Работа изгибаемых элементов из клеенной древесины при малоцикловых нагрузках

УДК 624.011.02

С. С. Гомон, Т. А. Сасовский

РАБОТА ИЗГИБАЕМЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ИЗ КЛЕЕННОЙ ДРЕВЕСИНЫ ПРИ МАЛОЦИКЛОВЫХ НАГРУЗКАХ

UDC 624.011.02

S. S. Gomon, T. A. Sasovsky

WORK OF FLEXURAL ELEMENTS MADE OF LAMINATED WOOD AT LOW-CYCLE LOADS

Аннотация

Изложены методика и результаты натурных экспериментальных исследований балок из клеенной древесины при однократных статических и малоцикловых нагрузках, а также проанализированы и обобщены результаты испытаний.

Ключевые слова:

балки из клеенной древесины, деформативность, несущая способность.

Abstract

The technique and the results of full-scale experimental studies of laminated wood beams at single static and low-cycle loads are presented, and the test results are analyzed and generalized.

Key words:

laminated wood beam, deformability, load-bearing capacity.

Введение

Количество качественной древесины в мире с каждым годом уменьшается, и разумно в этой ситуации - безотходное использование сырья и повышение качества изделий при помощи современных технологий переработки и склеивания. Клеенная древесина есть перспективный строительный материал, который можно назвать материалом нынешнего и будущего, поскольку древесина - это единственный материал, который периодически возобновляется природой и является наиболее экологически чистым. Долговечность работы

© Гомон С. С., Сасовский Т. А., 2016

клеенной древесины зависит от качества материалов и изготовления, уровня напряженно-деформированного состояния и условий эксплуатации. Поэтому проблема исследования состояния древесины под нагрузкой в сжатых, растянутых, изгибаемых конструкциях с построением полной диаграммы деформирования материала в этих конструкциях и установления напряженного состояния от начала загружения до полного разрушения в последние годы приобретает все больший интерес ученых в связи с постепенным переходом стран постсоветского пространства к внедрению рас-

четных деформационных моделей расчета строительных конструкций.

Основная часть

Для проведения испытаний дощато-клеенных деревянных балок при действии малоцикловых нагрузок в лаборатории кафедры промышленного, граж-

данского строительства и инженерных сооружений Национального университета водного хозяйства и природопользования (Украина) была усовершенствована испытательная установка, которая удовлетворяла всем условиям проведения экспериментальных исследований (рис. 1).

Рис. 1. Схема испытательной установки

Задачей экспериментальных испытаний дощато-клеенных деревянных балок было изучение следующих вопросов:

- определение несущей способности балок при действии статических и малоцикловых нагрузок;

- исследование напряженно-деформированного состояния и характера разрушения дощато-клеенных деревянных балок.

Объект исследования: балки дощато-клеенные прямоугольного сечения.

Предмет исследований: закономерности напряженно-деформированного состояния балок из клеенной древесины под нагрузкой.

Для реализации поставленной цели и указанных задач было предусмотрено изготовление опытных образцов: однопролетных балок из клеенной древесины из сосны второго сорта. Подготовка и сушка древесины для изготовления образцов проводились в течение одного года в условиях природной среды при влажности 60.. .70 % и темпера-

туре 18.21 °С с доведением до необходимой проектной влажности древесины 10 % в термокамере. Возраст древесины, из которой были сделаны заготовки, - 90.110 лет. Дощато-клеенные деревянные балки изготовлены в заводских условиях из строганых досок толщиной 25 мм, склеенных по пласту между собой при помощи резорцинового клея. Длина образцов составляет 3 м. Размеры поперечного сечения балок 100 х 150 мм.

