К расчету несущей способности соединений на вклеенных шайбах

Создание современных строительных конструкций является одной из актуальных проблем, от решения которых зависит развитие строительной отрасли. В Пензенском государственном университете архитектуры и строительства над этой проблемой работают ряд учённых [1], [2], [3].

Соединения на вклеенных шайбах (ВШ) в деревянных конструкциях являются более современными по сравнению с другими видами соединений на механических связях (шпонками, клеестальными шайбами, когтевыми шайбами, МЗП и др.). Преимущества и технологические особенности изготовления таких соединений отмечено в работах [4,5]. Основным преимуществом вклеенных шайб является повышенная несущая способность соединения. Как показали многочисленные испытания образцов (около 100), средняя величина разрушающей нагрузки на образец с двумя вклеенными в него стальными шайбами при передаче усилий вдоль волокон древесины в зависимости от параметров шайбы (t-толщина, D_ш- диаметр шайб) колеблется от 75 кН до 120 кН. Полученные результаты испытаний, обработанные методами математической статистики, приведены в табл. 1.

Как видно из данных табл.1, величина разрушающей нагрузки Р_разр существенно зависит от двух параметров толщина шайбы (t) и диаметр шайбы (D_ш) эти зависимости представлены на (рис.1.). Практически эти зависимость можно считать линейными, т. е. с увеличением t и D_ш величина Р_разр увеличивается с определенным коэффициентом пропорциональности. Эта важная зависимость будет учтена ниже при получении расчетной формулы, для подсчета несущей способности соединения на вклеенных шайбах.

Расчетная несущая способность соединений и конструкций должна отражать безопасный уровень нагрузки (или напряжений), который может быть допущен на них с учетом влияния всех факторов, отрицательно влияющих в процессе их длительной эксплуатации.

Таблица 1

Результаты статической обработки испытаний образцов с соединениями на ВШ при действии кратковременных нагрузок.

Примечание: в марке образцов первая цифра означает диаметр (Dш) шайбы, а вторая — толщину шайбы (t)

Безопасность работы деревянных конструкций учитывается при назначении несущей способности их введением коэффициента надежности (k), вследствие чего расчетная несущая способность при определении ее через величину кратковременной разрушающей нагрузки (P_разр) подсчитывается как

[N] £P_разр / k                                                                                                                  (1)

Переход от кратковременной разрушающей нагрузке (Р_разр) осуществляется через коэффициент надежности k, который в общем случае должен учитывать вариационный разброс экспериментальных данных, длительность действия экспериментальных нагрузок, длительную прочность и д. р.

На основании общего выражения коэффициента надежности k, согласно рекомендациям [4], для деревянных конструкций имеем формулу

k = k₁(t) × b × k₂ × k₃                                                                                                        (2)

где: k₁(t) — коэффициент длительной прочности (> 1) или временная часть коэффициента надежности;

b — коэффициент равный для несущих конструкций покрытий отношению Р_д/Р, где Р — полная расчетная нагрузка, а Р_д — временная (снеговая) нагрузка;

k₂ и k₃ — компоненты коэффициента надежности, учитывающие разброс опытных значений несущей способности (k₂) (вероятностная часть коэффициента надежности) и изменение работы деформации при пластическом и хрупком разрушении (k₃).

Рис 1. График изменения P_разр в зависимости а) от изменения толщины шайбы t; б) от изменения диаметра шайбы D_ш;

Анализ работы соединений на вклеенных шайбах и результаты их испытаний дают основание отнести их, согласно рекомендациям [6], к первой группе соединений деревянных конструкций, куда входят соединения с линейной зависимостью упругой деформации от усилия в диапазоне расчетной несущей способности. Кроме того, как показали испытания, сам процесс разрушения образцов носит пластический характер, т. е. при этом не наблюдалось хрупких сколов или разрывов, приводящих к мгновенному разрушению образцов с явными разрушениями образцов.

Указанные обстоятельства позволяют произвести оценку несущей способности соединения на вклеенных шайбах как для I группы при пластическом характере разрушений.

Для учета вероятностной части коэффициента надежности в табл. 2 подсчитаны нормативные и расчетные значения кратковременных предельных нагрузок на основе данных, приведенных в табл.1. Вероятностные коэффициенты надежности при этом подсчитаны с доверительной вероятностью для нормативных значений -95 %, для расчетных -99 %.

