Сравнительный анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований натурной арки из клееной древесины

Аннотация

В.В. Фурсов, М. Пурязданхах, А.Н. Бидаков

Дата поступления статьи: 06.06.2014

Рассматривается основное содержание диверсификации производства как деятельность субъектов хозяйствования. проявляющаяся в покупке действующих предприятий, организаций новых предприятий, перераспределении инвестиций в  интересах организации и освоения новой продукции на имеющихся производственных  площадях. 

Ключевые слова: арка из клееной древесины, треугольная металлодеревянная арка, натурный эксперимент, сжатоизогнутых элементах, хрупкое разрушения.

В настоящее время Иран разрабатывает программу по применению клееной древесины в жилищном и сельскохозяйственном строительстве [1]. Нормативная база страны ориентирована на требования Еврокодов. Как известно, согласно EN-408 [2] основным видом испытаний клееных деревянных конструкций принят изгиб, причем сечения испытуемых моделей максимально приближены к реальным размерам. В настоящей статье обсуждаются результаты испытаний трехугольной безраскосной металлодеревянной фермы пролетом 12м. В отдельных источниках такая система носит название треугольной арки с затяжкой с прямолинейными клееными верхними поясами. Нижний пояс (затяжка) выполнена из двух стальных элементов углового профиля. Для обеспечения проектного положения затяжки крепят к верхним поясам на подвесках. Расстановка подвесок регламентируется условиями гибкости нижнего пояса, а также расположением подвесных балок [3, 4], например, при наличие чердачного перекрытия. Верхние пояса таких систем работают на внецентренное сжатие, либо на продольный изгиб, а в расчетах могут быть рассмотрены, как наклонно поставленные балки [5, 6]. Существуют два пути совершенствования таких конструкций: а) сопряжение узлов со смещением центра тяжести ниже нейтральной оси (т.е. создание искусственного эксцентриситета); б) симметричное, либо одностороннее армирование верхних поясов арок [7, 8].
В рамках содружества с БелНии (Брест, Белоруссия) нам представилась возможность проведения испытаний, натурной арки из клееной древесины, изготовленной по нашему проекту в цехе научно-исследовательского  института. В качестве верхнего пояса использовался клееный брус поперечным сечением 140 х 280 мм. Узлы решены с помощью металлических башмаков. Верхний узел выполнен  в виде лобового упора и парных боковых накладок. Затяжка представляет собой пару металлических уголковых профилей L50х5 которые приварены к стальным опорным башмакам. Для уменьшения изгибающих моментов устроен искусственный эксцентриситет посредством смещения упорного швеллера на 60 мм ниже нейтральной оси в нижнем узле и подрезкой на ту же величину в верхнем. Нагружение арки производилось домкратами грузоподъемностью 20т, установленными на стальную распределительную траверсу силовых рам в четвертях пролета. Общий вид испытания арки показан на рис.1.

   
Рис. 1. –Общий вид испытаний

В качестве измерительной аппаратуры использовались прогибомеры, индикаторы часового типа, а также датчики активного сопротивления базой 20 мм, и сопротивлением около 200 Ом, ориентировочными в виде розетки и подключенными к АИД-1. Общее количество датчиков составило около 60 штук. Схема расположения датчиков и измерительной аппаратуры в арке приведена на рис.2.

 
Рис. 2. – Схема загружения арки и расположение измерительной аппаратуры

В процессе эксперимента фиксировалась влажность по всем поверхностям поясов, которая колебалась от 12 до 14 %, а также замерялась температура помещения, составившая в процессе эксперимента +20÷22° С [2]. При этом относительная влажность в лаборатории не превышала 60%.  После трехкратного нагружения и разгружения арки с шагом -0,5т до 1,5т (что составляло около 25 % от разрушающей нагрузки) было осуществлено основное испытание арки. Нагружение осуществлялось ступенчато с шагом - 1т. Поскольку, в следствии прямолинейности поясов, одностороннее нагружение в отличие от криволинейных арок, не вызывают появления момента на ненагруженном поясе арок одностороннее их загружение не рассматривалось.
Перед испытаниями нами были осуществлены поверочные статические расчёты  модели треугольной арки. Перед экспериментом в ручном  режиме с помощью методов строительной механики были определены внутренние усилия  M, N и Q для всех элементов сечений модели. Ручной счёт был подвержен экспертизе на расчётно-аналитическом комплексе  SCAD Soft и с помощью постпроцессора «Декор».
По результатам расчёта при нагружения 6Тс, получены следующие результаты в соответствующих сечениях:
Сечение 1-1;    Mх=  -0,364(т.м)      Nх=    -11,03(т)             Qх=3,32(т)
Сечение 2-2;     Mх=   5,034(т.м)       Nх=    -9,564(т)               Qх=0,324(т)             
Сечение 3-3;    Mх=  -0,204(т.м)      Nх=    -8,365 (т)            Qх=-3,32(т)
Разрушение пояса произошло при нагрузке 6,5 т и сопровождалось разрывом волокон в нижних зонах верхнего пояса (рис.3).Одновременно с разрушением пояса произошло разрушение монтажных накладок, соединяющие пояса в коньковом узле.
Обработанные результаты показаний датчиков позволили получить в поперечных сечениях графики нормальных и касательных напряжений при одинаковой нагрузке в сечениях 1-1 (близко к опорной части) и 2-2 (под местом приложения нагрузки).

