CC BY
79
Чебыкин
Александр
Анатольевич
кандидат технических наук, доцент кафедры «Промышленного, гражданского строительства и экспертизы недвижимости», Уральский федеральный университет им. Б. Н. Ельцина
e-mail: [email protected]
Фрицлер Юрий
Александрович
кандидат технических наук, доцент кафедры «Промышленного, гражданского строительства и экспертизы недвижимости», Уральский федеральный университет им. Б. Н. Ельцина
e-mail: [email protected]
Кудрявцев Сергей
Владимирович
кандидат технических наук, доцент кафедры «Промышленного, гражданского строительства и экспертизы недвижимости», Уральский федеральный университет им. Б.Н. Ельцина
e-mail:
УДК 624.011.14
ЧЕБЫКИН А. А. ФРИЦЛЕР Ю. А. КУДРЯВЦЕВ С. В.
Определение расчетных характеристик сечений древесных клееных плит из перекрестных досок
Описаны современные конструкции несущих панелей зданий и сооружений различного назначения из древесных клееных досок (ДКППД). На основе обобщения российских и европейских строительных норм и правил предлагается решение задачи по определению расчетных геометрических характеристик их сечений при изгибе. Приведены инженерные формулы и пример расчета таких конструкций.
Ключевые слова: клееные деревянные конструкции, клеевое соединение, сдвиг от качения, ДКППД.
CHEBYKIN A. A, FRITZLER U. A, KUDRYAVTSEV S. V.
EVALUATION OF CROSS SECTION DESIGN PROPERTIES FOR PLATES FROM CROSS LAMINATED TIMBER
The modern constructions for load-bearing panels of buildings and structures for various purposes made from cross laminated timber (CLT) are described. On expanding of Russian and European construction regulations, the solution to determine design characteristics of such cross sections at bending is given. Engineering formulas and the example of calculation of such structures are given.
Keywords: laminated wood construction, glued joint, rolling shear, CLT.
В соответствии с разрабатываемой стратегией развития лесного комплекса РФ до 2030 г., в ближайшее десятилетие немалые усилия будут направлены на развитие производства клееных деревянных конструкций и инновационных материалов на основе натуральной древесины, а также на строительство зданий с применением такого рода материалов [1]. В настоящее время в практике строительства все чаще стали применяться древесные клееные плиты из перекрестных досок, а сокращенно — ДКППД. Такие конструкции могут использоваться как плиты покрытия или перекрытия, так и как несущие стеновые панели зданий различного назначения [3].
При достаточно больших размерах плит, благодаря их перекрестной структуре, имеется возможность опирания их по всему контуру плиты, что является их отличительным достоинством по сравнению с плитами из других материалов. Вырезка больших отверстий в плитах, например, для лестничных маршей или с другими архитектурными целями, не представляет особых проблем, что также можно отнести к преимуществам
конструкций данного типа (Иллюстрация 1, б). Возможность опирать плиты по их контуру или в отдельных их точках на стойки позволяет создавать в здании световые коридоры и обходиться без применения дополнительных прогонов (Иллюстрации 1, а, в).
ДКППД в качестве стен здания имеют в строительстве неограниченные возможности. Такие стены, имея установленные в заводских условиях окна и двери и при относительно небольшой толщине, способны воспринимать нагрузки от вышележащих этажей, снеговые и ветровые нагрузки. Конструкции древесных клееных плит из перекрестных досок удобны в монтаже и обладают большой сдвиговой жесткостью и прочностью (Иллюстрации 2, а, б).
Свойства клееных деревянных плит из перекрестных досок
Плиты из ДКППД изготовляются из древесины ели, сосны или пихты. Промышленностью изготавливаются плиты шириной до 5 м, длиной до 12 м и толщиной до 500 мм. При любом виде нагрузок на плиту множество досок нагружа-
© Чебыкин А. А., Фрицлер Ю. А., Кудрявцев С. В., 2017
83
Строительные науки
Иллюстрация 1. Варианты опирания плит из ДКППД: а — по двум сторонам; б — по трем сторонам с отверстием для лестничного марша; в — по двум сторонам с передачей нагрузки на стойки [2]
ется одновременно. Вследствие этого создается так называемый «эффект системы», т. е. прочность и жесткость досок, сориентированных в одном направлении, увеличивается.
При изготовлении плит доски, уложенные плашмя, попеременно под углом 90° склеиваются друг с другом, образуя ряд плиты (Иллюстрация 3). Плоскость склеивания в силу этого можно рассматривать как жесткое неподатливое соединение. Для решения некоторых задач отдельные слои могут укладываться только вдоль волокон, т. е. не перекрестно, и тогда эта плита при поперечной нагрузке хорошо работает на изгиб. Модуль упругости для поперечно расположенных досок Е90 назначается равным нулю, т. е. Е90 = 0.
В плитах из перекрестных досок при изгибе возникает ступенчатое распределение нормальных напряжений (Иллюстрация 4), из-за чего возникает неравномерное распределение касательных напряжений по высоте сечения. При анализе работы конструкций ДКППД, в особенности плит перекрытий, возникает такой эффект, как сдвиг от качения тг т. е. волокна в клееной древесине сдвигаются относительно друг друга. На Иллюстрации 5 показана типичная картина разрушения сечения при сдвиге от качения.
Основы расчета ДКППД на изгиб
Для расчета конструкций из ДКППД на изгиб используется в большинстве случаев балочная теория Бернулли, которая хорошо описывает работу такого рода конструкций при отношениях длины элемента к его высоте ¡/к > 35. Гибкость элементов плит находится в этих же пределах, поэтому деформации от сдвиговых усилий (поперечных сил) при изгибе также следует дополнительно учитывать [5, 6].
