Scientific journal
Modern problems of science and education
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,931

THE CALCULATION OF THE LOAD BEARING CAPACITY OF THE REINFORCED CONNECTION SHERPA WITH NAIL-PLATES IN THE WOODEN STRUCTURE FROM THE COMBINATION OF WALL PANEL-CLT AND BEAM FROM CLT OR LVL

Syuy Yu... 1
1 Saint-Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering (SPSUACE)
Предложена наиболее расчётная схема, позволяющая найти оптимальный подход для повышения несущей способности соединения SHERPA в деревянных конструкциях из комбинации стеновой панели-CLT с балкой из CLT и LVL. Рассмотрена расчётная методика применения металлических зубчатых пластин для повышения прочности смятия в гнезде древесины, которая зависит от прочности смятия в гнездах древесины, МЗП, металлических накладок и прочности шурупа на изгиб. Автором предложен численный алгоритм. С целью проверки достоверности численного исследования проведены испытания для определения несущей способности соединения SHERPA с укреплением МЗП. Проведен сравнительный анализ полученных расчётных и экспериментальных результатов, показана удовлетворительная сходимость. Подтверждена эффективность использования МЗП для повышения несущей способности соединения на изгиб в целом.
This paper offers a analytical method that allows to find the best approach to improve the shear strength of the connection SHERPA in the wooden structures from the combination of wall panel-CLT with beam for CLT or LVL. The analytical model is considered to the application of nail-plate for increasing the compressive strength in the hole of wood, which depends on the compressive strength in the hole of the wooden materials, metal plates and the bending strength of screws. A new numerical algorithm is proposed. In order to validate the numerical research a test is conducted to determine the shear strength of connection SHERPA with nail-plate. The comparative analysis of the calculated and experimental results shows the satisfactory convergence. Efficiency of using nail-plate for increasing the shear strength of connection as a whole is conformed.
nail-plate
increase the shear strength
connection SHERPA

МЗП (Металлические Зубчатые Пластины), изготавливаемые из листовой стали с толщиной от 1 до 2 мм по методу холодной штамповки, применяются в соединениях элементов деревянных конструкций. MЗП состоит из системы зубьев, формируемых в результате штамповки и отогнуты относительно поверхности пластины под прямым углом [3]. Несущую способность деревянных конструкциях на МЗП определяют по условиям смятия древесины в гнездах и изгиба зубьев пластин, а также по условиям прочности пластин при работе на сжатие, растяжение и сдвиг [2]. Поскольку прочности смятия в гнезде древесины наиболее влияет на несущую способность соединений SHERPA сдвигу в деревянных конструкциях, может быть повышена несущая способность соединения на изгиб.

Исследование соединений деревянных элементов на металлических зубчатых пластинах и дюбелях с зубчатыми шайбами поляризационно-оптическим методом при действии кратковременных нагрузок известны работы [1]. Методика повышения несущей способности соединений с укреплением МЗП была предложена в работе [4] впервые. В работе [5] были проведены испытания соединения деревянных конструкций на цилиндрических нагелях с укреплением МЗП и был предложен численный алгоритм в соответствии с нормами EC5 и 1052:2008-12.

Целью настоящей работы является сформирование математического алгоритма для определения несущей способности соединения SHERPA с укреплением МЗП в деревянных конструкциях и проверка достоверности экспериментального и численного исследования.

В диссертационной работе автора было проведено численное и экспериментальное исследование несущей способности шурупа с укреплением МЗП на сдвиг и автором предложен численный алгоритм. На основе этих работ несущая способность соединения SHERPA c креплением МЗП зависит от следующих факторов:

  • прочности шурупов на выдергивание и изгиб;
  • прочности смятия в гнезде древесины, МЗП и металлических накладок;
  • физико-механических характеристик деревянного элемента;
  • расположения и количества шурупов;

Автором предложен численный алгоритм для определения несущая способность соединения SHERPA c креплением МЗП, показанный в следующих уравнениях:

  • несущая способность шурупа c укреплением МЗП при сдвиге под углом α к волокнам, Н:

(1)

(2)

(3)

(4)

Где:

Fv,α,k,1 — несущая способность шурупа без МЗП при сдвиге под углом α к волокнам, Н;

Fv,α,k,2 — несущая способность шурупа с укреплением МЗП при сдвиге под углом α к волокнам, Н;

fh,α,k — прочность смятию в гнезде древесины под углом α к волокнам, МПа; для CLT и LVL при α= 0。,; при α=90。, [SIA 265:2003];

My— прочность шурупа при изгибе, МПа; для CLT; для LVL [ENV 1998-1 1:1993];

fu,k — прочность шурупа на растяжение, МПа; fu,k = 600 МПа [Europäische technische Zulassung ETA-12/0067];

Fax,k — несущая способность шурупа на выдергивание под углом α к волокнам, Н; для CLT ,[DIN 1052:2008];для LVL , , [ SIA 265:2003];

fax,90,k —прочность на выдергивание шурупы поперек волокон, МПа;

fy,k — предел текучести МЗП, МПа;fy,k = 187 МПа ; ρk — плотность древесины, кг/м3;

n — соотношение b1 и b2; n=b2/b1; n=1; m — соотношение b1 и b3; m=b3/b1; m=β—1;

