CC BY
47УДК 624.014: 624.047.2
A.В. Синцов, асс.,
B.П. Синцов, к.т.н., доцент
ПРОЧНОСТЬ И ДЕФОРМАТИВНОСТЬ СОСТАВНОЙ ДЕРЕВЯННОЙ БАЛКИ СО СТЕНКОЙ ИЗ ОРИЕНТИРОВАННОЙ СТРУЖЕЧНОЙ
ПЛИТЫ
Национальная академия природоохранного и курортного строительства, Симферополь
sintsov_a.v@mail.ru, sin59@bk.ru
Аннотация. В работе приведены данные исследований напряженно-деформированного состояния (НДС) элементов составной деревянной балки со стенкой из OSB и нагельными соединениями с поясами. Разработаны новые конструктивные решения составных деревянных балок со стенкой из OSB и нагельным соединением деревянных полок со стенкой Представлена инженерная методика расчета составных деревянных балок со стенкой из OSB.
Ключевые слова: каркасная технология строительства малоэтажных зданий, составная деревянная балка со стенкой из OSB, нагельные соединения OSB и деревянных брусков.
Abstract. This research focuses on the strength and stiffness of a new structural component of the beam shape and the establishment of its design features. The formulas for determining the shear force, taking into account the work trunnel ties, and for part of deflection composed wooden beams loaded system power. Refined engineering design procedure composite wooden beams to the wall with OSB and trunnel connection with the wall.
Key Words: frame technology of construction of low-rise buildings, composed wooden beams with a wall of OSB, OSB trunnel connections and wooden bars.
Постановка задачи. Деревянный каркасный дом является одним из лучших изобретений архитектурной мысли человека. Деревянные и фахверковые дома были широко распространены в средневековой Западной Европе. Именно они создают неповторимый колорит маленьких городков Швейцарии, Германии, Бельгии, Нидерландов. На сегодняшний день в Крыму и многих областях России активно развивается данная отрасль строительства -каркасное домостроение малоэтажных зданий с применением деревянных составных двутавровых балок и стоек.
Опыт применения клееных деревянных балок показывает, что их надежность зависит от качества склейки и тщательного соблюдения технологического процесса изготовления в специальных цехах с необходимым дорогостоящим оборудованием при качественной сушке пиломатериалов. Одним из путей снижения трудовых и материальных затрат является широкое применение в малоэтажном строительстве составных деревянных конструкций со стенкой из плиты OSB (Oriented Strand Board -ориентированно-стружечная плита) с нагельным соединением с полками. В отличии от других плитных материалов OSB обладает способностью удерживать крепёж не связующим, а характером укладки щепы, многочисленными тонкими щепами, ориентированными в плоскости, перпендикулярной к оси крепёжных элементов [5].
На кафедре МДК НАПКС разработана конструкция составной деревянной двутавровой балки, в которой в качестве стенки применен материал OSB (oriented strand board). Вместе с тем особенности поведения составных деревянных балок со стенкой из плиты OSB с нагельными соединениями при воздействии статических кратковременных нагрузок исследованы недостаточно и требуют проведения дополнительных специальных исследований [2,3,6].
Цель работы и методы исследований. Цель работы: определения напряженно-деформированного состояния (НДС) составной двутавровой (коробчатой) балки со стенкой из OSB с учетом механических характеристик элементов и податливости соединений.
При выполнении исследований были применены следующие методы:
• численные методы строительной механики и теории упругости при моделировании рациональной конечно -элементной модели составной деревянной балки со стенкой из OSB с нагельными соединениями поясных деревянных брусков;
• экспериментальный метод, в частности тензометрический метод для определения внутренних деформаций в элементах составной деревянной балки со стенкой из OSB;
• механические методы испытания элементов конструкций нагрузкой;
• методы математической статистики при обработке результатов экспериментов.
