Размещено на http://www.allbest.ru/

Київський національний університет будівництва і архітектури

УДК 624.011

05.23.01 - будівельні конструкції, будівлі та споруди

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Вузли ферм з клеєної деревини при позацентровому стикуванні панелей верхнього поясу

Михайловський Денис Віталійович

Київ - 2010

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Київському національному університеті будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: кандидат технічних наук, професор Кліменко Віталій Захарович

Київський національний університет будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України, кафедра металевих і дерев'яних конструкцій.

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук, професор Фурсов Вадим Вікторович Харківський державний технічний університет будівництва та архітектури Міністерства освіти і науки України, кафедра металевих і дерев'яних конструкцій (м. Харків);

- кандидат технічних наук, професор Золотов Михайло Сергійович Харківська національна академія міського господарства Міністерства освіти і науки України, кафедра будівельних конструкцій (м. Харків).

Захист відбудеться "2" липня 2010 р. о 13⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.056.04 Київського національного університету будівництва і архітектури за адресою: 03037 Київ-37, Повітрофлотський проспект, 31.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Київського національного університету будівництва і архітектури за адресою: 03037 Київ-37, Повітрофлотський проспект, 31.

Автореферат розісланий "2" червня 2010 р.

Учений секретар спеціалізованої вченої ради доктор технічних наук, професор О.А. Киричук

Анотації

Михайловський Д.В. Вузли ферм з клеєної деревини при позацентровому стикуванні панелей верхнього поясу. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.01 - будівельні конструкції, будівлі та споруди. Київський національний університет будівництва і архітектури, Київ, 2010.

Дисертація присвячена крупнопанельним конструкціям з клеєної деревини: фермам і трикутним розпірним системам з позацентровим стикуванням верхніх поясів. В зонах вузлів реалізується складний напружений стан (СНС) матеріалу, який при збільшенні ексцентриситету у вузлах, а відповідно зменшенні висоти площадки контакту панелей верхнього поясу, підсилюється. Доведена імперативність розрахунку конструкцій з клеєної деревини з урахуванням СНС.

Запропоновані розрахункові умови міцності клеєної деревини при СНС з урахуванням анізотропії фізико-механічних властивостей клеєної деревини, та рівня і знаку напруження вздовж волокон.

Запропонована методика розрахунку вузлових з'єднань з використанням розрахункових умов міцності клеєної деревини при різних сполученнях напружень вздовж волокон _о, поперек волокон ₉₀ та сколюючих , з пошуком небезпечного місця.

Ключові слова. Конструкції з клеєної деревини, складний напружений стан, вузли з позацентровим стикуванням панелей, крупнопанельні ферми, трикутні розпірні системи, умови міцності, методика розрахунку вузлів.

Михайловский Д.В. Узлы ферм из клееной древесины при внецентренной стыковке панелей верхнего пояса. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.01 - строительные конструкции, здания и сооружения. Киевский национальный университет строительства и архитектуры, Киев, 2010.

Диссертация посвящена крупнопанельным конструкциям из клееной древесины: фермам и треугольным распорным системам с внецентренной стыковкой верхних поясов. В зоне узлов реализуется сложное напряженное состояние (CНC) материала, которое при увеличении отрицательного эксцентриситета в узлах и соответственно уменьшении высоты площадки лобового упора панелей верхнего пояса усугубляется. Опасность CНC накладывает ограничения на величину эксцентриситета и, как следствие, на эффективность применения этого конструктивного приема.

В роботе предложена методика расчета узловых соединений при СНС клееной древесины с учетом анизотропии физико-механических свойств материала.

В предисловии обоснованы актуальность, научная новизна, практическое значение, представлена апробация и дана общая характеристика работы.

В первом разделе рассмотрена эволюция и сделан анализ конструктивного приема по созданию разгружающего момента в верхних поясах от полигональных ферм из досок и брусьев до крупнопанельных ферм и треугольных распорных систем из клееной древесины, как в нормах проектирования так и в учебно-методической литературе.

Сделан анализ напряженного состояния в зоне узлов с внецентренной стыковкой панелей верхнего пояса. В результате искривления потока внутренних усилий, кроме напряжений вдоль волокон появляются сопутствующие им напряжения поперек волокон и касательные. Такое напряженное состояние определено как сложное.

Надежность конструкций может быть обеспечена при обязательной проверке прочности клееной древесины в зоне узлов с учетом СНС в дополнение к проверкам по максимальным отдельным напряжениям, что рекомендуется действующими нормами проектирования.

Во втором разделе сделан обзор библиографических источников касательно напряженного состоянии древесины в узлах и элементах.

В части первой проведен обзор от простых стыковых соединений из досок до современных узлов в конструкциях из клееной древесины. Рассмотрены работы Большакова В.В., Карлсена Г.Г., Свенцицкого Г.В., Михайлова В.Г., Турковського С.Б., Аганина В.И., Орловича Р.Б., Найчука А.Я. и др. Показано, что даже в простых по своей конструкции стыковых соединениях элементов при передаче усилия от одного элемента на другой через парные накладки, наблюдается одновременное действие напряжений вдоль волокон, поперек волокон и касательных. Для обеспечения надежности конструкций расчет узлов необходимо выполнять с учетом действительного сложного напряженного состояния клееной древесины.

Во второй части обоснована необходимость учета СНС и в элементах конструкций из клееной древесины. Рассмотрены работы Серова Е.Н., Фурсова В.В., Шмидта А.Б., Освенского Б.А., Зотовой И.Н., Кириленко В.Ф. и др. Поставлена задача разработки условия прочности клееной древесины для возможности выполнения расчетов узлов при СНС.

В третьем разделе проведен обзор существующих условий прочности анизотропных материалов и анализ возможности их использования для расчета клееной древесины при СНС. Предложены расчетные условия прочности (1) клееной древесины при разных компонентах отдельных напряжений в СНС на основе полученного проф. Клименко В.З. общего условия прочности, которое получено из четвертой энергетической теории прочности материалов.

