CC BY
31
Проектирование и конструирование строительных систем. Проблемы механики в строительстве УЕБТЫНС
_мвви
УДК 624.011.1
В.И. Жаданов, Е.В. Тисевич, Д.А. Украинченко
ФГБОУВПО «ОГУ»
ВЛИЯНИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ ОСОБЕННОСТЕЙ СОВМЕЩЕННЫХ РЕБРИСТЫХ ДЕРЕВЯННЫХ ПЛИТ НА ИХ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОЕ СОСТОЯНИЕ
Приведены результаты оценки и практические рекомендации по учету влияния конструктивных параметров на напряженно-деформированное состояние плит на деревянном каркасе с обшивкой, включенной в общую работу конструкции. Исследован характер распределения нормальных сжимающих напряжений по ширине обшивки. Определены значения редукционных коэффициентов, позволяющие вести расчет совмещенных конструкций по упрощенной балочной схеме.
Ключевые слова: деревянная плита, ребристая конструкция, обшивка, вспомогательное ребро, диафрагма жесткости, конструктивная особенность, напряжения, деформации, численные исследования, эксперимент
Применение в зданиях крупноразмерных ребристых плит на основе древесины с обшивкой, включенной в общую работу конструкции, позволяет за счет совмещения несущих и ограждающих функций снизить трудоемкость монтажа, упростить конструктивную схему здания, получить конструкции с максимальной степенью заводской готовности, облегчить здание в целом и сократить расходы на возведение фундаментов [1—3]. Несмотря на эти неоспоримые преимущества, объем внедрения в практику строительства таких конструкций достаточно мал, их опытно-конструкторские разработки находятся в стадии поиска оптимальных решений, которые обеспечивали бы снижение материалоемкости и трудозатрат при изготовлении и монтаже в сравнении с известными традиционными конструкциями [4]. С другой стороны, широкое использование совмещенных клеефанерных плит в зданиях и сооружениях различного назначения сдерживается недостаточной степенью изученности их фактического напряженно-деформированного состояния (НДС).
Решению обозначенной проблемы посвящены исследования, которые на протяжении ряда лет ведутся на кафедре строительных конструкций Оренбургского государственного университета. Нами предложены конструктивные решения, которые позволяют не только снизить материалоемкость плит, но и существенно сократить трудозатраты при изготовлении и монтаже [5, 6]. Разработанные клеефанерные плиты (рис. 1) представляют собой совмещенные конструкции, состоящие из двух основных массивных ребер и приклеенной к ним обшивки, подкрепленной для обеспечения прочности и жесткости вспомогательными ребрами. Неизменяемость поперечного сечения обеспечивается диафрагмами жесткости, поставленными на опорах, в середине и, при необходимости, в четвертях пролета. Вспомогательные ребра могут быть ориентированы поперек и вдоль пролета плиты, а диафрагмы жесткости иметь вертикальное или наклонное положение.
ВЕСТНИК
МГСУ-
5/2013
Рис. 1. Совмещенные ребристые плиты: а — с поперечными вспомогательными ребрами и вертикальными диафрагмами; б — с продольными вспомогательными ребрами и наклонными диафрагмами; 1 — основные ребра; 2 — вспомогательные ребра; 3 — обшивка; 4 — диафрагмы
К варьируемым конструктивным особенностям рассматриваемого класса конструкций относятся пролет плиты L (9,0...24,0 м), ширина конструкции B или шаг основных ребер ар (0,75, 1,5, 3,0 м), толщина обшивки (8.20 мм), ориентация вспомогательных ребер (вдоль или поперек пролета) и диафрагм (вертикальные или наклонные). Шаг вспомогательных ребер с точки зрения технологии выполнения стыков обшивки и обеспечения ее устойчивости принимается постоянным и равным 750 мм.
