CC BY
40
УДК 624.011.1
КАЛИНИН СЕРГЕЙ ВЛАДИМИРОВИЧ, преподаватель, bibis@rambler. ru
ЖАДАНОВ ВИКТОР ИВАНОВИЧ, докт. техн. наук, профессор, organ-2003@bk. ru
Оренбургский государственный университет,
460000, г. Оренбург, пр. Победы, 113
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДЕРЕВОМЕТАЛЛИЧЕСКИХ БАЛОК СО СТЕНКОЙ ИЗ СТАЛЬНОГО ПРОФИЛИРОВАННОГО ЛИСТА ПРИ ПОПЕРЕЧНОМ ИЗГИБЕ*
Описаны особенности конструктивного решения деревометаллических балок со стенкой из стальных профилированных листов, включенных в общую работу конструкции. Проведена методика испытаний опытных конструкций и изложены результаты экспериментальных исследований. Дан анализ специфики работы предложенного типа балок под нагрузкой. Исследована степень включения стенки с продольной ориентацией гофров в общую работу балки на поперечный изгиб.
Ключевые слова: деревометаллическая балка; профилированный лист; методика испытаний; эксперимент; напряжения; прогибы.
KALININ, SERGEY VLADIMIROVICH, teacher, bibis@rambler. ru
ZHADANOV, VICTOR IVANOVICH, Dr. of tech. sc, prof., organ-2003@bk. ru Orenburg state university,
113 Pobedа Ave., Orenburg, 460000, Russia
PILOT STUDIES WOOD END METALL OF BEAMS WITH THE WALL FROM STEEL GOFFERED OF THE LEAF AT CROSS-SECTION BEND
Features of the constructive solution of wood and metal beams with a wall from the steel goffered sheets included in the general work of a design are given. The technique of tests of skilled designs and results of pilot studies are stated. The analysis of features of work of the offered type of beams under loading is given. Extent of inclusion of a wall with longitudinal orientation goffered in the general work of a beam on a cross-section bend is investigated.
Keywords: wood and metal beam; goffered leaf; experiment; technique of tests; tension; deflections.
Анализ последних достижений в области строительной науки показал, что традиционное развитие конструкций из мономатериала (бетон, металл, дерево, конструкционные пластмассы) практически исчерпало себя. Их совер-
* Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 гг.» (№ 2012-1.2.1-12-000-2002-5577).
© С.В. Калинин, В.И. Жаданов, 2012
шенствование позволяет сэкономить не более 10 % материала, в то время как есть потребность в гораздо большей экономии. Достичь её можно, развивая комбинированные конструкции из разномодульных элементов, но не путем их простой комбинации, а на основе творческой композиции, обеспечивающей эффективное использование полезных свойств каждого из применяемых материалов. Так, широкое применение в строительстве находят различные сталежелезобетонные фермы, деревобетонные конструкции, клеефанерные балки с плоской или волнистой стенками, со стенками из древесно-стружечных и цементно-стружечных плит. При всех их достоинствах, в сравнении с конструкциями из мономатериалов, известные конструктивные решения нельзя признать совершенными, т. к. их использование связано либо со значительной трудоемкостью изготовления и сложностью сборки, либо с большим расходом материалов при ограниченной несущей способности.
В связи с вышеизложенным, авторами была предпринята попытка разработки нового конструктивного решения деревометаллической балки [1], отличительной особенностью которой является тонкая стальная стенка, выполненная из стандартных профилированных листов [2] и включенная в общую работу балки на поперечный изгиб. В конструкцию балки (рис. 1) входят верхний и нижний пояса, выполненные из цельной или клееной древесины, ребра жесткости, соединенные с поясами, и стенка из стальных профилированных листов, у которых гофры ориентированы вдоль пролета.
Рис. 1. Общий вид конструкции деревометаллической балки
Пояса балки совместно со стенкой образуют коробчатое поперечное сечение. По предположению авторов, продольная ориентация гофров, в отличие от известных аналогов, позволит включить стенку в общую работу комбинированной конструкции и тем самым существенно увеличит несущую способность и жесткость балки, работающей на поперечный изгиб.