Наряду с общепринятой теорией расчета Бернулли (теория плоских сечений) при анализе НДС конструкций из ДКППД следует также дополнительно учитывать и сдвиговую податливость в соответствии с балочной теорией С. П. Тимошенко.
Иллюстрация 2. Передача вертикальных и горизонтальных нагрузок на плиты ДКППД: а — воспринимаемые вертикальные и горизонтальные нагрузки; б — касательные напряжения, возникающие в сечениях плит [2]
При оценке НДС конструкции балочная теория С. П. Тимошенко учитывает не только деформации плоских сечений, но и сдвиговые деформации введением корректирующего коэффициента сдвига х для соответствующего поперечного сечения.
Напряжения стм и деформации м> определяются следующим образом:
М М ■ к
ам =
К,
2 ■ 1„
Еге/ ■1е/
■5
М ■ Мхйх
+-1--5 V ■V\_dix.
Оге/ ■ Л,е/ ■ X и
(1)
(2)
Сдвиговые напряжения следует, как правило, определять от максимальных напряжений при сдвиге от качения, так как напряжения от общего сдвига (среза) сечения /^ обычно оказываются меньше. Только в случае, если число слоев досок более пяти, напряжения сдвига от качения будут меньше максимальных касательных напряжений (см. Иллюстрацию 6).
Касательные напряжения для слоев, в которых доски расположены вдоль плиты, а касательные напряжения определяются поперек волокон т090, и в которых доски расположены поперек плиты, а касательные напряжения определяются поперек волокон досок т9090, находятся из выражений:
Иллюстрация 3. Древесная клееная плита из перекрестных досок [4]
Величины эффективных поперечных сечений: момент инерции I/, статический момент полусечения 8е/ и площадь поперечного сечения Ауе/ следует определять по следующим формулам, учитывая, что модуль упругости поперек волокон равен нулю, т. е. Е90 = 0:
Е + Е
¡=1 Еге/ I=1 Еге/
п Е
=Е -^■Аге1;
I=1 Еге/
п О
А^,е/ = Е .
I=1 Оге/
(5)
(6) (7)
V■S,
т090
е/,090 ,
т9090 = тг = '
\/е8ь
' ■^е/,9090
(3)
(4)
Пример расчета
На Иллюстрации 7 представлено поперечное сечение плиты ДКППД. Требуется определить геометрические характеристики плиты, то есть момент инерции I/, статический момент полусечения 8/ и площадь поперечного сечения А,/ для ширины плиты в 1 м. В рассчитываемых ниже формулах модули упругости Е и модули сдвига О имеют следующие величины:
1
^ =
Иллюстрация 4. Распределение нормальных и касательных напряжений в сечениях ДКППД: а — в неперекрестном сечении; б — в сечении, имеющем перекрестные доски [2]
Иллюстрация 5. Разрушение пятислойной панели из ДКППД от сдвига качения [2]
Иллюстрация 6. Характер сдвиговых напряжений в трех- и пятислойной панели ДКППД [2]
370 Н/
^90,mean = 370 Н мм
перек волокон;
E0,mean = 11000 Н/ММ2
вдоль волокон;
среднии модуль упругости по— средниИ модуль упругости
= 50 Н/ мм2 — средний модуль сдвига от качения; 690 Н/ мм2 — средний модуль сдвига.
Иллюстрация 7. Поперечное сечение пятислойной плиты ДКППД [2]
_ 1000 lef ■
Sf _ 1000 ■ Avff _ 1000 ■
2 ■
343 +-Ж- . 303 11000
370
-1000■
о 370 т
2. 34■ 642 + . 30■ 322
34. 64 + 30 ■ 32 +17 ■ 8,5
11000
11000 2352 ■ 103мм3;
2862 ■ 105мм4
2 '|34 + 61 ■ 30) + 34
1063 ■ 102мм2.
Заключение
1 В данной статье авторами представлены результаты расчетов древесных клееных плит из перекрестных досок (ДКППД), которые в дальнейшем могут быть использованы в развитие свода правил по проектированию деревянных конструкций СП 64.13330.2011 [7].
2 Древесные клееные конструкции из перекрестных досок (ДКППД), как наиболее прогрессивные и высокотехнологичные, при освоении технологии их изготовления могут быть использованы в богатых лесных районах Дальнего Востока и Сибири для строительства, в первую очередь жилых домов, что позволит решить проблему нехватки жилья и ликвидацию аварийного жилья.
Список использованной литературы
1 Зыкова Т. Постучим по дереву // Российская газета. Неделя. 2016. № 136 (7004). С. 9.
Profihandbuch für Brettsperrholz. Haas Fertigbau GmbH, 2013. 75 p.
Шмидт А. Б., Дмитриев П. А. Атлас строительных конструкции из клееноИ древесины и водостоИкоИ фанеры. М. : АСВ, 2002. 291 с.
ПРО клеим [ЭлектронныИ ресурс]. 2017. URL: http:// pro-kleim.ucoz.ru/ publ /primenenie_kleev/konferencija_ po_clt_na_woodex_2011/20-1-0-63. Чебыкин А. А., Фрицлер Ю. А., Кудрявцев С. В. К расчету зубчато-шипового клеевого соединения карнизных узлов рам // АкадемическиИ вестник УралНИИПроект РААСН. 2015. № 2. С. 86-89.
Серов Е. Н., Санников Ю. Д., Серов А. Е. Проектирование деревянных конструкциИ. М. : АСВ, 2011. 536 с. СП 64.13330.2011. Деревянные конструкции. Актуализированная редакция СНиП 11-25-80/Минрегион России. М. : ОАО «ЦПП», 2011. 87 с.
2
3
4
5
6
7
