Особенности технологии изготовления армированных деревянных конструкций.
Высокие темпы и уровень современного строительства предъявляют качественно новые требования к строительным материалам и конструкциям. При этом большое внимание уделяется производству клееных деревянных конструкций.
Такие конструкции по ряду технико-экономических показателей превосходят металлические и железобетонные: имеют малую монтажную массу, относительно высокую прочность и жесткость при достаточной надежности и долговечности. В то же время отрицательные свойства древесины (зависимость ее свойств от строения, пороков, необходимость применения и значительный расход качественного пиломатериала, излишняя массивность сечений, ползучесть при длительном нагружении и др.) ограничивают область применения и ухудшают показатели клееных деревянных конструкций.
Один из путей устранения указанных недостатков и повышения технико-экономической эффективности - армирование сечений клееных деревянных конструкций и элементов стальной или стеклопластиковой арматурой. Это позволяет существенно сократить расход древесины. Уменьшить монтажную массу, повысить качество и надежность деревянных конструкций, работающих в основном на изгиб и сжатие с изгибом.
Высокая прочность и жёсткость в сочетании с малой монтажной массой делают эти конструкции незаменимыми в рассредоточенном сельскохозяйственном строительстве, в труднодоступных и отдаленных от магистральных путей районах, при проектировании больших пролётов и при больших нагрузках.
Легкие несущие клееные армированные конструкции находят применение в самых различных областях строительства: при возведении зрелищно-спортивных, сельскохозяйственных и складских зданий, пролётных строений мостов и эстакад, зданий химических производств и др., что предъявляет к ним весьма высокие требования. Поскольку в процессе эксплуатации возможны воздействия перепадов температуры и влажности, агрессивных сред, повторной кратковременной и длительной нагрузок и др.
Разработка и исследование клееных армированных деревянных конструкций для строительства - часть важной народнохозяйственной задачи по созданию новых видов эффективных несущих конструкций на основе древесины.
Предлагаемая вниманию работа рассматривает основные проблемы клеёных армированных стальными стержнями деревянных конструкций в строительстве.
В работе использованы результаты исследований научных коллективов ряда учебных, научно-исследовательских и проектных институтов (МИСИ им. В.В. Куйбышева, НИСИ, ВГУ им. А.Г. и Н.Г. Столетовых, ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко, ЦНИИ промзданий, Оргэнергостроя), а также сведения из отечественных и зарубежных источников.
Краткий исторический обзор, современное состояние и перспективы развития армированных деревянных конструкций.
В центре внимания конструкторов и исследователей с конца XIX века постоянно находится проблема повышения надежности деревянным конструкций и элементов, работающих на растяжение и поперечный изгиб. Наиболее эффективным способом повышения прочности и надежности таких конструкций оказался способ подкрепления деревянных элементов стальными.
В дальнейшем на этой основе были разработаны металлодеревянные конструкции, в которых расчётные деревянные растянутые элементы заменялись стальными.
Первые сведения об армированных деревянных конструкциях появились в печати в 1907 г. Немецкий инженер Voles запатентовал деревянную балку составного сечения, совместная работа досок в сечении достигала за счёт сплачивания стальными полосами (хомутами) (Рис. 1). Шаг полос l . Соединение полос с древесиной осуществлялась гвоздями или стяжными болтами.
Рис. 1. Деревянные балки составного сечения, совместная работа досок в которых достигнута за счёт сплачивания стальными полосами (хомутами) и крепёжными изделиями.
Идея использования в конструкциях совместной работы древесины и металла нашла дальнейшее развитие в армированных деревянных конструкциях и элементах. В 1921 г. А. Клайтила (США) предложил использовать в конструкциях аэропланов и дирижаблей несущий деревянный элемент коробчатого сечения с запрессованной в полки стальной проволокой (Рис. 2) [30].