Для исследования влияния перечисленных параметров на НДС ребристых деревянных плит с фанерной обшивкой, включенной в общую работу конструкции, авторами проведены численные исследования с экспериментальной проверкой полученных результатов. Для численных расчетов использован программный комплекс SCAD, версия 7.27. В связи с тем, что экспериментальные исследования проводились на плитах меньшего размера, чем натурные конструкции, для сравнения расчетных и экспериментальных данных численные исследования выполнены для плит размером от 0,45^3,6 м до 0,90^7,2 м, запроектированных как геометрически подобные натурным конструкциям с размерами от 1,5x12 м и 3,0x24 м.
Задачей численных исследований являлось, прежде всего, определение характера распределения нормальных сжимающих напряжений от перечисленных параметров в обшивках разработанных конструкций. Размеры поперечных сечений элементов плит предварительно определяли путем их приближенного статического расчета по прочности и деформативности с учетом расчетной снеговой нагрузки 2,4 кН/м2 в соответствии с требованиями [7].
Характер распределения нормальных сжимающих напряжений в обшивке плиты П-образного поперечного сечения размером 0,45x3,6 м с двумя основными ребрами (ар = 1,5 м в натурных конструкциях) и с поперечной ориентацией вспомогательных ребер в наиболее напряженном отсеке приведен на рис. 2, а. Как видно из рисунка, сжимающие напряжения имеют максимальные значения у основных ребер и уменьшаются в середине ширины конструкции. Такой характер распределения напряжений сжатия в обшивке сохраняется по
Проектирование и конструирование строительных систем. Проблемы механики в строительстве
VESTNIK
JVIGSU
всей длине конструкции. Отметим также, что идентичными были и эпюры, построенные для сечений у вспомогательных поперечных ребер и в середине отсеков. Это позволило авторам сделать вывод, что поперечные ребра не оказывают влияния на характер распределения нормальных сжимающих напряжений в обшивке, а значение редукционного коэффициента обшивки не изменяется по всему пролету конструкции, что хорошо согласуется с данными [8].
Рис. 2. Характер распределения нормальных сжимающих напряжений в обшивке плиты с поперечными вспомогательными ребрами при ширине модели: а — 0,45 м; б — 0,90 м
Как известно, коэффициент неравномерности распределения нормальных напряжений о по ширине обшивки определяется следующим образом:
коб =
СТ
ср
СТ „
(1)
где аС-р — среднее нормальное напряжение по ширине обшивки в рассматриваемом сечении; а^13* — максимальное значение нормальных напряжений, возникающих в обшивках в месте их присоединения к основным ребрам. Средние нормальные напряжения определяются как
а
СР ""J
1
1 |а -
1 п
12 а - V'
b ¿-I
(2)
где ах — значения нормальных напряжений по ширине сечения; Ду' — ширина участка обшивки между соседними точками измерений; Ь — ширина обшивки.
Коэффициент приведения обшивки kоб, определенный по формуле (1), для плиты 0,45^3,6 м с поперечными вспомогательными ребрами равен 0,54.
Значительно большую неравномерность распределения по ширине обшивки имели нормальные сжимающие напряжения в плите шириной 0,90 м (см. рис. 2, б). Редукционный коэффициент в этом случае составил = 0,29. С другой стороны, при уменьшении шага основных ребер степень неравномерности распределения нормальных сжимающих напряжений по ширине обшив-
ВЕСТНИК
МГСУ-
5/2013
ки также уменьшалась. При шаге основных ребер к примеру 0,225 м (0,75 м в натурных конструкциях) это обеспечило повышение коэффициента k до 0,74.
Для определения степени влияния пролета на значение коэффициента выполнены расчеты базовых конструкций при фиксированных параметрах ширины плиты и толщины обшивки с варьированием пролета от 3,6 до 7,2 м (9,0 и 24,0 м в натурных конструкциях). Степень влияния оценивалась путем сравнения коэффициентов для базовых конструкций и для конструкций с изменяющимся по отношению к базовой пролетом по формуле
Д =
к'
к б
100%,
(3)
где коб — коэффициент приведения обшивки для базовой для конструкции с измененным пролетом.
