CC BY
12
Несущая способность и деформативность соединений деревянных элементов на металлических накладках с использованием
ввинченных шурупов
М.А. Дежин
Национальный исследовательский Московский государственный строительный
университет (НИУМГСУ)
Аннотация: В статье описана разработанная конструкция образца соединения элементов из цельной древесины на пластинах типа SHERPA, который позволял моделировать работу узловых сопряжений главных и второстепенной деревянных балок для каркасных зданий и сооружений. Составлена и отработана на трех пробных образцах методика испытаний образцов нагружением ступенями с периодической разгрузкой. Проведены испытания утвержденного образца соединения, установлены его максимальная несущая способность, а также нагрузка, соответствующая верхней границе области упругой работы (ВГОУР) соединения. Были построены графики зависимостей: «Нагрузка - полная деформация D^», «Нагрузка - остаточная деформация DQ», «Нагрузка - упругая деформация DY», «Упругая деформация DY - деформация остаточная за цикл d0». Определены деформации соединения в пределах несущей способности образца, расчетная несущая способность соединения и коэффициент перехода от клееной древесины к цельной древесине.
Ключевые слова: цельная древесина, металлические накладки SHERPA, испытание образца соединения деревянных элементов, несущая способность соединения, деформативность соединения, верхняя граница области упругой работы соединения, полная деформация, остаточная деформация, упругая деформация, коэффициент надежности.
В настоящее время существуют разнообразные варианты соединений деревянных элементов строительных конструкций. С учетом потребностей строительной отрасли, актуальным направлением является обеспечение возможности применения в практике строительства эффективного соединения балок, обладающего высокой несущей способностью. На сегодняшний день актуальны соединения на металлических накладках SHERPA. Крепеж состоит из двух алюминиевых накладок, которые крепятся к деревянным конструктивным элементам с помощью шурупов и образуют жесткое соединение типа «ласточкин хвост» [1-3]. Такое техническое решение позволяет обеспечить надежную передачу вертикальных и горизонтальных нагрузок, воспринимать усилия при растяжении и сжатии и
крутящие моменты по трем взаимно перпендикулярным направлениям. Система соединения типа SHERPA применяется при возведении зданий и сооружений различного назначения, в том числе многоэтажных и большепролетных [4-6].
Цель работы - определение несущей способности соединения деревянных элементов на металлических накладках SHERPA для узловых соединений зданий по стандартной методике, регламентированной ГОСТ 33082-2014 «Конструкции деревянные. Методы определения несущей способности узловых соединений».
Была разработана конструкция образца, моделирующего работу узловых сопряжений главных и второстепенной деревянных балок каркасных зданий и сооружений. Симметричный двухсрезный образец состоял из двух досок размерами 50(b)*100(h)*230(L) мм (главные балки) и доски 50(b)*100(h)*100(L) мм (второстепенная балка), изготовленных из сосны 2 сорта. Сечение второстепенной балки 100*50 мм было принято из условия размещения на ее торцевой части накладок SHERPA, размерами 70(h)*30(b) мм. Крепление накладок на шурупах - 0 4,5 мм. Длина второстепенной балки 100 мм была назначена с учетом длины вкручиваемых в нее шурупов (1=50 мм) для крепления накладок. Длина главных балок была определена с учетом обеспечения минимального расстояния вдоль волокон древесины от шурупа до торца элемента.
Испытания образцов проводили в лаборатории кафедры «Металлические и деревянные конструкции» НИУ МГСУ. Нагружение выполняли ступенями по 4 кН с периодической разгрузкой до разрушения. Методика испытаний образцов соединений деревянных элементов на металлических пластинах типа SHERPA отработана на трех пробных образцах. Общий вид изготовленного образца в испытательной машине представлен на рис. 1.
После приложения нагрузки к образцу произошло включение в работу шурупов, начался их вырыв, сопровождавшийся деформациями соединения, затем произошло смятие накладок SHERPA и древесины главных и второстепенной балок. Вид образца после разрушения представлен на рис. 2, 3 и 4.
