Працездатність тришарових панелей перекриття, що використовуються у малоповерховому будівництві

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Вступ

Актуальність теми. У світовій будівельній практиці широко розвинене каркасно-панельне й модульне малоповерхове будівництво. На Україні, в тому числі у Одеському регіоні, в останні роки помітно збільшився обсяг будівництва малоповерхових будинків. На півдні України працюють десятки фірм, що спеціалізуються на малоповерховому будівництві. Одними з основних конструктивних рішень перекриття і покриття, що використовуються на Україні для малоповерхових будинків, є тришарові панелі на базі плит ЦСП і OSB.

Останнім часом на території України, особливо у західних регіонах, почастішали явища паводків і підтоплення цілих районів. У зв'язку із цим виникає необхідність часткового відселення людей, відновлення існуючих будинків і будівництва нових. Панельна технологія зведення будинків дозволяє здати будинок у експлуатацію через два місяці після початку будівництва. Завдяки порівняно легкій вазі конструкцій на основі деревини, можливе зведення будинків у районах зі складними ґрунтовими умовами.

Показником якості проектування є забезпечення достатнього рівня надійності конструкцій при мінімально можливих витратах матеріалу. Конструкції з деревини й матеріалів на її основі цілком конкурентоспроможні у порівнянні з конструкціями того ж класу з інших традиційних матеріалів. Легкість конструкцій з деревини дає можливість (при рівності сумарної ваги) перевезти їх у п'ять разів більше у порівнянні із залізобетонними, отже, майже у п'ять разів зменшити транспортні витрати. Також не можна не відзначити високу экологічність деревини й матеріалів на її основі.

Отже, обрана тема дисертаційної роботи є актуальною на сьогоднішній день і має практичну значимість для малоповерхового будівництва.

Метою роботи є проведення в рамках дослідження працездатності аналізу міцності й деформативності натурних конструкцій тришарових панелей покриття і перекриття, удосконалення існуючих конструктивних рішень малоповерхових будинків з використанням деревини, розробка методики урахування піддатливості нагельних з'єднань обшивок із ребрами при розрахунку панелей за методом скінчених елементів, експериментально-теоретична оцінка НДС вказаних конструкцій, розробка конструктивного рішення виключення крихкого руйнування обшивок тришарових панелей із цементно-стружкових плит (ЦСП).

Задачі дослідження полягають у наступному:

1. Розробити нове конструктивне рішення підсилення обшивок з ЦСП, що виключає їхнє крихке руйнування;

2. Розробити методику урахування піддатливості зв'язків, що з'єднують обшивки з ребрами при чисельному розрахунку тришарових панелей на базі стандартних програм;

3. Оцінка НДС елементів конструкцій шляхом експериментальних досліджень натурних конструкцій тришарових панелей з новими конструктивними рішеннями;

4. Порівняти результати розрахунку з експериментальними даними натурних конструкцій тришарових панелей покриття й перекриття для визначення можливості пристосування використаної методики розрахунку при проектування малоповерхових будинків.

1. Огляд і аналіз каркасного, панельного й модульного малоповерхового домобудівництва, переваги й недоліки перерахованих способів зведення будинків

Проблемами панельного й модульного будівництва почали займатися ще 70-х роках у періоди бурхливого розвитку будівельної індустрії. У реалізації можливостей капітального будівництва важливу роль відіграє широке застосування збірних конструкцій, конструкцій з ефективних гнутих металевих профілів, а також конструкцій з деревини й матеріалів на її основі. У теперішній час застосування конструкцій з деревини й матеріалів на її основі актуально в районах з поганими ґрунтовими умовами. Розробкою й удосконаленням панельних і модульних конструкцій на основі різних матеріалів займалися Є.І. Беленя, В.М. Русанов, М.Д. Бровченко, П.О. Ткаченко, О.Б. Губенко, Г.Я. Клятис, Ю.І. Хромец, В.М. Вдовин, В.О. Іванов, В.З. Клименко, П.А. Дмитрієв, В.Ф. Бондін, А.М. Чистяков, Л.В. Єнджиєвський, І.С. Інжутов, В.В. Стоянов, В.І. Жаданов, С.В. Діордіев та ін. Поряд з такими позитивними якостями збірних полегшених конструкцій як швидкі строки зведення, відносна легкість у порівнянні із залізобетонними, деякі з них піддані горінню (на основі деревини), а деякі, на металевій основі, вимагають додаткового захисту від підвищеної температури. Частково вирішити цю проблему вдалося завдяки застосуванню в панельних і модульних конструкціях цементно-стружкових плит, які практично не піддаються горінню, вогне- і біостійкі, нетоксичні й мають велику площу листа. Однак не можна не згадати про крихкість цього матеріалу, про яку не раз писали у своїх роботах І.М. Ліньков, Л.М. Ковальчук, А.С. Жукова, В.В. Жук та ін. На основі проведеного аналізу малоповерхового дерев'яного домобудівництва обумовлена актуальність обраної теми й сформульовані мета й завдання досліджень.

