CC BY
34
К вопросу о прочности клеевых соединений для деревянных клееных
конструкций
В.И. Линьков
Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет (НИУ МГСУ)
Аннотация: Рассматриваются результаты испытаний серии из 18-ти образцов клеевых соединений на скалывание вдоль волокон древесины. Образцы изготовлены из клееного деревянного бруса, предназначенного для эксплуатации в качестве несущей конструкции междуэтажного перекрытия. Для оценки прочности клеевого соединения в соответствии с ГОСТ 33120-2014 «Конструкции деревянные клееные. Методы определения прочности клеевых соединений» проведена статистическая обработка результатов испытаний, определены временные сопротивления скалыванию, коэффициенты вариации, размах вариационного ряда и минимальное вероятностное значение предела прочности. Показатели приведены к стандартной влажности древесины W=12%. Определено, что прочность клеевого соединения меньше величины, установленной действующими нормами, на 18,5%.
Ключевые слова: клееная древесина, дощатоклееный брус, прочность клеевого соединения, временное сопротивление скалыванию, предел прочности, минимальное вероятностное значение предела прочности, коэффициент вариации, скалывание при изгибе, стандартная влажность древесины.
Основным показателем эксплуатационной надежности клееных деревянных конструкций [1-3], кроме соблюдения технологии изготовления [4, 5] и обеспечения качества и прочности исходной древесины [6, 7], является прочность клеевых соединений [8, 9], в т.ч. в процессе эксплуатации конструкций [10, 11]. На кафедре Металлических и деревянных конструкций НИУ МГСУ провели испытания на скалывание вдоль волокон образцов клеевых соединений, вырезанных из дощатоклееного бруса сечением 120х300 мм длиной 6 м, предоставленного потребителем и предназначенного к эксплуатации в качестве балок междуэтажного перекрытия. Испытания проводили по ГОСТ 33120-2014 «Конструкции деревянные клееные. Методы определения прочности клеевых соединений». После проведения отбраковки было испытано 18 образцов. Согласно указаниям ГОСТ 331202014 «Конструкции деревянные клееные. Методы определения прочности клеевых соединений» за результаты испытания принимают статистические
данные - среднее арифметическое значение предела прочности, вариационный коэффициент и минимальное вероятностное значение предела прочности. Влажность образцов на момент испытаний составила от W= 9% до 10,8%. Результаты испытаний представлены в таблице 1.
Таблица 1.
Результаты испытаний на скалывание клеевых соединений КДК
№ обр Ь мм Ьск мм Бскал 2 мм Рразр, кН МПа W, % Поправ. к-т а МПа
1 17,2 29,4 505,68 3,080 6,091 9,8 5,6
2 17,2 29,3 503,96 2,428 4,818 10,6 4,5
3 17,4 29,3 509,82 2,840 5,571 10,4 5,2
4 17,3 29,6 512,08 3,172 6,194 9,8 5,6
5 17,4 29,2 508,08 3,260 6,416 9 5,6
6 17,4 29,6 515,04 3,326 6,458 9,6 5,8
7 17,3 28,6 494,78 3,051 6,166 9,4 5,5
8 19,7 28,7 565,39 3,004 5,313 9 4,7
9 19,9 28,5 567,15 2,854 5,032 10,2 0,04 4,7
10 19,6 28,8 564,48 3,242 5,743 10 5,3
11 19,8 28,6 566,28 2,860 5,051 9,6 4,6
12 19,6 29,4 576,24 3,415 5,926 10 5,5
13 19,8 29,4 582,12 2,902 4,985 9,8 4,5
14 20,7 28,0 579,60 3,028 5,224 10,2 4,8
15 20,8 28,0 582,40 2,880 4,945 10,1 4,6
16 20,8 28,0 582,40 3,128 5,371 10 4,9
17 20,9 27,8 581,02 3,056 5,260 9,8 4,8
18 20,8 27,7 576,16 3,186 5,530 9 4,9
Средн. 19,1 28,8 548,48 3,040 5,561 9,8 5,066
Средн. кв.откл 1,521 0,656 34,702 0,229 0,535 0,466 0,451
К-т вариации 0,080 0,023 0,063 0,075 0,096 0,048 0,089
