: Госстройиздат, 1960. — 1040 с.

59. Стандартные деревянные фермы со стальными зубчатыми накладками типа «Gang-Nail» Текст. // Реф. информ. Строительство и архитектура / ЦИНИС. — серия VIII. Вып. 3.- 1974. - С. 17-20.

60. Степнов М.Н. Статистические методы обработки результатов механических испытаний: Справочник Текст. / М.Н. Степнов. -М.: Машиностроение, 1985. -232 с.

61. Стрижаков Ю.Д. Исследование работы и расчет соединений деревянных элементов под углом на нагелях из стеклопластика АГ-4С при действии кратковременных и длительных нагрузок: Дис. . канд. техн. наук / НИСИ им. В.В. Куйбышева. Новосибирск, 1971. — 157 с.

62. Угол ев Б.Н. Древесиноведение с основами лесного товароведения Текст. / Б.Н. Уголев // Учебник для лесотехнических вузов. М.: МГУЛ, 2001. — 340 с.

63. Унифицированные деревянные фермы заводского изготовления с соединительными зубчатыми накладками (Швеция) Текст. // Реф. информ. Строительство и архитектура / ЦИНИС. Серия VIII. — Вып. 15. - С. 16-17.

64. Цепаев В.А. Металлические зубчатые пластины для соединения деревянных конструкций Текст. / В.А. Цепаев // Информ. листок №94-79 Горьковского ЦНТИ. Горький, 1979. - 4 с.

65. Цепаев В.А. Дощатые конструкции с соединениями на металлических зубчатых пластинах Текст. / В.А. Цепаев // Информ. листок №137-79 Горьковского ЦНТИ. — Горький, 1979. — 4 с.

66. Цепаев В.А. Исследование длительной прочности и деформативности соединений элементов деревянных конструкций на металлических зубчатых пластинах: Дис. .канд. техн. наук / ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко. М., 1982. - 200 с.

67. Цепаев В.А. Прогнозирование деформативности соединений деревянных элементов на металлических зубчатых пластинах для заданного срока службы конструкций Текст. / В.А. Цепаев // Изв. вузов. Строительство и архитектура. — 1985.-№6.-С. 18-21.

68. Цепаев В.А. Оценка несущей способности и деформативности соединений деревянных конструкций на металлических зубчатых пластинах Текст. / В.А.

69. Цепаев // Экспресс-информация. Строительство и архитектура. Инженерно-теоретические основы строительства. Серия 10 / ВНИИИС. М., 1987. — С. 6-8.

70. Цепаев В.А. Деформативность изгибаемых элементов арболитовых строительных конструкций под нагрузками Текст. / В.А. Цепаев // Деревообрабатывающая промышленность. 1991.-№8.-С. 10-12.

71. Цепаев В.А. Учет температурно влажностного состояния древесины в поверочных расчетах эксплуатируемых конструкций покрытия неотапливаемых чердачных помещений Текст. / В.А. Цепаев // Промышленное и гражданское строительство.-2001.-№12.-С.30-31.

72. Цепаев В.А. Оценка модуля упругости древесины конструкций Текст. / В.А. Цепаев // Жилищное строительство. -2003. №2. - С. 11-13.

73. Цепаев В.А. Неразрушающий метод определения модуля упругости древесины хвойных пород при изгибе Текст. / В.А. Цепаев // Деревообрабатывающая промышленность. — 2003. №6. — С. 10-11.

74. Цепаев В.А. О кратковременном и длительном модуле упругости древесины хвойных пород Текст. / В.А. Цепаев // Актуальные проблемы строительного и дорожного комплексов: Матер, междунар. науч.-практ. конф. Йошкар-Ола: МарГТУ, 2004. - ч.1. - С. 87-94.

75. Beineke L., Suddarth S. Modeling joints made with light-gage metal connector plates / Forest products jornal. 1979. V. 29. - №8. - p. 39-45.

