З'єднання елементів з деревинно-шаруватого пластику в ізоляційних несучих конструкціях

Размещено на http://www.allbest.ru/

Харківський державний технічний університет будівництва та архітектури

УДК 624.078.42:694.14+624.011.78+691.116

З'єднання елементів з деревинно-шаруватого пластику в ізоляційних несучих конструкціях

Спеціальність 05.23.01 - “Будівельні конструкції, будівлі та споруди”.

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Бойко Тетяна Карлівна

Харків 2005

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Харківському державному технічному університеті будівництва та архітектури Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Фурсов Вадим Вікторович, Харківський державний технічний університет будівництва та архітектури, професор кафедри металевих та дерев'яних конструкцій

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Стоянов Володимир Васильович, Одеська державна академія будівництва та архітектури, завідувач кафедри металевих та дерев'яних конструкцій

кандидат технічних наук, професор Золотов Михайло Сергійович, Харківська національна академія міського господарства, професор кафедри будівельних конструкцій

Провідна установа: Полтавський національний технічний університет ім. Юрія Кондратюка Міністерства освіти і науки України, кафедра конструкцій з металу, дерева та пластмас

Захист відбудеться 19 жовтня 2005 р., о 13-00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.056.04 при Харківському державному технічному університеті будівництва та архітектури за адресою: 61002,м. Харків,вул. Сумська,40.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Харківського державного технічного університету будівництва та архітектури за адресою: 61002, м. Харків, вул. Сумська,40.

Автореферат розісланий 15 вересня 2005 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради кандидат технічних наук, доцент О.Ю. Крот

пластик ізоляційний нагельний анізотропний

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Будівництво потужних сучасних ізоляційних систем для об'єктів, які працюють в умовах значних електричних впливів і технологічних навантажень, обумовлюють упровадження в практику проектування матеріалів, що забезпечують не тільки несучу здатність елементів, але й сприйняття електричного удару при напругах понад 3-х млн. вольт і силі струму в 10 тис. ампер.

Конструкції, які використовуються в спорудах подібного типу, повинні бути практично безметалевими - сталь та залізобетон для експлуатації в умовах електричного удару заборонені, а відсоток сталевих елементів не повинен перевищувати згідно з технічними умовами 5% від загальної маси конструкції.

Як альтернатива традиційним матеріалам в ізоляційних несучих конструкціях можливе використання різного роду пластиків, у тому числі на деревинній основі. Маючи необхідні діелектричні властивості, деревинні пластики мають досить високі механічні характеристики, що дає підставу використовувати їх саме як конструкційний матеріал.

Збільшення потужності імпульсних споруд призводить до необхідності зміни габаритних розмірів несучих конструкцій та створення елементів складового перерізу, бо розміри перерізів конструкційних пластмас в існуючому сортаменті обмежені.

Діючі на сьогоднішній день СНіП П-25-80 не містять розрахункових положень для проектування конструкцій з використанням деревинних пластиків, а також рекомендацій з розрахунків з'єднань із цього матеріалу.

Тому важливим та актуальним є не тільки дослідження особливостей деревинно-шаруватого пластику як конструкційного будівельного матеріалу, що використовується в об'єктах з підвищеними діелектричними вимогами, а й розгляд способів з'єднання елементів несучих конструкцій й розроблення надійних й достовірних методів розрахунку з'єднань елементів з деревинно-шаруватих пластиків.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертація є закінченою працею, яка пов`язана з науковим напрямком роботи кафедри металевих та дерев`яних конструкцій Харківського державного технічного університету будівництва та архітектури за планом Міністерства освіти й науки України “Вивчення механічних властивостей клеєної деревини та з'єднань з деревинно-шаруватого пластику” (держ.реєстр. №0105V003217), а також з науково-дослідними роботами №0071, №0183 з обстеження й реконструкції експериментального ізоляційного комплексу ГІНТ-12-30, що виконувалися разом з науково-дослідним інститутом “Блискавка” Національного технічного університету “Харківський політехнічний інститут”.

Основні положення з розробки розрахункових моделей, експериментальні дані, числові результати та їх аналіз виконані безпосередньо здобувачем.

Мета і завдання дослідження. Мета дисертаційної роботи полягає в створенні надійних працездатних з'єднань елементів несучих ізоляційних конструкцій з деревинно-шаруватого пластику в спорудах електротехнічного призначення й розробці пропозицій з практичної методики їхнього розрахунку на підставі моделі напружено-деформованого стану нагельного з'єднання й анізотропних властивостей дослідного матеріалу.

Для досягнення мети необхідним є вирішення завдань, до яких слід віднести такі:

· оцінювання механічних характеристик деревинно - шаруватого пластику марки Б на різні види напружено - деформованого стану;

· експериментально-теоретичне вивчення впливу анізотропії пластика на дійсну роботу елементів нагельного з'єднання;

· розробка теоретичної основи роботи нагельного з'єднання шляхом визначення параметрів напружено - деформованого стану з урахуванням просторової роботи з'єднання й транстропної моделі пластику;

· проведення експериментальних досліджень з метою визначення характеру роботи з'єднань складового перетину на сталевих зв'язках, а також дослідження роботи безметалевих з'єднань з деревинно-шаруватого пластику на склопластикових нагелях марки СППА з метою можливості й доцільності їхнього застосування;

· з результатів дослідження подати рекомендації для використання їх у практичних розрахунках з'єднань елементів інженерних конструкцій з деревинно-шаруватого пластику.

