«Разработка конструктивных и технологических решений деревянных балок с криволинейным тросовым армированием» тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.21.05, кандидат наук Кощеев Артем Андреевич

• Кощеев Артем Андреевич
• кандидат наук
• 2021

Оглавление диссертации кандидат наук Кощеев Артем Андреевич

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Конструкционные свойства древесины

1.2. Существующие технологии армирования древесины и история их развития

1.3. История развития технологий производства деревянных армированных конструкций

1.4. Стальная тросовая арматура и ее применение в строительных конструкциях

1.5. Цель и задачи исследования

Выводы по главе

ГЛАВА 2. РАСЧЕТНО-ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ АРМИРОВАННЫХ ДЕРЕВЯННЫХ БАЛОК

2.1. Инженерный расчет деревянных балок по предельным состояниям

2.1.1. Выбор физической модели. Формирование математической модели конструкции армированной балки на основе метода конечных элементов

2.1.2. Определение геометрических характеристик поперечного сечения балки с тросовым армированием

2.1.3. Расчет по первой группе предельных состояний

2.1.4. Расчет по второй группе предельных состояний

2.2. Исследование напряженно - деформированного состояния армированных балок с помощью метода конечных элементов

2.2.1. Метод конечных элементов в программных комплексах «SCAD» и «ЛИРА 10.10»

2.2.2. Обобщенный алгоритм расчета деревянной балки с криволинейным тросовым армированием и ее элементов

2.2.3. Результаты расчетов деревянных балок с криволинейным тросовым армированием

Выводы по главе

ГЛАВА 3. МЕТОДИКА, ПЛАНИРОВАНИЕ И ПРОВЕДЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ

3.1. Общая методика и планирование экспериментальных исследований

3.2. Планирование и проведение эксперимента на образцах локального армирования

3.2.1. Сравнение работы клеевой прослойки в массиве древесины при использовании в качестве армирования стальной горячекатаной арматуры и стального троса

3.2.2. Изучение влияния эксцентриситета на прочностные показатели S-образного армирования в древесине

3.2.3. Исследование влияния формы траектории на прочностные показатели Б-образного армирования в древесине

3.2.4. Исследования по выбору оптимальной амплитуды траектории Б-образного армирования

3.3. Планирование и подготовка испытаний полноразмерной деревянной балки с криволинейным тросовым армированием

3.3.1 Описание, моделирование и изготовление экспериментальной установки

3.3.2. Технология изготовления полноразмерных образцов и моделей для испытаний. Описание инструментального и технологического обеспечения

Выводы по главе

ГЛАВА 4. ОБОБЩЕННЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

4.1. Результаты экспериментов на образцах локального армирования

4.1.1. Результаты последовательного эксперимента на локальных образцах армирования

4.1.2. Результаты многофакторного эксперимента на локальных образцах армирования

4.2. Результаты испытаний полноразмерных деревянных балок с криволинейным тросовым армированием

4.3.Анализ результатов экспериментальных исследований

Выводы по главе

ГЛАВА 5. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕРЕВЯННЫХ БАЛОК С КРИВОЛИНЕНЫМ ТРОСОВЫМ АРМИРОВАНИЕМ

5.1. Общие понятия технологии и стадий производства деревянных армированных балок

5.2. Сортировка и раскрой исходного сырья

5.3. Сушка древесины

5.4. Первичная механическая обработка, калибровка заготовок

5.5. Вторичная механическая обработка с выполнением пазов

5.6. Нарезка и подготовка армирующих элементов, приготовление клеевой композиции, вклейка стальной тросовой арматуры

5.7. Опрессовка балок

5.8. Защита конструкции антипиренами и биоцидами

Выводы по главе

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ 1. АКТЫ ВНЕДРЕНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ДИССЕРТАЦИОННОГО ИССЛЕДОВАНИЯ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему ««Разработка конструктивных и технологических решений деревянных балок с криволинейным тросовым армированием»»

ВВЕДЕНИЕ

Мировые тенденции развития технологий возведения зданий и сооружений определили несколько критериев, которым должны соответствовать современные строительные конструкции. Главные их них - экологичность, долговечность, высокие прочностные и эксплуатационные характеристики, наличие в составе возобновляемых природных ресурсов и материалов вторичной переработки [102]. Большинству этих параметров отвечают строительные изделия из древесины. Именно этим и обусловлено широкое распространение этого строительного материала как в России, так и во всем мире. Несущие деревянные конструкции применяются в промышленных и гражданских зданиях, используются в сооружениях постоянного и временного назначения [22]. Сфера применения данных строительных элементов распространяется на междуэтажные и чердачные перекрытия, каркасные стены, стропильные системы, мосты, башни, эстакады и другие сооружения различного назначения.

Исследованием, изучением физико-механических, химических свойств древесины, ее строения, занимались Ашкенази Е.К., Белянкин Ф.П., Бурмистрова О.Н., Иванов Ю.М., Каратаев С.Г., Карлсен Г.Г., Леонтьев Н.Л., Мелехов В.И., Митинский А.Н., Нагрузова Л.П., Найчук А.Я., Савков Е.И., Санжаровский Р.С., Слицкоухов Ю.В. Совершенствованием конструктивных решений несущих и ограждающих деревянных элементов зданий, изучением технологий их усиления занимались Арленинов Д.К., Бузало Н.А., Вдовин В.М., Деордиев С.В., Дмитриев П.А., Жаданов В.И., Журавлев Д.А., Журавлев А.А., Знаменский Е.М., Иванов В.Ф., Инжутов И.С., Котлов В.Г., Колчунов В.И., Лабудин Б.В., Маилян Л.Р., Миронов В.Г., Михайлов Б.К., Орлович Р.Б., Отрешко А.И., Погорельцев А.А., Пятикрестовский К.П., Римшин В.И., Рощина С.И., Светозарова Е.И., Серов Е.Н., Стоянов В.В., Травуш В.И., Турковский С.Б., Турков А.В., Федоров В.С., Фурсов В.В., Хлебной Я.Ф., Хухрянский П.Н., Шмидт А.Б., Шухов В.Г., Щуко В.Ю. Разработкой технологий модификации, сушки древесины, вопросами сопротивления деревянных констркций воздействию факторов внешней среды

занимались Глухих В.Н., Косиченко Н.Е., Левинский Ю.Б., Мажара П.И., Платонов А.Д., Санаев В.Г., Черных А.Г. Разработкой технологий заготовки, транспортировки, хранения, обработки древесины, вопросами получения из нее различных функциональных и композиционных материалов, вопросами производства деревянных конструкций занимались Алексеев А.Е., Бызов В.Е., Григорьев И.В., Камусин А.А., Ковальчук Л.М., Малыгин В.И., Манжос Ф.М., Мануковский А.Ю., Мюллер О.Д., Мясищев Д.Г., Онегин В.И., Пластинин С.Н., Турушев В.Г., Уголев Б.Н., Хрулев В.М., Черных А.С. Среди зарубежных исследователей свойств деревянных конструкций следует выделить Bauman R., Gatz K.-H., Haring H., Hettzer O., Kollmann F., Larsen H., Lyon D.E., Mielczarek Z., Norris H.

Актуальность темы. Рост использования деревянных конструкций в строительстве приводит к повышению стоимости качественной древесины и истощению объема сырьевой базы важнейшего природного ресурса. Данная тенденция повышает актуальность вопросов экономии лесоматериала при создании строительных конструкций. Известны различные методы модернизации балочных систем из древесины [161,189,192,188]. К распространенным методам относятся: внедрение в массив древесины стальных пластин и стержней на узловых соединениях и по длине балок [140,154,164], армирование деревянных балок с помощью стальной горячекатаной арматуры [131,150], модернизация древесины с помощью пропитки различными усиливающими и консервирующими составами [171], применение тканевых углепластиковых армирующих полотен для усиления [149], и многие другие. Вышеперечисленные методы направлены на увеличение жесткости и прочности деревянных балок. На протяжении многих лет ведется поиск наиболее эффективных и оптимальных с экологической и экономической точек зрения методов увеличения прочности деревянных конструкций.

