Стальные вклеенные пластины в узловых соединениях деревянных конструкций

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оренбургский государственный университет, Оренбург

Стальные вклеенные пластины в узловых соединениях деревянных конструкций

Пересыпкина Валентина Антоновна, магистрант

Жаданов Виктор Иванович, профессор, доктор технических наук, заведующий кафедрой строительных конструкций

Научный руководитель: Жаданов Виктор Иванович, профессор, доктор технических наук, заведующий кафедрой строительных конструкций

Аннотация

Увеличение объемов деревянного строительства малоэтажных зданий и сооружений, в том числе зданий пролётом более девяти метров, требует решение проблем совершенствования деревянных конструкций. Одним из путей достижения этой цели является улучшение параметров цельнодеревянных ферм, используемых в качестве эффективной стропильной системы. В статье рассматриваются вопросы разработки и исследования узлов деревянных ферм, в которых используются стальные вклеенные пластины. В результате проведенных разработок были выявлены особенности работы опорного узла фермы. Показано, что принятое конструктивное решение узла относится к соединениям деревянных конструкций жесткого типа, что обеспечивает необходимую и достаточную несущую способность цельнодеревянных ферм. Приведены численные значения результатов экспериментальных исследований. Анализ полученных данных позволяет выявить направления дальнейшего развития узлов деревянных ферм со стальными вклеенными плоскими пластинами.

Ключевые слова: цельнодеревянные фермы, узловые соединения, вклеенные стальные пластины.

Abstract

GLUED STEEL PLATES IN NODAL JOINTS OF WOODEN STRUCTURES

Peresypkina Valentina Antonovna, post-graduate student, training program Construction, Orenburg

State University, Orenburg

Zhadanov Victor Ivanovich, Doctor of Technical Sciences, head of the Department of Building Structures, Orenburg State University, Orenburg

Research advisor: Zhadanov Victor Ivanovich, Doctor of Technical Sciences, head of the Department of Building Structures, Orenburg State University, Orenburg

Increasing the volume of wooden construction of low-rise buildings and structures, including buildings with a span of more than nine meters, requires solving problems of improvement of wooden structures. One way to achieve this goal is to improve the parameters of whole-tree farms used as an effective sling system. The paper discusses the development and research of wooden truss assemblies that use steel glued plates. As a result of the carried out developments, peculiarities of operation of the support node of the farm were revealed. It is shown that the adopted structural solution of the unit relates to joints of rigid type wooden structures, which provides the necessary and sufficient bearing capacity of all-wood trusses. Numerical values of experimental research results are given. Analysis of the obtained data allows to reveal directions of further development ofnodes of wooden trusses with steel glued flat plates.

Key words: whole-tree trusses, nodal joints, glued steel plates.

Цель работы - опытно-конструкторские разработки и экспериментальные исследования новых типов узлов ферм из цельной древесины с соединениями на стальных вклеенных пластинах.

Древесина - традиционный строительный материал с многовековым опытом применения. В отечественном и зарубежном строительстве деревянные фермы нашли широкое применение при перекрытии пролетов от 9 до 24 м жилых, общественных и производственных зданий. Основными преимуществами данных конструкций являются простота процесса производства и его автоматизированность, короткие сроки выполнения работ по проектированию, легкость осуществления монтажа (благодаря наличию готовых элементов конструкции), широкая перспектива реализации самых необычных дизайнерских решений в плане формы, конфигурации и т. д., сравнительно небольшой вес, возможность утепления и простота его осуществления, отличные эксплуатационные качества и технологические характеристики, принадлежность к первой категории пожаробезопасности (материал проходит соответствующую обработку в заводских условиях), соответствие требованиям экологической безопасности [7].