Об'єктом дослідження є напружено-деформований стан нагельного з'єднання в конструкціях з деревинно-шаруватого пластику з урахуванням просторової роботи з'єднання й транстропної моделі матеріалу пластику.

Предметом дослідження є з'єднання елементів з деревинно-шаруватого пластику в ізоляційних несучих конструкціях.

Методи дослідження. Як апарат дослідження прийнятий експериментально-теоретичний підхід, заснований на узагальненні, аналізі й вивченні дійсної роботи деревинно-шаруватого пластику як ізоляційного несучого будівельного матеріалу на різні види напружено-деформованого стану та з'єднань елементів з деревинно-шаруватого пластику марки Б.

Наукова новизна одержаних результатів:

· запропоновано аналітичне рішення для визначення параметрів напружено-деформованого стану нагельного з'єднання з деревинно-шаруватого пластику марки Б методом просторової контактної задачі з урахуванням трансверсально-ізотропної моделі пластику;

· оцінено можливість і доцільність застосування безметалевих нагельних з'єднань із деревинно-шаруватого пластику марки Б на склопластикових нагелях, як вклеєних, так і поставлених “насухо”;

· оцінено несучу здатність складених балок з деревинно-шаруватого пластику марки Б із рекомендаціями з розміщення нагелів у пакеті й визначенням коефіцієнтів піддатливості.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблено алгоритм рішення для визначення основних параметрів напружено-деформованого стану елементів складового перерізу, що дає можливість раціонально й надійно конструювати нагельні з'єднання, знижуючи імовірність появи відказів у конструкціях реальних споруд, забезпечуючи підвищення їх працездатності й довговічності. Одержані в роботі дані були використані при проведенні в 2003-2004 роках обстеження та санації ізоляційних несучих конструкцій системи формування електрофізичного комплексу ГІНТ-12-30, який має статус Національного надбання України. Результати досліджень, упроваджених до об'єктів електротехнічного призначення, можуть використовуватись у спорудах, які експлуатуються в умовах агресивних середовищ та в традиційних конструкціях, виготовлених з деревини та її похідних.

Особистий внесок здобувача визначається проведенням експериментальної роботи з дослідження механічних характеристик пластику на різні види напружено-деформованого стану, дослідженням роботи складових згинаючих елементів та з`єднань елементів нагельного типу зі сталевими й склопластиковими болтами, розробкою теоретичного рішення та пропозицій з практичної методики розрахунку, отриманням числових результатів та їх аналізом.

Апробація результатів дисертації. Основні матеріали з дисертації пройшли апробацію на міжнародних конференціях в Одесі (1999р.) та Донецьку (2002р.), а також доповідались щорічно на науково-технічних конференціях та семінарах ХДТУБА. У повному обсягу дисертація доповідалася на розширеному спеціалізованому семінарі в Харківському технічному державному університеті будівництва та архітектури в 2005 році.

Публікації. За темою дисертаційної роботи опубліковано сім робіт у фахових збірниках наукових праць.

Обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів, висновків. Зміст викладено на 142 сторінках. Окрім основного тексту, дисертація містить 45 рисунків, 12 таблиць та список літературних джерел із 135 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

У вступі обґрунтовується актуальність, новизна, а також практичне значення дисертаційної роботи, вказується на необхідність теоретичного та експериментального дослідження деревинно-шаруватого пластику марки Б як будівельного матеріалу, що застосовується в конструкціях об'єктів з підвищеними діелектричними вимогами.

У першому розділі висвітлюється стан питання з використання деревинно-шаруватих пластиків у несучих конструкціях електрофізичних споруд, розглянуто особливості цих ізоляційних установ, а також наведено аналіз існуючих досліджень з`єднань елементів з деревинних пластиків у несучих конструкціях об`єктів спеціального призначення.

Враховуючи, що деревинно-шаруватий пластик марки Б володіє високими механічними характеристиками й є діелектричним матеріалом, використання його в спорудах електротехнічного призначення є цілком обґрунтованим.

Деревинно-шаруватий пластик марки Б - конструкційний матеріал, виготовлений з тонких листів лущеного березового шпону, просоченого й шарами склеєного синтетичними смолами з наступним пресуванням при тиску порядку 15-20 МПа й температурі 150⁰С. Об`ємна маса пластику внаслідок ущільнення матеріалу пресуванням і термічною обробкою збільшується порівняно з вихідною деревиною майже втричі й досягає 1250-1350 кг/м³.

Найбільш припустимими видами з'єднань для деревинно-шаруватих пластиків є нагельні з'єднання на болтах з різних матеріалів - сталі, металевих сплавів, склопластиків.

Серед учених, які займалися в різний час вивченням нагельних з'єднань, слід відзначити А.В. Леняшина, засновника Волгоградської школи дерев'яних конструкцій, Б.А. Ніколаі, М.Е. Кагана, Д.А. Кочеткова, А.Г. Григор'єва (вперше в роботі нагеля враховувались пластичні деформації). Усі ці роботи й ряд інших дозволили Коченову В.М. запропонувати метод розрахунку нагельного з'єднання, на якому були засновані існуючі норми. Проф. П.А. Дмитрієв розвинув положення Коченова В.М. й провів унікальні випробування нагельних з'єднань з цілісної деревини на зім'яття під кутом до волокон.

