ОСОБЕННОСТИ СОПРОТИВЛЕНИЯ СТАЛЬНОГО КРЕСТООБРАЗНОГО УЗЛА ПРИ СДВИГЕ ЦЕЛЬНОДЕРЕВЯННЫХ ФРАГМЕНТОВ БРУСЬЕВ

Сдвиг цельнодеревянных элементов является распространенной формой напряженно-деформированного состояния. Сдвигающие усилия характерны в сопротивлении деревянных составных балок из деревянных брусьев в работе панельных конструкций с деревянным брусовым каркасом. Для обеспечения пространственной устойчивости каркасных зданий также возникает необходимость восприятия сдвига с различным сочетанием других воздействий.

Сдвиг в элементах строительных конструкций как напряженно-деформированное состояние характеризуется следующими особенностями:

- сдвиг в чистом виде возникает и проявляется только в редких, частных случаях сопротивления. В большинстве случаев нагружения сдвиг действует одновременно с изгибом, отрывом, сжатием.

- сдвиг в значительной степени подвержен масштабному эффекту – при удалении от точки приложения сдвигающего усилия происходит перераспределение характера внутренних усилий, сдвигающие усилия постепенно переходят в сжатие, градиент касательных напряжений уменьшается. В некоторых частях объема нагружаемого тела могут преобладать внутренние силы, обусловленные крутящими моментами и векторами усилий, составляющих действующий в рассматриваемом элементарном единичном объёме тела крутящий момент.

Проведены испытания на сдвиг цельнодеревянных фрагментов брусьев сечением 150×150 мм (Рис. 1а). Силовым конструктивным элементом, воспринимающим сдвиг, принят стальной (низколегированная сталь 09Г2С) крестообразный узел, имеющий с двух сторон стальные пластины толщиной 3 мм, – так называемые «пятки» (Рис. 1б.).

Цель испытаний – выявление особенностей сопротивления стального крестообразного узла при сдвиге цельнодеревянных фрагментов брусьев.

Задачи при изучении процесса сдвига цельнодеревянных фрагментов брусьев натурных размеров заключаются:

- в выявлении объёмного напряженно-деформированного состояния при статическом приложении сдвигающего усилия;

- в описании процесса изменения объёмного напряженно-деформированного состояния при объёмном деформировании стального крестообразного узла при возрастании сдвигающего усилия;

- в визуализации процесса распространения волн деформаций на поверхности и в объёме деревянных брусьев;

- в выявлении объёмных зон с максимальными градиентами напряжений и деформаций в испытуемой численной модели;

- описать проявление анизотропии в объёме цельнодеревянных элементов, и/или в рассматриваемом элементарном единичном объёме тела;

- в формировании гипотезы по разработке конструктивной формы (расчетной схемы работы, формы, размеров и вида материалов) узлов соединений деревянных брусьев между собой и элементами каркаса здания;

- в описании разницы работы характера сдвига цельнодеревянных брусьев и фрагментов деревянных перекрёстноклееных панелей.

Разработаны испытуемые узлы, состоящие из двух фрагментов цельнодеревянных брусьев, соединенных в свою очередь стальным крестообразным узлом из приваренных друг к другу прокатных уголков с шириной полок 75 мм. Исходя из ширины брусьев, длина стального крестообразного узла принята равной 150 мм, уголки приварены сварным швом высотой по 4 мм, со сдвигом относительно друг друга, чтобы поверхности уголков располагались на одной плоскости сдвига.