Тема диссертационной работы связана с изучением стального тросового армирования деревянных балок для перекрытий и покрытий зданий.

Предлагаемый способ армирования растянутой зоны балок по оригинальной криволинейной траектории позволит повысить эффективность армирования -получить более высокие в сравнении с прямолинейным армированием показатели жесткости и прочности балок при одинаковом количестве используемых в конструкции стали и древесины. Кроме этого, разрушение при экстремальных нагрузках балок с предложенным армированием носит пластический характер, что повышает безопасность эксплуатации таких конструкций.

Таким образом, направление диссертационной работы, связанное с разработкой конструктивных и технологических решений деревянных балок с криволинейным тросовым армированием, является актуальной задачей.

Степень разработанности темы. Известные примеры технологий армирования древесины эффективно решают задачи повышения прочности и жесткости балочных конструкций, но недостаточно используют возможности рационального размещения элементов повышенной прочности и жесткости в массиве древесины, в том числе в криволинейной форме. Не исследованы особенности изменения напряженного - деформированного состояния деревянных балок с криволинейным армированием в растянутой зоне при изгибе. Не разработаны методики расчета для проектирования балок, армирующие элементы которых располагаются в растянутой зоне и изменяют свое положение по ширине сечения конструкции. Не разработаны эффективные способы автоматизации выполнения криволинейных пазов под вклейку армирующих стержней в древесину. Это указывает, что данная тема изучена недостаточно и вопрос повышения прочности, жесткости и эксплуатационных характеристик деревянных балок для покрытий и перекрытий зданий и сооружений с помощью криволинейного армирования является востребованной задачей.

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках реализации научного проекта № 19-38-90062.

Объект исследования - деревянные армированные балки.

Предмет исследования - физико-механические свойства деревянных балок с тросовым армированием по криволинейной S-образной траектории.

Область исследования соответствует требованию паспорта научной специальности ВАК РФ 05.21.05 - «Древесиноведение, технология и оборудование деревопереработки» п. 2 - «Разработка теории и методов технологического воздействия на объекты обработки с целью получения высококачественной и экологически чистой продукции».

Цель диссертационной работы - повышение прочности, жесткости и эксплуатационных характеристик деревянных балок для покрытий и перекрытий зданий и сооружений с помощью криволинейного тросового армирования.

Для достижения цели определены задачи:

- изучить опыт армирования деревянных балок, в том числе усиленных с помощью стальных тросов и горячекатаной стальной арматуры;

- выполнить теоретические исследования напряженно - деформированного состояния и разработать методику расчета деревянных балок с криволинейным тросовым армированием, с учетом анизотропии и упруго - пластического характера работы древесины;

- выявить оптимальные геометрические параметры S-образного армирования в приопорных зонах деревянной балки;

- произвести оценку изменений показателей прочности и жесткости при замене формы траектории армирования с прямолинейной на криволинейную S-образную в приопорной части растянутой зоны балок;

- разработать рекомендации по организации технологии производства балок с криволинейным тросовым армированием, направленные на оптимизацию ресурсных и экономических показателей эффективности производства.

Научная новизна результатов исследований:

- на основе мирового опыта разработки технологий армирования деревянных конструкций предложена конструкция деревянных армированных балок с

повышенными прочностными и деформационными характеристиками, отличающаяся оригинальной криволинейной S-образной траекторией расположения стального троса в приопорных участках растянутой зоны балки;

- разработана методика инженерного расчета балок с криволинейным тросовым армированием растянутой зоны, отличающаяся учетом изменения прочности и деформативности древесины в упруго пластической и пластической стадии работы конструкции через коэффициенты куп и куж, получаемые на основе сравнения результатов инженерного расчета и экспериментальных данных;

- выявлены зависимости характера разрушения моделей локального армирования с криволинейно вклеенными в древесину стальными тросами от геометрических параметров вклейки, отличающиеся учетом влияния формы и амплитуды траектории армирования на показатели прочности и деформативности образцов. Определено оптимальное сочетание значений геометрических параметров -образного армирования в приопорных зонах деревянной балки, позволяющее исключить возникновение концентраторов напряжений в области перехода прямой формы траектории в криволинейную;

- произведена оценка эффективности применения криволинейного S-образного тросового армирования в древесине, отличающаяся учетом изменения показателей прочности и жесткости, в сравнении с балками, армированными по прямой траектории;

- разработаны рекомендации по производству балок с криволинейным тросовым армированием, обеспечивающие высокий уровень автоматизации основных технологических этапов, отличающиеся учетом особенностей практического применения армированных балок. Предложена концептуальная модель фрезерного станка, позволяющая автоматизировать процесс изготовления криволинейных пазов в массиве древесины для вклейки армирующих элементов.

Методы исследования. В работе использованы методы математического моделирования, статистической обработки данных, планирование многофакторного эксперимента, а также сертифицированные программные

комплексы 3D моделирования, вычислительные программные комплексы, методы тензометрии и современное инструментальное обеспечение, высокоточное силовое гидравлическое оборудование.

Достоверность полученных результатов обеспечивается: обеспечивается применением научно - обоснованных методик проведения теоретических исследований, применением методов численного моделирования и использованием принятых в механике гипотез и допущений, планирование экспериментов, выполнение экспериментальных исследований с анализом результатов каждого структурного этапа и корректировкой технологии армирования с целью повышения ресурсной эффективности, применение сертифицированной инструментальной и тензометрической базы, сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Теоретическая значимость работы. Разработан метод увеличения прочностных и деформационных характеристик деревянных армированных балок за счет изменения формы траектории расположения элементов армирования на приопорных участках. Предложена методика инженерного расчета балок, позволяющая учесть изменения прочности и деформативности древесины в упруго пластической и пластической стадии работы конструкции с криволинейным тросовым армированием.

Практическая значимость работы. Разработана технология изготовления деревянных балок с усилением растянутой зоны стальной тросовой арматурой. Результаты исследования позволяют повысить экономическую эффективность и расширить область применения деревянных балочных конструкций, изменить с хрупкого на пластический характер разрушения балок покрытий и перекрытий, следовательно, повысить эксплуатационную надежность конструкций. Предложена концептуальная модель фрезерного станка с числовым программным управлением, позволяющая автоматизировать процесс производства деревянных армированных балок.

Личный вклад. Автором выполнен аналитический обзор состояния вопроса, определены цели и задачи исследования, разработана методика проведения экспериментальных исследований при статических воздействиях, разработана и запущена в эксплуатацию конструкция испытательного стенда, проведена математическая обработка и анализ результатов исследования, разработаны технологические решения по изготовлению деревянных балок с усилением растянутой зоны криволинейным тросовым армированием.

Реализация результатов работы. Результаты исследования использованы в проекте «ЗАО «ЛЕККО». Фармацевтический складской комплекс» в ПГТ Вольгинский Петушинского района Владимирской области, разработанным ООО «Проектная студия «Гранит», г. Владимир.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных конференциях ФГБОУ ВО «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых» в 2014 - 2020 гг., международной научно-практическая конференции «International Conference on Construction, Architecture and Technosphere Safety» (ICCATS-2019) (г. Челябинск, 2019 г.); международной научно-практическая конференции «International Conference on Materials Physics, Building Structures and Technologies in Construction, Industrial and Production Engineering» (MPCPE-2020) (г. Владимир, 2020 г.); международной научно-практическая конференции «Строительство и архитектура: теория и практика инновационного развития» (CATPID-2019) (Москва, 2019); международной научно-практическая конференции «International Scientific Conference on Energy, Environmental and Construction Engineering» (EECE-2018) (Санкт-Петербург, 2018 г.); международной научно-практическая конференции International Scientific Conference «Energy Efficiency and Sustainable Development in Civil Engineering» (SPbEES-2017) (г. Санкт-Петербург, Институт Петра Великого, 2017 г.); 3-й международной научно-технической конференции «Деревянные конструкции:

разработка, исследования, применение» (г. Москва, ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко, 2019 год).

