close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Совершенствование конструкции и технологии сопряжения CLT-панелей с деревоклееными элементами

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
ЧЕРНОВА
ТАТЬЯНА ПАВЛОВНА
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКЦИИ
И ТЕХНОЛОГИИ СОПРЯЖЕНИЯ CLT-ПАНЕЛЕЙ
С ДЕРЕВОКЛЕЕНЫМИ ЭЛЕМЕНТАМИ
Специальность 05.21.05 – Древесиноведение, технология и
оборудование деревопереработки
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Архангельск
2018
Работа выполнена в федеральном государственном автономном
образовательном учреждении высшего образования «Северный (Арктический)
федеральный университет имени М.В. Ломоносова»
Научные руководители
Лабудин Борис Васильевич
доктор технических наук, профессор
Мелехов Владимир Иванович
доктор технических наук, профессор
Официальные оппоненты
Травуш Владимир Ильич
доктор технических наук, профессор, закрытое
акционерное общество «Городской проектный
институт жилых и общественных зданий»,
заместитель
генерального
директора
по
научной работе
Лукин Михаил Владимирович
кандидат технических наук, федеральное
государственное бюджетное образовательное
учреждение
высшего
образования
«Владимирский государственный университет
имени Александра Григорьевича и Николая
Григорьевича
Столетовых»,
кафедра
строительных конструкций, доцент
Ведущая организация
Акционерное
общество
«Научноисследовательский центр «Строительство»
Защита диссертации состоится 4 декабря 2018 г. в 1200 часов на
заседании диссертационного совета Д 212.008.01, созданного на базе ФГАОУ
ВО «Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В.
Ломоносова» по адресу: 163002, г. Архангельск, наб. Сев. Двины, 17, ауд. 1220.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГАОУ ВО
«Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова»
и на сайте www.narfu.ru.
Автореферат разослан «____»____________ 2018 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета, к.т.н.
Тюрикова
Татьяна Витальевна
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы
Древесина – уникальный природный материал, применяемый во многих
отраслях промышленности и в различных сферах жизнедеятельности человека.
К достоинствам древесины относятся высокие физико-механические и
конструкционно-технологические характеристики, доступность, экологичность
и др. Конструкционные пиломатериалы находят широкое применение при
создании несущих деревянных конструкций современных зданий и
сооружений.
Одновременно
получили
применение
новые
древеснокомпозитные конструкционные материалы (CLT, LVL, OSB и др.),
которые позволяют повысить прочностные характеристики, увеличить
эксплуатационную надежность и качество деревянных конструкций.
Особый интерес представляют новые технические решения составных
деревокомпозитных конструкций из перекрестно-клееных деревянных ламелей
Cross Laminated Timber – CLT. Они являются основой прогрессивных
технологических и конструктивных решений узлов и соединений деревянных
элементов при создании плитно-ребристых деревокомпозитных конструкций
различного назначения. В то же время их свойства изучены недостаточно, и
для их эффективного применения необходимо уточнить основные физикомеханические характеристики материала, разработать нормативную базу и
научно-обоснованную
технологию
изготовления
составных
деревокомпозитных конструкций. Поэтому проведение целенаправленных
исследований прочностных и жесткостных характеристик узловых соединений
CLT-древесина, совершенствование конструктивных и технологических
решений сопряжения CLT-панелей с деревоклееными элементами актуальны.
Объект исследования: составная деревокомпозитная плитно-ребристая
конструкция, объединяющая CLT-панель с деревоклееными элементами.
Предмет исследования: напряженно-деформированное состояние
(НДС) соединений составной деревокомпозитной конструкции (ДКК) с
оценкой прочности, жесткости и сдвигоустойчивости.
Область исследования соответствует паспорту научной специальности
ВАК РФ 05.21.05 – «Древесиноведение, технология и оборудование
деревопереработки» – пп. 1, 2, 4.
Цель работы – исследование прочностных и деформационных
характеристик
соединений
CLT-древесина
и
совершенствование
конструктивных и технологических решений сопряжения CLT-панелей с
деревоклееными элементами.
Для достижения цели определены задачи:
– выполнить анализ развития конструктивных и технологических
решений составных конструкций из CLT-панелей и деревоклееных балок
(ДКБ);
3
– обосновать выбор физических и математических моделей
взаимодействия элементов соединения CLT-древесина и составной
деревокомпозитной конструкции из CLT-панелей и ДКБ;
– обосновать и предложить методику инженерного расчета составных
конструкций из CLT-панелей и ДКБ;
–
разработать
методику
проведения
исследований,
создать
экспериментальную
установку
для
определения
прочностных
и
деформационных характеристик соединений CLT-древесина с учетом
податливости и физической нелинейности;
– провести численные и экспериментальные исследования НДС
соединений CLT-древесина на упруго-деформируемых связях (УДС) и
составной конструкции из CLT-панелей и ДКБ численными методами (МКЭ) в