Рисунок 1 - Испытуемое на сдвиг соединение фрагментов цельнодеревянных брусьев: 

а – фрагменты брусьев; б – стальной крестообразный узел с пятками с двух сторон; в – соединение перед испытанием

DOI:10.60797/mca.2025.56.3.1

Ранее были проведены испытания на сдвиг фрагментов деревянных перекрёстноклееных панелей

[1]

. Испытания на сдвиг цельнодеревянных фрагментов брусьев проведены по аналогичной расчетной схеме. Работа древесины цельной и перекрестноклееной (ДПК), с выявлением изменений объёмного напряженно-деформированного состояния изложены в

[2]

,

[4]

,

[5]

,

[6]

. Существенным отличием примененного стального крестообразного узла является то, что в данном случае стальной узел имеет пластины с обеих сторон. Наличие пластин (пяток) исключает поворот узла в плоскости сдвига, обеспечивает более стабильное сопротивление, более равномерное деформирование соединения в целом. Конструктивная форма пластинчатого крестообразного стального узла позволяет сопоставить его пространственное сопротивление с работой узлов с клееввинченными и ввинченными стержневыми элементами

[9]

,

[10]

.

Испытания проведены на прессе ИП-1250м-авто. Использовались индикаторы часового типа ИЧ-50 с ходом штока 50 мм, установленные с двух сторон. Характерный график «нагрузки-деформации» представлен на Рис 2.

Рисунок 2 - Деформирование узлового соединения при сдвиге, образец 3

DOI:10.60797/mca.2025.56.3.2

При нагружении образцов, после определенного этапа начальной стадии восприятия нагрузки, начинается сопротивление сдвигу, определяемое совместной работой стального крестообразного узла и деревянных брусьев.

График на Рис. 3. показывает, что пятки стального узла обеспечивают стабильное равномерное деформирование, исключают поворот узла в плоскости сдвига. При этом происходит вращение узла вокруг его продольной оси, за счет двух факторов:

1. За счет деформирования древесины, вмятия уголков в цельную древесину. Процесс вмятия происходит поперек волокон, в направлении, в котором деформативность древесины высока. Вдоль волокон древесины, в направлении с низкой деформативностью древесины, перемещения точек на границе контакта «сталь-древесина» существенно меньше, чем в направлении поперек волокон.

2. За счет деформирования уголков. Плоскости крестообразного узла ограничены с двух сторон пятками, и сварным соединением с другим уголком. Свободные края плоскости узла, представляющие собой края уголка, претерпевают значительные деформации. Плоскость уголков, лежащая в плоскости сдвига, деформируется, образуя форму, ограниченную с трех сторон. Свободный край деформированного уголка представляет собой кривую (Рис. 3).

Рисунок 3 - Деформирование края линии уголков, образец 2

DOI:10.60797/mca.2025.56.3.3

Сопротивление стального крестообразного узла характеризуется неравномерностью деформаций взаимно перпендикулярных плоскостей, составленных из уголков. Данное обстоятельство вызвано тем, что предел прочности на сжатие древесины вдоль и поперек волокон значительно, до 10 раз, отличаются

[7, С. 165]

, что подтверждается результатами деформирования краев уголков в плоскости сдвига и перпендикулярно плоскости сдвига (Рис. 4).

Рисунок 4 - Сопоставление усредненных перемещений краев в плоскости сдвига – 1, 2 и перпендикулярно плоскости сдвига – 3, 4

DOI:10.60797/mca.2025.56.3.4

Особенностью сопротивления сдвигу исследуемого типа соединений является то, что в направлении поперек волокон в сдвигаемых один относительно другого фрагментов брусьев вмятие стальных уголков в древесину происходит с неравной величиной. Максимальное значение продольного вмятия в древесину в зоне контакта «металл-древесина» у краев брусьев равно 0,9 мм, тогда как вмятие поперек волокон древесины достигает 5,7 мм. Соотношение можно принять 1:6.

Разрушение испытанных трех соединений произошло при нагрузках 80, 120 и 130 кН соответственно. Сдвиг реализован в форме скалывания вдоль волокон, в большей степени происходит по ранней древесине годичных слоёв, обладающих наименьшим сопротивлением продольному скалыванию (Рис. 5). При нагружении соединения в его начальном этапе наблюдается упругое сопротивление, затем наступает сравнительно длительное упруго-пластическое деформирование (Рис. 2). Разрушение происходит за весьма короткое время, поверхность сдвига формируется в сложную форму из множества площадок скалывания с выраженным присутствием локальных площадок сдвига по форме годичных слоёв (Рис.6).

