Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ существующих конструктивных решений и исследований соединений элементов деревянных конструкций на кольцевых шпонках и шайбах 9
1.1. Классификация и общая характеристика соединений 9
1.2. Шпоночные соединения в зарубежном строительстве 11
1.2.1. Кольцевые разрезные шпонки фирмы «Тухшерер», Бреславль 11
1.2.2. Кольцевые шпонки с лопастями фирмы «Дегалль» 14
1.2.3. Тавровые кольцевые шпонки «Кристол и Унмак» 15
1.2.4. Пружинящие дисковые шпонки инженера Шульца 17
1.2.5. Когтевые шайбы фирмы "Метцке и Грейм" 17
1.3. Кольцевые шпонки используемые в отечественном строительстве 18
1.3.1. Гладкие кольцевые разрезные шпонки 21
1.3.2. Зубчатые и когтевые шпонки 24
1.4. Примеры использования гладко-кольцевых шпонок в узлах деревянных конструкций 25
1.5. Цели и задачи диссертационной работы 31
2. Совершенствование соединений на гладко- кольцевых шпонках 32
2.1. Предложения по совершенствованию соединений на гладких кольцевых шпонках 32
3. Экспериментальные исследования работы соединений- на вклеенных кольцевых шпонках при действии кратковременных нагрузок 35
3.1. Методика экспериментальных исследований 3 5
3.1.1. Выбор формы и размеров образцов 35
3.1.2. Выбор клеевой композиции 3 8
3.1.3. Маркировка и разработка технологии изготовления образцов с клеекольцевыми шпонками 39
3.1.4. Подготовка и контроль образцов перед испытанием 44
3.2. Испытание образцов соединений на ККШ 44
3.3. Результаты испытаний образцов соединений на ККШ 49
4. Теоретические исследования напряженно-деформированного состояния элементов соединений наккш 64
4.1. Постановка задачи 64
4.2. Расчетная схема и исходные данные 66
4.3. Результаты расчетов и их анализ 71
4.4. Выводы 82
5. Оценка результатов экспериментально-теоретических исследований соединений на ккш и назначение предельной несущей способности клеекольцевой шпонки 84
5.1. Оценка результатов испытаний соединений на ККШ при действии кратковременных нагрузок 84
5.2. Учет влияния длительного действия нагрузок при назначении предельной несущей способности ККШ 90
5.3. Назначения несущей способности клеекольцевой шпонки, вывод расчетной формулы 95
5.4. Оценка результатов испытаний и назначение несущей способности соединений на ККШ при передаче ими усилий под углом к волокнам древесины 99
5.5. Назначение предельной несущей способности ККШ при передаче усилий под углом к волокнам древесины 105
6. Конструктивные предложения по применению соединений на ккш в деревянных конструкциях и экспериментальные исследования некоторых узлов и конструкций с применением ккш 108
6.1. Области рационального и возможного применения соединений на ККШ в деревянных несущих конструкциях 108
6.2. Экспериментальные исследования стыковых соединений изгибаемых элементов на ККШ 116
6.2.1. Выбор образцов и методика эксперимента 117
6.2.2. Результаты испытаний 121
6.2.3. Выводы 129
6.3. Экспериментальные исследования жесткого карнизного узла мансардной рамы на ККШ 130
6.3.2. Конструкция жесткого узла мансардной рамы и результаты испытаний 132
6.3.2.1. Испытание образца М-2.5ККШ-60-1Б 137
6.3.2.2. Испытание образца М-2.5ККШ-60-2Б 141
6.3.3. Анализ результатов испытаний и их оценка 147
6.3.4. Выводы 149
6.4. Испытание модели треугольной цельнодеревянной фермы с узловыми и стыковыми соединениями на ККШ 150
6.4.1. Методика эксперимента 150
6.4.1.1. Определение расчетной нагрузки на ферму 153
6.4.1.2. Изготовление модели фермы 156
6.4.1.3. Схема нагружения и расстановки приборов 160
6.4.2. Результаты испытаний модели фермы 167
6.4.3. Выводы 169
7. Общие выводы по работе 170
Список литературы 173
- Шпоночные соединения в зарубежном строительстве
- Предложения по совершенствованию соединений на гладких кольцевых шпонках
- Испытание образцов соединений на ККШ
- Расчетная схема и исходные данные
Введение к работе
Большое разнообразие соединений в деревянных конструкциях и продолжающийся сегодня поиск более современных видов, говорит о важности их для прогрессивного развития деревянных конструкций.
