Проектирование армированных деревянных конструкций

Расчеты на прочность, устойчивость и деформативность в большой степени влияют на эффективность и долговечность строительных конструкций. Применяемые в последнее время численные методы расчета не могут полностью заменить классические инженерные методы расчета конструкций, особенно при расчете по предельным состояниям.

Гипотеза о сложности строения упругого тела, по которой тело, непрерывно до деформации остается непрерывным и после деформации, а также основные положения теории упругости лежат в основе строительных конструкций.

Согласно действующим СП расчет деревянных конструкций ведется в предположении упругой работе древесины. Армированные деревянные конструкции (АДК) являются разновидностью деревянных конструкций. При этом учитывается, что АДК - сложные комплексные конструкции, в которых, особенно при длительной эксплуатации, сказывается влияние ползучести древесины. Путем математического аппарата упругой наследственности материалов, ведется учет влияния длительного действия нагрузки.

При нагружении до разрушения в АДК отчетливо проявляются три характерные последовательные стадии напряженно-деформированного состояния: упругая (точнее условно-упругая); упруго-пластическая и стадия разрушения (рис. 1.13).

Связь между арматурой и древесиной не нарушается вплоть до разрушения на всех стадиях нагружения. Из-за разрыва растянутых волокон древесины и текучести арматуры в зоне наибольших усилий или скалывания (раскалывания поперек волокон) древесины в приопорных зонах от действия главных растягивающих напряжений происходит разрушение конструкции [3].

Таким образом, в основу расчета АДК положена первая стадия напряженнодеформированного состояния (рис. 1.13). Необходимо учитывать, что связь между арматурой и древесиной непрерывна по длине конструкции и обеспечивает их полную совместную работу на весь срок эксплуатации [18,19].

Рис. 1.13 Клееные армированные конструкции здания прирельсового склада минеральных удобрений

Рис. 1.14 Вид армирования: а – двойное симметричное; б – двойное несимметричное; в – одиночное

Рис. 1.15 Эпюры нормальных и касательных напряжений изгибаемого элемента с одиночным симметричным армированием

В расчете элементов АДК на прочность по деформированной схеме и на устойчивость используются параметры жесткости и безразмерный параметр в виде отношения модуля упругости древесины к расчетному сопротивлению сжатию . Это отношение принято за константу, равную = 300 (1.1) [5]. Также за константу принят безразмерный параметр в виде отношения модулей упругости древесины и арматурной стали n = = 2· = 20 (1.2). Все это можно рассматривать как допущение, которое корректируется при расчетах по первой и второй группам предельных состояний введением коэффициентов влияния учитывающих перераспределение усилий между арматурой и древесиной при постоянных и длительно действующих нагрузках.

Основные виды армирование сечений деревянных конструкций: двойное симметричное (с равномерным распределением арматуры по наиболее напряженным зонам сечения); двойное несимметричное (с большим количеством арматуры в сжатой зоне сечения); одиночное (с размещением арматуры только в растянутой зоне) (рис. 1.14). Арматура расположена по всей длине, на части и по траектории главных деформаций.

Особенностью расчета АДК является необходимость учета перераспределения усилий между арматурой и древесиной. Перераспределение происходит в процессе эксплуатации вследствие изменения физико-механических свойств древесины (ползучести) и возникающих дополнительных сдвигающих усилий в зоне соединения арматуры с древесиной при постоянных и длительно действующих нагрузках.

В результате перераспределения усилий нормальные напряжения в древесине уменьшаются пропорционально величине постоянной или длительно действующей нагрузки. В арматуре и клеевом шве, соединяющем арматуру с древесиной, соответственно нормальные напряжения увеличиваются. Этот процесс в целом положительно влияет на несущую способность и долговечность конструкций, так как со временем происходит разгружение более "слабого" и неоднородного материала - древесины и догружение более прочного и однородного материала – арматуры.

В соответствии с действующими СП расчет армированных конструкций ведется по двум группам предельных состояний. Основы расчета рассмотрим на примере расчета изгибаемых армированных деревянных элементов. К конструкциям, которые работают на поперечный изгиб, относятся: балки (стропильные, подстропильные и подкрановые), прогоны, плиты покрытий и др. Расчетные эпюры нормальных и касательным напряжений изгибаемых армированных деревянных элементов приведены на рис. 1.15.

В расчете используются приведенные к основному материалу конструкций - древесине - геометрические характеристики сечений:

(1.3) - приведенный момент инерции сечения относительно нейтральной оси, равный для прямоугольного сечения = (1.4) , или приняв в запас прочности , (1.5),

где и - полная и расчетная высота сечения, равная расстоянию между центрами масс арматуры растянутой и сжатой зон;

(1.6) - для сечения с двойной симметричной арматурой;

(1.7) - для сечения с одиночной арматурой;

и - моменты инерции арматуры и древесины относительно нейтральной оси;

(1.8) - коэффициент армирования поперечного сечения конструкции; – площадь сечения арматуры; и – соответственно, расчетная высота и ширина сечения;

(1.9) - приведенный момент сопротивления с двойной симметричной арматурой;

и (1.10) - приведенный момент сопротивления соответственно сжатой и растянутой зон сечения с одиночной арматурой, где (1.11) и (1.12)

(1.13) - приведенный статический момент сдвигаемой части сечения с двойной арматурой относительно нейтральной оси;

(1.14) и (1.15) - приведенный статический момента арматуры относительно нейтральной оси для сечений с двойной и одиночной арматурой соответственно.

Влияние условий эксплуатации учитывается соответствующими коэффициентами условий работы, применяемыми согласно СП 64.13330.2017, а также установленными для АДК экспериментально: при воздействии химически агрессивной среды (аммиак, сероводород) = 0,85; при многократно повторном действии нагрузки = 0,8.

Влияние постоянной и длительно действующей нагрузок учитывается непосредственно при расчете конструкций.

Увеличение напряжений в арматуре и клеевом шве «арматура – древесина», а также прогиба при длительном действии нагрузки, учитывается коэффициентом влияния , а снижение в древесине - где:

(1.16);

(1.17);

(1.18); = 0,5-0,7 в зависимости от вида нагрузки; 0,5 – при постоянной; 0,7 – при временно длительной.