2. Дослідження фізико-механічних властивостей матеріалів, що використовуються у тришарових панелях

Випробуванню піддавалися зразки деревини, цементно-стружкових і ориентовано-стружкових плит за стандартною методикою.

Експериментальним шляхом визначалися такі фізико-механічні характеристики матеріалів як: розрахунковий опір вигину деревини, модуль пружності деревини OSB і ЦСП при статичному вигині.

Отримані результати порівнювалися з даними, наведеними у БНіПі (для деревини) і технічних умовах (для ЦСП і OSB)

3. Конструктивні рішення тришарових панелей різних прольотів на базі фанери, азбестоцементних плит, ЦСП і OSB

Клеєфанерні панелі. Панелі з фанерними обшивками складаються, як правило, з ребристого дерев'яного каркасу і мінераловатного утеплювача на синтетичному зв'язуванні. Фанера використовується підвищеної водостійкості марки ФСФ сорту не нижче В/ВВ, товщина її не менша 6 мм для нижньої обшивки й не менша 8 мм -- для верхньої. З'єднується фанера з каркасом водостійкими клеями, волокна сорочок її розташовуються вдовж прольоту панелі.

Фанера стикується на вус (довжина стику не менша 10 товщин фанери) або впритул за допомогою однобічних накладок на клею (ширина
накладки приймається з розрахунку).

Панелі з обшивками з OSB складаються з ребристого дерев'яного каркасу (найчастіше каркас складається із двотаврових дерев'яних ребер, але можливі й інші варіанти (рис. 1)) з мінераловатним утеплювачем на синтетичному в'яжучуму. OSB використовується підвищеної водостійкості марки OSB2 або OSB3 сорту за Стандартом EN 300, товщина її не менша 6 мм для нижньої обшивки й не менша 14 мм -- для верхньої. З'єднується OSB з каркасом водостійкими клеями або за допомогою пружно-піддатливих зв'язків (шурупів). Напрямок тріски OSB - уздовж панелі.

OSB стикується за допомогою накладок на клею. При цьому, ширина накладки становить 8 товщин обшивки.

Панелі з азбестоцементними обшивками складаються з ребристого дерев'яного каркасу. (У цей час панелі з ребрами з азбестоцементних профілів майже не застосовують). Обшивки з пласких азбестоцементних листів товщиною не менша 8 мм за ГОСТ 18124-75.

Для зменшення висоти панелей покриттів можна їх зміцнювати металевим шпренгелем. У цьому випадку основні елементи каркасу розташовують у поздовжньому й поперечному напрямках. Тяжі шпренгеля розміщають за діагоналями панелі й прикріплюють до них за допомогою металевих деталей. Стійка шпренгеля висотою 1/8-1/10 прольоту панелі виготовляється з нарізкою, що дає можливість натувати тяжі.

Панелі на базі ЦСП. Зовнішні стінові панелі, панелі покриття перекриття на базі ЦСП проектуються на дерев'яному каркасі або каркасі з елементів комбінованого перетину, наприклад, двотаврового з поличками із дерев'яних брусків і стінками із фанери, ДВП, OSB або ЦСП.

Поряд з такими позитивними якостями ЦСП як вогнестійкість, біостійкість, легкість обробки й склеювання, не можна забувати про крихкість цього матеріалу. У дослідженнях, що провели І.М. Ліньков, Л.М. Ковальчук, А.С. Жукова, В.В. Жук та ін., не раз згадувалося про крихкість ЦСП, що негативно впливає на роботу будівельних конструкцій на базі цього матеріалу. У зв'язку із цим, кафедрою МД та ПК був проведений ряд досліджень листів ЦСП, підсилених високомодульними сітками, і запропонована нова конструкція панелей на базі ЦСП з підсиленими обшивками, завдяки, яким вдається уникнути крихкого руйнування обшивок й на 10-15% збільшити несучу здатність панелі.