На защиту выносят следующие положения и результаты:

- разработана конструкция и технология изготовления деревянных балок с усилением растянутой зоны стальной тросовой арматурой с измененной формой траектории ее расположения, позволяющая повысить прочность, безопасность конструкций и изменить характер их возможного разрушения;

- разработан метод армирования растянутой зоны стальной тросовой арматурой, позволяющий повысить прочностные и деформационные характеристики деревянных балок;

- разработана методика инженерного расчета криволинейно армированных балок, позволяющая учесть изменения прочности и деформативности древесины в упруго пластической и пластической стадии работы конструкции;

- установлены зависимости влияния формы и амплитуды S-образной траектории армирования балки, позволяющие выявить оптимальные с точки зрения прочности конструкции сочетания геометрических характеристик армирования;

- рекомендации по изготовлению деревянных армированных балок с концептуальной моделью фрезерного станка, позволяющие автоматизировать часть стадий процесса производства и расширить область их применения.

Публикации. По результатам исследований опубликовано 13 работ, в том числе 6 в базе международного цитирования Scopus, 4 в изданиях, входящих в перечень ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, списка литературы из 207 наименований, представлена на 253 страницах и содержит 228 рисунков, 40 таблиц, 1 приложение.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Строительная индустрия, активно развивающаяся в условиях современного мира, формирует высокие требования к надежности и долговечности конструкций из различных материалов. Совершенствуются технологии изготовления, применяются новые материалы и изделия, которые ранее не использовались в строительной отрасли в качестве конструкционных - углеволокно [163], высокопрочные сплавы [177], новые виды бетонов [176] и т.д. Тем не менее, одним из главенствующих в архитектуре и дизайне остается тренд на использование материалов естественного происхождения - древесины, металла, бетона с различными наполнителями, керамических материалов. Это связано со стремлениями к экологичности и визуальной эстетике окружающего человека пространства. Наряду с этим технический прогресс ведет к повышению требований к эксплуатационным параметрам зданий и сооружений. К примеру, для балочных конструкций растут требования к длине перекрываемых пролетов зданий - отсюда требуется большая жесткость и прочность балок [195]. Человек осваивает строительство в сейсмических районах - растут требования к повышению пластичности разрушения, надежности конструкций [167]. Рост строительных объемов зданий повышает требования к пожарной безопасности, что также сказывается на увеличении сечений строительных элементов.

Описанные выше тенденции приводят к потребности в увеличенной прочности и жесткости строительных конструкций, особенно из такого материала как древесина. Прочности балок из цельного массива дерева иногда не хватает для формирования необходимых архитектурных форм - больших пролетов зданий, длинных изогнутых элементов и т.д. [136]

Возникает потребность в технологиях улучшения эксплуатационных показателей деревянных конструкций, которые базируются на исследованиях физических и механических свойств древесины, как материала конструктивного назначения.

1.1. Конструкционные свойства древесины

Свойства любого материала, используемого в строительстве, определяются рядом факторов - его химическим составом, физическим строением, а в случае древесины, из-за ее растительного происхождения - еще и особенностями воспроизводства в природе, и условиями произрастания.

Усредненный химический состав древесины для различных пород характеризуется содержанием 49,5% углерода, 6,3% водорода, 44,1% кислорода и 0,1% азота [70]. Данные химические вещества формируют стенки клеточных оболочек, на которые приходится 95% массы дерева. Эти оболочки имеют важные составные части (Рисунок 1.) - целлюлоза и гемицеллюлоза (43-56%), лигнин (1930%), минеральные, пектиновые вещества и эфирные масла [78].

Рисунок 1. Микроструктура древесины. Изображение получено с помощью электронного сканирующего микроскопа [78] Присутствие целлюлозы и углеводных соединений определяет механическую прочность и эластичность древесины, но и делает необходимой защиту древесины от воздействий ультрафиолетового излучения с помощью масел, пропиток, и лаков [97].

Лигнин является важным связующим звеном между углеводными частями древесины. Кроме тесной механической связи между лигнином и гемицеллюлозами существуют и химические связи. Лигнин не растворяется в большинстве кислот и растворителях, что придает древесине высокую химическую стойкость и позволяет применять ее в качестве несущих конструкций

складов для агрессивных химических веществ и в сельскохозяйственных постройках для содержания скота и удобрений [109].

Древесина содержит большое количество влаги, которая разделяется на свободную (в полостях клеток) и связанную (в оболочках клеток). Изменение содержания воды в древесине напрямую влияет на ее физические и механические свойства. Влажность свежесрубленной древесины зависит от ряда условий -породы, местности происхождения, местоположения древесины в стволе и может достигать до 120% для хвойной древесины [100]. После рубки испаряется в первую очередь свободная вода, а затем связанная. После длительного хранения влажность древесины снижается до 15-20% при хранении на открытом воздухе и до 10-12% при хранении в отапливаемых сухих помещениях [118]. Высвобождение влаги приводит к возникновению внутренних напряжений в древесине и появлению радиальных трещин, короблению заготовок [135].

Особенности произрастания древесины также накладывают отпечаток на ее конструкционные свойства. Древесина состоит из различных типов клеток, форма которых зависит от их функций. Различают 3 группы клеток по функциональному назначению - проводящие, механические и запасающие [78]. По мере роста дерева, запасающие элементы закупориваются, трахеиды - клетки формирующие механическую (опорную) лишаются большей части воды, в них увеличивается количество смол и дубильных веществ, что приводит к их уплотнению. Данный процесс способствует формированию внутренней части ствола, которая отличается по окраске и называется ядром. Периферическая зона, сложенная более молодыми клетками, называется заболонью (Рисунок 2). Различия между ядровой древесиной и заболонью наиболее ярко выражены в ядровых породах (сосна, лиственница, дуб), которые наиболее часто применяются в строительстве.

Из-за различия плотности и механических характеристик различается и применение составных частей древесины в строительстве. Сердцевина, являясь более плотной и стойкой к загниванию применяется для изготовления несущих элементов строительных конструкций, заболонь - для менее ответственных

частей - настилов, черновых эксплуатационных покрытий и в качестве сырья для ограждающих строительных материалов.

Рисунок 2. Основные части ствола и его главные разрезы: 1 - поперечный, 2 -

радиальный, 3 - тангенциальный. [149] Широту применения древесины в строительстве определяют ее специфичные физические свойства, к важнейшим из которых относят:

• Плотность древесины влияет на ее прочностные и деформационные характеристики. Различают 2 вида плотности - истинную и среднюю [135]. Истинная плотность одинакова для всех пород и составляет 1540-1560 кг/м3, а средняя плотность зависит от породы и возраста дерева и колеблется в пределах от 150 до 1300 кг/м3 (Рисунок 3). Наиболее часто используемая в строительных конструкциях древесина имеет плотность от 450 кг/м3 (ель, сосна) до 700 кг/м3 (дуб) [15].

Рисунок 3. Спилы древесины сосны (450 кг/м3) и эбенового (черного) дерева

(1300 кг/м3)

• Пористость древесины является производной ее плотности и колеблется в пределах от 30 до 80%, что говорит высоком содержании пор. Древесина имеет трубчатое строение, но благодаря наличию межклеточного пространства пары жидкости и газы могут свободно перемещаться по всей толщине материала. Благодаря этому достигается высокая паро-проницаемость, что способствует выходу водяного пара из древесины при работе в составе ограждающей строительной конструкции [23].