В 30-е гг. в практике отечественного и зарубежного строительства деревянных конструкций довольно широко применялись кольцевые металлические шпонки. Обладая сравнительно большой несущей способностью в сравнении с другими видами шпоночных соединений, кольцевые шпонки применялись преимущественно в стержневых конструкциях с сильно нагруженными элементами. В—-месте с тем, они не были лишены таких недостатков как повышенная деформативносгь, сложность выполнения, особенно в многсьрядных соединениях, зависимость надежности их работы от точности изготовления, опасность повреждения коррозией тонкой стальной шпонки и др. Поэтому уже в 50-х гг. действующими нормами на проектировании деревянных конструкций соединения на кольцевых шпонках не рекомендовались для широкого применения, а в 70-х гг. в связи с появлением новых прогрессивных клеевых соединений в деревянных конструкциях их вообще не стали применять.
Появившиеся затем клеевые соединения избавлены от недостатков шпоночных, но их изготовление потребовало специальных технологических линий и дорогих клеев, вследствие чего клееная древесина оказалась в несколько раз дороже не клеенной (цельной).
В настоящее время в связи с большими финансовыми затруднениями в строительстве и кризисе строительной индустрии применение клеенных деревянных конструкций в строительстве является проблематичным вопросом и по экономическим^ по техническим соображениям.
Целью настоящей работы является разработка и исследование нового вида высокопрочного соединения, основанного на достоинствах тонкой кольцевой шпонки и полимерных клеевых композиционных материалов, выявление аналитической зависимости основных расчетных характеристик соединений от различных факторов и получения научно-обоснованного метода расчета. Суть его заключается в том, что кольцевая бороздка под кольцевую шпонку может быть увеличенных размеров по ширине, что позволяет свободную укладку в нее кольцевой шпонки, а образовавшееся «липшее» пространство в бороздке между древесиной и шпонкой заполняется клеевой композицией, которая после отверждения позволяет шпонке сразу включиться в работу, минуя процесс первоначального обмятия и обжатия, устраняя неплотности и неточности изготовления, уменьшая деформативность и увеличивая несущую способность соединения. Поскольку подобное соединение является новым и неизученным, целесообразность и возможность практического его применения потребовали проведения экспериментальных и теоретических исследований узлов и конструкций, выполненных с их применением.
Научная новизна работы заключается в разработке нового соединения элементов деревянных конструкций, отличающегося относительной простотой изготовления, повышенной несущей способностью, жесткостью и надежностью в работе. На основе проведенных экспериментальных и теоретических исследований, и использовани я существующих теоретических методов оценки результатов испытаний соединений деревянных конструкций, получены аналитические зависимости и абсолютные величины расчетной несущей способности предлагаемого нового вида соединения с учетом требуемой надежности и временного фактора действия внешних нагрузок. Разработаны последовательность и способы выполнения технологических операций при изготовлении предлагаемого клеешпоночного соединения и конструкций с их применением.
Разработаны конструктивные решения жестких узлов несущих деревянных рам и конструкций сквозных ферм с применением клеекольцевых шпонок, проведены экспериментальные исследования их работы с оценкой этих результатов и предложены рекомендации практического их использования.
Практическое значение работы заключается в получении расчетных характеристик величин предельных нагрузок на клеекольцевые шпонки, необходимых для проектирования и расчета клеешпоночных соединений, что способствует расширению областей применения деревянных конструкций в практике строительства. Приводит уся расширенная номограмма возможного и рационального применения предлагаемого соединения на клеекольцевых шпонках (ККШ) в строительной практике изготовления несущих деревянных конструкций.