Этот элемент можно считать прообразом современных армированных деревянных конструкций. Однако трудности, связанные с изготовлением таким конструкций, и отсутствие надежных средств соединения стальной проволоки с древесиной не позволили долгое время реализовать это предложение.
Армировать стальными прутками деревянные брусчатые балки и колонны в несущих строительных конструкциях впервые предложил А. Фишер (Германия) в 1926 г. (рис. 3). Стальные прутки должны были укладываться в пазы квадратного сечения и заливаться специальной мастикой, состав которой автор не приводит [22].
Первые проекты армированных деревянных конструкций не были осуществлены из-за отсутствия надежных средств соединения арматуры с древесиной. Поиски простого и эффективного способа соединения арматуры с древесиной привели к использованию различных механических средств.
Отечественный инженер А.Л. Монасевич (СССР) в 1937 г. развил идею Ф.П. Белянкина, предложившего увеличить величину отношения sр/sс армированием растянутой зоны деревянной балки стальными полосами. Он изготовил и испытал серию брусчатых балок, армированных в растянутой зоне стальной полосой, которая соединялась с древесиной при помощи специально выштампованных зубьев или анкерных башмаков (рис. 4) [14]. Испытания таких балок показали их более высокую прочность и надежность по сравнению с обычными деревянными, особенно при действии ударных нагрузок, поскольку армирование растянутой зоны предотвращало возможность хрупкого разрушения балок. В дальнейшем это решение нашло применение при усилении деревянных конструкций. Однако рассмотренный способ соединения арматуры с древесиной позволял армировать только растянутую зону конструкций, в то время как расчёты показали, что наиболее эффективно двойное армирование. Для решения этой проблемы в 1944 г. X. Гранхольм (Швеция) предложил применять специальные стержни с кольцевыми выступами по длине (рис. 5) [31]. В этом случае совместная работа арматуры с древесиной обеспечивалась зацеплением кольцевых выступов, которые врезались в стенки паза при запрессовке стержня.
В 1949 г. был выдан патент Поберёзкину (СССР) за разработку деревянных балок с металлической лентой расположенной в растянутой зоне (рис. 6).
Конструкции, в которых арматура с древесиной соединялась механическим способом, не нашли применения именно как армированные вследствие того, что даже при значительном расходе стали из-за податливости соединения прочность и жёсткость конструкции увеличивалась сравнительно мало.
В 1954 г были проведены экспериментально-теоретические исследования армированных деревянных конструкций Н. Гранхольмом, профессором Чальмерского университета Швеции [105]. Соединение арматуры с древесиной балок осуществлялось при помощи синтетических клеёв фенолоформальдегидных и эпоксидных [31].
Клеевое соединение сталь -древесина обладает достаточной прочностью, даже при воздействии отрицательной температуры и повышенной влажности.
Ассортимент испытанных армированных деревянных балок был обширен (Рис. 7). Все исследования проводились только в предположении упругой стадии работы материала. Он первый внедрил армированные деревянные конструкции в здания и является автором монографии посвящённой армированным деревянным конструкциям.
Исследования, проведенные Н. Гранхольмом, 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.
В 1961 г Сликер (Sliker) провёл исследования клееных балок армированных пластинами из алюминиевых сплавов (Рис. 8).
С 1964 г разработкой и исследованиями армированных деревянных конструкций в Англии занимается Ассоциация научных исследований древесины и содействия расширения её применения:
Первый этап: армирование гладкой арматурой и с нарезкой.
Второй этап: армирование деревянных конструкций преднапряжённой арматурой.
Следует отметить работы Монска (Мönck’a) опубликованные в 1967 г [112, 113] и посвящённые анализу армированных деревянных конструкций, на основе которого он предложил следующие поперечные сечения (Рис. 9). Расчёт конструкций рекомендовал выполнять в упругой стадии
где приведённый к древесине момент инерции сечения балки
Он считает, что напряжения в арматуре в “ n ” раз больше чем в древесине, т.к. n=Ea /Eд .
