В статье авторы приводят обзор зарубежной литературы на тему исследований составных деревянных балок двутаврового сечения.
Ключевые слова: двутавровая балка, влияние поясов балки, влияние стеок балки, стык элементов, отверстия в стенках.
Конструкция двутавра
Конструкция деревянных составных двутавровых балок позволяет позиционировать материал максимально эффективно, используя их свойства. Сочетание пиломатериала (либо LVL) и фанеры (либо OSB) в двутавре обеспечивает высокую степень конструктивной эффективности. Одним словом, пояса спроектированы таким образом что они работают на изгиб, а стенка на сдвиг.
Отношение пролета к высоте балки как 15 к 1 было найдено подходящим для большинства конструкций перекрытия, однако в конструкциях кровли используется отношения 25 к 1. Очевидно, что для такого высокого отношения пролета к высоте балки требуется материал высокого качества.
Рассмотрение устойчивости и общие правила крепления, необходимые для безопасной конструкций двутавровой балки были представлены Hoyle (1973). Используя более теоретический подход, Zahn (1983) описал силы в креплении середины пролета для прямоугольных элементов. Эти анализы можно распространить для односимметричных двутавровых балок.
Исследования влияния поясов
Ранние исследования указывают, что чрезмерный наклон волокон (1:15) в пиломатериале снижают прочность двутавровой балки на 30 %. Статические анализы показывают, что более чем 50 % изменений в несущей способности двутавровой балки связано с изменением среднего модуля упругости поясов. Пояса были максимально эффективными, когда модуль упругости растягиваемого пояса был больше на четверть чем модуль упругости сжимаемого. Также была отмечена важность жесткости поясов. Имеется исследование состояния после потери устойчивости двутавровой деревянной балки со стенкой из ДВП, и оно показывает, что более жесткие пояса сопротивляются изменениям формы и несут большие сдвиговые нагрузки после потери устойчивости стенки, приводящие к увеличению предельных нагрузок.
Стыки. Конструктивные стыки в поясах могут быть выполнены либо зубчатым соединением, либо на «ус». Результаты экспериментов зубчатого соединения на изгиб, сжатие и растяжение, как правило, показывают, что жесткость стыкуемой древесины не зависит от наличия соединения, однако её прочность меньше, чем у цельной, без стыка. Прочность на сжатие при наличии стыка снижается на 10 %, однако прочность при изгибе может быть снижена на 50 %. Тем не менее, у пиломатериалов более низких сортов древесины, снижение прочности, вызванное наличием соединения, оказывает меньшее влияние на материал пояса, чем сучок или отверстие сучка.
Качество материала поясов, необходимого в деревянных двутавровых балках, подчеркивается тем фактом, что производители все чаще используют высококачественные композитные пиломатериалы, такие как клееный шпон и пиломатериалы с параллельными прядями.
Исследование влияния стенок
В стенках используются такие материалы как фанера, ДСП, ДВП, ОSB, обладающие высоким модулем сдвига. Хоть эти композитные материалы и демонстрируют более низкую прочность на изгиб чем цельная или клееная древесина в качестве поясов двутавра, они обладают более высокими сдвиговыми свойствами.
Было исследовано влияние модуля сдвига материала стенки на прогиб балки энергетическим методом, а именно энергией деформации. Как и ожидалось, авторы обнаружили, что более низкий модуль сдвига приводит к значительным деформациям сдвига. Это подкрепило ранее сделанные выводы о том, что деформация сдвига является важным составляющим в общем прогибе балки
Также были проведены испытания образцов со стенками из фанеры, ДСП. Результатом было то, что двутавр со стенкой ДСП на 10 % жестче, чем фанера. Несмотря на то, что основным исследуемым параметром была жесткость, было предположено, что тип материала должен влиять на несущую способность.
В ходе дальнейших исследований балок, но у же со стенкой OSB, было выявлено что они несут большую нагрузку, значительно большую, чем фанера, которая имеет почти такую же несущую способность, однако жесткость при прочих равных условиях оказалось выше у фанеры.
Ориентация волокон стенки
Влияние ориентации волокон стенки на конструктивные характеристики деревянных двутавровых балок было исследовано с использованием метода конечных элементов. Модель стенки была идеализирована как множество пластинчатых элементов. В целом, анализы показали, что уменьшение деформаций стенки можно достичь увеличением слоев материала стенки, направление волокон которых перпендикулярно горизонтальной оси балки.
Усиление стенки
Усиление стенки, как важный элемент в деревянной двутавровой балке, служит для предотвращения искривления пояса, потери устойчивости поясов под нагрузками, прорезания пояса через стенку и бокового колебания. Кроме того, усиление стенки может значительно уменьшить длину опирания балки. Требования к усилению варьируются и зависят от геометрии балки и механических свойств подложки.
Потеря устойчивости стенки была основной проблемой в ранних исследованиях с легкими секциями, предназначенными для конструкций самолетов (Lewis and Dawley 1943; Lewis et al. 1943, 1944; Withey et al. 1943; Lewis et al. 1944a, b). Исследованиями было показано, что двутавровые балки со стенкой из фанеры неупруго прогибались при повторяющейся нагрузке в две трети от предельной нагрузки.
Влияние ребер жесткости стенки в двутавровых балках со стенкой ДВП было исследовано Норлином (1988). Используя аналитические и экспериментальные методы, он определил необходимость ребра жесткости в соответствии с отношением высоты стенки к её толщине и представил метод оценки оптимального расстояния между ребрами жесткости.
Стык балок
Влияние стыка на прочность и жесткость двутавровых балок было исследовано Leichti (1986) и Leichti и Tang (1989) с помощью экспериментальных испытаний и теоретического анализа двутавровых балок с прерывистыми и сплошными стенками из OSB. Двутавровые балки были длиной 5 метров и высотой 25 сантиметров, а те, у которых были прерывистые стенки, имели стыковые соединения, которые были расположены на расстоянии 120 сантиметров друг от друга. Соединения стенок не вызывали значительной разницы в жесткости или несущей способности балок. Однако различия в характере отказов балок были очевидны. При анализе этих балок с использованием метода конечных элементов были получены резкие градиенты напряжения сдвига находится в стенке на концах стыков, также и на поясах.
Стык пояса со стенкой
Различные геометрии соединений были исследованы, и они были обсуждены в обзоре McNatt (1980). Из-за множества возможных геометрий соединения и различных доступных систем соединения, соединение пояс-стенка является источником значительной патентной активности для коммерциализации изделий из двутавровой балки (Troutner 1970).
Конструкция составных балок с гибкими клеевыми соединениями, жесткими клеевыми соединения и гвоздевыми соединениями описаны Hoyle (1986). Однако элементы двутавровой балки с механическими креплениями и эластомерными клеями сложно спроектировать должным образом, и адекватный контроль изготовления в полевых условиях практически невозможен.
Несколько аналитических исследований были сосредоточены на условиях, похожих на соединение полки и стенки вставного типа. Keer и Chantaramungkorn (1975) получили связь между геометрией защемления стенки в поясе, энергией деформации и интенсивностью напряжения. Haritos и Keer продолжили получать распределения напряжений для ряда геометрий соединений (1980), а позже (1985) они показали, как жесткость клея может усиливать сдвиговые напряжения на границе раздела.
Kuenzi и Wilkinson (1971) вывели выражения, которые описывают, как жесткость защемления соединения пояса и стенки влияет на характеристики деревянных двутавровых балок, и Heimeshoff (1987) вывел дифференциальные уравнения для напряжений и деформаций в балке с нежесткими стыками. Fageiri и Booth (1976) смоделировали соединение пояс-стенка, используя нелинейные характеристики силы-смещения; их теоретические предсказания напряжений и прогибов хорошо согласуются с экспериментальными результатами. Используемая модель считалась достаточно общей, чтобы ее можно было применять для любого типа крепежной системы с нелинейной характеристикой силы-смещения, включая эластомерные соединения.
Поведение гвоздевых стыков в двутавровых балках со стенкой из фанеры изучали в некоторых деталях (Gunadi 1969; Booth 1974; Fageiri 1974; Fageiri и Booth 1976; Mortensen и Hansen 1988). Booth (1974) показал, что гвоздевые стыки испытывают смещение в результате неполного взаимодействия пояса и стенки. Он пришел к выводу, что проскальзывание соединения достаточно велико, чтобы его можно было учитывать при проектировании.
Гвоздевые, степлерные или степлерно-клеевые соединения были экспериментально сопоставлены Kumar et al. (1972), который обнаружил, что степлерно-клеевой элемент выдерживал на 50 % больше нагрузки и был более жестким, чем гвоздевые или степлерные элементы, которые были примерно равны по несущей способности. Воеводин и Кондратенко (1985) достигли аналогичного выводы при сравнении характеристик двутавровой балки с механическим соединением стыка, дополненные склеиванием. Выводы van Wyk (1986) показали, что гвозди и шурупы в деревянных соединениях не влияют на жесткость или прочность шва при использовании в сочетании с жестким клеем, а служат для поддержки клея в характеристики двутавровой балки.
Влияние отверстий в стенках
Конструкция деревянных двутавровых балок должна предусматривать прохождение через неё различных коммуникаций, труб, вент каналов, кабелей для увеличения жилого пространства в здании. Литература, посвященная анализу отверстий в стенках деревянных двутавровых балок довольно ограничена, однако существует значительный объем литературы для круглых и прямоугольных отверстий в стальных тонкостенных сечениях. Известно, что квадратные отверстия вызывают концентрацию напряжений на углах, а большие отверстия могут привести к концентрациям напряжений в стыке стенки и поясов. Также имеются некоторые исследования, указывающие на то, что отношение высоты балки к расстоянию между ребрами жесткости стенки и гибкостью стенок взаимосвязано с размерами отверстий. Для очень тонких балок, было предположено, что отверстия уменьшают диагональные сжимающие напряжения, что приводит к более равномерному распределению деформации и уменьшению потери устойчивости. Однако, в целом, с увеличением размера отверстия прочность снижалась.
Литература:
- APA. 1982. Design and fabrication of plywood-lumber beams. American Plywood Association, Tacoma, WA. 22 pp.
- ASTM. 1986. Standard specification for evaluating performance of prefabricated wood I-joists. Draft (7/88). American Society for Testing and Materials, Philadelphia, PA. 60 pp.
- BATCHELARM, L., AND G. J. CAVANAGH1. 984. Nailed plywood gusset joints for timber portal frames. Pages 631–642 in J. D. Hutchison, ed. Proceedings, Pacific Timber Engineering Conference, Vol. 11. Timber Design Theory. Auckland, New Zealand.
