Панели для стен жилых домов и покрытий различных зданий из древесины Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Расчет конструкций

------ЖИЛИЩНОЕ ---

строительство

Научно-технический и производственный журнал

УДК 624.012

К.П. ПЯТИКРЕСТОВСКИЙ1, д-р техн. наук (stroymex@list.ru); В.И. ТРАВУШ2, д-р техн. наук, профессор, действительный член РААСН

1 АО «НИЦ «Строительство» ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко (109428, г. Москва, ул. 2-я Институтская, 6) 2 Российская академия архитектуры и строительных наук (103824, г. Москва, ул. Б. Дмитровка, 24)

Панели для стен жилых домов и покрытий различных зданий из древесины

Рассматриваются конструкции, методика и результаты испытаний на сдвиг панелей номинальными размерами 1,5x3x0,15 м с каркасом и обшивками из досок. Для увеличения несущей способности на сдвиг могут применяться тонкие металлические элементы вдоль диагоналей плит. Проведены кратковременные и длительные испытания, варьировали количество гвоздей и условия испытаний. Выполнены оценка несущей способности панелей и определение требуемого коэффициента надежности по методике Ю.М. Иванова. Плиты использованы при проектировании и строительстве коротких цилиндрических оболочек покрытия тренировочного катка «Локомотив» в Москве.

Ключевые слова: ресурсосбережение, материалы из древесины, панели стен и покрытий, каркас, обшивка из досок, работа на сдвигающие усилия.

K.P. PJaTIKRESTOVSKIJ1, Doctor of Sciences (Engineering) (stroymex@list.ru); V.I. TRAVUSh2, Doctor of Sciences (Engineering) 1 JSC Research Center of Construction Central Scientific and Research Institute of Building Structures (TSNIISK) named after V. A. Kucherenko

(6, 2nd Institutskaya Street, Moscow, 109428, Russian Federation) 2 Russian Academy of Architecture and Construction Sciences (24, B. Dmitrovka Street, Moscow, 103824, Russian Federation)

Panels for Walls of Residential Houses and Wooden Coverings of Various Buildings

Designs, methodology, and results of shear tests of panels of nominal sizes of 1.5x3x0.15 m with a frame and board planking are considered. For improving the bearing capacity for shearing, thin metal elements can be used along diagonals of slabs. Short-time and long-time tests have been conducted, the number of nails and test conditions have been varied. Assessment of the bearing capacity of panels and determining the required safety factor were made according to methods of Yu.M. Ivanov. Slabs were used in the course of design and construction of short cylindrical shells of the roof of the training skating rink "Lokomotiv" in Moscow.

Keywords: resource saving, timber materials, panels of walls and coverings, covering of boards, operation for shearing forces.

Строительство из древесины приобретает все большую актуальность в связи с необходимостью освоения северных территорий РФ. Заинтересованность Президента России и российского правительства в судьбе северных территорий обозначена в утвержденном постановлении правительства от 9 марта 2000 г. № 198 «Концепция государственной поддержки экономического и социального развития районов Севера».

Зачастую эти территории находятся в лесоизбыточ-ных районах, где изготовление элементов и монтаж жилых домов могут быть выполнены с минимальными энерго- и трудозатратами, а также способствуют сохранению экологической чистоты окружающей среды.

Известны довольно многочисленные конструктивные решения стеновых панелей и плит покрытия [1-4] из древесины, которые отличаются малым весом, высокими теп-лотехническими качествами при значительной несущей способности благодаря расположению обшивок в зонах действия максимальных нормальных напряжений при изгибе. В своей плоскости такие конструкции могут иметь большую жесткость на сдвиг и использоваться в совместной работе с различными конструкциями каркаса здания при воз-

Рис. 1. Испытание панели на сдвиг

действии ветровых, техногенных и сейсмических нагрузок. В этом случае требуются некоторые специальные приемы конструирования.

В странах Скандинавии и Канады уже существуют утвержденные нормы на строительство деревянных домов от трех до девяти этажей [1, 2].