Сведения об этих работах, поступающих в нашу страну, носят, как правило, информационный и рекламный характер. Но, тем не менее, к наиболее важным исследованиям обычных армированных деревянных конструкций относятся работы [93,103, 105, 106, 107, 114], а с предварительным напряжением арматуры – работы [101, 102, 109].
К 1969 году в НИСИ им. Куйбышева проведены работы по исследованию армированных деревянных балок, цельного сечения из бруса 90´150 (h) пролётом 2.7 м. [111]. Испытания проведены на четырёх сериях балок (Рис. 10), по схеме загружения в третях пролёта на действие чистого изгиба. Совместная работа периодической арматуры с древесиной в балках осуществлялась с помощью эпоксиднопесчаного компаунда (ЭПП).
В ЦНИИСК им. Кучеренко к 1972 году проведены работы по исследованию деревянных балок армированных обычным способом и с преднапряжением [111]. Пролёт деревянных балок 1.5 м, сечение 36´100 (h) мм. Совместная работа периодической арматуры с древесиной в балках осуществлялась с помощью эпоксидноцементного компаунда (ЭПЦ).
В таблице 1 приведены результаты испытаний деревянных армированных балок, полученные отечественными и зарубежными исследователями. Основной целью этих исследований являлось определение влияния армирования на прочность и деформативность изгибаемых деревянных конструкций.
Результаты исследований, полученные при испытании моделей армированных балок, приведённые в таблице 1, позволяют сделать следующие выводы:
- эффект армирования деревянных конструкций тем выше, чем надёжнее связь соединения сталь – древесина;
- в конструкциях с вклеенной арматурой периодического профиля при соответствующем коэффициенте армирования эффективность деревянных балок армированных без преднапряжения увеличивается в среднем 1.5¸ 3 раза;
- конструкции с вклеенной гладкой арматурой без преднапряжения увеличивают прочность незначительно до 3.0%, а вертикальные деформации армированных меньше в 1.46 раза по сравнению с контрольными – деревянными балками;
Таблица 1. (Начало)
Результаты испытаний армированных деревянных балок, полученные лабораториями нашей страны и зарубежными.
№ п.п. | Организация, фирма | Конструкции, характер армирования | Схема размещения арматуры в пролёте и сечении | Сечение, мм | Кол-во в серии | Показатель прогиба, | Разрушающая нагрузка | Область исследования | ||||||
Нагрузка, кН | Прогиб, мм | % | кН | % | h/l | h/b | m=Fa/Fд | |||||||
НИСИ им. Куйбышева автор Щуко В.Ю. | Контрольные | 1 | - | 90´150 | 17.8 | 1/18 | 1.7 | - | ||||||
Несимметричное, двойное | 2Æ12 А-III | - | - | - | 33.5 | - | - | 0.0168 | ||||||
Симметричное, одиночное | 2Æ12 А-III | - | - | - | 44.7 | - | - | 0.0168 | ||||||
Симметричное, двойное | 4Æ14 А-III | - | - | - | 7.5 | 57.9 | - | - | 0.0457 | |||||
ЦНИСК им. Кучеренко авторы: Линьков И.М. Соротокин В.М. | Контрольные | - | 36´100 | 8.0 | 14.6 | 1/15 | 2.8 | - | ||||||
Несимметричное, двойное, обычное | 2Æ6 А-III | - | - | 9.7 | 18.85 | - | - | 0.0158 | ||||||
Несимметричное, двойное, преднапряжённое | - | - | 4.0 | 18.75 | - | - | 0.0158 | |||||||
Симметричное, одиночное, обычное | 2Æ6 А-III | - | - | 10.6 | 18.8 | - | - | 0.0158 | ||||||
Симметричное, одиночное, преднапряжённое | - | - | 6.5 | 18.2 | - | - | 0.0158 | |||||||
Симметричное, двойное, преднапряжённое | 4Æ6 А-III | - | - | 1.72 | 24.7 | - | - | 0.0316 | ||||||
Несимметричное, обычное | 3Æ6 А-III | - | - | 8.75 | 23.3 | - | - | 0.0236 | ||||||
Несимметричное, преднапряжённое | - | - | 2.49 | 20.5 | - | - | 0.0236 |
Таблица 1. (Окончание)
Результаты испытаний армированных деревянных балок, полученные лабораториями нашей страны и зарубежными.
