CC BY
229
Чебыкин
Александр
Анатольевич
кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой «Строительные конструкции» Уральского федерального университета им. Б.Н. Ельцина
e-mail: [email protected]
Фрицлер Юрий
Александрович
кандидат технических наук, доцент кафедры «Строительные конструкции» Уральского федерального университета им. Б. Н. Ельцина
e-mail: [email protected]
Кудрявцев Сергей
Владимирович
кандидат технических наук, доцент кафедры «Строительные конструкции» Уральского федерального университета им. Б. Н. Ельцина
e-mail:
УДК 624.011.14
ЧЕБЫКИН А. А. ФРИЦЛЕР Ю. А. КУДРЯВЦЕВ С. В.
К расчету зубчато-шипового клеевого соединения карнизных узлов рам
На основе обобщения российских и европейских строительных норм и правил предлагается решение задачи об оценке несущей способности зубчато-шипового клеевого соединения деревянных рам зданий и сооружений различного назначения. Приведены инженерные формулы для расчета подобного соединения, а также дается пример практического расчета карнизного узла.
Ключевые слова: клееные деревянные конструкции, зубчатый шип, клеевое соединение, карнизный узел, рама, прочность узлов.
CHEBYKINA. A, FRITZLER U. A., KUDRYAVTSEV S. V. DESIGN APPROACH OF FINGER JOINT IN FRAME CORNICE
On expanding of Russian and European construction regulations is given concept to evaluate bearing capacity of finger joint in laminated wood frame of various purposes buildings. Presented engineering formulas for the calculation of such connection and also gives an example of practical calculation for cornice joint.
Keywords: laminated wood construction, fingerjoint, gluedjoint, cornice joint, frame, joint strength.
Клеедощатые деревянные рамы из прямолинейных элементов являются наиболее распространенными по следующим причинам. Во-первых, они высокотехнологичны, а во-вторых, они отвечают требованиям поточно-конвейерного производства.
Однако следует отметить, что современные российские нормативные документы по деревянным конструкциям — СНиП 11-25-80 [1] и СП 64.13330.2011 [2] не дают четкого ответа, как правильно рассчитывать зубчато-клеевое соединение карнизного узла, в котором действует максимальный изгибающий момент М и продольная сила N — см. Иллюстрации 1 и 2.
Кроме того, в любых клееных рамах высокая степень анизотропии механических свойств древесины делает сложным конструирование и расчет карнизных узлов.
СНиП 11-25-80 [1] не дает рекомендаций по оценке прочности зубчатого соединения ни вдоль волокон древесины, ни под углом. А между тем ослабленное зубчато-шиповое соединение только одного краевого слоя на всю ширину элемента часто становится первона-
чальным очагом разрушения, а в рамах такого типа стык на зубчатый шип нарезан через все поперечное сечение [3]. На Иллюстрации 3 показаны расчетные схемы карнизных узлов рам.
Анализ расчета универсальных зубчато-шиповых соединений по европейским нормам [5, 6] показал, что существует способ оценки несущей способности соединений карнизных узлов рам из прямолинейных элементов.
После некоторой гармонизации расчетную формулу для карнизных узлов можно представить в следующем виде, принимая во внимание требования СНиП 11-25-80 [1] и СП 64.13330.2011 [2]:
Ra
Кем.
' Кем R
< 1,
(1)
где Rcм — расчетное сопротивление древесины смятию вдоль волокон;
— расчетное сопротивление древесины на смятие под углом а;
В — расчетное сопротивление древесины изгибу;
а
а
ем
u
86
© Чебыкин А. А., Фрицлер Ю. А., Кудрявцев С. В., 2015 АКАДЕМИЧЕСКИЙ ВЕСТНИК УРАЛНИИПРОЕКТ РААСН 2 | 2015
Иллюстрация 1. Карнизный узел рамы с зубчатым клеевым соединением ригеля и стойки [4]
ф — наименьшее значение коэффициента продольного изгиба рам из прямолинейных элементов;
— напряжения смятия вдоль волокон в точках 1 и 2 в сечениях 1 и 2, проведенных поперек волокон в непосредственной близости от зубчато-шипового соединения (см. Иллюстрацию 3);
сти — напряжения изгиба, полученные из статического расчета в точках 1 и 2, в сечениях 1 и 2 (см. Иллюстрацию 3).
Расчетное сопротивление древесины при смятии под углом а на основе европейских норм [5, 6] определяется из выражения
^ = _
I Rem • sin а2 2 + Rm sin а • cos а 2 4 + cos а
2 Rcm90 2 • Rk
(2)
где
R
'<»90 — расчетное сопротивление древесины
смятию поперек волокон;
Яск — расчетное сопротивление древесины скалыванию вдоль волокон.