76. Berenyi B. Gang-Nail tipusu szeglemezes fa taratoszerke. — Magyar Epitiopar, 1979, kot. 28, №5, old. 286-291.

77. Domokos F. Kiserletek acel kotoelements csomopontu racsos fotartos csarnokszerkezetek kialakitasara, hazai lombos faanyaglol. — Magyar Epitiopar, 1979, kot. 28, № 5, old. 273-275.

78. Gang-Nails. Architect and Builder, 1966, v.16? №1, p. 30-32.

79. Gang-Nail trusse systemps / Sweets Architectural Catalog Pile. 1972. - Vol. 2. -division 6. — p. 6.

80. Harryson Ch. Stangborwerk av tramed spikplatsforband / Ch. Harryson. — Byggma staren. 1973. - №04. - S. 16-20.

81. Hodkov'a K., Malina V. Obilni' problem a investic politika // Mechanizace Zemedelstvi. 1977. - №11. - S. 472-474.

82. H. Tomoyuki, S. Hikaru, M. Minoru. Rotaling bending fatigue properties of timber built-joints with metal plate connectors // Jornal of the society of materials science, Japan. 1979. - №28. - p. 623-628.

83. Kallio E., Calligan W. Factors affecting the use of lumber by truss fabricators in the United States //Forest products jornal. 1978. - v. 28. -№3. -p. 15-18.

84. Langford L. Trussed rafters: control of manufacture and erection // The Architects Jornal. 1978.-V. 28.-№3.-p. 15-18.

85. Ruske W. Holzbausysteme konstruktive moglichkeiten im industriebau // Zentralblatt fur industriebau. 1976. - №7. - S. 260-264.

86. Rysavy E. Racsos faczerkezetek Gang-Nail szoglemezes kapcsolatainake teherbirasa // Magyar Epitoipar. 1979. - №8. - old. 484-486.

87. Strassler H. Entwicklungen im yngenieur Holzbau // Schweizerische Bauzeifung. - 1976. -1. 94. - №25. - S. 340-344.

88. Un nouveau procede construction des toits reduit de 50% le coat des materiaux et de 90% le temps necessair au montage. — Journal de la Construction de la suisse romande. 1972. -№07. - p. 103-105.

89. What do they have common? Roof truss fabrication at greater profit, increased productivity, and better customer servise thanks to the Klincher Sistem. — Professional Builder, 1977, v. 42, № 12, p. 33.

90. Wider roof spane with stranger joints. Partners weekly. - 1973. vol. 79. — №6. - p. 73.

91. Wolinski Y. No we rozwiazania konstrukcji drewnianych w budownictwie rolniczym // Informated Budownictwa Rolniczego. 1976. - №6. - S. 24-31.

92. СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

93. Ермолаев В.В. Влияние влажности древесины на величину коэффициента постели при смятии узким прямоугольным штампом Текст. /В.В. Ермолаев // Технические науки: X нижегородская сессия молодых ученых. Тезисы докладов.- Дзержинск, 2005.- С. 29-30.

94. Ермолаев В.В. Автоматизация расчета соединений деревянных конструкций на металлических зубчатых пластинах (МЗП) по деформациям Текст. / В.В. Ермолаев // Технические науки: Сб. тр. аспирантов и магистрантов Н. Новгород: ННГАСУ, 2005.- С. 17-20.

95. Ермолаев В.В. Расчётные характеристики древесины в соединениях строительных конструкций на металлических зубчатых пластинах Текст. /В.В. Ермолаев, В.А. Цепаев // Жилищное строительство. — 2006. №2. - С. 14-15.

96. Ермолаев В.В. О расчете деформаций соединений деревянных конструкций Текст. / В.В. Ермолаев, В.А. Цепаев // Жилищное строительство. — 2006. — №6. -С. 21-23.

97. Ермолаев В.В. Экспериментальные исследования ползучести соединений деревянных элементов под углом на металлических зубчатых пластинах Текст. / В.В. Ермолаев // Технические науки: Сб. тр. аспирантов и магистрантов Н. Новгород: ННГАСУ, 2006.- С. 21-25.