При расчёте несущей способность крепежа SHERPA под нагрузкой вдоль оси балки по сопротивлению на выдергивание шурупов должны учитываться воздействия от ветра и землетрясения на соединениях, вызывающие поперечное перемещение здания. Нагрузка, влияющая на наветренные стороны сооружений, зависит от характера фасада обдуваемого сооружения или предмета, жесткости крепления, его подвижности или условий его движения, назначения и плотности воздуха [1]. Нагрузка от ветрового воздействия на здание определяется в соответствии с [3]. Сейсмическое воздействие представляется одним из основных понятий в сейсмостойком строительстве и означает приложение колебательного возбуждения землетрясения к различным постройкам [2]. Воздействие от землетрясения определяется в соответствии с [4]. Соединение SHERPA в деревянных конструкциях из комбинации стеновой панели-CLT с балкой из LVL и CLT, состоит из двух алюминиевых деталей, образующих жесткое соединение по принципу классического «ласточкина хвоста» и крепится с использованием вертикальных и наклонных шурупов. В диссертационной работе автора было проведено численное и экспериментальное исследование несущей способности шурупов на выдергивание из панели из CLT и балки из LVL.
Целью настоящей работы является сформирование математического алгоритма для определения несущей способности соединения SHERPA по сопротивлению на выдергивание шурупов.
Экспериментальное исследование и расчётная схема по определению несущей способности крепежа по сопротивлению на выдергивание шурупов представлены на рис. 1.
а)
б)
в)
Рис. 1. Экспериментальное и численное исследование несущей способности соединения SHERPA по сопротивлению на выдёргивание шурупов: а— для стеновой панели с балкой из CLT; б— для стеновой панели-CLT с балкой из LVL; в— расчётная схема по определению несущей способности соединения SHERPA по сопротивлению на выдергивание шурупов
С учётом физико-механических и геометрических характеристик соединения SHERPA его несущая способность по сопротивлению на выдергивание шурупов зависит от следующих факторов:
-
несущей способности шурупов на выдергивание, Н;
-
прочности металлических накладок на растяжение, МПа;
-
контактной площади между выступами двух металлических накладок, мм2;
-
физико-механических характеристик деревянных материалов;
-
поперечной нагрузки от ветра и землетрясения, Н.
Автором предложено новое сочетание формул для определения несущей способности соединения SHERPA по сопротивлению на выдергивание шурупов на основе различных норм, показанное в следующих уравнениях:
-
несущая способность шурупа на выдергивание из панели-CLT, Н:
[5] (1)
[6] (2)
(3)
-
несущая способность шурупа на выдергивание из балки-LVL вдоль волокон в соответствии с [7], Н:
(4)
(5)
(6)
-
несущая способность соединения SHERPA по сопротивлению на выдергивание шурупов в деревянных конструкциях, Н:
(7)
где:
Ft,k,алю— прочность алюминиевого куба на растяжение; Ft,k,алю=6824,68 Н;
n— количество шурупов;
μα— коэффициент коррекции; при α=0°, μ0=1,1; при α=90°, μ0=1,2;
α— угол оси шурупа к волокнам древесины.
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)», необходимо 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 соединения SHERPA по сопротивлению на выдергивание шурупов представлены на рис. 2.
а,1) 
а,2)
б,1) 
б,2)
Рис. 2. Виды разрушения соединения SHERPA по сопротивлению на выдергивание шурупов: а,1—для панели-CLT с балкой из CLT; а,2— для металлической накладок, которая крепится к стеновой панелью-CLT; б,1— для стеновой панели-CLT с балкой из LVL; б,2— пластическое разрушение металлических накладок
Для расчётов и обработки результатов использовались программ Microsoft Excel, Origin pro, IBM SPASS Statistics, Mathcad.
Экспериментальные результаты определения несущей способности соединения SHERPA по сопротивлению на выдергивие шурупов даны в табл.1 в соответствии с зависимостью «нагрузка-перемещение» на рис. 3.
