CC BY
43УДК 624.97.014.2
СОСТАВНЫЕ ДЕРЕВЯННЫЕ БАЛКИ ДЛЯ СТРОИТЕЛЬСТВА ЗДАНИИ ПО
КАРКАСНОЙ ТЕХНОЛОГИИ
Синцов А.В.
Академия строительства и Архитектуры, ФГАОУ ВО «КФУ им. В.И. Вернадского» Адрес: г. Симферополь, ул. Киевская, 181 е-таП: [email protected]
Аннотация: Составные стержни из древесины представляют собой особый тип конструкций, характер работы которых качественно отличается от подобных стержней из других строительных материалов. Их специфика заключается в том, что механические связи, соединяющие отдельные слои, являются податливыми. Это вносит существенные особенности при расчете таких конструкций. Статья посвящена исследованиям напряженно-деформированного состояния составных деревянных балок со стенкой из ориентировано-стружечной плиты (ОСП). Представлено конструктивное решение составной балки и результаты экспериментальных и численных исследований ее работы под нагрузкой. Ключевые слова: составная деревянная балка, пояса из древесины, плита ОББ, метод конечного элемента, расчетная модель.
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время в Крыму развивается отрасль строительства - строительство малоэтажных зданий, как в жилищном секторе, так и в области возведения производственных зданий различного назначения. При расходовании на нужды малоэтажного строительства огромных объемов материальных и энергетических ресурсов повышение эффективности их использования приобретает существенное значение и становится важной
народнохозяйственной проблемой.
Деревянный каркасный дом является одним из лучших изобретений архитектурной мысли человека. Этот выбор обусловлен постоянно растущими требованиями западных потребителей к экологичности, энергосберегаемости и
комфортабельности жилья. Современный опыт малоэтажного строительства в нашей стране и за рубежом показывает, что наибольшим спросом на рынке недвижимости пользуются строительные конструкции, выполненные из экологически чистых материалов, в частности из цельной древесины [3, 12, 18].
Составные стержни из древесины представляют собой особый тип конструкций, характер работы которых качественно отличается от подобных стержней из других строительных материалов. Их специфика заключается в том, что механические связи, соединяющие отдельные слои, являются податливыми. Это вносит существенные особенности при расчете таких конструкций [4, 7, 8,14].
АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА
В 80-х годах XX века, когда в Японии только начинали строиться первые деревянно-каркасные дома, консервативное население этой страны неохотно их приобретало. Однако, после крупного землетрясения в Киото, которое обернулось настоящей катастрофой для населения Японии, каркасные дома остались одними из немногих зданий, которые не подверглись разрушению,
доказав тем самым полную безопасность для проживающих в них людей и прочность своей конструкции. С тех пор более 75 % населения Японии выбирают именно деревянно-каркасные дома [18].
Рис. 1. Двухэтажное здание с деревянным каркасом
Основой домов, построенных по деревянно-каркасной технологии, является двутавровая балка, изготовленная в заводских условиях из деревянного клееного бруса и плиты OSB (oriental strand board) или ОСП (ориентировано - стружечная плита). Высокая механическая прочность и устойчивость к внешним воздействиям (в том числе влаги) позволяет использовать OSB в любой сфере хозяйственной деятельности. Для изготовления OSB используется тонкомерная и неделовая древесина хвойных пород, быстрый рост которых обеспечивает получение недорогого сырья [5,6].
Одним из путей снижения трудовых и материальных затрат является широкое применение в малоэтажном строительстве составных деревянных индустриальных конструкций с использованием нагельных соединений. Для применения в качестве несущих элементов каркаса были разработаны двутавровые и коробчатые балки деревянные балки, в которых соединение
деревянных поясов со стенкой из 08Б выполнено металлическими нагелями - анодированными саморезами. Такие деревянные балки -конструкционный элемент, применяемый для строительства домов по каркасной технологии, устройства перекрытий, конструкций крыш и мансард. Формула «дерево + 08Б + дерево» позволяет избежать недостатков, присущих древесине, а благодаря двутавровому и коробчатому сечениям достигаются высокие прочностные характеристики элемента [6,10,11,13].
ЦЕЛЬ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
Цель расчета - определение напряженно -деформированного состояния элементов составной двутавровой деревянной балки, изготовленной из деревянного бруса - пояса и плиты 08Б - стенка, соединение поясов со стенкой - стальные нагели (рис.2) [1,2,10].
Рис. 2. Поперечное сечение составной балки
Для численных исследований были созданы компьютерные модели составных балок в программном комплексе «Лира», возможности которого, позволяют по результатам расчета при отображении напряженно-деформированного состояния объекта произвести детальный анализ полученных данных по полям перемещений и напряжений, по эпюрам усилий и прогибов, по мозаикам разрушения элементов, по главным и эквивалентным напряжениям и по многим другим параметрам [20].
