CC BY
171
1/2011
ВЕСТНИК _МГСУ
НЕСУЩАЯ СПОСОБНОСТЬ ДЕРЕВЯННЫХ БАЛОК СОСТАВНОГО СЕЧЕНИЯ НА СОЕДИНЕНИИ «КМ-ВКЛАДЫШ»
BEARING CAPACITY OF WOODEN BEAMS WITH COMPOSITE SECTION FOR THE CONNECTION «CM-LINER»
Н.В.Линьков
N.V.Linkov
ГОУ ВПО МГСУ
Представлен анализ результатов испытаний деревянных балок составного сечения, в которых совместная работа деревянных элементов обеспечивается связями в виде композиционного материала на основе эпоксидной матрицы и стеклоткани.
The analysis of the results of tests of wooden beams of the compound cross section, in which the joint work of the wooden elements is secured bonds in the form of a composite material based on epoxy matrix and glass.
Соединение деревянных элементов композиционным материалом (КМ) на основе эпоксидной матрицы, армированной стеклотканью, применяется для создания новых деревянных конструкций составного сечения. Соединение выполняется нанесением композиционного материала в шов сплачивания и называется «КМ-вкладыш».
Для оценки работоспособности соединения «КМ-вкладыш» в составе конструкций натурных размеров были проведены испытания серии деревянных балок составного сечения. Конструкция балки составного сечения, схема нагружения и расстановки приборов при испытаниях представлены на рис. 1.
Рис. 1. Куипрчкяня ш^нашшл бшпц шзтавнам сМгшн к и и гт-длиснир .111 л и ш и [ЗЕгИн ¡шссШаИП
приАирии ц [>л цсиитапичч к^нтцоир'-иениоп иш^унюь
Балка состоит из двух брусьев сечением 100x100 мм, совместная работа которых обеспечивается соединениями «КМ-вкладыш», расположенными симметрично в опорных зонах конструкций на участках 1/3 Ь. Материал балки - древесина сосны 2-
ВЕСТНИК 1/2011
го сорта. Рассматриваем балку, как элемент цельного сечення. Момент сопротивления сечения 0,667х106 мм3, расчетное сопротивление древесины изгибу Яи=13 МПа (табл. 3 /1/ ). Для схемы приложения нагрузки по рис. 1 получим расчетную несущую способность балки по предельному состоянию 1-й группы из условия действия нормальных напряжений Р=17,9 кН .
Всего было изготовлено 3 балки составного сечения ЪхЪхЬ = (2х100)х 100x3000 мм. Испытания балок ББ-1, ББ-2 и ББ-3 проводили на силовой плите, нагружение осуществляли гидродомкратом мощностью 100 кН, нагрузку передавали на конструкцию через распределительную траверсу и прикладывали в виде сосредоточенных сил в третях пролета. При испытаниях балок измеряли: прогибы балки в середине пролета прогибомерами Максимова с ценой деления 0,1 мм; деформации взаимного сдвига брусьев составного сечения балки индикаторами часового типа с ценой деления 0,001 мм; относительные деформации по высоте поперечного сечения деревянных элементов в середине пролета и в опорной зоне конструкций тензометрическими датчиками с базой 20 мм. Испытания проводили нагружением ступенями по 3 кН с постоянной скоростью без разгрузки. Под каждой ступенью нагружения конструкция выдерживалась 15 мин. для стабилизации прогибов, деформаций и для снятия отсчетов по механическим приборам и тензометрическим датчикам.
Из испытаний определяли разрушающую нагрузку N1; на каждой ступени нагружения определяли прогибы, деформации сдвига и напряжения полные Бп и разность полных дБп для прогибов балки в середине пролета, деформаций взаимного сдвига брусьев на опорах и нормальных напряжений в зоне действия максимального изгибающего момента; определяли нагрузку , соответствующую верхней границе области упругой работы балок. Нагрузку Ni.ii определяли по графикам «№дГполн», «№ д0и». Результаты испытаний трех балок представлены в таблице 1, прогибы и нормальные напряжения в середине пролета балки ББ-1 - на рис. 2.
