В статье проведен анализ распределения напряжений в поле карнизного узла трехшарнирной рамы из LVL на металлических нагелях, расставленных по концентрическим окружностям. Составлена конечно-элементная модель полурамы, проведен численный эксперимент, в результате которого получены зависимости деформативности нагелей от увеличения нагрузки и деформативности нагеля от ориентации волокон по отношению к направлению действующего усилия в нагелях.
Ключевые слова: трехшарнирная рама, карнизный узел, нагели, расставленные по окружности; численный эксперимент, расчетная схема, метод конечных элементов.
На современном этапе развития конструкций из КД и LVL существует дисбаланс несущей способности элементов и узлов. Для увеличения несущей способности узлов соединения конструкций необходимо исследование возможности изменения их конструктивного решения.
В статье рассматривается карнизный узел на нагелях, расставленных по концентрическим окружностям.
Конструкция узла с нагелями, расставленными по концентрическим окружностям позволяет соблюдать принцип дробности. В результате изгибающий момент передается с ригеля на стойки в виде множества пар сосредоточенных сил, возникающих в поле карнизного узла.
Рис. 1. Разложение момента сопротивления узла на пары сил в поле нагельного соединения
При этом каждая пара болтов по несущей способности отличается от соседней. Это обусловлено изменением ориентации волокон по отношению к направлению действующего усилия в нагелях. Причем в ригеле и стойке образуется индивидуальная ориентация.
В связи с этим каждая пара нагелей будет иметь индивидуальное значение изгиба. Величина деформации соединения на нагелях всех видов, кроме вклеенных при полном использовании их несущей способности принимаются по табл.21 [2] и равна 
.
Методика теоретического расчета, изложенного в [3] не позволяет оценить распределение усилий в поле нагельного соединения. В связи с этим при теоретическом расчете данного карнизного узла может произойти перегрузка части нагелей и существенное перераспределение усилий между нагелями.
Для исследования деформации нагелей в карнизном узле был проведен численный эксперимент, моделируемый в расчетном комплексе «SCAD» [4]. Исследуемая модель — полурама из LVL. Параметры модели назначались исходя из возможности последующего проведения реального эксперимента:
– пролет рамы — 
;
– толщина сток — 
;
– толщина ригеля — 
;
– диаметр нагелей: 
;
– количество нагелей в карнизном узле 
.
Методика построения КЭ модели описана в [1].
Рис. 2. а) общий вид полурамы, б) карнизный узел
Расчет производится при действии узловой силы равной 
шагом 
приложенной в коньковом узле полурамы через жесткий стержень, соединяющий все слои ригеля. (схема приложения нагрузки приближена к реальному эксперименту) [1]. Каждая нагрузка моделировалась как новое загружение.
На рис. 3 показана принципиальная схема деформирования нагелей в поле карнизного узла.
Рис. 3. Отображение исходной и деформированной схемы работы нагелей в карнизном узле: 1–10 — первоначальное положение нагелей; 1’–10’ — положение нагелей после приложения нагрузки
В результате проведения эксперимента получена линейная зависимость перемещения нагеля от увеличения нагрузки. График зависимости представлен на рис. 3. В качестве исследуемой единицы взят узел № 141748 нагеля № 1 в среднем слое ригеля и его суммарное перемещение при каждом шаге нагрузке.
Рис. 4. Зависимость перемещения нагелей от увеличения нагрузки
По рис. 5 видно, что каждый нагель в нагельном поле имеет свою величину изгиба. При этом меняется не только величина изгиба, но и его направление, что связано с изменением ориентации волокон по отношению к направлению действующего усилия в нагелях.
Проанализировав численные показатели величины перемещения каждого узла каждого нагеля получена следующая картина величины изгиба нагелей в карнизном узле рамы (рис.5).
Рис. 5. Изгиб нагелей при действии нагрузки 
В результате проведенного численного эксперимента можно сделать следующие выводы:
– в поле карнизного узла трехшарнирной рамы на металлических нагелях распределение усилий происходит неравномерно, из-за чего часть нагелей может быть перегружена;
– изгиб нагеля в карнизном узле увеличивается пропорционально увеличению нагрузки на раму.
Для возможности дальнейшего исследования полученные результаты необходимо провести реальный эксперимент и сравнить с данными, полученными при численно эксперименте.
Литература:
- Кузьмина А. Е. Анализ напряженно-деформированного состояния карнизного узла рамы из LVL методом конечно-элементного анализа [Эл. ресурс]/ Актуальные проблемы современного строительства: материалы 72 Всероссийской науч.-практ. Конференции студентов, аспирантов и молодых ученых; СПбГАСУ. — СПб., 2019.
- СП 64.13330.2017 Деревянные конструкции Актуализированная редакция СНиП II-25–80, М.: 2017 г.
- Пособие по проектированию деревянных конструкций (к СНиП II-)/ ЦНИИСК им. Кучеренко. М.: Стройиздат, 1986. 216 с.
4. Расчетные модели сооружений и возможность их анализа / А. В. Перельмутер., В. И. Сливкер. — Киев, Изд-во «Сталь», 2002. — 600 с.:ил.