Несучими елементами панелей є поздовжні складені двотаврові ребра зі стінкою з ЦСП і дерев'яними поясами. Обшивки панелей виконані із цементно-стружкових плит розміром 1250х3200 мм, листи для верхньої обшивки прийняті товщиною 16 мм, для нижньої - 10 мм. У якості високомодульного шару (для виключення крихкого руйнування обшивок) використовувалася металева сітка з холоднотягнутого дроту В-І діаметром стрижнів 2 мм і чарунками 20х20 мм.

4. Варіанти розрахунку тришарових панелей за теорією складених стрижнів

Порівнювалися теорії О.Р. Ржаницина й П.Ф. Плешкова. Результати розрахунку показали, що різниця між напруженнями і прогинами, розрахованими за цими теоріями, для такого типу конструкцій не перевищує 2%. Розрахунок панелей виконувався за першим й другим граничним станом. Геометричні характеристики панелей визначалися з урахуванням різних величин модулів пружності деревини, ЦСП, OSB і металу (для панелей на базі ЦСП).

5. Розрахунок тришарових панелей методом скінчених елементів

Розрахункова схема тришарових панелей задавалася за допомогою універсальних скінчених елементів, призначених для розрахунку тонких пологих оболонок. Кожний вузол скінчених елементів має шість ступенів свободи:

U, V, W - лінійні переміщення за осями X, Y і Z;

UX, UY, UZ - кути повороту відповідно щодо осей OX, OY, OZ.

Введення шарнірів у вузлах елементів не допускалося.

Матеріал пластини може бути ізотропним, ортотропним і анізотропним.

При розрахунку тришарових панелей розглядали 2 варіанти завдання жорсткістних характеристик:

I варіант: - ізотропне тіло. У цьому випадку кількість характеристик повинна дорівнювати 3, а саме:

E ,v, д,

де: E(Т/м2) - модуль пружності; v - коефіцієнт Пуассона; д - товщина елемента в (м);

II варіант: - ізотропне тіло. У цьому випадку кількість характеристик повинна дорівнювати 6, а саме:

EХ1 , EУ1,vху, vух , д, Gxy,

де: EХ1 (Т/м2) - модуль пружності у напрямку осі Х1; EУ1 (Т/м2) - модуль пружності у напрямку осі У1, vху , vух - коефіцієнти Пуассона; д - товщина елемента в (м); Gxy- модуль зсуву (Т/м2).

По I варіанту задавалися жорсткістні характеристики для ребер і обшивок тришарової панелі, а по II варіанту - жорсткістні характеристики для ППШ.

Навантаження прикладалося до верхньої обшивки тришарової панелі за схемою, зазначеної на рис. 4.

При формуванні розрахункової схеми панелей перекриття й покриття використовувалися наступні підходи:

1. Армування обшивок для панелей на базі ЦСП задавалося введенням у розрахунок приведеного модуля пружності:

, (1)

де, - модуль пружності при вигині матеріалу обшивки (модуль пружності ЦСП при вигині);

- модуль пружності металу (2,04?105 МПа);

- загальна площа поперечного перерізу стрижнів сітки;

, n - кількість стрижнів на одиницю ширини обшивки;

- діаметр стрижнів сітки;

- площа поперечного перерізу обшивки.

2. Модуль пружності матеріалів, що використовуються у дослідних панелях, визначався дослідним шляхом.

При завданні розрахункової схеми тришарової панелі, з'єднання обшивок із ребрами виконувалося жорстким. Піддатливість цього з'єднання в реальних конструкціях ураховувалася введенням системи пластинчастих скінчених елементів, що виконують роль зв'язків (рис.5). Площа поперечного перерізу пластинки дорівнює площі поперечного перерізу зв'язку (нагеля). Модуль пружності пластинки прийнятий Ех=11840МПа (визначався експериментально), Еу=4 (СНиП II-25-80). Напрямок осей у місцевій системі координат показано на рис. 6. Піддатливість з'єднання обшивок із ребрами визначалася значенням величини модуля зсуву G, що визначався по ф-лі:

(2)

дc - деформація зсуву в нагельних з'єднаннях при розрахункових навантаженнях, що діють на панель (визначалася експериментально);

Тс - зусилля, що доводиться на один зв'язок.

nc - кількість зв'язків на погонній одиниці довжини.