Целесообразно также строительство из деревянных конструкций объектов инфраструктуры в виде спортивных, торговых и других зданий для комфортного проживания и отдыха населения.

В покрытиях этих зданий панели могут работать совместно с каркасом и воспринимать усилия сдвига, если они жестко закреплены в ячейках ребер каркаса [5]. Это приводит к экономии материалов и повышению живучести конструкций.

Количественных данных по сопротивлению деревянных панелей на сдвиг в литературе пока не обнаружено.

В ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко АО «НИЦ «Строительство» разработаны конструкции дощатых стеновых панелей, панелей-покрытий и элементов каркаса из цельной древесины.

Панели номинальными размерами ¿х/х й=1500х2740х 150 мм (а. с. № 1789626 от 22.09.1992 г.) предназна-

Научно-технический и производственный журнал

Structural calculations

JStt

1 6

t— №0

1

Щ

j

JJ

........'"

2 22

Рис. 2. Конструкция панелей: а — внутренняя сторона; б — наружная сторона; 1 — продольные ребра; 2 — поперечные ребра; 3 — ребра жесткости; 4 — доски обшивки; 5 — металлические полосы; 6 — гвозди

чаются для крепления к элементам каркаса жилых зданий или к ребрам покрытий (рис. 1).

Исследовано наиболее простое решение с использованием традиционных креплений гвоздями. Такие конструкции могут изготовляться в непосредственной близости от строящихся объектов независимо от погодных условий и не требуют больших затрат труда и загрязняющей окружающей среды технологии.

В состав панелей входят три поперечных и три продольных ребра сечением 40x130 мм. Обшивка изготавливается из досок сечением 20x75 мм. Жесткость панелей на сдвиг обеспечивается досками сечением 40x130 мм, устанавливаемыми по диагоналям ячеек и закрепляемыми к обшивке гвоздями К3х80. Элементы каркаса панелей (ребра) крепятся встык тремя гвоздями К4х130 (рис. 2).

Плиты монтируются с креплением к несущему каркасу обшивкой внутрь помещения, а обшивки с наружной стороны тоже могут участвовать в восприятии сдвиговых усилий.

В работе рассматривается обеспечение длительной несущей способности панелей при воздействии сдвигающих усилий в плоскости конструкции от различных нагрузок, в том числе кратковременных динамических. Полученные результаты могут служить «ориентиром» при дальнейшей разработке конструкций стен и покрытий.

Две плиты из досок и две панели, усиленные металлическими диагональными полосами сечением 1x60 мм снаружи обшивки, подвергались испытаниям на сдвигающие усилия. В разработке конструкции и проведении испытаний принимала участие канд. техн. наук А.М. Пономаренко.

Панели испытаны на кратковременные и длительные сдвигающие нагрузки по схемам, показанным на рис. 3. Нагрузку прикладывали к верхней стороне панели. Кратковременную - при помощи домкрата, длительную - при помощи платформы с грузом. При испытаниях контролировали горизонтальные перемещения верхней грани. Использовали механические приборы - мессуры-индикаторы с ценой деления 0,01 мм и прогибомеры с ценой деления 0,1 мм. После «обкатки» с целью устранения «рыхлых» деформаций нагружение проводили ступенями по 0,5 мм до величины горизонтального перемещения 7,5 мм, а затем такими же ступенями разгружали. Далее нагружение производили ступенями по 1 мм до предельного горизонтального перемещения 15 мм (1/100 высоты конструкции). Нагрузку при этом считали разрушающей, за расчетную нагрузку принимали величину, соответствующую горизонтальному перемещению 1/200 высоты панели.

Длительные испытания панели без усиления проводили 115 сут, панели с усилением - 130 сут.

При испытаниях измеряли: горизонтальные перемещения от сдвига в плоскости панели; деформации в податливых соединениях каркаса конструкции; деформации сдвига досок обшивки относительно каркаса; сдвиг досок обшивки относительно друг друга.