Балки при испытании устанавливались на одну шарнирно-подвижную и одну шарнирно-неподвижную опоры. Сверху находилась траверса с базой 900 мм. Усилия, которые действовали на балку, создавались с помощью гидравлического домкрата ДГ-10, расположенного между балкой и траверсой. Домкрат подключался к насосной станции. Усилия в нем определялись по показаниям манометра насосной станции. Для обеспечения требуемой точности эксперимента шкала прессовой уста-

новки при испытаниях составляла 100 кН и не превышала ожидаемую величину разрушающего усилия более чем в 1,5...2 раза. Размер степени роста усилия при нагрузке образцов принят не более 0,08 разрушающего усилия. С целью равномерного распределения по площади опирания напражений смятия древесины поперек волокон в зоне передачи усилия от домкрата на балку были установлены стальные пластины шириной 140 мм и длиной 300 мм на резиновых прокладках толщиной 20 мм (см. рис. 1).

Прогиб балки при нагрузке опре-

делялся разницей между деформациями перемещений посредине пролета и на опорах. Измерения перемещений балки проводились прогибомерами, которые были установлены посредине пролета (6ПАО), и индикаторами часового типа на опорах (ИЧ-10м).

Для измерения деформаций древесины по высоте балки на боковых поверхностях были наклеены электротен-зорезисторы, а на нижней и верхней гранях балок по всей длине зоны чистого изгиба вдоль волокон древесины -тензодатчики (рис. 2).

Рис. 2. Схема расположения тензодатчиков на опытных образцах: а - боковая сторона балки; б - сторона приложения нагрузки

При наклеивании тензорезисторов применялся клей БФ-2. Во всех случаях были использованы тензорезисторы с базой 50 мм. При испытании дощато-клеенных балок с помощью измерителя деформаций СИИТ-3М производилось снятие показателей тензорезисторов.

Средняя разрушающая нагрузка определялась по трем образцам-близнецам при приложении одноразовой статической нагрузки. После этих испытаний установлены следующие режимы приложения малоцикловой нагрузки опытных образцов: (0,2...0,4)Мр - для балок БДК-4, БДК-5, БДК-6; (0,2..0,6)Мр - для балок БДК-7, БДК-8, БДК-9; (0,2...0,8)Мр - для балок

БДК-10, БДК-11. Нагрузка прикладывалась ступенями на первом, втором, пятом, десятом, двадцатом, пятидесятом циклах и через каждые последующие пятьдесят циклов вплоть до разрушения.

Результаты испытания балок из клеенной древесины представлены в табл. 1.

Основными показателями, которые фиксировались при испытании дощато-клеенных балок, были деформа-тивность древесины в наиболее удалённых слоях от нейтральной линии сжатой и растянутой зон, несущая способность и количество циклов приложения нагрузок, которые выдержал образец при определенном режиме работы.

Образцы БДК-4, БДК-5 и БДК-6 после приложения 50-ти циклов повторных нагрузок, на основе остановки прироста деформаций в сжатой и растянутой зонах элемента и прироста прогибов, были разгружены до М = 0 и на

Табл. 1. Сводная таблица испытания балок

51 цикле доведены до разрушения статической нагрузкой. На рис. 3 показано, как происходило деформирование наиболее отдаленных слоев древесины сжатой и растянутой зон балки при действии повторных загрузок.

Тип балки Нагрузка Потеря несущей способности

БДК-1 Однократная При 28,8 кН-м

БДК-2 Однократная При 27 кН-м

БДК-3 Однократная При 27,9 кН-м

БДК-4 Повторная, (0,2...0,4)Мр от разрушающего момента Не потеряла несущую способность после приложения расчетного числа повторных загрузок. Разрушена статической нагрузкой на 51 цикле при 27,65 кН-м

БДК-5 Повторная, (0,2...0,4)Мр от разрушающего момента Не потеряла несущую способность после приложения расчетного числа повторных загрузок. Разрушена статической нагрузкой на 51 цикле при 27,88 кН-м

БДК-6 Повторные, (0,2...0,4)Мр от разрушающего момента Не потеряла несущую способность после приложения расчетного числа повторных загрузок. Разрушена статической нагрузкой на 51 цикле при 27,17 кН-м