• Влажность оказывает влияние на размеры и прочность заготовок. В строительстве принято разделять следующие стадии влажности древесины, которые коррелируют с особенностями химическими данного материала [202]:

1) Мокрая древесина - влажность до 260% - характерна для заготовок которые длительно выдержаны в воде (сплавная древесина).

2) Свежесрубленная древесина - до 1 20%.

3) Сырая древесина - материал, содержащий в своем составе связанную и свободную влагу - до 25% влажности.

4) Воздушно - сухая древесина - чаще всего это материал, длительно выдержанный при естественной влажности на открытом воздухе - до 15% влажности.

5) Комнатно-сухая древесина - от 8 до 12% влажности - такую влажность имеет материал при длительном нахождении в сухих отапливаемых помещениях.

6) Абсолютно сухая древесина - 0% влажности - полностью высушенный материал с помощью специальных сушильных камер и печей. Данный параметр является труднодостижимым, так как для полного испарения связанной влаги в древесине требуется очень длительное тепловое воздействие.

В строительных конструкциях разрешается применять древесину с относительной влажностью не более 20%.

Влажная древесина при контакте с воздухом, особенно в условиях недостаточного воздухообмена подвержена гниению, которое провоцируют определенные виды грибов. Однако, воздушно сухая и мокрая древесина (которая постоянно находится в воде) не склонна к гниению из-за малого содержания свободного кислорода [115].

Негативное изменение сопротивления древесины от насыщения водой особенно сильно проявляется при относительно небольших степенях влажности. При увеличении влажности ее влияние уменьшается, и древесина стабилизируется. К примеру, сопротивление сжатию вдоль волокон для водонасыщенных хвойных пород составляет около 50% от сопротивления воздушно-сухой древесины.

• При изменении уровня влажности древесина меняет свои геометрические параметры. Данное явление называется усушкой и разбуханием. Из-за направленности волокон древесины данные процессы в различных направлениях происходят с разной степенью интенсивности. В направлении вдоль волокон деформации малы и обычно не учитываются, а в направлении поперек волокон деформации значительны и их необходимо учитывать. Присутствует разница между тангенциальной (в направлении окружности поперечного сечения ствола дерева) и радиальной (в направлении радиуса) усушкой [120]. Тангенциальная усушка в 1.5-2 раза больше и составляет 0.250.3% от размеров поперечного сечения на каждый процент уменьшения влажности. Данная закономерность приводит к появлению радиальных трещин в толстых элементах из лесоматериала при несоблюдении технологии сушки древесины.

• Коробление - явление, возникающее из-за более быстрого высыхания периферийной части древесины в сравнении с внутренней. Различают поперечное - из-за разницы радиальной и тангенциальной усушки (Рисунок 4) и продольное направление коробления - из-за неравномерного испарения влаги по длине элемента конструкции. Влияние коробления может быть

минимизировано с помощью соблюдения технологий сушки древесины, правильной ее укладки и соблюдения условий хранения [118].

Рисунок 4. Коробление древесины: а - поперечное, б - продольное Прочность древесины описывается через пределы прочности при сжатии, статическом изгибе, растяжении и скалывании с учетом коэффициентов изменчивости. Прочность находится в прямой зависимости от плотности, наличия пороков, влажности и взаимного расположения действующей нагрузки и направления волокон. Для чистой древесины сосны предел прочности при сжатии вдоль составляет 100 МПа, поперек волокон - 20-25 МПа [75]. Прочность на растяжение вдоль волокон у различных пород древесины колеблется в пределах от 80 до 190 МПа, а поперек волокон - от 2 до 10 МПа. Большее значение имеет показатели прочности при сопротивлении статическому изгибу - от 50 до 100 МПа. Данные значения дают представление о большом различии прочности древесины в различных направлениях из-за ярко выраженной анизотропности ее строения [71]. Из-за изменчивости показателей прочности древесины ее разделяют на несколько классов прочности (От С 14 до С50 - при испытаниях на изгиб и от Т8 до Т30 при испытаниях на растяжение вдоль волокон) и сортов (для бруса - 1, 2, 3, 4, для досок и брусков - отборный, 1, 2, 3, 4) [21]. Сортность древесины определяется на любом участке доски/бруса длиной 1 метр и зависит от

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Кощеев Артем Андреевич, 2021 год

/ е

Рисунок 51. Диаграмма растяжения стального троса марки ТК

0 1 2345 67 88о/0

Рисунок 50. Приведенные диаграммы работы древесины (сосна) по Белянкину-Прагеру: 1 -растяжение, 2 - сжатие (напряжения в долях от Япч)

Исследование НДС армированной деревянной конструкции в упругой стадии работы с достаточной точностью поможет быть выполнено с помощью метода расчета по приведенным геометрическим характеристикам [82].

Данный метод опирается на следующие допущения и предпосылки:

1. Равенство модулей упругости древесины при растяжении и сжатии.

2. Совместность деформаций стального троса и древесины.

3. Неизменность геометрических характеристик плоскостей сечений армированной балки до и после деформирования.

4. Отсутствие взаимного влияния волокон древесины на стальной трос в части давления - они испытывают только линейное сжатие и растяжение.

5. Прямая пропорциональность возрастания напряжений и деформаций до предела прочности в стальном тросе.

2.1.2. Определение геометрических характеристик поперечного сечения

балки с тросовым армированием

Определение геометрических характеристик поперечного сечения балки с тросовым армированием следует начать с определения площади приведенного сечения прямоугольной формы:

Ещр Рдр + РТроса * ^ (2.166)

Где Рдр = Ь * к - площадь древесины;

Ртроса = ^тр1 *3 - площадь троса, определяется по ГОСТ 3070-88 (т.к. в исследуемой конструкции используется тройное армирование, для упрощения дальнейших расчетов принимаем тройную площадь).

п = ——— коэффициент приведения.

^троса

Далее разделим выражение 2.12 на Рдр = Ь * к:

Рпр ^др Ртр Ь*к ^

—— = —— \--— * п =--\--— * п = 1 + и* п (2.17)

Ь * к Ь * к Ь * к Ь * к Ь * к

Выполним преобразование выражения:

Рпр = Ь * к* (1 + ^*п) (2.18)

Где ^ = ^ = - является коэффициентом армирования.

' др

Армирование стальной трос

,_Ь

Защитный слой

древесины

Рисунок 52. Схема деревянной балки, армированной стальным тросом Далее определим статический момент инерции сечения относительно оси, которая проходит через низ балки:

к

к

5пр = 5др + 5тр = Ядр * — + Ртр * к1 = Ь*к* — + Ь*к*^*п*к1 =

2

тр 1

2

= ь*к2(1+^*к1)

(2.19)

Где к1 - расстояние от центра сечения троса до нижней грани балки (защитный слой древесины не учитывается при расчете)

Определим положение центра тяжести сечения:

Ус =

Бпп Ь * к2 (2 + * к1) к (2 + * к1)

пр

Я

пр

Ь*к*(1 + ^*п)

к_

1 +

(2.20)

Исходя из вышеизложенного определим момент инерции сечения армированной деревянной балки относительно нейтральной оси.

Момент сечения балки без армирования:

•к

1др =42

3

Тогда момент инерции балки с армированием:

I = I1 + I2 + I

'пр Д^ ^ Д^ тр

Выполним расшифровку каждого слагаемого:

п т .и (Ус\2 (Ус\2 Ь*ус

/К — уг\2 Ь * (К — уг)с ¡1р= 1С + Ь * (К — ус) * ( 2~) =

Выполним подстановку и преобразования:

¡тр = 1тр + Етр * (К — ус + К1)2 =1$р + Ь*К*^*п*(К — ус + К1)'

Ь * ус Ь * (К — усУ !пр = + 1Др + 1тр = —— +-з-+ 1Тр +Ь * К* ^*п*(К — ус + К1)

Ь*ус Ь * (Кс)с !пр +-з-+ Цр + Ь*К* ^*п*(Кс + К1)'

ь

!пр=з* (У? + К3с) + 1'р + Ь*К*11*п*(Кс + К1)2 (2.21)

где Кс = К — ус.