В результате выполненных расчетов установлено, что изменение пролета плиты при соблюдении соотношения В/L < 0,25 практически не влияет на степень неравномерности распределения нормальных сжимающих напряжений в обшивке. Так, для плиты размером 0,45^3,6 м при увеличении длины конструкции до 7,2 м значение увеличилось с 0,542 до 0,548 (изменение на 1,1 %), а при ширине плиты 0,9 м аналогичное варьирование привело к изменению с 0,291 до 0,302 (на 3,8 %). Расчеты плит при других базовых данных дали аналогичные результаты. Поэтому при расчете совмещенных клеефанерных плит, для которых справедливо отношение В/L < 0,25, отпадает необходимость при определении учитывать пролет конструкции.
При продольной ориентации вспомогательных ребер напряжения сжатия уменьшались к середине ширины конструкции, но имели всплески в местах расположения продольных ребер (рис. 3, а), что подтвердило их участие в общей работе плиты, увеличивающее ее прочность и жесткость. Редукционные коэффициенты при ширине конструкции 0,45 м были равны: для обшивки = 0,56, для вспомогательных ребер ^ = 0,44; а для плиты шириной 0,90 м они соответственно составили k, = 0,33, k = 0,28.
об ' ' вр '
Рис. 3. Характер распределения нормальных сжимающих напряжений в обшивке плиты с продольными вспомогательными ребрами: а — при вертикальных диафрагмах; б — при наклонных диафрагмах
Проектирование и конструирование строительных систем. Проблемы механики в строительстве
VESTNIK
JVIGSU
Большой интерес представляет изучение распределения нормальных сжимающих напряжений в обшивке плиты 0,90^3,6 м с продольными вспомогательными ребрами и наклонными диафрагмами, шарнирно соединенными с основными ребрами. Конструкция таких плит подробно описана в [1].
В месте примыкания к обшивке опорной диафрагмы сжимающие напряжения во вспомогательных ребрах были близки к максимальным напряжениям в обшивке у основных ребер (см. рис. 3, б). Этот факт свидетельствует о том, что наклонная опорная диафрагма работает аналогично сжатым подкосам в фермах, передавая сжимающие усилия на вспомогательные ребра. В зоне между продольными ребрами напряжения в обшивке уменьшались к центру зоны, т.е. характер их распределения был аналогичен характеру распределения нормальных сжимающих напряжений в обшивках часторебристых плит. Редукционные коэффициенты в этом случае составили для обшивки kоб = 0,68, для вспомогательных ребер £" = 0,94. По мере удаления от опорной диафрагмы ее влияние уменьшалось. Установлено, что наклонная диафрагма, расположенная в четверти пролета, повлияла на характер распределения нормальных сжимающих напряжений в обшивке и вспомогательных ребрах в меньшей мере, чем опорная диафрагма. Редукционные коэффициенты для обшивки и вспомогательных ребер, определенные для сечений, находящихся в средней зоне между диафрагмами, оказались равными: = 0,52, kвр= 0,64, что приблизительно равно соответствующим редукционным коэффициентам, посчитанным для сечения у диафрагмы, находящейся в четверти пролета. Этот факт подтверждает гипотезу о том, что влияние наклонных диафрагм распространяется на всю площадь обшивки.
Для оценки степени влияния толщины обшивки на степень неравномерности распределения нормальных сжимающих напряжений по ее ширине проведены численные расчеты натурных конструкций как с поперечными вспомогательными ребрами, так и с продольной их ориентацией. Шаг основных ребер принимали равным 0,75, 1,5 и 3,0 м, при этом толщина фанеры изменялась от 8 до 20 мм (8, 10, 15, 20 мм). Для каждого рассмотренного случая были вычислены коэффициенты приведения обшивок и вспомогательных ребер с учетом рекомендаций [9, 10]. Полученные результаты приведены в таблице.