Конструкции узлов ферм из цельной древесины различны. Они являются важнейшими связующими деталями, от которых в большей степени зависят прочность, надежность и долговечность всей конструкции в целом. Традиционные способы соединения деревянных элементов в узлах ферм предусматривают применение различных механических, как правило, стальных связей. Эти связи представляют из себя гладкие или витые гвозди, винты и шурупы с различной нарезкой, нагели (в химически агрессивных средах применяют нагели из стеклопластика или из плотной древесины), когтевые шайбы и штампованные зубчатые пластины [3]. Широкий номенклатурный ряд соединительных элементов позволяет конструировать узлы ферм для различных пролетов и нагрузок. При этом все перечисленные типы связей имеют один общий существенный недостаток - повышенную степень деформативности и трудности выполнения узлов при больших расчетных усилиях, действующих в узлах ферм. Устранить этот недостаток представляется возможным путем разработки новых видов соединительных элементов и, соответственно, узловых сопряжений на их основе. С этой точки зрения тема исследовательской работы, рассматриваемой в настоящей статье, является и актуальной, и своевременной. Несомненно, что новые типы связей, отличающиеся от известных отечественных и зарубежных аналогов повышенной жесткостью, малой трудоемкостью изготовления, высокой степенью эксплуатационной надежности, обеспечат повышение конкурентоспособности на строительном рынке деревянных ферм и деревянных конструкций в целом.

При проведении опытно-конструкторских разработок в качестве наиболее близкого аналога были рассмотрены способы соединения деревянных элементов при помощи стальных вклеенных арматурных стержней [6]. При всех своих плюсах такой способ хорошо применим для массивных клееных конструкций, а для конструкций из цельной древесины, у которой максимальный размер поперечного сечения составляет не более 250x250 мм, его применение практически исключается.

В связи с этим в научно-исследовательском центре мониторинга зданий и сооружений ОГУ начата разработка серии соединений деревянных элементов при помощи стальных вклеенных пластин. Предложенный способ позволяет проектировать соединения без сварки с минимальной трудоемкостью [1, 4]. Новый способ соединения предопределяет необходимость его теоретического и особенно экспериментального исследования [5]. Теоретические основы расчета соединений на стальных вклеенных пластинах разработаны в ОГУ учеными И. В. Рудневым и И. И. Лисицким [2]. На их базе были законструированы узлы деревянных ферм, в частности, опорный узел и узел сопряжения раскоса и верхнего пояса (рисунок 1). цельнодеревянный ферма пластина

Наиболее ответственным узлом в ферменных конструкциях является опорный узел, в связи с чем он и был выбран для экспериментальных исследований. Опытный образец представлял из себя треугольную систему, в состав которой входили: деревянный нижний пояс с поперечным сечением 110(h) х90 мм, два верхних пояса с поперечным сечением 90х90 мм, стальное коньковое загрузочное шарнирное устройство, опорные пластины, опорные узлы на вклеенных пластинах. Экспериментальная конструкция с установленными на неё контрольными приборами показана на рисунке 2.

Верхние пояса расположены под углом 30° по отношению к оси нижнего пояса. Для изготовления деревянных элементов использована сосна II сорта. Непосредственно опорные узлы были выполнены в виде сварной конструкции, в состав которой входили стальные вклеиваемые в массив древесины пластины, упорная площадка, листовые фасонки, за счет которых обеспечивался проектный угол наклона верхнего пояса к нижнему. В массив древесины вклеивались пластины размером 300x50x5 мм. Для определения основных и фибровых деформаций исследуемой системы на экспериментальную конструкцию были установлены электронные индикаторы с ценой деления 0,001 мм (фибровые деформации) и индикаторы часового типа с ценой деления 0,01 мм (основные деформации системы). Величина ступени загружения принята 0,1 от расчетной разрушающей нагрузки.

Рисунок 1. Узлы деревянных ферм с применением стальных вклеенных пластин: а - опорный узел; б - узел сопряжения раскоса и верхнего пояса Источник: разработано автором на основе [2]

Выдержка на каждой ступени загружения для стабилизации деформаций составляла 5 минут. Показания с контрольных приборов снимали непосредственно после приложения очередной ступени и после выдержки на каждой ступени. При нагрузке 1,5 Рразр приборы с опытного образца были сняты, образец был доведен до разрушения.