№ п.п. | Организация, фирма | Конструкции, характер армирования | Схема размещения арматуры в пролёте и сечении | Сечение, мм | Кол-во в серии | Показатель прогиба, | Разрушающая нагрузка | Область исследования | ||||||
Нагрузка, кН | Прогиб, мм | % | кН | % | h/l | h/b | m=Fa/Fд | |||||||
Медисонская лаборатория лесной промышленности авторы: Петерсон, Баханнан | Контрольные | 1 | - | 120´260 | 54.5 | 50.8 | 68.0 | 1/20 | 2.2 | - | ||||
Несимметричное, преднапряжённое | Полоса 1.57´120 | - | - | 37.5 | 118.5 | - | - | 0.0060 | ||||||
Контрольные | - | 120´260 | 54.5 | 46.6 | 82.0 | 1/20 | 2.2 | - | ||||||
Несимметричное, преднапряжёние на торцы балки | Семипро-волочные пряди 2Æ9.5 | - | - | 45.8 | 99.0 | - | - | 0.0034 | ||||||
Ассоциация по исследованию деревянных конструкций автор Лантос. | Контрольные | - | 63´114 | 20.0 | 6.7 | 36.2 | 1/10 | 1.7 | - | |||||
Симметричное, одиночное, обычное | Гладкая 2Æ9.5 | - | - | 4.6 | 37.1 | - | - | 0.0197 | ||||||
Симметричное, одиночное, обычное | Перио-дическая 2Æ11 | - | - | 4.6 | 51.1 | - | - | 0.0265 | ||||||
Сталенбошский университет авторы: Богин К., Лоадолф Г. | Контрольные | - | 60´103 | 20.0 | 8.0 | 56.9 | 1/16 | 1.7 | - | |||||
Несимметричное, обычное, армирование сжатой зоны | 5 пластин 3´25.4 | - | - | 6.5 | 82.25 | - | - | 0.0616 | ||||||
Контрольные | 60´103 | 20.0 | 9.0 | 61.1 | 1/16 | 1.7 | - | |||||||
Симметричное, обычное | 10 пластин 3´12.7 | - | - | 5.5 | 70.2 | - | - | 0.0616 |
- конструкции, в которых совместная работа с древесиной обеспечивается за счёт механического зацепления, или за счёт передачи усилий от арматуры на торцы балок, эффективность деревянных конструкций повышается в среднем в 1.2 раза;
- конструкции с предварительно напряжённой арматурой, обладают некоторыми преимуществами по сравнению с армированными без преднапряжения;
- при одинаковом коэффициенте армирования вертикальные перемещения конструкций с предварительно напряжённой арматурой меньше чем армированных без преднапряжения в 1.6 ¸ 3.5 раза, а по сравнению с контрольными деревянными меньше в 2.2 ¸ 8.5 раз;
- прочность конструкций с предварительно напряжённой арматурой по сравнением с контрольными - деревянными больше в 1.5 ¸ 2.1 раза, а по сравнению с армированными обычным способом меньше на 0.5 ¸ 12%, при одинаковом коэффициенте армирования и расположении стержней в сечении;
- незначительное увеличение прочности преднапряжённых деревянных балок связано с изменением характера их разрушения:
а) Пластический характер разрушения по нормальному сечению присущ балкам, армированным обычным способом;
б) Хрупкий характер разрушения присущ балкам с предварительным напряжением арматуры, которое создаёт дополнительные сдвигающие усилия в древесине, суммируясь с напряжениями, возникающими от действия поперечных сил способствуют разрушению балок в опорных сечения от скалывания древесины вдоль волокон даже с относительной шириной сечения h/b=2.8 и высотой h/l=1/15 (см. табл. 1).