 
Рис. 3. – Общий вид поясов арки после испытаний
Обработка показаний измерительной аппаратуры позволила построить графики прогибов балки, представленные на рис.4.

Рис. 4.– Прогиб в поясах арки  (сечение 2-2)
Таблица № 1

Результаты экспериментальных исследований арок

Дополнительно был произведен расчёт с помощью аналитического расчётного комплекса SCAD, а также использовался  более мощного комплекса ANSYS. При этом геометрические и физические характеристики принимались следующими:
E0=105 (Kg/cm²); E90=4000 (Kg/cm²); G=5000(Kg/cm²); µ_xy=0,45; µ_yx =0,018
Общее количество конечных элементов для не армированной арки  159642 КЭ. Поля напряжений в поясах арки приведены на рис.5.

а)б)
Рис.5.– Поля напряжения в поясе арки: а)σ_х при  нагрузке 6 т, б) τ_ху при  нагрузке 6 т.

По результатам исследований были составлены таблицы по сравнению расчётных теоретических и экспериментальных данных.                                                                                   

Таблица № 2 Результаты статического расчёта арки

Примечания: Данные приведены для сечения 2-2 (смотри на рис.2)
Здесь: Ар-с  Результаты статического расчёта арок, Ар-а Результаты статического расчёта арок на программном комплексе ANSYS.
Данные расчета на комплексе «ANSYS» практически совпадают с результатами экспериментального исследования, как по нормальным, так и по касательным напряжениям (разница в различных сечениях 1,5 ÷2,6%).

Выводы:
Натурные испытания треугольной арки с прямолинейными клееными верхними поясами показали до нагрузки (3т), составляющей несколько менее 50% от разрушающей, стабильную и устойчивую работу. Предел длительного сопротивления, как известно, составляет примерно половину от предела прочности. Разрушения конструкций произошло от разрыва нижних волокон верхнего пояса при нагружении в 6,5 т в каждой точке их приложения. Прогибы верхнего пояса арки при нагрузке 3т находились в пределах регламентируемых нормативными документами. Нормальные напряжения, по форме и по значениям отвечали как расчетам по нормам (расхождения 5,2÷7,1 %), так и соответствовали результатам, полученным при использовании расчетно-теоретической программы «ANSYS».  При этом эпюры касательных напряжений в опорном узле и вблизи него (сечение 1-1) имеет ассиметричную форму, а в зонах под нагрузкой (сечение 2-2) описывались трехзначной эпюрой. К сожалению, не удалось технически осуществить армирование клееного верхнего пояса.
Проведенные ранее испытания односторонне армированных дощато-клееных балок [9, 10] показали, что даже при пониженном проценте армирования (менее 0,5 %) несущая способность повышалась в среднем на 17÷26%.

Литература:

1. Robert Jyhvyl; Translator: Ghanbar Ebrahimi - Housing and Building Research - Volume 2 - Edition 1, 1986, 354 p.
2. EN 408. "Timber structures—Structural timber and glued laminated timber—Determination of some physical and mechanical properties." British Standards Institute (2003).
3. Gotz K.H., Hoor D., Mohler K., Natterer J. Holzbau Atlas. Munchen, 1978, 272 p.
4. Кислый В.В. Деревянные клееные конструкции: информационно-справочное сопровождение [Электронный ресурс] // Строительный эксперт, №9. 2003, Режим доступа: http://www.proektstroy.ru/publications/view/5271  (доступ свободный) –  Загл. с экрана. – Яз. рус
5. Найчук А.Я., Серов Е.Н., Захаркевич И.Ф. Некоторые особенности расчета клееных деревянных конструкций [Текст] – Там же, Брест, 2009 г. – С. 212-218.
6. Найчук А.Я. Клееная древесина – строительный материал будущего [Электронный ресурс] // Архитектура и строительство» - 2009 г. - №3 (202)., Режим доступа: http://ais.by/story/1942 (доступ свободный) – Загл. с экрана. – Яз. рус.
7. Стяпин Р.А. Унификация изгибаемых клееных деревянных конструкций по принципу подобия [Электронный ресурс] // «Инженерный вестник Дона» 2013, №2, - Режим доступа: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n2y2013/1608  (доступ свободный) – Загл. с экрана. – Яз. рус.
8. Василькин А.А., Рахмонов Э.К.  Системотехника оптимального проектирования элементов строительных конструкций [Электронный ресурс] // «Инженерный вестник Дона» 2013, №4, - Режим доступа: http://www.ivdon.ru/magazine/archive/n4y2013/2203  (доступ свободный) – Загл. с экрана. – Яз. рус.
9. Пурязданхах М. Исследование не симметрично армированной балки из клееной древесины натурных размеров [Текст] // КОМУНАЛЬНЕ ГОС- ПОДАРСТВО  МІСТ.Харків: ХНУГХ,2013-Вип.110.С. 39-44
10.  Фурсов В.В.  Пурязданхах М.  Бойко Т.К. Экспериментальное исследование  натурных балок из клееной древесины [Текст] // Науковий вісник будівництва. - Харків: ХНУБА, 2013.- Вип.73. С. 175-179