Расчетная модель составной балки (рис.2) с поясами из деревянных брусков соединенных со стенкой из 08Б на шурупах создана из пластинчатых элементов. Жесткостные
характеристики элементов балки приняты - для поясов сечением Ип= 35 мм и Ь=80 мм - дерево сосна 2-го сорта, для стенки - плита 08Б толщиной 5 = 10 мм и высотой Ист = 180 мм, стальные нагели диаметром 6 мм [9,7,15,19].
Расчетная схема балки - балка на двух опорах загруженная сосредоточенной силой в середине пролета. Размеры элементов расчётной модели приняты по осям конструктивных элементов [4,1618].
Первоначально в качестве основного элемента для создания расчетной модели принят конечный элемент 41 - элемент для создания оболочки, и прочих пластинчатых конструкций, металлические нагели также создавались на основе данного конечного элемента [20].
Задача решалась в упругой и нелинейной постановках, при этом элементам 41 присваивалась жесткость 241, которая позволяла учитывать закон деформирования материалов элементов составной двутавровой балки со стенкой из плиты 08Б. Для определения характеристик плиты 08Б были предварительно проведены экспериментальные исследования по определению механических характеристик - модуля упругости и коэффициента Пуассона по разным направлениям - вдоль волокон, поперек волокон и под углом 450 [5,9,15].
ОСНОВНОЙ РАЗДЕЛ С РЕЗУЛЬТАТАМИ
Результаты численных исследований в виде эпюр и изополей нормальных напряжений Бх представлены на рис. 3, 4, 5. По величине нормальные продольные напряжения Бх в стенке в месте приложения нагрузки в пролете достигают максимальных сжимающих значений Бх =7,987 мПа у верхнего пояса и максимальных растягивающих значений Бх = 4,276 мПа у нижнего пояса. Как видно из мозаики наибольшие значения напряжений располагаются в вокруг стального нагеля Бх = -55...-62,7 мПа, что многократно превышает расчетное сопротивление материала стенки. Вследствие этого в местах расположения стальных нагелей возможно смятие материала стенки и изгиб стальных нагелей.
Результаты численных исследований в виде эпюр и изополей нормальных поперечных напряжений Бу представлены на рис. 5, 6. По величине нормальные поперечные напряжения Бу в стенке в опорном сечении достигают максимальных сжимающих значений Бу =-9,929 мПа в области нижнего пояса, а в месте приложение внешней нагрузки Бу =-12,77 мПа.
Касательные напряжения представлены на рис. 7,8 и имеют максимальные значения в опорном сечении в стенке в нижней ее части у нижнего пояса и достигают величины тху = -6,087 мПа. По мере удаления от опорного сечения эпюра касательных напряжений выравнивается и принимает привычный вид и на расстоянии 10 см от опорного сечения величина тху=.-3,44 мПа, на расстоянии 24 см от опорного сечения величина тху= -3,08 мПа.
Результаты численного эксперимента при нелинейном нагружении представлены картиной возможного разрушения и отображены на рис.9.
По характеру распределения напряжений в элементах балки можно сказать следующее:
- нормальные продольные напряжения Бх в стенке достигают максимальных сжимающих значений Бх = -7,987 мПа у верхнего пояса в месте приложения нагрузки в пролете приближаясь по значению к расчетному сопротивлению материала стенки. Однако из эпюр нормальных напряжений
наибольшие значения напряжений располагаются в вокруг стального нагеля и составляют Бх = -55...-62,7 мПа, что многократно превышает расчетное сопротивление материала стенки.
- нормальные поперечные напряжения Бу в стенке достигают в опорном сечении максимальных сжимающих значений Бу = -9,929 мПа в области нижнего пояса, а в месте приложение внешней нагрузки Бу = -12,77 мПа приближаясь по значению к расчетному сопротивлению материала стенки.
- касательные напряжения достигают максимального значения тху = -6,087 мПа в опорном сечении в стенке в нижней ее части у нижнего пояса. По мере удаления от опорного сечения эпюра касательных напряжений выравнивается, величина напряжений составляет тху=.-3,44 ...-3,08 мПа, что ниже уровня продольных и поперечных нормальных напряжений в элементах стенки в 2-4 раза.
ВЫВОД
Численные исследования показали
распределение напряжений в элементах балки по длине и по сечению, а также возможные участки разрушения одного из элементов составной деревянной балки - стенки из 08Б, соединенной с поясами металлическими нагелями, а также сделать вывод, что они удовлетворяют требованиям первой и второй группам предельных состояний, что дает возможность использовать их в качестве несущих элементов деревянного каркаса здания.