Краткая оценка результатов испытаний может быть представлена следующим образом. Экспериментальная расчетная нагрузка равна 7,8 кН. Максимальный сдвиг между элементами каркаса б равен 0,41 мм. Принимая предварительно коэффициент безопасности К=2, определим разрушающую нагрузку Лгразр=15,6 кН. При этом предельное горизонтальное перемещение равно Аразр=15 мм, а предельный сдвиг между элементами каркаса равен бразр=0,82 мм.

Деформации сдвига между элементами каркаса при разрушающей нагрузке невелики и не превышают допустимых для нагельных (гвоздевых) соединений 2 мм.

Для определения степени участия обшивки в работе панели на сдвиг в своей плоскости совместно с каркасом определяли приведенное напряжение сдвига, принимая следующие допущения:

- дощатая обшивка представляется в виде сплошной пластины;

- из условия приведения несущей способности гвоздевых соединений определяли приведенную толщину досок:

О _ ^ГВ^ГВ

где Т„ - наименьшее значение несущей способности гвоздя (на изгиб) согласно нормам СП 64.13330-2011 «Деревянные конструкции». Актуализированная редакция СНиП 11-25-80;

расчетное сопротивление древесины сдвигу в соеди-

42016

45

а

2

4

4

4

6

5

5

Расчет конструкций

ц м .1

Научно-технический и производственный журнал

Рис. 3. Схемы нагружения панелей: а — кратковременными нагрузками; б — длительными нагрузками

нениях неклееных элементов по тем же нормам; ига - количество гвоздей для крепления одного примыкания доски к каркасу; 2 - коэффициент, учитывающий, что каждая доска должна крепиться для восприятия усилий сдвига с двух концов.

Затем по абсолютному сдвигу Ду между досками обшивки и приведенному модулю сдвига по несущей способности гвоздевых соединений досок обшивки и ребер определяли приведенное напряжение сдвига в обшивке т = Сгприв-у, где I - база, на которой определяется де-

формация сдвига:

С ^

„ _ "д1 прив прив р ,

где Fприв=6b; FД - площадь поперечного сечения доски; G - модуль сдвига по нормам.

Предельного значения горизонтального перемещения, равного 15 мм, панель без усиления достигает при нагрузке 12,6 кН (среднее значение по результатам пятикратного нагружения). Максимальное приведенное напряжение сдвига при этом составляет 0,46 МПа, или 57,5% от расчетного сопротивления R =0,8 МПа.

^ ск '

При первом нагружении панель с усилением металлическими полосами достигает горизонтального перемещения 7,5 мм при нагрузке 10,72 кН. Для пятого нагружения эта цифра составила 11,4 кН. При этом остаточные деформации уменьшались с 0,6 мм после первого нагружения до нуля после пятого. Относительные деформации в первоначальных нагружениях обусловлены обмятием соединений обшивки с каркасом. Среднее значение предельной (разрушающей) нагрузки 19,4 кН панели с усилением получено по результатам пятикратного нагружения до предельного горизонтального перемещения, равного 15 мм.

Максимальное значение приведенного напряжения сдвига в обшивке 0,552 МПа наблюдается в досках, примыкающих к вертикальным ребрам контура панели.

Металлические диагональные полосы успешно сопротивляются перекосу панели. Одна полоса испытывает сжатие до 44 МПа, другая - растяжение до 60 МПа. Усиление панели диагональными металлическими полосами увеличивает жесткость ее на сдвиг в 1,54 раза.

Испытание панелей при длительной нагрузке выполнены при ступенчато возрастающих нагрузках для панели без усиления ступенями по 1,6 кН, для панели с усилением - 2,4 кН.

Оценка несущей способности панелей и определение требуемого коэффициента надежности выполнялась по методике Ю.М. Иванова [5].

Требуемый коэффициент надежности, характеризующий длительную несущую способность при пластическом разрушении, определяли по формуле:

^=1,25(1,88-0,106 lgt). T=0,002t[ +t2 , t[ - время доведения нагрузки до разрушающей величины; t2 - время, в течение которого конструкция выдерживала разрушающую нагрузку.