Дослідження нагельних з'єднань із деревинно-шаруватих пластиків проводилися ленінградцями Г.Г.Нікітіним і Л.В.Панченком. Нагелі з високоміцних склопластиків у з'єднаннях елементів з деревини розглядалися вченими МІБІ.

В існуючих нормативних документах відповідні вказівки, необхідні для розрахунку та конструювання елементів із деревинно-шаруватого пластику марки Б, як, наприклад, для деревини, на сьогодні відсутні.

Застосування ж цього матеріалу як несучого в об'єктах спеціального призначення потребує точних методів оцінки його механічних властивостей.

У другому розділі представлені результати експериментального дослідження деревинно-шаруватого пластика марки Б на різні види напружено-деформованого стану з метою оцінювання механічних властивостей матеріалу з урахуванням анізотропії його будови.

Детально вивчався деревинно-шаруватий пластик марки Б із співвідношенням поздовжніх і поперечних шарів шпону 20:1 Усть-Іжорського заводу, використаного при будівництві ізоляційного комплексу ГІНТ-12-30 у Харківській області.

Випробування виконувались на зразках малого розміру за аналогією до стандартних випробувань деревини на різні види деформацій: стиск, розтяг, сколювання й вигин. Оскільки дослідження мали контрольний характер, випробування проводилися на короткочасний вплив навантажень. Зразки у всіх випадках були прийняті за моделлю прямокутного перерізу з орієнтацією граней за головними площинами анізотропії - вздовж і поперек волокон шпону.

Кожна серія випробувань включала по 10 зразків. Додатково була виготовлена серія зразків, вирізаних під кутом 45 до напрямку волокон шпону пластику. Для вимірювання деформацій на кожну сторону зразка розеткою наклеювалося по 3 датчики базою 10 мм і активним опором близько 200 Ом. Датчики підключалися до вимірювальної електронної апаратури.

Навантаження здійснювалося на гідравлічному пресі УІМ-50 з постійною заданою швидкістю в діапазоні 1,52,0 кН/хв при безупинно зростаючому навантаженні з кроком 0,5 - 2т.

У процесі експериментального дослідження деревинно-шаруватого пластику на стиск передбачалося дати оцінку міцнісним властивостям матеріалу для різних поперечних перерізів і визначити значення модуля пружності й коефіцієнтів Пуасона.

Результати випробувань на стиск наведені в таблиці 1.

Таблиця 1

№№ серій	Переріз (смсм)	H (см)	F (см2)	max (МПа)	min (МПа)
1	1,981,98	3,0	3,9	166,6	158,7	162	16,4	10,1	4,95
2	3,83,8	8,5	14,44	147,2	140,1	144	13,5	9,4	4,1
3	6,156,15	10	37,8	139,5	131,5	134	13,1	9,8	3,92
4	3,83,8	8,0	30,4	94,3	93,6	94,0	7,61	8,1	2,3
5	3,73,7	8,5	14,43	80,86	76	79,1	4,03	5,1	1,22

Тут перша група зразків - контрольна, виготовлена згідно з вимогами нормалей; групи 2 й 3, маючи той же напрям шпону, виконані з більшими розмірами поперечних перерізів; четверта група випробовувалася поперек волокон шпону, а п'ята-при нахилі сорочок шпону під кутом у 45.

У процесі обробки результатів будувалися діаграми деформацій з урахуванням заданого режиму навантажень. Пружні характеристики визначалися за лінійною ділянкою діаграми повних деформацій. Величина модуля пружності в даному випадку коливається від 25540 до 28800 МПа, а середнє значення коефіцієнта Пуасона складає 0,4.

У результаті випробувань встановлено зниження границь міцності для зразків великих поперечних перерізів й обчислені рівняння зв'язку. Істотного впливу масштабного фактора не виявлено. При цьому мінливість результатів при малих перерізах вища, ніж при великих. Оцінено вплив на міцнісні характеристики кутів нахилу шпону й наведені особливості їхньої зміни (рис.1). З результатів дослідження доводимо, що значення пружних характеристик вписуються в довірчий інтервал, а міцнісні характеристики експериментальної партії пластику трохи нижчі за сертифікатні (до 12%). Це, очевидно, можна пояснити спеціальною обробкою шпону при виготовленні пластику, призначеного для роботи в електротехнічних споруд.

Рис.1 Вплив кута нахилу шпону відносно навантаження

Таблиця 2

Механічні характеристики ДШП з результатів досліджень

Вид НДС	Границя міцності (МПа)	Модуль пружності (МПа)
Розтяг	219-253	_
Стиск	134-162	28800
Вигин	225-246	26800
Сколювання	16-17.5	_

З метою розробки надійних і достовірних методів розрахунку елементів несучих конструкцій складового перерізу як із деревини, так і з її похідних, виникає необхідність оцінювання та ретельного вивчення характеру напружено-деформованого стану нагельного з'єднання як найбільш застосовуваного виду з'єднань для цих матеріалів.

У третьому розділі роботи подане теоретичне рішення для визначення параметрів напружено-деформованого стану нагельного з'єднання методом контактної задачі просторового тривимірного характеру на підставі обліку трансверсально-ізотропної моделі пластику.

Як предмет дослідження прийняте симетричне двухзрізне нагельне з'єднання з деревинно-шаруватого пластику на металевих нагелях.

В якості розрахункової схеми болта прийнятий стержень, що лежить на пружній основі (рис.2).