Для подтверждения выдвинутой гипотезы в строительной лаборатории Оренбургского государственного университета проведены экспериментальные исследования опытной конструкции предложенного типа деревометалли-
ческой балки. Испытаниям была подвергнута балка пролетом 5,0 м, запроектированная под погонную расчетную нагрузку 9,0 кН/м. Нижний и верхний пояса, а также вертикальные ребра жесткости выполнены из цельной древесины сосны второго сорта с поперечным сечением 70x100 мм (рис. 2). Шаг ребер жесткости составлял 550 мм, или ~ 1/10 Ь. Соединение поясов вертикальных ребер жесткости выполнено при помощи вклеенных арматурных стержней диаметром 10 мм с применением эпоксидного клея. Соединение стенки с поясами и ребрами жесткости решено на гвоздевом забое на гвоздях 2,5x30 мм с соблюдением норм [3] в части правил расстановки гвоздей в соединениях деревянных конструкций. Забивка гвоздей производилась в местах сопряжения плоской грани гофров профилированного листа с гранями деревянных элементов балки.
кг
Рис. 2. Опытная конструкция деревометаллической балки:
1 - верхний пояс; 2 - нижний пояс; 3 - вертикальные ребра жесткости; 4 - стенка из стального профилированного листа
Для изучения фактической работы предложенного типа деревометаллических балок был сконструирован и изготовлен испытательный стенд в условиях испытательной лаборатории Оренбургского государственного университета, позволяющих испытывать натурные конструкции пролетом до 5,0 м (рис. 3). Опытная конструкция испытывалась как балка, имеющая, с одной стороны, шарнирно-подвижную, с другой - шарнирно-неподвижную опоры. Испытания проводились с использованием методики и рекомендаций [4]. Опорные реакции передавались на нижний пояс балки через стальные жесткие прокладки, размеры которых определялись из расчета нижнего пояса на смятие древесины поперек волокон.
Для имитации передачи на верхний пояс балки расчетной равномерно распределенной нагрузки (например, от клеефанерных плит покрытия) были использованы четыре гидравлических домкрата, объединенные в общую систему и передающие нагрузку на восемь точек в местах расположения вертикальных ребер жесткости через жесткие траверсы с расчетным прогибом не более 1/500 Ь. Усилие, создаваемое на насосной станции, посредством гид-
равлического давления передавалось параллельно соединенным домкратам. Технические особенности соединения домкратов и конструирования системы передачи нагрузки на опытную конструкцию гарантировали равномерно распределенное давление на цилиндры домкратов, как по величине, так и во времени. Устойчивость плоской формы деформирования балки при проведении испытаний обеспечивалась специальными вертикальными траверсами, которые не препятствовали вертикальным прогибам испытываемой конструкции (рис. 3). Нагружение конструкции осуществлялось ступенями в равные промежутки времени, составляющие 1-1,5 мин, причем устойчивость каждой ступени принималась равной 0,2 от расчетной.
Рис. 3. Общий вид испытательного стенда
Для получения четкой картины работы деревометаллических балок под нагрузкой при проведении испытаний измеряли:
- основные деформации системы: прогиб балок в середине и третях пролета, осадки опор, деформации профилированного листа в середине опорного и соседнего отсека в трех наиболее характерных точках по высоте, величина сдвига стального листа относительно верхнего пояса балки в опорном сечении;
- фибровые деформации элементов: поясов балки в середине пролета, стенки в середине пролета и в опорном отсеке с симметричным расположением дублирующих тензодатчиков.
Прогибы конструкции замерялись прогибомерами 6ПАО-ЛИСИ с ценой деления 0,01 мм. Деформации профилированного листа контролировались индикаторами часового типа с ценой деления 0,01 мм, а величина сдвига стального листа относительно верхнего пояса балки - индикаторами часового типа с ценой деления 0,001 мм. Фибровые деформации элементов измеряли тензодатчиками с базой 10 мм, в соответствии с общей методикой [5], с при-
менением многоканальной микропроцессорной тензометрической системы ММТС-64.01. При проведении испытаний данные с тензодатчиков поступали на компьютер, обрабатывались и выдавались микропроцессорной системой в виде напряжений.