; (1)

Проведен анализ геометрической интерпретации расчетных условий прочности древесины в пространстве напряжений. Установлено, что количественная мера ответственности напряжений ₉₀ и существенно зависит от уровня и знака напряжений _о. Для четырех возможных комбинаций напряжений _с(р), _с.90(р.90) и установлены коэффициенты А_і, В_і, учитывающие анизотропию физико-механических свойств материала, знак и уровень напряжений вдоль волокон.

В четвертом разделе проведен анализ исследований напряженного состояния клееной древесины в зоне узлов внецентренной стыковки панелей верхних поясов крупнопанельных ферм и треугольных распорных систем.

Сделан анализ численного эксперимента выполненного под руководством проф. Дмитриева П.А. с позиции темы диссертации. Подтверждено наличие в зоне узлов напряжений вдоль волокон, поперек волокон и скалывающих. Дмитриев П.А. предложил использовать для проверки СНС клееной древесины критерий Норриса, который содержится в нормах США для проверки прочности клееной древесины в зоне скатов двускатных балок.

Автором диссертации проведено численное исследование напряженно-деформированного состояния клееной древесины в зоне улов с внецентренной стыковкой панелей верхних поясов крупнопанельных ферм в программном комплексе Лира 9.6. Исследование показало искривление потока напряжений в зоне узлов и наличие концентрации напряжений вдоль волокон, поперек волокон и касательных. Максимальные значения отдельных напряжений находятся в разных местах в зоне узла. Это указывает на необходимость поиска опасного с точки зрения CНС места.

В пятом разделе представлены результаты экспериментального исследования напряженно-деформированного состояния древесины в зоне модели узла с внецентренной стыковкой опорной панели верхнего пояса металлодеревянной фермы при различных значениях отрицательного эксцентриситета.

Экспериментальное исследование подтвердило наличие в зоне узла искривления потока нормальных напряжений _о и появление напряжений поперек волокон ₉₀, скалывающих и их концентрацию. Результаты эксперимента качественно и количественно совпадают с результатами численного эксперимента. Это позволяет использовать программный комплекс Лира 9.6 при расчете узлов конструкций из клееной древесины.

Установлено, что участки концентрации напряжений в зоне узлов зависят от высоты площадки смятия (торцевого упора). При уменьшении высоты упора, а соответственно увеличении отрицательного эксцентриситета, увеличивается зона опасной концентрации напряжений в зоне узла. А это достаточно большой объем древесины, которая находится в сложном напряженном состоянии, при котором ее прочность резко снижается. Выполнены расчеты по предложенным в диссертации расчетным условиям прочности (1) в местах с различными комбинациями отдельных напряжений. Они показали возможность практического применения расчетных условий для проверки клееной древесины в зоне узлов при проектировании крупнопанельных ферм и треугольных распорных систем.

Даны практические рекомендации по расчету и проектированию узлов с внецентренной стыковкой элементов.

Ключевые слова. Конструкции из клееной древесины, сложное напряженное состояние, клееная древесина, узлы с внецентренной стыковкой панелей, крупнопанельные фермы, треугольные распорные системы, условие прочности, методика расчета узлов.

Mihaylovskyy D.V. Points off trusses made of glued wood with off-centre jointing of panels of upper chord. - Manuscript.

Dissertation for degree of Candidate of Technical Sciences on Specialty 05.23.01 - Building Structures, Buildings and Edifices. The Kyiv National University of Construction and Architecture, Kyiv, 2010.

The novelty of study lies in improving the accuracy of calculation of points of structures made of glued wood having regard to combined stress state. Analytical techniques of calculation are based on strength conditions that adequately represent actual physical state and the character of wood destroying under combined stress state.

In this work the problem that concerns combined stress state of glued wood in elements and connections of structural elements is formulated and formalized, and this problem is solved through the use of calculation procedure to be based on the strength condition of wood under combined stress state.

The proposed strength condition for combined stress state in points of large panel trusses and triangular strutting systems in case of off-centre jointing of upper chord panels should be included into the present standards as obligatory. It will increase the reliability of long-span structures made of glued wood.

Key words. Combined stress state, glued wood, glulam (glued laminated timber), eccentric joint, top-chord panel, large panel structure, strength condition, subunit failure, combined strength.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Дерев'яні будівельні конструкції в багатьох країнах давно набули широкого застосування. Це стосується не тільки традиційних малоповерхових будівель каркасного типу житлового та іншого призначення. Існують приклади офісних будівель, аудиторських корпусів навчальних закладів заввишки до п'яти поверхів.

В останній треті минулого століття для перекриття великих і навіть дуже великих прольотів (більш ніж 100 м) застосовуються конструкції з клеєної деревини. Клеєна деревина ефективно акумулює в собі позитивні властивості деревини як конструкційного матеріалу, насамперед, відносно високу міцність і дозволяє в значній мірі нівелювати недоліки цільної деревини. Завдяки цьому в останні роки застосування конструкцій з клеєної деревини в світовій практиці поширюється все більше. Впроваджується принципово нова індустрія виготовлення конструкцій. Утворилась галузь по виготовленню клеєного бруса різної номенклатури на спеціалізованих підприємствах з подальшим його використанням для різних цілей, в тому числі, і для будівельних конструкцій.

Дана дисертаційна робота присвячена крупнопанельним конструкціям з клеєної деревини: фермам і трикутним розпірним системам з позацентровим стикуванням панелей верхніх поясів. В зонах вузлів реалізується складний напружений стан (СНС) матеріалу, який при збільшенні ексцентриситету у вузлах, а відповідно, зменшенні висоти площадки контакту панелей верхнього поясу підсилюється. Небезпека СНС накладає обмеження на величину ексцентриситету і, як наслідок, на ефективність застосування цього конструктивного прийому. А він рекомендується діючими нормами проектування дерев'яних конструкцій та в навчально-методичній літературі.