Исследовательская часть. Для определения несущей способности нагеля в «двухсрезном» соединении - деревянные бруски - лист OSB проведены экспериментальные и численные исследования. Экспериментально - теоретическим методом и на компьютерных моделях узлов соединения, которые разработаны с использованием программного комплекса «Лира 9.6» [4], были получены значения несущей способности нагелей FI-n и верхней границы упругих деформаций 5i-n. В результате проведенных исследований получены коэффициенты для расчета несущей способности нагельных соединений листов с деревянными брусками при работе на срез:
• коэффициент из условия изгиба нагеля для одного среза - K = 0,36;
• коэффициент из условий из условия смятия OSB для одного среза - кх = 0,565.
Для определения НДС элементов составной деревянной балки со стенкой из OSB и нагельным соединением с деревянными полками разработана инженерная методика расчета и проведены численные и экспериментальные исследований [2].
В основе инженерной методики расчета составной деревянной балки со стенкой из OSB и нагельными соединениями с поясами лежит необходимость определения момента инерции брутто, приведенного поперечного сечения, в
котором учтены разномодульность элементов составной балки, податливость и шаг нагелей [7-9]:
/ • h 3 E п
т ( м п м Е м > ^ л 2
J X --— +Г •Е n•Af^al
12 Ef f=l 7
где толщина и высота стенки Е /, - модули упругости
материалов,
А г - площадь полки, п - количество полок, у - —— коэффициент,
7 1 + к
п1 ЕмП 1
учитывающий тип и шаг нагелей, к --2-- коэффициент
Ь с
скольжения (податливости), щ - Е7 / - Ед / Е0яь, I я - шаг нагелей, с - погонное
сдвиговое усилие в соединении, Ь - пролет балки.
Далее проверка прочности опасных сечений составной балки по нормальным напряжениям проводим по следующим формулам:
Максимальное напряжение в сжатой зоне в поясных деревянных брусках
М ( й - 2 >
ars
J x
2 J
< R
где Я и - расчетное сопротивление изгибу древесины.
Максимальное напряжение в сжатой зоне стенки у поясных брусков
<Tr1 - ±"
M ( A1 tf J ^
у -а.- —-± 7 1
1 A 1n 2 J 1n J
< R с osb,
Jx
где Al - полная площадь полок брутто, a 1n - полная площадь поясных
брусков нетто, t f - толщина полки, j х - полный момент инерции поясных
брусков брутто, Jb - полный момент инерции поясных брусков нетто, R c osb -
расчетное сопротивление сжатию OSB в плоскости листа.
Максимальные нормальные напряжения в растянутой зоне (по центру тяжести растянутой полки)
M A,
asi-—'У -а< R Р
Jx A 1n
где R р - расчетное сопротивление растяжению древесины. Максимальные касательные напряжения в стенке
_ Qmax ^max т " J,' t
X w
{у - S ^ + S R ср osb
где £ 1 - статический момент полки, £ 3 - статический момент стенки, Яср ояЬ - расчетное сопротивление срезу ОББ в плоскости листа. Шаг стальных нагелей определяем по формуле
j _ П ' T min
ls
Nt
где Tmin - несущая способность нагеля на сдвиг, n - количество рядов нагелей, Расчетное погонное сдвигающее усилие в соединении NT = т ' tw .
Несущая способность нагеля для элементов крепления при простом сдвиге
• из условий изгиба:
T1 = K u ■d н 2 ' ^jßy смOSb
где d - диаметр нагеля, R - расчетное сопротивление по пределу текучести стали.
• из условия смятия наименее прочного из соединяемых элементов:
T2 = k 1' tw' d h rcm osb
где R - расчетное сопротивление смятию материала стенки.
В качестве расчетной величины принимаем минимальное из полученных значений.
Проверка деформативности составной двутавровой балки f = f + f ^ [f ]
J n J m Ja uz j
где f - полная деформация, fm = —V^Ä- - деформация составной
П 48E 1 JxKm
балки цельного сечения, fa = Mh - дополнительная деформация стенки
5 EwAw
балки с учетом податливости соединений, К m= 0.8 - дополнительный понижающий коэффициент к модулю упругости древесины, учитывающий длительность действия нагрузки.