ANSYS;
– разработать технические решения соединений CLT-древесина и
технологию изготовления составной конструкции из CLT-панелей и ДКБ.
Научная новизна результатов исследований:
– разработана математическая модель взаимодействия элементов
соединения CLT-древесина с учетом анизотропных свойств и слоистости
материалов;
– определены параметрические зависимости деформативности
соединений от прочностных и размерных характеристик соединяемых
элементов CLT-древесина;
– определены коэффициенты составности kw и kж для CLT-панелей и
ДКБ, объединенных УДС;
– разработана методика расчета составных конструкций из CLT-панелей
и ДКБ на УДС.
Практическая значимость работы.
Разработаны новые технические решения сдвигоустойчивого соединения
CLT-панелей с ДКБ. Результаты исследований составных деревокомпозитных
конструкций могут быть использованы при разработке нормативных
документов, программных алгоритмов, в практике проектирования и учебном
процессе.
Методы исследований.
При проведении теоретических исследований применены методы
математического анализа, строительной механики, теории упругости и
пластичности анизотропных тел. Численные исследования проведены методом
конечных элементов в программном комплексе Ansys Workbench 17.0.
Экспериментальные исследования выполнены с применением методов
планирования эксперимента, математической обработки результатов, методики
численного и натурного эксперимента.
Достоверность
результатов
исследований
обеспечивается
корректными допущениями при замене реальных процессов математическими
моделями, приемлемым совпадением результатов теоретических и
4
экспериментальных исследований, подтверждается решением задач в
соответствии с классическими гипотезами и допущениями строительной
механики и теории упругости анизотропных тел, использованием
лицензионного расчетного программного комплекса ANSYS и современного
аттестованного измерительно-вычислительного оборудования.
На защиту выносятся:
– результаты теоретических и экспериментальных исследований
соединений на УДС для составных конструкций из CLT-панелей и ДКБ;
– расчетная математическая модель взаимодействия элементов
соединения CLT-древесина на УДС;
– конечно-элементные параметрические модели взаимодействия
элементов соединения CLT-древесина на УДС в упругой и нелинейной форме
постановки задачи;
– методика прочностного и деформационного расчета элементов
составных конструкций из CLT-панелей и ДКБ на УДС с учетом анизотропии
материалов и податливости соединений;
– новые технические решения соединения на винтах с концевыми
закреплениями для составных конструкций из CLT-панелей и ДКБ.
Личный вклад автора заключается в проведении аналитического обзора
исследований по направлению диссертационной работы, постановке цели и
задач исследования, разработке математических и конечно-элементных
моделей соединения и конструкции с УДС, разработке методики проведения
исследований,
создании
экспериментальной
установки,
проведении
теоретических и экспериментальных исследований, обработке и анализе
результатов, разработке технических решений и рекомендаций по
изготовлению составных конструкций из CLT-панелей и ДКБ, подготовке
публикаций по теме исследования.
Реализация результатов работы.
Результаты исследований представлены в АО «НИЦ «Строительство»
Центральный научно-исследовательский институт строительных конструкций
(ЦНИИСК) имени В.А. Кучеренко для внесения в новую редакцию
СП 299.1325800.2017 «Деревянные конструкции с узлами на винтах. Правила
проектирования», ООО «Промстройлес СПБ», ООО «НП и ПКЦ
«Архангельские реставрационные мастерские».
Апробация результатов. Основные положения работы представлены на
I Всероссийской научно-технической конференции с международным участием
«Инновационные материалы и технологии для строительства в экстремальных
климатических условиях» (г. Архангельск, 2014 г.), на Международной
научно-технической конференции «Строительная наука XXI век: теория,
образование, практика, инновации северо-арктическому региону» (г.
Архангельск, 2015 г.), на IX Международном конгрессе по деревянному
строительству (г. Санкт-Петербург, 2015 г.), на научной конференция
«Развитие Северо-Арктического региона: проблемы и решения» (г.
5
Архангельск, 2016 г.), на Международной научно-технической webконференции «Проблемы сохранности памятников деревянного зодчества» (г.
Архангельск, 2016 г.), на Международной конференции «Обследование зданий
и сооружений: проблемы и пути их решения» (г. Санкт-Петербург, 2017 г.).
Публикации. По результатам научных исследований опубликовано 12
работ, в том числе 3 в изданиях, рекомендованных ВАК, 1 – в Web of Science,
получен патент на изобретение.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из
введения, 5 глав, библиографического списка, изложена на 122 страницах,
содержит 62 рисунка, 28 таблиц, 1 приложение.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы исследования,
сформулированы цель и задачи, приведены основные положения диссертации,
выносимые на защиту, отражена научная новизна.
В первой главе выполнен анализ конструктивных и технологических
решений сопряжений ДКК, отмечен мировой опыт проектирования составных