БДК-7 Повторная, (0,2...0,6)Мр от разрушающего момента Разрушилась на 241 цикле

БДК-8 Повторная, (0,2...0,6)Мр от разрушающего момента Разрушилась на 201 цикле

БДК-9 Повторная,

БДК-10 Повторная, (0,2...0,8)Мр от разрушающего момента Разрушилась на 10 цикле

БДК-11 Повторная, (0,2...0,8)Мр от разрушающего момента Разрушилась на 11 цикле

1 цикл —О— 2 цикл А 5 цикл к 10 цикл -Ж-20 цикл ^^—50 цикл

Рис. 3. Диаграмма деформирования наиболее удаленных слоев древесины сжатой и растянутой зон балки марки БДК-5

Относительные деформации в сжатой зоне после приложения 50-ти циклов малоцикловой нагрузки увеличились на 5 %, в растянутой - на 7 %.

Образцы БДК-7, БДК-8 и БДК-9 испытывались при повторных нагрузках уровней (0,2.0,6) от разрушающего момента Мр. Они работали в диапазоне значений значительных нагрузок. Прирост момента для этих балок на каждой из ступеней приложения нагрузки был ДМр = 0,26 кН • м на каждом цикле загрузки-разгрузки. Образец БДК-7 потерял несущую способность с достижением предельных деформаций на 241 цик-

ле загрузки и разрушился под нагрузкой 3,6 кН. Балка БДК-8 потеряла несущую способность на 201 цикле. Балка БДК-9 отработала расчетное число - 500 циклов загрузки, не потеряла несущей способности, после чего была разгружена до М = 0 и на 501 цикле разрушена статической нагрузкой. Относительные деформации в сжатой зоне после приложения 500 циклов малоцикловой нагрузки увеличились на 14 %, а в растянутой - на 17 %. График деформирования наиболее удаленных слоев древесины сжатой и растянутой зон балки БДК-9 представлен на рис. 4.

1 цикл 50 цикл 300 цикл

2 цикл -Ж- 100 цикл ^^350 цикл

5 цикл

150 цикл

400 цикл

—X— 10 цикл

I 200 цикл тй^450 цикл

25 цикл  250 цикл -Х-500 цикл

Рис. 4. Диаграмма деформирования наиболее удаленных слоев древесины сжатой и растянутой зон балки БДК-9

Образцы БДК-10 и БДК-11 испыты-вались при повторных нагрузках уровней (0,2.0,8) от разрушающего момента Мр. Некоторые образцы работали в диапазоне значений нагрузок, которые создавали режим работы от 0,2Мр = 0,54 кН • м до 0,8Мр = 2,16 кН • м, при приросте момента на каждой ступени приложения нагрузки ДМр = 0,26 кН • м на каждом

цикле загрузки-разгрузки. Образец БДК-10 потерял несущую способность с достижением предельных деформаций на 10 цикле загрузки под нагрузкой 16,32 кН-м; образец БДК-11 - на 11 цикле загрузки под нагрузкой 15,67 кН-м.

Относительные деформации в сжатой зоне после приложения 11-ти циклов малоцикловой нагрузки увели-

чились на 7 %, а в растянутой - на 9 %. На рис. 5 можно увидеть, как происходило деформирование наиболее удалённых от нейтральной линии слоев

древесины сжатой и растянутой зон балки БДК-11 при действии повторных загрузок.

Рис. 5. Диаграмма деформирования наиболее удаленных слоев древесины сжатой и растянутой зон балки БДК-11

Экспериментальные исследования показали, что в балках из цельной древесины [1] и во всех балках из клеенной древесины, начиная с начальных ступеней первого цикла загрузки, наблюдалось смещение нейтральной линии в сторону растянутой зоны элемента (рис. 6 и 7). Данный процесс продолжается и при работе деревянных элементов при действии повторных нагрузок (см. рис. 6 и 7). Для этого явления есть несколько причин:

- при одних и тех же напряжениях деформации древесины при растяжении вдоль волокон меньше деформаций сжатия;

- прочность древесины осевому растяжению вдоль волокон почти в 2 раза больше прочности осевому сжатию;

- под действием повторных нагрузок происходит накопление пластических деформаций в древесине и они больше в сжатой зоне балки (см. рис. 4 и 5).