Нагружения производили до расчетных нагрузок. После завершения первых испытаний балку разгружали и выдерживали перед проведением последующих не менее трех суток. После трехкратного испытания балки расчетными нагрузками конструкцию довели до разрушения, при этом нагрузку также увеличивали ступенями в соответствии с ранее принятой схемой.
При проведении испытаний соблюдали следующие условия: испытываемая нагрузка находилась под нагрузкой на каждой ступени в течение времени, необходимого для снятия отчетов и стабилизации (~ 10 мин); отсчеты снимали в одной последовательности - сначала посредине пролета, затем на опорах. Во время испытаний осуществляли непрерывное наблюдение за поведением исследуемой конструкции с целью фиксации возможных повреждений и непроектных деформаций.
На испытываемой конструкции всего было установлено: 42 тензорези-стора, 7 прогибомеров; 28 индикаторов с ценой деления 0,01 мм; 2 индикатора с ценой деления 0,001 мм.
Для обработки результатов испытаний определяли фактический модуль упругости древесины. Образцы отбирали из верхнего и нижнего поясов после проведения испытаний до разрушения. Из каждого пояса вырезали по 6 образцов. Отбор образцов производили на участках, приближенных к зонам расположения тензорезисторов. Влажность стандартных образцов при определении модуля упругости соответствовала влажности на момент испытания балки и колебалась в незначительных пределах - от 8,5 до 9,1 %. Модуль упругости древесины был определен при статическом изгибе по стандартной методике, при этом его фактическая величина составила 12 600 МПа.
В процессе испытаний прогибы балки, как в третях, так и в середине пролета, увеличивались пропорционально росту нагрузки (рис. 4). При достижении нагрузкой расчетной величины (9,0 кН/м) максимальные значения прогибов в середине пролета составили 10,24 мм, или 1/481 от расчетного пролета. При нормативном значении нагрузки (6,6 кН/м) эти величины, соответственно, были равны 7,52 мм и 1/656 L. Все величины прогибов были определены с учетом фактических значений осадок опор, при этом в расчет вводили среднеарифметическое значение от измеренных величин. Деформации сдвига между верхним поясом и стенкой в опорных сечениях оказались незначительными (до 0,004 мм), что позволило в дальнейшем пренебречь податливостью соединений стальной стенки с деревянными поясами при проведении инженерных расчетов.
В то же время, в процессе испытаний наблюдалась местная потеря устойчивости стального профилированного листа в середине пролета балки между точками его крепления к верхнему поясу. Причем данный эффект проявился на третьей ступени загружения (5,4 кН/м). В дальнейшем величина деформации профилированного листа между гвоздями из плоскости балки увеличивалась пропорционально росту нагрузки и при ее расчетном значении
в среднем составила 2,6 мм (замерено штангенциркулем в связи с отсутствием индикаторов в точке потери устойчивости). Также процесс деформирования стального профилированного листа из плоскости балки был зафиксирован при помощи индикаторов в опорном и примыкающем к нему отсеках практически с первой ступени загружения. Величины прогибов стенки в середине отсеков нарастали пропорционально нагрузке и при ее расчетном значении составили 1,9 мм в опорном отсеке и 1,6 мм - в примыкающем отсеке.
Рис. 4. График прогибов балки по ступеням загружения
Анализируя это явление, следует отметить, что местная потеря устойчивости стального профилированного листа в середине пролета балки между крепежными гвоздями, соединяющими верхний пояс со стенкой, а также прогибы профилированного листа из плоскости балки в середине отсеков, расположенных у опор, не повлияла на общий упругий характер деформирования балки. Рост прогибов при этом происходил практически пропорционально росту нагрузки. Данный факт дает основание при проектировании предлагаемых типов балок допускать такую возможную потерю устойчивости стенки и ее деформации из плоскости балки.