Довжина пластинки дорівнює кроку розміщення зв'язків (нагелів), а її товщина визначається за ф-лою:

, (3)

де h - товщина пластинки,

dn - діаметр нагеля,

b - відстань між нагелями.

а- пружно-піддатливий шар (ППШ), б - загальна й місцева система координат для завдання геометричних і жорсткістних характеристик ППШ.

При проведенні чисельного експерименту визначався вплив з'єднання обшивок з ребрами панелі. Розглядалося два варіанти:

1. Жорстке з'єднання.

2. Пружно-піддатливе (нагельне) з'єднання.

Розрахунки показали, що при завантаженні рівномірно розподіленим навантаженням що дорівнює 3 кН/м2, максимальний прогин посередині панелі на базі ЦСП із жорстким з'єднанням обшивки з ребрами виявився рівним:

при рівномірно розподіленому навантаженні - 6,5 мм;

при зосередженому навантаженні (еквівалентному рівномірно розподіленому 3 кН/м2)- 9,69 мм.

У панелі із пружно - піддатливим з'єднанням обшивок з ребрами (при тій же по величині навантаження) набули таких прогинів:

при рівномірно розподіленому навантаженні - 8,83 мм;

при зосередженому навантаженні - 12,36 мм.

При жорсткому з'єднанні прогин зменшується на 30% у порівнянні з піддатливим з'єднанням.

Порівняння значень нормальних напружень при таких типах навантажень показало, що при жорсткому з'єднанні обшивок з ребрами напруження виявилися в 1,7-1,8 разів меншими, ніж при пружно-піддатливому.

Для визначення впливу армування на роботу конструкції був проведений чисельний експеримент. Відсоток армування змінювався в межах 1-6%.

За результатами розрахунку був визначений вплив армування на роботу обшивок і панелі в цілому. Найбільш ефективним виявилося армування при жорсткому з'єднанні обшивок з ребрами. Для розрахунку було розглянуто три варіанти панелей:

1. З'єднання верхньої й нижньої обшивки з ребрами жорстке;

2. З'єднання нижньої обшивки з ребрами жорстке, верхньої - пружно-піддатливе;

3. З'єднання верхньої й нижньої обшивки з ребрами пружно-піддатливе.

Як видно із графіків, наведених на (рис. 7,8), найбільш ефективним виявилося армування від 1 до 2-х % незалежно від типу панелей, при подальшому підсиленні обшивки частка участі обшивки у роботі панелі зменшується й основне навантаження сприймає каркас панелі.

Із проведеного теоретичного експерименту можна зробити висновок, що для ефективного використання матеріалу й забезпечення сумісної роботи усіх елементів панелі, відсоток армування обшивок не повинен перевищувати 2%.

6. Результати експериментального дослідження тришарових панелей на базі ЦСП і OSB

Методи випробування. Панелі на базі ЦСП і OSB піддавалися випробуванням, як на зосереджене, так і на рівномірно розподілене статичне короткочасне навантаження. Випробування на рівномірно розподілене навантаження проводилося в лабораторії кафедри МД та ПК. Навантаження здійснювалося ступенями, рівними 1/10 від розрахункового навантаження. Схема випробувань і схема розташування датчиків показані на рис. 9. Для виміру відносних деформацій використалися тензорезистори базою 20 мм, які приклеювалися до ребер панелей і до обшивок на бутвено-фенольному клеї БФ-2. Вимір деформацій здійснювали в 1/3 і 1/2 прольоту панелей. Прогини вимірялися за допомогою прогиномірів Максимова й індикаторів годинного типу. Величини ступенів навантаження приймали однаковими, приблизно рівними 0,2-0,25 Ррозр. (розрахункового навантаження).

Результати випробувань.