Несущая способность испытываемых конструкций оценивается неравенством:

iil>K

П— хмтл,

п

где И[ - величина разрушающей нагрузки при испытаниях при Д=15 мм (1/100 hnaHeJ.

Определенные описанным способом коэффициент надежности (для панели без усиления полосой составляет Kra=1,587) и расчетная длительная нагрузка #расч=Пп=5,82 кН, то же для панели с усилением К1Ш=1,557 и Лрасч=9,6 кН. Соответствующие экспериментальные значения - 6,4 кН и 9,6 кН. Полученные результаты соответствуют равномерно распределенной нагрузке на покрытие 1,6 и 2,18 кН/м2. При необходимости увеличения нагрузки на покрытие из панелей без усиления в оболочке достаточно увеличить крепление досок в панели четырьмя гвоздями вместо трех.

Подобные конструкции панелей использованы при проектировании и строительстве экспериментального покрытия крытого катка размерами 42x79 м на стадионе «Локомотив» в Москве в 1985 г.

В дальнейшем по предложению члена-корреспондента РААСН, проф. Г.А. Гениева выполнены расчеты цилиндрической оболочки на динамические нагрузки с учетом возможности прогрессирующего разрушения [6].

Такие конструктивные схемы целесообразно применять для жилых домов и объектов инфраструктуры - залов, складов, укрытий для техники, торговых зданий, спортивных зданий и сооружений. Решению этой задачи способствуют предложения по созданию ребристых конструкций - как плоскостных-куполообразных и сводчатых, так и пространственных, обладающих большей степенью надежности [7].

В качестве ребер могут применяться стержни ломаного очертания из брусьев, сплачиваемых при помощи винтов и соединяемых по длине деталями, разработанными согласно «системе ЦНИИСК» [8]. Наиболее эффективно расположение панелей покрытия враспор между ребрами. В этом случае, как правило, можно учитывать участие работы панелей при эксплуатации совместно с ребрами как полок приведенного таврового сечения. Разработаны также нелинейные расчеты таких конструкций на длительные нагрузки и представлен алгоритм для программирования расчета и включения его в существующие программные комплексы [9].

Список литературы

References

1. Черных А.С., Каратаев С.Г. Рекомендации по применению национального стандарта ГОСТ Р 55658-2013 «Панели стеновые с деревянным каркасом. Технические условия» // Сб. трудов международной научно-технической конференции: Строительная наука-2015: теория, образование, практика, инновации - Северо-Арктическому

региону. Архангельск, 28-30 июня 2015 г. С. 407-416.

1. Chernykh A.S., Karataev S.G. Recommendations for the use of national standard GOST R 55658-2013 «Wall panels with a wooden frame. Specifications». Proceedings of the International Scientific and Technical Conference: Building science-2015: Theory, Education, Practice, Innovation North Arctic region. Arkhangelsk. 2015 June 28-30, pp. 407-416. (In Russian).

а

ЖИЛИЩНОЕ

Научно-технический и производственный журнал

Л

Structural calculations

2. Жданов В.И., Яричевский И.И. Рациональные панельные конструкции на деревянном каркасе для малоэтажного строительства // Сб. трудов Международной научно-технической конференции «Строительная на-ука-2014: теория, образование, практика, инновации». Архангельск, 2014. С. 139-145.

3. Стоянов В.В. Гиперболические деревянные конструкции: опыт проектирования // Сб. трудов научного семинара «Деревянное домостроение в условиях Европейского севера». Архангельск: ООО «Типография «Точка», 2013. С. 124-128.

4. Лабудин Б.В. Совершенствование клеевых деревянных конструкций с пространственно-регулярной структурой. Архангельск: АрхГТУ, 2007. 267 с.

5. Рекомендации по испытанию деревянных конструкций. М.: Стройиздат, 1976. 32 с.

