Робота та розрахунок сталевих нагельних з´єднань дерев´яних конструкцій за повторних навантажень

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Одним із найважливіших напрямів науково-технічного прогресу в будівництві є забезпечення роботи будівельних конструкцій в умовах максимально наближених до реальних. В зв'язку з цим все більшого значення набувають питання вдосконалення розрахунків і проектування будівельних конструкцій і споруд.

Велике значення мають дослідження міцнісних і деформативних характеристик нагельних з'єднань дерев'яних елементів при одноразових та повторних навантаженнях, оскільки при експлуатації значна кількість дерев'яних конструкцій знаходяться саме в таких умовах. Сталеві циліндричні нагелі (в тому числі цвяхи та болти) широко використовуються в з’єднаннях сучасних дерев’яних конструкцій, в вузлах і стиках ферм, в жорстких вузлах рам, в нерозрізних балках дерев'яних перекриттів, тощо. При цьому з’єднання, які сприймають великі навантаження, проектують як багатонагельні, що дозволяє проектувати їх в різних варіантах. В зв’язку з цим виникає практична необхідність оптимізації таких з’єднань.

В останні роки найбільший вклад в вивчення проблеми роботи нагельних з’єднань дерев’яних елементів при одноразових і повторних навантаженнях зробили Максименко Л.А., Дмитрієв П.А., Стрижаков Ю.Д., Комісаров С.Г., Сипаренко В.Г., Коченов В.М., Слицкоухов Ю.В., Буров Е.В., Зворигін А.В., Шапошников В.Н., Фурсов В.В., Гомон С.С. та ін.

Методики розрахунку несучої здатності нагельних з'єднань дерев'яних конструкцій постійно удосконалюються, однак існуючі методики, які рекомендовані чинними нормами проектування, не дають можливості достатньо повно враховувати численні фактори, які впливають на характер напружено-деформованого стану елементів, обумовлюючи в багатьох випадках перевитрату матеріалів та велику трудомісткість виготовлення з'єднань, а інколи недостатню надійність конструкцій. Тому все більше практичне значення мають питання дослідження розвитку деформативного стану та визначення несучої здатності нагельних з'єднань конструкцій з деревини за дії одноразових та повторних навантаженнях.

На сучасному етапі досить актуальним є питання реконструкції існуючих споруд і, досить часто, виникають ситуації, коли змінюються режими завантаження конструкцій. Тому виникають випадки малоциклового навантаження різних режимів, які сприймаються з’єднаннями дерев'яних конструкцій.

Чинні норми проектування не враховують вплив змінних малоциклових навантажень на зміну фізико-механічних властивостей матеріалів нагельних з'єднань. Також норми не враховують реальну зміну напружено-деформованого стану та несучої здатності елементів, оскільки дане питання як теоретично так і експериментально не достатньо вивчене.

Виходячи із наведеного, з метою накопичення експериментальних даних про роботу нагельних з’єднань конструкцій з деревини за дії одноразових та повторних малоциклових навантажень, встановлення особливостей їхньої роботи та на їх основі розробки рекомендацій для подальшого удосконалення нормативних документів ДБН В.2.6-161:2010 та Eurocode5 є досить актуальною задачею.

Зв'язок роботи з науковими програмами.Виконана робота є одним із етапів досліджень, які виконуються на кафедрі інженерних конструкцій Національного університету водного господарства та природокористування за проблемою “Дослідження роботи та удосконалення методів розрахунків будівельних конструкцій при різних режимах зовнішніх впливів” (номер державної реєстрації 0107U004181).

Мета і задачі дослідження. Встановити вплив одноразових та повторних навантажень на роботу нагельних з'єднань дерев'яних конструкцій та вдосконалити методику їх розрахунку за дії таких навантажень.

Для реалізації поставленої мети вирішувались такі задачі:

• розробити методику експериментальних досліджень впливу повторного навантаження на роботу та витривалість з'єднання на нагелях;
• виконати теоретичні дослідження визначення несучої здатності нагельних з'єднань дерев'яних конструкцій за дії одноразових навантажень;
• провести експериментальні дослідження сталевих нагельних з'єднань дерев'яних конструкцій на дію повторних навантажень;
• виконати аналіз отриманих експериментальних даних та результатів теоретичних досліджень визначення несучої здатності з'єднань дерев’яних конструкцій на стальних нагелях за роботи на зсув вздовж волокон за дії одноразового та малоциклового навантаження;
• розробити рекомендації для визначення несучої здатності сталевих нагельних з'єднань дерев'яних конструкцій.

Об’єкт дослідження– з'єднання дерев'яних конструкцій на стальних нагелях.

Предмет дослідження– несуча здатність сталевих нагельних з'єднань дерев'яних конструкцій.