γ — соотношение f1 и f2;γ=2fy,k/fh,α,k; β — соотношение f1 и f3; β=f3/fh,α,k;

b1 — длина распределения действующего напряжения смятия в гнезде древесины, мм;

b2 — длина распределения действующего напряжения смятия в гнезде МЗП, мм;

b3 — длина распределения действующего напряжения смятия в гнезде металлической накладки, мм; b3 = 8 мм;

t1 — эффективная длина резьбы, мм; t1 = 42 мм; t2 — толщина металлической накладки, мм; t2 = 1 мм;

a1 — длина распределения действующего напряжения смятия в гнезде древесины, мм;

a2 — длина распределения действующего напряжения смятия в гнезде металлической накладки, мм;

  • несущая способность смятию в гнезде металлических накладок, Н:

(5)

  • несущая способность соединения SHERPA при изгибе в панели-CLT и балке из CLT и LVL, Н:

(6)

(7)

(8)

Где:

Fv,k,панель,sherpa — несущая способность соединения SHERPA при изгибе в деревянных конструкциях из комбинации стеновой панели-CLT с балкой из CLT и LVL, Н;

Fv,k,sherpa — несущая способность соединения SHERPA при изгибе в стеновой панели-CLT, Н;

Fv,k,балка,sherpa — несущая способность соединения SHERPA при изгибе в балке из CLT и LVL, Н;

Rax,k — несущая способность шурупа на выдергивание под углом к волокнам, Н;

μ — коэффицент силы трения; μ= 0,25; n — количество шурупов;

м1/2 — виды разрушения в соответствии с теорией Johansen;

Для получения экспериментальных значений нормативной прочности в механической лаборатории СПбГАСУ проведены испытания на выдергивание и изгиб с использованием универсальной испытательной машины INSTRON 5989 (максимальный режим работы до 600 кН). Режим нагружения при непрерывном увеличении нагрузки составляла 2 мм/мин.

Поскольку в работах автора использованы конструкция «балка из LVL (брус из клееного шпона) и стеновой панели из CLT (панель из поперечно-клееной древесины)», нужны определить плотности материалов из CLT и LVL. Температура в лаборатории 20±1℃ и влажность материалов 13%. На основе полученных результатов из испытания плотности определяются равным 495 кг/м3 для CLT и 560 кг/м3 для LVL.

Виды разрушения деревянных элементов, МЗП и металлических накладок в деревянных конструкциях из комбинации стеновой панели-CLT с балкой из CLT и LVL представлены на рис. 1-3.

а,1) а,2)а,3) б,1)б,2)б,3)

Рис. 1. Виды разрушения опытных деревянных образцов: а,1)-а,3) для стеновой панели-CLT с балкой из CLT; б,1)-б,3) для стеновой панели-CLT с балкой из LVL

а,1)IMG_1245а,2)IMG_1239б,1)IMG_1971б,2)IMG_1977

Рис. 2. Виды разрушения МЗП: а,1)-а,2) для стеновой панели-CLT с балкой из CLT; б,1-б,2) для стеновой панели-CLT с балкой из LVL

а,1)IMG_1228а,2)IMG_1229б,1)IMG_1958б,2)IMG_1963

Рис. 3. Виды разрушения металлических накладок: а,1)-а,2) для стеновой панели-CLT с балкой из CLT; б,1)-б,2) для стеновой панели-CLT с балкой из LVL

Расположение металлических накладок из соединения SHERPA в деревянных конструкциях и установка опытных деревянных образцов на экспериментальном стенде представлены на рис. 4.

Для выполнения расчётов и обработки данных использовались программ Microsoft Excel, Origin pro, IBM SPASS Statistics, Mathcad. Экспериментальные результаты представлены в табл. 1 в соответствии с зависисмотью «нагрузка-перемещение» (рис. 5).

а)强化clt б)

Рис. 4. Испытание по определению несущей способности SHERPA на изгиб: а— расположение соединения SHERPA; б— установка деревянных опытных образцов на экспериментальном стенде

Таблица 1

Экспериментальные результаты определения несущей способности соединения SHERPA с креплением МЗП в деревянных конструкциях

На балке из CLT

На балке из LVL

Fv,test

Fv,теку

Fv,max

Fv,test

Fv,теку

Fv,max

46230,50

50082,45

57303,59

40882,69

45479,46

51989,80

ωСLT/LVL

13,08%

Примечания: ωСLT/LVL — приращение Fv,test,LVL и Fv,test,CLT; ;

Рис. 5. Зависимость «нагрузка-перемещение»: красная линия— для балки из CLT; чёрная линия— для балки из LVL

Из рис. 5 видно, что по экспериментальные результаты оперделения несущей способности соединения SHERPA в балке из CLT выше, чем в балке из LVL. Это зависит от прочности шурупа на выдергивание и сдвиг под углом к волокнам. Таким образом, можно сделать вывод о том, что с использованием МЗП можно повысить несущую способность соединения на изгиб.