При создании компьютерных моделей составных балок в ПК «ЛИРА -W9.6» применены элементы с физической нелинейностью. Диаграмма для древесины принята по Белянкину - Прагеру, диаграмма для листа OSB3 принята по результатам собственных экспериментальных исследований, диаграмма для металла принята по Прандтлю [1,2,3,5,6]. Процесс разрушения конструкции балки моделировался нелинейными загружениями.
Анализ полученных результатов расчетов компьютерных моделей позволил выявить определенные закономерности:
• максимальных значений нормальные продольные напряжения в стенке достигают в зонах приложения нагрузки бх = -11,7 (-14,05)...+10,92 (9,93) мПа;
• касательные напряжения в стенке достигают максимального значения в сечении, удаленном от опоры на расстоянии 5 см в средней части по высоте сечения тху = -3,08 мПа.
Результаты численных исследований показывают проблемные зоны с повышенными значениями напряжений в элементах составных балок (рис. 1):
• элементы верхнего и нижнего поясов в пролете;
155
• элементы стенки в при опорной зоне и у мест приложения нагрузки;
• зоны максимальных сдвигающих усилий по границе контакта «полка - стенка».
1.Расчета*
- у5яо«нто* !Ы
- ЗагГ/«ккй 1
- .нелинейность
*- Шаговый Ресурс:
- Диск.память 5.560 Н
- Гг1-мч расчет« 1-1 мин
РЛЗРУНЕНКЯ: Раэрувски» цент ■
Рисунок 1 - Картина разрушения стенки в местах приложения внешней нагрузки (случай нагружения двумя силами) и опорных сечениях.
При проведении экспериментальных исследований определения НДС элементов составной деревянной балки со стенкой из OSB и нагельным соединением с деревянными полками выбран метод тензометрии с установкой индикаторов часового типа, который позволяет составить количественную картину напряжений и перемещений в исследуемых сечениях образца. Испытанию подвергались натурные конструкция, что давало возможность сохранить все физические явления, происходящие в ней при нагружении (рис.2).
Рисунок 2 - Испытательный стенд с экспериментальным образцом. Нагружение производилось гидравлическим домкратом
Построенные по обработанным результатам графики прогибов срединных сечений балок от нагрузки, подчеркивают четкую зависимость -жесткость составной балки с нагельными соединениями стенки с полками и стенкой из OSB выше чем меньше шаг нагелей.
Получены различные виды разрушения составных деревянных балок, при этом места разрушения элементов и их характер схож с результатами полученными при проведении численных исследований:
• образование трещины в стенке из OSB в растянутой зоне в пролете балки в районе ребра жесткости в месте передачи нагрузки;
• образование трещины в сжатой зоне стенке из OSB у верхнего пояса в районе ребра жесткости в месте передачи;
• разрушение сжатых полок с образованием пластической складки при потери устойчивости балок;
• трещина в растянутых брусках нижнего пояса в местах дефектов и по некачественному клеевому шву.
• реализация той или иной формы разрушения зависит от шага нагелей, толщины стенки и поперечных размеров поясов.
Для подтверждения достоверности результатов провели расчет по инженерной методике составных двутавровых балок Б-4 и Б-5, у которых нагели установлены с шагом 50 мм и 37,5 мм, для которых ранее были выполнены численные и экспериментальные исследования. Результаты исследований сведены в таблицу 1.