Предложены и экспериментально проверены некоторые конструктивные варианты использования предлагаемого клеешпоночного соединения в несущих деревянных конструкциях балок, рам и ферм для присоединения к узлу растянутых, сжатых, изгибаемых, сжатолзгибаемых элементов.
По результатам проведенных исследований были сделаны доклады на Международных научно-технических конференциях Российской академии архитектуры и строительных наук «Проблемы научно-технического процесса в строительстве в преддверии нового тысячелетия» (Пенза, 1999) и «Композиционные строительные материалы. Теория и практика» (Пенза, 2000), научной конференции Мордовского государственного университета им. Н.П. Огарева «Долговечность строительных материалов и конструкций» (Саранск, 2000), Всероссийской XXXI научно-технической конференции «Актуальные проблемы современного строительства» (Пенза, 2001).
По материалам выполненных исследований опубликовано 7 работ.
Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, выводов, списка использованных источников из 64 наименований, изложена на 176 страницах машинописного текста, 124 рисунках, 2 6 таблицах.
В первой главе приводится классификация и общая характеристика соединений деревянных конструкций, дан обзор литературных данных по существующим конструктивным решениям соединений элементов деревянных конструкций на кольцевых шпонках и шайбах шпоночного типа и описание примеров их использования в несущих деревянных конструкциях покрытий зданий. Поставлены цели и задачи исследований настоящей работы.
Во вторую главу входят предложения по совершенствованию соединений на клеекольцевых шпонках (с использованием полимерных материалов).
В третьей главе содержатся экспериментальные исследования работы соединений на вклеенных кольцевых шпонках при действии кратковременных нагрузок при передаче усилий вдоль волокон древесины соединяемых элементов и под углом к волокнам.
Теоретические исследования напряженно-деформированного состояния элементов соединений на клеекольцевых шпонках приведены в четвертой главе. Даются оценка полученных результатов решения задачи, основанная на методе конечных элементов, и практические выводы по исследованию.
В пятой главе проведена оценка экспериментально-теоретических исследований соединений на клеекольцевых шпонках и даются предложения по назначению предельной несущей способности клеекольцевой шпонки (ККШ) с учетом требований надежности и временного фактора действия внешних нагрузок.
В шестой главе описаны конструктивные предложения по применению в деревянных конструкциях соединений на клеекольцевых шпонках и приводятся результаты экспериментальных исследований стыковых соединений изгибаемых элементов на ККШ, жесткого карнизного узла мансардной рамы, модели треугольной цельнодеревянной фермы с узловыми и стыковыми соединениями на ККШ.
Работа выполнена на кафедре «Строительные конструкции» Пензенской государственной архитектурно-строительной академии.
Шпоночные соединения в зарубежном строительстве
Кольцевая шпонка состоит из согнутого в кольцо куска полосовой стали, снабженного на одном конце зубом, входящим в паз, сделанный на другом его конце (рис. 1.1). Можно применять шпонки с концами, обрезанными нормально, на ус, треугольный паз или гребень. Во всех соединяемых брусьях для вкладывания кольца высверливаются кольцевые желобки; по ширине равные толщине полосового железа, а по глубине-половине его ширины.
Соединение стягивается болтом, проходящим через центр кольца.
Принцип работы соединения на кольцевых шпонках заключается в следующем: если брусья, под влиянием действующих усилий, стремятся сдвинуться один относительно другого, то кольцо прижимается к стенкам желобка. При недостаточно тщательном выполнении кольца или желобка и при неравномерной упругости дерева, кольцо будет до тех пор растягиваться или, наоборот, сжиматься, пока не упрётся одной своей половиной во внешнюю стенку желобка, другой же во внутреннюю (в сердечник), т.е. наличие разрезного кольца позволяет кольцу пружинить. Таким образом, всегда обеспечено распределение передаваемого стержнем усилия поровну между внешней частью бруса, снаружи кольца и его внутренней частью (сердечником). Однако следует отметить, что подобная работа шпонки возможна только лишь при укладке ее в гнездо таким образом, чтобы разрез кольца располагался на диаметре, перпендикулярном направлению сдвига.