Методи дослідження– аналіз літературних джерел, теоретичні дослідження, експериментальні випробування нагельних з'єднань на зусилля, що діють вздовж волокон за статичних і малоциклових навантажень, порівняльний та статистичний аналіз результатів досліджень.

Наукова новизна одержаних результатів.Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:

• розроблена методика розрахунку нагельних з'єднань дерев'яних конструкцій за граничними станами першої групи залежно від граничних деформацій та податливості з'єднання;
• отримані нові експериментальні дані щодо несучої здатності і деформативності нагельних з’єднань дерев’яних елементів, які працюють в умовах повторних навантажень;
• отримані залежності, що описують деформативні характеристики податливості нагельних з’єднань дерев’яних конструкцій за дії одноразових та повторних малоциклових навантажень;
• встановлено залежність між початковими деформаціями нагельного з'єднання і його витривалістю, удосконалено методику визначення несучої здатності нагельного з'єднання залежно від початкових деформацій;
• розроблено теоретичні підходи щодо розрахунку нагельних з’єднань дерев’яних конструкцій за дії малоциклових навантажень.

Практичне значення одержаних результатів. Одержані в дисертації результати можуть використовуватись в проектуванні з’єднань ефективних дерев’яних конструкцій на нагелях за дії одноразових та повторних малоциклових навантажень, а також в навчальному процесі.

Особистий внесок здобувача.

1. Розроблено та реалізовано програму проведення експериментальних досліджень [1,8].
2. Експериментально досліджено роботу нагельних з'єднань дерев'яних конструкцій за дії одноразових та малоциклових навантажень [2,4,6,9].
3. Визначені початкові модулі податливості та коефіцієнти податливості нагельних з'єднань [7,8]
4. Запропоновано методику визначення несучої здатності нагельних з'єднань [3,5,7]

Апробація результатів дисертації. Основні положення дисертації доповідались і обговорювались на науково-технічних конференціях «Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди» (м. Рівне 2007-2009 рр.); міжнародних науково-технічних конференціях: «Современные строительные конструкции из металла и древесины»(м. Одеса, 2008 р.); «Современные металлические и деревянные конструкции (нормирование, проектирование и строительство)»(м. Брест, 2009 р.); «Динаміка та міцність машин, будівель, споруд» (м. Полтава, 2009 р.); «Новые материалы, оборудование и технологии в промышленности» (м. Могильов, 2009 р.); «Актуальні проблеми водного господарства та природокористування» (м. Рівне, 2009 р.); міжнародній науково-практичній конференції «Сучасні технології і методи розрахунків у будівництві» (м. Луцьк, 2009 р.) та на науково-технічних конференціях професорсько-викладацького складу, аспірантів та студентів НУВГП (м. Рівне 2005-2011 рр.);

Публікації.За матеріалами дисертації опубліковані 9 статей у збірниках наукових праць, із них 8 в фахових виданнях та 1 в закордонному збірнику наукових праць.

Обсяг та структура роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, п’яти розділів, висновків, списку використаних джерел та одного додатку. Повний обсяг дисертації становить 156 сторінок, які включають 139 сторінок основного тексту, 30 таблиць, 87 ілюстрацій, 125 найменувань літературних джерел на 14 сторінках та додатку на 3 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми, наведена її загальна характеристика, сформульовані мета та задачі досліджень, описаний зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами, а також відмічена наукова новизна та практична цінність.

Перший розділприсвячений огляду та аналізу наукових праць вітчизняних та зарубіжних вчених, в яких вивчалась робота нагельних з'єднань дерев'яних конструкцій за різних режимів навантаження, а також наукових праць, присвячених проблемі дослідження міцності та деформативності таких з'єднань.

Ще на початку 30-х років минулого століття небувалі темпи будівництва потребували створення нових, більш досконалих і економічних дерев'яних конструкцій. В зв’язку з цим посилено почали проводитись наукові дослідження з вивчення фізико-механічних і хімічних властивостей будівельної деревини, а також несучої здатності і деформативності різних з'єднань елементів дерев'яних конструкцій. Поряд з цим продовжувались роботи з уточнення методів розрахунку нагелів. Після виходу в 1927 р. роботи В.Ф. Іванова "Деревянные конструкции гражданских зданий", в якій пропонувались нові методи розрахунків нагелів, з'явились ряд інших робіт за цією ж темою: В.Н.Маслова, А.В. Леняшина, Б.О.Николаи, М.А. Куришева та ін. Всі ці методики, засновані на теорії роботи балок на пружній основі, привели до значних спрощень, які дали достатньо прості розрахункові формули. Подальша експериментальна перевірка роботи нагельних з'єднань дозволила використовувати, з деякими спрощеннями, наближений метод розрахунків, запропонований А.В. Леняшиним та В.М Коченовим.

