Пути повышения несущей способности дощатоклееных балок

Вестник ДГТУ. Технические науки. №13, 2007 УДК 624.011.1

ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ДОЩАТОКЛЕЕНЫХ БАЛОК

О.М. Устарханов, А.КЮсупов, Р.И. Вишталов, М.Х. Калиева Дагестанский государственный технический университет, г. Махачкала

В современных условиях, несмотря на многообразие строительных конструкций и материалов, требования к ним увеличиваются. Помимо эстетической выразительности, функциональности, прочности и экономической целесообразности, весомой характеристикой становится экологичность конструкций. Такими конструкциями являются деревянные конструкции. Существует много различных конструкций из дерева, но перспективными являются клееные деревянные конструкции.

Широкому применению дощатоклееных балок препятствует то, что большинство клееных конструкций являются весьма дорогостоящими, материалоёмкими и энергоёмкими строительными изделиями. Этот недостаток можно уменьшить за счет сокращения расхода древесного сырья, путем оптимизации самих конструкционных элементов и путем введения армирующих материалов [1]. Если, например, в клееных балках расположить доски из древесины разных пород и сортов в соответствии с распределением нормальных напряжений по высоте сечения изгибаемого элемента и механических характеристик материалов, то можно уменьшить расход высокопрочной древесины (рис.1).

Рисунок1. Схема комплектования клееной балки с эпюрами нормальных и касательных напряжений.

1- слои древесины более высокой прочности; 2- слои древесины средней прочности; 3 - слои древесины малой прочности.

Расчетные напряжения в конструкции определяются по формулам: нормальные касательные

где Ь - ширина балки; - приведенный момент сопротивления; М - изгибающий момент; Бпр - приведенный статический момент сдвигаемой части сечения относительно нейтральной оси приведенного сечения; п = Е2/Е1 - коэффициент приведения второго материала к

основному (первому) материалу; Jnp - приведенный момент инерции; Q - расчетная поперечная сила; Яи, RcK - расчетные сопротивления изгибу, скалыванию.

Общая несущая способность и деформативность конструкции композитного сечения зависит от соотношения по высоте сечения размеров наружных и средней зон. Причем, для каждого конкретного случая в зависимости от прочностных и упругих характеристик применяемой древесины, с целью снижения материалоёмкости конструкции необходимо находить оптимальное соотношение древесины разных пород по высоте сечения. Кроме того, существуют способы увеличения прочности балки путем армирования наиболее напряженного слоя. Усиление древесины стальной или пластиковой арматурой уменьшает влияние естественных пороков, существенно увеличивает несущую способность и жесткость конструкций при снижении их веса и уменьшении стоимости [2]. Это подтверждается исследованиями, проведенными в последнее время.

Изучив проведенные исследования в этом направлении и применяемые приемы армирования нами предложены несколько вариантов усиления клееных балок (рис.2).

Рисунок 2. Варианты армирования клееных балок.

На кафедре нами были проведены экспериментальные исследования клееных образцов, армированных стеклотканью (I вариант) и углетканью (III вариант) (рис2.). Были изготовлены 4 серии образцов двух вариантов балок (по 4 в каждой серии). В первой серии образцы изготавливались длиной 500мм и с размерами поперечного сечения 24х24мм. Для

создания образцов использовали сосну 2-го сорта толщиной отдельных элементов 1,7мм. Вторая серия образцов изготавливалась с аналогичными размерами, но армированные, путем вклеивания стеклоткани между слоями древесины на расстоянии 0,14h от нижней грани балки. В третьей серии количество армирующих, вклеенных слоев стеклоткани было увеличено до 2-х, расположенных на расстоянии 0,14h от нижней грани балки с шагом 0,07h. В четвертой серии образцов количество армирующих, вклеенных слоев стеклоткани было увеличено до 4-х, расположенных на расстоянии 0,14h от нижней грани балки с шагом 0,07h. Материал использованный для образцов стеклоткань, углеткань, клей на основе фенолформальдегидных синтетических смол (марка ФРФ-50).

Рисунок 3. Варианты клееных балок, использованных для эксперимента.

КБ-1: клееная балка первой серии, без армирования; КБ-2(1): клееная балка второй серии, армированная 1 слоем стеклоткани; КБ-3(1): клееная балка третьей серии, армированная 2-мя слоями стеклоткани; КБ-4(1): клееная балка четвертой серии, армированная 4-мя слоями стеклоткани. КБ-2,3,4(11) -клееные балки армированные углетканью.

Испытания клееных балок производили по приведенной на рис.4 схеме.

Балка однопролетная статически определимая, шарнирно опертая. Испытываемый образец нагружался двумя равными сосредоточенными нагрузками, приложенными на расстоянии Ь/3 от опоры (рис.4). Нагрузка менялась от 0 до 50 кг, при этом замерялся прогиб в середине балки с помощью датчиков часового типа и учитывались возможные деформации на опорах.

Рисунок 4. Схема испытания на статический изгиб клееной балки. 1 - балка; 2 - индикатор часового типа; 3 - нагрузка.

Анализ результатов эксперимента I варианта образцов армированных стеклотканью показал, что прогиб образцов второй серии по сравнению с образцами первой серии на 3-6% меньше, прогиб балок третьей серии на 10-14% меньше, а прогиб балок четвертой серии на 18-23% меньше, чем прогиб балок первой серии. Результаты эксперимента II варианта образцов армированных углетканью показал, что прогиб образцов второй серии по сравнению с образцами первой серии на 8-10% меньше, прогиб балок третьей серии на 1719% меньше, а прогиб балок четвертой серии на 27-30% меньше, чем прогиб балок первой серии.

По проведенным исследованиям можно сделать следующие выводы:

1. Введением в клееную деревянную балку армирующего материала (стеклоткани, стеклопластика, углеткани, углепластика) можно существенно увеличить жесткость балок.

2. Увеличение несущей способности зависит от количества армирующих слоев, от вида армирующего материала и она находится в пределах от 3-23%(для стеклоткани) и от 8-30% (для углеткани).

3. Армирующие слои располагались по высоте поперечного сечения в растянутой зоне балки с шагом 0,07Ь, при котором получено увеличение несущей способности.

4. Оптимальное соотношение толщины армирующего слоя ткани и толщины отдельного слоя древесины составило 0,1 - 0,15.

Библиографический список:

1. Проектирование прогрессивных конструкций из клееной древесины и пластмасс: Учебное пособие / С.А.Павлович, Ю.С.Найштут, В.А.Грачев; Куйбышевский гос.унив-т. Куйбышев, 1989. - 96 с.

2. Конструкции из дерева и пластмасс: Учебник для вузов / Ю.В. Слицкоухов, В.Д. Буданов, М.М. Гапоев и др.; Под ред. Г.Г. Карлсена и Ю.В. Слицкоухова. - 5-е изд., перераб. И доп.- М.: Стройиздат, 1986.-543 с.