Однако следует отметить, что формула для определения прочности клееной древесины при смятии по европейским нормам (2) существенно отличается от формулы, предлагаемой российским СНиП 11-25-80 [1] и СП 64.13330.2011 [2]:
Для демонстрации разницы в подходах к определению прочности клееной древесины при сложном напряженном состоянии в российских и зарубежных нормах в данной работе рассчитан карнизный узел, схема которого представлена на Иллюстрации 3.
Расчетные сопротивления клееной древесины в расчете приняты по Таблице 3 [2] — RCM = 16 МПа, Ясм90 = 3 МПа, RK = 2,1 МПа. В точках 1 и 2 в сечениях рамы здания действуют следующие усилия: M1 = 191 кНм, M2 = 195 кНм, N1 = 112 кН (сжатие), N2 = 108 кН (сжатие). Коэффициент продольного изгиба принят ф = 0,916 . Поперечное сечение ригеля и стойки в карнизном узле размером 180 х 1200 мм.
При заданных условиях площадь поперечного сечения элементов рамы на участке сопряжения An и момент сопротивления сечения Wn составляют
An = 0,8 • 180мм • 1200мм = 173 • 103мм2;
Wn = 0,8 • 180мм • (1200мм)2 /6 = 34,6 • 106мм3.
При этом напряжения смятия ст^ и изгиба сти в сечениях узла будут достигать
^ = 108 • 103 Н = 0 624 ;
°см 173 • 103 мм2 ' мм2;
RCM,a
Am
1 +
RCM
R
-1
■cm90
(3)
195 • 106 Нм 34,6 • 106 мм3
5,64-Н2.
мм
ст
см
Иллюстрация 2. Карнизный узел рамы с пятиугольной клееной вставкой на зубчатом соединении [4]
Иллюстрация 3. Расчетные схемы карнизных узлов рам при непосредственной стыковке ригеля и стойки (а) и при стыковке через дополнительную пятиугольную вставку (б). Авторы: Чебыкин А. А., Фрицлер Ю. А., Кудрявцев С. В.
Угол направления действия сминаемых напряжений по отношению к продольным волокнам древесины составляет а = 0,25 • 760 = 190.
Расчетное сопротивление клееной древесины на смятие по формуле (2):
Ксм
16МПа
10,7 МПа.
16.МПа • sinl92 2 • 3 МПа
(16МПа • sin19 • ^19 ] ( 2 • 2,1МПа ]
cos194
Расчетное сопротивление клееной древесины на смятие по формуле (3):
Как видно, расчетные сопротивления клееной древесины на смятие, вычисленные по европейским и российским нормам, существенно различаются — разница достигает 30%, причем российские нормы завышают расчетную прочность древесины при сложном напряженном состоянии, что может привести к разрушению клеевого соединения и послужить причиной аварии в здании.
Рекомендуется прочность карнизного узла рам проверять, принимая RCM a по формуле (2), тогда
16МПа ( 0,624МПа 5,64МПа) _ Q 1 10,1 МПа 0,916 • 16 МПа + 16МПа J_ , < '
В рассматриваемом случае прочность карнизного узла при заданных параметрах обеспечивается.
Заключение
1 На основе численного расчета показано, что действующие российские нормы по деревянным конструкциям СНиП II-25-80 [1] и СП 64.13330.2011 [2] значительно завышают расчетные характеристики клееной древесины при сложном напряженном состоянии, что может привести к переоценке прочности отдельных узлов рам и их разрушению при эксплуатационных нагрузках, что неминуемо станет причиной серьезной аварии.
2 Для повышения общей надежности и долговечности зданий из клееной древесины рекомендуется при оценке несущей способности зубчато-шиповых клеевых соединений таких конструкций определять расчетную прочность древесины при смятии под углом к продольным волокнам по формуле (2).
Список использованной литературы
1 СНиП II-25-80. Деревянные конструкции. Нормы проектирования. М., 1982.
2 СП 64.13330.2011. Деревянные конструкции. Актуализированная редакция СНиП 11-25-80/Минрегион России. М., 2011.
3 Серов Е. Н., Санников Ю. Д., Серов А. Е. Проектирование деревянных конструкций. М., 2011.
4 Шмидт А. Б., Дмитриев П. А. Атлас строительных конструкций из клееной древесины и водостойкой фанеры. М., 2002.
5 Schneider K.-J. Bautabellen für Ingenieure mit Berechnungshinweisen und Beispielen. Werner Verlag, 2014.
6 Steck G. 100 Holzbau-Beispiele. Werner Verlag, 2007.
R
16МПа
\3,9МПа.
