CC BY
8Испытание образцов сборных элементов из цельной древесины
Клюкин Александр Александрович
старший преподаватель; кафедра металлических и деревянных конструкций, НИУ Московский государственный строительный университет, mgsu58@mail.ru
Приводятся описание конструкции и предварительные результаты испытаний сборного элемента из цельнодеревян-ных брусьев, предназначаемых для использования в качестве ребер конструкций построечного изготовления для ускоренного возведения покрытий зданий инфраструктуры, сопутствующих строительству жилых домов для комфортного проживания в условиях освоения территорий Севера. Описывается методика и ход испытаний образцов в лаборатории ЦНИИСК им. Кучеренко и на испытательной площадке МГСУ при помощи новейшего силового стенда NTS. Показаны схемы крепления и оснастки в двух различных лабораториях. Приведены первоначальные данные по результатам испытаний двух образцов и их обработка. Приводятся общие сведения о работе узловых соединений на ввинченных стержнях, которые в наиболее напряженных зонах располагаются наклонно и способствуют равномерному распределению внутренних усилий, дается общая характеристика НДС новых конструкций и оценка их пригодности для решения поставленных задач. На основании данных, полученных в ходе испытаний, даются рекомендации по дальнейшему использованию данных конструкций, усовершенствованию узлов и соединений.
Ключевые слова: цельнодеревянные конструкции, сооружения инфраструктуры жилищного строительства на Севере, соединительные элементы, ввинчиваемые стержни, статические испытания.
Проведены статические испытания сборного элемента для покрытий зданий состоящих из поперечных ребер и объединяющих их в систему продольными ребрами и элементами ограждения, совмещающими также ограждающие и несущие функции . Поскольку все сборные элементы прямолинейные, то конструкции из них являются призматическими или шатровыми.
В статье рассматриваются устройство и особенности работы под нагрузкой основного сборного элемента, образуемого из двух прямолинейных частей, имеющих угол перелома. Наиболее характерные составные элементы длиной 6м из трех брусьев сечением 15х15см каждый. Сплачивание и наращивание элементов выполняется с применением ввинчиваемых в древесину стержней. Такие стержни, установленные наклонно обеспечивают надежное соединение, обладающее высокой несущей способностью. Стыкование элементов длиной 3м производится соединением концов ввинчиваемых стержней соседних элементов металлическими накладками. Схема таких элементов показана на рис 1. Всего было испытано 3 образца.
Задачи исследований: 1) оценить возможность изготовления элементов с применением простейшего оборудования, 2) оценить надежность работы элементов образованных сплачиванием и наращиванием под углом к продольной оси, 3) оценить работу соединительных элементов с применением ввинчиваемых стержней в узлах для последующего совершенствования конструкции.
Для испытаний изготовлены три образца номинальной длиной 6 м с изломом оси в центральной части длины и узловым соединением примыкающих к излому элементов под углом. Размеры и устройство соединений были предварительно определены из опыта предыдущих работ при помощи расчетов, заведомо обеспечивающих необходимый запас прочности. Специально не обеспечивали защиту от увлажнения и образования продольных трещин усушки.
Сборка образцов из брусьев выполнена в построечных условиях. Соблюдали только правильное направление радиальных и тангенци-
х
X
о
го А с.
X
го m
о
ю 2
М О
to
О)
о
сч
сч
OI
о ш m
X
3
<
m О X X
альных сечений, чтобы они совпадали во всех брусьях.
Общий вид и схема устройства образцов показаны на рис.1. При испытаниях на базе НИУ МГСУ использовали тензометрические датчики с базой 50 мм в количестве 66 шт.
Использована новая испытательная установка NTS, которая обеспечивает автоматическое снятие отсчетов с приборов и обработку показаний. В пределах 1,5 расчетных нагрузок при многократном нагружении были получены надежные показатели и использованы для уточнения методики испытаний.
Рис 1.Общий вид конструкции. Схема расположения ввинчиваемых стержней. Схема приложения нагрузок.
Испытания требуют довольно длительной подготовки и внесения поправок в систему приложения нагрузок, поэтому они были продолжены в АО «НИЦ» «Строительство» на базе ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко с использованием гидравлических домкратов и механических измерительных приборов - мессур-индикаторв с ценой деления 0.01 и 0,1 мм в количестве 26шт. и прогибометров в количестве 5 шт. Разработка методики испытаний выполнялась с участием зав. лаборатории ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко А.А. Погорельцева. Схема образца для испытания принята в виде двухшарнирной арки и сосредоточенных нагрузок на ней согласно рис.1 Распор воспринимался затяжками, сечение которых подобрано с избытком для обеспечения жесткости на растяжение.[4] Опирание арки происходило на горизонтальные площадки размерами 15х20 см, осадки опоры контролировали индикаторами. Распор передавался на арку с эксцентриситетом е=10 см, чтобы исследовать сдвиги между брусьями.
На рисунке 2 показана схема образца с расположением приборов и привязка сечений, в которых анализировали НДС конструкции.