Значения коэффициентов приведения обшивки ^ и продольных вспомогательных ребер &,р изгибаемых клеефанерных плит aoJL < 0,25
Шаг основных Толщина обшивки 5ф, мм
ребер ар, мм 8 10 15 20
750 0,71 0,74 0,80 0,84
0,56 0,58 0,63 0,68
1500 0,48 0,50 0,54 0,56
0,38 0,40 0,43 0,44
3000 0,29 0,30 0,32 0,34
0,25 0,26 0,28 0,30
Примечание. В таблице в числителе приведены значения k,, в знаменателе — k
ВЕСТНИК с(оп,-
5/2013
Проведенные испытания моделей разработанных клеефанерных плит полностью подтвердили результаты численных исследований. Расхождение между теоретическими и экспериментальными данными не превышало 14 %, что для условий испытаний крупноразмерных моделей можно считать удовлетворительным.
Выводы. 1. Анализ напряженно-деформированного состояния совмещенных ребристых деревянных плит, выполненный на базе проведенных численных исследований с экспериментальной проверкой полученных результатов, позволил установить степень влияния различных конструктивных факторов на их напряженно-деформированное состояние, которое необходимо учитывать в инженерных расчетах.
2. Степень неравномерности распределения нормальных напряжений по ширине обшивки, определенная при помощи коэффициента приведения ko5 зависит в основном от шага основных ребер и толщины обшивки, причем увеличение шага ребер с 750 (min) до 3000 мм (max) приводит к уменьшению коэффициента ko5 на 35.40 %, а значение толщины обшивки с 8 до 20 мм обеспечивает увеличение ko5 на 14.15 %.
3. Для объективной оценки эксплуатационной надежности совмещенных ребристых деревянных плит необходима разработка специальных рекомендаций по их расчету на прочность и жесткость с учетом фактических параметров конструкций, принятых на этапе проектирования.
Примечание. Исследование выполнено при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации, соглашение 14.U02.21.0129.
Библиографический список
1. Дмитриев П.А., Жаданов В.И. Большеразмерные совмещенные плиты из клееной древесины. Оренбург : ИПК ГОУ ОГУ 2007. 209 с.
2. Endzhievsky L.V., Inzhutov I.S., Dmitriev P.P. Woden spatial structures in Suberia //Spatial structures in new and renovation projects of buildings and censtruction: theory, investigations, design, erection. Proceedings of international congress ICSS-98, June 22— 26, 1998, Moscow. VII. Copyright «Construction» State Rescarch Center of Russia, 1998. Р. 581—588.
3. Dutko Р. Vyskum stanovenia spolupôsobiacej sirky preglejkovych dosovych pasov rebrovych panelov. Zbornik II. Celopolskeho symposia «Vyskum uplatnenia dreva a materialov na baze dreva v stavebnych konstrukciach», Politechnika Stetinska, Stetin, 1983. pp. 21—28.
4. ГребенюкГ.И., Яньков Е.В. Оптимизация параметров большеразмерных ребристых плит на основе древесины // Проблемы оптимального проектирования сооружений : сб. докл. V-го Всеросс. семинара. Новосибирск : НГАСУ (Сибстрин), 2005. С. 110—119.
5. Жаданов В.И., Украинченко Д.А. Деревянные панельные конструкции для сейсмостойкого малоэтажного строительства // Современные строительные конструкции из металла и древесины. Одесса : ООО «Внешрекламсервис», 2011. № 15. С. 97—101.
6. Жаданов В.И., Тисевич Е.В., Украинченко Д.А. Проектирование и расчет новых конструктивных форм панельных конструкций на деревянном каркасе. Оренбург : ИПК ГОУ ОГУ, 2011. 218 с.
7. СП 64.13330.2011.Деревянные конструкции. М. : ОАО «ЦПП», 2011. 141 с.
Проектирование и конструирование строительных систем. Проблемы механики в строительстве УЕБТЫНС
_мвви
8. Инжутов И.С., Деордиев С.В. Конструкция и результаты испытаний трехугольной деревометаллической блок-фермы // Известия вузов. Строительство. 1998. № 10. С. 129—134.