конструкций из CLT-панелей, рассмотрены разновидности соединений на
ввинченных стержнях.
Древесина – возобновляемый природный материал, используемый во
многих отраслях промышленности и народного хозяйства. В мировой практике
применение древесины в строительстве составляет от 15 до 60 % объема
стройматериалов. Исследованием физико-механических и конструкционных
свойств древесины и деревокомпозитных материалов занимались:
Е.К. Ашкенази, Ф.П. Белянкин, А.Б. Губенко, В.И. Жаданов, Е.М. Знаменский,
А.М. Иванов, И.С. Инжутов, Г.Г. Карлсен, А.М. Копейкин, Н.Л. Леонтьев,
В.И. Мелехов, А.Н. Митинский, Р.Б. Орлович, Л.М. Перелыгин,
С.Н. Пластинин, А.Д. Платонов, К.П. Пятикрестовский, С.И. Рощина,
Е.И. Савков, В.В. Стоянов, А.А. Тамби, В.И. Травуш, А.В. Турков, Б.Н. Уголев,
В.В. Фурсов, В.М. Хрулев, А.Н. Чубинский, P. Aune, R.L. Hankinson,
B.O. Hilson, A. Meyer, T. Möller, M. Patton-Mallory, L.R.J. Whale и др.
Применение новых конструкционных древеснокомпозитных материалов
с повышенными эксплуатационными характеристиками (CLT, LVL, OSB и др.)
позволяет расширить область применения древесины. Одним из направлений
использования таких материалов является разработка новых технических
решений конструкций составных деревокомпозитных панелей. Значительный
вклад в развитие конструкции панелей из древесины и деревокомпозитных
материалов внесли Л.М. Ковальчук, С.А. Корзон, И.М. Линьков,
Е.И. Светозарова, Е.Н. Серов, В.Я. Терентьев, J.M. Branco, N. Jacquier и др.
Результаты исследований панелей с обшивками из фанеры и OSB
приведены в работах Е.В. Попова, Б.В. Лабудина и А.Н. Хохлунова.
J.M. Branco исследовал соединения CLT-панелей и ДКБ на упругодеформируемых связях. В исследованиях N. Jacquier рассмотрено соединение
6
CLT-панелей и ДКБ на металлических зубчатых пластинах (МЗП). При этом
следует отметить, что недостаточно изучены возможности увеличения несущей
способности и сдвигоустойчивости соединений CLT-панелей и ДКБ.
Для обеспечения составности деревокомпозитной конструкции
применяются различные виды соединений: клей, нагели, шпонки, нагельные
группы, нагельные пластины и др. Широкое применение получили соединения
на упруго-деформируемых связях. Вопросами исследования соединений
деревянных конструкций на УДС занимались П.А. Дмитриев, В.М. Коченов,
А.В. Леняшин, В.И. Линьков, А.Я. Найчук, Г.Г. Никитин, Б.Л. Николаи,
Ю.В. Пискунов, А.А. Погорельцев, С.Б. Турковский, M. Frese, К.W. Johansen,
G. Pirnbacher, H. Riberholt, G. Schickhofer, T. Uibel и др.
Принято рассматривать две основополагающие модели для расчета
прочности соединений деревянных элементов на смятие древесины контактной
поверхностью нагеля: В.М. Коченова, подтвержденную результатами
экспериментальных исследований П.А. Дмитриева, и К.W. Johansen,
примененную в ряде научных работ (П.Н. Смирнов, С. Юнь. H.J. Blaß, T. Hofer
и др.). При этом методика расчета прочности и деформативности соединений
CLT-древесина на связях, установленных под углом к волокнам древесины,
отсутствует.
Во второй главе рассмотрены математические модели определения
прочности соединений древесина-древесина и CLT-CLT при расположении
связей перпендикулярно волокнам древесины (К.W. Johansen, T. Hofer) и для
соединений древесина-древесина, бетон-древесина при расположении связей
под углом к волокнам (H.J. Blaß, S. Kavaliauskas).
Нами предложена математическая модель для расчета несущей
способности соединения CLT-древесина на смятие древесины контактной
поверхностью винта. Модель учитывает физико-механические анизотропные
характеристики древесины, многослойность CLT, геометрические и
прочностные характеристики связей, что определяет характер смятия
древесины в соединении.
Рис. 1. Варианты смятия древесины контактной поверхностью винта:
1 – смятие CLT; 2 – смятие ДКБ; 3 – смятие CLT и ДКБ; 4 – изгиб винта в ДКБ;
5 – изгиб винта в CLT; 6 – изгиб винта в CLT и ДКБ
7
Слои ламелей CLT имеют различные прочностные и геометрические
характеристики слоев, поэтому в предложенной нами математической модели
рассмотрено 14 возможных вариантов смятия древесины, 6 наиболее
характерных из которых представлены на рисунке 1.
На рисунке 2 приведен
вариант смятия древесины
контактной поверхностью
винта (по типу 62).
Допускается, что смятие
древесины происходит в
первом и втором слоях
CLT.
Несущая способность
древесины
на
смятие
контактной поверхностью
винта
определена
из
уравнений равновесия:
 z = 0 ,  M A = 0 . (1)
Рис. 2. Модель взаимодействия элементов
соединения CLT-древесина (вариант смятия
древесины контактной поверхностью винта 62)
Для решения задачи введены вспомогательные коэффициенты (T. Hofer,
2006):
=
f
t
t
f2
, 1 = 1q , 1 = 1d ,  = 1
f1d
d
f1d
t1
(2)
где f1d , f1q – нормативное сопротивление древесины смятию для наружных
( t1d ) и внутреннего ( t1q ) слоев CLT, соответственно; f 2 – нормативное сопротивление
древесины смятию.
Нормативная несущая способность древесины на смятие контактной
поверхностью винта определена как:
(3)
Rh = R62 = f h1d  d  t1d + f h1q  d  ( b1 − t1d ) ,
где d – наружный диаметр резьбы винта.
Граница участка смятия древесины в CLT b1 (рисунок 2):