Звязок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження виконані в межах кафедральної науково-дослідної роботи "Вдосконалення металевих та дерев'яних будівельних конструкцій". У даній темі автором була розроблена методика розрахунку вузлів при позацентровому стикуванні панелей верхніх поясів крупнопанельних ферм і трикутних розпірних систем з клеєної деревини.

Мета і задачі дослідження. Мета дисертаційної роботи полягає в уточненні методики розрахунку ферм з урахуванням дійсного напруженого стану клеєної деревини та анізотропії фізико-механічних властивостей матеріалу в зоні вузлів верхніх поясів.

Для досягнення цієї мети розв'язані такі задачі:

· Простежено еволюцію конструктивного прийому утворення розвантажувального моменту в панелях верхніх поясів ферм, шляхом позацентрового стикування у вузлах.

· Встановлено дійсний напружений стан клеєної деревини в зоні вузлів і в елементах, який визначається як СНС.

· Доведена імперативність врахування СНС клеєної деревини для забезпечення надійності конструкцій на додаток до розрахунків за СНиП ІІ-25-80.

Виконано аналіз реального експерименту - руйнування стрілчастих арок внаслідок СНС клеєної деревини.

· Розроблена методика розрахунку вузлів з позацентровим стикуванням панелей верхніх поясів ферм і трикутних розпірних систем.

Обєкт дослідження: крупнопанельні ферми та трикутні розпірні системи з клеєної деревини з позацентровим стикуванням панелей верхніх поясів.

Предмет дослідження: вузли з позацентровим стикуванням панелей верхніх поясів крупнопанельних ферм та трикутних розпірних систем з клеєної деревини. Складний напружений стан в зоні вузлів. Розрахункові умови міцності клеєної деревини при СНС у вузлах крупнопанельних ферм та трикутних розпірних систем.

Методи дослідження. Являють собою сукупність теоретичних та експериментальних методів, що спрямовані на отримання результату.

Наукова новизна одержаних результатів:

Доведено, що клеєна деревина в зоні вузлів знаходиться в СНС і розрахунку конструкцій за вимогами СНиП ІІ-25-80 та Посібника до нього по окремим напруженням недостатньо для забезпечення її міцності.

Уточнено формулювання, викладені вимоги і запропоновані доповнення до деяких пунктів СНиП ІІ-25-80 по проектуванню конструкцій з клеєної деревини, що стосуються конструкцій з позацентровим стикуванням елементів.

Сформульоване та математично формалізоване завдання про складний напружений стан клеєної деревини в зоні вузлів у вигляді розрахункових умов міцності з урахуванням анізотропії фізико-механічних властивостей деревини.

Запропоновано методику розрахунку і проектування вузлів стержньових конструкцій, з пошуком небезпечного місця в зоні вузлів, в умовах коли напружений стан матеріалу визначається трьома і більше напруженнями у різних комбінаціях.

Практичне значення отриманих результатів. Запропонована методика по перевірці міцності клеєної деревини з урахуванням СНС в зоні вузлів при позацентровому стикуванні панелей верхнього поясу крупнопанельних ферм та трикутних розпірних систем має стати обов'язковою і увійти в сучасні норми проектування.

Особистий внесок здобувача:

Доведена необхідність врахування СНС клеєної деревини в зоні вузлів крупнопанельних ферм та розпірних трикутних систем з позацентровим стикуванням панелей верхнього поясу.

Запропоновані розрахункові умови міцності при різних сполученнях напружень в СНС з врахуванням анізотропії фізико-механічних властивостей деревини та знаку і рівня нормальних напружень вздовж волокон.

Експериментально досліджено напружено-деформований стан деревини в зоні позацентрового спирання стержня, що імітував опорний вузол панелі верхнього поясу ферми.

Запропоновано методику розрахунку вузлів ферм при позацентровому стикуванні панелей верхніх поясів з врахуванням СНС.

Апробація результатів дисертації. Основні положення та отримані результати роботи доповідались та обговорювались на науково-технічних конференціях КНУБА (м. Київ) (2007-2009рр.); на міжнародних симпозіумах "Современные строительные конструкции из металла и древесины" ОГАСА (м. Одеса) (2007, 2008рр.).

Методика та рекомендації по розрахунку вузлів ККД з урахуванням СНС матеріалу використані при розрахунку конструкцій покриттів басейну "ОАО Санаторий Озерный" (Гродненская область, Беларусь) та басейну в м. Лунинець (Брестская область, Беларусь).

Результати роботи увійшли в проект Державних будівельних норм "Конструкції з цільної і клеєної деревини. Норми проектування.".

Публікації. Основний зміст дисертації викладено в 11 публікаціях у тому числі: одна монографія, 4 публікації у виданнях, які входять до переліку ВАК України. Особисто надруковано 5 робіт, з них одна робота у виданні, що входе до переліку ВАК України.

Структура дисертації. Дисертація складається зі вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел, додатків. Дисертацію викладено на 189 сторінках основного тексту, 11 повних сторінок з таблицями (24 таблиці), 32 сторінок з рисунками (76 рисунків), 19 сторінок списку літератури, 82 сторінок додатків.

Основний зміст

У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертаційної роботи, об'єкт і предмет проведених у ній досліджень та використані при цьому методи, вказано зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами; наведено наукову новизну та практичне значення отриманих результатів; зазначено особистий внесок здобувача та апробацію результатів роботи.

У розділі 1 розглянуто еволюцію конструктивного прийому по створенню розвантажувального моменту в верхніх поясах плоских наскрізних дерев'яних конструкцій від ферм з дощок і брусів до крупнопанельних ферм і трикутних розпірних систем з клеєної деревини. Практично цей прийом полягає в тому, що внутрішнє зусилля в панелях зміщується вниз від геометричної осі елементів на відповідну величину ексцентриситету. Доведена ефективність цього конструктивного прийому. Дана кількісна оцінка застосування конструктивного прийому по створенню розвантажувального моменту з порівнянням ферм з центрованим та позацентровим стикуванням панелей верхніх поясів, яка підтверджує ефективність цього прийому в дрібноелементних наскрізних конструкціях.

Розглянутий конструктивний захід зменшення в панелях верхнього поясу ферм згинального моменту від міжвузлового навантаження набув свого часу широкого застосування в полігональних фермах. Це об'єктивно, оскільки він демонструє ефективність того з постулатів законів розвитку технічних систем (ЗРТС), який полягає в тому, що розвиток конструкцій тим еволюційніший чим менше при цьому матеріальні витрати. А позацентрове стикування панелей верхніх поясів виконується практично без матеріальних і виробничих додаткових витрат. Не дивно, що цей прийом був автоматично, без додаткових застережень, перенесений на сучасні великопрольотні конструкції з клеєної деревини.

Доведено ефективність конструктивного прийому по утворенню ексцентриситету в верхніх поясах крупнопанельних стержньових конструкцій. Прийом еволюційний, бо в елементах що працюють на стиск зі згином, при напруженнях згину 60-70% від сумарного крайового напруження, він забезпечує відчутний розвантажувальний ефект.

Показано вплив деформованої схеми панелей верхнього поясу крупнопанельних ферм та трикутних розпірних систем на величину розвантажувального згинального моменту і ефективність цього прийому.

Зроблено аналіз особливості напруженого стану в зоні вузлів, де внаслідок викривлення потоку внутрішніх зусиль, при передачі їх на частину торця, з'являються крім напружень вздовж волокон, напруження поперек волокон та дотичні. Такий напружений стан визначено як складний. Доведено, що для забезпечення надійності конструкцій недостатньо виконувати перевірки міцності по окремим напруженням, а саме така методика міститься в чинних нормативних документах по проектуванню дерев'яних конструкцій. Необхідно виконувати перевірку міцності клеєної деревини з урахуванням всіх складових напруженого стану в таких місцях зони вузла, де формується небезпечний складний напружений стан.

Розділ 2 розділено на дві частини. В частині 1 складний напружений стан деревини в зоні вузлів розглядається ширше. Виконано огляд бібліографічних джерел стосовно напруженого стану деревини у вузлах в історичному аспекті.

В роботах Большакова В.В., Карлсена Г.Г., Свенцицкого Г.В. помічена особливість напруженого стану деревини в з'єднаннях дощатих конструкцій, фактично з'являється СНС, але згадки про нього ще немає. Розглянута особливість деформування і руйнування вузлів дощатих конструкцій на механічних з'єднаннях, помічена ще в тридцятих роках минулого сторіччя. Ця особливість викликана появою поперечних напружень при передачі потоку зусиль від одного елементу на інший через парні накладки. В ті часи ще не ставилось питання про вплив сумісної дії різних напружень на міцність деревини в з'єднаннях.

Лише в роботі Михайлова В.Г. в 1952р. при вивченні роботи клеєних стиків з парними накладками, в яких відбувалося розшарування поперек волокон, було зроблено висновок про необхідність урахування сумісної дії різних напружень (_x, _y, і _xy), що виникають в зоні вузлів.

Показано, що у вузлових з'єднаннях дерев'яних конструкцій, навіть у простих за своєю конструкцією поздовжніх стиках елементів, в зоні з'єднань спостерігається одночасна дія напружень вздовж волокон, поперек волокон та дотичних. Від чого несуча здатність з'єднань значно знижується.

Дослідженням напруженого стану клеєної деревини в зоні різних з'єднань займались: на зубчастий шип - Бєлозєрова А.С., Славік Ю.Ю., Вуба К.Т., Чапский К.А., Рогинська В.М., Головіна В.М.; на вклеєних стержнях - Овчиннікова І.Г., Зубарєв Г.Н., Логінова М.П.; на похило вклеєних стержнях - Ролючис Й.В., Кассіров В.П., Турковський С.Б., Зотова І.М. В розділі зроблено огляд робіт, присвячених дослідженням напруженого стану клеєної деревини в зоні цих з'єднань. Особливість напруженого стану деревини пояснюється сумісною дією різних напружень. Однак, визначення напруженого стану, як складного, зроблено не було.

Експериментальні дослідження напруженого стану клеєної деревини в зоні вузлів, при передачі зусилля на частину торця елементу, проведені Аганіним В.І., Орловичем Р.Б. та Найчуком А.Я., показали, що в них відбувається небезпечна концентрація напружень вздовж волокон, поперек волокон та сколюючих. Перевірки міцності з'єднань по окремим напруженням (методика запропонована в Посібнику до СНиП ІІ-25-80), навіть з урахуванням їх концентрації, не забезпечують достатньої надійності. Обов'язковим повинно стати врахування впливу одночасної дії різних напружень на міцність деревини. Для забезпечення надійності конструкцій розрахунок вузлів необхідно виконувати з врахуванням дійсного складного напруженого стану клеєної деревини.

В частині 2 розглядається СНС в елементах і конструкціях з клеєної деревини. Приводом до вивчення цього напруженого стану став досвід масового впровадження ККД в останній чверті минулого століття. Несподіваність характеру руйнування криволінійних елементів і карнизних вузлів гнутоклеєних рам спонукала до поглибленого вивчення напруженого стану клеєної деревини. Пояснення зниження міцності клеєної деревини в цих конструкціях з традиційним підходом розрахунків по окремим напруженням у відповідних розрахункових перерізах не давала пояснення сталому характеру руйнування конструкцій. Цей факт проф. Кліменко В.З. охарактеризував як парадокс експериментів. Сталий характер руйнування є ознакою його феноменологічності.

В середині минулого століття в роботах Ю.М. Іванова, Є.К. Ашкеназі, Ф.П. Бєлянкіна відмічалась особливість руйнування дерев'яних зразків при одноосному навантаженні вздовж волокон. Характер руйнування свідчив, що воно відбувається не по перпендикулярним, а по похилим до дії зусилля площинам. Що пояснюється появою небезпечних напружень поперек волокон, внаслідок анізотропії будови деревини.

Пізніше в роботах Є.М. Сєрова відмічалось, що при поздовжньому розтягу деревини її руйнування відбувається під кутом до напрямку волокон. Тобто так само, як при осьовому стиску в дослідженнях Ю.М. Іванова та Е.К. Ашкеназі. Таким чином можна стверджувати, що навіть при одноосному навантаженні зразків, внаслідок особливостей будови деревини, її напружений стан складний.

Дослідженням напруженого стану клеєної деревини в різних елементах займались: криволінійних елементів, що працюють на згин - Шмідт А.Б., Освенський Б.А., Зотова І.М.; двосхилих балок - Кириленко В.Ф., Alis M.Y., Sarna S.J., Marchall J., Mohler K., Чехавічус Р.П. та інші. Формулювання напруженого стану, що спостерігався в цих дослідженнях, як складного зроблено не було. Таке формулювання з'являється лише в 1983 р. в роботах Кліменка В.З., в яких доводиться імперативність розрахунку елементів з клеєної деревини з урахуванням СНС.

Руйнування деревини майже в усіх дослідженнях відбувалось при навантаженнях, що становили 60% від граничних навантажень. Таке зниження міцності носить феноменологічний характер і визвано СНС.

Виконано дослідження напруженого стану великопрольотних стрілчастих арок з клеєної деревини. Воно є показовим у контексті дослідження СНС клеєної деревини. Його можна назвати реальним експериментом. Першоджерелами для цього дослідження стали науково-технічні звіти та публікації проф. Кліменко В.З., в яких викладені обставини, що призвели до руйнування конструкцій покриття. Основна увага приділена особливості напруженого стану клеєної деревини в піварках. Різниця в напруженому стані схилів викликана напрямком згинальних моментів. Найбільш небезпечною є одночасна дія нормальних, дотичних та напружень розтягу поперек волокон. Міцність клеєної деревини при одночасній дії всіх складових напруженого стану, на ділянці, де згинальний момент направлено назустріч кривизні, при проектуванні арок складів не була забезпечена.

Доведена імперативність врахування одночасної дії комбінацій різних напружень (СНС) в елементах і вузлових з'єднаннях та необхідність розробки умов міцності клеєної деревини з врахуванням всіх складових дійсного напруженого стану.

Розділ 3 присвячено розробці умови міцності клеєної деревини при СНС. Для анізотропних матеріалів розроблено багато різних критеріїв міцності: Мізеса-Хілла, Фішера, Дж. Меріна, К.В. Захарова, Норріса - Мак-Кінена, Є.К. Ашкеназі, Г.О. Генієва тощо. Систематизація і порівняльний аналіз їх виконано в роботах Ф.П. Белянкина, И.И. Гольденблата, В.А. Копнова, Г.С. Писаренко, А.А. Лєбедева, В.В. Стоянова та інших. Історичний шлях розвитку таких теорій міцності докладно описано в роботах А. Надаі, С.П. Тимошенко та інших. Всі розроблені критерії міцності слабо враховують анізотропію фізико-механічних властивостей деревини, або складні для практичного застосування. Питанню розрахунку клеєної деревини з урахуванням СНС присвячені публікації Сєрова Є.М., Орловича Р.Б., Фурсова В.В., Кліменка В.З., Найчука А.Я.

В дисертації розрахункова умова міцності деревини при СНС отримана з умови міцності проф. Кліменка В.З. В основі цієї умови міцності лежить прийнята для деревини четверта енергетична теорія міцності, з передумови, що деревина задовольняє загальній умові існування пружного потенціалу. Умова існування пружного потенціалу для деревини підтверджується виконанням 15 співвідношень та обмежень, що накладаються на технічні пружні постійні.

Отримане рішення відображає енергію формозміни при об'ємному напруженому стані. Воно складне і використовувати його для розрахунків у загальному вигляді важко. В конструкціях деревина перебуває в плоскому напруженому стані (теж складному), для якого рівняння енергії деформації форми суттєво спрощується і набуває такого вигляду:

(1)

в якій: _х, _zy, _y, - напруження вздовж волокон, поперек волокон та дотичні, відповідно; E_x, E_zy, E_y - модулі пружності вздовж та поперек волокон; G_xy - модуль зсуву; _xy, _xz, _yx, _yz - відповідні коефіцієнти Пуассона.

Енергія формозміни для конкретного напруженого стану матеріалу не повинна перевищувати граничного значення енергії формозміни, що відповідає діючим у матеріалі напруженням, які дорівнюють нормативним опорам деревини. Враховуючи це і поділивши ліву і праву частини на граничне значення енергії формозміни, отримана умова міцності деревини при СНС:

(2)

СНиП ІІ-25-80 не дає необхідних величин коефіцієнтів поперечних деформацій для можливості їх використання у формулі 2. Скориставшись кількісними величинами пружних характеристик деревини сосни, приведеними Митинським А.М., як найбільш повними, визначені постійні в складових умови міцності 2. Зроблено аналіз впливу складової умови з від'ємним знаком і обґрунтована можливість вилучення її, коли виникає найнебезпечніша комбінація напружень розтягу вздовж волокон _р і сколюючих з напруженнями розтягу поперек волокон _р.90, в запас міцності. Замінивши постійні при складових коефіцієнтами, отримано загальну умову міцності деревини при СНС, яку записано так:

(3)

де А і В - коефіцієнти що враховують анізотропію фізико-механічних властивостей деревини.

Порівняння складових з коефіцієнтами А і В в лівій частині умови міцності (3), для різних комбінацій напруженого стану, свідчить, що одночасна дія напружень і _р.90 значно менше дозволяє розвиватися напруженням розтягу _р ніж стиску _с. Такий же висновок можна зробити для одночасної дії напружень і _с.90.