Следовательно, предварительно напряжённое армированные деревянные конструкции, как правило, требуют дополнительных конструктивных мероприятий, направленных на усиление приопорных участков балок, что усложняет технологию их изготовления по сравнению с балками, армированными обычным способом без предварительного напряжения.
Ползучесть и релаксация особенно ярко выражены в основном материале армированных деревянных конструкциях древесине, поэтому в современном строительстве более перспективными являются конструкции, армированные стальными стержнями без предварительного напряжения, как наиболее надёжные и простые в изготовлении, поскольку они не требуют сложного и дефицитного оборудования [84, 85].
В настоящем пособии основное внимание уделяется деревянным конструкциям, армированным обычным способом, т.е. без предварительного напряжения арматуры.
Разработка и освоение промышленностью выпуска эффективных синтетических клеев, способных обеспечить прочное и долговечное соединение разнородных материалов, позволили реально подойти к созданию клеёных армированных деревянных конструкций [75, 82]. Так, стропильные деревянные армированные балки пролётом от 12 до 24 м, имеют относительную высоту сечения к пролёту h/l=1/14¸1/26, а относительную ширину сечения к высоте h/b=6¸8, и коэффициентом армирования m=0.015¸0.035 [74, 75, 77, 81, 82].
Анализ области исследования, а именно геометрических параметров сечений деревянных балок армированных без преднапряжения, которые применялись для изучения отечественными и зарубежными исследователями эффективности армирования (см. табл. 1). Так, относительная высота сечения к пролёту испытанных балок составляла соответственно h/l=1/10¸1/18, а относительная ширина сечения к высоте h/b=1.7¸2.8, при коэффициенте армирования m=0.0158¸0.0616. Вопрос о влиянии сдвиговых усилий на работу армированных деревянных балок не заострялся, поскольку испытанные моделей имели достаточно большую ширину сечения по сравнению с натурными стропильными конструкциями в 2.1¸4.7 раза. Пролёт испытанных моделей деревянных балок армированных обычным способом l=1.12¸2.70 м, а схема испытаний моделей балок в большинстве исследований выполнена на действие чистого изгиба, с загружением балок в третях пролёта двумя сосредоточенными силами.
Натурные клеёные деревянные армированные стропильные конструкции в процессе эксплуатации, как правило, загружены равномерно распределённой нагрузкой по всему пролёту или близкой к ней эквивалентной нагрузкой. Поэтому для изучения их напряжённо деформированного состояния и определения характера разрушения моделирование этих конструкций рекомендовано выполнять с применением методики полного геометрического подобия [38, 44, 45] и методики рационального планирования экспериментов [36, 46]. При этом коэффициент подобия моделей балок применён с учётом размещения тензометрических приборов с базой 20 мм.
С учётом выше изложенного во Владимирском политехническим институте с 1974 по 1987 год Е.А. Смирновым проведены работы по изучению прочности и деформативности клеёных деревянных балок с групповым армированием на части длины (Рис. 11).
Рис. 11 Комбинационный квадрат.
Испытания проведены на двадцати пяти сериях моделей балок с пролётами по 4.5 м и двух сериях натурных балок с групповым армированием на части длины пролётами 12 и 18 м [ 1 ].
Применение армирования позволяет совершенно по новому и более эффективно решать узловые соединения и стыки деревянных конструкций, что повышает их сборность, облегчает транспортировку и монтаж [15, 18, 19, 21, 23, 28], а также вопросы реконструкции действующих предприятий [23, 25].
В современном сельскохозяйственном строительстве более перспективными являются конструкции, армированные стальными стержнями без предварительного напряжения, как наиболее надежные и простые в изготовлении, поскольку они не требуют сложного и дефицитного оборудования.
В настоящем пособии основное внимание уделяется деревянным конструкциям, армированным обычным способом, т.е. без предварительного напряжения арматуры.