 M  cos2 

 1     4  y
 (  + 1 ) + t12  12  ( 1 − 1)  (1 +  )  + t1  1  1  ( 1 − 1) 
f1d  d




 . (4)
b1 = 
12 +   1
Нормативные несущие способности древесины на смятие контактной
поверхностью винта приведены в таблице 1. Представленные формулы
позволяют определить вариант смятия древесины контактной поверхностью
винта и получить зависимости для инженерного расчета несущей способности
соединений (рисунок 3).
8
Таблица 1. Нормативная несущая способность древесины на смятие
контактной поверхностью винта
№
1
2
Несущая способность соединения CLT-древесина на смятие древесины
контактной поверхностью винта
t
t
Rh1 = 2  f h1d  d  1d + f h1q  d  1q
cos 
cos 
t
Rh 2 = f h 2  d  2
cos 
Rh 32 = Rh 42 = Rh52 = Rh 62 = f h1d  d  t1d + f h1q  d  ( b1 − t1d ) , где
b1 =
32
42
    t22  (  + 2) + (4 1  1 − 2 1 − 41 + 4)  (t12   + t1  t2   )
 
+
1  (  + 1)  

1
t 2  ((4 12 − 81 + 4)  (1 − 12 ) − 12 + 2 1 ) 
+ 1



0,5

−   t2 + t1 ( 1 − 2) + t11 ( 1 − 1 −   1 +  ) 



 M y cos2 
1
b1 =
   2 1  2 
 (  + 2 1 ) + t12  ( 1  ( 1 +  ) + 2  (1 − 12 ) 

1  (  + 2 1 )  
f1d  d

(1 − 1 )  (  + 2 1 )) ) ) −   t1 ( 1 + 1 ) + t1  1  1  (2 1 − 2 +  )
0,5
)
  4  M y  1  cos2  

 
 −1
b1 =
 
  2 + 1  + 2t12  1  12   2 1 − 2 + 1  +

1  (2  + 1 )  
f1d  d

 