Експериментальні дослідження дерев’яних конструкцій, в тому числі нагельні з’єднання, отримали особливо широкий розвиток в 40-50 роках минулого століття. Вітчизняними науково-дослідними і проектними інститутами були проведені значні експериментальні і теоретичні дослідження різноманітних з’єднань конструкцій з деревини. Питаннями несучої здатності та деформативності нагельних з'єднань займалися ряд вчених: П.А. Дмитрієв, В.Г. Сипаренко, Л.А.Максименко, Ю.В.Слицкоухов, Ю.Д. Стрижаков, Л.В. Янушевич, В.Н.Шапошников, Ф.П. Белякін та інші. Ці дослідження є найбільш значними як по об’єму, так і глибині опрацювання цього питання. З того часу в нашій країні мало досліджувалася робота нагельних з’єднань.

Аналіз експериментальних та теоретичних досліджень нагельних з'єднань дерев'яних конструкцій за дії короткочасних одноразових та повторних навантажень дозволяють зробити такі висновки: існуючі методи визначення несучої здатності нагельних з'єднань дерев'яних конструкцій жодним чином не враховують вплив повторних малоциклових навантажень.

Перший розділ закінчується визначенням мети та задач досліджень.

У другому розділі висвітлена методика та об’єм експериментальних досліджень, наведений опис дослідних зразків.

Для дослідження роботи нагельних з’єднань при статичних та малоциклових навантаженнях було виготовлено три серії зразків.Перша серія налічувала 45 зразків (по 3 з'єднання для кожної змінної геометричної характеристики) з яких: 18 з'єднань з різною товщиною середніх елементів (35, 40, 42.5, 45, 47.5, 50 мм) з діаметром цвяхів 4,5 мм; 18 з'єднань з різною товщиною крайніх елементів (10, 15, 20, 25, 30, 35 мм) з діаметром цвяхів 5,5 мм та 9 з'єднань з різними діаметрами цвяхів 4.0, 5.0, 5.5 мм.

В другій серії 36 зразків: 24 сухих та 12 вологих, по три з'єднання для кожного рівня малоциклового навантаження. Зразки 2ЗЦ1-1.8 – 2ЗЦ3-1.4 з’єднувались 6-ма цвяхами діаметром 5,0 мм, всі інші зразки були з’єднані 5-ма цвяхами діаметром 5,0 мм., довжина цвяха в усіх випадках становила 150 мм. Нагельні з'єднання 2ЗЦ9-1.2в, 2ЗЦ10-1.0в, 2ЗЦ11-0.8в, 2ЗЦ12-0.6в були виготовлені для випробування на малоциклові навантаження при вологості деревини . Дослідні зразки були поміщені у посудину з водою на 24 год., де вони набрали необхідної вологості , після чого випробовувались на дію малоциклових навантажень. Зразки з’єднувалися 4-ма цвяхами діаметром 4,5 мм. Товщини крайніх елементів при цьому становили 25,0 мм, середніх – 30 мм.

Третя серія з 42 зразків для випробування болтових з'єднань з різними геометричними характеристиками. Зразки третьої серії 3ЗБ1–3ЗБ6, симетричні болтові з'єднання, були виготовлені зі змінною товщиною крайніх елементів 30; 35 та 40 мм, висотою 260 мм. Товщина середніх дощок у всіх болтових з'єднаннях прийнята становила 35 мм. Для з'єднань 3ЗБ1–3ЗБ3 були використані болти діаметром 6,0мм (по 4 болти в кожне з’єднання) класу міцності 5.8 загальною довжиною 130мм. Для з’єднань 3ЗБ4–3ЗБ6 використовувались болти діаметром 8,0мм (по 3 болти в кожне з'єднання) класу міцності 5.8 та загальною довжиною 160мм. Для з'єднань 3ЗБ7–3ЗБ10, несиметричні болтові з'єднання, були використані такі ж болти, але довжина болтів діаметром 6,0 мм становила 90 мм, при діаметрі 8,0 мм – 100 мм.

Випробування зразків першої та третьої серії проводили при вологості деревини сосни другого сорту W=12%, другої серії – W=12% та W=30%. При проведенні експериментальних досліджень фіксувалася зміна деформацій зсуву на кожному з рівнів.

Для виготовлення дерев’яних елементів з’єднань всіх серії була відібрана деревина сосна з шириною річних шарів 1-5 мм, без деструктивних пороків і загнивання. Для досягнення меншого розсіювання результатів випробувань, кожні три зразки-близнюки виготовлялися з однаковим складом дерев’яних елементів, тобто всі ліві елементи були виготовлені з однієї і тієї ж дошки-заготовки, середні – з другої, праві – з третьої. Таким чином в кожному окремому з’єднанні елементи виготовлялись із тих самих дощок. При виготовленні нагельних з’єднань в кінцях крайніх елементів були зроблені скоси на випадок перекосу середнього елемента при наближенні навантаження до руйнівного (рис.1).

