1. Введение
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.
2. Методы и принципы исследования
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.
Испытуемое на сдвиг соединение фрагментов цельнодеревянных брусьев: а – фрагменты брусьев; б – стальной крестообразный узел с пятками с двух сторон; в – соединение перед испытанием
[1][2][4][5][6][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
Деформирование узлового соединения при сдвиге, образец 3
«»
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
«»
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).
Деформирование края линии уголков, образец 2
Сопоставление усредненных перемещений краев в плоскости сдвига – 1, 2 и перпендикулярно плоскости сдвига – 3, 4
[7, С. 165]
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).
Разрушение соединений: а, б – проявление сдвига на фрагментах деревянных брусьев; в – вмятие уголка в деревянный брус поперек волокон
Проявление сдвига на площадках нагружения фрагментов деревянных брусьев с выраженным влиянием годичных слоев
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).
Загружение 1. Мозаика напряжений по Nz. Ось Z – вертикальная
3. Заключение
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.