Использование нагелей крестообразного сечения для соединения элементов мостовых конструкций Текст научной статьи по специальности «Физика»

УДК 624.012.46

ПОПОВ АНАТОЛИЙ МИХАИЛОВИЧ, докт. техн. наук, профессор, 47604@mail.ru

ЗИНОВЬЕВ ВЛАДИМИР БОРИСОВИЧ, канд. техн. наук, teormech@stu. ги

Сибирский государственный университет путей сообщения,

630023, г. Новосибирск, ул. Дуси Ковальчук, 191

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ НАГЕЛЕЙ КРЕСТООБРАЗНОГО СЕЧЕНИЯ ДЛЯ СОЕДИНЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ МОСТОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ

С помощью метода голографического муара исследовано деформированное состояние древесины вблизи забитого огнестрельным способом нагеля крестообразного сечения. Использовались высокочастотные (более ста линий на миллиметр) металлизированные растры и когерентное лазерное освещение. Изложена методика проведения экспериментов и расшифровки интерферограмм. Сформулированы рекомендации по расстановке нагелей вдоль волокон древесины в зависимости от толщины деревянных элементов конструкции и различной ориентации ребер нагеля по отношению к волокнам древесины.

Ключевые слова: нагель; древесина; напряженно-деформированное состояние; метод голографического муара; растр; лазер; перемещение; деформации; расстановка нагелей.

POPOV, ANATOLIY MIKHAILOVICH, Doc. of tech. sc., prof., 47604@mail.ru

ZINOVJEV, VLADIMIR BORISOVICH, Cand. of tech. sc., assoc. prof, teormech@stu. ru

Siberian State Transport University,

191 D. Kovalchuk st., Novosibirsk, 630049, Russia

USE OF NAIL WITH CROSSWISE SECTION FOR CONNECTION OF BRIDGE ELEMENTS

The method of holographic moire was used for investigation of deformed condition of wood near to hammered nail with crosswise section. High- frequency (more than hundred lines on millimeters) metalized rasters and coherent laser illumination were used. The technique of carrying out the experiments and decoding of interferograms is suggested. Recommendation for arrangement of nails along wood fibers depending on the thickness of wooden elements and the different orientation of the edges of nail in relation of wood fibers are formulated.

Keywords: nail; wood; tensely deformed condition; method of holographic moire; raster; moving; deformations; arrangement of nails.

При возведении и реконструкции деревянных мостов возникает необходимость соединения отдельных элементов. Для этой цели традиционно применяют стальные нагели круглого сечения, которые устанавливаются в предварительно просверленные отверстия. В данной статье предлагается для со-

© А.М. Попов, В.Б. Зиновьев, 2012

единения элементов использовать нагели крестообразного сечения с прямолинейными ребрами, забиваемые огнестрельным способом.

Нагели крестообразного сечения, забиваемые огнестрельным способом, при изготовлении или ремонте деревянных конструкций до настоящего времени не применялись. По этой причине оказался нерешенным вопрос об их расстановке в узловых соединениях деревянных конструкций. При забивке нагеля в древесину вокруг нагельного гнезда возникает сложное напряженно-деформированное состояние, аналогичное приложению самоуравновешенной нагрузки. В случае забивки нескольких нагелей в деревянный элемент возникающие поля напряжений могут перекрываться, существенно увеличивая опасность разрушения соединения. Оценить величину поля возмущения можно экспериментально.

Исследования деформированного состояния древесины вблизи забитого нагеля проводились с помощью метода голографического муара [1]. Для этого на поверхность деревянного бруса наносился высокочастотный (более ста линий на миллиметр) металлизированный растр, ориентированный так, что линии растра были перпендикулярны волокнам древесины (трудоемкость нанесения высокочастотного растра не превышает трудоемкости нанесения фото-упругого покрытия). Затем перед растром с помощью синтетического каучука СКТН закреплялась высокоразрешающая фотопластинка ПЭ-2 с отверстием, предназначенным для забивки нагеля. Фотопластинка дважды экспонировалась коллимированным пучком лазерного света. Первая экспозиция проводилась в начальном состоянии древесины, вторая - после забивки нагеля огнестрельным способом. После второго экспонирования фотопластинка отделялась от образца и подвергалась фотохимической обработке.