Учитывая, что прочность стенки из 08Б несколько ниже прочности полок, выполненных из древесины, при расчете и конструировании балок такого типа необходимо усилить опасные участки стенки установкой деревянных ребер либо увеличением толщины стенки путем наклейки дополнительных листов 08Б.
¡ступень
Изоголя напряжений по № Единицы измерения - МПа
Рис. 3. Изополя нормальных продольных напряжений Бх в стенке составной балки.
Рис. 4. А - эпюра нормальных продольных напряжений Бх в стенке в сечении, где приложена внешняя сила.
Б - эпюра нормальных продольных напряжений Бх в стенке вокруг стального нагеля.
В - изополя нормальных продольных напряжений Бх в стенке, где приложена внешняя сила.
-20.5 -17.1 -13.7 -10.3 -6.83 -3.42 -0.132 0.132 3.42 6.83 10.3 13.2
1ступень
Изополя напряжений по Ку Единицы измерения - МПа
330
Рис. 5. Изополя нормальных поперечных напряжений Sу в стенке составной балки.
-9.49 -79 -632 -4.74 -3.16 -158 -0.0467 0.0467 1 58 3.16 4.67
1стуПЕнь
Изополя ипршшйт ТХу Едины нмеряга - МПа
■
■
Рис. 6. Изополя касательных напряжений тху в стенке составной балки.
Рис. 7.
А - эпюра нормальных поперечных напряжений Sy в стенке в опорном сечении. Б - изополя нормальных поперечных напряжений sy в стенке опорном сечении. В - эпюра нормальных поперечных напряжений sy в стенке в пролете в месте
О 12.767
-0.090 -0.05
ш
■Г I ¥ Л Г Шк
Рис. 8. А - эпюра касательных напряжений тху в стенке в опорном сечении. Б - эпюра касательных напряжений тху в стенке 10 см от опорного сечения. В - эпюра касательных напряжений тху в стенке 24 см от опорного сечения. Г - изополя касательных напряжений тху в стенке в приопорном отсеке.
Рис. 9. Картина возможного разрушения стенки в местах приложения внешней нагрузки (вариант нагружения балки двумя сосредоточенными силами) и опорных сечениях.
13. Хрулев В.М., Мартынов К.Я., Лукачев СВ.,
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. СП 64.13330.2011 Деревянные конструкции. Актуализированная редакция СНиП 11-25-80 (с Изменением N 1).
2. СП 20.13330.2016 Нагрузки и воздействия. Актуализированная редакция СНиП 2.01.07-85*.
3. Пособие по проектированию деревянных конструкций (к СНиП 11-25-80) / ЦНИИСК им. Кучеренко. - М.: Стройиздат, 1986.
4. Конструкции из дерева и пластмасс. Учебное пособие для вузов /Под редакцией проф. Иванова В. А./ -К: В. Школа,1981-392 с.
5. EN 300. Плиты ориентированно-стружечные. Технические условия.
6. ТУ УВ 2.7-22794685-001.2005. Двутавровые деревянные балки. Технические условия. ООО «ПОЛ и К».
7. Турков А.В. Анализ работы составной балки при усилении строительных конструкций / А.В. Турков, П.А. Гвозков // Изв. ОрелГТУ. Сер. «Стр-во. Траспорт». - 2007. - №1/13 (529). - С. 26-28.
8. Коробко В.И. Коэффициент жесткости составных балок, имеющих возможность свободного сдвига по контактной поверхности / В. И. Коробко, А.В. Турков, П. А. Гвозков // «Проблемы обеспечения безопасности строительного фонда России». - Материалы III международных академических чтений 20-22 мая 2004 г. - Курск, 2004. - С. 116-120.
9. Стоянов В.В. «Экспериментальные исследования двутавровых деревянных балок». Сб. научных трудов «Современные строительные конструкции из металла и древесины». Ч.1. -Одесса, 2005, стр. 208-213.
10. Балка складена. Патент № 42078 бюл.№12 от 25.09.2009.
11. ГОСТ 9622-87. Древесина слоистая клееная. Методы определения предела прочности и модуля упругости при растяжении. - М.: ИПК, 1988.
12. Лисенко Л.М. Дерево в архитектуре. М.: Стройиздат, 1984. 176 с.
Шутов Г.М. Деревянные конструкции и детали. М. Строительство, 1995. 384 с.
14. Ржаницын А. Р., Захаров В.М. Расчет составных стержней из неупругого материала с неупругими связями сдвига. - Строительная механика и расчет сооружений, № 1, с. 16-18.
