CC BY
33
РАТКИЕ СООБЩЕНИЯ И ОБМЕН ОПЫТОМ
УДК 624.011.1.072.32 А.Я. Найчук
Найчук Анатолий Яковлевич родился в 1953 г., окончил в 1979 г. Брестский инженерно-строительный институт, кандидат технических наук, директор филиала УП «Институт БелНИИС»-«Научно-технический центр», докторант ЦНИИпром-зданий. Имеет более 40 печатных работ в области исследования деревянных конструкций.
О НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ УЗЛОВ ДЕРЕВЯННЫХ КЛЕЕНЫХ ТРЕХШАРНИРНЫХ АРОК
Разработана методика оценки прочности опорных и коньковых узлов деревянных трехшар-нирных арок со сквозными трещинами и узлов, усиленных наклонно вклеенными стержнями.
Ключевые слова: стержень, вязкость разрушения, деревянная трехшарнирная арка, коэффициент интенсивности напряжений, прочность, трещина, разрушающая нагрузка.
Ранее [4, 6] было показано, что несущая способность узлов арок лимитируется не смятием древесины под плитой башмака, а уровнем концентрации напряжений в древесине, расположенной у его кромок. Конструктивными факторами, направленными на снижение концентрации напряжений и повышение несущей способности узлов арок, является устройство скосов ненагруженных торцовых участков и применение башмаков переменной изгибной жесткости [4-6]. Это не всегда возможно выполнить в эксплуатируемых конструкциях зданий и сооружений и, тем более, в узловых зонах с повреждениями в виде трещин. Наиболее перспективна, как при новом проектировании, так и при усилении опорных участков арок, установка вклеенных под углом к волокнам древесины металлических стержней периодического профиля. Вклеенные стержни должны препятствовать распространению трещин, т.е. несущая способность узлов должна определяться прочностью не только соединения на вклеенных стержнях, но и древесины на поперечный сдвиг и нормальный отрыв в вершине трещины. Таким образом, задача о несущей способности узлов арок с вклеенными стержнями должна решаться комплексно, исходя из прочности самого стержня, прочности соединения его с древесиной и прочности древесины в вершине трещины.
Для решения данной задачи нами проведены экспериментально-теоретические исследования узлов арок. Рассмотрено два варианта узлов: первый -для арок со сквозной трещиной длиной I, второй - для арок со сквозной трещиной, усиленных наклонно вклеенными металлическими стержнями. Целью данных исследований являлась оценка эффективности вклеенных стержней.
Теоретические исследования выполняли численным методом с использованием вычислительного программного комплекса 8ТКАЯ [3], позволяющего опре-
а б
Общий вид расчетных схем узлов арок со сквозной трещиной (а) и со сквозной трещиной и арматурными стержнями (б): 1 - анизотропная полоса; 2 - штамп; 3 - арматурные стержни
делять напряженно-деформированное состояние и значения коэффициентов интенсивности напряжений (КИН): К и Кп - в вершине трещины, а также экспериментальные (испытанием фрагментов узлов арок).
Расчетная схема узлов арок приведена на рисунке, где древесину моделировали анизотропной полосой 1, трещину - разрезом длиной I, вклеенные параллельно торцу полуарки металлические стержни - линейными конечными элементами, которые работают на растяжение-сжатие и изгиб, башмак - стальным штампом 2.
Во всех расчетных случаях при а > 0° трещину располагали у нижней кромки штампа и по направлению волокон древесины, а при а = 0° - у его кромок. Длину трещины I принимали равной 45 и 145 мм. Арматурные стержни располагали в одном поперечном сечении (по два стержня диаметром 16 мм), отстоящем от вершины трещины (по направлению ее развития) на 5 мм. Поперечное сечение фрагментов узлов Ь х И = 140 х 200 мм; угол а = 0; 15; 30 и 45°, а соотношение с/И = 0,25; 0,50 и 0,75.
Все расчеты выполняли как на действие усилия Ы, так и на совместное действие усилий N и (9, при О/Ы = 0,2. Величину сжимающего усилия N принимали из предположения, что значение средних сминающих напряжений стсм под штампом равно 10 МПа. Расчеты узлов арок сводили к решению плоской задачи теории упругости. Упругие характеристики материала штампа и древесины арки задавали в направлении осей Ох и Оу (см. рисунок). Для стального штампа 2 имеем Ех = = Еу = 210 000 МПа; цу = цух = 0,3; Оху = 81 000 МПа, а для древесины - Ех = = 10 000 МПа; Еу = 400 МПа; цху = 0,5; цух = 0,02; Оху = 500 МПа. В результате расчетов определены и А.'ц в вершине трещины и максимальные значения напряжений стмах в арматурных стержнях.