Таблица 1
Экспериментальные результаты определния несущей способности соединения SHERPA по сопротивлению на выдергивание шурупов
|
На балке из CLT |
На балке из LVL |
||||
|
Fax, test |
Fax,теку |
Fax, max |
Fax, test |
Fax, теку |
Fax, max |
|
11258,00 |
18370,61 |
18373,45 |
12714,60 |
16201,53 |
17601,23 |
|
ω LVL/CLT |
12,94% |
|
|
|
|
Примечания: Fax,test — фактическая несущая способность, Н; Fax,max — максимальная несущая способность, Н; Fax,теку— предел текучести материала, Н; ωСLT/LVL — приращение Fax,test,LVL и Fax,test,CLT; 
Рис. 3. Зависимость «нагрузка-перемещение» для определения несущей способности соединения SHERPA по сопротивлению на выдергивание шурупов: красная кривая— для балки из CLT; чёрная кривая— для балки из LVL
Из табл. 1 видно, что экспериментальные результаты для комбинации стеновой панели-CLT с балкой из CLT ниже на 12,94%, чем комбинации стеновой панели-CLT с балкой из LVL. Металлические накладки SHERPA изготовляют из алюминиевого материала-EN 6082, прочность оправляется по BS EN 755-2:2008. С учётом контактной площади при сжатии несущая способность металлических накладок на растяжение составляет 6824,68 Н.
На основе предложенных уравнений, сравнение расчётных и экспериментальных результатов определения несущей способности соединения SHERPA по сопротивлению на выдергивание шурупов с несущей способностью на растяжение металлических накладок представлено в табл. 2 в соответствии с графиком на рис. 4.
Таблица 2
Сравнение расчётных и экспериментальных результатов определения несущей способности соединения SHERPA по сопротивлению на выдергивание шурупов с несущей способностью на растяжение металлических накладок
|
Параметр |
На широкой стороне CLT |
На узкой стороне CLT |
Вдоль волокон балки из LVL |
Алюминиевые накладки |
|
Fр |
14430,48 |
13863,91 |
24336,00 |
6824,681 |
|
ωр |
111,45% |
103,14% |
256,59% |
- |
|
Fф |
- |
11258,00 |
12714,59 |
- |
|
ωф |
- |
64,96% |
86,30% |
- |
Примечания: Fр— расчётная несущая способность на выдергивание, Н; Fф— фактическая несущая способность на выдергивание, Н; ωр— приращение Fр и Fалю;
; ωф— приращение Fф и Fалю;
Рис. 4. Сравнение расчётных и экспериментальных результатов определения несущей способности соединения SHERPA по сопротивлению на выдергивание шурупов с несущей способностью на растяжение металлических накладок
Из табл. 2 и рис. 4 видно, что расчётные результаты несущей способности соединения SHERPA по сопротивлению на выдергивание шурупов для панели-CLT выше на минимально 103,14%, чем несущая способность алюминиевых накладок на растяжение, а экспериментальные результаты выше на минимально 64,96%, чем то же. Расчётные результаты несущей способности соединения SHERPA по сопротивлению на выдергивание шурупов для материалов LVL выше на минимально 256,59%, чем прочность на растяжение алюминиевых накладок, а экспериментальные результаты выше на минимально 86,30%, чем то же. С другой стороны, в соединениях SHERPA появилось отчётливое пластичное разрушение, потому что прочность металлических накладок не удовлетворяет условию сопротивления на выдергивание шурупов в соединениях деревянной конструкции в целом. Для того, чтобы повысить несущую способность соединения по сопротивлению на выдергивание шурупов и усовершенствовать конструкцию соединения SHERPA, необходимо выбрать наиболее рациональный материал.
Выводы
1. Получены экспериментальные результаты определения несущей способности соединения SHERPA по сопротивлению на выдергивание шурупов в деревянных конструкциях из комбинации стеновой панели-СLT с балкой из CLT или LVL;
2. Теоретически проверены и экспериментально подтверждено соотношение разрушения от несущей неспособности соединения SHERPA по сопротивлению на выдергивание шурупов с учётом прочности металлических накладок на растяжение;
3. Предложена новая сочетания формул для расчёта несущей способности соединения SHERPA по сопротивлению на выдергивание шурупов и оптимизация проектирования соединения SHERPA.
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.