Использование армированных балок в пролётных строениях мостов и треугольных арок в покрытиях производственных и складских зданий показали эффективность армированных конструкций и в эксплуатационных условиях (рис. 12).
Рис.12. Клеёная армированная треугольная арка в покрытии
производственного здания (Швеция).
Так, фирма ABH Тохнсон (Швеция) освоила выпуск широкого ассортимента клееных армированных конструкций: балок 42 типоразмеров пролётом до 23 м, арок и рам пролетом до 30 м [32].
В 60-х годах был налажен выпуск клееных армированных арок кругового очертания в ЧССР. Такие арки пролётом 36,2 м применены в покрытии цехов химических комбинатов (рис. 13) [31]. Клееный верхний пояс арки сечением 0.6´ 0.175м имел армирование из шести стержней периодического профиля "Роскор"
диаметром 16 мм, вклеенных при помощи клея "Эпокси -1200". В отличие от армированных деревянных конструкций, применяемых в Швеции, арматура арок для защиты от агрессивных воздействий и для повышения огнестойкости имела покрытие в виде слоя досок толщиной 25 мм. | |
Рис. 13. Клеёная армированная арка в покрытии цеха химического завода (ЧССР) |
Высокая прочность, жёсткость армированных деревянных конструкций при малой монтажной массе и положительный опыт их применения в Швеции, США и ЧССР привлекли внимание проектировщиков разных стран. В течение ряда лет у нас в стране проводились и проводятся всесторонние исследования клеёных армированных конструкций, разрабатываются и внедряются новые виды. Построены производственные и складские здания с применением клеёных армированных балок пролётом 12 м, треугольных арок и рам пролётом до 24 м, плит покрытия размером 1.5´6 и 3´6 м (рис. 14, 15 и 16) [7, 9, 27, 30, 31, 32, ЗЗ].
Рис. 14. Клеёные армированные балки переменной жёсткости в покрытии складского здания (г. Владимир) | |
Рис. 15. Клеёные арки с предварительно напряженной стеклопластиковой арматурой в покрытии склада химудобрений (Белорусская ССР) | |
Рис. 16. Армированные деревянные плиты размерами 3´6 м в покрытии цеха электростанции (г. Омск) |
Для покрытий складов минеральных удобрений НИИпромстроем (г. Уфа) разработаны и внедрены в строительство балки и арки, армированные предварительно напряженными стальными стержнями [13, 16], а также плиты с армированным деревянным каркасом и асбестоцементными обшивками размерами 1.5´6 м (рис. 17) [5, 9, 28].
Рис. 17. Плиты покрытия с армированным деревянным каркасом и асбестоцементной нижней обшивкой: а – арматура в рёбрах плиты с предварительным напряжением; б – рёбра плиты армированны на части пролёта без предварительного напряжения. |
Применение армирования в полносборных клеёных рамах из прямолинейных элементов и неразрезных прогонов в каркасах прирельсовых складов минеральных удобрений с подвесным крановым оборудованием позволило эффективно решить вопросы изготовления, транспортировки и монтажа конструкций (проект склада разработан ЦНИИпромзданий совместно с Владимирским политехническим институтом и Гипронисельхозом) (рис.18) [16].
Рис. 18. Клеёные армированные конструкции здания прирельсового склада минеральных удобрений |
Армирование находит применение также и в конструкциях деревянных опор ЛЭП [21].
Развитие армированных деревянных конструкций идёт в двух направлениях: с использованием обычной арматуры и с предварительно напряженной арматурой. Первый способ армирования находит более широкое применение, поскольку даёт положительный эффект при относительно небольших трудозатратах и капиталовложениях в специальное технологическое оборудование.
Интересный и важный вопрос проектирования, изготовления и применения предварительно напряженных деревянных конструкций заслуживает отдельного изучения и в настоящей работе не рассматривается.