По результатам расчетов установили, что в узлах без арматурных стержней при а = 0° с увеличением длины трещины / при действии сжимающего N усилия К = 0, а Кп уменьшается. При одновременном действии в узле усилий N и Q в вершине трещины имеет место совместное действие нормального отрыва (растяжение поперек волокон древесины) и поперечного сдвига (скалывание вдоль волокон), т.е. А) > 0 и А'ц > 0. Следует отметить, что с увеличением длины трещины значения А)
возрастают, а уменьшаются. Наличие арматурных стержней при а = 0° способствует снижению КИН. Так, для узлов без арматурных стержней с соотношением c/h = 0,5 при / = 145 мм и совместном действии усилий N и ОК\ = 0,315 МПа ■ м12 и Ки = 0,15 МПа • м1/2; в узлах с арматурными стержнями - Кг = 0,065 МПа ■ м12 и Кц = 0,106 МПа • м12, что соответственно в 4,8 и 1,4 раза меньше.
В узлах без арматурных стержней при а > 0° значения КИН возрастают. В случае действия в узле только сжимающего усилия N максимальные значения /м = 1,7 МПа • м1/2 и Кц = 3,28 МПа • м1/2 достигаются при / = 145 мм, а = 45° и c/h = 0,75. Это характерно и для узлов с арматурными стержнями, где Kj = 0,053 МПа • м1/2 и А'п = 0,639 МПа -м1/2.
Наибольший эффект от армирования наблюдали с увеличением длины трещины /, а также в случаях совместного действия усилий N и О. Так, в узлах без арматурных стержней при / = 45 мм, а = 15°, c/h1 = 0,25 и действии сжимающего N усилия Ki = 0,164 МПа • м12, Ки = 0,147 МПа • м12; а для узлов с арматурными стержнями - Ki = 0,02 МПа • м12, Ки = 0,067 МПа ■ м12, что соответственно в 8,2 и 2,2 раза меньше. Для тех же узлов, но без арматурных стержней, при / = 145 мм и действии сжимающего усилия N, значения Ki = 0,245 МПа ■ м12, Ад = 0,064 МПа • м12, а с арматурными стержнями - Kj = 0,0213 МПа ■ м12, Кц = 0,011 МПа • м12, что соответственно в 11,5 и 5,8 раза меньше. В случае совместного действия усилий N и О при а = 30° и c/h = 0,5 для узла без арматурных стержней с трещиной I = 145 мм имеем Kt = 1,428 МПа ■ м12, Ки = 1,626 МПа ■ м12; с арматурными стержнями - Kt = 0,031МПа • м12, Кц = 0,562 МПа ■ м12, что соответственно в 46,1 и 2,9 раза меньше. Аналогичная картина снижения КИН наблюдается и для других значений а и c/h.
Таким образом, установка вклеенных арматурных стержней существенно сказывается на величине КИН. Следует отметить, что наибольшее снижение КИН от армирования характерно для К.
На основании результатов теоретических исследований и выполненной автором работы [1] была разработана методика по оценке прочности узлов арок. Сущность ее состоит в том, что величину разрушающей нагрузки Nt определяют из двух условий:
а) условие прочности древесины от смятия под углом а к направлению волокон под плитой башмака:
(1)
б) условие прочности древесины в вершине трещины по значениям К и Кц:
N
Xtp =-7 • (2)
К J / К1С +(К п / АГПС)~
где c - длина опорной площадки (штампа); b - толщина, равная 140 мм;
Rçmoi ~ предел прочности древесины смятию под углом а к направлению волокон [7]; N - усилие, действующее в узле.
Вязкость разрушения древесины в вершине трещины при нормальном отрыве и поперечном сдвиге определены в соответствии с данными работ [1-3] для плотности древесины р = 500 кг/м3 и KÏC = 0,392 МПа • м1/2 и К1У: = 1,075 МПа • м1/2.
За величину разрушающей нагрузки N для узла арки принимали минимальное значение, полученное из (1) и (2). В ходе анализа значений Ы(см и N было установлено, что они существенно отличаются. Для узлов арок с трещиной без арматурных стержней величина Ы(см значительно больше N , т.е. исчерпание
прочности узлов будет происходить из-за разрушения древесины в вершине трещины. В узлах арок с арматурными стержнями (в рассмотренном диапазоне длин трещин и принятом армировании) N всегда больше , т.е. разрушение таких узлов будет происходить от смятия древесины под штампом.
В целях экспериментальной проверки полученных результатов были проведены испытания фрагментов натурных коньковых узлов деревянных клееных трех-шарнирных арок со сквозными трещинами длиной I = 145 мм без арматурных стержней, а также усиленных двумя вертикальными арматурными стержнями диаметром 16 мм и установленных на расстоянии 150 мм от торца.
Эксперименты включали в себя испытания фрагментов узлов арок со сквозной трещиной для а = 15, 30 и 45° при соотношениях с/И = 0,25 и 0,50 на действие сжимающего усилия N (см. рисунок). Был испытан 21 образец: по 3 образца (с арматурными стержнями и без них) для а = 45° при с/И = 0,25 и 0,50; для а = 30° при с/И = 0,50; 3 образца без арматурных стержней при а = 15° и с/И = 0,50. Образцы имели сечение Ь / И = 13 5 / 200 мм и длину 1800 мм.
В ходе экспериментов было установлено, что в узлах с трещиной без арматурных стержней разрушение имело хрупкий характер и происходило в результате роста трещины по направлению волокон древесины, а величины разрушающей нагрузки соответствующие старту трещины, были на 4 ... 7 % выше значений N ,
вычисленных по формуле (2). В узлах с арматурными стержнями разрушение носило пластический характер и происходило от смятия древесины под штампом, а разрушающие нагрузки N были близки к значениям Nteм (1).
На основании выполненных экспериментально-теоретических исследований можно сделать следующие выводы:
в опорных и коньковых узлах арок со сквозными трещинами несущая способность узла определяется прочностью древесины в вершине трещины;
в опорных и коньковых узлах арок с металлическими башмаками, усиленных наклонно вклеенными стержнями, несущая способность определяется прочностью смятия древесины под башмаком;
расчет и расстановку вклеенных стержней необходимо выполнять в соответствии с [7].
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Найчук, А.Я. Вязкость разрушения древесины сосны К1С и КПс при совместном действии нормального отрыва и поперечного сдвига [Текст] / А.Я. Найчук // Строительная механика и расчет сооружений. - 2006. - № 1. - С. 7-14.
2. Найчук, А.Я. О вязкости разрушения древесины сосны К1С при кратковременном действии статической нагрузки [Текст] / А.Я. Найчук, А.Н. Петрукович // Вестник БГТУ. Строительство и архитектура. - 2005. - №2(32). - С. 60-63.
3. Найчук, А.Я. О вязкости разрушения древесины сосны KIIC при кратковременном действии статической нагрузки [Текст] / А.Я. Найчук // Промышленное и гражданское стр-во. - 2006. - № 1. - С. 42-43.
4. Найчук, А.Я. Опорные и коньковые узлы деревянных клееных трехшарнирных арок [Текст]: автореф. дис. ...канд. тех. наук / А.Я. Найчук . - К., 1985. - 22 с.
5. Орлович, Р.Б. О напряженном состоянии опорных участков клееных деревянных арок [Текст] / Р.Б. Орлович, Г.И. Кореньков, А.Я. Найчук // Конструкции из дерева и пластмасс. - Л., 1980. - С. 15-19. - (Межвуз. темат. сб. тр. /ЛИСИ).
6. Орлович Р.Б., Найчук А.Я., Никитин В.И. Экспериментальное исследование несущей способности клееных деревянных арок в зоне коньковых узлов [Текст] / Р.Б. Орлович, А.Я. Найчук, В.И. Никитин // Строительство и архитектура. - 1983. - № 4. - С. 19-22. - (Изв. высш. учеб. заведений).
7. СНиП II-25-80. Деревянные конструкции. Нормы проектирования [Текст]. - М.: Стройиздат, 1982. - 31 с.
Научно-технический центр (г. Брест) Поступила 26.05.06
A. Ya. Naychuk
On Bearing Capacity of Units for Wooden Glued Laminated Three-hinged Arches
Technique has been developed for strength evaluation of bearing and ridged units of wooden three-hinged arches with through-wall cracks and units reinforced by oblique glued-in rods.