1
52
+2  t22  1  ( 1 +  ) + 4  t1  t2  1  1  ( 1 − 1) )
0,5
−   t2  1 + t1  1  1  ( 1 − 1)
)
62 См. (4)
Рис. 3. Смятие древесины контактной поверхностью винта в соединении
CLT-древесина
Таким образом, нормативная несущая способность соединения CLTдревесина на смятие древесины контактной поверхностью винта (при
9
clt = др =500кг/м3 и
f y =400 МПа) представлена в виде математической
модели:
(5)
Для инженерного расчета несущей способности соединения CLTдревесина на винтах предложена зависимость:
R + Rax ,clt + Rax ,др + Rh
N
N П = II − III = c
(6)
Kпл
Kпл
где N II − III – нагрузка, соответствующая началу разрушения, кН; K пл –
коэффициент надежности при пластичном разрушении; Rc = Fc  sin  – нормативная
несущая способность древесины на смятие под шайбой, кН; Rax ,clt = Fax ,clt  sin  –
нормативная несущая способность CLT на выдергивание винта, кН;
Rax ,др = Fax ,др  sin  – нормативная несущая способность древесины на выдергивание
винта, кН; Rh – нормативная несущая способность древесины на смятие контактной
поверхностью винта, кН.
В формуле (6) следует учитывать:
Rc = 0 при Rc  Rax ,др и Rc  Rax ,clt + Rax ,др (тип разрушения 1);
Rax ,clt = 0 и Rax ,др = 0 при Rc  Rax ,др и Rc  Rax ,clt + Rax ,др (тип разрушения 2);
Rax ,др = 0 при Rc  Rax ,др и Rax ,др  Rax ,clt + Rc (тип разрушения 3);
Rax ,clt = 0 и Rc = 0 при Rc  Rax ,др и Rax ,др  Rax ,clt + Rc (тип разрушения 4).
Для определения деформативности (податливости) соединения
древесина-древесина предложена расчетная модель в ANSYS. Достоверность
результатов исследований до 14% (рисунок 4).
10
а
б
в
Рис. 4. Сдвиговые деформации соединения древесина-древесина:
а – трехмерная модель соединения; б – изополя перемещений в массиве древесины;
в – зависимости  = f ( N )
Для определения прочностных и деформационных характеристик
составной конструкции из CLT-панели и деревоклееной балки на упругодеформируемых связях применена модель П.Ф. Плешкова (1952) и
разработанная нами в ANSYS расчетная модель.
Сравнение результатов теоретического и численного моделирования
плитно-ребристой составной конструкции пролетом 3 м, загруженной
распределенной нагрузкой 1 кН/м приведено на рисунке 5.
Рис. 5. Вертикальные перемещения (прогибы) составной конструкции
Возможность моделирования составной конструкции на упругодеформируемых связях по МКЭ является корректной, расхождение результатов
в рассмотренных моделях не превышает 1…5 %.
По результатам численных исследований получены уточненные
значения коэффициентов составности kw и kж для составной конструкции при
равномерно распределенной нагрузке 1кН/м (рисунок 6).
11
а
б
Рис. 6. Зависимости коэффициентов составности kw (а) и kж (б)
Полученные коэффициенты kw и kж применены в инженерном расчете
составных деревянных конструкций, соединенных УДС, по двум группам
предельных состояний:
р =
н
4
M
M
clt
 R рдр m ,  сж =
 Rсж
m , f0 = 5  Q  l
Wр  kW
Wсж  kW
384 E  I бр  k ж
Шаг расположения винтов: nc 
1,5  ( M B − M A )  Sбр
T  I бр
,
(7)
(8)
где Т – расчетная несущая способность винта в шве; MA, MB – изгибающие
моменты в начальном А и конечном В сечениях рассматриваемого участка; Sбр –
статический момент брутто сдвигаемой части поперечного сечения элемента
относительно нейтральной оси; Iбр – момент инерции брутто поперечного сечения
элемента относительно нейтральной оси.
Расчетная несущая способность винта определяется по (6).
В третьей главе приведена методика проведения экспериментальных
исследований и планирования эксперимента.
Для определения прочностных и жесткостных характеристик CLTпанели проведены испытания образцов на сжатие и изгиб. В образцах С-I, Б-I
волокна древесины наружных ламелей ориентированы вдоль оси образца. В
образцах С-II, Б-II волокна древесины наружных ламелей ориентированы
нормально к оси образца. Результаты испытаний приведены в таблице 2.
Таблица 2. Механические характеристики образцов CLT-панели
Приведенные механические характеристики
образцов древесины из CLT- панели
Расчетное сопротивление сжатию, МПа
Расчетное сопротивление изгибу, МПа
Модуль упругости, МПа
12
Испытание на:
сжатие
изгиб
С-I
Б-II
С-II
Б-I
8,39
–
4,05
–
1,77
–
–
9,23
–
–
6818
605
Характеристики CLT введены в инженерный расчет (7) составных
деревянных конструкций.
С применением методики ЦНИИСК выполнены экспериментальные
исследования соединения древесина-древесина на ввинченных стержнях.
Принято 3 вида связей: винты с концевым закреплением – ВК, винты (без
концевого закрепления) – В, шпильки с концевым закреплением – ШК
(рисунок 7).
а
б
в
Рис. 7. Экспериментальная установка:
а – схема испытания образцов; б – общий вид установки; в – связи;
1, 2 – элементы соединения из древесины; 3 – винт; 4 – индикатор ИЧ-10;
5 – центрирующая пластина
Соединение ВК обладает наибольшей несущей способностью при
одинаковой длине резьбовой части винта. Соединение ШК имеет
деформативность больше, чем у соединения на винтах в 3 раза, и несущую
способность меньше в 1,6 раз. Несущая способность соединений ВК и ШК
возрастает с увеличением сечения и прочности упруго-деформируемой связи.
Несущая способность соединения на винтах – с увеличением площади шайбы и
длины анкеровки винта в древесине и CLT.
При проведении исследований соединений CLT-древесина на винтах
применен многофакторный метод планирования эксперимента. Учтены 3
фактора: ориентация ламелей относительно сдвиговой плоскости (x1), диаметр
винта (х2) и величина анкеровки винта в древесине (х3). Построены матрицы
факторов и дисперсий, выполнена проверка воспроизводимости результатов
опытов по критерию Кохрена, получено уравнение регрессии (9), по критерию
Фишера доказана адекватность решения:

y = 18, 225 − 0,85x1 + 4, 75x2 + 1,50 x3 − 0,925x1 x3 − 2, 025x2 x3 − 1,10 x1 x2 x3
(9)
Сравнение
теоретических
и
экспериментальных
результатов
исследований соединений на сдвиг для образцов древесина-древесина и CLTдревесина приведено в таблице 3.
13
Таблица 3. Результаты испытания соединений на ввинченных стержнях
Математическая модель, кН Эксперимент, кН Расхождение Δ, %
Образец
Nt
NII-III
Nt
Nδ
Nt
NII-III (Nδ)
ВК1 12-45-100
35,56
35,56
35
35
1,60
1,60
ВК2 12-45-100
35,97
35,97
37
37
2,86
2,86
В 12-45-100
26,06
26,06
25
25
4,24
4,24
В 12-45-160
31,61
31,61
33
33
4,40
4,40
ШК 10-45-100
24,98
10,89
24
10,5
4,08
3,74
8-45-100-I
17,21
10,68
17
10,3
1,24
3,69
8-45-200-I
17,21
17,21
17
17
1,24
1,24
12-45-100-I
23,69
23,69
23
23
3,00
3,00
12-45-200-I
33,27
25,28
30
26
10,90
2,85
8-45-100-II
16,88
10,35
17
9,6
0,71
7,81
8-45-200-II
16,09
16,09
17
17
5,66
5,66
12-45-100-II
30,37
22,38
29
24
4,72
7,24
12-45-200-II
32,25
24,25
23
18,9
40,22
28,31
Расхождение
результатов
теоретических
и
экспериментальных
исследований составляет 1…7%. Для соединений на винтах с величиной
анкеровки больше 100 мм, установленных в монтажные отверстия, прочность
меньше расчетной на 3…28%.
В четвертой главе представлены результаты экспериментальных
исследований составной конструкции из CLT-панели и деревоклееных балок. К
испытанию принято 2 варианта образцов с наружными ламелями CLT,
ориентированными вдоль оси балки (КI) и поперек оси балки (КII). Пролет
составной конструкции 3 м. Конструкция состоит из трехслойной панели
толщиной 57 мм и двух балок сечением 150×60 мм. Опирание конструкции –
шарнирное. Испытание проведено по двухточечной схеме загружения в
испытательном контуре (рисунок 8).
а
б
в
г
Рис. 8. Экспериментальная установка:
а – продольный разрез; б – поперечный разрез; в – схема распределения нагрузки;
г – общий вид
14
При испытании составных конструкций с винтами отмечено хрупкое
разрушение древесины от нормальных напряжений в пролете балки.
Сравнение
результатов
теоретических
и
экспериментальных
исследований составных ДКК приведено в таблице 4.
Таблица 4. Результаты испытаний составных конструкций
Показатель
Разрушающая нагрузка Nt=NI-II, кН
Коэффициент надежности, Кхр
Расчетная несущая способность NП,
кН
Расхождение NП с результатами
эксперимента ΔN, %
Прогиб f при NI-II для составной
конструкции, мм
Расхождение f с результатами
эксперимента Δf, %
Расчетный прогиб f цельной
конструкции при NI-II, мм
Коэффициент Кж
clt
Нормальные напряжения  сж
при
NI-II для составной конструкции,
МПа
др
Нормальные напряжения  сж
при
NI-II для составной конструкции,
МПа
Нормальные напряжения  рдр при
NI-II для составной конструкции,
МПа
clt
Нормальные напряжения  сж
при
NI-II для цельной конструкции, МПа
др
Нормальные напряжения  сж
при
NI-II для цельной конструкции, МПа
Нормальные напряжения  рдр при
NI-II для цельной конструкции, МПа
clt
Коэффициент Кw для  сж
Коэффициент Кw для 
Коэффициент Кw для  рдр
др
сж
Сдвиг S при Nt, мм
Расхождение S с результатами
эксперимента ΔS, %
Инженерная
методика
Модель ANSYS Эксперимент
расчета (глава 2)
КI
–
–
КII
–
–
КI
–
–
КII
–
–
КI
КII
25,44 16,97
2,81 2,88
8,44
5,36
8,31
5,36
9,04
5,89
6,64
9,00
8,10
9,00
–
–
57,63
47,36
63,00
48,33
8,96
0,77
0,47
2,75
–
–
32,61
29,43
35,65
30,03
–
–
0,6
0,62
0,6
0,62
–
–
-20,84
0,00
-23,64
-0,89
-21,3
-0,92
-13,06
-20,91
-29,28
-21,11
–
–
54,27
42,75
55,13
42,75
-16,88
0
-19,15
-0,79
–
–
-0,99
-5,10
-2,22
-5,15
–
–
40,84
32,34
41,49
32,34
–
–
0,81
0,89
0,81
0,89
–
–
0,08
0,24
0,08
0,24
–
–
0,75
–
0,76
–
0,75
4,365
0,76
2,881
–
–
11,69
13,35
63,30 47,00
58,19 44,64
–
–
4,943 3,325
–
–
Подтверждена удовлетворительная сходимость результатов расчета по
предложенной методике, результатов экспериментальных и численных
исследований НДС составных деревокомпозитных конструкций (до 13,4%).
15
В пятой главе представлены технические решения узловых соединений
и технология изготовления составной конструкции из CLT-панелей и
деревоклееных балок. Техническое решение узлового соединения защищено
патентом РФ на изобретение №2645026.
Изготовление элементов составной конструкции (CLT-панелей и ДКБ)
производят в заводских условиях, что позволяет обеспечить высокое качество
работ и соблюдение всех технологических рекомендаций.
Технологический процесс изготовления сборочной единицы составной