В роботі виконано аналіз геометричної інтерпретації загальної умови міцності деревини в просторі напружень. Складний напружений стан деревини можна уявити у вигляді поверхні несучої здатності, яка являє собою геометричне місце точок, що відповідають граничному напруженому стану деревини при спільній дії в ній різних розрахункових напружень. Будь-яка точка на ній відповідає несучій здатності при конкретній комбінації напружень в умовах СНС клеєної деревини. Поверхню несучої здатності в просторі напружень можна отримати за аналогією з граничною поверхнею міцності, використовуючи евристичний принцип та постулат Друккера. Враховуючи квадратичну форму загальної умови міцності, геометрія поверхні міцності в кожному октанті прийнята параболічною. Якщо сумістити координатні осі у просторі x, y і z з осями структурної симетрії деревини а, t і r та відкласти на них значення розрахункових характеристик клеєної деревини: R_р, R_с, R_р.90, R_с.90, R_ск, то отримаємо поверхню несучої здатності.

Несиметричність поверхні відносно площин структурної симетрії деревини ar і tr свідчить про різні "ступені відповідальності" окремих складових в різноманітних комбінаціях напружень, що відповідають октантам І, ІІ, ІІІ і ІV. Можна говорити про різну міру відповідальності напружень поперек волокон та дотичних при зміні знаку і величини напруження вздовж волокон.

Поверхня несучої здатності дала можливість уточнити коефіцієнти A і B в загальній умові міцності (3) з врахуванням знаку і величини напруження вздовж волокон в кожному октанті. В 3 розділі наведено методику визначення коефіцієнтів A і B для клеєної деревини 2-го сорту для чотирьох можливих комбінацій СНС. Доведено, що складові з коефіцієнтами A і B в лівій частині загальної умови міцності збільшуються зі зростанням осьових напружень вздовж волокон, що повністю збігається з фізичною суттю СНС, тобто при збільшенні осьових напружень вздовж волокон зростає відповідальність супутніх напружень поперек волокон та дотичних на міцність клеєної деревини.

З отриманням коефіцієнтів A і B, з загальної умови міцності (3) отримані чотири розрахункові умови міцності клеєної деревини для різних комбінацій напружень:

- для напружень _р, , _р.90

; (4)

- для напружень _р, , _c.90

; (5)

- для напружень _c, , _р.90

; (6)

- для напружень _c, , _c.90

. (7)

Визначені коефіцієнти A_c, A_р, B_c,c.90, B_c,р.90, B_р,c.90 і B_{р, р.90} в розрахункових умовах міцності (4), (5), (6), (7) для І, ІІ та ІІІ сортів клеєної деревини в елементах та з'єднаннях з урахуванням анізотропії фізико-механічних властивостей матеріалу та рівня напружень вздовж волокон.

Розділ 4 присвячено дослідженню напруженого стану клеєної деревини в зоні вузлів з позацентровим стикуванням панелей верхніх поясів крупнопанельних ферм та трикутних розпірних систем.

Під керівництвом проф. Дмітрієва П.А. зроблено чисельне дослідження напружено-деформованого стану клеєної деревини в зоні опорних вузлів деревометалевих трикутних безроскісних ферм. В цих роботах встановлено вплив жорсткості торцевого упору (штампу) на напружений стан клеєної деревини в зоні вузлів, але цікавим з позиції дисертації є те, що підтверджується наявність концентрації напружень вздовж волокон _о, поперек волокон ₉₀ та сколюючих . Зроблено аналіз результатів чисельного експерименту проф. Дмітрієва П.А. з позиції теми дисертації. Проф. Дмітрієв П.А. пропонує використовувати для перевірки СНС клеєної деревини в зоні вузлів критерій Норріса. Цей критерій в нормах США застосовується виключно для розрахунку міцності клеєної деревини в зоні схилів двосхилих балок.

В дисертації проведені чисельні дослідження опорного вузла трикутної деревометалевої безроскісної ферми в сучасному програмному комплексі Лира 9.6 за вихідними даними чисельних експериментів проф. Дмітрієва П.А. які зроблені в дещо застарілому програмному комплексі "Міраж". Характер СНС, отриманий з чисельного експерименту, поставленого в Лире 9.6, майже співпадає з СНС в числовому експерименті проф. Дмітрієва П.А. Значення окремих напружень за результатами обох досліджень відрізняються в межах 10%. Така різниця може бути пояснена деякими спрощеннями, прийнятими при розрахунках та відмінностями в розрахункових схемах за двома дослідженнями. Чисельні дослідження автора цієї дисертації показали, що концентрація різних напружень в зоні вузла змінюється по висоті перерізу і на різній відстані від торця елементу. Небезпечні напруження розтягу поперек волокон _р.90 не дуже великі за абсолютними значеннями виникають не в місці де діють максимальні нормальні _о та сколюючі напруження. Але враховуючи, що міцність клеєної деревини на розтяг поперек волокон дуже низька, - саме таке місце може виявитись небезпечним з точки зору СНС.

Проведено чисельне дослідження напруженого стану клеєної деревини в зоні вузлів з позацентровим стикуванням панелей верхніх поясів п'ятикутних деревометалевих ферм прольотом 24 м за допомогою програмного комплексу Лира 9.6. Задача розрахунку реалізована з використанням аналізу МСЕ в плоскій постановці за допомогою скінченого елементу №44, типу - оболонка. Скінченому елементу були надані ортотропні фізико-механічні властивості. Параметри клейового шва були прийняті ідентичними суцільній деревині, тобто шви не розглядались як окремі складові ламелів, що впливають на напружено-деформований стан всього елементу. Торцевий упор прийнято з звичайної сталі.

Чисельні дослідження довели наявність СНС клеєної деревини в зоні вузлів з позацентровим стикуванням елементів конструкцій. Результати цих чисельних досліджень показали, що максимальні значення тих чи інших напружень виникають на різній відстані від торця елементу. З точки зору СНС небезпечне місце не обов'язково співпадає з місцями де виникають максимальні значення окремих напружень.