Сравнение расчётных результатов определения несущей способности соединения SHERPA в деревянных конструкциях на основе предложенных уравнений и экспериментальных представлены в табл. 2.

Таблица 2

Сравнение расчётных и экспериментальных результатов определения несущей способности соединения SHERPA с укреплением МЗП в деревянных конструкциях

На широкой стороне панели из CLT

На узкой стороне панели из CLT

Вдоль волокон балки из LVL для

Fv,ф,CLT,МЗП

Fv,р,CLT,МЗП

μ

Fv,ф,CLT,МЗП

Fv,р,CLT,МЗП

μ

Fv,ф,CLT,МЗП

Fv,р,CLT,МЗП

μ

33520

29234

14,66%

33520

31556

6,22%

29640

36764

-19,38%

Примечания: Fv,ф,CLT,МЗП - фактическая несущая способность соединения SHERPA с укреплением МЗП при изгибе, Н; Fv,р,CLT,МЗП— расчётная несущая способность соединения SHERPA с укреплением МЗП при изгибе, Н; μ— приращение Fv,ф,CLT,МЗП и Fv,р,CLT,МЗП;

Из табл. 2 видно, что расчётные результатов определения несущей способности соединения SHERPA c укреплением МЗП в деревянных конструкциях ниже на 14,66%, чем экспериментальные. Несущая способность соединения SHERPA с укреплением МЗП при изгибе в балке из CLT выше, чем в балке из LVL.

Для обоснования и подтверждения эффекстивности методики расчёта соединений с применением МЗП, cравнение расчётных и экспериментальых результатов несущей способности соединения SHERPA без укрепления и с МЗП в деревянных конструциях из комбинации стеновой панели-CLT с балкой из CLT и LVL представлено в табл. 3 и 4.

Таблица 3

Сравнение расчётных результатов определения несущей способности соединения SHERPA без укрепления и с МЗП в деревянных конструкциях

На широкой стороне панели из CLT

На узкой стороне панели из CLT

Вдоль волокон балки из LVL для

Fv,р,90,CLT,МЗП

Fv,р,90,CLT

μ

Fv,р,0,CLT,МЗП

Fv,р,0,CLT

μ

Fv,р,0,LVL,МЗП

Fv,р,0,LVL

μ

29234

26331

11,03%

31556

27684

13,99%

36764

32036

14,76%

Примечания: Fv,р,90,CLT,МЗП— расчётная несущая способность определения несущей способности соединения SHERPA при изгибес укреплением МЗП, Н; Fv,р,90,CLT— то же без МЗП, Н; μ— приращение Fv,р,90,CLT,МЗП и Fv,р,90,CLT; ; α— угол между осью шурупа и волокнами

Таблица 4

Сравнение экспериментальных результатов определения несущей способности соединения SHERPA без укрепления и с МЗП в деревянных конструкциях

На широкой стороне панели из CLT

На узкой стороне панели из CLT

Вдоль волокон балки из LVL для

Fv,ф,90,CLT,МЗП

Fv,ф,90,CLT

μ7

Fv,ф,0,CLT,МЗП

Fv,ф,0,CLT

μ7

Fv,ф,0,LVL,МЗП

Fv,ф,0,LVL

μ6

33520

27830

20,45%

33520

26910

24,56%

29640

22600

31,15%

Примечания: Fv,ф,90,CLT,МЗП— фактическая несущая способность определения несущей способности соединения SHERPA при изгибес укреплением МЗП, Н; Fv,ф,90,CLT—то же без МЗП, Н; μ— приращение Fv,ф,90,CLT,МЗП и Fv,ф,90,CLT;; α— угол между осью шурупа и волокнами

Из табл. 6 и 7 видно, что расчётная несущая способность соединения SHERPA с укреплением МЗП в деревянных конструкциях выш на 11,03%, чем без МЗП, а фактическая несущая способность соединения SHERPA с укреплением МЗП при изгибе возрастает минимально на 20.45% и максимально на 31.35% , чем без МЗП. Это утверждено, что применение МЗП позволяет эффективно повысить несущую способность соединения SHERPA в деревянных конструкиях. Поэтому при конструировании деревянных домостроении инженеры и архтектары могут использовать предложенный численный алгоритм, чтобы эффекстивно и экономично использовать соединения SHERPA.

Вывод

1. Дано описание расчётной схемы для расчёта несущей способности соединения SHERPA с укреплением МЗП в деревянных конструкциях с использованием балки из CLT и LVL; предложен новый численный алгоритм;

2. Теоретически модели проверены и экспериментально показано влияние эксцентриситета на несущую способность соединения SHERPA с укреплением МЗП в деревянных конструкциях на основе сравнительного анализа, показана удовлетворительная сходимость; подтверждена эффективность использования МЗП для повышения несущей способности соединения;

Рецензенты:

Глухих В.Н., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой технической механики, ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет», г. Санкт-Петербург.

Черных А.Г., д.т.н., профессор, ректор СПГХПА, г. Санкт-Петербург.