конструкции CLT-ДКБ осуществляют в следующей последовательности.
Составляют проектную документацию на составную конструкцию CLT-ДКБ.
Производят защитную подготовку наружных поверхностей CLT-панелей и
деревоклееных балок. ДКБ помещают на монтажный стол. Выполняют
установку CLT-панели на ДКБ. Производят разметку расположения винтов,
устройство монтажных отверстий с зенковкой и установку винтов. После
заполнения пазов полимерным компонентом составную деревокомпозитную
конструкцию транспортируют на участок ОТК, где производят контрольные
испытания по прочности и жесткости; выполняют маркировку продукции,
составляют паспорт и сертификат. В случае особых требований производят
упаковку конструкции влагостойким материалом. На всех стадиях
изготовления ДКК производят текущий контроль качества работ. На
промплощадке производят монтаж сборочных единиц составной конструкции
CLT-ДКБ, соединение CLT-панелей винтами и оформление исполнительной
документации.
Технологический процесс сборки составной конструкции из элементов
заводской готовности (CLT-панель и ДКБ) на промплощадке осуществляют в
следующей последовательности. Производят защитную подготовку наружных
поверхностей CLT-панелей и деревоклееных балок. Выполняют устройство
лесов, подмостей, подъемных механизмов. Производят установку CLT-панели
в проектное положение. После установки CLT-панели производят разметку
расположения винтов на поверхности CLT-панели в соответствии со схемой
расстановки. Применяют винты с полной резьбой в комплекте с шайбами. При
диаметре винтов больше 8 мм выполняют отверстия размером 0,7d (где d −
диаметр наружной резьбы винта). Для выполнения отверстий используют
кондукторы. Отверстия располагают под углом более 30 к поверхности
панелей. После установки винтов осуществляют заполнение пазов полимерным
компонентом.
Выполняют
приемку
конструкций
с
оформлением
исполнительной документации.
16
ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ
1. В результате выполненных исследований прочностных и
деформационных
характеристик
соединений
CLT-древесина
усовершенствованы конструктивные и технологические решения по
изготовлению составной конструкции из CLT-панелей и деревоклееных балок.
2. Разработана математическая модель взаимодействия элементов
соединения CLT-древесина для определения характера разрушения и несущей
способности соединения.
3. Разработана расчетная модель составной деревокомпозитной
конструкции из CLT-панелей и ДКБ в ANSYS для определения прочностных и
деформационных характеристик ДКК.
4. Уточнена инженерная методика прочностного и деформационного
расчета составных конструкций из CLT-панелей и деревоклееных балок на
упруго-деформируемых связях.
5. Предложено новое техническое решение соединения элементов из
древесины на ввинченных стержнях с концевыми закреплениями, позволяющее
увеличить несущую способность соединений на 35%.
6. Установлено, что с увеличением длины заделки винта в 2 раза
коэффициент жесткости соединений на винтах, выполненных без монтажных
отверстий, увеличивается на 17…24 %, для соединений на винтах,
установленных в монтажные отверстия, коэффициент жесткости уменьшается
на 20…43 %.
7. Доказано, что применение ввинченных стержней повышает прочность
составной конструкции из CLT-панелей и ДКБ в 1,3…1,6 раза, жесткость – в
1,6…2,1 раза, сдвигоустойчивость – в 2,1…3,5 раза.
8. Составная конструкция CLT-ДКБ с наружными ламелями,
расположенными вдоль оси деревоклееных балок, имеет прочность и
жесткость на 50 % и 14 % больше, чем с поперечно расположенными
ламелями.
9. В инженерных расчетах составной конструкции из CLT-панелей и
ДКБ, соединенных ввинченными стержнями, рекомендуется применять
коэффициенты составности kw = 0,7…0,9 и kж = 0,5…0,8.
10. Разработано техническое решение узлового соединения на
металлических зубчатых пластинах (патент РФ на изобретение №2645026).
11. Результаты исследований рекомендованы для использования при
разработке нормативных документов, программных алгоритмов, в практике
проектирования и в учебном процессе. Материалы исследований переданы в
АО «НИЦ «Строительство» Центральный научно-исследовательский институт
строительных конструкций (ЦНИИСК) имени В.А. Кучеренко, ООО
«Промстройлес СПБ», ООО «НП и ПКЦ «Архангельские реставрационные
мастерские».
17
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ
ОПУБЛИКОВАНО В РАБОТАХ
