CC BY
31
УДК 624.012.35
С. С. Гомон, А. П. Павлюк
РАБОТА БАЛОК ИЗ ЦЕЛЬНОЙ И КЛЕЕНОЙ ДРЕВЕСИНЫ ПРИ КОСОМ ИЗГИБЕ
UDC 624.012.35
S. S. Gomon, A. P. Pavluk
WORKING PECULIARITIES OF SOLID AND GLUED LAMINATED WOOD BEAMS UNDER THE EFFECT OF SLANTING BEND
Аннотация
Изложены методика и результаты экспериментальных исследований работы балок из цельной и клееной древесины при действии косого изгиба. Проанализированы и обобщены возможности материала и особенности работы элементов из древесины.
Ключевые слова:
древесина, несущая способность, косой изгиб, деформации, напряжения, жесткость.
Abstract
The article presents the methods and results of experimental studies of the work of beams made of solid and glued wood under the effect of slanting bend. The possibilities of the material are analyzed and generalized as well as the working characteristics of wood elements.
Key words:
wood, bearing capacity, slanting bending, strain, stress, stiffness.
Введение
Современное строительство, которое ведется в нынешних условиях в больших масштабах, выступает одной из наиболее материалоёмких отраслей. Поэтому для уменьшения материалоёмкости строительства необходимо использование легких материалов, в том числе древесины. Рост объемов применения древесины в разных частях зданий и сооружений требует проведения новых экспериментальных исследований элементов деревянных конструк-
© Гомон С. С., Павлюк А. П., 2017
ций, работающих в условиях сложного напряженного состояния. Как известно, одним из наиболее распространенных видов работы конструкций зданий и сооружений является изгиб, который в зависимости от направления действия нагрузки относительно главных осей сечения элемента может быть прямым или косым [1]. Прямой изгиб балок из цельной и клееной древесины при воздействии одноразовых, длительных, повторных нагрузок, различных темпера-турно-влажностных факторов исследо-
ван в достаточно полной мере [2-6]. Тогда как косой изгиб требует более глубокого изучения.
Основная часть
В существующих нормах [7, 8] при расчете нормальных напряжений при косом изгибе принято, что направление действия нагрузки (силовая линия) проходит через ось балки. При этом изгибающий момент, возникающий в поперечном сечении балки, согласно принципу независимости действия сил, можно разложить на два момента, действие которых прикладывают через главные оси сечения. Таким образом, косой изгиб рассматривают как совместное действие двух плоских изгибов во взаимно перпендикулярных плоскостях [9].
В реальных условиях эксплуатации далеко не всегда направление дей-
Балки Б-1...Б-8 изготовлялись из цельной древесины длиной 1650 мм, тогда как балки БДК-1...БДК-4 - из клееной древесины длиной 3000 мм. Нагруз-
ствия силы проходит через геометрический центр поперечного сечения элемента. В этих случаях на балку действует пара противоположно направленных сил, которые вызывают, кроме косого изгиба, возникновение крутящего момента. Вместе с тем балки и при прямом изгибе также могут подвергаться воздействию косого деформирования из-за различной плотности, дефектов и анизотропии древесины, неточности при изготовлении и монтаже.
Учитывая вышеизложенные факты, было принято решение сначала провести испытания балок из цельной древесины при различных видах опирания и приложения нагрузки, обеспечивающих работу балок в чисто косом изгибе, для определения оптимальной схемы. Разделение балок на серии, названия опытных образцов, их углы наклона при испытании приведены в табл. 1.
ка на балки прикладывалась двумя сосредоточенными силами в средней трети пролета. Испытания всех опытных образцов проводились согласно [10]. Раз-
Табл. 1. Разделение образцов на серии
Серия Группа Угол наклона, град Название образца Размер образцов, мм
1 2 3 10 25
+ - - + - Б-1 50,1 х 80,1
+ - - + - Б-2 50,1 х 80,1
- + - + - Б-3 50,2 х 79,9
1 - + - + - Б-4 50,1 х 80,1
- - + + - Б-5 50,8 х 80,1
- - + + - Б-6 50,8 х 80,2
- + - - + Б-7 50,2 х 80,1
- + - - + Б-8 49,9 х 80,2
- + - + - БДК-1 100,1 х 150,1
2 - + - + - БДК-2 100,1 х 149,9
- + - - + БДК-3 100,0 х 150,2
- + - - + БДК-4 100,2 х 150,1
деление образцов на группы в зависимости от характера опирания и приложения нагрузки выполнялось в соответствии с [11].