Вследствие действия повторных нагрузок наибольшее смещение наблюдалось на верхнем уровне второго цикла загрузки, и в дальнейшем, на следующих 5.20 циклах приложения нагрузки, происходит постоянное постепенное смещение нейтральной линии в сторону растянутой зоны. Площадь растянутой зоны, например, на втором цикле, в балке БДК-5 уменьшилась до 47,85 %, в балке БДК-11 - до 44,69 %. В зависимости от режимов работы сжатой и растянутой зон балки, при повторных нагрузках на 5.20 циклах, древесина приспосабливается к малоцикловой работе, и за счёт эластических деформаций происходит некоторое возвращение площади растянутой зоны до режима работы первого цикла (см. рис. 6 и 7).

На рис. 8 и 9 и в табл. 2 и 3 приведены диаграммы циклового изменения прогибов посредине балок марок БДК-5 и БДК-8 соответственно.

Рис. 6. Диаграмма циклового изменения положения нейтральной линии балки марки БДК-8

0,51 0,5 0,49 0,48 0,47 0,46 0,45 0,44 0,43

МЗЙ—!ЗЙ—

0,5 1 1,5 2 2,5

0 10 цикл —О— 1 цикл А 1 цикл —X— Б цикл

Рис. 7. Диаграмма циклового изменения положения нейтральной линии балки марки БДК-11

{ -

-П-1цикч -й-2 цикл —X—5цпып —Ж-10 цикл —О— 20цикч -О-50 цикл

Рис. 8. График циклового изменения прогиба балки марки БДК-5

Табл. 2. Цикловое изменение прогиба балки марки БДК-5

Цикл 1...2 2.5 5.10 10.20 20.50

Прирост прогиба, % 6 1,3 0,58 0,23 0,12

М

—ф— I цикл —О— 2 цикл А 5 цикл —X—Юцика -Ж-25 цикл

-О- 50 цикл —^ЮОцнкл — 150цикл —^200 цикл Н0^25Оцикл 500 цикл -й- 350 цикл -Х-400 шил -Ж-450цнкл -О-?00цикл

Рис. 9. График циклового изменения прогиба балки марки БДК-8

Табл. 3. Цикловое изменение прогиба балки марки БДК-8

Цикл 1...2 1.5 1.10 1.25 1.50 1.100 1.150

Прирост прогиба, % 27,4 43,2 66,1 66,9 66,9 67,2 77,1

Продолжение табл. 3

Цикл 1.200 1.250 1.300 1.350 1.400 1.450 1.500

Прирост прогиба, % 76,4 74,9 70,9 69,9 66,4 63,7 62,1

В балке марки БДК-5 на верхнем уровне (Мн = 0,4Мр) первого цикла за-гружения прогиб посредине элемента в зоне чистого изгиба был ГтаХ = 1 71 см,

на втором - достиг уровня Г™* = 1,82 см,

на пятом - Г™* = 1,84 см и прирост

прогиба составил 6 и 1,3 % соответственно. Начиная с пятого цикла произошла стабилизация прироста прогибов: так, на десятом цикле отмеченный прогиб стал Г^Сш = 1,85 см, на двадцатом - ГСУаХ2о = 1,86 см, на пятидесятом -ГСусах50 = 1,87 см. Прирост прогиба от пятого к десятому циклу составил 0,58 %, от десятого к двадцатому - 0,23 %, а от двадцатого к пятидесятому - 0,12 %.