При использовании шпонки из цельного кольца возникает много недостатков в работе соединения. Неразрезное кольцо не может ни сжиматься, ни растягиваться. Вивиду этого, если бы кольцо прижалось к сердечнику, а между наружной поверхностью кольца и внешней стенкой желобка образовался бы зазор, то и все стержневое усилие передалось бы исключительно на сердечник; если же наоборот, кольцо отошло бы от сердечника и стало бы давить на внешнюю стенку желобка, то все усилие в стержне пришлось бы воспринять только той части бруса, которая лежит вне кольца. Следовательно, при глухом кольце для сохранения той же степени надежности, пришлось бы взять вдвое большие площади стенок желобка и плоскости скалывания наружной части бруса, чем при кольце с разрезом.
Кольцевые шпонки применимы при любых пролетах и способны воспринять усилия почти до 300 ьсН; они изготавливаются различных диаметров, от 8 до 30 см с интервалом 2 см.
Сортамент и несущая способность гладких кольцевых разрезных шпонок, применяемых в зарубежном строительстве,приведены в таблице 1.1 [9].
Соединение на гладких кольцевых шпонках с разрезом отличается повышенной несущей способностью, малой металлоёмкостью и сравнительной простотой изготовления. В то же время они не лишены таких недостатков, как повышенная начальная деформативность (ввиду пластичности), затруднительность установок шпонок и контроля за степенью поражения их коррозией.
Предложения по совершенствованию соединений на гладких кольцевых шпонках
Исходя из анализа работы и изготовления соединений на различных видах шпонок, для дальнейшего совершенствования взяты гладко-кольцевые шпонки, отличающиеся сравнительной простотой формы, легкостью изготовления, доступностью и относительно высокой несущей способностью. При этом целью исследовательской работы предусматривалось свести к минимуму имеющиеся недостатки соединений на гладко-кольцевых шпонках, сохраняя, а в лучшем случае увеличивая, прочностные качества всего соединения.
К существенным недостаткам шпоночных соединений, как уже отмечалось выше, следует отнести: повышенную трудоёмкость изготовления, связанную с точной подгонкой размеров кольца с фрезерованной бороздкой и установкой кольца в бороздке, повышенные начальные деформации, обусловленные наличием рыхлых деформаций, значительные деформации всего соединения, опасность коррозии тонкого металлического кольца в процессе эксплуатации конструкций.
Все эти недостатки могли бы быть устранены путём применения клеевых соединений. Но и клеевые соединения не лишены, в свою очередь своих недостатков, а именно, повышенная стоимость, необходимость специальных технологических линий (заводов) по изготовлению клееных конструкций.
Исходя из вышесказанного, предлагается новый вид высокопрочного соединения, основанный на достоинствах тонкой кольцевой металлической шпонки и полимерных композиционных материалов. Суть его заключается в том, что кольцевая бороздка может быть увеличенных размеров по ширине, что позволяет осуществлять свободную укладку в неё металлического кольца, а образовавшееся "липшее" пространство в бороздке заполняется полимерной клеевой композицией, которая после отверждения позволяет шпонке сразу включиться в работу, минуя процесс первоначального обмятая и обжатия. При этом требуется небольшое количество полимерной клеевой композиции и отпа дает необходимость в специальных технологических линиях по изготовлению клеевых соединений, и в точной укладке кольца, связанной с месторасположением прорези кольца по отношению к линии действующего усилия.
Введение полимерной клеевой композиции в кольцевую бороздку позволяет не только быстро и полно включиться в работу металлической шпонке, но также способствует локальному упрочнению контактной поверхности древесины соединяемых элементов, а неиспользуемые "излишки" клея, вытекающие из заполненной бороздки при укладке кольцевой шпонки увеличивают площадь монолитного сцепления склеивания соединяемых деревянных элементов. Всё это в целом существенно увеличивает несущую способность соединения и уменыпа ет его деформативность.
