CC BY
23АРХИТЕКТУРА
ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ КЛЕЕФАНЕРНЫХ БАЛОК С ПЕРФОРИРОВАННОЙ СТЕНКОЙ Ростовщикова Е.А.
Ростовщикова Екатерина Анатольевна - студент
магистратуры, кафедра металлических и деревянных конструкций, факультет безотрывных форм обучения, Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет, г. Санкт-Петербург
Аннотация: рассматриваются преимущества и целесообразность использования клеефанерных балок с перфорированной стенкой. Обобщены гипотезы работы под нагрузкой балочных конструкций с перфорированными стенками. Анализируются экспериментальное исследование клеефанерной балки с перфорированной стенкой из фотоупругого материала в полярископе, исследования напряженно-деформированных состояний, вычисленные на электронно-вычислительной машине с применением метода конечных элементов, а также теоретические расчеты. Приводятся сравнения полученных опытным и теоретическим путем данных. Сделаны выводы об эффективности использования перфорированной стенки в клеефанерных балках.
Ключевые слова: клеефанерные балки, перфорированная стенка, напряжения, деформации, строительные конструкции, фанера.
Одним из путей снижения массы деревянных балок является использование клеефанерных балок. Такие балки применяются как при статических, так и при динамических нагрузках. Клеефанерные балки могут быть использованы в качестве основных в потолочных конструкциях, а также в качестве вспомогательных балок для стропил и прогонов стропильных ферм. Они состоят из дощатых поясов и фанерной стенки. В работающих на изгиб балках
134
двутаврового и коробчатого сечения восприятие изгибающего момента в основном приходится на пояса; стенка является связующим элементом и работает преимущественно на сдвиг. При изготовлении этих балок образуются стыки фанерных элементов по длине стенки балки; их, как правило, совмещают с вертикальными рёбрами жёсткости.
При применении клеефанерных элементов с перфорированной стенкой в качестве несущих конструкций существенно снижается расход материалов, а также упрощается технология изготовления клеефанерных балок. Это позволяет использовать листы фанеры стандартных размеров, снизить стоимость балок и сделать их более технологичными. Через проемы в стенке могут проходить технологические коммуникации.
С целью исследования работы клеефанерной балки с перфорированной стенкой были рассмотрены расчетные схемы следующих видов балочных конструкций «сквозных сечений» из различных материалов: металлические балки двутаврового сечения с перфорированной стенкой; железобетонные решетчатые балки; железобетонные безраскосные фермы; деревянные балки составного сечения с соединением на шпонках и пластинчатых нагелях.
В стальных балках с перфорированными стенками в углах около отверстий появляется концентрация напряжений, простенки балок воспринимают сдвигающие усилия, возникают касательные и нормальные напряжения. Поперечные силы в поясных таврах балок вызывают дополнительный изгиб.
В железобетонных балках с перфорированными стенками элементы поясов и стоек рассматривают как внецентренно сжатые (растянутые) с учетом пластических свойств железобетона, в связи с чем изгибающие моменты в нижнем поясе снижают на 30%. Концентрацию напряжений в местах перфорации (ослаблений) компенсируют конструктивным армированием.
В безраскосных железобетонных фермах поперечные, продольные силы и изгибающие моменты в сечениях поясов
и стоек определяют из условия равновесия половин фермы, разрезанных через шарниры в стойках.
В балках составного сечения соединительные элементы (нагели, колодки, шпонки) рассчитываются как предназначенные лишь для восприятия усилий на сдвиг; без учета максимального напряжения в местах стыковочных элементов.
Можно сформулировать основания работы балочных конструкций с перфорированными стенками под нагрузкой:
• расчетная схема балки без учета нелинейности распределения напряжений по сечению;
• расчетная схема балки без учета нелинейности распределения напряжений по сечению, учитывающая концентрации напряжений из-за отверстий в стенке;
• безраскосная стержневая система (рама) [1].
Экспериментальные исследования балок с
перфорированными стенками были проведены в [2].
Чтобы определить, как именно работают балки с перфорированной фанерной стенкой, в какой степени и каким образом отверстия стенки влияют на ее напряженно -деформированное состояние были изготовлены 4 образца балок единого размера, прямоугольного сечения (4 х 280 мм) из фотоупругого материала: одна - без перфорации и три - с перфорацией стенок, в которых варьируется шаг. Балки были испытаны в полярископе с приложением сосредоточенных нагрузок в середине пролета и на расстояниях 1/3 и 1/4 пролета от опор [2].