Из рассмотрения таблицы 1 видим, что при фактической влажности образцов временное сопротивление (среднее значение выборки) клеевого соединения скалыванию составила т№=5,561 МПа при размахе вариационного
ряда от 4,818 МПа до 6,458 МПа. Коэффициент вариации составил У=9,6%. Прочностные характеристики клеевого соединения были пересчитаны к стандартной влажности \У=12% по формуле = гш К (1 -Ь а X — 12)),
где т13 - предел прочности при влажности древесины \У=12%; т^. - предел
прочности при фактической влажности древесины на момент испытаний; W -влажность древесины образца на момент испытаний; а =0,04 - поправочный
коэффициент на влажность древесины. В результате пересчета прочностных характеристик клеевого соединения к стандартной влажности уменьшился разброс экспериментальных данных и коэффициент вариации составил У=8,9%. Так же на 10% уменьшились значения предела прочности клеевого соединения и при размахе вариационного ряда от 4,5 МПа до 5,8 МПа временное сопротивление скалыванию составило т12=5,066 МПа. Минимальное вероятностное значение предела прочности на скалывание при влажности древесины W=12% составит
. Такая
относительно высокая величина параметра т.,,^ объясняется незначительным
разбросом полученных данных и меньшим, по сравнению с указанным в табл. 6 СП 64.13330.2017 «Деревянные конструкции. Актуализированная редакция СНиП 11-25-80» значением коэффициента вариации, поскольку образцы вырезаны из одного клееного деревянного элемента. Если принять характерный для скалывания коэффициент вариации У=0.20 , то минимальное вероятностное значение предела прочности составит = 5,066-3 X 5,066К 0,2 = 2,03 МПа
Рассмотрим, какие требования следует предъявлять к прочности клеевых соединений. В руководящих документах (Руководство по изготовлению
и контролю качества деревянных клееных конструкций / ЦНИИСК им. В. А. Кучеренко - М.:Стройиздат, 1982) установлены показатели прочности образцов на скалывание, которые должны быть не менее: среднее значение (временное сопротивление) Явр.ск = 6,5 МПа, минимальное значение Т min = 4,5 МПа . Так же можно исходить из того, что прочность клеевого соединения должна быть не ниже прочности древесины на скалывание вдоль волокон. Из таблицы 3 СП 64.13330.2017 следует, что для режима нагружения «А», что соответствует стандартным машинным испытаниям, расчетное сопротивление скалыванию вдоль волокон местное в клеевых соединениях для максимального напряжения ЯЛск= 3,2 МПа. Тогда временное сопротивление скалыванию при стандартном коэффициенте вариации v=0,2
Ru? = /(1 - Щ X Tf) = Д1 - 2,33 X 0,2) = 5,992 ~ 6 МПа.
Минимальное вероятностное значение предела прочности на скалывание при коэффициенте вариации v=0,2 = 6,0— 3 X 6^0 X 0,2 = 2,4 МПа .
Как видим, для всех рассмотренных случаев прочность клеевого соединения, полученная по результатам испытаний, по временному сопротивлению и по минимальному вероятностному значению оказывается меньше установленной действующими нормами на 18,5%. Определим, возможно ли разрушение от действия касательных напряжений [12] исследуемого доща-токлееного бруса, в случае его применения в качестве несущей балки междуэтажного перекрытия. При сечении bxh=120х300 мм и расчетном пролете L=5,9 м максимальный изгибающий момент составит
=£■;;■:<:■.;.. = П :< 120 X 300-/-:б -<10:)= 37,8 кН*м, погонная на-
грузка на балку q^ax = 2 X
£3
поперечная сила на
опоре Q = ^^ = 8., 7 Х-^- = 25/7 кН. При этом касательные напряжения
в
опорной 255X120X2
зоне
балки
составят
т =
= 1,0? МПа < ттЫ = 2,03 МПа.