а – товщина крайніх елементів,

с – товщина середнього елементу,

в – зазор між площинами елементів.

Для вимірювання деформацій взаємного зсуву елементів нагельних з'єднань першої та другої серії були використані індикатори годинникового типу ИЧ-10 з ціною поділки 0,01 мм, які були закріплені з протилежних сторін з’єднання. Прикріплення індикаторів виконувалось за допомогою кронштейна, який кріпився парою гвинтів до середнього елемента з’єднання. Для упору вимірювальних приладів використовувались накладні пристосування – столики, які пригвинчувались до деревини крайніх елементів шурупами (рис. 2.).

Випробування всіх з’єднань проводилось при стиску на машині Р-5 (рис.3). Для забезпечення необхідної точності експерименту шкала пресу при випробуваннях становила 25 кН і не перевищувала очікувану величину руйнівного зусилля більше ніж в 1,5-2 рази. Величина ступеню зростання зусилля при навантаженні всіх зразків при цьому була не більше 0,08 руйнівного зусилля Ft.

Вимірювання деформацій болтів при згині здійснювали за допомогою тензодатчиків з базою 20 мм, наклеєних посередині кожної з сторін болта. Для реєстрації показів датчиків використана тензометрична вимірювальна система СИИТ-3М. Деформації на кожному ступені фіксували двічі: відразу після прикладання навантаження та в кінці його 5…10-ти хвилинної витримки.

Перша та третя серії з’єднань були випробувані під дією вертикальної сили на одноразові навантаження з доведенням до руйнування (рис. 4). Навантаження на зразки прокладалося ступенями, величина ступеня навантаження на всі зразки становила ΔF1=1 кН. На початку та в кінці кожного ступеня знімалися покази індикаторів. Завантаження проводилось до тих пір доки середні деформації зсуву з’єднання досягали u=2,0 мм.

Оскільки навантаження лінійно-зростаюче, то тривалість часу t' зміни зусилля на величину одного ступеня ΔF1 приблизно становила 7-10 с. На кожному ступені навантаження проводилась витримка t'', яка складала приблизно 5…10 хв.

а) узагальнена діаграма роботи з'єднань на цвяхах;

б) зміна зусилля F в часі при випробування з'єднань з завантаженням ступенями

Друга серія зразків нараховувала 24 з’єднання, які випробовувались на малоциклові навантаження. З’єднання 2ЗЦ1-1.8, 2ЗЦ2-1.6, 2ЗЦ4-1.6, 2ЗЦ5-1.5, 2ЗЦ3-1.4, 2ЗЦ5-1.2, 2ЗЦ7-1.0, 2ЗЦ8-0.8, 2ЗЦ9-1.2в, 2ЗЦ10-1.0в, 2ЗЦ11-0.8в, 2ЗЦ12-0.6в піддавались впливу навантажень, при яких нижній рівень прикладання малоциклових навантажень становив hн=0, тобто Fhн=0. Верхній рівень небагаторазово повторних навантажень встановлювався на першому циклі завантаження для кожної групи зразків при різних деформаціях зсуву з’єднання за такими схемами:

• 2ЗЦ1-1.8 → ;
• 2ЗЦ2-1.6, 2ЗЦ4-1.6 → ;
• 2ЗЦ5-1.5 → ;
• 2ЗЦ3-1.4 → ;
• 2ЗЦ6-1.2, 2ЗЦ9-1.2в → ;
• 2ЗЦ7-1.0, 2ЗЦ10-1.0в → ;
• 2ЗЦ8-0.8, 2ЗЦ11-0.8в → ;
• 2ЗЦ12-0.6в → .

Тобто на першому циклі завантаження досягалась початкова необхідна деформація зсуву з’єднання при якій фіксувалось певне значення навантаження Fhв. З’єднання розвантажувалося до Fhн=0. Малоциклове навантаження прикладалось таку кількість циклів, доки сумарні деформації зсуву з’єднання не досягали Δu=2мм (рис. 5). При цьому для моделювання сумісної дії постійного та короткочасного вітрового навантаження загальний розрахунковий час навантаження – розвантаження складало 103…104 с.

Третій розділприсвячений теоретичним дослідженням несучої здатності цвяхових з'єднань дерев'яних конструкцій при одноразових навантаженнях та аналізу експериментальних досліджень цвяхових з'єднань дерев'яних конструкцій першої серії.

Доведено, що залежність " " за короткочасного навантаження при стиску цвяхових з'єднань дерев'яних конструкцій з постійною швидкістю зростання напружень, внаслідок появи пластичних деформацій, є нелінійною з самого початку навантажень. Із зростанням рівня навантажень кривизна діаграми " " збільшується.

Основними характеристиками деформативних властивостей цвяхових з'єднань є:

В основі запропонованої методики розрахунку несучої здатності центрально-завантажених нагельних з'єднань при дії одноразових статичних навантажень покладено використання початкового модуля податливості та коефіцієнта податливості з'єднання запропонованих автором на основі експериментально-теоретичних досліджень. Використовуючи приведене вище рівняння (2) можна визначити розрахункове значення несучої здатності нагельних з'єднань за умови досягнення граничних деформацій зсуву

де Т – розрахункове значення несучої здатності нагельного з'єднання;

D– гранична деформація з'єднання, рівна 2,0 мм.

Для визначення значень початкового модуля податливості з'єднання , та коефіцієнта податливості з'єднання рівняння (2) необхідно привести до рівняння прямої, яка прийме вигляд

з якого за допомогою методів статистики (методом найменших квадратів) визначаються коефіцієнти рівняння регресії а та b, які відповідають значенням .

Під час проведення випробувань цвяхових з'єднань фіксувалася вся можлива інформація про роботу дослідних зразків. Основними показниками, на які особливо зверталась увага при випробуваннях, були: руйнівне навантаження (несуча здатність з'єднання) та деформації взаємного зсуву елементів з'єднання. Втратою несучої здатності приймали навантаження, при якому деформація взаємного зсуву елементів нагельного з'єднання досягала граничного значення, яке становить Du=2мм.

На рис. 7 за результатами випробувань наведені графіки залежностей деформацій зсуву з'єднань в залежності від навантаження.

Встановлено, що найбільш раціональне використання матеріалів в цвяхових з’єднаннях досягається при співвідношеннях: для середнього елемента , для крайніх елементів . Звідси випливає, що ефективне значення співвідношення середнього до крайніх елементів складає , тобто товщина середньої дошки дорівнює сумарній товщині крайніх дощок.

На підставі обробки експериментальних даних при побудові графіків деформування нагельних з'єднань за дії статичного навантаження досліджена можливість описання їх функцією, яка б найточніше описувала залежність ( ) в межах граничного деформування. Експериментально-статистичні дослідження процесу деформування зсуву цвяхових з'єднань дерев'яних елементів підтвердили наявність лінійних кореляційних залежностей між січним модулем податливості з'єднання і навантаженням у випадку описання процесу деформування гіперболічною залежністю.

Діаграма деформування гіперболічного виду нагельного з'єднання, яка була побудована за результатами експериментальних досліджень (рис. 7) в подальшому знайшла підтвердження у статистично-математичному дослідженні і описана прямою регресії (рис. 8), з рівнянь отриманої прямої визначаємо:

Для систематизації отриманих дослідних даних, результати випробувань зведено в табл. 1, де в залежності від співвідношення а/с та діаметра нагеля наведені характеристики початкового модуля податливості нагельного з'єднання і коефіцієнта податливості .

Таблиця 1

Значення величин та для симетричних двозрізних цвяхових з'єднань

а/с

Діаметр цвяха, мм

4,5

5,5

, кН-1

, кН/мм

, кН-1

, кН/мм

1,15

-0,601

6,105

-0,607

6,249

1,0

-0,565

5,718

-0,614

6,315

0,85

-0,505

4,821

-0,621

6,388

0,70

-0,474

4,263

-0,634

6,400

0,55

-0,449

3,485

-0,673

6,469

В табл. 2 наводяться порівняння результатів експериментальних досліджень несучої здатності нагельних з'єднань статичним навантаженням із теоретичними отриманими за запропонованою методикою, а також порівняння з чинниминормативними документами та Eurocode5.

Таблиця 2

Порівняння дослідної і теоретичної несучої здатності центрально завантажених цвяхових з'єднань за дії одноразового статичного навантаження

№

п/п

Номер з’єднання

Ео,

кН/мм

b

Тexp,

кН

Т,

кН

d,

%

ТСНиП,

кН

d,

%

ТЕсоde,

кН

d,

%

1

1ЗЦ1

5,718

-0,565

1,688

1,533

9,2

0,953

43,5

1,732

-2,6

2

1ЗЦ2

4,937

-0,513

1,744

1,628

6,7

0,953

45,4

1,732

0,7

3

1ЗЦ3

4,705

-0,497

1,800

1,658

7,9

0,953

47,1

1,732

3,8

4

1ЗЦ4

4,475

-0,485

1,813

1,676

7,6

0,953

47,4

1,732

4,5

5

1ЗЦ5

4,263

-0,474

1,818

1,691

7,0

0,953

47,6

1,732

4,7

6

1ЗЦ6

3,792

-0,469

1,819

1,664

8,5

0,953

47,6

1,732

4,7

7

1ЗЦ7

6,249

-0,607

1,480

1,456

1,6

1,136

23,2

1,897

-28,2

8

1ЗЦ8

6,388

-0,621

1,520

1,430

5,9

1,083

28,8

1,886

-24,1

9

1ЗЦ9

6,400

-0,634

1,440

1,404

2,5

1,042

27,6

1,770

-22,9

10

1ЗЦ10

6,471

-0,672

1,360

1,335

1,8

1,008

25,9

1,681

-23,6

11

1ЗЦ11

6,615

-0,728

1,330

1,244

6,5

0,909

31,7

1,632

-22,7

12

1ЗЦ12

6,835

-0,795

1,270

1,165

8,3

0,606

52,2

1,265

0,4

13

1ЗЦ13

3,805

-0,619

1,438

1,333

7,3

0,848

41,0

1,636

-13,8

14

1ЗЦ14

4,566

-0,436

2,008

1,833

8,7

1,121

44,1

1,974

1,7

15

1ЗЦ15

6,018

-0,390

2,340

2,114

9,7

1,303

44,3

2,180

6,8

Отже, як показують результати обчислень (табл. 2), запропонована методика розрахунку симетричних цвяхових з'єднань дерев'яних конструкцій дозволяє скоротити насиченість цвяхами у 2…2,5 рази залежно від геометричних характеристик з'єднання, що призводить до зменшення кількості цвяхів та зменшення трудомісткості виготовлення з’єднань.

Методика розрахунку за чинними нормами стосовно нагельних з'єднань дерев'яних конструкцій дає великий запас міцності, оскільки занижує несучу здатність зразків. Тому у стиснуто-розтягнутих нагельних з'єднаннях, розрахованих за методикою чинних норм відбувається перевитрата матеріалів.Числові дослідження нагельних з'єднань на цвяхах з різними геометричними характеристиками, виконані за запропонованою методикою дозволяють отримати економію цвяхів і зменшити трудомісткість виготовлення з'єднань.

В четвертому розділі наведено експериментальні дослідження болтових симетричних та несиметричних з'єднань.

П’ятий розділ присвячено експериментально-теоретичним дослідженням цвяхових з'єднань за дії малоциклових навантажень. Був знайдений рівень малоциклового пристосування цвяхових з'єднань за вологості W=12%та W=30%. Критерієм для встановлення малоциклового пристосування за дії малоциклових навантажень є встановлення граничної кількості циклів малоциклових навантажень на матеріал чи конструкцію.Встановлено середнє значення кількості малоциклових навантажень які витримали симетричні з'єднання дерев’яних конструкцій на цвяхах (2ЗЦ1-1.8, 2ЗЦ2-1.6, 2ЗЦ3-1.4, 2ЗЦ4-1.6, 2ЗЦ5-1.5, 2ЗЦ6-1.2, 2ЗЦ7-1.0) залежно від верхнього рівня (рис. 11). Для нагельних з'єднань 2ЗЦ8-0.8 незначний приріст деформацій спостерігався протягом перших 120 циклів, а в подальшому пройшла стабілізація приросту деформацій зсуву (рис.12). З'єднання 2ЗЦ8-0.8 малоцикловим навантаженням завантажувалося 500 циклів, після чого з'єднання були зруйновані збільшенням одноразового статичного навантаження.Отже рівень навантаження є рівнем пристосування симетричних цвяхових з'єднань за вологості W=12% до малоциклового навантаження при співвідношенні середнього до крайніх елементів, яке рівне

Таким чином, відповідно до отриманих результатів досліджень, зміну несучої здатності нагельних з'єднань за дії малоциклових навантажень при рівнях – для нормальної вологості, та – для вологості W=30%, доцільно враховувати за допомогою коефіцієнта умов його роботи , на який необхідно множити мінімальне значення несучої здатності, визначеної за чинними нормами. При зазначених рівнях навантаження коефіцієнти умов роботи симетричних нагельних з'єднань за дії малоциклових навантажень становить: для сухих цвяхових з'єднань , при температурно-вологісних режимах експлуатації будівель А1, А2, Б1,Б2; для вологих цвяхових з'єднань .

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. Проведений аналіз існуючих досліджень напружено-деформованого стану нагельних з'єднань елементів дерев'яних конструкцій за дії одноразових статичних навантажень. Вплив малоциклових навантажень різних рівнів на несучу здатність нагельних з'єднань практично не вивчався, а досліджень нагельних з'єднань за різних режимів зовсім не проведено.
2. Запропоновано методику експериментальних досліджень нагельних з'єднань елементів дерев'яних конструкцій вздовж волокон за дії статичних та малоциклових навантажень.
3. Проведено експериментально-теоретичні дослідження центрально-навантажених нагельних з'єднань за дії статичних навантажень та отримано нові експериментальні дані про роботу таких з'єднань, що дає можливість проектувати елементи дерев'яних конструкцій з більш повним використанням міцнісних та деформативних властивостей.
4. Для описування процесу деформування нагельного з'єднання як за дії одноразових статичних, так і за дії малоциклових навантаженнях рекомендується користуватися гіперболічною залежністю, яка добре віддзеркалює зв'язок між величинами .
5. Запропоновано нову методику розрахунку несучої здатності нагельних з'єднань, в основі якої є використання початкового модуля податливості та коефіцієнта податливості з'єднання . Згідно з цією методикою було обчислено несучу здатність нагельних з'єднань на нагелях з різними геометричними характеристиками. Відношення теоретичних значень несучої здатності до експериментальних в середньому на 30% показали більшу збіжність в порівнянні з несучою здатністю обчисленою за діючими нормативними документами.
6. Встановлено, що при збільшенні діаметра болта складова деформування змінюється в сторону зменшення. Для болтів діаметром 6 мм деформування болтів становить 53…56% від загальної граничної деформації зсуву, яка становить 2 мм, при діаметрі болта 8 мм складова деформування болтів складає 31…33%, при цьому утворення шарніра пластичності не відбулося, оскільки нормальні напруження не досягли умовної межі текучості сталі.
7. В усіх сухих з'єднаннях, випробуваних за дії малоциклових навантажень, з рівнями, що відповідають деформаціям відбувалось руйнування з досягненням деформацій зминання . В цвяхових з'єднаннях з рівнями навантажень за дії таких навантажень після сто двадцятого циклу відбулась стабілізація сумарних деформацій зминання. Встановлено, що цей рівень навантаження є рівнем пристосування сухих цвяхових з'єднань до малоциклового стиску. Для вологих цвяхових з'єднань рівнем пристосування є рівень .
8. Розрахункову несучу здатність сухого симетричного цвяхового з'єднання за дії малоциклового навантаження при рівнях, що не перевищують , при температурно-вологісних режимах експлуатації будівель А1, А2, Б1,Б2, необхідно встановлювати з урахуванням впливу коефіцієнта умов роботи .
9. Запропонована методика розрахунку нагельних з'єднань дозволяє отримати економію нагелів до 40% і зменшити трудомісткість виготовлення з'єднань.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

1. Гомон С.С. Дослідження роботи з'єднань дерев'яних елементів на цвяхах за дії малоциклових навантажень / С.С. Гомон, В.І. Алексієвець // Вісник НУВГП: збірник наукових праць. – Рівне, 2007. – Вип. 4(40). – С. 239 – 244.
2. Гомон С.С. Дослідження з'єднань дерев'яних елементів на цвяхах із умови ефективності використання матеріалів / С.С. Гомон, В.І. Алексієвець // Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди: збірник наукових праць. – Рівне, 2008. – Вип. 16. – С. 117–122.
3. Гомон С.С. Визначення несучої здатності нагельного з'єднання за другою групою граничних станів / С.С. Гомон, В.І. Алексієвець // Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди: збірник наукових праць. – Рівне, 2008. – Вип. 17. – С. 131–138.
4. Гомон С.С. Робота з’єднань дерев’яних елементів на цвяхах за дії малоциклових навантажень / С.С. Гомон, В.І. Алексієвець // Сб. Современные строительные конструкции из метала и древесины. – Одеса, ООО “Внешрекламсервис”, 2008. –С. 26 – 31.
5. Гомон С.С. Несуча здатність нагельних з'єднань дерев'яних конструкцій за дії одноразових навантажень / С.С. Гомон, В.І. Алексієвець // Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди: збірник наукових праць. – Рівне, 2009. – Вип. 18. – С. 163–168.
6. Гомон С.С. Определение малоцикловой выносливости соединений древесины на гвоздях / С.С. Гомон, В.И. Алексеевец // Современные металлические и деревянные конструкции (нормирование, проектирование и строительство): сборник научных трудов. – Брест РУП «Институт БелНИИС», 2009. – С. 50–54.
7. Гомон С.С. Несуча здатність нагельних з'єднань дерев'яних конструкцій / С.С.Гомон, В.І. Алексієвець // Збірник наукових праць. Серія: галузеве машинобудування, будівництво. – Полтава, 2009. – Вип. 3(25)ч.3. – С. 5458.
8. Алексієвець В.І. Несуча здатність нагельних з'єднань дерев'яних конструкцій за дії статичних навантажень / В.І. Алексієвець // Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди: збірник наукових праць. – Рівне, 2009. – Вип. 19. – С. 61–66.
9. Гомон С.С. Малоциклове пристосування з'єднань дерев'яних елементів на цвяхах / С.С. Гомон, В.І. Алексієвець // Ресурсоекономні матеріали, конструкції, будівлі та споруди: збірник наукових праць. – Рівне, 2010. – Вип. 20. – С. 164–169.