Характер распределения нормальных напряжений в стенке в середине пролета балки показан на рис. 5. Как видно из рисунка, стенка из стальных профилированных листов с продольной ориентацией гофров практически полностью включается в общую работу балки, тем самым увеличивая её
прочность и жесткость. При этом в зоне крепления стенки к поясам при помощи гвоздей наблюдается некоторое падение значений напряжений, что можно объяснить локальными точками крепления листа к поясам, за счет чего и происходит такое снижение. Предполагая, что характер распределения нормальных напряжений в стенке соответствует элементарной теории поперечного изгиба, и сравнивая теоретические эпюры с экспериментальными данными, можно рассчитать корректировочный коэффициент, учитывающий изменение нормальных напряжений в стенке в зоне ее крепления к поясам в меньшую сторону. Обработка опытных данных показала, что значение такого коэффициента составляет 0,85, причем это значение сохраняется по всем ступеням загружения. Отметим, что рост напряжений во всех контролируемых точках происходил практически пропорционально росту нагрузки, что позволяет сделать вывод об упругом характере деформирования балки при достижении нагрузкой расчетной величины. Аналогичный характер распределения напряжений по высоте стенки наблюдался и в опорном отсеке с соответствующими значениями нормальных напряжений.
Рис. 5. Графики нормальных напряжений в стенке в середине пролета балки по ступеням загружения
Полученные результаты тензометрирования явились дополнительным доказательством принятого допущения о том, что местная потеря устойчивости стального профилированного листа в середине пролета балки между крепежными гвоздями, соединяющими верхний пояс со стенкой, а также прогибы профилированного листа из плоскости балки в середине отсеков, расположенных у опор, могут не учитываться в практических расчетах при определении геометрических характеристик поперечного сечения.
Опытная конструкция балки разрушилась при нагрузке 12,8 кН/м, что в 1,42 раза превышает расчетную величину. Процесс разрушения сопровождался падением давления в гидравлической системе и при восстановлении его величины до 12,8 кН/м непрерывным ростом деформаций балки. При этом в опорных сечениях происходило выпучивание стального профилированного листа из плоскости балки с выдергиванием крепежных гвоздей из опорного вертикального ребра жесткости и приопорных зон поясов (рис. 6).
Рис. 6. Характер разрушения опытной конструкции (потеря устойчивости стенки в опорном сечении с отрывом крепежных гвоздей)
Выводы
1. Стенка балки из стального профилированного листа, скрепленная с ребрами деревянного каркаса, эффективно включается в совместную работу балки на поперечный изгиб при продольной ориентации гофров, при этом нормальные напряжения по высоте стенки распределяются практически в полном соответствии с теорией элементарного изгиба.
2. Включение стенки в общую работу конструкции позволяет на 18-30 % увеличить геометрические характеристики конструкции в зависимости от пролета балки и типа предложенного профилированного листа.
3. Инженерный расчет деревометаллических балок со стенкой из стального профилированного листа на поперечный изгиб можно проводить по методу приведенного сечения с учетом фактических значений модулей упругости примененной древесины и стали. При этом доля участия стенки в общей
работе конструкции должна учитываться с корректировочным коэффициентом 0,85.
Библиографический список
1. Пат. 2276239. Российская Федерация, МПК Е 04 С 3/07. Балка / П.А. Дмитриев, В.И. Жаданов, С.В. Калинин ; опубл. 10.05.2006, Бюл. № 13. - 6 с.
2. ГОСТ 24045-90. Профили стальные листовые гнутые с трапециевидными гофрами для строительства. 1984.01.01. - М. : Изд-во стандартов, 2004. - 24 с.
3. СП 64.13330.2011. Свод правил. Деревянные конструкции. Актуализированная редакция СНиП 11-25-80. - М. : ОАО «ЦПП», 2011. - 141 с.
4. Рекомендации по испытанию деревянных конструкций / ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко. - М. : Стройиздат, 1976. - 28 с.
5. Ренский, А.Б. Тензометрирование строительных конструкций и материалов / А.Б. Ренский, Д.С. Баранов, Р.А. Макаров. - М. : Стройиздат, 1977. - 240 с.