Прочностные характеристики клеевого шва больше расчетных касательных напряжений в опорной зоне балки в 2 раза. Однако в ряде случаев для обеспечения надежности дощатоклееных элементов требуется усиление армированием [13], а для находящихся в эксплуатации конструкций - композиционными материалами [14] или установкой наклонных стержней [15].
1. По результатам испытаний образцов клеевых соединений установлено, что для исследуемого прямоугольного строганного дощатоклееного бруса временное сопротивление клеевых швов скалыванию вдоль волокон древесины, приведенное к стандартной влажности древесины W=12% , составило т12=5,066 МПа. Минимальное вероятностное значение предела прочности на скалывание при коэффициенте вариации фактическом У=0,096 составило тт*» = 3,71 МПа, при стандартном У=0,20 - ттйй 2 = 2,03 ЫПа..
2. Прочностные характеристики на скалывание исследуемых клеевых соединений меньше требуемых значений временного сопротивления и минимального вероятностного предела прочности, установленных действующими нормами, на 18,5%.
3. Применение исследуемого клееного бруса размерами 120х300х6000 мм с пониженными прочностными характеристиками клеевых швов в качестве балок междуэтажного перекрытия не приведет к разрушению деревянных элементов от скалывания при изгибе, поскольку на уровне расчетной несущей способности дощато-клееной балки из условия действия нормальных напряжений коэффициент использования по критерию касательных напряжений составляет Кисп=1,07/2,03 = 0,53 < 1.
Выводы.
Литература
1. Карельский А.В., Лабудин Б.В., Мелехов В.И.Требования к надежности и безопасной эксплуатации большепролетных клееных деревянных конструкций // Известия высших учебных заведений. Лесной журнал. 2012. № 3 (327). С. 143-147 .
2. Лабудин Б.В. Серов Е.Н. Клееные деревянные конструкции: состояние и проблемы развития // Известия высших учебных заведений. Лесной журнал. 2013. № 2. С. 137-141.
3. Федяев А.А., Федяева Н.Ю., Шумякова Н., Кушнерев В.О. Повышение эффективности клееных деревянных конструкций // Известия Санкт-Петербургской лесотехнической академии. 2016. № 217. С. 219-228.
4. Федяев А. А., Федяева Н.Ю., Краснов А. А. Оценка влияния технологических факторов на прочность клееного бруса. Актуальные направления научных исследований XXI века: теория и практика 2017. Т. 5. № 5 (31). С. 459-464.
5. Моисеев И.А., Ерошкина Н.А., Коровкин М.О. Влияние технологических факторов на прочность при скалывании клееной древесины. - Приднепровский научный вестник. 2018. Т. 7. № 3. С. 039-042.
6. Серов Е.Н. Особенности разрушения стандартных образцов и их связь с работой конструкций // Известия высших учебных заведений. Лесной журнал. 1994. № 1. С. 75-79.
7. Jorissen, A. Fragiacomo, M. (2011). General notes on ductility in timber structures. Engineering Structures, Volume 33, Issue 11, November 2011, P. 2987- 2997. doi. о^ /doi:10.1016/j.engstruct.2011.07.024.
8. Разиньков Е.М. Прочность склеивания пиломатериалов в технологии клееного бруса для жилых домов.- Лесотехнический журнал. 2016. Т. 6. № 3 (23). С. 127-134.
9. Федяев А.А., Чубинский А.Н. Исследование прочности склеивания хвойных пиломатериалов. - Известия Санкт-Петербургской лесотехнической академии. 2018. № 225. С. 202-212.
10. Мазаник Н.В., Божелко И.К. Эксплуатационные характеристики клеев для составных деревянных конструкций. - Труды БГТУ. №2. Лесная и деревообрабатывающая промышленность. 2016. № 2 (184). С. 136-139.
11. Fragiacomo M. Dujic B. Sustersic I. Elastic and ductile design of multi-storey crosslam massive wooden buildings under seismic actions. Engineering Structures, Volume 33, Issue 11, November 2011, Pages 3043-3053. doi. org/10.1016 /j.engstruct. 2011.05.020.
