Способ расчета жилого здания из древесины перекрестно клееной в программном комплексе Dlubal RFEM по нормативам США

В статье рассматривается расчет пятиэтажного жилого здания со смешанной конструктивной системой в ПК RFEM — расчетном комплексе, реализующем метод конечных элементов.

Ключевые слова: расчет, RFEM, CLT, перекрестно клееная древесина.

Введение

Вот уже много веков древесина применяется в качестве строительного материала. Но так как современные технологии не стоят на месте, совершенствуются железобетонные, стальные и каменные конструкции, строительство из дерева постепенно отходит на задний план. Сейчас древесина чаще всего применяется для строительства коттеджей, индивидуальных домов. Создание клееной древесины дало возможность расширить спектр использования этого материала и в то же время позаботиться об экологической составляющей городской среды.

Принцип расчета

В используемой для расчета программе есть множество встроенных дополнительных модулей, позволяющих рассматривать нестандартные модели конструкций, в том числе есть модуль RF-Laminate, служащий инструментом расчета многослойных оболочек, в том числе и ортотропных.

Расчетная схема рассматриваемого здания составлена из прямоугольных плоскостей и стержней, закрепленных от смещения по вертикали и горизонтали, соединенных линейными шарнирами конечной жесткости, препятствующими взаимному повороту плоскостей. В основании колонн задан моментный шарнир по местным осям стержня X и Z, исходя из рекомендаций производителя программного комплекса. Местные оси элементов ориентированы так, чтобы ось X была направлена по наиболее жесткому направлению — вдоль продольных слоев панелей.

Рис. 1. Модель пятиэтажного здания в ПК RFEM

После создания модели можно приступать к работе со встроенным модулем и заданием характеристик. Панели разбиты на три группы: перекрытия; стены, являющиеся ядрами жесткости и поперечные стены. Для расчетов принят один материал, древесина класса прочности С30:

Рис. 2. Прочностные характеристики принятой для расчета древесины

Далее, внутри самого модуля перед расчетом предлагается выбрать нормативы, по которым будет производиться расчет. В данной работе выбран норматив [2], используемый преимущественно в США. На рисунке 3 показаны значения следующих коэффициентов.

Коэффициент длительности нагрузки, C _D , показывающий долю длительной составляющей временной нагрузки в ее полном значении, равной отношению пониженного значения нагрузки к ее полному значению. Данный коэффициент не применяется к модулю упругости при расчете устойчивости балок и колонн и не используется при вычислении сжимающего напряжения, действующего перпендикулярно волокнам панели.

Коэффициент эксплуатации во влажном состоянии, С _М , применяющийся для обозначения древесины, которая не будет использоваться в сухом состоянии. Сухие условия эксплуатации определяются для конструкционного клееного бруса влажностью менее 16 % для большинства крытых конструкций.

Температурный коэффициент, C _t , регулирующий прочностные свойства древесины, если она будет подвергаться длительному воздействию температур выше 100°F. Кровельные системы и другие конструкции, подверженные суточным колебаниям температуры от солнечного излучения не относятся к объектам, которые обычно требуют корректировки температуры [1].

Норматив [2] определяет условия эксплуатации различных изделий из дерева. В случае конструкционного клееного бруса условия эксплуатации считаются сухими, когда среднее равновесное содержание влаги в течение срока службы составляет менее 16 %. Во всех остальных случаях объект эксплуатируется во влажных условиях.

Рис. 3. Значения коэффициентов, принимаемых по [2]

В качестве результатов получаем поля напряжений внутри каждого отдельно взятого слоя панели. Таким образом, для каждого слоя можно определить:

— нормальные напряжения от изгиба вдоль волокон или поперек волокон;

— нормальные напряжения от сжатия/растяжения вдоль или поперек волокон;

— нормальные напряжения совместно от изгиба и сжатия/растяжения вдоль или поперек волокон;

— касательные напряжения.

Также программа предоставляет возможность определения наибольших напряжений после сортировки по выбранным сочетаниям нагрузок, или по группам панелей (стены, перекрытия, ядро), или по панелям без дополнительной сортировки.

Рис. 4. Выявление наиболее опасных напряжений в группах панелей

Рис. 5. Изополя напряжений от совместного действия изгиба и сжатия/растяжения вдоль волокон

Удобнее всего рассмотрение по нагрузкам с целью выявления наиболее опасных напряжений в группах панелей. В данном случае они возникают в панели № 13 (перекрытие) при совместном действии изгиба и сжатия вдоль волокон верхней грани второго и растяжения нижней грани четвертого слоев.

Заключение

Таким образом, представленный выше алгоритм позволяет рассчитать в программном комплексе Dlubal RFEM многоэтажное жилое здание из древесины перекрестно клееной со смешанной конструктивной системой, определить точки, в которых сконцентрированы максимальные напряжения.

Литература:

1. CLT Handbook. — Cross-laminated timber, US edition, 2013. — 288 с.

2. ANSI/AWC NDS-2018/ASD: American National Standards Institute/ American Wood Council’s. — Режим доступа: https://www.plib.org/staging/wp-content/uploads/2020/09/AWC-NDS2018 (дата обращения 15.04.2023).

3. СП 20.13330.2016 «Нагрузки и воздействия. Актуализированная редакция СНиП 2.01.07–85*».