Изгибная жесткость металлодеревянных балок

Рассматривается такой вид конструкций, как металлодеревянные балки различного профиля. Проведен анализ существующих конструктивных решений, произведен патентный поиск. Произведено предварительно сравнение различных металлодеревянных балок, требующее дальнейшего изучения.

Ключевые слова: металлодеревянная балка, двутавр, составная конструкция, изгибная жесткость.

Современная практика показывает, что в строительстве наибольшее распространение нашли клееные деревянные балки пролетом 6–24 м [1]. Их применение, несмотря на высокую технологичность, сдерживается высоким расходом древесины [1,2].

В целях уменьшения расхода материала в строительной практике применяются двутавровые балки. В таких конструкциях верхний и нижний пояса изготавливаются из высококачественной древесины, а стенка может быть представлена различными материалами, например:

– фанера [3,4];

– ориентированно-стружечная плита [5,6];

– ДСП [7,8];

– стекло [9,10];

– сталь [11,12].

Древесина и сталь — одни из наиболее практичных материалов в строительстве [13]. Оптимальное комбинирование эффективных свойств материалов способствует высокой целесообразности их сочетания для обеспечения несущей способности конструкции при снижении ее массы, уменьшения срока строительства и снижения эксплуатационных расходов.

Ретроспективный анализ исследований российских и зарубежных авторов С. П. Тимошенко, С. Б. Турковского, А. А. Ильюшина, Д. И. Журавского, В. Фейрберна, М. Хуботта, Х. Вагнера и др. [14,15,16,17,18] в области разработки конструкций металлодеревянных двутавровых балок показал новые конструктивные решения балок со стенкой из стальных листов, включенных в общую работу конструкции. Таковыми являются, например, деревометаллические балки Калинина С. В. [11]; Кузнецова И. Л., Актуганова А. А., Трофимова А. П. [1] и балки типа HTS [19], различающиеся типом конструкции, способом крепления металлического листа к деревянным поясам, конструктивной схемой.

В работе Калинина С. В. [11] рассматривается деревометаллическая балка со стенкой из стальных профилированных листов с ориентацией гофров вдоль поясов (рис.1).

Рис. 1. Общий вид деревометаллической балки со стенкой из стальных профилированных листов с ориентацией гофров вдоль поясов

Деревянный каркас рассматриваемых балок включает в себя цельный или клееный верхний и нижний пояса, которые соединяются между собой вертикальными ребрами жесткости с шириной равной ширине поясов. В результате того, что гофры стального профилированного листа имеют горизонтальную ориентацию, стенка включается в общую работу балки на изгиб, тем самым увеличивая геометрические характеристики поперечного сечения и снижая расход материалов.

В данной конструкции в качестве крепления стенок к поясам предлагается применение гвоздей, дюбелей или саморезов. Количество соединительных связей определяется согласно расчету на усилие сдвига, которое возникает между стенками и поясами. Расстановка гвоздей (саморезов) должна удовлетворять требованиям СП 64.13330.2017.

Один из недостатков деревометаллической балки Калинина С. В. — выбор оптимального назначения шага ребер жесткости, требующий высокой квалификации инженера-проектировщика. Уменьшение расчетного шага ребер жесткости улучшает условия работы стенки из-за большого количества точек раскрепления с деревянным каркасом, однако при увеличении количества ребер жесткости происходит перерасход древесины и усложнение технологии изготовления балок.

Балка Кузнецова И. Л., Актуганова А. А., Трофимова А. П. представляет собой балку (рис.2) с ребрами жесткости в виде полуцилиндрических гофров, которая включает верхний и нижний пояса из древесины и тонкую металлическую стенку с поперечными гофрами из оцинкованной стали [1].

Рис. 2. Общий вид металлодеревянной двутавровой балки [20]. 1 — верхний, 2 — нижний пояса из древесины, 3 — металлическая стенка, 4 — поперечные гофры

Соединение стенки с полками выполняется на клею. Для увеличения местной устойчивости стенки и сдвиговой жесткости металлодеревянной тонкостенной двутавровой балки был разработан второй вариант балки, в котором соединение стенки с полкой выполняется на клею, с усилением цилиндрическими нагелями, вставляемыми в заглубления в полках на клею [1,12,20].

Недостатком металлодеревянной двутавровой балки Кузнецова И. Л., Актуганова А. А., Трофимова А. П. являются дополнительные изгибающие моменты, согласно численным результатам исследования, появляющиеся над ребрами жесткости в верхнем поясе тонкостенной металлодеревянной двутавровой балки, над поперечными гофрами и в пролете между ними, что требует дополнительного расчета и учета при конструировании [12].

Наиболее эффективной представляется балка типа HTS, которая в течение последних 20 лет зарекомендовала себя как универсальная и экономичная конструкция, применяемая при строительстве жилых домов, возведении промышленных, административных и хозяйственных сооружений (рис.3) [21].

Рис. 3. Применение двутавровых HTS-балок в строительстве

Вертикальная стенка балки HTS волнистой формы, на верхнем и нижнем ребрах зубья в форме «S», которые на глубину 20 мм запрессовываются в древесину поясов через каждые 50 мм (рис.4) [19].

Рис. 4. Двутавровая деревянно-металлическая балка HTS

Среди основных преимуществ HTS балок отмечается высокая прочность, материал устойчив к деформациям, что обеспечивает сейсмоустойчивость. Так 6-метровая HTS балка при нагрузке 2т прогибается не более чем на 7 мм. В результате чего ее можно применять в пролетах длиной до 24 м. HTS балки выдерживают нагрузки до 150кг/м на нижний пояс, показывая высокий показатель усилия на разрыв дерева и стали [19].

Балка в конструктивных схемах является одним из ключевых моментов, сопротивление которой ударной нагрузке зависит от момента сопротивления и от ее изгибной жесткости — способность оказывать сопротивление искривлению (деформации) [22].

Величина изгибной жесткости прямо пропорционально влияет на кривизну балки К [17]:

, (1)

где М — изгибающий момент, EI — жесткость балки на изгиб.

Изгибная жесткость EJ зависит от материала Е, из которого сделана балка, через J от формы ее поперечного сечения [23, с.355].

В работе «Разработка и исследование металлодеревянной двутавровой балки» [1] было проведено теоретическое и экспериментальное исследования по установлению действительной работы подобных балок, так как отсутствуют методики расчета и данные по их фактической работе. Рассматривался опытный образец балки (рис.5), в котором пояса балок из сосны 2-ого сорта, стенка балки — из оцинкованной стали.

Рис. 5. Опытный образец металлодеревянной двутавровой балки

Экспериментальное исследование показало, что при увеличении испытательной нагрузки интенсивность нарастания прогиба балки увеличивалась, сначала в третьем отсеке стенки балки, а затем и в четвертом. Произошло это в результате выпучивания стенки в угловой зоне, которые расположены вверху и внизу от нисходящих диагоналей отсеков стенки. При увеличении нагрузки с P=500 кг до P=800 кг пояса балки продолжали работать в упругой стадии, однако в зоне потери местной устойчивости стенки было замечено значительное увеличение изгиба [1].

Анализ последних достижений в области строительной науки показывает, что оптимальная комбинация различных материалов в одной конструкции обеспечивает эффективное использование полезных свойств каждого из них. Их применение способствует решению задачи снижения веса, трудоемкости изготовления и стоимости сооружения, тем самым повышая эффективность капиталовложений в строительстве.

Это обуславливает актуальность исследования зарубежного и отечественного опытов, разработку нормативных документов, регламентирующих конструирование и расчет, эффективные технические решения и обоснование целесообразности применения металлодеревянных балок.

Литература:

1. Кузнецов И. Л., Актуганов А. А., Трофимов А. П. Разработка и исследование металлодеревянной двутавровой балки. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/razrabotka-i-issledovanie-metalloderevyannoy-dvutavrovoy-balki.
2. Атлас деревянных конструкций/К.-Г Гётц, Д. Хоор, К. Мёлер, Ю. Наттерер, пер. с нем. Н. И. Александровой, под ред. В. В. Ермолова. — М.: Стройиздат, 1985. — 272 с., ил. — Перевод изд.: Holzabu Atlas/K-H Gz, D. Hoor, J. Natterer. — München, 1978.
3. Кузнецов И. Л., Гимранов Л. Р., Крайнов И. В. Разработка и исследование клеефанерной двутавровой балки. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/razrabotka-i-issledovanie-kleefanernoy-dvutavrovoy-balki.
4. Клеефанерная балка. Патент РФ № 2454526. МПК Е04С 3/14. Бюллетень № 18 от 27.06.2012.
5. Синцов А. В., Синцов В. П. Прочность и деформативность составной деревянной балки со стенкой из ориентированной стружечной плиты. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/prochnost-i-deformativnost-sostavnoy-derevyannoy-balki-so-stenkoy-iz-orientirovannoy-struzhechnoy-plity.
6. Литовченко П., Молошный В., Елькина И., Литовченко С. Экспериментальное исследования двутавровых деревянных балок. MOTROL, 2009, 11B, 145–151. URL: http://www.pan-ol.lublin.pl/wydawnictwa/Motrol11b/Litovchenko.pdf.
7. Бызов, В. Е. Зарубежный опыт применения составных деревянных двутавровых балок/В. Е. Бызов, М. А. Пак, А. Ю. Симахин. — Текст: непосредственный//Молодой ученый. — 2020. — № 10 (300). — С. 113–115. — URL: https://moluch.ru/archive/300/67965/.
8. Лундесгорд Й, Кристенсен Т., Крон Я. К., Воротынцев В. Конструкционные узлы стропильной системы из двутавровых деревянных балок. URL: https://www.forumhouse.ru/entries/11815/.
9. Тихомирова Т. А., Утёмова У. А.. Двутавровые балки из термодеревянных поясов и стенок различных материалов. «Научно-практический электронный журнал Аллея Науки». № 11, 2017.
10. Blyberg L., Serrano E. Timber/Glass adhesively bonded i-beams//Linnaæus University, School of engineering. 2010. Р. 10.
11. Калинин С. В. Деревометаллические балки со стенкой из стальных профилированных листов. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук, 2013. URL: https://www.dissercat.com/content/derevometallicheskie-balki-so-stenkoi-iz-stalnykh-profilirovannykh-listov/read.
12. Актуганов А. А. Тонкостенная металлодеревянная двутавровая балка с ребрами жесткости в виде полуцилиндрических гофров. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук, 2013. URL: https://dlib.rsl.ru/viewer/01005051796#?page=10.
13. Лебедева, М. А. Место клееных деревянных конструкций в современном строительстве и архитектуре/М. А. Лебедева. — Текст: непосредственный//Молодой ученый. — 2018. — № 50 (236). — С. 46–48. — URL: https://moluch.ru/archive/236/54810/.
14. Вагнер, Г. В. Балки с весьма тонкой стенкой/Г. В. Вагнер//Пер. с англ. под ред. А. А. Уманского, П. М. Знаменского. В сб.: Прочность и устойчивость тонкостенных конструкций в самолетостроении, 1937. — С. 58–118.
15. Вагнер, Г. В. Прочность и устойчивость тонкостенных конструкций в самолетостроении/Г. В. Вагнер//Сб. тр. ЦАГИ. — М.: 1937. — 59 с.
16. Тимошенко, С. П. Пластинки и оболочки/С. П. Тимошенко, С. Войнов-ский — Кригер. — М.: Физматгиз, 1963. — 636 с.
17. Турковский, С. Б. Опыт применения клееных деревянных конструкций в Московской области/С. Б. Турковский, В. Г. Курганский, Б. Г. Почерняев//НТО Стройиндустрии. — М.: Стройиздат, 1987. — 56 с.
18. Wagner, H. Flat sheet metal girders with very thin metal webs/H. Wagner//Part I, II and III. NACA Technical Notes Nr. 604, 605, 606, 1931.
19. Двутавровая деревянно-металлическая балка HTS. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/opredelenie-izgibnoy-zhestkosti-glavnyh-balok-balochnyh-proletnyh-stroeniy-avtodorozhnyh-mostov.
20. Кузнецов И. Л., Актуганов А. А., Трофимов А. П. Металлодеревянная двутавровая балка. Патент РФ № 2382855. МПК Е04С 3/29. «Бюллютень» № 6 от 27.02.2010.
21. Деревянно-металлическая балка HTS. URL: https://myremdom.ru/posts/4627-derevyanno-metallicheskaya-balka-xtc.html.
22. Доннелл Л. Г. Балки, пластины и оболочки. М. Наука 1982г. 568 с.
23. Седов Л. И. Механика сплошной среды. В 2-х т. Наука, 1970.
24. Валиулин А. Х. Исследование упругопластического изгиба с учетом изменения поперечного сечения балки, 2013. URL: https://cyberleninka.ru/article/n/issledovanie-uprugoplasticheskogo-izgiba-s-uchetom-izmeneniya-poperechnogo-secheniya-balki (дата обращения: 13.05.2020).
25. Волик А. Р., Жидок А. С. Конструктивные решения и механика разрушения деревянных балок комбинированной конструкции. URL: https://www.elibrary.ru/item.asp?id=27319735 (дата обращения: 16.05.2020).
26. Грачёв В. А. Металлодеревянная балка с гофрированной стенкой, патент, 2019. URL: https://yandex.ru/patents/doc/RU188912U1_20190429 (дата обращения: 01.06.2020).
27. Жаданов, В. И. Новые конструктивные решения деревометаллических балок со стенкой из стальных профилированных листов [Текст]/В. И. Жаданов, C. B. Калинин//Вестник Оренбургского Государственного университета, 2006.-No 12.-С. 480–486.
28. Пат. 2276239. Российская Федерация, МПК Е 04 С 3/07. Балка/ П. А. Дмитриев, В. И. Жаданов, С. В. Калинин; опубл. 10.05.2006, Бюл. № 13. — 6 с.
29. Коробко В. И. Способ определения изгибной жесткости укрупнительного стыка однопролетных составных балок постоянного сечения (варианты), патент, — 2006.}}}