CC BY
31Экспериментальное исследование составных балок двутаврового сечения из древесины с осп-стенкой на изгиб
со см о см
со
о ш т
X
<
т о х
X
Томченко Максим Юрьевич
магистрант, кафедра металлических и деревянных конструкций, строительство, Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет, ak1234567234@gmail.com
Торопцева Алла Николаевна,
магистрант, кафедра металлических и деревянных конструкций, строительство, Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет, allatoropceva13@gmail.com
Нижегородцев Денис Валерьевич
ст. преподаватель, кафедра металлических и деревянных конструкций, строительство, Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет, dnizhegorodcev@lan.spbgasu.ru
Особенность изготовления двутавровых балок с ОСП стенкой предполагает, что размеры панели ограничены и это является основным критерием расположения стыка по длине балки. Можно предположить, что стык, расположенный в зоне влияния больших касательных напряжений, будет разрушаться при меньшей приложенной нагрузке, чем стык, расположенный в другом месте. В статье приведены результаты экспериментального исследования составных балок двутаврового сечения с поясами из LVL-бруса с ОСП-стенкой на изгиб. В ходе проведения испытания были построены графики перемещений и графики зависимости деформаций от напряжения. Исследовано влияние расположения стыка панелей в стенке балки на несущую способность данной конструкции. Выявлено, что определяющим фактором определении несущей способности данных балок являются деформации сдвига, возникающие в клеевом шве стенки и поясов. Наименьшее значение несущей способности (3 кН) показали балки со стыком в приопорной зоне, где наибольшее влияние касательных напряжений. Ключевые слова: составная балка, балка с ОСП-стенкой, деревянная балка, деревянные конструкции, LVL брус, составная конструкция, экспериментальные исследования двутавровых балок.
Цельная древесина имеет ограниченный ряд размеров, которые используются для изготовления строительных конструкций, ввиду сложности обработки и добычи материала. Для увеличения размеров сечения элементов используются составные конструкции. Двутавровое сечение балки с полками из древесины и стенками из ОСП-панелей позволяет существенно снизить вес конструкции и дает больший выбор используемых сечений. По всему миру разрабатываются и изучаются свойства составных конструкций, состоящих из разных материалов [8-10], так как это позволяет нивелировать недостатки одного материала достоинствами другого.
На данный момент балки такого типа имеют массовое производство, но на качество и несущую способность такой балки влияет множество факторов:
- отсутствие единого стандарта по выбору клеевого состава для соединения стенки с полкой;
- отсутствует стандартная схема сборки балок, учитывающие оптимальное положение стыка плит ОСП по длине конструкции;
- отсутствует единая методика инженерного расчета.
Цель работы: Определение несущей способности балок, влияние расположения стыка панелей по длине на несущую способность балки.
Объект исследования: двутавровая балка с полками из и стенкой из ОСП-панелей.
Предмет исследования: несущая способность составных двутавровых балок из древесины с ОСП-стен-кой при изгибе.
Можно предположить, что стык, расположенный в зоне влияния больших касательных напряжений, будет разрушаться при меньшей приложенной нагрузке, чем стык, расположенный в другом месте. Особенность изготовления двутавровых балок с ОСП стенкой предполагает, что размеры панели ограничены и это является основным критерием расположения стыка по длине балки. Таким образом, при массовом производстве мы получаем балки с разной несущей способностью. Основной задачей экспериментального исследования является выведение количественной разницы несущей способности при изгибе в зависимости от расположения стыка панелей по длине.
Для экспериментальных исследований были использованы балки с деревянными поясами с прямолинейным продольным пазом шириной 8 и глубиной 15 мм выполнены из 1^1_-бруса сечением 63х40(И) мм. Общая высота двутаврового сечения 290 мм, высота стенки из ОСП-панели - 210 мм, с учетом заглублений в тело древесины 240 мм. Толщина ОСП-панели, используемой в конструкции испытываемых балок 8 мм.
Общая длина балок 3000 мм, расчетный пролет 1_=2700 мм.
В эксперименте участвовали балки с разным расположением стыка стенки по длине.
- стык по середине (около 1500 мм) - балки 1, 4, 9;
- стык в месте приложения нагрузки (около 900 мм) -балки 3, 5, 8;
- стык, смещенный к краю балки (около 500 мм) -балки 6, 7;
- два стыка на расстоянии 900 и 600 мм - балка 2. Принципиальная схема (рис. 1) была разработана на
основе изученной литературы [1,3,4,7].