В процессе эксплуатации конструкции стальная кольцевая шпонка находится внутри затвердевшей полимерной клеевой композиции, которая надёжно защищает её от возможной коррозии, повышая тем самым эксплуатационную надёжность и долговечность такого вида соединения. Общий вид соединения на клеекольцевых шпонках (ККШ) и промежуточные технологические операции при его изготовлении показаны на рис.2.1.
Испытание образцов соединений на ККШ
Образцы испытывал ись на сжатие при нормальных температурно- влажностных условиях, т.е. при температуре 18-20С и относительной влажности воздуха W=::65-70%. Нагрузка создавалась гидравлическим прессом и прикладывалась ступенями ДР=5 кН (500кгс), что составляет примерно 0.1 Рразр- Общая схема приложения нагрузки показана на рис.3.7а. Перед приложением нагрузки и в дальнейшем после каждой ступени нагружения снимались отсчёты по индикаторам, которые записывались в журнал испытаний. Скорость нагружения принималась непрерывная и равномерная с фиксацией конечного времени. В процессе испытаний осуществлялся осмотр образцов, фиксировались характер и вид их разрушения, величина разрушающей нагрузки. Результаты зафиксированы в журнале испытаний. Всего было испытано более 100 образцов с различными изменчивыми факторами. Общий вид испытаний образцов показан на рис.3.76.
Для выявления эффекта присутствия клея в соединении ККШ проведены испытания традиционного соединения на кольцевых шпонках без клея, обозначенные ( ). Кроме того, проводились испытания некоторых серий образцов без присутствия стяжных болтов. Эти образцы в названии марки не имеют буквы «Б».
Известно, что при передаче усилий под углом к волокнам древесины прочность ее меняется и довольно существенно. Это связано с анизотропностью ее строения. Однако влияние анизотропии различно и зависит от способа передачи усилия от одного элемента и от действительного напряженно-деформированного состояния элемента.
Исследования по определению предельной разрушающей нагрузки, для клеекольцевых шпонок при изменении угла (а) передачи нагрузки на образец по отношению к направлению волокон древесины элементов, проводились на ограниченном количестве образцов, поскольку по техническим и экономическим соображениям изготовление большого количества образцов является проблематичным, так как для изготовления образцов под шпонки с1=100-ь 120мм требуются доски дефицитных сечений, а испытание образцов с относительно малыми диаметрами шпонок, не представляют большого значения. Поэтому эти испытания проделаны лишь для наиболее «ходовых» диаметров шпонок Ц„=60 мм, Ош=ЮО мм.
Проекции элементов образцов на исходный материал доски при выборе заготовок для испытания соединений при передаче нагрузки под углом к волокнам показаны на рис.3.8а, 3.86, 3.8в.
Из рис 3.8а видно, что для изготовления одного элемента под кольцевую шпонку Е)=100 мм под углом к волокнам 45 необходима доска минимальной ширины 330 мм и минимальной длины 330 мм. Для элемента под кольцевую шпонку 1 =100 мм и углом к волокнам 60 необходима доска с минимальными размерами 330x290 мм (рис.3.8б). Для элемента под кольцевую шпонку 1 =120 мм и углу к волокнам 45 необходима доска с минимальными размерами 340x340 мм, а с учетом дефектов природного характера (сучков) для заготовок образцов требуются доски с дефицитными сечениями, выходящими за рамки существующего сортамента пиломатериалов.
Характеристика, размеры и величины разрушающих нагрузок образцов при подаче нагрузки под углом к волокнам приведены в таблице 3.3.
Испытание образцов проводилось возрастающей нагрузкой с доведением образцов до их полного разрушения. За разрушающую нагрузку принималась такая ее величина, когда рост деформации сдвига в образцах в определенный интервал времени действия нагрузки происходил без заметного увеличения нагрузки. Следует заметить, что в процессе нагружения образцов наблюдалось несколько промежуточных моментов, когда на определенном коротком времени происходил скачкообразный рост деформации, без заметного увеличения нагрузки, однако это не приводило к общему разрушению образцов, а носило локальный характер. При последующем нагружении образцов нагрузка продолжала увеличиваться. Общее разрушение образца сопровождалось интенсивным ростом сдвига без заметного увеличения нагрузки на сравнительно большом промежутке времени. Эти деформации носили пластический характер, поскольку рост их был плавный, без скачков.
