Экспериментально-теоретические исследования треугольной деревянной фермы на металлических зубчатых пластинах

3. Деформативность железобетонных балок с зонным армированием из стальной фибры в сжатой зоне ниже, чем у балок с зонным армированием в растянутой зоне.

4. При применении сжимающей нагрузки для экспериментальных образцов наблюдается небольшое понижение несущей способности для балок с зонным армированием из стальной фибры в растянутой зоне и некоторое повышение несущей способности для балок с фибробетоном в сжатой зоне. Величина максимальных перемещений при этом для балок уменьшается.

D.G. UTKIN

EXPERIMENTAL RESEARCHES OF BENT - COMPRESSION FERRO-CONCRETE ELEMENTS WITH ZONED REINFORCING FROM THE STEEL FIBER AT SHORT-TERM DYNAMIC LOAD

The program and the results of experimental researches of bent - compression ferro-concrete elements with zoned reinforcing from a steel fiber in the stretched and compressed zones at short-term dynamic loads are given in the paper. On the basis of the analysis of results of experimental researches the main conclusions about efficiency of strengthening of ferro-concrete elements by a layer of steel fibre reinforced concrete in the compressed and stretched zones are made.

УДК 624.011.2.001.24

Д.Г. КОПАНИЦА, докт. техн. наук, профессор,

Л.И. ОФИЦЕРОВА, канд. техн. наук, доцент,

Д. В. ЛОСКУТОВА,

ТГАСУ, Томск

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТРЕУГОЛЬНОЙ ДЕРЕВЯННОЙ ФЕРМЫ НА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ЗУБЧАТЫХ ПЛАСТИНАХ

В статье приводятся результаты экспериментальных исследований двух треугольных деревянных ферм, объединенных в пространственный блок, на действие статической нагрузки, приложенной к верхнему поясу. Экспериментальные исследования сопровождались расчетами напряженно-деформированного состояния ферм на действие нагрузок, взятых из программы эксперимента. Результаты расчетов представлены в виде деформированных схем и карт нормальных напряжений в сечениях элементов. Проведено сопоставление результатов расчетов с опытными данными по деформациям и напряжениям. Показано удовлетворительное согласование полученных результатов.

Индустриализация строительства деревянных конструкций может быть достигнута за счет использования сквозных плоских конструкций, выполненных в заводских условиях. Одним из путей снижения трудовых и материаль-

© Д.Г. Копаница, Л.И. Офицерова, Д.В. Лоскутова, 2008

ных затрат является широкое применение в малоэтажном строительстве цельнодеревянных индустриальных конструкций с использованием металлических зубчатых пластин (МЗП).

Отличительной чертой конструкций на МЗП является компактность и надежность соединений, отсутствие выступающих частей и деталей, высокая технологичность.

Ниже приводятся результаты экспериментально-теоретических исследований 9-метровой деревянной фермы с соединением на металлических зубчатых пластинах. Эксперименты проведены в лаборатории кафедры металлических и деревянных конструкций ТГАСУ. Расчеты ферм на соответствующие экспериментам нагрузки проведены посредством программного расчетного комплекса APM Civil Engineering Prof (Steel + Concrete + Wood St) версия 9.4. Лицензия №69708. Исследованы две треугольные дощатые фермы с соединениями на металлических зубчатых пластинах. Общая длина ферм 9,0 м, при значении пролета между опорами 7,6 м. Высота в коньке фермы -2,74 м, уклон верхних поясов - 1:30. Решетка состоит из отдельных стержней - раскосов и стоек. Общий вид испытаний показан на рис. 1. Узловое соединение ферм осуществляется на пластинах с выштампованными зубьями, которые при заводском изготовлении ферм впрессовываются с двух сторон узла одновременно во все сходящиеся в нем деревянные элементы одинаковой толщины. Металлические зубчатые пластины типа GNA 20 фирмы Mitek Industries изготовлены из оцинкованной тонколистовой стали толщиной, равной 1,2 мм.