Приведенный момент сопротивления для растянутой и сжатой зон деревянной армированной балки в данном случае будет вычисляться следующим образом:

= (2.22)

Ус Кс

Расчет деревянных балок для покрытий и перекрытий выполняется по двум группам предельных состояний. Для выполнения требований прочности и деформативности в подобных конструкциях выполняются проверки несущей способности в опасных сечениях, находящихся в приопорных зонах и в середине пролета.

2

Исследуемая траектория армирования - в виде Б-образных волн в приопорных зонах деревянной балки приводит к значительному усложнению картины распределения напряжений и деформаций в зоне изгибов траектории (Рисунок 53). Поэтому, приведенные выше методы ручного расчета, актуальные для армирования тросом по прямой траектории на всей длине балки требуют уточнения с помощью программного расчета методом конечных элементов.

Рисунок 53. Предполагаемая схема работы Б-образного армирующего элемента и массива древесины в сравнении с линейным армированием Также необходим ряд экспериментальных исследований на образцах локального армирования, описание и результаты которых приведены в главах 3 и 4 - по выявлению степени влияния формы, длины и амплитуды траектории Б-образного армирования на прочностные характеристики деревянной армированной балки. Полученная оптимальная форма траектории армирования требует экспериментальной проверки прочностных и деформационных характеристик при проведении финальных в данном исследовании испытаний деревянных балок натуральной величины - длиной 6 метров на равномерно -распределенную нагрузку.

Учитывая, что точные значения степени упрочнения деревянной балки стальным тросовым Б-образным армированием не известны, в инженерных расчетах по двум группам предельных состояний в существующие формулы расчета напряжений и деформаций целесообразно ввести коэффициенты куп и

куж, которые будут получены в ходе экспериментальных исследований, описанных в главе 4.

2.1.3. Расчет по первой группе предельных состояний

Расчет по первой группе предельных состояний производится в несколько стадий:

А) Расчет на действие максимального изгибающего момента по древесине в опасных сечениях, находящихся в середине пролета балки (Рисунок 54).

Рисунок 54. Схема загружения деревянной балки с тросовым армированием Определим изгибающий момент в середине пролета деревянной балки с тросовым армированием:

М

тах изг

ц12 8

(2.23)

Для древесины должны выполнятся два условия. Первое - максимальные нормальные напряжения в растянутой зоне должны быть меньше или равны расчетному сопротивлению древесины на растяжение с учетом коэффициента увеличения прочности в результате внедрения Б-образного армирования:

м

Оп = —о * Ктп < Я

пр

уп

(2.24)

где куп - коэффициент, учитывающий изменение прочности древесины растянутой зоны в упруго-пластической и пластической стадии работы конструкции, получаемый экспериментально (п.4.3).

Второе условие - максимальные нормальные напряжения в сжатой зоне быть меньше или равны расчетному сопротивлению древесины на сжатие:

а = (2.25)

с Кр с v у

Б) Расчет на устойчивость плоской формы деформирования балки:

Расчет выполняется также для опасного сечения в середине пролета ввиду присутствия там максимального изгибающего момента (2.23).

м

= ТК * куп < (2.26)

где (рм - коэффициент устойчивости от действия момента:

ь2

(Рм = 140* — * кф, (2.27)

где кф - коэффициент, зависящий от формы эпюры изгибающих моментов.

2.1.4. Расчет по второй группе предельных состояний

Расчет по второй группе предельных состояний сводится к определению максимального прогиба от нагрузки в пролете деревянной армированной балки и сравнению его с предельным согласно СП «Деревянные конструкции» (2.28)

Г <Го (2.28)

Прогиб однопролетной балки от действия равномерно-распределенной нагрузки без учета деформаций сдвига:

5 Рн*14

/= —* — * куж * кг (2.29)

3 С84 Е*1пр уж 1 К '

Где куж - коэффициент, отражающий изменение жесткости балки в результате действия пластических деформаций, получаемый на основе сравнения результатов инженерного расчета и экспериментальных данных (п.4.3); кг -коэффициент, учитывающий влияние временной нагрузки на перекрытие, в составе которого находится деревянная армированная балка.

кь = 1 + 0.67*-^ (2.30)

^общ

После вычисления прогиба балки от действия нагрузки его необходимо сравнить с предельным допустимым прогибом, который определяется по формуле (2.27)

/с=!*(1 + с(^0)2)</пр. (231)

где к - коэффициент, учитывающий влияние на прогиб переменности поперечного сечения балки. В нашем случае балка по всей свей длине одинакова в сечении, потому коэффициент к вычисляется по формуле:

к = 0.15 + 0.85* р (2.32)

т.к. балка по всей свей длине одинакова в сечении, Р = 1, поэтому

Л = 1;

- коэффициент, учитывающий влияние на прогиб сдвиговых деформаций от поперечной силы, определяется по формуле

с = 15.4 + 3.8 * р (2.33)

где Р = 1 ввиду отсутствия переменности сечения по длине балки:

с = 15.4 + 3.8*1 = 19,2.

2.2. Исследование напряженно - деформированного состояния армированных балок с помощью метода конечных элементов

Деревянные балки с криволинейным тросовым армированием, изучению которых посвящено данное исследование характеризуются сложным напряженно-деформированным состоянием в местах изгиба траектории армирования. Кроме этого, на предсказуемость экспериментальных результатов влияют особенности деформирования стальных тросов под нагрузкой, а именно - наличие выраженных поперечных деформаций. Численные исследования усложняет и анизотропия древесины.

Основываясь на вышеизложенном, исследование поделено на несколько характерных стадий, позволяющих выявить характерные недостатки технологии и наиболее оптимальную траекторию S-образного армирования на этапе численных и экспериментальных испытаний локальных образцов армирования, а затем перенести полученные результаты на стадию исследований конструкции в натуральную величину.

Стадии численных исследований:

1. Предварительные расчеты объемного НДС балок с различным типом армирования в ПК SCAD длиной 4.8 метра. Выбор формы армирования и количества армирующих стержней;

2. Численное моделирование испытаний вклеенных элементов криволинейного армирования на локальных образцах. Выявление оптимальной амплитуды траектории армирования;

3. Численное моделирование испытания деревянных балок с криволинейным армированием длиной 6 метров с шарнирным опиранием на равномерно -распределенную нагрузку.

Наиболее известным численным методом, позволяющим изучать сложное напряженно - деформированное состояние сочетаний анизотропных тел, является метод конечных элементов. Данный метод используется в различных расчетных программных комплексах. В данном исследовании используются программные комплексы «SCAD» и «ЛИРА 10.10».

2.2.1. Метод конечных элементов в программных комплексах «SCAD» и

«ЛИРА 10.10»

Метод конечных элементов основывается на дроблении сложных с точки зрения анализа объектов на конечное число базовых элементов. Таким образом, если в первоначальном объекте, как в области, присутствует некая непрерывная изменяющаяся величина (например, внутренние усилия или напряжения в древесине), то она аппроксимируется до множества кусочно-непрерывных

функций, которые определяются границами базовых конечных элементов. Кусочно-непрерывные функции строятся с помощью значений непрерывной величины в узлах соединения элементов [105]. Если непрерывная величина определена в 2-х или 3-х мерной области, то область обычно разбивается на элементы в форме треугольников или четырехугольников, делая возможным исследовать тела любой формы. Аппроксимирующие функции в этом случае изображаются плоскими или криволинейными поверхностями, что позволяет учитывать различные граничные условия расчета. Учитывая тот факт, что описания функций в соседних элементах аппроксимации могут быть различны, с помощью метода конечных элементов можно исследовать конструкции, состоящие из различных, в том числе анизотропных, материалов.