На основе проведения испытаний трех групп образцов первой серии была выбрана оптимальная схема опирания балки и приложения нагрузки, соответ-
ствующей второй группе, поскольку устройство связей не только ограничивало деформации кручения, но и увеличивало их несущую способность. Затем была исследована работа балок из клееной древесины при углах наклона 10 и 25°. Схема опытной установки при этом приведена на рис. 1.
Рис. 1. Схема испытаний балок из клееной древесины второй серии
Нагрузка при исследовании балок прикладывалась ступенями. Размер ступени роста усилия при нагрузке образцов принят не более 0,08 разрушающего усилия. На каждой ступени нагрузки проводились замеры со всех измерительных приборов (динамометра, про-гибомеров и тензодатчиков). Прогибы измерялись в направлениях осей у-у и 2-2. После обработки экспериментальных данных строились графики зависимости полных прогибов балок от изгиба-
ющих моментов и контролировалась величина загрузки, при которой наступал предельный прогиб согласно действующим нормам [7, 8, 12]. Величины прогибов фиксировались от начала приложения нагрузки до достижения 80 % от предполагаемой разрушающей силы, после чего прогибомеры снимались. Значения полных прогибов вычислялись по формуле
w = * lw2y + w2z,
(1)
где Wy - прогиб в плоскости y-y, мм; Wz - прогиб в плоскости z-z, мм.
Предельные значения прогибов составляли:
- для балок первой серии
l 1500 _
wfn =-=-= 10 мм;
f 150 150
- для балок второй серии
l 2700
wfin =
150 150
■ = 18 мм ■
Как видно из диаграммы деформации, прогибы балок третьей группы Б-5 и Б-6 (поперечное сечение - параллелограмм) больше по сравнению с прогибами балок первой группы Б-1 и Б-2 (прямоугольное поперечное сечение). Поэтому можно сделать вывод, что подрез балок по всей длине для обеспечения чистого косого изгиба без кручения [9] является нецелесообразным и неэффективным по сравнению с балками прямоугольного сечения с подкладками. Из графика также видно, что прогибы балок второй группы меньше по сравнению с прогибами других балок.
В связи с чем можно считать, что сечение балок второй группы и устройство дополнительных связей эффективны, поскольку наблюдается уменьшение деформации и увеличение несущей способности изгибаемых элементов, находящихся в условиях косого изгиба.
На рис. 2 приведены графики изменения полных прогибов балок первой серии в зависимости от прироста изгибающих моментов.
На основе построенных графиков определялись значения изгибающих моментов, при которых наступали предельные прогибы (табл. 2).
Величины относительных деформаций различных слоев древесины по высоте балок фиксировались с помощью тензодатчиков и тензометрической системы СИИТ-3. Датчики наклеены посередине пролета балки по периметру сечения. Диаграммы деформирования различных слоев древесины сжатой и растянутой зон на примере балок Б-3, Б-5 и Б-7 первой серии приведены на рис. 3-5. Справа от диаграмм показаны схемы расположения датчиков и их номера.
ю
20
30 40
Прогиб, мм
50
-О-Б-1 -О-Ь-2 -Û-Б'З -Х- Б- 4 —Ж— Б-5 -О-Б-6
Рис. 2. График изменения полного прогиба балок первой серии
Табл. 2. Моменты при предельных прогибах балок первой серии
Балка Предельный прогиб, мм Изгибаемый момент, кНм
Б-1 1,03
Б-2 1,25
Б-3 2,1
Б-4 10 2,2
Б-5 0,65
Б-6 0,8
Б-7 1,57
Б-8 1,7
растянутая зона
Л £
сжатая зона
-60
-40
-20
20
40
60
Деформации, и10-4
-О-Д-28 —X— Д-22 -Ж-Д-21 -А-Д-7 -О-Д-8 —Д-14
Рис. 3. Диаграмма деформирования различных слоев древесины сжатой и растянутой зон балки Б-3 при угле наклона 10°
-100
растянутая зона сжатая зона
-4т5-
Деформации, и-10-4
■Д-15
■Д-7 -Ж-Д-20
■Д-0
■ Д-24
■Д-13
■Д-17
■Д-18
Рис. 4. Диаграмма деформирования различных слоев древесины сжатой и растянутой зон балки Б-5 при угле наклона 10°
растянутая зона сжатая зона
к
и
н я
-50 -40
■Д-3 -О-Д-5
-20 0 20
Деформации, и-10"4
40
60
■Д-б -Х-Ц-9
■Д-23
■Д-16 —д-18
■Д-26
Рис. 5. Диаграмма деформирования различных слоев древесины сжатой и растянутой зон балки Б-7 при угле наклона 25°
Положение нейтральной линии в сечении косоизгибаемых образцов балок определяли с помощью линейной интерполяции по полученным экспериментальным значениям деформаций различных слоев древесины, т. к. этот способ является наиболее традиционным [11].