Для армирования деревянных элементов и конструкций используют стержни квадратного или круглого сечения, гладкие или периодического профиля, пластины и полосы из металла (сталь, алюминиевые сплавы) или стеклопластика. Арматура соединяется с древесиной преимущественно склеиванием.
Исследования, проведенные в нашей стране и за рубежом, и опыт внедрения позволили определить основные свойства клееных армированных деревянных конструкций и область их применения в строительстве.
Лекция №2 Материалы для армированных деревянных конструкций
Древесина - основной материал армированных деревянных конструкций. Для несущих конструкций применяется преимущественно древесина хвойных пород, обладающая достаточно высокими и стабильными механическими свойствами, стойкая к эксплуатационным воздействиям.
Для обеспечения необходимых технологических параметров и долговечности при эксплуатации влажность древесины армированных конструкций не должна превышать 15% при нормальном значении 10±2%. Для армированных конструкций допускается применять древесину 2-го - 3-го сорта по ГОСТ 8486-86* для цельных и клеёных сечений [3, 19].
Арматура для деревянных конструкций применяется как металлическая, так и пластмассовая. При выборе необходимо учитывать не только ее прочностные, но и упругие характеристики, поскольку соотношение нормальных напряжений в арматуре и древесине при их нормальной совместной работе зависит от величины отношения их модулей упругости, т.е. при ea=eд; sa=sдЕа/Eд, где ea и eд - относительные деформации арматуры и древесины; sa и sд, - нормальные напряжения в арматуре и древесине: Еа и Eд - модули упругости арматуры и древесины.
Из металлов, используемых в строительстве, таким требованиям отвечают стальные и алюминиевые сплавы, причем более эффективно и целесообразно применение стальной арматуры. Наиболее рациональное армирование стальными стержнями периодического профиля. Такая арматура имеет развитую поверхность (площадь) сцепления с древесиной по сравнению с гладкой, что обеспечивает более высокую прочность и надёжность соединения.
Прочностные свойства арматуры влияют на несущую способность конструкции и также должны учитываться при проектировании.
Рассматривая армированные деревянные конструкции как комплексные, следует выбирать арматуру с учётом полного использования её свойств в зависимости от механических свойств древесины. Учитывая, что предельные деформации волокон древесины при механических испытаниях на растяжение и сжатие в среднем составляют 1.15 и 0,84% , а у арматуры 6-16% (при деформациях, соответствующих пределу текучести, равны 0,15-0,35%) (рис. 2.1, 2.2), придём к выводу, что во всех случаях при совместной работе арматуры с древесиной несущая способность арматуры будет использована, т.е. напряжения в арматуре достигнут предела текучести прежде, чем будет исчерпана прочность древесины.
В тоже время арматура предотвратит хрупкое разрушение конструкции вследствие того, что даже после полного разрушения древесины в растянутой зоне арматура частично сохраняет несущую способность, хотя и будет работать за пределами текучести, т.е. создается эффект подпружной тяги или шпренгеля. Экспериментальные исследования полностью подтверждают этот вывод и показывают, что после разрушения древесины растянутой зоны балки выдерживают нагрузку, составляющую 60 – 75% величины разрушающей нагрузки [23, 24, 25]. В целом для армирования деревянным конструкций (без предварительного напряжения) могут быть использованы, стали, прочностные и упругие свойства которых наиболее полно соответствуют свойствам древесины, т.е. стали класса А-II и А-III по ГОСТ 5781-82 [4].
Армирование деревянных конструкций может выполняться как отдельными стержнями, так и полу каркасами, представляющими собой продольные стержни рабочей арматуры с приваренными к ним под углом 45 или 90° стержнями поперечной арматуры, диаметр которым не превышает 0.4 - 0.6 диаметра рабочей арматуры. Поперечные стержни (не менее 2 - 3 с каждой стороны) в полу каркасах располагаются на концевых участках рабочей арматуры с шагом, равным 20 - 25 диаметрам. Поперечные стержни повышают надежность сцепления арматуры с древесиной, исключают возможность хрупкого разрушения конструкции от скалывания клеевого шва или древесины в зоне расположения арматуры. Длина поперечным стержней (глубина заделки) должна быть не менее 0,55 h или 20 - 25 d.