Ввиду универсальности метода расчета его результаты сильно зависят от правильности формирования исходной конечно-элементной модели и зачастую не совсем совпадают с действительностью. Наблюдается прямая зависимость точности расчета от степени разбивки исходного тела на исследуемые части. Результаты расчетов данным методом требуют инженерной проверки и сравнения с экспериментальными данными.

2.2.2. Обобщенный алгоритм расчета деревянной балки с криволинейным

тросовым армированием и ее элементов

Численный метода расчета в программе ПК ЛИРА 10.10 выполняется в несколько стадий, в ряде которых для выполнения вспомогательных построений используется ПК AutoCAD:

1 Этап. Создание новой задачи расчета пространственной конструкции с шестью степенями свободы в узлах.

2 Этап. Создание геометрической исходной схемы объекта исследования.

2.1. Формирование продольного сечения балки в зоне армирования в ПК AutoCAD с целью нахождения координат диктующих узлов криволинейной

траектории армирования и обеспечения их совпадения с контуром триангуляции основного материала - древесины.

2.2. Добавление узловых точек продольного сечения деревянной армированной балки, формирование замкнутого контура продольного сечения в плоскости YOX и элементов армирования с помощью стержней заданной формы.

2.3. Выполнение триангуляции заданного контура - разбиение продольного сечения на трех и четырех-узловые плоские элементы с наименьшим шагом, с целью обеспечения максимальной точности выполнения расчета.

2.4. Согласование местных осей пластин триангулированного контура (ось X! в плоскости XOY+).

2.5. Выделение плоских элементов (в дальнейшем - древесной части) продольного сечения балки и превращение сечения в объемное тело путем выполнения команды «перемещение образующей» на высоту балки с шагом, равным шагу триангуляции продольного сечения балки. Особое внимание в данном шаге уделяется армирующим стержням - они должны сохранить свое положение в растянутой зоне и пластинам, которые были созданы в п. 2.3 и подлежат удалению. После выполнения данного шага и проверки созданных элементов создание геометрической модели балки можно считать выполненным.

2.6. Выполнение упаковки схемы, при которой удаляются совпадающие узлы и выполняется сшивка элементов, устранение внутри-программных ошибок в формировании геометрической части схемы.

3 Этап. Формирование граничных условий расчета исследуемой конструкции.

3.1. Выделение узлов опирания конструкции в плоскости XOY с исключением узлов, относящихся к армирующим элементам.

3.2. Формирование опор (связей) в выбранных узлах. Схема опирания - балка на двух опорах - шарнирно-подвижной с одной стороны (связи в направлении XYZ) и шарнирно-неподвижной с другой (связи в направлении XZ).

4 Этап. Формирование жесткостных характеристик, материалов, условий конструирования.

4.1. Формирование жесткости для объемных конечных элементов, имитирующих древесину в армированной балке.

4.1.1. В условиях линейного расчета:

Древесина в случае линейного расчета задается как универсальный пространственный восьмиузловой изопараметрический конечный элемент (для ПК ЛИРА 10.10 - КЭ-36). В параметрах данного элемента задается плотность (До = 500 кг/м3) и следующие жесткостные характеристики:

1) Модули упругости (Юнга): £ = 400 МПа; £2 = 10000 МПа; £3 = 400 МПа.

2) Коэффициенты Пуассона: д12 = д13 = д31 = д32 = 0.5; д21 = д23 = 0.02.

3) Модули сдвига: 612 = £13 = 623 = 500 МПа.

4.1.2. В условиях нелинейного расчета:

Формирование типов жесткости для древесины в условиях нелинейного расчета происходит с помощью физически нелинейных универсальных пространственных 8-узловых изопараметрических конечных элементов (для ПК ЛИРА 10.10 - КЭ-236). Подобно линейному расчету задается плотность Дд = 500 кг/м3.

Далее формируется кусочно-линейный закон нелинейного деформирования. Функция нелинейного деформирования в этом случае описывается по диаграмме Белянкина-Прагера. Также необходимо учитывать ползучесть древесины через кусочно-линейный закон ползучести, который формируется согласно кривой длительного сопротивления для сосны (Рисунок 50).

4.2 Формирование жесткости для конечных элементов, имитирующих стальной трос, применяемый в качестве армирования.

Стальной трос как объект армирования характеризуется некоторыми особенностями деформации, которые требуют учета через формирование специальных типов конечных элементов. Разработчиками программных комплексов для описания геометрических и физических свойств придуманы специальные элементы - геометрические нелинейные пространственные нити для ПК «ЛИРА 10.10» - КЭ-304), которые позволяют имитировать анизотропию свойств любых элементов, работающих на растяжение и имеющих определенную изгибную жесткость.

Характеристики прочности и жесткости для подобных элементов задаются через специальную группу сечений - «плетеный канат». В сортаменте данной группы присутствуют канаты типа ТК, применяемые в расчете. При выборе сечения автоматически задаются параметры жесткости, упругости и разрывной прочности стального троса.

5 Этап. Назначения сечений и параметров жесткости элементам расчетной схемы.

После формирования в редакторах сечений, материалов и параметров конструирования они присваиваются каждому элементу схемы в соответствии с его типом. Данный этап завершает выборочный контроль схемы через свойства элементов.

6 Этап. Формирование загружений и нагрузок на расчетную схему.

6.1. Создание нового загружения для формирования нагрузок на конструкцию.

6.2. Формирование равномерно-распределенной нагрузки на балку, равной 1/10 от максимальной разрушающей нагрузки в первом загружении.

Согласно правилам испытаний деревянных балочных конструкций загружение должно производится ступенчато по 1/10 от разрушающей нагрузки с выдержкой по времени в 15-20 мин, необходимо в численном расчете повторить данную методику.

6.3. Созданное загружение вместе со всеми входящими в него нагрузками копируется в загружение 2...10 с необходимыми коэффициентами преобразования.

6.4. Формирование нагрузки от собственного веса конструкции.

Так как при проведении экспериментальных исследований на стенде обратного действия (опоры расположены сверху, а домкраты давят на балку снизу ввиду соображений безопасности) учет собственного веса конструкции производится через предварительное загружение балки нагрузкой, равной ее собственному весу, он должен быть учтен и при численных расчетах для обеспечения сходимости результатов. Собственный вес формируется с учетом коэффициента надежности по нагрузке 1.1 для древесины и 1.2 для стального троса во всех загружениях.

6.5. Учет ползучести древесины.

В случае нелинейного расчета необходимым условием является формирование «моделирования нелинейных загружений конструкции» с учетом ползучести в значениях 120, 240, 360, 480, 730 дней соответственно для каждого из 10 загружений, которые предварительно разбиваются на 4 равномерных шага с итерацией 300 для обеспечения шаговой итерационности расчета.

7 Этап. Выполнение расчета.

8 Этап. Анализ результатов расчета.

Результаты расчета анализируются по следующим показателям:

8.1. Анализ деформированной под нагрузкой схемы конструкции.

8.2. Анализ распределения усилий армирующих элементах и напряжений в древесине через эпюры и изополя.

8.3. Анализ перемещений узлов и элементов конструкции через изополя перемещений.

8.4. Фрагментированный анализ напряженного состояния и перемещений в древесине в районе приопорных зон балки на местах изгиба траектории армирования, необходимы для сравнения с результатами тензодатчиков установленных в характерных местах.

2.2.3. Результаты расчетов деревянных балок с криволинейным тросовым

армированием

2.2.3.1. Предварительные линейные расчеты объемного НДС балок с различным типом армирования в ПК SCAD. Выбор формы армирования и

количества армирующих стержней

В рамках этапа предварительных испытаний выполнены сравнительные численные расчеты деревянных балок с различными формами траектории армирования с целью выявления наиболее эффективного варианта расположения стального троса в продольном направлении балки.