12. Сморчков А.А., Орлов Д.А., Кереб С.А., Барановская К.О., Сморчков Д.А. К оценке прочности и выбору критерия разрушения элементов из клееной древесины на скалывание при изгибе // Известия Юго-Западного государственного университета. 2011. № 5-2 (38). С. 253a-257.
13. Кавелин А.С., Тютина А. Д., Нуриев В.Э., Колтакова В.А. Армирование деревянных конструкций // Инженерный вестник Дона. 2019. №8. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n8y2019/6156.
14. Рощина С.И., Лисятников М.С., Грибанов А.С., Глебова Т.О. Расчет и усиление предельно напряженных приопорных зон высоких дерево-клееных балочных конструкций. Лесотехнический журнал. 2015. Т. 5. № 1 (17). С. 187-197.
15. Линьков В.И. Напряженное состояние наклонных металлических стержней в деревянных элементах составного сечения // Инженерный вестник Дона. 2019. №1. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2019/5592
References
1. Karel'skij A.V., Labudin B.V., Melekhov V.I. Izvestiya vysshih uchebnyh zavedenij. Lesnoj zhurnal. 2012. № 3 (327). pp. 143-147.
2. Labudin B.V. Serov E.N. Izvestiya vysshih uchebnyh zavedenij. Lesnoj zhurnal. 2013. № 2. pp. 137-141.
3. Fedyaev A.A., Fedyaeva N.YU., SHumyakova N., Kushnerev V.O. Izvestiya Sankt-Peterburgskoj lesotekhnicheskoj akademii. 2016. № 217. pp. 219-228.
4. Fedyaev A.A., Fedyaeva N.YU., Krasnov A.A. Aktual'nye napravleniya nauchnyh issledovanij XXI veka: teoriya i praktika 2017. T. 5. № 5 (31). pp. 459464.
5. Moiseev I.A., Eroshkina N.A., Korovkin M.O. Pridneprovskij nauchnyj vestnik. 2018. T. 7. № 3. pp. 039-042.
6. Serov E.N. Izvestiya vysshih uchebnyh zavedenij. Lesnoj zhurnal. 1994. № 1. pp. 75-79.
7. Jorissen, A. Fragiacomo, M. (2011). General notes on ductility in timber structures. Engineering Structures, Volume 33, Issue 11, November 2011, pp. 2987- 2997. doi.org/doi:10.1016/j.engstruct.2011.07.024.
8. Razin'kov E.M. Lesotekhnicheskij zhurnal. 2016. T. 6. № 3 (23). pp. 127134
9. Fedyaev A.A., CHubinskij A.N. .Izvestiya Sankt-Peterburgskoj lesotekhnicheskoj akademii. 2018. № 225. pp. 202-212.
10. Mazanik N.V., Bozhelko I.K. Trudy BGTU. №2. Lesnaya i derevoobrabatyvayushchaya promyshlennost'. 2016. № 2 (184). pp. 136-139.
11. Fragiacomo M. Dujic B. Sustersic I. Elastic and ductile design of multi-storey crosslam massive wooden buildings under seismic actions. Engineering Structures, Volume 33, Issue 11, November 2011, pp. 3043-3053. doi.org/10.1016 /j.engstruct. 2011.05.020
12. Smorchkov A.A., Orlov D.A., Kereb S.A., Baranovskaya K.O., Smor-chkov D.A. Izvestiya YUgo-Zapadnogo gosudarstvennogo universiteta. 2011. № 5-2 (38). pp. 253a-257.
13. Kavelin Л.Б., Туийпа Л.Б., Nuriev У.Б., Koltakova У.Л. Inzhener-пу| vestnik Бопа. 2019. №8. иКС: ivdon.ru/ru/magazine/archive /п8у2019/6156.
14. Roshchina Б.1., Lisyatnikov Ы.Б., Gribanov Л.Б., Glebova Т.О. Leso-tekhnicheskij тЬт^. 2015. Т. 5. № 1 (17). Рр. 187-197.
15. Lin,kov У.1. Inzhenernyj vestnik Dona. 2019. №1. иКС: don.ru/ru/magazine/archive/n1y2019/5592