Показатели напряженно-деформированного состояния балок составного сечения на соединении «КМ-вкладыш» (табл. 1), а так же коэффициенты К^=орасч / Офакт< 1 иКж =1расч. / 1факт — 1, отражающие снижение несущей способности балок составного сечения за счет податливости связей сдвига по сравнению с такими же балками цельного сечения, определяли на следующих уровнях нагружения балок:
- при нагрузке , когда фактические напряжения изгиба в балке составили Офакт=Ки=13 МПа, что соответствует несущей способности балки по 1-й группе предельных состояний из условия действия нормальных напряжений;
- при нагрузке N1^ , когда фактические прогибы балок составили 1факт= = 1/200Ь =14,5 мм, что соответствует несущей способности балок по 2-й группе предельных состояний (п.4.32, табл.16 /2/);
- при нагрузке соответствующей верхней границе области упругой работы балок.
Анализ результатов испытаний балок-моделей и балок натурных размеров проводили в соответствии с Рекомендациями ЦНИИСК по испытанию деревянных конструкций /3/. Разрушение балок ББ-1 , ББ-2 и ББ-3 произошло при нагрузках N1=55 кН, 51 кН и 57 кН соответственно. Балки потеряли несущую способность от изгиба в результате разрушения растянутой зоны нижнего бруса. Согласно /3/ разрушение от изгиба по растянутой зоне деревянного элемента носит пластический характер.
Коэффициенты безопасности - требуемый Кпл=1,25*(1,88-0,106*^ 1), где 1 -т.н. «приведенное» время до разрушения, и фактический К6=№/Ып, определенные по методике /3/, составили:
- для балки ББ-1 - требуемый Кпл =2.052, фактический Кб =55/17.9=3.08;
1/2П11 ВЕСТНИК
_угогт_мгсу
- для балки ББ-2 - требуемый Кпл=2.074, фактический К6=2.85;
- для балки ББ-3 - требуемый Кпл=2.068, фактический Кб=3.18.
Для всех балок коэффициенты безопасности фактические Кб = N1 / ^Ып больше требуемых Кпл, т.е. условие методики /3/ Кфакт > Кпл выполняется без корректировки расчетной несущей способности № балок на податливость соединений «КМ-вкладыш».
Нагрузка, соответствующая верхней границе области упругой работы балок составила Ni.ii = 24 кН для балок ББ-1, ББ-2 и 27 кН для балки ББ-3. Упругая работа балок на соединении «КМ-вкладыш» продолжалась до уровня N1 * 100% = 44% =47% от разрушающей нагрузки N1. Отношение Nп = 1.34=1.51 > 1.3 , что подтверждает работоспособность соединения «КМ-вкладыш» в составных деревянных балках натурных размеров.
Таблица 1.
Результаты испытаний деревянных балок ББ-1 ^ ББ-3 составного сечения на соединении «КМ-вкладыш»
Марка балки
Наименование Ед.изм. ББ-1 ББ-2 ББ-3 Среднее
N1 кН 55 51 57 54,3
N1-11 кН 24 24 27 25
ВСДВ мм*1000 25,5 27,5 32 28,33
® факт 1-11 МПа 17,17 17,9 19,18 18,083
® расч 1-11 МПа 17,45 17,45 19,63 18,177
^расч 1-11 1-11 факт 1,016 0,975 1,023 1,005
^ 1 0,975 1
1 факт 1-11 мм 13,25 16,35 13,35 14,317
1 расч 1-11 мм 12,79 15,609 13,1 13,833
Кж 0,965 0,955 0,981 0,967
N0 =13 кН 18,22 17,32 18,59 18,043
В 0 =13 мм*1000 21,95 20,5 24,43 22,29
О факт N0 =13 МПа 13 13 13 13
О расч N0 =13 МПа 13,25 12,59 13,52 13,120
О расч N13 / ^N13 факт 0,981 1,032 0,962 0,992
^ 0,981 1,0 0,962
1 факт N0 =13 мм 10,07 12 8,73 10,267
f расч с=13 9,71 11,26 9,02 9,997
1 расч ст=13/ ¡* факт N13 0,964 0,938 1,033 0,979
Кж 0,964 0,938 1,0
^и=1/200Ь кН 26,08 21,08 28,82 25,327
В ¡1=1/200Ь мм*1000 28,62 22,14 35,34 28,7
^ N¡1 факт МПа 18,64 15,82 20,55 18,337
О N«1 ^¡и МПа/кН 0,715 0,750 0,713 0,726
^ N¡1 расч МПа 18,96 15,33 20,96 18,416