Рис.2 Схема нагельного з єднання: система координат й навантаження, діючі на нагель

Вихідні передумови прийняті такі:

1.Розглядається просторовий тривимірний характер напружено-деформованого стану з'єднання з урахуванням анізотропних властивостей деревинно-шаруватого пластику.

2. Робота болтового з'єднання являє собою контактну задачу.

3. Внутрішні сили взаємодії між нагелем й елементами з'єднання подані у вигляді рівномірно розподілених зусиль і за всіма ділянками взаємодії. З огляду на симетричність завдання відносно осі , у напрямку осі зусилля взаємодії прийняті дорівнюючими нулю.

4. Задача вирішується в геометрично й фізично лінійній постановці.

У даній системі координат деформований стан окремого шару визначено в загальному вигляді вертикальними переміщеннями й горизонтальними вздовж осі , які подані у вигляді добутків лінійних функцій за незалежними координатами:

;

Деформація зрушення в горизонтальній площині не враховується через малість цієї величини порівняно з переміщеннями і .

Функція ураховує відповідну зміну переміщень уздовж координати . Добуток функції на враховує характер зміни переміщень, викликаних явищем концентрації напружень у зоні безпосереднього контакту нагеля із з'єднуючими елементами, де - коефіцієнт концентрації.

В розробленому варіанті уточненої моделі напружено-деформованого стану нагельного з'єднання використаний варіаційний принцип Лагранжа про мінімум потенційної енергії деформацій. В основу моделі покладені аналітичні співвідношення розподілу основних компонентів напружено-деформованого стану болта, як елемента розглянутого нагельного з'єднання відносно шуканих функцій переміщень.

Контактний характер роботи нагеля в з'єднанні врахований через коефіцієнти пружної основи при наявності стиску між поверхнею нагеля й поверхнею бруса. Просторовий характер роботи з'єднання й анізотропія пластику також приблизно враховані через коефіцієнти пружної основи. Цей зв'язок має складний характер і не може бути описаний через один коефіцієнт, що відповідає коефіцієнту основи Вінклера. Пружна основа для нагеля має розподільні властивості по типу основи Власова В.З., однак властивості основи, якою є пластиковий брус, у цьому випадку є більш складними. Так, поряд з переміщеннями від вертикального навантаження виникають також горизонтальні переміщення. Тому прийнята модель основи містить не два коефіцієнти, як це має місце для основи Власова, а п'ять коефіцієнтів.

Варіаційним шляхом у рамках пружної роботи матеріалу складених елементів отримана система розв'язних диференціальних рівнянь, що встановлює зв'язок між силами взаємодії, що виникають між нагелем і пластиком, і переміщеннями в брусах на горизонтальній осі симетрії нагельного з'єднання.

Отримані відношення дають можливість визначати параметри напружено-деформованого стану з'єднання, що дає підставу для раціонального конструювання нагельних з'єднань з обліком анізотропних властивостей матеріалу бруса.

За спрощеною моделлю аналітичного рішення задачі розроблено алгоритм для визначення розподілу основних параметрів напружено-деформованого стану вздовж повздовжньої осі нагеля й величину контактного тиску між нагелем й брусами та зроблено розрахунок болтового з'єднання з експериментальної серії зразків.

Результати цих розрахунків наведені в роботі у вигляді графіків для відповідних компонентів напружено-деформованого стану - згинаючих моментів, напружень зминання та відносних переміщень.

Для встановлення достовірності отриманих теоретичних розробок і визначення характеру роботи нагельних з'єднань із деревинно-шаруватого пластику марки Б були проведені експериментальні дослідження, які подано в четвертому розділі даної роботи.

Поставлений експеримент вирішував такі задачі:

· визначення характеру деформацій, що виникають у з'єднаннях на різних стадіях навантаження й одержання діаграм деформацій зсуву;

· визначення руйнуючого зусилля й порівняння його з розрахунковою несучою здатністю з'єднання;

· оцінювання впливу діаметрів нагелів на несучу здатність з'єднання;

· оцінка можливості і доцільністі застосування безметалевих нагельних з'єднань із ДШП-Б на склопластикових нагелях як вклеєних, так і поставлених “насухо” у спорудах спеціального призначення;

· надання рекомендацій до роботи нагельних з'єднань із ДШП-Б на зв'язках з різних матеріалів з аналізу наявних даних.

Для одержання порівнювальних результатів, що дозволяють обрати розрахункову схему, випробовувалися двохзрізні симетричні з'єднання з одним і двома нагелями під статичним короткочасним навантаженням у режимі стиску.При дослідженні нагельних з'єднань на сталевих болтах було випробувано більше 20 зразків у натуральну величину. Варіювалися розміри з'єднуючих елементів, їх товщини ( 20, 30 й 60 мм), а також діаметри болтів ( 16, 24 й 30 мм). В основу визначення несучої здатності нагеля був покладений метод В. М. Коченова, коли несучу здатність нагеля визначають не руйнуванням з'єднання, а розрахунковою граничною деформацією, що може бути допущена в конструкціях без порушення їхньої нормальної роботи. Так, згідно з нормативними рекомендаціями, розрахункову граничну деформацію обмежують відношенням повної деформації до пружної й приймають не більшою за 2 мм. В більшості зразків нелінійні деформації розвиваються практично від початку навантаження - при деформаціях зсуву навколо 1-1,5мм (рис.3).