6. Пятикрестовский К.П., Лебедева И.В. Исследования живучести панели и цилиндрических оболочек из дерева на статические и динамические запроектные воздействия // Строительная механика и расчет сооружений. 2007. № 2. С. 56-61.

7. Пятикрестовский К.П., Соколов Б.С. Вопросы напряженно-деформированного состояния обшивок ребристых многогранных покрытий из древесины // Строительная механика и расчет сооружений. 2011. № 3. С. 45-50.

8. Клюкин А.А., Пятикрестовский К.П. Покрытие-оболочка с ребрами из цельнодеревянных элементов составного сечения // Вестник ИрГТУ. 2015. № 1 (96). С. 103-106.

9. Пятикрестовский К.П., Травуш В.И. О программировании нелинейного метода расчета статически неопределимых деревянных конструкций и связи программных комплексов с совершенствованием норм проектирования // AKADEMIA, архитектура и строительство. 2015. № 3. С. 115-119.

Zhdanov V.I., Yarichevskiy I.I. Rational design panel on a wooden framework for a low-rise building. Proceedings of the International Scientific and Technical Conference: Building science-2014: Theory, Education, Practice, Innovation. Arkhangelsk. 2014, pp. 139-145. (In Russian). Stoyanov V.V. Hyperbolic wooden structures: design expertise. Proceedings of scientific seminar «Wooden housing construction in the north European conditions». Arkhangelsk. 2013, pp. 124-128. (In Russian). Labudin B.V. Sovershenstvovanie kleevykh derevyannykh konstruktsiy s prostranstvenno-regulyarnoi strukturoy [Improvement of glued wooden structures with spatially-regular structure.]. Arkhangelsk: ArkhGTU. 2007. 267 p. Rekomendatsii po ispytaniyu derevyannykh konstruktsiy [Recommendations for Testing and wooden structures]. Moscow: Stroyizdat. 1976. 32 p.

Pyatikrestovskiy K.P., Lebedeva I.V. Research survivability panel and cylindrical shells of wood on the static and dynamic effects of beyond design basis. Stroitel'naya mekhanika i raschet sooruzheniy. 2007. No. 2, pp. 56-61. (In Russian). Pyatikrestovskii K.P., Sokolov B.S. Questions deflected mode skins ribbed multi-faceted surfaces of the timber. Stroitel'naya mekhanika i raschet sooruzheniy. 2011. No. 3, pp. 45-50. (In Russian).

Klyukin A.A., Pyatikrestovskiy K.P. Cover shell with edges of solid wood elements of the composite section. Vestnik IrGTU. 2015. No. 1 (96), pp. 103-106. (In Russian). Pyatikrestovskiy K.P., Travush V.I. Programming a nonlinear method of calculation of statically indeterminate wooden structures and communication software packages with the improvement of standards for design. AKADEMIA, arkhitektura i stroitel'stvo. 2015. No. 3, pp. 115-119. (In Russian).

c-prwi

К У PtJPÏ

КРЫМ

19-21 МАЯ

г. Ялта, ГК «ЯЛТА-ИНТУРИСТ»

УЧАСТНИКИ ВЫСТАВКИ:

Более 500 представителей строительной сферы Крыма

V Более 250 представителей компаний и СМИ из регионов России

Представители администраций всех районов Крыма

СТРОИТЕЛЬСТВО • ТЕХНОЛОГИИ • ДИЗАИН • ПРОЕКТИРОВАНИЕ

Наши партнеры: ¿¿?tTERRA-EXPO.com

WWW.PROEKTANT.QRQ

RealtyStreet

tf^^l Организатор выставки:

ивентас тел.: +7 (978) 074-74-75

w

www.eventusim.ru

При поддержке:

V МИНИСТЕРСТВА СТРОИТЕЛЬСТВА И АРХИТЕКТУРЫ РЕСПУБЛИКИ КРЫМ

V СОЮЗА СТРОИТЕЛЕЙ РЕСПУБЛИКИ КРЫМ

4'2016

47