^ N¡1 расч /^ N¡1 факт 1,017 0,969 1,020 1,002
Kw 1,0 0,969 1,0
¡и=1/200Ь мм 14,5 14,5 14,5 14,5
1 расч N¡1 мм 13,9 13,71 13,99 13,867
Кж 0,959 0,946 0,965 0,956
Оп. НПа
О 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 0 1 2 3 Шп. мм Прогибы: Полные 1п, остаточные упругие мм Разность полным ^п
0 10 20 30 10 50 Ь О ТО Деформации сйБига на опорах, средние №НООО, мм : Полные Пп. остаточные □ п. упругие
рнлш 1Я , Н11
5 10 1Ь 2« 25 30 35 Нормальные н п полные Оп, НПа
0,5 1 2 I р я ж е н и я : разность полных ¿Оп, НПа
Оп, НПа
Рис. 2. Результаты испытаний балки В Б — 1:
а - прогибы балки В середине пролета, [ мм ]; б - деформации Взаимного сдвига над опорами,
средние, [ мм * 1000 ]; В - напряжения изгиба В середине пролета [ МПа ]; г - эпюра нормальных напряжении Б середине
пролета балки; О - эпюра нормальных напряжений 6 зоне соединения "КН-Йкладыш".
о ю го зо 40
lipiLiLii.il шршия I шрвШо |р||1пт и., ни
0 Б 10 1Б 20 2Ь ||р|ыии ш|псир и., ни
1/2011 ВЕСТНИК
_1/го12_мгсу
Фактические прогибы балок (табл. 1, рис. 2) при действии кратковременной нагрузки составили: при нагрузке N^=(17.3=18.2) кН - ¡13 =(1/332 =1/242) Ь, при нагрузке ^_„= (24=27) кН - ¡1_п =(1/218=1/217) Ь.
В пределах упругой работы конструкций доля упругих прогибов ¡у составила от полных фактических прогибов ¡п в среднем 74% в балке ББ-1, 89%-90% в балках ББ-2 и ББ-3. Фактические прогибы в середине пролета балок ¡факт больше расчетных прогибов ¡расч, определенных как для балки цельного сечения: в балке ББ-1 на 3.6=4.7%, в балках ББ-2 и ББ-3 - на 2-7%.
В балках натурных размеров проявляется влияние собственных деформаций прослойки из композиционного материала на прогибы составного деревянного элемента. По методике, принятой в /1/ для расчета составных деревянных изгибаемых элементов, это явление следует учесть введением к изгибной жесткости Б1цельн коэффициента Кж, отражающего снижение жесткости составной балки за счет податливости соединительной прослойки из КМ. Для балок ББ-1-ББ-3 коэффициенты Кж , определяемые по формуле Кж= ¡расч /¡факт, составили 0,938 = 0,981, в среднем Кж =0,967, что близко к характеристикам деревянных элементов цельного сечения.
Рассматривая расчетные прогибы балки составного сечения из двух брусьев, но без связей сдвига, в которой прогибы увеличиваются по сравнению с балкой цельного сечения в 4 раза, видим, что сплачивание двух брусьев соединением «КМ-вкладыш» ведет к повышению изгибной жесткости конструкции в 3,3=3,9 раза по сравнению с такой же балкой без связей.
Из сравнения значений фактических и расчетных напряжений изгиба в середине пролета балок, определенных для балок цельного сечения по формуле орасч =МРасч^Цельн , где Wцeльн=bxhбp2/6 (табл. 1, рис. 2) следует, что в среднем фактические напряжения Офакт Для балки ББ-1 меньше расчетных напряжений оРаСЧ на 0,5 %, для балки ББ-2 больше расчетных на 1 %, для балки ББ-3 отношение оРаСЧ / Офакт =0,9997. Этому соответствует величина коэффициента, учитывающего податливость соединения «КМ-обклейка» в составном деревянном элементе, Kw=1.
Эпюры нормальных напряжений в середине пролета балок и в зоне работающего соединения «КМ-вкладыш» на рис. 2 показывают, что все балки работают как элементы цельного сечения. В каждом брусе составного сечения действуют напряжения одного знака - в верхнем сжимающие, в нижнем - растягивающие. В пределах упругой работы конструкций напряжения в зоне шва сплачивания близки к нулю.