Панель №1

Руйнівне навантаження склало 21 кН, що відповідає рівномірно розподіленому навантаженню 5,2 кН/м2 (по максимальному згинаючому моменту). Панель №1 на базі ЦСП була виготовлена не в лабораторії кафедри МД і ПК, і основним її недоліком і причиною швидкого руйнування, було те, що пояси зі стінками ребер з'єднувалися за допомогою шурупів. Це різко знизило несучу здатність поздовжніх ребер панелі й послужило причиною місцевого руйнування їхньої стінки (у місцях розташування шурупів). Причина передчасного руйнування - ослаблення шурупами стінки балки. Тому застосування нагелів для будівельних конструкцій такого типу недоцільно. Руйнування армованих обшивок не відбулося.

Панель №2

Панель №2 випробовувалася на дію рівномірно розподіленого навантаження. Ступені навантаження становили 0,75 кН/м2. При навантаженні 3 кН/м2 прогин панелі склав 0,3 см, через п'ятнадцять діб прогин перестав зростати і його значення склало 0,5 см. При рівномірно розподіленому навантаженні 9 кН/м2 панель прогнулася на 1,5 см. Від рівномірно розподіленого навантаження панель не зруйнувалася, тому її розвантажили й випробували на дію зосередженого навантаження прикладеного у третинах прольоту панелі. Руйнівне зосереджене навантаження склало 34 кН (3,4т), що відповідає рівномірно розподіленому навантаженню 11 кН/м2 (по максимальному згинаючому моменту).

Руйнування відбулося спочатку в крайньому ребрі на приопорнії ділянці, після чого зруйнувалася стінка середнього ребра панелі в середині прольоту.

Панель №3

Випробовувалася на дію зосереджених сил, прикладених у третинах прольоту панелі. Руйнівне навантаження склало 39 кН (3,9 т), що відповідає рівномірно розподіленому навантаженню 12,8 кН/м2 (по максимальному згинаючому моменту). Руйнування відбулося спочатку в крайнім ребрі, потім зруйнувалося й середнє. Руйнування відбулося в стінці ребер на приопорних ділянках.

Прогин при навантаженні 12 кН склав 0,5 см (1/640), що менше ніж гранично припустимий прогин рівний 1,28 см (1/250) від прольоту панелі на 39%.

Руйнування панелі носило скоріше в'язкий характер, чим крихкий. Це в першу чергу пояснюється тим, що обшивки панелі армувалися металевою сіткою зі стрижнями Ш 2 мм і чарунками 20х20 мм.

Панель №4

Руйнівне навантаження склало 48 кН (4,8 т), що відповідає еквівалентному по максимальному згинаючому моменту рівномірно розподіленому навантаженню 21 кН/м2. Руйнування відбулося спочатку в крайньому ребрі, а потім зруйнувалося середнє. Ребра руйнувалися в місцях стиків поясів «на зубчатий шип». Через те, що з'єднання обшивок із ребрами було пружно - податливе, вони не зруйнувалися. Не дивлячись на дію такого великого навантаження, панель практично до руйнування витримала гранично припустимий прогин.

Панель №5

Руйнівне навантаження склало 54 кН (5,4 т), що відповідає еквівалентному по максимальному згинальному моменті рівномірно розподіленому навантаженню 24 кН/м2. Руйнування відбулося спочатку в крайньому ребрі, потім зруйнувалося й середнє, після чого зруйнувалася нижня обшивка. На відміну від попередньої панелі, обшивки до ребер кріпилися за допомогою клею (жорстке з'єднання). Це відобразилося на роботі панелі в цілому. Якщо звернути увагу на значення напружень у перших двох панелях, то можна помітити що напруження в обшивках панелі №4 вище, ніж у панелі №5. Така різниця пояснюється тим, що при жорсткому з'єднанні в роботу включаються всі елементи панелі.

Панель №6

Панель №6 виконана на базі OSB. Проліт панелі 4,5 м, ширина 1,25 м. Висота двотаврових ребер зі стінкою з OSB і дерев'яними поясами становила 23,5 см. Верхня обшивка товщиною 18 мм, нижня - 10 мм. Обидві обшивки кріпилися до ребер жорстко. Панель випробовувалася на дію рівномірно розподіленого навантаження. Ступені навантаження становили 0,5 кН/м2. При рівномірно розподіленому навантаженні 3,7 кН/м2 прогин панелі склав 8,5 мм що становить 1/529<1/250, через п'ять днів прогин перестав зростати і його значення стабілізувалося на величині 1,02 см. При постійному навантаженні 760кг/м2 прогин панелі склав 2,66 см. Після цього панель була розвантажена й під дією навантаження у вигляді двох зосереджених сил, прикладених у третинах прольоту, зруйнована.