АНОТАЦІЯ

Алексієвець В.І. Робота та розрахунок сталевих нагельних з'єднань дерев'яних конструкцій за повторних навантажень. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.01 – будівельні конструкції, будівлі та споруди. – Полтавський національний технічний університет імені Юрія Кондратюка, Полтава, 2011.

Дисертація присвячена вивченню впливу одноразових та малоциклових навантажень різного рівня на несучу здатність та деформативність цвяхових з'єднань дерев'яних конструкцій. Експериментально та теоретично досліджена робота таких з'єднань за різних режимів завантаження. Запропонована методика розрахунку несучої здатності цвяхових з'єднань.

Статистично підтверджено задовільну збіжність між теоретичними даними, отриманих за запропонованою методикою, і експериментальними даними автора. Розроблені рекомендації щодо практичного застосування запропонованої методики розрахунків.

Ключові слова: дерев’яні конструкції, нагельні з'єднання, малоциклові навантаження,несуча здатність, методика розрахунку.

АНОТАЦИЯ

Алексеевец В.И. Работа и расчет стальных нагельных соединений деревянных конструкций при повторных нагрузках. — Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.01 — строительные конструкции, здания и сооружения. — Полтавский национальный технический университет имени Юрия Кондратюка, Полтава, 2011.

Диссертация посвящена изучению влияния одноразовых и малоциклових нагрузок различного уровня на несущую способность и деформативность гвоздевых соединений деревянных конструкций. Экспериментально и теоретически исследована работа таких соединений при разных режимах загрузки. Предложенная методика расчета несущей способности гвоздевых соединений.

Статистически подтверждена удовлетворительная сходимость между теоретическими данными, полученными по предложенной методике, и экспериментальными данными автора. Разработаны рекомендации по практическому применению предложенной методики расчетов.

Во введении обоснована актуальность темы, приведена общая характеристика работы, ее научная новизна и практическая ценность.

Первый разделпосвящен обзору и анализу работ отечественных и зарубежных ученых, в которых изучалась работа нагельных соединений деревянных конструкций при разных режимах нагрузки, а также научных работ, посвященных проблеме исследования прочности и деформативности таких соединений.

Во втором разделе приведено описание опытных образцов, освещена методика и объем экспериментальных исследований. Для решения поставленных задач было изготовлено две серии образцов: в первой серии 45 гвоздевых соединений, во второй серий 36 гвоздевых соединений, в третей серии 42 образца болтовых соединений. Также в разделе приведены режимы нагружения образцов.

Втретьем разделе приведены и проанализированы основные результаты экспериментальных исследований образцов первой серии. Построены графики изменения деформаций гвоздевых соединений при одноразовых нагружениях. Предложена новая методика расчета несущей способности гвоздевых соединений, в основе которой является использование исходного модуля податливости и коэффициента податливости соединения.

В четвертом разделе представлены результаты экспериментальных исследований болтовых симметрических и несимметрических соединений. Экспериментально разделены деформации болта и древесины, построены диаграммы деформирования растянутой зоны болта, рассчитано процентное соотношение деформаций болта к общим деформациям всего соединения. Приведены численные исследования гвоздевых соединений.

Пятый разделпосвящен экспериментально-теоретическим исследованиям гвоздевых соединений второй серии за действия малоциклових нагрузок. Приведены диаграммы деформирования гвоздевых соединений при малоциклових нагрузках. Определены уровни приспособления сухих и влажных гвоздевых соединений к малоцикловому сжатию. Формулируются общие выводы.

Ключевые слова:деревянные конструкции, нагельные соединения, малоцикловые нагрузки, несущая способность, методика расчета.

ANNOTATION

Aleksievets V. Work and calculation of steel nail connections of wooden constructions under the action of the low-cycle loadings. — Manuscript.

Thesis for the Candidate’s Degree (Technical Sciences) in specialty 05.23.01 – building structures, buildings and constructions. — Poltava National Technical University named after Yuri Kondratyuk, Poltava, 2011.

The thesis is devoted to study the influence of the low-cycle loadings of different levels on bearing capacity and development of deformation of nail connections of wooden constructions. Experimentally and theoretically was investigated the work of such connections under the action on different regimesof the loading. Calculation methods of the oblique bearing capacity of nail connection were offered.

The satisfactory convergence of the experimental data, which obtained according the proposed methodology and the experimental data of the author was statistically proved. The recommendations on the practical usage of the offered methodology of the calculation were developed.

Key words:wooden constructions, nail connection, low-cycle|loadings,bearing capacity, method of calculation.