З чисельних досліджень отримані коефіцієнти концентрації різних напружень у вузлах з позацентровим стикуванням верхніх поясів ферм з клеєної деревини на різних відстанях від торця елементу.

Чисельні дослідження вказують на необхідність автоматизованого пошуку небезпечного місця, з точки зору СНС.

У розділі 5 представлено результати експериментального дослідження напружено-деформованого стану деревини в зоні вузла позацентрового стикування опорної панелі верхнього поясу моделі п'ятикутної металодерев'яної ферми при різних значеннях ексцентриситету прикладання поздовжнього зусилля. Була змодельована дійсна робота вузла з позацентровим стикуванням при передачі поздовжнього навантаження, що імітувало поздовжнє зусилля в верхньому поясі ферми, через металевий торцевий упор (штамп), і поперечного навантаження, яке імітувало реакцію від місцевого вертикального навантаження, - через опорну площадку (рис. 1).

Експериментальний зразок виготовлявся з деревини ІІ сорту, з вологістю 7% тангенціального розпилювання. Торці зразка додатково оброблялись (шліфувались) з метою щільної стиковки з металевими штампами для забезпечення рівномірної передачі зусилля на елемент.



Рис. 1. Схема експериментальної установки

В експерименті спостерігалося викривлення потоку внутрішніх напружень _о в залежності від значення ексцентриситету прикладання поздовжнього навантаження е.

Експериментальні дослідження підтвердили наявність в зоні вузла, внаслідок викривлення потоку напружень вздовж волокон _о супутніх до них напружень поперек волокон ₉₀ та сколюючих , а відповідно і наявність СНС. деревина крупнопанельний клеєний міцність

Встановлено, що ділянки концентрації напружень вздовж волокон _о, поперек волокон ₉₀ та сколюючих по довжині елементу в зоні вузла залежить від розмірів торцевого упору (висоти площадки зминання). При висоті упору h_зм=0,8h довжина цих ділянок становить 0,760,8h; при висоті h_зм=0,6h - 1,151,20h; при висоті h_зм=0,4h - 1,5h і майже до 2,0h. Тобто при зменшенні висоти торцевого упору h_зм, а відповідно збільшенні ексцентриситету, збільшується зона небезпечної концентрації напружень, а це достатньо великий об'єм клеєної деревини що знаходиться в складному напруженому стані, при якому її міцність різко знижується.

Значення напружень поперек волокон збільшуються зі зменшенням висоти площадки зминання, а відповідно зі збільшенням ексцентриситету, що збігається з результатами проведених чисельних досліджень.

Під опорною площадкою, що призначена для сприйняття поперечного навантаження, близько від зони контакту (електротензорезистори було встановлено на відстані 19-20 мм від краю) виникали такі напруження стиску поперек волокон _с.90, що значно перевищували відповідний розрахунковий опір R_c.90=1,8 МПа. За п. 3.1 СНиП ІІ-25-80 розміри площадки місцевого зминання поперек волокон слід визначати з умови обмеження напружень _зм.90 розрахунковим опором R_зм.90=3,0 МПа. Саме з цих міркувань було прийнято опорну площадку.

Зроблено аналіз СНС при різних значеннях ексцентриситету. Ступінь впливу СНС на міцність клеєної деревини визначалась за запропонованими розрахунковими умовами міцності (6), (7). За результатами аналізу побудовано графік залежності сумарного значення лівої частини розрахункової умови міцності від співвідношення h_зм/h в одній з точок де експериментально визначені напруження.

З графіку чітко простежується збільшення значення розрахункової умови міцності зі збільшенням значення ексцентриситету, а відповідно зменшенні висоти торцевого упору. Значення розрахункової умови міцності досягає 1 при h_зм=0,4h. Такий результат збігається з рекомендаціями які дані ЦНДІБК ім. Кучеренко стосовно проектування вузлів позацентрового стикування елементів.

Висновки

1. Обґрунтована необхідність розрахунку міцності конструкцій з клеєної деревини з врахуванням одночасної дії різних напружень.

2. В зоні вузлів конструкцій з позацентровим стикуванням панелей верхнього поясу з'являється напружений стан, при якому діють напруження вздовж волокон, дотичні і напруження поперек волокон. Концентрація цих напружень збільшується зі зменшенням висоти торцевого упору.

3. Сумісну дію різних напружень в зоні вузлів слід вважати складним напруженим станом клеєної деревини. Для забезпечення необхідної міцності конструкцій недостатньо виконувати перевірки по окремим максимальним напруженням, відповідно до вимог СНиП ІІ-25-80 і Посібника до нього. Міцність конструкцій може бути забезпечена в разі обов'язкової перевірки клеєної деревини в зоні вузлів з урахуванням складного напруженого стану. Доведена необхідність пошуку небезпечного місця з позиції СНС як по довжині елементу, так і по висоті перерізу в зонах вузлів.

4. Запропоновані розрахункові умови міцності клеєної деревини (4), (5), (6), (7) при СНС з урахуванням анізотропії фізико-механічних властивостей клеєної деревини. Доведено, що міра відповідальності напружень поперек волокон та дотичних в розрахункових умовах міцності залежить від знаку і рівня напруження вздовж волокон.

5. Експериментальні дослідження підтвердили наявність в зоні вузлів концентрації напружень вздовж волокон _о, і внаслідок викривлення їх потоку, супутніх напружень поперек волокон ₉₀ та сколюючих , а відповідно і посилення складного напруженого стану деревини.

6. Граничною (мінімальною) висотою площадки торцевого упору при якій виконується розрахункова умова міцності при СНС, є - h_зм=0,4h.

7. Аналіз СНС і перевірка міцності деревини в зоні вузла по одній з запропонованих в роботі розрахункових умов міцності підтвердили можливість застосування цих умов для розрахунку ККД в умовах СНС.

Рекомендації по розрахунку та проектуванню вузлів з позацентровим стикуванням елементів

1. Пропозиція стосовно формулювання п. 6.10 СНиП ІІ-25-80.