150 „_?00_
т
900_J50
ni 6 П2 5~пз 2
450 [ 450 [ 450 I 450 LISO
Условные обоз!
^р - ПрогиБометр ПА0-6 ф - Индикатор часового типа Д - Опора
Рис. 1. Принципиальная схема испытания
Испытания конструкций проводились на изгиб, возрастающей нагрузкой с доведением их до разрушения, в соответствии с ГОСТ Р 57790-2017 [2]. Нагрузка прикладывалась ступенями равными 300 кг. Выдержка на каждой ступени равна 45 секунд, для снятия показаний приборов. Приложение нагрузки на конструкцию равными ступенями проводилось с постоянной скоростью нагружения 3 мм/мин. В процессе нагружения фиксировались значения нагрузок, показаний приборов и текущее время испытаний.
Перемещения на опорах фиксировались с помощью индикаторов часового типа (ИЧ-1, ИЧ-2). В середине пролета и в местах приложения нагрузки с помощью прогибомеров (П-1, П-2, П-3). Для фиксации смещения стенки относительно поясов использовался индикатор часового типа (ИЧ-3), установленный на стенке горизонтально, упирающийся в уголок, прикрепленный к нижнему поясу.
Для передачи нагрузки на образцы применена универсальная испытательная машина BISS Magnum 2000 kN. Рабочий ход штока - 250 мм.
Испытательное оборудование приведено на рис.2.
В ходе проведения испытания были построены графики перемещений, сводная диаграмма значений перемещений в средней точке балки представлена на рис. 3. А также сводный график зависимости деформации от напряжения представлен на рис.4.
СВОДНАЯ ДИАГРАММА ПРОГИБОМЕРОВ №2
—+-БалкаВ Балка 3Балка 6 Балка 1 —^ Балка 7 — Балка 4 — Балка 5 -+-Балка 9 -•- Балка 2 -*- Балка 5
0 2 4 б 3 10 12 14 16 18
ПЕРЕМЕЩЕНИЕ, ММ
Рис. 3. Сводный график зависимости перемещений от нагрузки
ДИАГРАММА ДЕФОРМИРОВАНИЯ
ПЕРЕМЕЩЕНИЕ . ММ
Рис. 2. Испытательное оборудование
Рис. 4. Сводный график зависимости деформации балок от напряжения
За несущую способность балки по 1 группе предельных состояний принимается значение, до начала развития трещин. Пиковая нагрузка — это максимальная нагрузка, которая была приложена к балке до полного разрушения.
В соответствии с п.15 СП 20.13330.2016 Нагрузки и воздействия [5] прогиб должен быть меньше предельного прогиба:
Г<Ги, (1)
Для балок покрытий и перекрытия, при пролете 1=3м, ^1=1/150.
f < 0.02м = 20мм
Также в ходе испытаний фиксировалось перемещение ОСП-стенки относительно нижнего пояса. Согласно таблице 17 СП 64.13330.2017 [6], величина деформаций клеевого соединения при полном использовании несущей способности соединения равна нулю.
При сравнении несущей способности по 1, 2 группам предельных состояний выбирается наименьшее значение несущей способности. За несущую способность двутавровой балки с ОСП стенкой принимается несущая способность по деформациям в клеевом соединении стенки с поясами.
х
X
О
ТО
>
п.