Рис.3 Графіки деформацій зсуву для з'єднань на сталевих нагелях різних діаметрів

Для порівняння з експериментальними величинами зусиль руйнування були обчислені їхні теоретичні значення, а також отримані відношення зусиль при деформаціях зсуву, що дорівнюють 1-1,5мм, до теоретичних значень зусиль руйнування (табл.3). Значення стабільні й становлять 2,21-2,33.

Таблиця 3

Результати випробувань на стиск нагельних з'єднань з деревинно - шаруватого пластику марки Б на сталевих болтах

№№ зраз.	нагеля (мм)	(кН)	(кН)		(кН)
					зразка	одного болта на 1 “зріз”
1,2,3	16	12,7	16,8	13,6	214	53,5	4,21	28,3	2,23
4,5,6	24	18,8	23,4	30,4	333	83,0	4,41	41,5	2,21
7,8,9	30	23,3	29,1	47,4	375	93,5	4,41	54,2	2,33

Експериментальні дослідження безметалевих з'єднань зі склопластиковими нагелями були розбиті на три етапи. На першому етапі були оцінені механічні властивості використовуваних як нагелі склопластикових стержнів марки СППА. Так, структурна неоднорідність й особливості технології виготовлення вимагають контрольної перевірки основних механічних властивостей даної партії матеріалу (рис.4)

Відзначена досить висока деформативність склопластикових стержнів марки СППА. Так, при значеннях границі міцності при вигині 640-700 МПа, модуль пружності не перевищував у середньому 46000 МПа.

а б

Рис.4 Графіки деформування склопластикових стрижнів:а) при вигині; б) при стиск

Оцінювання роботи нагельних з'єднань на склопластикових зв'язках проводилась при випробуванні серій зразків з постановкою одного й двох нагелів діаметром 16 й 20 мм традиційним способом у заздалегідь просвердлені отвори. При цьому випробувався симетричний пакет із двома умовними зрізами й товщиною складених елементів 40 мм. Взаємний зсув елементів у вертикальній площині в зонах швів вимірювався індикаторами годинного типу з ціною поділки 0,01 мм, а для контрольних вимірювань наклеювалися смужки з міліметрового паперу.

Діаграми деформацій зсуву подані на рис.5.

а) з одним нагелем б) з двома нагелями

Рис.5 Графіки деформацій зсуву при іспиті на стиск з'єднань з ДШП на склопластикових нагелях, установлених “насухо”

Збільшення деформацій зсуву спостерігалося при деформаціях понад 1-1,5 мм. Характерно, що для з'єднань на склопластикових нагелях крива деформацій зсуву має більш плавний характер, ніж крива для аналогічних з'єднань на сталевих нагелях.

Для визначення характеру розподілу напружень зминання нагельного гнізда на різних стадіях навантаження в зонах отворів зразків кожної серії встановлювалися датчики активного опору.

Руйнування зразків характеризувалося значними деформаціями й “розкриттям” з'єднання вже при рівні навантаження приблизно 0.27-0,3 від граничного. Подібний характер руйнування має місце й при постановці сталевих нагелів, однак там процес “розкриття” з'єднання починається значно пізніше (при навантаженні 0,5 - 0,6 від руйнуючого) і з'єднання в процесі навантаження деформуються більш рівномірно. У ряді випадків руйнування з'єднань походило від вигину нагелів у зонах швів з наступним їхнім сколюванням, тобто з недовикористанням міцності нагелів через їх підвищену деформативність, що завжди треба враховувати в розрахунках.

На наступному етапі випробувалися з'єднання з деревинно-шаруватого пластику з вклеєними склопластиковими стержнями на епоксидній смолі марки ЕПЦ-1. З'єднання елементів на вклеєних нагелях мають більш високу несучу здатність порівняно зі з'єднаннями на нагелях, поставленими “насухо”, тобто традиційним способом. За рахунок адгезійного зчеплення клейової осягни нагеля з пластиком збільшується розмір контактної поверхні між нагелем і матеріалом гнізда. При цьому кут обхвату поширюється на весь периметр нагельного гнізда і, таким чином, вклеювання нагелів втягує в роботу значно більший обсяг пластику.

Лінійний характер роботи зберігався при деформаціях зсуву, що складають 0,8- 1,0 мм. Надалі деформації розвивалися за нелінійним законом (рис.6).

Граничний стан нагелів характеризувався значними деформаціями згину з утворенням так званого “колінвалу”, в дошках, що з'єднуються, відбувається розшарування шпону. У зонах отворів відзначені характерні піки концентрацій напружень, а також розплющування нагеля в зонах швів, іноді з крихким руйнуванням крайнього елемента.

З'єднання на вклеєних склопластикових нагелях за характеристиками міцності в 1,4-1,5 разів вище, ніж на нагелях, поставлених “насухо”.

Граничний стан таких з'єднань характеризується їхнім розкриттям і при використанні в практиці проектування обов'язковим є влаштування додаткових хомутів або стяжки болтів з гайками і шайбами.

а) з одним нагелем б) з двома нагелями

Рис.6 Графіки деформацій зсуву з'єднань із ДШП-Б на вклеєних склопластикових нагелях

У цілому, використання з'єднань із деревинно-шаруватих пластиків на склопластикових нагелях може бути рекомендовано лише для невідповідальних, або “несилових” з'єднань. Для більше навантажених з'єднань необхідно використати мінімум 25% сталевих болтів, оснащених кріпильними елементами для запобігання “розкриттю ” нагельного з'єднання

Використання з'єднань з деревинно-шаруватих пластиків на склопластикових нагелях може бути рекомендоване лише для невідповідальних або “несилових” з'єднань. Для більш навантажених з'єднань необхідно використовувати мінімум 25% сталевих болтів, оснащених кріпильними елементами для запобігання “розкриття ” нагельного з'єднання.