Пропонується наступна редакція цього пункту:

Позацентрове стикування панелей верхніх поясів для зменшення діючого в панелі згинального моменту від місцевого навантаження допускається тільки при умові, коли величина ексцентриситету е більша за прогин панелі f. При цьому повинні виконуватись такі умови: h - 2eh_зм та h_зм0,4h, де h - висота перерізу панелі, h_зм - висота площадки лобового упору панелей у вузлі, e - значення ексцентриситету дії поздовжнього зусилля.

2. Міцність клеєної деревини в зоні вузлів з позацентровим стикуванням панелей верхніх поясів крупнопанельних ферм та трикутних розпірних систем слід обов'язково перевіряти з урахуванням СНС за запропонованими розрахунковими умовами міцності (4), (5), (6), (7) з врахуванням анізотропії фізико-механічних властивостей, знаку та рівня нормального напруження в небезпечному місці.

Небезпечний СНС може скластися в довільному місці в зоні вузлів. Для визначення небезпечного місця пропонується в сучасному розрахунковому комплексі, для перевірки СНС, ввести фрагмент по пошуку за умови, коли при СНС одна з розрахункових умов міцності (4), (5), (6), (7), чи не виконується, чи ліва частина досягає максимального значення.

3. Запропоновані графіки визначення коефіцієнтів концентрації напружень вздовж волокон, поперек волокон та сколюючих на різній відстані від торця елементу для практичного застосування при позацентровому стикуванні панелей верхніх поясів ферм.

4. Пропонується скорегувати п. 4, а табл. 3 СНиП ІІ-25-80 і додати до нього значення розрахункового опору деревини на місцеве зминання поперек волокон - R_зм.90=1,8 МПа для опорних вузлів конструкцій в яких діє значне поздовжнє зусилля (ферми, трикутні розпірні системи тощо).

5. Для більш визначеної роботи клеєної деревини в зоні вузлів, з метою запобігання нерівномірного обминання під металевими штампами і появи "плаваючого" ексцентриситету, пропонується вирішувати вузли шляхом влаштування "чистого шарніру".

6. При збільшенні ексцентриситету, а відповідно зменшенні висоти торцевого упору, окрім перевірок за умови СНС, слід встановлювати необхідність підсилення зони вузла, наприклад, похило вклеєними стержнями.

Список публікацій за темою дисертації

1. Михайловский Д.В. Уточнение методики расчета крупнопанельных конструкций из клееной древесины с учетом сложного напряженного состояния. / Д.В. Михайловский // Сборник материалов V международной научно-технической конференции "Итоги строительной науки". - Владимир: ВлГУ, 2007 - С. 93-98.

2. Кліменко В. З., Порівняльний аналіз розрахунків дерев'яних конструкцій за вітчизняними нормами та стандартами США. / В.З. Кліменко, Д.В. Михайловський - К. : Видавництво "Сталь", 2008. - 77 с.

3. Михайловский Д.В. Расчетные критерии несущей способности конструкций из клееной древесины при сложном напряженном состоянии. / Д.В. Михайловский, В.З. Клименко // Современные строительные конструкции из металла и древесины. - Одесса: ОГАСА, 2007 - С. 75-81.

4. Михайловский Д.В. Уточнение методики расчета крупнопанельных конструкций из клееной древесины. / Д.В. Михайловский, В.З. Клименко // Сб. материалов международной научно-практической конференции "Наука и инновации в современном строительстве - 2007" посвященная 175-летию СПбГАСУ. - Санкт-Петербург: СПбГАСУ, 2007 - С. 117-119.

5. Михайлівський Д.В. Пропозиції щодо перевірки позацентрово-вирішених вузлів стержньових конструкцій з клеєної деревини при складному напруженому стані. / Денис Михайловський, Віталій Кліменко // Збірник наукових праць "Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди", Випуск 16, частина 2 - Рівне: НУВГП, 2007 - С. 203-206.

6. Михайловский Д.В. Проектирование крупнопанельных конструкций из клееной древесины с внецентренными узлами. / Денис Михайловский, Виталий Клименко // Современные строительные конструкции из металла и древесины. - Одесса: ОГАСА, 2008 - С. 146-152.

7. Михайловський Д.В. Уточнення коефіцієнтів розрахункової умови несучої здатності конструкцій із клеєної деревини при складному напруженому стані. / Д.В. Михайловський // Зб. Тез доповідей наук. конф. молодих вчених, аспірантів і студентів: - К.: КНУБА, 2008. - 252с. С. 57-58.

8. Михайловский Д.В. Эволюция внецентренного решения узлов верхних поясов ферм. / Д.В. Михайловский // Современные металлические и деревянные конструкции (нормирование, проектирование и строительство): Сб. науч. тр. Междунар. симпозиума, г. Брест / Ред. колл.: А.Я. Найчук (гл. ред.) и др - Брест: ОАО "Брестская типография", 2009 -С. 194-200.

9. Михайловський Д.В. Розрахункова умова міцності клеєної деревини при осьових напруженнях розтягу і складному напруженому стані. / Д.В. Михайловский // Строительство, материаловедение, машиностроение: Сб. науч. тр. Вып. 50, Днепропетровск, ПГАСА, 2009 - С. 375-380

10. Михайловський Д.В. Еволюція розрахунку стрілчастих арок з клеєної деревини. / Д.В. Михайловський // Зб. Тез доповідей наук. конф. молодих вчених, аспірантів і студентів: - К.: КНУБА, 2009. - 140с. С. 50-51.

11. Михайловський Д.В. Дослідження напруженого стану вузлів верхніх поясів ферм з позацентровим стикуванням панелей за допомогою програмного комплексу Лира 9.6. / Д.В. Михайловський, М.В. Лазнюк // Зб. Тез доповідей наук. конф. молодих вчених, аспірантів і студентів: - К.: КНУБА, 2009. - 140с. С. 51-52.

Размещено на Allbest.ru