Полученные интерферограммы восстанавливались в белом свете. На рис. 1 приведена фотография интерферограммы, зарегистрированной в первом проходящем дифракционном порядке. Положение интерференционных полос определяется перемещением тождественных точек образца между экспозициями и описывается уравнением [1]

UB sin а + WB (1 + cos а) - 2WD = NX.

Здесь sin а = nXy; n - номер дифракционного порядка; X - длина световой волны; у - частота растра; UB - перемещение в плоскости образца, нормальное к линиям растра; WB и WD перемещения, нормальные к поверхности образца, точек, формирующих объектный и опорный лучи соответственно; N -порядок полосы.

В ряде работ [2, 3] отмечено, что затухание возмущения, вызванного приложением самоуравновешенной нагрузки, носит экспоненциальный характер. Анализ полученных интерференционных картин показывает, что за-

dN с-

тухание величины — близко к экспоненциальному и может быть описано

dy

выражением

где т - постоянная, характеризующая скорость затухания возмущения и определяемая как расстояние, на котором возмущение убывает в е раз; х - координата, отсчитываемая вдоль волокон древесины.

На рис. 2 приведены эпюры — вдоль волокон древесины, в логарифмиче-

йу

ском масштабе. Графики получены при обработке интерферограмм, зарегистрированных при забивке нагелей крестообразного сечения огнестрельным способом с ориентацией ребра 45° по отношению к волокнам древесины, при различной толщине деревянного элемента. Габаритные размеры нагеля 12x12 мм, толщина ребра 3 мм.

Рис. 1. Фотография интерферограммы, зарегистрированной при забивке нагелей крестообразного сечения, частота растра у = 450 линий/мм

Рис. 2. Эпюры — вдоль волокон древесины,

ф

в логарифмическом масштабе:

для толщин 1 - 40 мм; 2 - 65 мм; 3 -

90 мм; 4 - 120 мм

При вычислении величины — предполагалось линейное распределе-

йу

„ 1

ние полос на шаге полос, и цена полосы принималась равной —, т. е. величи-

у

йМ , йЫ 1 г

на — вычислялась по формуле — = —, где/ - расстояние между полосами. йу йу у/

Если пренебречь влиянием на картину полос нормальной компоненты вектора

перемещения, что в методе голографического муара делается часто, величину

йМ , йи

— можно считать компонентой сдвиговой деформации у = —.

йу йу

Чтобы исключить раскалывание деревянного элемента при забивке в него нагелей, расстояние между нагелями следует принимать таким, чтобы в области наложения напряжений, обусловленных забивкой двух соседних нагелей, величина каждого из напряжений снижалась до 2 % от максимальной величины. Данное уменьшение происходит на расстоянии, равном 4т, следовательно, расстояние между соседними нагелями следует принимать равным 8т .

На рис. 3 приведены графики рекомендуемой расстановки нагелей вдоль волокон древесины в зависимости от толщины деревянных элементов 5 и различной ориентации ребер нагеля по отношению к волокнам древеси-

ны. При определении расстояния между нагелями предполагалось, что быст-

* „ г. „ dN

рота убывания всех напряжении совпадает с быстротой изменения — и рас-

dy

стояние между нагелями должно быть больше 8т . Величина т определялась

1 Г dN Л

экспериментально как расстояние, на котором 1п I — I изменяется на единицу.

V ^ )

Рис. 3. График рекомендуемой расстановки нагелей вдоль волокон древесины:

1 - для нагелей с ориентацией ребра нагеля под углом 45° к волокнам древесины; 2 - для нагелей с ориентацией ребра нагеля под углом 0-90° к волокнам древесины

Полученные результаты подтверждаются многократными опытами забивки нагелей в деревянные элементы.

Библиографический список

1. Жилкин, В.А. Методы «двойного» и голографического муара / В.А. Жилкин, А.М. Попов // Вестник Сибирского государственного университета путей сообщения. - Новосибирск, 1999. - Вып. 1. - С. 107-130.

2. Жилкин, В.А. Определение зоны краевого эффекта с помощью метода голографического муара / В.А. Жилкин, В.Б. Зиновьев // Журнал прикладной механики и теоретической физики. - 1986. - № 5. - С. 132-135.

3. Демешкин, А.Г. О длине образцов из однонаправленного композита с учетом структуры и анизотропии / А.Г. Демешкин, В.М. Корнев // Механика композитных материалов. -1981. - № 2. - С. 319-324.