Рисунок 2. Экспериментальная конструкция с установленными на неё контрольными приборами Источник: взято из [2]

Общий вид опытного образца, подготовленного к испытанию и момент снятия отсчетов с контрольных приборов, показан на рисунке 3.

Рисунок 3. Опытный образец, подготовленный к испытанию (а) и снятие отсчетов с контрольных приборов (б)

Источник: разработано автором

Полученные результаты эксперимента позволили сделать следующие выводы:

На всех ступенях загружения, за исключением первой ступени (обмятие рабочих поверхностей, устранение рыхлых деформаций, вызванных неточным изготовлением соединяемых элементов), общие и фибровые деформации нарастали пропорционально величине изменения нагрузки до достижения ей величины 1,3 Рразр. Этот факт свидетельствует об упругом характере работы узла при расчетных нагрузках, в том числе при их длительном характере. Величины смещения вклеенных пластин относительно массива древесины были равны: 0,009 мм в вертикальной плоскости и 0,004 мм - в горизонтальной. Эти смещения получены как среднеарифметические величины для двух симметричных узлов при трехкратном нагружении опытного образца до расчетной нагрузки с соответствующей выдержкой после каждого испытания. При этом, разница между фактически полученными данными и среднеарифметической величиной не превышала 6 %, что можно считать вполне удовлетворительным для условий натурного эксперимента.

В сравнении с известными типами соединений на гвоздях, нагелях, зубчатых пластинах, для которых нормируемая величина исследуемого смещения при кратковременных испытаниях составляет 1,0 мм, предложенный способ соединения обладает существенной жесткостью, что позволяет устранить главный недостаток деревянных ферм - высокую деформативность. Разрушающая нагрузка на экспериментальный образец составила 12,8 т. Разрушение произошло из-за скалывания древесины по продольной плоскости древесина-клей в зоне вклейки пластины в массив древесины. При расчетной нагрузке в 5,0 тонн коэффициент безопасности составил 2,56. Нормируемый коэффициент безопасности при сроке эксплуатации конструкции 50 лет составляет 2,2. Полученный результат позволяет гарантировать эксплуатационную надежность предложенного способа соединения элементов деревянных конструкций на весь период эксплуатации здания или сооружения.

Литература

1. Жаданов В. И. К вопросу применения вклеенных металлических пластин в соединениях деревянных конструкций / И. В. Руднев, П. А. Дмитриев // Строительная наука-2014: теория, образование, практика, инновации: сборник трудов Международной научно-технической конференции. - Архангельск: Изд-во ООО «Типография «Точка», - 2014. - С. 309-314.

2. Лисицкий И. И. Способы повышения несущей способности соединений деревянных конструкций на стальных вклеенных пластинах / И. И. Лисицкий, В. И. Жаданов, И. В. Руднев, Д. А. Украинченко // Известия высших учебных заведений. Строительство. - 2018. - № 5. - С. 31-43.

3. Орлович Р. Б. Тенденции в развитии соединений деревянных конструкций в строительстве за рубежом / Р. Б. Орлович, З. Гиль, П. А. Дмитриев // Известия ВУЗов. Строительство. - 2004. - № 11. - С. 4-9.

4. Руднев И. В. Выдергивание стальных пластин, вклеенных в древесину. Аналитический расчет и эксперимент / И. В. Руднев, В. И. Жаданов // Вестник Чувашского государственного педагогического университета им. И. Я. Яковлева. Серия: Механика предельного состояния. - Чебоксары. - 2015. - № 3. - С. 9-18.

5. СП 64.13330.2017 Деревянные конструкции. Актуализированная редакция СНиП II-25-80. - М.: Стандартинформ, 2017. - 96 с.

6. Турковский С. Б. Клееные деревянные конструкции с узлами на вклеенных стержнях в современном строительстве (система ЦНИИСК) / С. Б. Турковский, А. А. Погорельцев, И. П. Преображенская // - М.: РИФ «Стройматериалы», 2013. - 308 с.

7. Филимонов Э. В. Конструкции из дерева и пластмасс / Э. В. Филимонов [и др.]. // М.: АСВ, 2010. - 424 с.

Размещено на Allbest.ru