Рис. 1. Общий вид испытаний 9-метровых треугольных деревянных ферм на МЗП

Для проведения экспериментальных исследований был использован стенд, предназначенный для одновременного испытания в вертикальном положении двух ферм, объединенных в пространственный блок шириной 1,0 м. Вертикальные связи по длине ферм установлены по стойкам крестовой решёткой. Горизонтальные связи устроены по верхнему поясу в виде обрешётки. Нижние пояса ферм объединены полураскосной решёткой. Блок ферм установлен в проектное положение на две распределительные металлические траверсы.

Нагрузка прикладывалась к узлам верхнего пояса. Для определения деформаций древесины и металлозубчатых пластин использовались тензорези-сторы КФ 5П-20-100-Б-12 по ТУ 25-06.2002-80 с базой 20 мм (на деревянные элементы), номинальным сопротивлением 100 Ом и коэффициентом тензо-чувствительности - 2,19 и КФ 5П1-5-200-А-12 по ТУ 25-06.2002-80 с базой 5 мм (на металлические элементы), номинальным сопротивлением 200 Ом и коэффициентом тензочувствительности - 2,16. Расстановка тензорезисторов на деревянных элементах и металлических пластинах на узлах фермы показана на рис. 2. Для определения перемещений узлов нижних поясов ферм использовались прогибомеры Максимова типа ПМ-3. Схема расстановки проги-бомеров на ферме Ф1 и Ф2 показана на рис. 3.

Рис. 2. Расстановка тензорезисторов на деревянных элементах и металлических пластинах на узлах фермы

т ш да т да ж

Рис. 3. Схема расстановка прогибомеров ПМ-3 на ферме

Определение и обработка экспериментальных результатов осуществлялись посредством сертифицированного программного комплекса автоматизации экспериментальных измерений ЛСТе81.

Эксперименты проведены в упругой стадии работы материала в два этапа. Нагрузка прикладывалась к верхнему поясу ступенчато. На каждой ступени нагрузка выдерживалась 10 минут. Величина нагрузки одной ступени нагружения принималась равной 10 % от расчетной. Разгрузка конструкции

проводилась в обратным порядке. На первом этапе проведено пробное нагружение от 7,0 до 18,8 кН. На втором этапе проведено испытание во всем диапазоне нагрузок: от упругой стадии до разрушения, от 7,0 до 76,0 кН. Испытание исследуемых ферм проведено в соответствии с Рекомендациями по испытанию деревянных конструкций [1].

Результаты экспериментов представлены в виде диаграмм перемещений узлов и относительных деформаций элементов конструкций. В процессе нагрузки проведены измерения вертикальных перемещений узлов фермы. Характерная диаграмма перемещений центрального нижнего узла показана на рис. 4.

А

Р, кН

75.0

60.0

45.0

30.0

15.0

0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0

і» А-

♦ ♦

• * к

А** т ♦ ♦ 4*

Л /

Рис. 4. Диаграмма перемещений центрального узла фермы

Пропорциональный рост прогибов до появления пластических деформаций наблюдался в диапазоне нагрузки до 65,2 кН.

На рис. 5 показаны диаграммы относительных деформаций отдельных элементов нижнего центрального узла и верхнего пояса. Сопоставление продольных и поперечных деформаций основания центральной стойки фермы в непосредственной близости от металлической пластины показывает, что градиент роста продольных деформаций на порядок превысил градиент поперечных деформаций. С увеличением нагрузки доля поперечных растягивающих деформаций увеличилась, что впоследствии привело к появлению продольных трещин.

Сопоставление величин деформаций стальной пластины и деревянных элементов фермы показало, что деформации древесины в непосредственной близости к узлу и деформации стальной пластины практически совпали. При незначительных нагрузках в упругой стадии в центре узлового соединения в МЗП возникли растягивающие напряжения. С увеличением нагрузки знак растягивающих усилий в центре пластины изменился на обратный. Появились деформации сжатия.