Завданням досліджень п'ятого розділу було оцінювання несучої здатності складених балок із ДШП-Б на металевих зв'язках та встановлення коефіцієнтів піддатливості до основних геометричних характеристик поперечного перерізу.

Для практичної оцінки несучої здатності згинаючих елементів на піддатливих зв'язках було поставлено експеримент, де як зразки для випробувань були прийняті складові балки із ДШП-Б із брусів однакової довжини (L=1130мм) і ширини (b=120мм) з товщиною одного шару 40мм. Експериментальні дослідження були розбиті на три етапи, включаючи випробування балок як цільного перерізу, так і складеного із двох і трьох елементів.

Характер навантаження на всіх етапах був однаковий. Зусилля від преса передавалися через розподільну траверсу на 1/4 прольоту. Навантаження здійснювалося ступенями із кроком відповідно для кожної серії від 0,4т до 2,0т. Для контролю деформацій були використані індикатори годинного типу з ціною розподілу 0,01мм, а також прогиноміри системи Максимова.

Деформації зрушення носили яскраво виражений ступінчастий характер, руйнування відбувалося по нейтральних осях елементів складених балок, а тріщина поширювалася практично до середини балки. В інших же серіях зразків руйнування відбувалося в нижніх дошках складового перерізу, а довжина тріщини в нейтральному шарі нижньої дошки становила від 250 до 300мм.

Обробка результатів дослідження дозволила отримати значення прогинів одношарового, двошарового і тришарового елементів, відносні деформації в стиснутій і розтягнутій зонах, а також оцінити коефіцієнти піддатливості складового перерізу в з'єднаннях з деревинно-шаруватого пластику марки Б (табл.4, табл.5) і дати відповідні рекомендації до СНіП з розміщення нагелів.

Так, розрахункову несучу здатність нагеля симетричного з'єднання варто визначати:

-з умови зминання середнього елемента Т_с=0,6сd;

-з умови зминання крайнього елемента Та=0,85аd;

-з умови вигину нагеля Т_и=2d²+0,02a² або 3,00 d²

Пропозиції з розміщення нагелів: відстань між осями циліндричних нагелів уздовж напрямку волокон шпону пластику S₁, поперек волокон S₂ і від краю елемента S₃ треба приймати -

S₁=5d; S₂=S₃=2,5d, де d - діаметр нагеля.

Таблиця 4

Позначення коефіцієнтів	Кількість дошок	Значення ; з прольотами в метрах
		1	2	4	6
	2 3	0,45 0,40	0,60 0,55	0,75 0,70	0,90 0,85
	2 3	0,29 0,13	0,40 0,22	0,60 0,45	0,70 0,55



Таблиця 5

Схема навантаження	Переріз						Примітки
		12,0	52,0
			47,5
		11,8	90,0	133,6	503,55	0,265
		12,0	103,0	120,2	512,0	0,234
		11,7	110,5	171,74	530,4	0,324
		11,5	108,5	150,27	490,6	0,306
		11,5	93,0	146,61	490,6	0,298
		12,0	181,0	222,63	1728,0	0,128
		11,5	154,0	210,91	1656,0	0,127
		11,7	151,0	222,63	1684,8	0,132
		11,5	172,5	193,9	1656,0	0,117
		11,5	152,5	207,27	1656,0	0,125

Для остаточних рекомендацій до розрахунку необхідне проведення додаткових іспитів із багаторядковими нагельними з'єднаннями з метою уточнення розподілу зусиль у всьому нагельному пакеті.

ВИСНОВКИ

У дисертації отримано такі основні наукові та практичні результати:

1. З характеру деформацій і розподілу механічних властивостей у перерізі модель деревинного пластику відповідає поперечній ізотропії й може класифікуватися як трансверсально - ізотропне (транстропне) тіло.

2. Подано теоретичну основу роботи нагельного з'єднання з використанням двохмодульного підходу, характерного для транстропної моделі. У рамках пружної роботи матеріалу складених елементів отримані теоретично обґрунтовані співвідношення для рішення контактної задачі між болтом і брусами.

3. Контактна задача для болта подана у вигляді деформації стрижня на пружній основі, характеристики якого визначені у вигляді коефіцієнтів пружної основи й залежать від параметрів елементів з'єднання, у тому числі транстропних властивостей пластику.

4. Розроблено алгоритм рішення для одержання характеристик напружено-деформованого стану болта як елемента нагельного з'єднання. У рішенні врахований об'ємний напружений стан брусів у місці їхнього з'єднання й анізотропні властивості матеріалу брусів.

5. Досліджено роботу двохзрізного симетричного нагельного з'єднання з деревинно-шаруватого пластику марки Б на сталевих й склопластикових стержнях марки СППА. Нагельні з'єднання із деревинно-шаруватого пластику марки Б зі сталевими болтами характеризується досить стабільною роботою та високою несучою здатністю навіть при деформаціях, що перевищують 2 мм, маючи при цьому значний запас міцності.