На рис.3 показаны прогибы конструкции при нагружении этапами по 40 кН ( по 10кН в каждой точке приложения). Максимальный прогиб в се-
редине конструкции составил 44,5 мм или 1/131 по отношению к пролету. До нагрузки 240-360 кН приращения прогибов по этапам нагружения для всех приборов можно считать линейными.
Если условно считать за нормативную нагрузку равную 160 кН (по 40 кН в каждой точке), что в 2,5 раза меньше разрушающей, то значение прогиба составит 1/325 пролета, т.е. значительно меньше 1/200 допустимого прогиба.[3]
Рис.2. Схема расположения приборов и сечений.
Рис.3. Установленный, закрепленный и готовый к испытанию образец на базе ЦНИиСК.
Рис.4. Испытания 1-го образца на базе МГСУ, в реконфи-гурируемом стенде NTS.
1 Í7
F 6 < W
' 4,7
- i
i 1 i 2,3 \
■ 1J 1 07 i 1 \ \ ) k и \ *
1 1 ft'* щ У 1 1 \ км t
\ i 1 \ \ / -1 M-s
I 1 2 i i и
О 4т О ai О 111 О Ш О 201 О Мт О 121 201 28г lír 361
Рис.5. Расположение тензодатчиков в месте перегиба.
Деформации прогибов, испытание 1,
Нагрузка, *Н 0 ао 120 160 200 240 280 320 400
а О 6,9 10,2-4 13,77 17,79 21,03 25,65 заоз 48,39
í , 1 О 14,1 íaoi 27,24 30,53 37,06 43,81 47,96
1 * II! О 8.19 12,69 17,05 22,05 24,39 28,94 33,45 39,06
Н О Я4 1S.OÍ 21,1S 24,28 27,76 34,73 41,91 47,11!
á V о 5,72 9,56 12,78 19,29 21,88 26,56 31, Sí 49,76
Деформации прогибов. Испытание 2.
-Л 0 во 120 160 200 240 Ж) 330 400
1 |I t 0 ЪЩ 8,59 12,28 16,19 20,27 24,55 31,85 31,45!
1 l> 6.89 12.06 17,48 22,98 28,1 «t 32,55 39,43 35,31
111 0 6.14] 11.54 14,59 19,! 23,04 27.85 33.06 44.64
flf 0 6.46 12,79 18,13 24,23 29,67 36.35 43,82 38,06
V O 4,64] 9,3 12,71 20,88 24,68 31,18 30Д6;
Рис.6. а - Прогибы конструкции под нагрузкой при первом испытании, б - при втором.
X 400
X 360
ii
* 3»
> ü 280
l> n 240
I
200
160
120
SO
40
0
f 1 A«.!--
зл fl U -^ТХтГГ i №t
к ^Vlíí »
17,7 21,04 л» / Wl
IS
m 13 2
1503
IV -
а 4 i i¡ _ia.2 jí_J ¡JL-JÍÍ«.^ ^«ретщеп^я.ы^. Рис.7.а. График прогибов. Испытание 2-го образца.
но
—; ¡5.1Ш.06 .- 44.64
■ifto. шз) l 43ÍÍ
nxu ■'1 j* 67 i-
ttw I.H
12.28^ .4 .'y?*. ■
VA,
№A № ^ T
Z1
ro
-l'-^-iI -Л -Д
6 40 44 41 Перемещения, им.
Рис. 7.б. График прогибов. Испытание 3-го образца. Обработаем показания «розеток» индикаторов и вычислим нормативные и касательные напряжения.
Показания приборов в сечении 5-5 при нагрузке 360 кН рис.4. составляют 7,3 х10 -4
Рис.8. График относительных деформаций. Сечение 5-5.
С учетом модуля упругости нормальные напряжения равны 7,3 МПа< 13 Мпа
Далее рассмотрим приборы № 3, 26 в сечении 1-1 рис.5. Показания на них 12 х10 -4
При модуле упругости поперек волокон E9o=400 Мпа поперечное напряжение (среза) равны 48х10-2 Мпа < Rсм = 0,8 МПа.
Рис.9. График относительных деформаций. Сечение 1-1.
Вычисляем сдвигающие напряжения, в сечении 3-3 рис.6.. Показания приборов № 4,7 при максимальной нагрузке составили 11х10-4 Воспользуемся известной формулой сопротивления материалов.
Рис.10. График относительных деформаций. Сечение 1-1.
Разрушение имело пластичный характер. Произошел раскол верхнего и среднего брусьев под точкой приложения усилия по направлению
х
X
о
го А с.
X
го m
о
ю 2
М О
его действия. Верхний брус сместился относительно других к опоре и раскололся на 2 части. Наклонные болтыпо верхней кромке в местах опирания вышли из брусьев на 2 см. По нижней наоборот,- были вдавлены в брус.