то m
о
2 О
КЗ
о
Таблица 1
Результаты испытаний
со см
0 см
со
01
о ш т
X
<
т о х
X
№ Несущая Макси- Переме- Нагрузка Несущая
балк способ- мальная щение в при дости- способ-
и ность по пиковая момент жении мак- ность из
1 ГПС, кН нагрузка, достиже- симально условия де-
кН ния макси- допусти- формаций
мальной мых проги- клеевого
нагрузки, бов, кН соедине-
мм ния, кН
1 14 21,23 10,94 18 6
2 6,9 12 6,41 12 6
3 6 10,65 18,44 12 10,5
4 15 23,64 14,04 21 6
5 14,3 21 12,94 21 10,5
6 6,4 16,62 25,85 9 3
7 9 12,66 7,77 15 3
8 10 19,45 9,29 18 10,5
9 21 27 17,37 27 6
Таблица 2
} балок
№ балки Расположение стыка Характер разрушения
1 Вертикальная трещина в ОСП полке в зоне приложения нагрузки
2 0,^/0^ Разрыв LVL-бруса в нижней и верхней полках, сдвиг и отделение ОСП-плит по горизонтали
3 0^ Сдвиг ОСП-стенки относительно LVL-бруса
4 Вертикальная трещина в ОСП полке в зоне приложения нагрузки
5 0^ Сдвиг ОСП-плит по горизонтали, отделение стенки от полок, разрыв LVL-бруса в нижней полке
6 0,^ Сдвиг ОСП-стенки относительно LVL-бруса, разрыв LVL-бруса в нижней полке
7 0,^ Сдвиг ОСП-плит по горизонтали, отделение стенки от полок, разрыв LVL-бруса в нижней полке
8 0^ Сдвиг ОСП-стенки относительно LVL-бруса, вертикальная трещина в ОСП полке
9 0^ Продольная трещина в ОСП стенке в опорной зоне, потеря местной устойчивости
Рис.5. Характер разрушения балок №9, 2, 5
По окончании испытаний был проведен визуальный осмотр образцов двутавровых балок. Обнаружены следующие типовые случаи разрушения балок (рис. 5,6):
1) Образование трещин в стенке из ОСП в сжатой зоне в местах приложения нагрузки (балка 9, 4, 1, 8);
2) Трещина в сжатых брусках нижнего пояса, (балка 2., 5, 7);
3) Трещина в растянутых брусках нижнего пояса, в местах дефектов и по некачественному клеевому шву
(2, 5);
4) Смещение стенки относительно поясов (3, 8);
5) Разрушение по стыку ОСП панелей по длине (2, 5, 7).
'. 1 '
Рис. 6. Характер разрушения балки №8 - сдвиг ОСП-стенки относительно 1^-бруса, вертикальная трещина в ОСП полке в зоне приложения нагрузки
Заключение
Из анализа результатов экспериментального исследования балки можно сделать следующие выводы:
1. Наибольшую несущую способность по 1 группе предельных состояний имеют балки №5 и 9, расположение стыка которых было по середине пролета, наименьшую несущую способность имеют балки № 2 и 3, со стыком близким к месту приложения нагрузки.
2. Среднее значение несущей способности по 1 группе предельных состояний: при расположении стыка в середине пролета (0,51_) - 16,6 кН, при расположении стыка в зоне приложения нагрузки (0,33 1_) - 10,1 кН, при расположении стыка в приопорной зоне (0,171_) - 7,7 кН.
3. Среднее значение несущей способности по 2 группе предельных состояний:
при расположении стыка в середине пролета (0,51_) -6 кН;
— при расположении стыка в зоне приложения нагрузки (0,33 1_) - 10,5 кН;
при расположении стыка в приопорной зоне (0,171_) - 3 кН.
Таким образом, расположение стыка посередине пролета балки увеличивает ее несущую способность на 54%.
Определяющим фактором при определении несущей способности данных балок являются деформации сдвига, возникающие в клеевом шве стенки и поясов. Наименьшее значение несущей способности (3 кН) показали балки со стыком в приопорной зоне, где наибольшее влияние касательных напряжений. Таким образом, большее влияние на несущую способность балки оказывает качество клеевого шва. При улучшении качества выполнения клеевого шва, правильном подборе клеевого состава можно добиться улучшения показателей.
При качественном выполнении клеевого шва 2 группа предельных состояний перестанет быть определяющей в вопросе о несущей способности балок и тогда расположение стыка оСп в стенке двутавровой балки
будет иметь влияние на несущую способность. В испытуемых балках по 1 ГПС средняя несущая способность балки со швом по середине и в приопорной зоне отличалась на 54%.
Литература
1. Актуганов А.Н. Работа тонкостенной металлоде-ревянной двутавровой балки м ортогональными ребрами жесткости в виде гофр различного сечения/ Актуганов А.Н., Актуганов А.А., Актуганов О.А., Котлов В.Г., Кузнецов И.Л.//Известия вузов. Строительство - №11-11 - 2013 - С.66-72.
2. ГОСТ Р 57790-2017. Конструкции деревянные несущие. М.:2019 Стандартинформ.
3. Грачёв В.А. Экспериментальное исследование металлодеревянной балки двутаврового сечения с поперечно гофрированной стенкой /Традиции и инновации в строительстве и архитектуре. Строительство - 2019 - С. 41-49.