Рис. 1 - Общий вид образца в испытательной машине
Рис. 2 - Образец после Рис. 3 - Образец после Рис. 4 - Образец после испытаний. Вид 1 испытаний. Вид 2 испытаний. Вид 3
Были вычислены деформации полные, остаточные, остаточные за цикл и упругие деформации на каждой ступени нагружения образца, построены графики зависимостей: «Нагрузка (К) - полная деформация Dп», «Нагрузка (Ы) - остаточная деформация Dо», «Нагрузка (К) - упругая деформация Dy», «Упругая деформация Dy - деформация остаточная за цикл dо», представленные на рис. 5.
По установленной на диаграмме <^у - ёо» точке отклонения деформаций от линейной зависимости была найдена нагрузка, соответствующая верхней границе области упругой работы (ВГОУР) образца, на основе которой проводили оценку несущей способности
соединения.
Щ
*
2 кН^ Н
'кН
ш Оу
кН
кН —Ь
0.01мм
Рис. 5 - Графики зависимостей (слева направо):
- Dп», - Dо», - Dy», <Юу - ёо»
В соответствии с указаниями ГОСТ 33082-2014, для вычисления требуемого коэффициента надежности соединения определено время, приведенное к неизменному действию разрушающего усилия N t = ^^38.2 = 939с/38.2 = 24.58 с, где 939с - продолжительность испытания с постоянной скоростью нагружения.
Всего в ходе работы было испытано 4 образца.
Основные результаты работы:
1) Установлены максимальная несущая способность соединения, которая составила Nt = 25,3 кН и нагрузка, соответствующая ВГОУР соединения Ni-ц = 17 кН;
2) Определены деформации соединения элементов из цельной древесины на пластинах типа SHERPA в пределах несущей способности образца. На уровне верхней границы области упругой работы полные деформации соединения составили Dn = 1,2 мм, что меньше предельной деформации, установленной нормами проектирования СП 64.13330.2017 для нагельных соединений [Du] = 2 мм в 1,67 раза;
3) Установлено, что в пределах упругой работы соединения элементов из цельной древесины на пластинах типа SHERPA остаточные деформации составляют в среднем 79.9%, упругие деформации - 20.1% от полных деформаций соединения;
4) Установлена расчетная несущая способность соединения цельнодеревянных элементов на пластинах типа SHERPA исходя из нагрузки NI-II = 17 кН, соответствующей ВГОУР соединения и требуемого коэффициента надежности KI-II = 1,3, которая составила N = 17/1,3 = 13,1 кН;
5) Для соединений деревянных элементов на пластинах типа SHERPA установлен коэффициент перехода от соединений на основе клееной древесины (по данным Сюй Юня (СПбГАСУ) [7]), к соединениям элементов из цельной древесины, который составил Кц/к=25.35кН/52.20кН=0.49;
6) Вычислен требуемый коэффициент надежности Кхр к величине разрушающего усилия Nt по приведенному к неизменному его действию времени t, который при хрупком разрушении составляет Кхр = 1.64*(1.94 -0,116 lgt) = 1.64*(1.94 - 0.116*lg24.58) = 1.64*(1.94 - 0.116*1.39) = 2.92.
Проведенные исследования и изученная в ходе исследования литература позволили сформулировать основные предложения по
повышению несущей способности соединения деревянных элементов на основе металлических накладок SHERPA для дальнейшего изучения данного направления [8-10].
Литература
1. Augustin M., Flatscher G. Nachweisführung für SHERPA-Verbindungen auf Basi des SHERPA-Handbuchs //16 Internationales Holzbau-Forum. Graz, Österreich. 2010. Vol. 1. pp. 1-16.
2. Augustin M. Abtragung hoher Lasten mit Sherpa-Systemverbindern // 15 Internationales Holzbau-Forum. Graz, Österreich. 2009. Vol. 1. pp. 1-21.
3. Schinner H. Befestigung von Holzbauteilen auf Stahlbetonuntergründen mit Hilfe von Systemverbindern // 18 Internationales Holzbau-Forum. Graz, Österreich. 2012. Vol. 1. pp. 1-20.
4. Augustin M. Prüftechnik und Modellbildung für HT/NT-Systemverbinder // 17 Internationales Holzbau-Forum. Graz, Österreich. 2011. Vol. 1. pp. 1-23.
5. Pirnbacher G. Beanspruchungs- und Optimierungspotentiale selbstbohrender Holzschrauben // 15 Internationale Holzbau-Forum. Graz, Österreich. 2009. Vol. 1. pp. 1-19.
6. Frese M., Fellmoser P., Blaß H. Modelle für die Berechnung der Ausziehtragfähgikeit von selbstbohrenden Holzschrauben / European Journal of Wood and Wood Products. 2010. Vol. 68. pp. 373-374.
7. Сюй Юнь. Повышение несущей способности соединений элементов деревянных конструкций на металлических накладках с использованием металлической зубчатой пластины: дисс. ... канд. техн. наук: 05.23.01/ Санкт-Петербург, 2015. 198 с.
8. Линьков В.И. Повышение несущей способности соединений на наклонных ввинченных стержнях // Инженерный вестник Дона, 2020, №11. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n11y2020/6688.
9. 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.
10. Найчук А.Я., Бабаев М.В. К вопросу оценки несущей способности стальных винтовых стержней, завинченных под углом к волокнам древесины // Промышленное и гражданское строительство. М.: 2010. № 1. С. 21-23.
References
1. Augustin M., Flatscher G. Nachweisführung für SHERPA-Verbindungen auf Basi des SHERPA-Handbuchs. 16 Internationales Holzbau-Forum. Graz, Österreich. 2010. Vol. 1. pp. 1-16.
2. Augustin M. Abtragung hoher Lasten mit Sherpa-Systemverbindern. 15 Internationales Holzbau-Forum. Graz, Österreich. 2009. Vol. 1. pp. 1-21.
3. Schinner H. Befestigung von Holzbauteilen auf Stahlbetonuntergründen mit Hilfe von Systemverbindern. 18 Internationales Holzbau-Forum. Graz, Österreich. 2012. Vol. 1. pp. 1-20.
4. Augustin M. Prüftechnik und Modellbildung für HT/NT-Systemverbinder. 17 Internationales Holzbau-Forum. Graz, Österreich. 2011. Vol. 1. pp. 1-23.
5. Pirnbacher G. Beanspruchungs- und Optimierungspotentiale selbstbohrender Holzschrauben. 15 Internationale Holzbau-Forum. Graz, Österreich. 2009. Vol. 1. pp. 1-19.
6. Frese M., Fellmoser P., Blaß H. European Journal of Wood and Wood Products. 2010. Vol. 68. pp. 373-374.
7. Syuy Yun'. Povysheniye nesushchey sposobnosti soyedineniy elementov derevyannykh konstruktsiy na metallicheskikh nakladkakh s ispol'zovaniyem metallicheskoy zubchatoy plastiny [Increasing the bearing capacity of element connections wooden structures on metal plates using a metal toothed plate]. diss. ... kand. tekhn. nauk. 05.23.01. Sankt-Peterburg, 2015. 198 s.
М Инженерный вестник Дона, №6 (2021) ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/n6y2021/7025
8. Lin'kov VI. Inzhenemyj vestnik Dona, 2020, №11. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n11y2020/6688.
9. Lin'kov V.I. 1п2Ъепету| vestnik Dona. 2019. №1. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2019/5592.
10. Naychuk Л.УЛ., Babayev М^. Promyshlennoye i grazhdanskoye stroitel'stvo. М.: 2010. № 1. S. 21-23.