Относительные деформа ции
Т™' 0 40 0 tú 0 120 0 160 0 200 0 240 0 210 0 J20 0 ПГГ
И i о ? X с 0 с.: 0,3 -Í 0 -V 0 -J.Í 0,7 -8,3 0.7 -3.3 0,7 12 1 -15 ЕЧН
6 21 0 0 О. : Í •1 0 0 ■0.7 0,3 ОД ■0,7 QJ ■0.7 E-W
0 0 0 1 Q.S i 0 3 0 З.Ь 0 3,5 0 3 « 3.5 Í 0-1
4_гэ 0 о 0.S S S 1.5 S 1Í 6,5 г 8.5 5,5 F-W
8 19 0 -1 1 -1 0 -J -1 -6 -2 -А -11 -5 -20 -9 -27 -16 Е-04
5_гг 0 о 1 1 3 i 6 г 7 19 3 И F-M
Рис. 11. Сводная таблица относительных деформаций
Рис.12. Разрушение опорной части.
о>
о
CS
CS Ol
Рис.13. Наклонные винты в верхней части.
О Ш
m х
<
m о х
X
Тмах= У''С.......6У 2+4 Tzy 2 = Дп]5 - 3
2+ 1 2 = 2,2 Мпа > Rck = 0,8 Мпа
Получаем, что недостающее напряжение 1,4 Мпа воспринимается наклонно ввинченным стрежням в этом сечении. Здесь О 1 - 62
Tzy= Т45=- 2 sina = - (5-3)/2 sin 90° =1
Выполненная обработка опытных данных показала достаточную прочность элементов при кратковременных нагрузках. Графики роста прогибов имеют плавный характер и правильно отражают зависимость перемещений от нагрузки.^]
В месте перегиба узла верхняя кромка сжата, а нижняя растянута(приборы 27, 28).
Работа древесины в зонах расположения ввинченных стержней находится в сложном напряженном состоянии, которое заслуживает углубленного изучения. В дальнейшем будет выполнен анализ этих зон при помощи критериев прочности Г.А. Ганиева.
Из изложенного следуют выводы, что конструкции из цельной древесины заслуживают широкого применения особенно в районах освоения. Они могут изготавливаться в условиях минимального использования сложного оборудования.
Узлы соединения и укрупнения до пролетов порядка 40-45 м достаточно просты.
Трещин усушки не оказывают существенного влияния на снижение прочности. В то же время их влияние можно уменьшить, если применять более узкие по ширине брусья и, может быть, использовать опыт В.М. Коченова устаивая продольные прорези в сплачиваемых брусьях. Заслуживают внимания работы В.И. Линькова по совершенствованию шайб для более прочной фиксации стержней.
Литература
1. Пятикрестовский К.П. Пространственные конструкции покрытий из древесины. М-во образования и науки Росс. Федерации, ФГБОУ ВПО «Моск. Гос. Строит. Ун-т».- Москва : МГСУ, 2012. - 106 с.
2. Пятикрестовский К. П. Нелинейные методы механики в проектировании современных деревянных конструкций : монография / К.П. Пятикрестовский ; М-во образования и науки Росс. Федерации, Моск. Гос. Строит. Ун-т. Москва : МГСУ, 2014. 320 с. ISBN 978-5-7264-0971-9
3. Рекомендации по испытанию соединений деревянных конструкций / ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко. - М.: Стройиздат, 1980 - 40 с.
4. СП 64.13330.2017 «Деревянные конструкции»
Рис.14. Наклонные винты в нижней части.
Test samples of prefabricated elements of solid wood Klyukin A.A.
Moscow State University of Civil Engineering, A description of the design and preliminary results of tests of the prefabricated element of solid wood beams intended for use as the edges of structures of building production for accelerated construction of coatings of infrastructure buildings associated with the construction of residential buildings for a comfortable stay in the development of the territories of the North. The technique and the course of tests of samples in the laboratory of tsniisk im is described. Kucherenko and on the test site of MGSU using the latest power stand NTS. Schemes of fastening and equipment in two different laboratories are shown. The initial data on the results of tests of two samples and their processing are given. General information on the work of nodal joints on screwed rods, which are located obliquely in the most stressed zones and contribute to the uniform distribution of internal forces, the General characteristics of the VAT of new designs and the assessment of their suitability for solving the tasks are given. Based on the data obtained during the tests, recommendations for further use of these structures, improvement of components and connections are given.
Keywords: solid wood construction, the construction of the infrastructure of housing construction in the North, couplings, screw rods, static testing. References
1. Pyatikrestovsky K.P. Spatial designs of wood coatings. M-education and science Ross. Federation, FGBOU VPO "Mosk. State Builds University ".- Moscow: MGSU, 2012. -106 p.
2. Pyatikrestovsky K. P. Nonlinear methods of mechanics in the
design of modern wooden structures: monograph / K.P. Pyatikrestovsky; M-education and science Ross. Federation, Mosk. State Builds Un-t. Moscow: MGSU, 2014. 320 p. ISBN 978-5-7264-0971-9
3. Recommendations for testing the connection of wooden structures / TSNIIS them. V.A. Kucherenko. - M .: stroiizdat, 1980 - 40 p.
4. JV 64.13330.2017 "Wooden structures"
X X О го А С.
X
го m
о
ю 2
M О
to