Данные журналов испытаний соответствующим образом обработаны и на основании их построены графики нарастания деформаций сдвига в зависимости от величины нагрузки для каждой серии образцов. Графики нарастания деформаций сдвига для каждой серии образцов при приложении усилий вдоль волокон древесины приведены на рис.3.9-3.20, а при передаче усилий под углом рис.3.21-3.23. В связи с тем, что разрушающие нагрузки в каждой серии образцов имеют близкие величины, а деформации на графиках незначительно отличаются друг от друга, в целях сохранения их наглядности показаны только графики для трех образцов из пяти, два «условно» не показаны.
Расчетная схема и исходные данные
Общий вид загруженного стыка, принятого для рассмотрения теоретической задачи о напряженно-центрированном состоянии, показан на рис.4.1.
Образец представляет собою симметричный стык трех элементов работающий на сжатие (растяжение). Под воздействием нагрузки он оказывается в условиях объемного напряженного состояния, которое характеризуется шестикомпонентным вектором напряжений
В силу симметрии рассматривалась только левая (от осей симметрии) половина соединений. Схема рассматриваемой половины показана на рис.4.2.
соответствующих кинематических условий. В данном случае влияние правой отброшенной половины будет заключаться в отсутствии перемещений в направлении оси "X" точек, лежащих в плоскости симметрии (по линии I -1 на рис.4.2). Выполнение этих условий можно обеспечить ведением специальных горизонтальных связей (по линии I - I на рис.4.1). Расчетной схемой (рис.4.2) учтены также следующие особенности стыка. Сдвигающие усилия, возникающие по линии контакта соединяемых элементов могут восприниматься только самими шпонками. Нормальные стх по линии контакта могут быть по высоте стыка как сжимающими, так и растягивающими, ввиду арочного эффекта работы образца. При этом сжимающие напряжения (сх), действующие в верхней части плоскости сплачивания, могут восприниматься упором соединяемых элементов друг в друга, а растягивающие напряжения (сгх), действующие в нижней части плоскости сплачивания, восприниматься не могут ввиду отсутствия связей, способных воспринимать растягивающие усилия. Эти усилия в реальном стыке воспринимаются стягивающим болтом. Учет отсутствия растягивающих усилий в нижней части плоскости сплачивания производится введением в расчетную схему (рис.4.2) сквозной щели.
Из-за монолитности соединения клеекольцевая шпонка работает совместно с деревянным ядром шпоночного гнезда в соединяемых элементах. При этом части деревянного ядра,расположенные крайнем и среднем элементах, работают также совместно, как единое целое, из-за наличия клеевого шва между ними. Клеевой шов возникает при изготовлении клеепшоночного соединения, когда "лишний" клей, находящийся в желобке, частично выдавливается при опущении в него стального кольца (шпонки). Этого клея вполне достаточно для обеспечения монолитности соединения ядровой части крайнего и среднего элементов. Таким образом, за шпонку, препятствующую взаимному сдвигу элементов, следует принимать не только стальное кольцо, но и клеевую композицию и всю ядровую часть древесины, ограниченную внутренним диаметром кольцевой бороздки гнезда шпонки.
Все принятые в расчетной схеме допущения, как показали вычисления, достаточно хорошо согласуются с действительной картиной напряженно- деформированного состояния и экспериментальными исследованиями натурных образцов.
Теоретические исследования напряженно-деформированного состояния соединения по расчетной схеме (рис.4.2) проводились методом конечных элементов (МКЭ). Степень точности решения задачи зависит от величины размеров разбивочных элементов МКЭ [1], [56]. При этом от этого существенно зависит и громоздкость вычислительных операций, поскольку с увеличением количества разбивочных элементов существенно возрастает количество неизвестных. Для расчетов принята разбивочная сетка МКЭ, изображенная на рис.4.3.