- Т5 • - Т9 А - Т11 ф - Т12

Рис. 5. Диаграммы относительных деформаций элементов

Расчетная схема исследуемого блока ферм показана на рис. 6. Узловые соединения выполнены шарнирными. Фермы опираются на шарнирнонеподвижные опоры. Статическая нагрузка приложена вертикально в узлы верхнего пояса ферм. Для описания физико-механических свойств древесины использована ортотропная модель.

Рис. 6. Расчетная схема блока ферм

Нагрузка увеличивалась поэтапно в соответствии со схемой эксперимента. По результатам расчета построена деформированная схема блока ферм, показанная на рис. 7.

Рис. 7. Деформированная схема блока ферм

Упругие деформации изменялись пропорционально увеличивающейся нагрузке, и наибольшие перемещения нижнего пояса ферм составили 4,8 мм. Напряженное состояние элементов конструкции отражено картой нормальных напряжений, показанной на деформированной схеме конструкции (рис. 8). Максимальные сжимающие напряжения (а = 4,213 МПа) возникли в средней стойке решетки и в стержнях верхнего пояса, в то время как растягивающие напряжения наибольших значений достигли в стержнях нижнего пояса (а = 4,262 МПа). Распределение напряжений по элементам конструкций отражено посредством цветовой шкалы.

Рис. 8. Нормальные напряжения в конструкции фермы

Для сопоставления результатов расчета с экспериментальными данными были рассчитаны эквивалентные напряжения в соответствии с энергетической теорией прочности. Наибольшие значения эквивалентных напряжений определены в средней части нижнего пояса фермы (а = 4,3 МПа). Сопоставление экспериментальных данных с результатами расчета проведено при нагрузке

62.5 кН, т. е. в пределах упругой работы древесины. Нормальные расчетные напряжения в элементах фермы находились в пределах 2,02-2,63 МПа. Соответствующие экспериментальные значения 2,24-2,53 МПа. Разница результатов расчета и эксперимента определена в диапазоне 1,3-8,0 %. Помимо сопоставления результатов по напряжениям, проведено сравнение перемещений характерных сечений конструкций. Опытное значение перемещений при нагрузке

62.5 кН равно 5,37 мм, расчетное - 4,8 мм. Таким образом, расхождение данных эксперимента и расчета по перемещениям составило 10,6 %.

Проведенные экспериментально-теоретические исследования треугольных деревянных ферм с соединением на МЗП показали высокую несущую способность и достаточную жесткость конструкций. Незначительные расхождения данных расчетов с экспериментальными результатами позволили сделать вывод о возможности использования расчетного комплекса APM Civil Engineering для расчета и проектирования сквозных деревянных конструкций на металлических зубчатых пластинах [2].

Библиографический список

1. Рекомендации по испытанию деревянных конструкций. - М. : Стройиздат, 1976. - 27 с.

2. Замрий, А.А. Проектирование и расчет методом конечных элементов трехмерных конструкций в среде APM Structure3D / А.А. Замрий. - М. : Изд-во АПМ, 2006. - 288 с.

D.G. KOPANITSA, L.I. OFITSEROVA, D.V. LOSKUTOVA

EXPERIMENTAL-THEORETICAL RESEARCHES OF THE TRIANGULAR WOODEN GIRDERS ON METAL TOOTHED PLATES

The results of experimental researches of two triangular wooden girders joined in the spatial block on the action of the static loading applied to the upper belt are given in the paper. Experimental researches were followed by the calculations of the intense-deformed condition of girders under the loading. Results of calculations are presented in the form of the deformed schemes and maps of normal pressure in sections of elements. Comparison of results of calculations with the experimental data on deformations and pressure is made. The satisfactory coordination of the received results is shown.