6. Результати випробувань безметалевих з'єднань із деревинно-шаруватого пластику марки Б на склопластикових нагелях свідчать про можливість використання такого роду з'єднань лише в невідповідальних або “несилових” конструкціях. Відносно низький модуль пружності склопластику приводить до недовикористання його міцнісних властивостей. Через підвищену деформативність таких з'єднань їх розрахункова несуча здатність визначається з урахуванням припустимої деформації зсуву не більше 1-1,5 мм при дії короткочасного навантаження.

7. Граничний стан з'єднань з вклеєними нагелями характеризується “розкриттям” їх із площини з руйнуванням клейового шва, і при використанні в практиці обов'язковим є влаштування додаткових хомутів або стяжки болтами - 25% від загального числа нагелів.

8. Для складових балок з деревинно-шаруватого пластику марки Б, з'єднаних сталевими болтами, розроблені пропозиції з розміщення нагелів у пакеті. Також отримані коефіцієнти піддатливості для використання при практичних розрахунках складових балок із деревинно-шаруватого пластику марки Б. У існуючих нормах рекомендації відносно цього відсутні. Отримані значення коефіцієнтів відрізняються від рекомендованих діючими нормами для складених балок з деревини.

ПУБЛІКАЦІЇ

1. Фурсов В.В., Бойко Т.К. Дослідження властивостей деревинно-шаруватих пластиків ДСП-Бэ в конструкціях электрофізичних установок // Науковий вісник будівництва. - Харків, 1998. - Вип. 2. - С.32-35. Авторові особисто належить оцінка масштабного фактору та впливу кута нахилу шпону відносно прикладання навантаження.

2. Фурсов В.В., Бойко Т.К. Дослідження нагельних з'єднань деревинно- шаруватих пластиків // Науковий вісник будівництва. - Харків, 1998. - Вип.3. - С.107-110. Авторові особисто належить оцінка характеру постановки експерименту з визначенням зсувних зусиль розтягнутих та стиснутих елементів.

3. Фурсов В.В., Бойко Т.К. Нагельні з'єднання деревинно - шаруватих пластиків марки Б // Збірник наукових праць “Сучасні будівельні конструкції з металу й деревини”. - Одеса, 1999. - С.222-226. Авторові особисто належить оцінка роботи безметалевих з'єднань на склопластикових нагелях.

4. Бойко Т.К. Експериментальне дослідження нагельних з'єднань із пластмас // Науковий вісник будівництва. - Харків, 1999. - Вип.7. - С.54-57.

5. Фурсов В.В., Бойко Т.К. Ізоляційні несучі конструкції балкового типу, виконані із ДСП-Б // Науковий вісник будівництва. - Харків, 2002. - Вип.17. - С.60-63. Авторові особисто належить оцінка піддатливості з'єднань складового перерізу.

6. Бойко Т.К., Воблих В.А., Фурсов В.В., Бушманова Н.П. Напружено-деформований стан нагельних з'єднань складових брусів з деревинно-шаруватого пластику // Наук. вісник будівництва. - Харків, 2003. - Вип.22. - С.75-81. Авторові особисто належить подане теоретичне рішення для визначення параметрів напружено - деформованого стану в місцях з'єднань складових елементів.

7. Бойко Т.К., Воблих В.А., Фурсов В.В., Бушманова Н.П. Напружено - деформований стан нагельних з'єднань складених брусів з деревинно - шаруватого пластику на основі спрощеної моделі // Науковий вісник будівництва. Матеріали міжнародної наукової конференції “Ресурси й безпека експлуатації конструкцій, будівель та споруд”. - Харків, 2003.- Вип. 23 .- С.41.Авторові особисто належить доведення алгоритму рішення для одержання характеристик напружено - деформованого стану нагельних з'єднань складових брусів з пластику.

АНОТАЦІЇ

Бойко Т.К. З'єднання елементів з деревинно-шаруватого пластику в ізоляційних несучих конструкціях. - Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.01 - будівельні конструкції, будівлі та споруди. - Харківський державний технічний університет будівництва та архітектури, Харків, 2005.

Досліджено роботу двохзрізного симетричного нагельного з'єднання з деревинно-шаруватого пластику на сталевих й склопластикових стержнях марки СППА. Подано теоретичну основу роботи нагельного з'єднання з використанням двохмодульного підходу, характерного для транстропної моделі, включаючи просторову задачу, що дозволяє оцінити напружено-деформований стан болта як елемента нагельного з'єднання. Розроблено практичну методику розрахунку, засновану на аналітичному рішенні контактної задачі, і поданий алгоритм розрахунку.

Достовірність запропонованої моделі напружено-деформованого стану нагеля й побудованих на її основі інженерних методів розрахунку обгрунтована результатами експериментальних досліджень. Надана оцінка несучої здатності балок складового перерізу із деревинно-шаруватого пластику та визначено коефіцієнти піддатливості для використання їх у практичних розрахунках.

Ключові слова: деревинно-шаруватий пластик, нагельне з'єднання, транстропна модель, сталеві та склопластикові нагелі, балки складового перерізу, коефіцієнти піддатливості.

Boiko T.K. Connections of elements from wooden-layer plastic in the isolation carrying constructions. - Manuscript. Dissertation on the deriving of a scientific degree of the candidate of engineering science from a specialty 05.23.01-Building constructions of a building and structure.-Kharkov State Technical University Constructions and Architecture, Kharkov, 2005.