Публикация в издании, индексируемом Web of Science:
1. Zhuravleva T.P., Karelskiy A.V., Labudin B.V. Load-to-failure bending test of wood
composite beams connected by gang nail. Magazine of Civil Engineering. 2015. Vol.54.
Iss.2. Pp.77-85.
Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ:
2. Журавлева Т.П. Напряженно-деформированное состояние панелей на
деревянном каркасе с обшивкой из листовых древесных материалов / Е.В. Попов, Т.П.
Журавлева, П.М. Тропина, Н.А. Шиловская, Б.В. Лабудин, В.И. Мелехов //
Строительная механика и расчет сооружений – 2017. – №3. – С. 15-19.
3. Журавлева Т.П. Технология усиления клееных деревянных конструкций
металлическими зубчатыми пластинами / А.В. Карельский, Т.П. Журавлева, В.В.
Филиппов, Б.В. Лабудин, В.И. Мелехов // Известия высших учебных заведений.
Лесной журнал. – 2018. – №1. – С. 80-88.
Публикации в других изданиях
4. Журавлева Т.П. Влияние трещин на напряженно-деформированное состояние
клееных деревянных балок / А.В. Карельский, Т.П. Журавлева, Б.В. Лабудин, В.И.
Мелехов // Безопасность строительного фонда России. Проблемы и решения:
материалы Международных академических чтений. – Курск, 2015. – С. 153-158.
5. Журавлева Т.П. Испытание на изгиб деревянных составных балок,
соединенных металлическими зубчатыми пластинами / Т.П. Журавлева,
А.В. Карельский, Б.В. Лабудин // Строительная наука – 2014: теория, образование,
практика, инновации: сборник трудов международной научно-технической
конференции. – Архангельск: Северный (Арктический) федеральный университет,
2014 г – с. 156-163.
6. Журавлева Т.П. К вопросу конструирования составных деревянных
внецентренно-сжатых элементов / Т.П. Журавлева, В.В. Филиппов // Развитие СевероАрктического региона: проблемы и решения: сборник материалов конференции. –
Архангельск, 2016. – С. 767-772.
7. Журавлева Т.П. Определение расчетного сопротивления растяжению
древесины, усиленной углеродным волокном / Т.П. Журавлева, А.В. Карельский, А.В.
Вешняков А.В. // Строительная наука-2015: теория, образование, практика,
инновации Северо-арктическому региону: сб. тр. междунар. науч.-техн. конф. –
Архангельск, 2015. – С. 141-146.
8. Журавлева Т.П. Определение усилия сдвига в деревянных составных балках /
А.В. Карельский, А.В. Вешняков, Т.П. Журавлева // Строительная наука – 2014:
теория, образование, практика, инновации: сборник трудов международной научнотехнической конференции. - Архангельск: Северный (Арктический) федеральный
университет, 2014 г – с. 183-190.
9. Журавлева Т.П. Особенности конструирования многоэтажных деревянных
зданий / Т.П. Журавлева, К.А. Батманова // Ломоносовские научные чтения
студентов, аспирантов и молодых ученых-2017. – Архангельск, 2017. – С. 199-203.
10. Журавлева Т.П. Углеродное волокно: состав, структура, свойства /
Т.П. Журавлева // Строительная наука-2014: теория, образование, практика,
инновации: сб. тр. междунар. науч.-техн. конф. – Архангельск, 2014. – С. 146-155.
11. Журавлева Т.П. Усиление деревянных изгибаемых элементов вклеенными и
вкрученными стальными стержнями / Т.П. Журавлева, Н.А. Борисова //
18
Ломоносовские научные чтения студентов, аспирантов и молодых ученых-2017. –
Архангельск, 2017. – С. 345-347.
12. Журавлева Т.П. Экспериментальные исследования влияния жесткости связей
на напряженно-деформированное состояние панелей на деревянном каркасе / Е.В.
Попов, В.В. Филиппов, Т.П. Журавлева, В.И. Мелехов, Б.В. Лабудин // Безопасность
строительного фонда России. Проблемы и решения: материалы Международных
академических чтений. – Курск, 2016. – С. 111-116.
Патенты
13. Пат. 2645026 РФ, МПК Е04С 3/12. Составная деревянная балка на
металлических зубчатых пластинах / А.В. Карельский, П.М. Тропина,
Т.П. Журавлева. – № 2017107976; Заявл. 10.03.2017; Опубл. 15.02.2018, – Бюл. №5.
Отзывы на автореферат в двух экземплярах с указанием фамилии, имени,
отчества, почтового адреса, адреса электронной почты, наименования организации и
должности, подписанные и заверенные печатью, просим направлять по адресу:
163002, г. Архангельск, наб. Северной Двины, д.17, САФУ им. М.В. Ломоносова,
диссертационный совет Д 212.008.01.
19
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
3
Размер файла
933 Кб
Теги
панелей, сопряжение, конструкции, clt, технология, совершенствование, деревоклееных, элементами
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа