Целью статьи является анализ изучения влияния анизотропии древесины на прочность узловых соединений ферм из клееных элементов. Особое внимание уделяется анизотропии древесины, как одной из главных проблем, влияющих на проектирование конструкций. Обосновывается идея о том, что при правильном расположении волокон можно добиться высокой прочности соединений.
Ключевые слова : анизотропия, древесина, конструкций, материалов, соединений, прочность.
Древесина, как и любой строительный материал, имеет ряд недостатков, не позволяющих полноценно и долговечно служить, если не соблюдать требования по качественной сушке древесины, склеиванию материалов, рациональному использованию и подбору дополнительных крепежных элементов, повышающих прочность конструкции и возможность ее дальнейшего использования.
В последнее время роль древесины, как основного конструкционного материала, заметно возросла. По своим прочностным характеристикам, коррозионной стойкости и, что не менее важно, по стоимости и возможности постоянного возобновления древесина может превосходить металл и железобетон.
Склеивание древесины, в свою очередь, открыло новые возможности для создания необычных, современных и креативных формообразований конструкций, как по очертанию, так и по геометрическим характеристикам поперечных сечений. Однако, в настоящее время, не существует единых общепризнанных критериев оценки несущей способности КДК.
При правильной оценке работы древесины в том или ином направлении расположения волокон (поперечном, радиальном или тангенциальном) подбираются соответствующие размеры, сечения материалов, стыковка под определенным углом для узловых соединений. Ввиду особенностей строения, древесина является анизотропным материалом, ее механические свойства различны в различных направлениях и зависят от угла между направлением действующего усилия и направлением волокон. При совпадении направления силы и волокон прочность древесины достигает максимального значения, в то же время она будет в несколько раз меньше, если сила действует под большим углом к волокнам.
Таким образом, соблюдение необходимых правил конструирования позволит добиться повышения эффективности строительных конструкций и применять новые, более усовершенствованные, формы строения и методы расчета.
В настоящей работе рассмотрены и проанализированы ранее выполненные исследования по особенностям и работе конструкций узловых соединений ферм из клееных элементов и влияние анизотропии на прочность этих соединений.
Целью настоящей работы является исследование влияния анизотропии древесины на прочность узловых соединений ферм из клееных элементов.
Влияние анизотропии на свойства древесины
На всех стадиях строения древесины обнаруживается анизотропия ее механических свойств. Под анизотропией механических свойств материалов подразумевается изменчивость прочностных, упругих и других характеристик в зависимости от направления воздействия по отношению к направлениям экстремальных величин прочности.
Исследования показывают, что зона влияния местных напряжений для древесины имеет большую напряженность в продольном направлении и меньшую — поперек волокон.
Анизотропия прочности при растяжении материала выражена значительно сильнее, чем при сжатии.
Прочность цельной древесины как исходного материала при растяжении в 20–25 раз больше, чем клееной.
Механические характеристики клееной древесины вдоль волокон заметно выше, чем цельной. Напротив, поперек волокон материал КДК приобретает недостатки.
При склеивании отдельных слоев неизбежно наличие кососрезных волокон в пиломатериалах, а в зоне сучков и присучкового косослоя клеевой шов прилегает практически к торцам перерезанных трахеид. Следовательно, прочность клееной древесины в поперечном направлении относительно клеевых швов ниже, чем цельной [1].
На повышенную степень анизотропии клееной древесины с современных КДК накладываются особенности, присущие им. Прежде всего, это увеличенные параметры самих конструкций: пролетов и геометрических размеров элементов КДК, их поперечных сечений и новые соотношения этих размеров, возможные только в КДК. Эти конструкции имеют и новые формы поперечных сечений, в том числе тонкостенные, где хорошо реализуется закон концентрации материалов. Отношение общей ширины элементов клеедощатых конструкций к толщине стенок достигает двух, а в клеефанерных 8–10 [2].
Анализ конструкций узловых соединений из клееной древесины
Склеивание тонкомерных досок привело к увеличению прочности и однородности материала в направлении волокон наружных слоев. В перпендикулярном направлении к волокнам этих слоев характеристики меньше, поскольку промежуточные слои уступают по качеству двум наружным.
В качестве узловых вставок при соединении клееных элементов в единую конструкцию чаще всего применяют пластинки из стали и фанеры.
Пластинки могут располагаться снаружи, присоединяться к древесине соединяемых элементов с помощью односрезных нагелей или располагаться внутри деревянного элемента в специальных разрезах, чтобы рабочие связи могли работать как многосрезные нагели.
Рассмотрим ряд узловых соединений и проанализируем каждый из них.
Соединение на вклеенных стержнях из арматуры периодического профиля является универсальным видом соединений. Для работы соединений характерна их малая деформативность, связанная с наличием клеевой прослойки, являющейся неподатливым соединением.
Главным достоинством данного соединения является то, что вклеивание арматурных стержней, ориентированных вдоль и поперек волокон, позволяет избежать разрушения сдвигом.
Однако данное расположение стержней имеет и свои минусы: возможность совпадения связей с торцевыми трещинами, концентрация напряжений именно в слоях с арматурой. Решением этой проблемы послужило армирование стержнями под наклоном 45 градусов, что позволяет получить равнопрочные узлы и стыки за счет армирования зоны стыков. [3]
Вопрос равнопрочности соединения при вклеивании гладкой арматуры по сравнению с арматурой периодического профиля был исследован Ю. Б. Вылегжаниным. Исследования показали, что прочность соединения при помощи рифленой арматуры в 1,5–2 раза выше, чем гладкой.
Более прочным и усовершенствованным методом является соединение на вклеенных стальных пластинах, работающее на растяжение-продавливание. Данный вид соединения позволяет избежать податливости и получать практически жесткие стыки.
В Пензенском государственном университете архитектуры и строительства под руководством профессора В. М. Вдовина ведутся работы по повышению несущей способности и жесткости узлов соединения деревянных элементов за счет применения вклеенных стальных шайб, посредством которых напряжения от соединительных болтов передаются древесине. Несущая способность узла увеличивается за счет снижения локальных напряжений смятия и скалывания.
Не менее интересным способом узловых соединений является разновидность соединения на вклеенных стержнях из предварительно напряженной арматуры, при котором деформативность конструкции снижается в разы.
Выводы:
Проанализировав данную тему, приходим к выводам о том, что при проектировании КДК накладываются дополнительные условия для повышения прочности и надежности.
Следует придерживаться закона рационального проектирования — концентрация материала, упрощение конструктивной формы с минимальным числом монтажных стыков, совмещение функций работы элементов, которые позволят повысить эффективность конструкции. Однако, поскольку древесина имеет свой основной недостаток — анизотропию свойств, возникают дополнительные ограничения при конструировании. Необходимо разработать правильную форму расположения слоев древесины при склеивании, при которой конструкция будет достигать наибольшей прочности.
Рациональное использование древесины позволит достичь создания новых форм конструкций, с одной стороны, прочных при эксплуатации, с другой стороны, наиболее экономичных.
Литература:
- Калугин А. В. Деревянные конструкции: учебное пособие. М.: АСВ, 2003. 223 с.
- Серов Е. Н., Санников Ю. Д., Серов А. Е. Проектирование деревянных конструкций. М.: АСВ, 2011. 536 с.
- Щуко В. Ю., Рощина С. И. Клееные армированные деревянные конструкции. Учеб. пособие к курсовому и дипломному проектированию. Владимир: Посад, 2008. 288 с.