Таблица 1 - Сравнительные результаты исследований
№ балки Расчетные показатели Инженерная методика Численные исследование Экспериментальные исследование
F, кН 15 15 15
Mmax, КН*СМ 625 625 625
Qmax, кН 7.5 7.5 7.5
G max стенка, мПа -13,15 -14,05 -
G в стенке у полки, мПа -8,16 -7,5/7,7 -7,7
Б-4 G max полка, мПа 9,83 9,2 9,0
т max стенка, мПа 3,097 3,3 -
принятый/расчетн. шаг нагелей, см 5/4,85 5 5
прогиб, см 1,49 1,42 1,4
F, кН 15 15 15
Mmax, кН*сМ 625 625 625
Qmax, кН 7.5 7.5 7.5
G max стенка, мПа -11,67 -14,24 -
G в стенке у полки, мПа 7,34 4.6 5,9
Б-5 G max полка, мПа 11,16 10,96 7,8
т max стенка, мПа 3,19 4,6
принятый/расчетн. шаг нагелей, см 3,75/3,85 3,75 3,75
прогиб, см 1,299 1,25 1,2
Как видно, из анализа данных таблицы 1 расхождения в результатах теоретических, численных и экспериментальных исследований на отдельных участках по длине балки составляли 15.. .25%.
Выводы. Разработаны новые конструктивные решения составных деревянных балок со стенкой из OSB и нагельным соединением деревянных полок со стенкой, защищенные патентами Украины.
Уточнены механические характеристики плит OSB, предложена модель для расчета плиты OSB.
Уточненная инженерная методика расчета опасных сечений составных деревянных балок со стенкой из OSB, позволила определить ее несущую способность и проверить деформативность с учетом податливости нагельных соединений деревянных полок со стенкой.
Выполненное сопоставление результатов проведенных исследований показало близость полученных результатов, что позволяет сделать вывод о возможности применения при проектировании уточненной инженерной методики для расчета составных деревянных балок со стенкой из OSB и нагельными соединениями поясов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Кириленко, В. Ф. Расчетная модель ориенированно-стружечной плиты как конструкционного материала в несущих и ограждающих конструкциях [Текст] / В. Ф. Кириленко // Современные строительные конструкции из металла и древесины : сб. научн. тр. / ОГАСА. - Одесса, 2010. - Вып. 14 (2). - С. 68 - 71.
2. Коченов, В. M. Несущая способность элементов и соединений деревянных конструкций [Текст] / В. М. Коченов. - М. : Госстройиздат, 1953. - 226 с.
3. Лоскутова, Д.В. Экспериментальные исследования напряженно-деформированного состояния древесины в зоне контакта с нагелем [Текст] / Д.В. Лоскутова // Вестник ТГАСУ. -Тамбов, 2008. - № 1. - С. 92 - 96.
4. ООО «Лира софт», Украина, Киев «ПК Лира 9.6»; Сертификат соответствия: № РОСС RU^n15^00315 с 01.07.2010 по 30.06.2012 №0005618.
5. Ориентировано-стружечная плита в деревянно-каркасном строительстве. OSB Качество по заказу [Текст] : [русское издание] / - Ontario. Canada : Structural Board Association, 2008. - 68 с. - ISBN 1-896479-06-5.
6. Пуртов, В.В. Исследования соединений деревянных элементов на металлических пластинах с зубьями-дюбелями на действие длительной нагрузки [Текст] / В. В. Пуртов В.В., Е. Л. Прижукова // Изв. вузов. Строительство. - 2004. - №6. - С. 130-134.
7. DIN 1052:2004-08. Entwurf, Berechnung und Bemessung von Holzbauwerken - Allgemeine Bemessungsregeln und Bemessungsregeln fur den Hochbau. (DIN 1052:2004 (E)) [Текст]. - DIN Deutsches Institut fur Normung e.V. Normenausschuss Bauwesen (NABau) im DIN. 10772 Berlin. - 235 s.
8. «Les pouters bois profilees a ame contreplaque» Conception fabrication, mise wuvre. Série: technique gén érale de la construction 100. De Linstitut technique du batiment et des travaux publics. № 458 - Paris, 1987. - Р. 1-51.
9. Smith I. Design Method for Connections in Engineered Wood Structures/ Ian Smith, Andi Asiz, Monica Snow/ Faculty of Forestry and Environmental Management University of New Brunswick, Fredericton, 2006. - 80 p.