Деформации взаимного сдвига брусьев в балках ББ-1, ББ-2 и ББ-3 составили: при нагрузке №=17,9 кН Бп = 0,018 мм, 0,016 мм и 0,021 мм; при нагрузке ВпЫ1 = 0.0255 мм, 0.028 мм, 0.032 мм; при нагрузке 2,5*Nп=45 кН деформация сдвига составила Бп = 0,067 мм, 0,071 мм и 0,0633 мм. Сдвигающие усилия в шве при нагрузках ^_п= 24 кН для балок ББ-1 и ББ-2, 27 кН для балки ББ-3 составили
ТСДВ1_„ = дМ1_„*86р/1бр=11,64*0,5*10-3/ 0,667*10-6= 87.3 кН,
ТСДВ1_„ = дМ1_п*Ббр/1бр=13,1*0,5*10"3/ 0,667*10-6= 98.2 кН, где для N=24 кН дМ^ = (Мш-Моп) = 24/2*0,97 = 11,64 кН*м, для N=27 кН ДМЫ1= 13.1 кН*м, Ббр=ЬЬ2/8=0,5*10"3 м3, 1бР=ЬЬ3/12=0,667*10"6 м4. Получаем, что интенсивность роста деформаций взаимного сдвига брусьев в пределах упругой работы балок составила Вп1_п/Тсдв1_п=(0,00029=0.000326) мм/кН сдвигающего усилия, за пределами упругой работы в интервале нагрузок на конструкцию от до 2,5*№=45 кН составила (0,00054=0,00057) мм/кН, т.е. увеличилась в 1,7-1.9 раза.
По результатам испытаний трех балок натурных размеров коэффициенты Kw и Кж, учитывающие влияние податливости соединения «КМ-вкладыш» на несущую
ВЕСТНИК 1/2011
способность деревянных изгибаемых элементов составного сечения, составили в среднем Kw=1; Кж =0,967. Прогибы балок под нормативной нагрузкой NnHopM = 18 / 1.125=16 кН составили в среднем f=9.2 мм = 1/317 L < fu=1/200 L=14,5 мм (/2/, п.4.32).
Выводы:
1. Установлено, что в деревянных балках составного сечения соединение «КМ-вкладыш» эффективно обеспечивает совместную работу сплачиваемых элементов. По результатам испытаний трех балок: в среднем разрушающая нагрузка составила Nt=54,3 кН, нагрузка NI-n - 25 кН; коэффициенты безопасности фактические больше требуемых Кб=2,85=3.18>Кпл=2.05=2.07. Под нормативной нагрузкой NnHopM=16 кН прогибы балок в середине пролета составили в среднем f=9.2 mm=1/317*L< fu=1/200L.
2. Для расчета деревянных балок составного сечения на соединении «КМ-вкладыш» по методике СНиП II-25-80 /1/ получены значения коэффициентов, которые учитывают влияние податливости соединения на несущую способность составных деревянных балок : Kw=1; Кж =0,967.
Литература
1. СНиП II-25-80. Деревянные конструкции. Нормы проектирования. - М.: Стройиздат,
1982.
2. СТО 36554501-002-2006. Деревянные клееные и цельнодеревянные конструкции. Методы проектирования и расчета. - ФГУП «НИЦ «Строительство». - М.: 2006.
3. Рекомендации по испытанию деревянных конструкций. / ЦНИИСК им. В.А.Кучеренко. -М.: Стройиздат, 1976.
Literature
1. SNIP II-25-80. Wooden structures. Design standards. - M.: Stroiizdat, 1982.
2. STO 36554501-002-2006. Glulam and tselnoderevyannaya design. Methods of design and calculation. - Federal State Unitary Enterprise "Research Center" Building. "- M.: 2006.
3. Recommendations for testing timber structures. / CNIISK them. VA Kucherenko. - M.: Stroiizdat, 1976.
Ключевые слова: деревянные конструкций составного сечения, композиционный материал, несущая способность, деформативность, коэффициенты безопасности требуемый и фактический.
Keywords: wooden structures of the compound cross section, composite materials, carrying capacity, deformability, safety factors required and the actual.
E-mail автора: NickLinkov@gmail.com
Рецензент: С.Б.Турковский кандидат технических наук старший научный сотрудник ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко, ОАО НИЦ «Строительство»