Результаты испытаний показали, что на всех уровнях загрузки балок нейтральная линия меняла свое поло-
жение в сторону увеличения площади сжатой зоны с поворотом в направлении наиболее удаленного растянутого слоя древесины. За счет этого площадь сжатой зоны в течение загрузки опытного образца от начала до разрушения увеличивалась несущественно (до 5 %). Изменение положения нейтральной линии для балок Б-1, Б-3, Б-5 и Б-7 отображено на рис. 6.
Рис. 6. Изменение положения нейтральной линии для балок: а - Б-1; б - Б-3; в - Б-5; г - Б-7
Угол наклона нейтральной линии к горизонтальной оси в течение загрузки экспериментальных балок первой и второй групп уменьшался, для балок третьей группы, наоборот, увеличивался. Это можно объяснить различными формами поперечного сечения элементов, подвергающихся воздействию косого изгиба. В первом случае - это пря-
моугольник, во втором - параллелограмм.
Все балки из цельной древесины разрушались в зоне чистого изгиба. Средний разрушающий момент балок первой серии первой группы составил 4,125 кНм, второй группы - 5,5 кНм, третьей - 4,187 кН- м.
По результатам испытаний первой
серии балок было установлено, что оптимальной схемой для проведения дальнейших испытаний образцов из клееной древесины выступает схема испытаний, принятая в исследованиях второй группы с использованием устройства связей в местах опирания и приложения нагрузки. Графики измене-
ния полных прогибов от уровня изгибающих моментов приведены на рис. 7.
Во второй серии испытаний, как и в первой, была определена величина нагрузки, при которой достигается предельный прогиб. Для балок из клееной древесины эти значения приведены в табл.3.
к
и
н я
-О-БДК-1 -Х-БДК-4
1С- 20
Прогиб, мм
-О-БДК-2
—Я^БДК-5 (прямой шгпб;
25
30
35
■БДК-3
■БДК-6 (пряной шгаб)
Рис. 7. Изменение полных прогибов балок второй серии под нагрузкой
Табл. 3. Моменты при предельном прогибе балок второй серии
Балка Предельный прогиб, мм Изгибаемый момент, кНм
БДК-1 7,2
БДК-2 18 8,28
БДК-3 10,35
БДК-4 10,8
Разрушение образцов второй серии было хрупким и начиналось с разрушения крайней растянутой доски в зоне чистого изгиба. В процессе испытаний проводились визуальное наблюдение и фотофиксация деформирования исследуемых балок. Разрушающий момент для дощатоклееных балок БДК-1 и
БДК-2 при угле наклона 10° составляет 17,1 и 17,33 кНм, для балок БДК-3 и БДК-4 при угле наклона 25° - 17,55 и 17,82 кНм соответственно.
Диаграммы деформирования до-щатоклееных деревянных балок БДК-1 и БДК-3 приведены на рис. 8 и 9.
Деформации, и-10"4
■ 14
■ 20
■ 25
■ 34
■ 45
■ 37
Рис. 8. Диаграмма деформирования различных слоев древесины сжатой и растянутой зон балки БДК-1 при угле наклона 10°
Деформации, и-10"4
-0-25 -П-22 -Х-8 НК-26 —¿9 —45 -0-4 -А-б
Рис. 9. Диаграмма деформирования различных слоев древесины сжатой и растянутой зон балки БДК-3 при угле наклона 25°
Нейтральная линия всех исследовательских дощатоклееных деревянных балок, как и в балках первой серии, в течение возрастания нагрузки меняла свое положение в сторону увеличения
площади сжатой зоны, при этом наблюдался незначительный ее поворот. Положение нейтральной линии для балок БДК-1 и БДК-3 при различных уровнях нагрузки отображено на рис. 10.