9. Енджиевский Л.В., Инжутов И.С., Дмитриев П.А. Комбинированные из стали, бетона, дерева пространственные конструкции блочного типа. Красноярск : СФУ ИПК ОГУ, 2008. 331 с.
10. Кириленко В.Ф., Линьков И.М. К вопросу экспериментального определения коэффициента приведенной ширины обшивки трехслойных ребристых панелей // Известия вузов. Строительство и архитектура. 1982. № 6. С. 127—129.
Поступила в редакцию в феврале 2013 г.
Об авторах: Жаданов Виктор Иванович — доктор технических наук, профессор, профессор кафедры строительных конструкций, ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный университет» (ФГБОУ ВПО «ОГУ»), г. Оренбург, пр. Победы, д. 13, (83532) 91-21-23, (83532) 27-11-42, organ-2003@bk.ru;
Тисевич Евгений Валерьевич — кандидат технических наук, преподаватель кафедры строительных конструкций, ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный университет» (ФГБОУ ВПО «ОГУ»), г. Оренбург, пр. Победы, д. 13, (83532) 91-2123, organ-2003@bk.ru;
Украинченко Дмитрий Александрович — кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры строительных конструкций, ФГБОУ ВПО «Оренбургский государственный университет» (ФГБОУ ВПО «ОГУ»), г. Оренбург, пр. Победы, д. 13, (83532) 27-93-72, organ-2003@bk.ru.
Для цитирования: Жаданов В.И., Тисевич Е.В., Украинченко Д.А. Влияние конструктивных особенностей совмещенных ребристых деревянных плит на их напряженно-деформированное состояние // Вестник МГСУ 2013. № 5. С. 35—42.
V.I. Zhadanov, E.V. Tisevich, D.A. Ukrainchenko
INFLUENCE OF STRUCTURAL PECULIARITIES OF INTEGRATED RIBBED WOODEN SLABS ON THEIR STRESS-STRAIN BEHAVIOUR
In the article the authors provide their assessments and recommendations concerning the influence produced by the structural parameters onto the stress-strain behaviour of slabs having a wooden frame, if the veneering is integrated into the structural behaviour. The authors have completed a research into the pattern of distribution of regular compressive stresses over the width of the veneering surface. The authors have identified the values of reduction factors to be used to analyze integrated structures on the basis of simplified slab design and analysis patterns.
The degree of heterogeneity of distribution of regular stresses over the width of the veneering is mainly driven by the rib-to-rib distance and the thickness of the veneering.
Any unbiased assessment of the operational reliability of integrated wooden slabs requires development of specialized recommendations concerning their strength and rigidity analysis with account for the real parameters of structures adopted at the stage of their design.
The research project was implemented by the authors with the support of the RF Ministry of Education and Science pursuant to Agreement 14.U02.21.0129.
Key words: wooden slab, ribbed structure, cladding, subsidiary rib, hardness diaphragm, structural feature, efforts, deflection, numerical study, experiment.
ВЕСТНИК с(оп,-
5/2013
References
1. Dmitriev P.A., Zhadanov V.I. Bol'sherazmernye sovmeshchennye plity iz kleenoy drevesiny [Big-sized Integrated Slabs Made of Laminated Wood]. Orenburg, IPK GOU OGU Publ., 2007, 209 p.
2. Endzhievsky L.V., Inzhutov I.S., Dmitriev P.P. Wooden Spatial Structures in Suberia. Spatial Structures in New and Renovation Projects of Buildings and Constructions: Theory, Investigations, Design, Erection. Proceedings of International Congress ICSS-98. June 22—26, 1998, Moscow, pp. 581—588.
3. Dutko R. Vyskum stanovenia spolupôsobiacej sirky preglejkovych dosovych pasov rebrovych panelov. Zbornik II. Celopolskeho symposia «Vyskum uplatnenia dreva a materialov na baze dreva v stavebnych konstrukciach». Politechnika Stetinska, Stetin, 1983, pp. 21—28.