Анализу подверглись балки со следующими характеристиками:

1. Балка из цельной древесины без армирования сечением 100х200 мм (Рисунок 55).

Исследуемое тело представляет собой балку из древесины. Армирование отсутствует.

Рисунок 55. Геометрия балки цельного сечения без армирования. Сечение балки в

середине пролета

80 Я = 2 Т/м2

1 Г Г , г 1 Г 1 - 1 Г 1 - 1 Г

"7" , 120 1 А V 4800 г 120

/ Г "Я

Рисунок 56. Расчетная схема для деревянной неармированной балки

Загружение балки - равномерно-распределенная по площади нагрузка значением 2 т/м2 согласно СП 64.13330.2017 Деревянные конструкции.

2. Балка с прямолинейным армированием цельной стальной арматурой диаметр 8 мм по прямолинейной траектории (Рисунок 57).

Исследуемое тело представляет собой балку из древесины с армированием стальной цельной арматурой диаметром 8 мм по прямой траектории. Армирование выполнено в 1 линию, которая располагается посередине нижней грани балки. Данный расчет выполняется для сравнения показателей балок с армированием стальной канатной арматурой и балок с традиционным армированием.

Рисунок 57. Геометрия балки с прямолинейным армированием. Сечение балки в

середине пролета

< г 1 1 М М М 1 ■

л , 120 Ъ 1 1 п \ Армирование на нижней грани * , 120

> -? /I 4800 / /

Рисунок 58. Расчетная схема балки с прямолинейным армированием 3. Балка с одиночным армированием по криволинейной Б-образной траектории стальным тросом (канатом) (Рисунок 59).

Исследуемое тело представляет собой балку из древесины с армированием стальной канатной арматурой по криволинейной траектории. Армирование выполнено в 1 линию. На центральной части пролета трос располагается по прямой линии, а на приопорных зонах траектория изменяется на криволинейную Б-образную, с длиной волны 140 мм. Радиус кривизны волнообразующих окружностей - 40 мм, что соответствует минимальному изгибному радиусу для стального каната сечением 8 мм.

Рисунок 59. Геометрия балки с криволинейной Б-образной траекторией армирования в 1 линию. Сечение балки в середине пролета

< г 1 1 М М М 1 ■

л , 120 Ъ 1 1 п \ Армирование на нижней грани * , 120

> -? /I 4800 / /

Рисунок 60. Расчетная схема для балки с криволинейной Б-образной траекторией

армирования в 1 линию 4. Балка со смещенным двойным криволинейным Б-образным армированием стальным тросом (канатом).

Исследуемое тело представляет собой балку из древесины с двойным армированием стальной канатной арматурой по криволинейной траектории. Армирование выполнено в 2 линии со смещением друг относительно друга в одной плоскости. На центральной части пролета 2 троса располагаются прямолинейно на расстоянии 60 мм, а на приопорных зонах траектория изменяется на криволинейную Б-образную, с длиной волны 140 мм. Зоны анкеровки канатной арматуры смещены вдоль балки на 320 мм. Радиус кривизны волнообразующих окружностей - 40 мм, что соответствует минимальному изгибному радиусу для стального каната сечением 8 мм.

Рисунок 61. Геометрия балки со смещенным двойным криволинейным S-образным армированием. Сечение балки в середине пролета 5. Балка с двойным параллельным криволинейным Б-образным армированием.

Исследуемое тело представляет собой балку из древесины с двойным армированием стальной канатной арматурой по криволинейной траектории. Армирование выполнено в 2 линии без смещения, параллельно, в одной плоскости. На центральной части пролета 2 троса располагаются прямолинейно на расстоянии 60 мм, а на приопорных зонах траектория изменяется на криволинейную Б-образную, с длиной волны 140 мм. Зоны анкеровки канатной арматуры повторяют контуры друг друга. Радиус кривизны волнообразующих окружностей увеличен до 50 мм, что превышает минимальный изгибный радиус для стального каната сечением 8 мм.

Рисунок 62. Геометрия балки с двойным параллельным s-образным армированием.

Сечение балки в середине пролета Результаты предварительных расчетов в ПК SCAD

1. Балка из цельной древесины без армирования сечением 100х200 мм.

Рисунок 63. Деформированная схема балки

Рисунок 64. Изополя нормальных напряжений. Общий вид балки

5

Рисунок 65. Изополя нормальных напряжений. Приопорная зона балки, вид сверху

Рисунок 66. Изополя нормальных напряжений. Приопорная зона балки, вид снизу

I» 1№( (Т/м2) | £3 |

■ ■ и и _1

Выкл. |

-1026.43 -1026.25

■я -юге 25 -879 К

>■■ □ -873.65 -733.04

■73] М -58Б43

> □ -586.43 -433.82

-139 8? -293 22

-233.22 -146.61

еП -146 61 0 ошооо

ооооооо 14661

146.61 293.22

233 22 433 82

113.82 536.43

585 43 733 04

■ 733.84 1026.88

Управление шкалами | Применить| Сохранить) Фрагментировать | Закрыть

Рисунок 67. Расшифровка изополей напряжений 2. Балка с прямолинейным армированием цельной стальной арматурой диаметр 8 мм по прямолинейной траектории. Предварительные расчеты.

Рисунок 68. Деформированная схема балки

Рисунок 69. Эпюра усилий в армирующем стержне (в данном случае арматура А

400 8 мм)

Рисунок 70. Изополя нормальных напряжений. Общий вид балки

Рисунок 71. Изополя нормальных напряжений. Приопорная зона балки, вид сверху

Рисунок 72. Изополя нормальных напряжений. Приопорная зона балки, вид снизу

^Ь 1 МХ (Т/и2) « И

л ■ -928.71 -895.1 8

л □ -895.16 -767.28

л ■ -767.28 -639.4

Л ■ -699.1 -511.52

л □ -511 52 -38164

л □ -383 64 -255 76

л □ -255 76 -1 27 88

л □ -1 27 88 0 660000

л □ 0.600000 1 27 00

л □ 127.00 255 70

л □ 255.70 383 04

383.64 511 52

"Ы 511.52 033 4

639.4 861 61

Рисунок 73. Расшифровка изополей нормальных напряжений

3. Балка с одиночным армированием по криволинейной Б-образной траектории стальным тросом (канатом)

Рисунок 74. Деформированная схема балки

Рисунок 75. Эпюра растягивающих усилий в армирующем стержне (в данном

случае стальной трос 8 мм)

Рисунок 76. Изополя нормальных напряжений. Общий вид балки

Рисунок 77. Изополя нормальных напряжений. Приопорная зона балки, вид сверху

- 1 МХ <Т/м2)

Рисунок 78. Изополя нормальных напряжений. Приопорная зона балки, вид снизу

и расшифровка значений изополей

4. Балка со смещенным двойным криволинейным Б-образным армированием стальным тросом (канатом).

Рисунок 79. Деформированная схема балки

Рисунок 80. Эпюра растягивающих усилий в армирующих стержнях (в данном

случае стальной трос 8 мм)

Рисунок 81. Изополя нормальных напряжений. Общий вид балки

11 М &

г г г 2 р - — - —> с 0 - ¿д Р| р. ¿Л ■■■■■■■■■ ■ ш ■■■■ ■

_ _ _ □ _ ■ ■к ■ ■ ш ■ | ■ ь

■ ■ ■ ь ■ ■ и

_, ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ к III л ■ ■ ■ ль. ■к ■ ■ и ■ ■ ■ ■■■■ ■ ■ ■ ■

■ ■ ■ я 1 ■ ■ 1 ■ ■ ■

_ ■ л _ ■ - в _

-

□

_ и I щ I

4

Рисунок 82. Изополя нормальных напряжений. Приопорная зона балки, вид сверху

Рисунок 83. Изополя нормальных напряжений. Приопорная зона балки, вид снизу

i 'I NX (T/m2) [JT

IIUJ J

Выкл.