Выводы
В результате экспериментальных исследований были получены новые данные о несущей способности и деформа-тивности при работе балок из цельной и клееной древесины в условиях косого изгиба. На основе этих исследований можно сделать следующие выводы:
- средний разрушающий момент балок первой серии первой группы составляет 4,125 кНм, второй группы -5,5 кНм, третьей - 4,187 кНм под углом наклона 10°;
- средний разрушительный момент балок второй серии составляет 17,22 кН м под углом наклона 10° и 17,69 кНм под углом наклона 25°;
- установлен характер разрушения деревянных балок, находящихся в условиях работы при действии косого изгиба под углами наклона 10 и 25°;
- сечение балок третьей группы в виде параллелограмма из-за больших значений прогибов менее эффективно по сравнению с сечением балок первой и второй групп;
- устройство связей в местах приложения нагрузки является эффективным путем для уменьшения деформаций и увеличения несущей способности изгибаемых элементов при действии косого изгиба;
- предложена методика определения положения нейтральной линии балок при косом изгибе;
- установлено изменение положения нейтральной линии балок из цельной и клееной древесины при косом изгибе, при углах наклона 10 и 25° от начала нагрузки и до разрушения.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Дарков, А. В. Сопротивление материалов / А. В. Дарков, Г. С. Шпирко. - Москва : Высшая школа, 1975. - 654 с.
2. Тутурин, С. В. Механическая прочность древесины : дис. ... д-ра техн. наук : 01.02.04 / С. В. Тутурин. - Москва, 2005. - 318 л.
3. Гомон, С. С. Работа изгибаемых элементов из клееной древесины при малоцикловых нагрузках / С. С. Гомон, Т. А. Сасовский // Вестн. Белорус.-Рос. ун-та. - 2016. - № 1 (50). - С. 130-139.
4. Масалов, А. В. Трещиностойкость изгибаемых клеенных деревянных элементов : дис. ... канд. техн. наук : 05.23.01 / А. В. Масалов. - Воронеж, 1992. - 137 л.
5. Антипов, Д. В. Прочность и деформативность клеедеревянной балки с учетом времени, влажности и температуры эксплуатации : дис. ... канд. техн. наук : 05.23.01 / Д. В. Антипов. - Воронеж, 2010. - 173 л.
6. Делова, М. И. Деформирование изгибаемых клеенных деревянных элементов при статическом нагружении : дис. ... канд. техн. наук : 05.23.01 / М. И. Делова. - Курск, 2001. - 270 л.
7. ДБН В.2.6-161:2010. Конструкцп будиншв i споруд. Дерев'яш конструкцп. Основш поло-ження. - Ки!в : Укрархбудшфо, 2011. - 102 с.
8. Eurocode 5. Design of timber structures. Part 1.1 : General rules and rules for buildings. - 1995. - 124 p.
9. Гомон, С. С. Робота дерев'яних балок в умовах косого згину / С. С. Гомон, А. П. Павлюк // Ресурсоекономш матерiали, конструкцп, будiвлi та споруди. - Рiвне : НУВГП, 2015. - Вип. 31. -С. 422-428.
10. Павлюк, А. П. Методика дослщження балок з цшьно! та клеено! деревини в умовах косого згину / А. П. Павлюк, С. С. Гомон // Ресурсоекономш матерiали, конструкцп, будiвлi та споруди. -Рiвне : НУВГП, 2016. - Вип. 32. - С. 231-236.
11. Гомон, С. С. Змша положення нейтрально! лшп балок з цшьно! деревини за косого згину в залежносл вщ характеру опирання i прикладення навантаження / С. С. Гомон, А. П. Павлюк, М. В. Полщук // Будiвлi та споруди спещального призначення: сучасш матерiали та конструкцп. - Ки!в : КНУБА, 2016. - С. 120-127.
12. ДСТУ Б В.1.2-3:2006. Система забезпечення надшносп та безпеки будiвельних об'ектш. Прогини та перемщення. - Ки!в : Мшбуд Укра!ни, 2006. - 30 с.
Статья сдана в редакцию 24 апреля 2017 года
Святослав Степанович Гомон, канд. техн. наук, доц., Национальный университет водного хозяйства и природопользования. Тел.: +380-679-15-86-50.
Андрей Павлович Павлюк, аспирант, Национальный университет водного хозяйства и природопользования. Тел.: +380-964-49-61-68.
Svyatoslav Stepanovich Gomon, PhD (Engineering), Associate Prof., National University of Water and Environmental Engineering. Phone: +380-679-15-86-50.
Andrei Pavlovich Pavluk, PhD student, National University of Water and Environmental Engineering. Phone: +380-964-49-61-68.