Для учета временной части коэффициента надежности (k₁) воспользуемся рекомендациями [6] основанными на исследованиях длительной прочности древесины.

При пластическом разрушении для соединений I группы предлагается формула.

k1(t) = 1.97–0.119×lg t — для срока службы 50 лет;

k1(t) = 1.91–0.112×lg t — для срока службы 25 лет; (2)

k1(t) = 1.94–0.116×lg t — среднее для сроков службы 25 ¸ 50 лет.

где t = t^I₁ / 38.2-приведенное время (t^I₁-продолжительность испытания с постоянной скоростью нагружения.

Таблица 2

Нормативные и расчетные величины предельных нагрузок соединений на ВШ

Серия образцов	Средняя разрушающая нагрузка, , кН	Коэффициент вариации, Сv	Нормативная , кН	Вероятностная часть коэффициента надежности, k1 для нормативной нагрузки	Расчетная, , кН	Вероятностная часть коэффициента надежности, k2 для расчетной нагрузки
ВШ-60–6-Б	75,52	0,0253	72,41	1,043	71,11	1,062
ВШ-60–8-Б	88,06	0,0215	85	1,036	83,62	1,053
ВШ-60–10-Б	100,6	0,03	95,62	1,052	93,58	1,075
ВШ-80–6-Б	83,46	0,022	80,48	1,037	79,18	1,054
ВШ-80–8-Б	96,2	0,018	93,31	1,031	92,14	1,044
ВШ-80–10-Б	109,7	0,017	106,4	1,031	105,37	1,041
ВШ-100–6-Б	88,78	0,029	84,55	1,05	82,81	1,072
ВШ-100–8-Б	104,5	0,051	95,78	1,091	92,15	1,134
ВШ-100–10-Б	119,9	0,027	114,62	1,046	112,37	1,067

Произведена оценка несущей способности соединения на вклеенных шайбах как для I группы при пластическом характере разрушения согласно формулам (1) и (2). Результаты расчетов приведены в табл.3.

Таблица 3

Расчетные несущие способности соединений на ВШ

Для наглядности влияния D_ш и t на расчетную несущую способность данные таблицы 3 представлены в форме табл.4

Для практических расчетов целесообразно иметь аналитические формулы для подсчета расчетной несущей способности соединения. С этой целью проведен анализ зависимости разрушающей нагрузки от диаметра (D_ш) и толщины (t).

Как показали многочисленные испытания определяющим фактором в обеспечении несущей способности является преимущественно работа древесины на смятие под шайбой, которая зависит от площади А=D_шt.

Таблица 4

Величина расчетной несущей способности соединения на ВШ (кН).

Диаметр шайбы (Dш),мм	Величина [N], kHпри толщине шайбы (t), мм
	6	8	10
60	45,11	53,30	59,88
80	50,39	58,91	67,59
100	52,78	63,12	72,18

Литература:

1.                          Нежданов К. К., Гарькин И. Н. Способ проката двутаврового профиля сечения из низколегированной стали// Строительная механика и расчёт сооружений.: № 4 -2011,с.51–55 Москва ЦНИСК им.Курчеренко

2.                          Арискин М. В. Теоретические исследования напряженно-деформированного состояния элементов соединений на вклеенных шайбах [Текст] / Арискин М. В., Д. В. Гуляев, И. Ю. Агеева, Гарькин И. Н.// Молодой ученый. — 2013. — № 2. — С. 27–31.

3.                          Арискин М. В Современные тенденции развития проектирования в строительстве [Текст] / Арискин М. В., Д. В. Гуляев, И. Ю. Агеева, Гарькин И.Н // Молодой ученый. — 2012. — № 10. — С. 31–33.

4.                          Арискин М. В., Вдовин В. М. Кравцов С. Ю. Клееметаллические соединения в несущих деревянных конструкциях. Региональная архитектура и строительство, ½ 2007г. Пензенский Государственный Университет архитектуры и строительства, г.Пенза.

5.                          Арискин М. В., Вдовин В. М. Оценка несущей способности вклеенной кольцевой шайбы в стыковых соединениях деревянных конструкций. Эффективные строительные конструкции: Теория и практика. Сборник статей V Международной научно-технической конференции.- Пенза, ПГУАС, Общество «ЗНАНИЕ» России, Приволжский дом знаний, 2006г.

6.                          ЦНИИСК им. Кучеренко Госстроя СССР. Рекомендации по испытанию соединений деревянных конструкций. М., Стройиздат, 1981г.