4. Grebenyuk G.I., Yan'kov E.V. Optimizatsiya parametrov bol'sherazmernykh rebris-tykh plit na osnove drevesiny [Optimization of Parameters of Big-sized Ribbed Slabs Made of Wood]. Problemy optimal'nogo proektirovaniya sooruzheniy [Problems of Optimal Design of Structures]. Sb. dokl. V-go Vseross. Seminara [Collected Reports of the 5th All-Russian Seminar]. Novosibirsk, NGASU (Sibstrin) Publ., 2005, pp. 110—119.
5. Zhadanov V.I., Ukrainchenko D.A. Derevyannye panel'nye konstruktsii dlya seysmostoykogo maloetazhnogo stroitel'stva [Wood Panel Structures for Seismic Low-rise Construction]. Sovremennye stroitel'nye konstruktsii iz metalla i drevesiny [Modern Metal and Wooden Structures]. Odessa, OOO «Vneshreklamservis» Publ., 2011, No. 15, pp. 97—101.
6. Zhadanov V.I., Tisevich E.V., Ukrainchenko D.A. Proektirovanie i raschet novykh kon-struktivnykh form panel'nykh konstruktsiy na derevyannom karkase [Design and Analysis of New Constructions of Panel Structures Having Wooden Frames]. Orenburg, IPK GOU OGU Publ., 2011, 218 p.
7. SP 64.13330.2011. Derevyannye konstruktsii [Construction Regulations 64.13330.2011. Wooden Structures]. Moscow, OAO «TsPP» Publ., 2011, 141 p.
8. Inzhutov I.S., Deordiev S.V. Konstruktsiya i rezul'taty ispytaniy trekhugol'noy derevo-metallicheskoy blok-fermy [Structure and Testing Results Demonstrated by Three-angled Wood and Metal Frames]. Izvestiya vuzov. Stroitel'stvo. [News of Higher Education Institutions. Construction.] 1998, no. 10, pp. 129—134.
9. Endzhievskiy L.V., Inzhutov I.S., Dmitriev P.A. Kombinirovannye iz stali, betona, dere-va prostranstvennye konstruktsii blochnogo tipa [Composite Modular Spatial Structures Made of Steel, Concrete, Wood]. Krasnoyarsk, SFU Publ., IPK OGU Publ., 2008, 331 p.
10. Kirilenko V.F., Lin'kov I.M. K voprosu eksperimental'nogo opredeleniya koeffitsienta privedennoy shiriny obshivki trekhsloynykh rebristykh paneley [Experimental Identification of Coefficient of Adjusted Width of Veneering for Three-layered Ribbed Panels]. Izvestiya vuzov. Stroitel'stvo i arkhitektura. [News of Higher Education Institutions. Construction and Architecture.] 1982, no. 6, pp. 127—129.
About the authors: Zhadanov Viktor Ivanovich — Doctor of Technical Sciences, Associate Professor, Department of Structural Units, Orenburg State University (OGU), 13 Pobedy pr., Orenburg, 460018, Russian Federation; organ-2003@bk.ru; +7 (83532) 9121-23, +7 (83532) 27-11-42;
Tisevich Evgeniy Valer'evich — Candidate of Technical Sciences, Lecturer, Department of Structural Units, Orenburg State University (OGU), 13 Pobedy pr., Orenburg, 460018, Russian Federation; organ-2003@bk.ru; +7 (83532) 91-21-23;
Ukrainchenko Dmitriy Aleksandrovich — Candidate of Technical Sciences, Senior Lecturer, Department of Structural Units, Orenburg State University (OGU), 13 Pobedy pr., Orenburg, 460018, Russian Federation; organ-2003@bk.ru; +7 (83532) 27-93-72.
For citation: Zhadanov V.I., Tisevich E.V., Ukrainchenko D.A. Vliyanie konstruktivnykh osobennostey sovmeshchennykh rebristykh derevyannykh plit na ikh napryazhenno-de-formirovannoe sostoyanie [Influence of Structural Peculiarities of Integrated Ribbed Wooden Slabs on Their Stress-strain Behaviour]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2013, no. 5, pp. 35—42.