Рисунок 5 - Разрушение соединений:

а, б – проявление сдвига на фрагментах деревянных брусьев; в – вмятие уголка в деревянный брус поперек волокон

DOI:10.60797/mca.2025.56.3.5

Рисунок 6 - Проявление сдвига на площадках нагружения фрагментов деревянных брусьев с выраженным влиянием годичных слоев

DOI:10.60797/mca.2025.56.3.6

Из характера разрушения видно, что для достижения максимально возможного показателя сопротивления данного типа соединения соотношение площадей контактов «металл-древесина» должно быть таким же, как соотношение сопротивления древесины сжатию вдоль волокон и сжатию поперек волокон. В этом случае площадь поверхности уголков в плоскости сдвига будет до 10 раз больше, чем в плоскости, перепендикулярном сдвигу.

Численное моделирование сопротивления сдвигу соединения фрагментов деревянных брусьев со стальным крестообразным узлом дало возможность рассмотреть в широких пределах нагрузок и перемещений точек элементов. Для этих целей использован программный комплекс «Лира САПР 2016». Численная модель состоит из 112808 объёмных изотропных элементов, с 120998 узлами. Получены и рассмотрены т.н. графические «мозаики» нормальных напряжений по осям Nx, Ny, Nz, касательных напряжений Txz, Tyz, Txy, перемещений по осям X, Y и Z (Рис. 7).

Рисунок 7 - Загружение 1. Мозаика напряжений по Nz. Ось Z – вертикальная

DOI:10.60797/mca.2025.56.3.7

Объёмное напряженно-деформированное состояние соединения в целом, и перемещения в зоне контакта «металл-древесина» подтверждают, что конструкция стального крестообразного узла должна иметь соотношение площадей сторон крестовины из уголков в пропорциях сопротивления древесины на сжатие вдоль волокон и сжатия поперек волокон.

1. Наибольшие деформации (изгиб) стального крестообразного узла возникают в серединных зонах пластин уголков. Наибольшие деформации (поперечное сжатие) деревянных брусьев возникают в зонах ребер, прилегающих к пяткам. Продольное сжатие возникает в зоне, перпендикулярной к плоскости сдвига.

2. При испытаниях соединения в начальном этапе нагружения наблюдается упругое сопротивление, затем наступает сравнительно длительное упруго-пластическое деформирование. Поверхность разрушения от сдвига имеет в сложную форму, состоит из множества площадок скалывания с выраженным присутствием локальных площадок сдвига по форме годичных слоёв.

3. Получены визуальные картины распределения напряжений и деформаций стального крестообразного узла и деревянных брусьев и их изменения в процессе нагружения.

4. Объёмные зоны с максимальными градиентами напряжений и деформаций располагаются вдоль краев уголка, в глубине врезки в древесину, где и начинается разрушение от сдвига.

5. Анизотропия древесины явно проявляется формированием сложной формы поверхности сдвига (поверхности разрушения) из множества площадок скалывания с выраженным присутствием локальных площадок сдвига по форме годичных слоёв. Сдвиг по форме годичных слоёв происходит в толще ранней древесины годичных слоёв.

6. Для достижения максимально возможного показателя сопротивления данного типа соединения соотношение площадей контактов «металл-древесина» в плоскости сдвига, и перпендикулярно плоскости сдвига, должно быть таким же, как соотношение сопротивления древесины сжатию вдоль волокон и сжатию поперек волокон. В этом случае площадь поверхности уголков в плоскости сдвига будет до 10 раз больше, чем в плоскости, перепендикулярном сдвигу. В результате проведенных испытаний это соотношение можно принять равным 6.