На нижнем уровне нагружения Пм = 0,2 прогиб в балке из клеенной древесины марки БДК-5 на первом цикле был ГСуСп1 = 0,485 см, на втором - возрос на 81 %, а на двадцатом и пятидесятом -ГСУСП20 = 0,938 см и = 0,95 см.

Прирост прогиба между циклами составил 5 и 8 % соответственно. Таким образом, в балке марки БДК-5 как на нижнем, так и на верхнем уровне цикловой нагрузки начиная с пятого цикла происходит затухание прироста прогиба.

На верхнем уровне пМ = 0,6 наибольший прогиб в балке марки БДК-8 на первом цикле нагружения составил Г™* = 1,922 см, на втором -

ГтаХ = 2 449 см, а на пятом -

СуС,2 ~> ^^^ >

Гтх5 = 2,754 см. На втором цикле про-

гиб возрос на 27,4 %, на пятом - на 43,3 % по сравнению с первым, а прирост составил 15,9 %. Увеличение прогиба на верхнем уровне происходило до 150 цикла приложения повторных нагрузок, при этом он достиг максимума ГСУСд5о = 3,401 см и возрос на 77,1 %.

Прирост между 5 и 150 циклами был 23 %. После сто пятидесятого цикла приложения нагрузки прирост прогиба практически не наблюдался. Прогиб на 500 цикле составил Г™^ = 3,308 см.

При нагружении на нижнем уровне при Мн = 0,2Мр прогиб средины балки марки БДК-8 на первом цикле был = 0,074 см. На втором цикле прогиб

возрос к ГСУСП2 = 0,899 см, на пятом -ГСтСП5 = 1,301 см и на двадцать пятом -ГСуСП25 = 1,585 см. Начиная со сто пятидесятого цикла, на котором /стп150 = 1,903 см, прогиб практически

больше не увеличивался. В этой же балке на верхнем уровне первого цикла при ПМ = 0,6 наибольший прогиб в средине пролета составил Г™* = 1,922 см, на

втором - Г™* = 2,449 см, на пятом -

Г™^ = 2,754 см. Увеличение прогиба на

верхнем уровне происходило до 150 цикла приложения повторных нагрузок, при этом он достиг максимума ГСуСх150 = 3,401 см и, таким образом,

возрос на 77,1 %. Прирост между 5 и 150 циклами составил 23 %. После 150 цикла малоцикловой нагрузки на-

блюдалась стабилизация, а затем и уменьшение прогиба. Прогиб на 500 цикле был Г-500 = 3,3 08 см и уменьшился на 2 %.

Выводы

1. В результате предложенной методики исследований был установлен характер деформирования сжатой и растянутой зон изгибаемых элементов из

клеенной древесины при действии статических и повторных нагрузок.

2. Установлено влияние повторных нагрузок на несущую способность балок из клеенной древесины.

3. Построены диаграммы деформирования наиболее удаленных слоев древесины сжатой и растянутой зон балок.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Гомон, С. С. Напружено-деформований стан нормальних nepepi3iB за роботи деревини на по-перечний згин з урахуванням повно! дiаграми деформування матерiалу / С. С. Гомон // Ресурсоекономш матерiали, конструкци, будiвлi та споруди. - Рiвне : НУВГП, 2011. - Вип. 22. - С. 266-271.

Статья сдана в редакцию 12 октября 2015 года

Святослав Степанович Гомон, канд. техн. наук, проф., Национальный университет водного хозяйства и природопользования. Тел.: +380-679-15-86-50.

Тарас Анатольевич Сасовский, аспирант, Национальный университет водного хозяйства и природопользования. E-mail: tarik_work777@mail.ru.

Svyatoslav Stepanovich Gomon, PhD (Engineering), Prof., National University of Water Management and Nature Resources Use. Phone: +380-679-15-86-50.

Taras Anatolyevich Sasovsky, PhD student, National University of Water Management and Nature Resources Use. E-mail: tarik_work777@mail.ru.