4. Новицкий Я.Я. Экспериментальное исследование прогибов комбинированных балок с деревянными поясами //Инновационная наука - №10 - 2020 - С.69-71.
5. СП 20.13330.2016 Нагрузки и воздействия. URL: https://3d-bim.ru/downloads/sp-20.pdf
6. СП 64.133330.2017 Деревянные конструкции. URL:
https://files.stroyinf.rU/Data2/1/4293744/4293744725.pdf
7. Синцов А.В., Синцов В.П. Прочность и деформа-тивность составной деревянной балки со стенкой из ориентированной стружечной плиты // Строительство и техногенная безопасность- 2014 г. С. 152-158.
8. Chang Liu, Guo Chen, Lingyu Li, Yu Qin, Jiayi Wang, Minghan Xu. Experimental Investigation on OSB Webbed Laminated Bamboo Lumber Box Shaped Joists // MATEC Web of Conferences https://doi.org/10.1051/matecconf/201927501003275.
9. E.C.Zhu, Z.W.Guan. Finite element modelling of OSB webbed timber I-beams with interactions between openings. // Advances in Engineering Software Volume 36, Issues 11-12, November-December 2005, Pages 797-805.
10. Z.Tang, B.Shan. Construction and Building Materials // Construction and Building Materials. Volume 224, 10 November 2019, Pages 292-305.
Experimental investigation of bending wooden i-shaped beams with osb web
Tomchenko M.Yu., Toroptseva A.N., Nizhegorodtsev D.V.
Saint Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering JEL classification: L61, L74, R53
The peculiarity of the manufacture of I-beams with OSB wall suggests that the panel dimensions are limited and this is the main criterion for the location of the joint along the length of the beam. It can be assumed that a joint located in the zone of influence of large tangential stresses will collapse at a lower applied load than a joint located elsewhere. The article presents the results of an experimental study of composite beams of I-beam cross-section with belts of LVL-beam with OSB-wall for bending. During the test, displacement graphs and stress-strain dependence graphs were constructed. The influence of the location of the panel joint in the beam wall on the load-bearing capacity of this structure is investigated. It is revealed that the determining factor in determining the bearing capacity of these beams are shear deformations that occur in the adhesive seam of the wall and belts. The lowest value of the bearing capacity (3 kN) was shown by beams with a joint in the support zone, where the greatest influence of tangential stresses. Keywords: composite beams, OSB web, wooden beam, wooden structure,
LVL, experimental investigation of I-joist References
1. Aktuganov A.N. The work of a thin-walled metal-wood I-beam with
orthogonal stiffeners in the form of corrugations of various cross-sections/ Aktuganov A.N., Aktuganov A.A., Aktuganov O.A., Kotlov V.G., Kuznetsov I.L.//Izvestiya vuzov. Construction - No.11-11 - 2013 - pp.6672.
2. GOST R 57790-2017. Wooden load-bearing structures. Moscow:2019
Standartinform.
3. Grachev V.A. Experimental study of a metal-wood beam of I-beam section
with a transversely corrugated wall / Traditions and innovations in construction and architecture. Construction - 2019 - pp. 41-49.
4. Novitsky Ya.Ya. Experimental study of deflections of combined beams with
wooden belts //Innovative Science - No. 10 - 2020 - p.69-71.
5. SP 20.13330.2016 Loads and impacts. URL: https://3d-bim.ru/downloads/sp-20.pdf
6. SP 64.133330.2017 Wooden structures. URL: https://files.stroyinf.ru/Data2/1/4293744/4293744725.pdf
7. Sintsov A.V., Sintsov V.P. Strength and deformability of a composite
wooden beam with a wall of oriented chipboard // Construction and technogenic safety - 2014, pp. 152-158.
8. Chang Liu, Guo Chen, Linyu Li, Yu Qin, Jiayi Wang, Minghan Xu.
Experimental study of box-shaped beams made of laminated OSB bamboo timber with webbing // MATEC Web of Conferences https://doi.org/10.1051/matecconf/201927501003275 .
9. E.K.Zhu, Z.V.Guan. Finite element modeling of I-beams made of OSB
timber with interaction between holes. // Advances in Software Engineering, Volume 36, Issues 11-12, November-December 2005, pages 797-805.
10. Z.Tan, B.Shan. Construction and building materials // Construction and building materials. Volume 224, November 10, 2019, pages 292-305.
X X
о го А с.
X
го m
о
2 О
м
CJ