15. Синцов А.В. К вопросу о работе соединений деревянных брусков с листами OSB. сб. научных трудов ОГАСА. 2011. Том 3 (15). С.203
16. Lewicki B. Budynki mieszkalne z prefabrikatow wielkowy miarowych, - Warszawa, 1964. — 602 s.
17. Rosman R. Statics of Non-symmetric Shearwall Structures. - Proc. Inst, of Civil Eng., 1971, p.p. 211-244.
18. Ярцев В.П. Построечные деревянные конструкции: Учеб. пособие. М.: МИХМ, ТИХМ. 1988.88 с.
19. Бондин В.Ф., Вылегжанин Ю.Б. О прочности на сдвиг клеевых соединений стальных стержней с древесиной //Изв. вузов. Сер. Стр-во и архитектура. - 1976. - №11. - С. 20-24.
20. Пакеты прикладных программ для автоматизированного проектирования конструкций 2006. / М. С. Барабаш, Ю. Д. Гераймович, А. Н. Кекух [и др.]; Под ред. Академика РААСНА. С. Городецкого. - К. : Факт.-210 с.
REFERENCES
1. SP 64.13330.2011 Wooden structures. The updated edition of SNiP II-25-80 (Change No. 1).
2. SP 20.13330.2016 Loads and impacts. The updated edition of SNiP 2.01.07-85*.
3. A manual for design of wooden structures (to SNiP II-25-80) / tsniisk. Kucherenko. - M.: Stroiizdat, 1986.
4. Construction of wood and plastics. Textbook for high schools /Under the editorship of Professor Ivanov, V. A.: V. School,S. 1981-392
5. EN 300. The humidifiers. Specifications.
6. TU SW 2.7-22794685-001.2005. Beam wooden beams. Specifications. OOO "FLOOR".
7. Turkov A.V. analysis of the work of composite beams with strengthening of building constructions / V. A. Turkov, P. A. Guskov, Izv. OrelGTU. Ser. "Construction. Transport". - 2007. - №1/13 (529). - P. 26-28.
8. Korobko V. I. the coefficient for the composite beams with the possibility of free shifting contact surfaces / V. I. Korobko, V. A. Turkov, P. A. Guskov // "problems of ensuring security to the building Fund of Russia". - Proceedings of the III international academic lectures 20-22 may 2004 - Kursk, 2004. - Pp. 116-120.
9. Stoyanov, V. V., "Experimental study of beam wooden beams". SB. scientific works "Modern building constructions of metal and wood". Part 1. - Odessa, 2005, pp. 208-213.
10. Beam scladina. Patent No. 42078 bul.№12 from 25.09.2009.
11. GOST 9622-87. The wood is laminated. Methods for determining the tensile strength and modulus of elasticity in tension. - M.: IPK, 1988.
12. Lysenko L. M. Wood in architecture. M.: Stroyizdat, 1984. 176 p.
13. Khrulev V. M., Martynov K. J., Lukachev ST., Shutov G. M. Wood construction and details. M. Construction, 1995. 384 p.
14. Rzhanitsyn A. R., Zakharov V. M. Calculation of composite rods made of inelastic material inelastic shear links. Construction mechanics and calculation of constructions, № 1, pp. 16-18.
15. Sintsov A.V. To the question about the connections of wooden bars with sheets of OSB. collection of scientific works of OGAS. 2011. Volume 3 (15). P. 203
16. Lewicki B. Budynki mieszkalne z prefabrikatow wielkowy miarowych, - Warszawa, 1964.
— 602 s.
17. Rosman R. Statics of Non-symmetric Shearwall Structures. - Proc. Inst, of Civil Eng., 1971, p.p. 211-244.
18. Yartsev V. P. Building wooden structures: Proc. allowance. M.: Mihm, TIKHM. 1988.88 S.
19. Bondin, V. F., Vylegzhanin Y. B. On the shear strength of the adhesive joints of steel rods with wood, Izv. universities. Ser. The construction and architecture.
- 1976. - No. 11. - S. 20-24.
20. Software packages for computer-aided design 2006. / M. S. Barabash, Y. D., Geraimovich, A. N. Kecoh [et al.]; Under the editorship of Academician RAASN. S. Gorodetsky. - K. : A Fact.-210 C.
Sintsov A.V.
COMPOSITE WOOD BEAMS FOR CONSTRUCTION OF BUILDINGS ON FRAME
TECHNOLOGY
Summary: Composite rods made of wood are a special type of structures, the nature of the work which is qualitatively different from similar rods from other construction materials. Their specificity lies in the fact that the mechanical connection connecting the individual layers are pliable. It introduces the essential features in the calculation of such structures. The article is devoted to research stress-strain state of composite wood beams to the wall of the oriented particle Board (OSB). Presents a constructive solution of composite beams and the results of experimental and numerical studies of her work load. Key words: composite beam of wood, belt wood, OSB, finite element analysis model.