Symmetric two-cut bolt connection made of wooden sandwiched plastic layers on steel-glass plastic pivots (СППА-type) has been investigated . Theoretical basis of bolt connection using two-module approach typical for transtropic model involving spatial problem which makes possible the evaluation of pivot deformation under stress conditions is presented. Practical calculation technique is worked out and the algorithm for its solution is given. Several suggestions concerning steel cylindrical bolts arrangement in component section beams are offered. Corrective factors of yearling to the main geometrical cross-section characteristics are obtained. The latter may be used in practical work.

Key words: wooden-layer plastic, bolt connection, transtropic model, steel and glass-plastic bolt, component beams, corrective factor.

Бойко Т.К. Соединения элементов из древесно-слоистого пластика в изоляционных несущих конструкциях. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения. - Харьковский государственный технический университет строительства и архитектуры, Харьков, 2005.

Исследование древесно-слоистых пластиков в качестве конструкционного строительного материала, используемого в объектах с повышенными диэлектрическими требованиями и рассмотрение способов соединения элементов несущих конструкций из древесно-слоистого пластика вызвано созданием нового класса изоляционных несущих конструкций для обеспечения функционирования специальных сооружений, работающих в условиях мощного импульсного воздействия.

Анализ известных исследований в области изучения нагельных соединений указывает, что не решенным является учет сложного характера напряженно-деформированного состояния нагельного соединения составных элементов, а именно: учет пространственного характера напряженно-деформированного состояния; учет анизотропных свойств материала соединяемых элементов; работа нагеля в соединении через решение контактной задачи.

С целью создания надежных и достоверных методов расчета предложен новый подход в разработке теоретической основы работы нагельного соединения методом контактной задачи пространственного трехмерного характера на основании учета трансверсально-изотропной модели материала пластика. В качестве объекта исследования принято двухсрезное нагельное соединение из древесно-слоистого пластика марки Б. В качестве расчетной схемы болтового соединения принят стержень, лежащий на упругом основании.

Контактный характер работы нагеля в соединении учтен через коэффициенты упругого основания при наличии сжатия между поверхностью нагеля и поверхностью бруса, характеристики которого представлены в виде коэффициентов постели, зависящих от параметров соединяемых элементов, в том числе транстропных свойств пластика. Пространственный характер напряженно-деформированного состояния брусьев и анизотропия пластика также приближенно учтены через коэффициенты упругого основания. Эти коэффициенты отличаются от коэффициентов Винклеровского основания, так как учитывают распределительные свойства пластика и его анизотропию.

Для реализации цели работы разработан вариант уточненной модели напряженно-деформированного состояния болта, как элемента нагельного соединения, с учетом анизотропных свойств материала соединяемых элементов, т.е. пластика. Используется вариационный принцип Лагранжа о минимуме потенциальной энергии деформаций. В основу модели положены аналитические соотношения распределения основных компонентов напряженно-деформированного состояния болта рассматриваемого нагельного соединения относительно искомых функций перемещений. Вариационным путем получена система разрешающих дифференциальных уравнений, устанавливающая связь между силами взаимодействия, возникающими между нагелем и пластиком, и перемещениями в брусьях на горизонтальной оси симметрии нагельного соединения.

Эта связь имеет сложный характер и не может быть описана через один коэффициент постели, соответствующий коэффициенту основания Винклера. Основание для нагеля, каким является пластиковый брус, обладает распределительными свойствами по типу основания Власова В.З. с двумя коэффициентами постели. Однако свойства основания в данном случае являются более сложными. Так, наряду с перемещениями от вертикальной нагрузки возникают также горизонтальные перемещения. Поэтому принятая модель основания содержит не два коэффициента, как это имеет место для основания Власова, а пять коэффициентов.

В рамках упругой работы материала составных элементов получены теоретически обоснованные соотношения для решения контактной задачи между болтами и брусьями. Полученные соотношения дают возможность определять все параметры напряженно-деформированного состояния бруса, что дает возможность рационально и надежно конструировать нагельные соединения.

По упрощенной модели аналитического решения задачи произведен расчет болтового соединения из экспериментальной серии образцов и приведен алгоритм расчета для получения характеристик напряженно-деформированного состояния. Полученные эпюры ожидаемых вертикальных перемещений нагеля идентичны с характером деформаций, наблюдаемых в эксперименте.

Выполнено экспериментальное исследование образцов нагельных соединений из древесно-слоистого пластика марки Б на стальных и стеклопластиковых нагелях, как вклеенных на эпоксидной смоле, так и поставленных “насухо”, в заранее просверленные отверстия. Определен характер деформаций, возникающих в соединениях на разных стадиях нагружения и получены диаграммы деформаций сдвига; получено разрушающее усилие на один условный срез с последующим определением значений расчетной несущей способности соединения. По анализу полученных результатов даны рекомендации для расчета соединений на нагелях из различных материалов в элементах из древесно-слоистого пластика, а также оценена возможность и целесообразность применения нагельных соединений из ДСП на стеклопластиковых нагелях.

Для составных балок из древесно-слоистых пластиков, соединенных стальными болтами, разработаны предложения по расстановке нагелей в пакете, а также получены поправочные коэффициента податливости к основным геометрическим характеристикам сечения, которые можно использовать в практических расчетах.

Результаты работы позволяют дополнить рекомендации СНиП П-25-80 относительно расчетов и конструирования нагельных соединений из древесно-слоистого пластика.

Ключевые слова: древесно-слоистый пластик, напряженно-деформированное состояние, нагельное соединение, транстропная модель, стальные и стеклопластиковые нагели, балки составного сечения, коэффициенты податливости.

Размещено на Allbest.ru