-1181.5: -1104.3

-11013 -381 6

□ -951.6 -855.3

-858.3 -736 2

"U -736.2 -613.5

"U -613.5 -430 8

-490.8 -363.1

"U -358.1 -245 4

-245.4 -122.7

1 -12Ï.7 0 800000

0.000000 122.7

122.7 245.4

si и 245.4 368.1

308.1 536.27

Рисунок 84. Расшифровка значений изополей нормальных напряжений 5. Балка с двойным параллельным криволинейным Б-образным армированием.

Рисунок 85. Деформированная схема балки

Рисунок 86. Эпюра растягивающих усилий в армирующих стержнях (в данном

случае стальной трос 8 мм)

Рисунок 87. Изополя нормальных напряжений. Общий вид балки

Рисунок 88. Изополя нормальных напряжений. Приопорная зона балки, вид сверху

Рисунок 89. Изополя нормальных напряжений. Приопорная зона балки, вид снизу

I 1 Г\1Х (Т/м2) I £3

■ ■ II Л

Выкл. |

-1727.15 -1677 6

лЩ -1677.6 -1467.9

-1467.9 -1258.2

-1258.2 -1048 5

-1018.5 -838.8

-838.8 -629.1

-62Э.1 -419.4

ип -419.4 -209.7

ип -209.7 0.000000

ип 0.000000 209.7

ип 209.7 419.4

ип 419.4 629.1

ип 629.1 838.8

838.8 1 208.65

Управление шкалами

Применить Сохранить] Фрагментировэть | Закрыть

Рисунок 90. Изополя нормальных напряжений. Приопорная зона балки, вид снизу

и расшифровка значений изополей

18 16 14 12 10 8 6 4 2 0

Прогиб исследуемых балок по результатам предварительных расчетов в

ПК SCAD, мм

I Прогиб балки,

мм

Неармированная Б - образная Б - образная Б - образная Линейное

балка траектория в 1 траектория в 2 траектория в 2 армирование.

линию. линии со линии без Арматура А 400

Стальной трос смещением. смещения. 8 мм

Стальной трос Стальной трос

Рисунок 91. Сравнение прогиба исследуемых балок Таблица 3. Сравнение прогибов балок по результатам предварительного расчета в

ПК SCAD

№ варианта армирования Тип балки (армирования) Прогиб балки, мм Сравнение прогиба с неармированн ой балкой, % Уменьшение деформативности балки в сравнении с неармированной, %

f 100 а = f *- ' 16.298 b = 100-а

1 Неармированная балка 16,298 100 0

2 Б - образная траектория в 1 линию. Стальной канат 5,796 35,562 64,438

3 Б - образная траектория в 2 линии со смещением. Стальной канат 4,722 28,97 71,03

4 Б - образная траектория в 2 линии без смещения. 5,325 32,67 67,33

Стальной канат

5 Традиционное армирование в 1 линию. Цельная арматура 14,25 87,43 12,5

Предварительные расчеты были направлены на изучение НДС деревянной балки при различных комбинациях формы армирующих элементов. По результатам данных расчетов можно сделать вывод о прямом влиянии формы траектории армирования на жесткостные показатели деревянных балок. Так как расчеты проводились в упругой стадии работы, выводы о показателях прочности балок к криволинейным тросовым армированием на данном этапе были бы преждевременными. В процессе анализа результатов расчетов были выявлен ряд вопросов к данному виду армирования, основные из которых сводились к возникновению локальных зон с повышенными сжимающими и растягивающими напряжениями, которые увеличивались при повышении амплитуды армирования.

Исходя из вышеизложенного было принято решение до проведения контрольных испытаний на балках натуральной величины длиной 6 метров провести исследование предложенного армирования на локальных образцах, имитирующих работу армирования в растянутой зоне балок. Целью исследования локальных образцов армирования является получение оптимальной с точки зрения прочностных и деформационных и технологических характеристик траектории армирования, глубины паза врезки арматурных стержней, и амплитуды траектории армирования.

2.2.3.2. Численное моделирование испытаний локальных образцов армирования с целью выбора оптимальной траектории расположения армирующих элементов в массиве древесины

Численные исследования по выбору оптимальной амплитуды траектории S-образного армирования деревянных балок были проведены в программе Lira 10.10 с использованием метода конечных элементов.

Таблица 4. Геометрические параметры численного моделирования испытаний локальных образцов армирования

Наименование серии образцов Геометрические параметры

Габариты массива древесины Амплитуда армирования

1 модель 100х100х360 0 (прямолинейное)

2 модель 10

3 модель 15

4 модель 25

5 модель 35

Модель численного эксперимента в данном случае представляет собой совокупность пространственных конечных элементов с заданными ортотропными свойствами, которые соответствуют характеристикам древесины.

В массив древесины по узлам сети объемных конечных элементах внедрены элементы армирования, расположенные по прямой или Б-образной траектории с необходимой амплитудой армирования. Все узлы нижней грани каждой модели зафиксированы с помощью ограничения их перемещений и поворотов во всех возможных направлениях (Рисунок 92). К верхнему узлу армирующего элемента приложена нагрузка в 10 кН.

Рисунок 92. Внешний вид одной из моделей численного эксперимента на

локальных образцах армирования

По результатам расчетов построены изополя напряжений в массиве древесины и эпюры усилий в армирующих элементах. Анализ изополей нормальных напряжений в направлении оси Х (Рисунок 93) и позволяют сделать выводы о перераспределении концентраторов напряжений при уменьшении амплитуды траектории армирования по длине армирующего элемента. Перераспределение напряжений потенциально должно привести к возрастанию максимального усилия, которое соответствует разрушению образца при проведении реальных испытаний.

г)

Д)

Рисунок 93. Изополя нормальных напряжений в направлении оси Х (а - амплитуда 35 мм; б - амплитуда 25 мм; в - амплитуда 15 мм; г - амплитуда 10 мм; д -

прямолинейная вклейка)

Анализируя изополя нормальных напряжений в направлении оси Ъ можно сделать похожие выводы - при уменьшении амплитуды армирования происходит уменьшение величин данных напряжений и их перераспределение по длине армирующего элемента (). В случае прямолинейной траектории армирования не наблюдается возникновения нормальных напряжений в древесине и прочность такой вклейки будет зависеть от касательных напряжений, образующихся на контакте массива древесины и клеевой прослойки.

Напряжение N2 (кгс/см"2)

-230 -216 -203 -186 -173 -159 -145 -129 -115 -101 -87.5 -7 4 -57 5 -43 7 -29 9 -13.8 0 42.6 92.2 135 177 220 270 312 355 397 447 490 532 575 624 667 710

г)

Д)

Рисунок 94. Нормальные напряжения в направлении оси Ъ (а - амплитуда 35 мм; б - амплитуда 25 мм; в - амплитуда 15 мм; г - амплитуда 10 мм; д - прямолинейная

вклейка)

Подтверждение эффективности использования Б-образной траектории вклейки армирующих стержней с малой амплитудой можно обнаружить и при анализе эпюр растягивающих усилий в армирующих элементах. В случае уменьшения амплитуды траектории в работу включаются не только первые участки криволинейной части армирования, но и последующие волны, и, чем меньше данная амплитуда - тем более плавно распределяются усилия по длине элемента (Рисунок 95).

Усилие N (тс)

Рисунок 95. Эпюры растягивающих усилий N в армирующих элементах (а -амплитуда 35 мм; б - амплитуда 25 мм; в - амплитуда 15 мм; г - амплитуда 10

мм; д - прямолинейная вклейка)

2.2.3.3. Численное моделирование испытания деревянных балок с криволинейным армированием длиной 6 метров с шарнирным опиранием на

равномерно - распределенную нагрузку