Курская область, Россия
ГРНТИ 67.11 Строительные конструкции
ББК 385 Строительные конструкции
В данной статье приведены расчетные параметры клеёных деревянных элементов при изгибе в зависимости от сорта применяемых материалов при статической нагрузке. Дан анализ изменения напряженно-деформированного состояния клеёных деревянных элементов, работающих в условиях изгиба при наличии природных дефектов
деревянные клееные конструкции, изгиб, прочность, напряжения, деформации, несущая способность, статическая нагрузка
Прочностные и деформационные характеристики материалов определяют несущую способность строительных конструкций. Поведение КДК под нагрузкой сложный и неоднозначный процесс. Деревянные конструкции способны изменять свое напряженно-деформированное состояние во времени. Исследования напряженно-дефомированного состояния конструкции является основным вопросом в изучении поведения конструкции под нагрузкой и позволяют совершенствовать методы расчета клеёных деревянных элементов с учетом изменения параметров, характеризующих процесс деформирования конструкции и распределение напряжений при эксплуатации.
В результате проведенных экспериментальных исследований характера распределения деформаций по высоте сечения клеёных деревянных балок в зоне действия максимального изгибающего момента для образцов двух серий lр/h =16, lр/h =7,5 (где h – высота сечения элемента, м; lр – расчетный пролет элемента, м) установлено, что при напряжениях, не превышающих временных сопротивлений древесины каждый слой клеёной древесины по высоте сечения деформировался линейно. Несмотря на это распределение деформаций в клееном пакете носит нелинейный характер за счет разных механических свойств древесины в каждом слое [1, 2].
Как показывают теоретические исследования [3], для материалов с малой сдвиговой жесткостью, к которым относится и древесина, на характер распределения нормальных напряжений влияют два параметра: геометрический – соотношение h/lр; физико-механический – соотношение E/G (где Е –модуль упругости материала при изгибе, МПа; G – модуль сдвига, МПа).
Максимальные нормальные напряжения с учетом неравномерности их распределения по высоте сечения можно определить по формуле [1]:
|
|
(1) |
где – коэффициент неравномерности распределения нормальных напряжений по высоте элемента; – параметр анизотропии; – напряжение в крайнем растянутом (+) и крайнем сжатом (–) волокне балки, МПа; – напряжение, вычисляемое по формуле сопротивления материалов для изгибаемых элементов, МПа.
Древесина является анизотропным материалом, для которого отношение модуля упругости к модулю сдвига составляет переменную величину [1]. Эти особенности не нашли отражения в существующих нормах проектирования деревянных конструкций в расчетах по первой и второй группам предельных состояний [5]. Так, при определении прогиба согласно [5] отношение E/G принимается равным 20.
Согласно проведенных исследований [4] установлено, что при изменении сортности древесины, отношение модуля упругости к модулю сдвига изменяется. При увеличении относительных размеров пороков строения древесины E при статическом изгибе снижается за счёт ослабления рабочей части сечения клеёного элемента. Величина модуля сдвига G клеёной древесины при изгибе зависит от вида и размеров пороков, а так же от их расположения относительно плоскости скалывания. Сучки, пересекающие плоскость скалывания, действуют как нагели, повышая модуль сдвига. В то же время наличие в плоскости скалывания трещин, наклона волокон - снижает G. Это подтвердили кратковременные статические испытания клеёных деревянных балок на изгиб с отношением lр/h=15 выполненных из древесины I, II и III сортов [4].
Рис. 1. Образцы клеенодеревянных балок
а – балки серии КДБ1-Кi; б – балки серии КДБ2-Кi
Таблица 1
Кратковременные испытания изгибаемых элементов из клеёной древесины разных сортов
|
№ |
Сорт элементов из клееной древесины |
Статистическая обработка |
|||
|
Среднее арифметическое значение временного сопротивления Rи , МПа |
Средне квадратичное отклонение, МПа
|
Коэффициент вариации, %
|
Показатель точности, % |
||
|
1 |
I сорт |
57,322 |
4,311 |
7,521 |
3,070 |
|
2 |
II сорт |
47,400 |
4,895 |
10,326 |
3,903 |
|
3 |
III сорт |
36,760 |
3,544 |
9,641 |
3,213 |
Средние значения модуля упругости E и модуля сдвига G для изгибаемых элементов из клеёной древесины I, II и III сортов приведены в таблице 2.
Таблица 2
Средние значения модуля упругости и модуля сдвига опытных элементов при статическом изгибе
кратковременной нагрузкой
|
№ |
Показатели |
Сорт пиломатериалов |
||
|
I |
II |
III |
||
|
1 |
Модуль упругости Е, МПа |
12986 |
10364 |
9637 |
|
2 |
Модуль сдвига G, МПа |
541 |
535 |
563 |
|
3 |
Е/G |
24 |
19,37 |
17,12 |
|
4 |
|
0,513 |
0,461 |
0,433 |
|
5 |
|
0,053 |
0,043 |
0,037 |
Проведенный анализ исследований [1,4] позволил установить зависимости изменения модуля упругости и модуля сдвига от качества пиломатериалов и прочности изгибаемых клееных деревянных элементов в относительных координатах (рисунок 2, 3).
Рис. 2. Зависимость отношения Еi/ЕI от прочности клеёных деревянных элементов:
Еi – модуль упругости для I, II и III сортов древесины; ЕI –модуль упругости для I сорта древесины;
Rm;i – прочность клееных деревянных элементов из пиломатериалов I, II и III сортов древесины при изгибе;
Rn;I – прочность клееных деревянных элементов из пиломатериалов I сорта древесины при изгибе
Рис. 3. Зависимость отношения (Е/G)i/(Е/G)I от прочности клеёных деревянных элементов: (Е/G)i – отношение модуля упругости от модуля сдвига для I, II и III сортов древесины; (Е/G)I – отношение модуля упругости от модуля сдвига для I сорта древесины; Rm;i – прочность клееных деревянных элементов из пиломатериалов I, II и III сортов древесины при изгибе; Rn;I – прочность клееных деревянных элементов из пиломатериалов I сорта древесины при изгибе
Применение пиломатериалов II, III сорта в клеёном пакете изгибаемых конструкций снижает показатель коэффициента неравномерности распределения нормальных напряжений по высоте элемента на 18,87 % и 30,19 %, соответственно.
Выводы:
Экспериментальные исследования показали при расчете клеёных деревянных конструкций работающих на изгиб по первой группе предельных состояний необходимо учитывать изменение коэффициента неравномерности распределения напряжений по высоте сечения клеёного пакета в зависимости от сорта применяемых пиломатериалов.
1. Делова М.И. Деформирование изгибае-мых клеёных деревянных элементов при статическом нагружении: Автореф. дис. … канд. техн. наук (05.23.01). Белгород.: БелГТАСМ, 2001. 19 с.
2. Делова М.И. Оценка напряжений и пре-дельные условия прочности клеёных деревян-ных конструкций // Строительство и рекон-струкция. Известия ОрелГТУ. 2009. № 4/24. С. 11-14.
3. Родионова В.А., Титаев Б.Ф., Черных К.Ф. Прикладная теория анизотропных пластин и оболочек.С.-Петерб. ун-т. СПб., 1996. 280 с.
4. Поветкин С.В. Выносливость клеёных деревянных элементов при изгибе: Автореф. дис. … канд. техн. наук: 05.23.01. Воронеж: ВИСИ, 1988. 21 с.
5. СП 64.13330.2011. Деревянные конструкции. Актуализированная редакция СНиП II-25-80. М.: Росстандарт, 2011. 92 с.