В ряде случаев ("высокие" балки с h/L = 1/12 - 1/15, или при больших значениях поперечных усилий и т.п.) поперечное армирование может выполняться в виде вертикально вклеенных стальных пластин толщиной 2 - 5 мм, которые соединяются сваркой с рабочей арматурой после вклеивания стержней. Длина пластин принимается равной 15 - 20 диаметрам рабочей арматуры, но не более 0.5¸1.0 h. С целью облегчения конструкции, снижения расхода металла и повышения качества склеивания пластины могут иметь сквозную перфорацию.
Соединение арматуры с древесиной в конструкциях.
Прочность, надежность и долговечность армированных деревянных конструкций в значительной мере зависит от клеевых соединений, используемых для склеивания древесины с арматурой.
Вопросы склеивания древесины достаточно изучены и подробно изложены в соответствующей нормативной литературе [2, 10, 11, 18]. Поэтому рассмотрим лишь вопрос, касающийся склеивания древесины с арматурой.
При склеивании арматуры с древесиной клей переходит в твердое состояние с последующим по мере отвердения увеличением механической прочности клеевого слоя и сцеплением его со склеиваемыми материалами. При этом качество склеивания определяет прочность и долговечность соединения.
Клеевой шов принято рассматривать как единую композицию из клеевого слоя и двух прилегающих материалов. При этом прочность соединения зависит от механических свойств, как клея, так и наиболее слабого из склеиваемых материалов, в данном случае - древесины.
Следовательно, необходимо, чтобы при склеивании древесины с арматурой прочность соединения превышала прочность основного материала конструкции - древесины. Тогда разрушение такого соединения будет происходить от скалывания древесины вдоль волокон.
Клеевые соединения арматуры с древесиной должны отвечать следующим требованиям: высокая механическая прочность и достаточная жесткость; стойкость к циклическим температурно-влажностным воздействиям: долговечность; малая ползучесть при длительном действии нагрузки; технологичность. Из довольно широкого ассортимента клеев, выпускаемых промышленностью, таким требованиям удовлетворяют только эпоксидные, фенолоформальдегидные и полиуретановые. Однако фенолоформальдегидные клеи, содержащие кислотные отвердители, обладая низкой стоимостью и доступностью, вызывают коррозию стальной арматуры, что требует специальных мероприятий по её защите, следовательно, усложняет технологический процесс, и повышает стоимость изделия. Полиуретановые клеи пока недостаточно изучены и дефицитны.
В полной мере отвечают предъявляемым требованиям клеи на основе эпоксидных смол, которые в большинстве случаев используются в виде многокомпонентных клеевых композиций. Применяя для наполнения и отвердения эпоксидных клеёв различные наполнители и отвердители, удается получить клеевые соединения, удовлетворяющие не только перечисленным выше требованиям, но и обладающие высокой теплостойкостью и относительно низкой стоимостью [1, 2, 12, 19]. Последнее достигается за счёт введения в композицию на 100 массовых частей смолы 200 - 500 массовых частей наполнителей, что приводит к снижению содержания смолы (наиболее дорогого компонента) в клее до 10 - 20%. Например, при стоимости 1 кг смолы ЭД-20, равной 4.0 усл. ед., стоимость 1 кг клеевой композиции составит при этом 0,62 - 1,0 усл. ед.
Для клеевых соединений арматуры с древесиной наиболее технологичными являются композиции, приготовленные из эпоксидных смол марок ЭД-20, ЭИС-1 и др. Их жизнеспособность зависит от вида и количества отердителя, и после введения отвердителя составляет 45 - 120 мин. Основные составы клеевых композиций, ре
Дата добавления: 2016-06-22; просмотров: 7470;