СТЫКОВЫЕ СОЕДИНЕНИЯ ДЕРЕВЯННЫХ КОНСТРУКЦИЙ:

ОЦЕНКА НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ

Арискин М.В, Кислякова Е.С.

Соединения на вклеенных кольцевых шайбах в деревянных конструкциях являются относительно новыми, малоизученными, что ограничивает масштабность их применения в практике строительства. Как показали предварительные исследования , применение вклеенных в древесину стальных шайб даже сравнительно небольшого диаметра (D_ш=50 мм) позволяет передать с одного элемента другому в стыковом соединении усилии от 45 до 50 кH. Эта величина в несколько раз больше, чем с несущая способность аналогичного стыка, выполненного только на шайбах (по аналогии со шпонкой) или только на центровом болте. Возможность передачи значительных усилий на сравнительно небольшой контактной площади является главным преимуществом вклеенных стальных шайб.

В работе сделана попытка теоретической оценки работы вклеенной стальной шайбы и соединяемых элементов, а в работах приводятся результаты экспериментальных исследований стыковых соединений на вклеенных стальных шайбах.

Эффект увеличения несущей способности и жесткости соединения достигается монолитностью вклеенной в гнездо деревянного элемента стальной шайбы не зависимо от наличия предварительной неплотности между гнездом и шайбой (точности изготовления гнезда по диаметру шайбы). Больше того гнездо в деревянном элементе следует выбирать диаметром несколько большим чем диаметр шайбы. Это позволяет получить упрочненный диск (клей плюс шайба) большего диаметра, чем сама шайба. Сущность же повышения предельной нагрузки на соединение заключается в том, что сосредоточенное усилие, передается через соединительный болт от одного элемента другому хотя и локально но на достаточно большой площади, определенной площадью шайбы и ближайших к ней зон. Благодаря монолитности всего соединения

Благодаря повышенной жесткости шайбы максимум напряжений от передающего болтом усилия приходится на шайбу, на деревянные же элементы нормальные и касательные напряжения передаются за пределами шайбы, т.е. в зонах сравнительно удаленных от места приложения сосредоточенного усилия.

Следует заметить, что шайба вклеена не на всю толщину деревянного элемента, а только на её часть. Это создает концентрацию напряжений не только в плоскости расположения шайбы, но также и по толщине деревянного элемента. Учитывая сложное напряженное состояние по всему объему соединяемого деревянного элемента с вклеенной стальной шайбой сделана попытка решения пространственной задачи по определению всех компонентов напряжений (σ_у, σ_у, σ_у, τ_ху, τ_zу, τ_хz ). Каждый из этих напряжений может повлиять на величину предельной нагрузки. Однако на наш взгляд решающую роль все же будут оказывать напряжения смятия σ_у и касательные скалывающие напряжения вдоль волокон τ_ху. Напряжение σ_х, направленное поперек волокон могут тоже оказать влияние на величину предельной нагрузки. Однако их действие можно учесть отдельно с учетом результатов экспериментальных испытаний образцов и реального характера их разрушения.

Для оценки несущей способности, соединяя на вклеенных стальных шайбах с учетом действительного напряженного состояния деревянного элемента ниже приводятся результаты теоретических исследований. Расчеты выполнены в программе ANSYS, основанной на использовании метода конечных элементов (МКЭ). Степень точности решения задачи зависит от формы и размеров конечных элементов. Для моделирования металлической шайбы был использован конечный элемент Solid45, для моделирования древесины использован конечный элемент Aniso64. Соединение Металлической пластины и древесины происходит за счет объединения перемещений соответствующих узлов двух тел.

Для оценки напряженно деформируемого состояния деревянного элемента с вклеенной шайбой в соединении, работающего на сдвиг были произведены вычисления со следующими параметрами образца:

- металла Е_х=21*10¹⁰ Па, μ=0,3

- древесины Е_х=10¹⁰ Па, μ=0,05; Е_у=4*10⁸ Па, μ=0,02; ; Е_z=5*10⁸ Па, μ=0,02; G_x,G_y, G_z- программа просчитывает сама.

Для численных вычислений диаметр вклеенной шайбы принимался равным 60, 80 и 100 мм. Нагружение задавалось одинаковым для образцов всех диаметров при этом принято, что внешняя нагрузка N_ш передается через центровой болт d =16 мм, создавая равномерные напряжения σ₀ по дуге полуокружности.

а)	б)
в)	г)
Рисунок 1. Распределение напряжений а) σу -по лини 1; б) σу -по лини 3; в) σх -по линии 3; д) τxy -по линии 3

Вычисления проводились по характерным сечениям образца , где на наш взгляд должны иметь место концентрация напряжений как нормальных так и касательных, а также уровень и изменения напряжений, от которых будет зависеть предельная несущая способность образца.

В каждом сечении были подсчитаны все компоненты напряжений при действии на вклеенную стальную шайбу диаметром D_ш от нагрузки N_ш.

Характерные эпюры напряжений σ_х, σ_у, τ_xy, которые, на наш взгляд, имеют решающее значение на предельную несущую способность образца, по сечениям, где эти напряжения имеют максимальные значения. Распределение напряжений смятия по линии контакта шайбы с древесиной (линия 5) показана на примере рис. 2б.

Предельная несущая способность образца существенно зависит от характера и величины напряжений смятия (σ_y), которые в свою очередь зависят от толщины и диаметра вклеенной шайбы.

Максимальные ординаты σ_y независимо даже от степени их концентрации в отдельных точках значительно меньше осредненных значений напряжений смятия подсчитанных как σ₀=N_ш/А_см=N_ш/t_шD_ш, которые состовляют величины равные для D_ш=60 мм σ_y=5667 Па, для D_ш=80 мм- σ₀=4250 Па; для D_ш=100 мм – σ₀=3400 Па. Это естественно, так как напряжение σ_y, как видно из графиков рис. 3 и 4, распределяются на значительно большую площадь, чем А_см=t_шD_ш. Это дает основание при назначении предельной несущей способности соединений, на вклеенных стальных шайбах либо вводить увеличенную величину расчетного сопротивления древесины на смятие (Rсм), либо вводить активную площадь большую, чем А_см=t_шD_ш в восприятии напряжений смятия. В том и в другом случае предельная несущая способность шайбы будет больше, чем [N_ш]=R_смt_шD_ш.

Для оценки влияния напряжений скалывания на предельную величину несущей способности шайбы достаточно сравнить соотношение величин и максимальных значений σ_y и τ_ху и расчетных характеристик для древесины R_см и R_ск. Как показали вычисления, максимальные величины σ_y преобладают над максимальными значениями τ_ху почти на порядок, т.е. в 8÷10 раз, в то время как отношение R_см/R_ск согласно СНиП II-25-80 для древесины сосны (2 сорт) составляет 6,19. Это говорит о том, что напряжение скалывания величину R_ск. Следует отметить , что независимо от сказанного, напряжения скалывания имеют все же определенную роль на предельную несущую способность шайбы, поскольку смятие древесины со скалыванием все же более опасный вид работы, чем просто смятие. Однако для этой оценки необходимо знать более детально работу древесины на совместное действие напряжений смятие и скалывание.