Эксперимент показал, что разница деформаций балки со стенкой с минимальным расстоянием в 1 мм и цельной стенкой составляет всего 4%. Но разница максимальных прогибов балки с перфорированной стенкой возрастает сразу минимум до 39% по сравнению со сплошностеночной балкой, а в образце с наибольшими отсеками без фанерной стенки процент разницы составляет больше 50%.
Напряженно-деформированное состояние клеефанерной балки с перфорированной стенкой методом КЭ исследовали в [3].
По расчетам видно, что наибольшее напряжения в поясах возникают в пустых отсеках, расположенных вблизи середины балки. Верхний пояс работает на сжатие, нижний — на растяжение с изгибом. Касательные напряжения в ячейках с фанерной стенкой были такие же, как и в сплошностеночной балке, но месторасположение наибольших напряжений было не в центральной части продольного сечения, а смещалось в сторону опор. В поперечных сечениях на уровне пояса также производились вычисления касательных и нормальных напряжений, действие которых приходилось поперек волокон поясных элементов. Максимальные значения достигались вблизи вертикальных кромок отсека фанерной стенки. В целях предотвращения опасности разрушения древесины поясов, учитывая пониженное сопротивление растяжению и скалыванию поперек волокон, рекомендуется усилия сжатия передавать плотным примыканием ребер жесткости путем смятия боковых граней поясов. Восприятие растягивающих усилий достигается анкеровкой ребер жесткости в поясах.
Анализируя результаты теоретического исследования, можно сделать вывод, что при исследовании напряжённо -деформированного состояния клеефанерную балку с перфорированной стенкой можно рассматривать, как балку Виренделя, где отсеки с фанерными стенками можно представить, как стойки. Такая балка многократно статически неопределима, степень ее неопределимости равна числу ячеек без фанерной стенки, умноженной на три.
Прогиб балки с перфорированной фанерной стенкой можно высчитать, использую формулу Мора:
мрм 0 д„д0 N 0
{ = \—--ёх + и\—— dx + \—--ёх, (1)
\ Е1 ! 0¥ J Е¥
При вычислении первого интеграла интегрирование распространяется на отсеки с фанерной стенкой и для участка без фанерной стенки. Второй интеграл вычисляется только для отсеков с фанерной стенкой, при условии, что в балках с двутавровым и коробчатым сечением поперечная сила принимается фанерной стенкой полностью. В тех
отсеках балки, где фанерной стенки нет, пояса балок будут работать на осевые усилия, этот фактор будет усиливать изгиб балки. Вычисление третьего интеграла для ячеек без фанеры производится путем вычисления продольных усилий в поясах и усилий от единичной нагрузки элементарным образом, также, как и для обычных ферм.
Тогда мы увидим, что увеличение максимального прогиба с перфорированной фанерной стенкой по сравнению со сплошностеночной составляет 31%. Значение прогиба, полученное в [3] методом конечных элементов выше, чем для сплошностеночной балки в 1,33 раза. Чуть больше разницу мы видим в экспериментальном исследовании в [2], и она составляет 39%. Опытные испытания балок подтвердили верность теоретических исследований. Выводы:
1. В клеефанерных балках с перфорированной стенкой, как и в сплошностеночных балках, большую величину (до 50%) прогиба составляют деформации от сил сдвига.
2. Деформации балок можно определять по формуле Мора с обязательным учетом работы стенки на сдвиг в отсеках с фанерной стенкой и продольных сил в поясах на участках балки её не имеющей.
3. Деформативность балок с перфорированной стенкой зависит от количества проемов в стенке и их размещений.
4. Эффективность использования клеефанерной балки с перфорированной стенкой меньше аналогичных сплошностеночных в среднем на 31-39%.
Список литературы
1. Воронцова Н.А., Филатов Н.В., Шестопалов Е.Г. Использование клеефанерных элементов с перфорированными стенками в конструкциях малоэтажных деревянных зданий // Вологдинские чтения, 2012. № 80. С. 74-76.
2. Воронцова Н.А., Филатов Н.В., Шестопалов Е.Г. Экспериментальные исследования напряженно -деформированного состояния балок с перфорированными стенками // Вологдинские чтения, 2012. № 80. С. 13-15.
3. Орлович Р.Б., Найчук А.Я. Исследование напряженно-деформированного состояния клеефанерных балок с перфорированной стенкой // Конструкции из клееной древесины и пластмасс: Межвуз. сб. тр. / ЛИСИ. Л., 1980. С. 19-24.
4. Кириленко В.Ф., Колыхан М.В., Якушкова Е.Ю., Янчук А.Н. Напряжённо-деформированное состояние клеефанерных балок с прерывистой фанерной стенкой // Строительство и техногенная безопасность: Сборник научных трудов, 2007. № 21. С. 16-20.
