Краткий обзор проведенных исследований

С конца XIX века особый интерес у конструкторов и исследователей проявлялся в сфере повышения надежности деревянных конструкций и элементов, работающих на растяжение и поперечный изгиб. Взаимодействие между собой деревянных элементов и стальных считался наиболее эффективным способом повышения прочности и надежности таких конструкций. В дальнейшем на этой основе были разработаны металлодеревянные конструкции, в которых стальные элементы заменяли расчетные деревянные растянутые элементы.

Идея совместной работы дерева и металла, как единая конструкция, продолжила свое развитие в армированных деревянных конструкциях и элементах. В 1921 г. было предложено А. Клайтила (США) использовать в конструкциях аэропланов и дирижаблей несущий деревянный элемент коробчатого сечения с запрессованной в полки стальной проволокой (рис. 1.1) [1].

Данный элемент можно считать истоком современных армированных деревянных конструкций. Однако возникшие трудности, которые связаны с изготовлением таких конструкций, а также отсутствием надежных средств соединения древесины со стальной проволокой, стало причиной не реализации данного проекта.

А. Фишер (Германия) предложил в 1926 г. армировать стальными прутками деревянные брусчатые балки и колонны в несущих строительных конструкциях [1]. Стальные прутки укладываются в пазы квадратного сечения, после чего заливаются специальной мастикой (рис. 1.2).

Первые проекты армированных деревянных конструкций были не осуществимы, так как отсутствовали надежные средства соединения арматуры с древесиной. Использование различных механических средств помогло эффективно соединить арматуру с древесиной. Отечественный инженер А. Л. Монасевич изготовил серию образцов, которые представляют собой брусчатые балки, армированные в растянутой зоне стальной полосой, которая соединялась с древесиной при помощи специально выштампованных зубьев или анкерных башмаков (рис. 1.3), после чего произвел испытания [2]. После испытания таких образцов было выявлено, что балки имеют более высокую прочность и надежность по сравнению с балками без арматуры, особенно при действии ударных нагрузок, поскольку арматура предотвращала возможность хрупкого разрушения балок. Это решение в скором будущем было применено при усилении деревянных конструкций. Расчеты показали, что наиболее эффективным является двойное армирование, но рассмотренный выше способ соединения арматуры с древесиной позволяет армировать только растянутую зону конструкции. В 1944 г. Х. Гранхольм (Швеция) предложил использовать специальные стержни с кольцевыми выступами по длине, чтобы решить данную проблему (рис. 1.4) [3].

Рис. 1.1 Балка коробчатого сечения, армированная стальной проволокой

Рис. 1.2 Армированные элементы из цельной древесины

Рис. 1.3 Брусчатые балки с усиленной растянутой зоной

Рис. 1.4 Конструкция армированной балки Х. Гранхольма

Совместная работа арматуры с древесиной обеспечивается при помощи зацепления кольцевых выступов, которые врезались в стенки паза при запрессовке стержня.

Конструкции, в которых арматура с древесиной соединялась механическим способом, не нашли применения именно как армированные. При большом расходе стали, имея податливости соединения, прочность и жесткость конструкции повышались незначительно.

Клееные армированные деревянные конструкции получили свою жизнь после разработки и освоения синтетических клеев, которые имеют возможность обеспечить прочное и долговечное соединение разнородных материалов.

Применение армирования позволяет совершенно по-новому и более эффективно решать узловые соединения и стыки деревянных конструкций, что повышает их сборность, облегчает транспортировку и монтаж [4,5,6]. Позволяет решать вопросы ремонта и реконструкции действующих предприятий.

В современном строительстве проще и надежней изготовить строительные конструкции, армированные стальными стержнями без предварительного напряжения, поскольку можно не использовать дефицитное оборудование, которое применяется в предварительно напряженных конструкциях.

Х. Гранхольм провел первые разработки и исследования клееных армированных деревянных конструкций. Связующим элементом арматуры с древесиной в этих конструкциях являются эпоксидные и фенолоформальдегидные клея [3].

Х. Гранхольмом провел ряд исследований, которые показали, что прочность, жесткость и надежность балок (прямоугольного, двутаврового и коробчатого сечений), треугольных арок и плит покрытия, армированных гладкими стальными стержнями и полосами, значительно выше, чем у неармированных конструкций. Клеевое соединение арматуры с древесиной обладает достаточной прочностью даже при воздействиях отрицательной температуры и повышенной влажности.