Руйнування панелі відбулося спочатку в третині прольоту (під зосередженою силою), після чого зруйнувалася стінка крайнього ребра панелі в середині прольоту. Руйнування поясів ребер відбулося в місцях їхніх з'єднань «на зубчастий шип». Після цього зруйнувалася нижня обшивка.

У процесі випробувань усіх панелей вимірялися прогини посередині прольоту й відносні деформації у елементах панелі. Вірогідність запропонованих методів розрахунку тришарових панелей визначалася шляхом порівняння експериментальних і розрахункових даних.

Висновки

цементний стружковий плита тришаровий

1. Запропоновано нові конструктивні рішення підсилення ЦСП високомодульними матеріалами (сітками з металу й інших матеріалів), які дозволяють виключити крихке руйнування обшивок і збільшити жорсткість та міцність натурних конструкцій тришарових панелей на 10-15%.

2. Експериментальними дослідженнями встановлена висока працездатність натурних конструкцій тришарових панелей перекриття з обшивками з OSB і армованих листів ЦСП. Руйнівне навантаження у 2,5 рази перевищує розрахункове.

3. Армування металевими сітками обшивок з ЦСП понад 2% не приводить до істотного підвищення несучої здатності, оскільки зі збільшенням статичного моменту обшивок зростають зусилля зсуву у пружно-піддатливих зв'язках.

4. Розроблена методика урахування піддатливості зв'язків, що з'єднують обшивки з ребрами, дозволяє моделювати пружно-піддатливий шар за допомогою пластинчатих прямокутних чотирьохвузлових скінчених елементів з використанням стандартних програм (SCAD, Ліра).

5. Методика розрахунку, яка використовувалася у дисертаційній роботі, дозволяє отримати задовільну збіжність розрахункових і експериментальних величин напружень і деформацій (8-10%) при різних варіантах завантаження тришарових панелей перекриття.

Література

1. Стоянов В.В. Некоторые проблемы использования цементно - стружечных плит (ЦСП) в ограждающих конструкциях / В.В. Стоянов, Е.В. Масляненко, П.М. Сингаевский, Р.А. Острый // Современные конструкции из металла и древесины: сб. науч. тр. - Одесса, 2005. - ч.1. - С.62-65.

2. Стоянов В.В. Исследование трехслойных панелей покрытий с обшивками из усиленных плит ЦСП / В.В. Стоянов, Е.В. Масляненко, Р.А. Острый, А.В. Богаченко // Современные конструкции из металла и древесины: сб. науч. тр. - Одесса, 2006. - ч.1. - С.209-212.

3. Стоянов В.В. Испытание трехслойных панелей с усиленными обшивками из ЦСП / В.В. Стоянов, Р.А. Острый, Е.В. Масляненко, Ю.В. Купченко // Современные конструкции из металла и древесины: сб. науч. тр. - Одесса, 2006. - ч.2. - С.54-59.

4. Пат. 21206 Україна, МПК (2006) Е04С 3/00. Клеєна двотаврова балка / Стоянов В.В., Острий Р.О., Масляненко Є.В.; заяв. та патентодавець Державний департамент інтелектуальної власності. - № U2006 05268; заявл. 15.05.2006; опубл. 15.03.2007, Бюл. № 3.

5. Острый Р.А. Конструкции трехслойных панелей на базе различных материалов, используемых в малоэтажном строительстве / Р.А. Острый, В.В. Стоянов // Итоги строительной науки.: Материалы V межд. научн.-техн. конфер. - / Владимир.: изд. ВГУ, 2007. - С. 118-124.

6. Стоянов В.В. Трехслойные панели как элементы перекрытия и покрытия в малоэтажном строительстве / В.В. Стоянов, Р.А. Острый, В.В. Дорожкин // Современные конструкции из металла и древесины: сб. науч. тр. - Одесса, 2008. - ч.2. - С.62-69.

Размещено на Allbest.ru