CC BY
20
Цели и задачи эксперементальных исследований работы на сдвиг
нагельного соединения
А. С. Кавелин Ростовский государственный строительный университет
Аннотация: В данной статье говорится об экспериментальных исследованиях, проводимых для изучения нагельного сцепления и выяснения взаимосвязи несущей способности соединения от материала и вида гвоздя, соединяемых элементы. Ключевые слова: деформативность, прочность, гвозди, нагель, несущая способность, деревянные конструкции.
До нашего времени экспериментально не изучены положения о деформативности и прочности креплений с помощью гвоздей древесных изделий [1, 2, 3, 4] с такими материалами, как волокнистые и цементно-стружечные плиты, а также с гипсокартоном. Исходя из этого, весьма проблематично давать прогнозы о несущих свойствах конструкции, которая в основном заложена в деформативности и прочностных качествах соединений
[5].
В США есть нормы, в соответствии с которыми оценивается несущая способность гвоздевых соединений, заключённых в стене. Эти нормы -ЛБТМ Б 1037 и ЛБТМ Б 1761 (рис.1). Для всех рассматриваемых ситуаций о выявлении несущей способности гвоздевых соединений рекомендуется стандарт ЛБТМ Б 1761, в котором регламентированы испытательные работы по сдвигу сцепления сегмента ребра панели из дерева с сегментом обшивки.
Главным итогом эксперимента является изучение работы на сдвиг нагельного сцепления ребра стеновой панели из дерева с обшивками из разнообразных материалов, а также применение различных видов нагелей. В результате необходимо выяснить взаимосвязь несущей способности соединения от вида гвоздя и от материала соединяемых элементов.
Перемещение
Рис.1. - Стенд для испытания работы на сдвиг гвоздевого соединения
по ЛБТМ Б 1761
Разработка приспособлений и выбор оборудования для проведения испытаний.
При проведении испытаний сцеплений деревянного ребра и обшивки использовался заранее подготовленный стенд (рис.2), который состоит из жёстко заделанного в основание швеллера №18 (находится в вертикальном положении). В свою очередь, к вертикальному швеллеру прочно присоединено ребро, также вертикально расположенное, которое представляет собой деревянный брусок с размерами 50х200х1500 мм (4). К ребру, гвоздём (3), прибивается сегмент обшивки размерами 150x150 мм (2) . К верхней - присоединяется уголок на болтах, на который крепится индикатор часового типа (цена деления 0,01мм) (1), а к обшивке в нижней части крепится подвесная люлька для грузов (5). Индикатор неподвижно присоединён к швеллеру.
Выполнение испытаний с различными типами обшивок и гвоздей
В испытании были применены обшивки, состоящие из фанеры, толщина которой 8мм,м волокнистой плиты (ВП) толщиной 7мм и цементно-стружечной плиты (ЦСП) толщиной 16мм, а также гипсокартона (ГК) с толщиной 12мм и ориентированно-стружечной плиты (ОСП) с толщиной 10мм. Для крепления обшивки с ребром были использованы такие гвозди, как:
- гладкий гвоздь Ь = 70мм, d = 3мм
- крученый гвоздь Ь = 70мм, d = 3мм
- квадратный гвоздь Ь = 70.7мм, d = 3мм
- ершеный гвоздь Ь = 70мм, d = 4мм
Было осуществлено по 5 экспериментов для каждого вида гвоздя поочерёдно с каждой из выше указанных видов обшивок. В итоге всё количество проведенных испытаний составило 100 раз.
Загружение составило от 0 до 80кг - максимум, это зависело как от типа гвоздя, так и от вида обшивки. Выбранный шаг - 5кг бал использован вплоть до того момента, пока деформативность данного сцепления не становилась строго линейной функцией.
В процессе испытаний, благодаря индикатору часового типа, было произведено измерение деформаций сдвига. Показания с прибора записывались с интервалом 10сек после каждого шага загружения.
Во время первого этапа были сделаны испытания о соединении фанеры и древесины благодаря гвоздю гладкого типа. Эти испытания проводились с той целью, чтобы сравнить результаты, полученные во время эксперимента с данными других экспериментаторов. Данный сравнительный анализ показал положительные результаты. Затем, сделав выводы о правильности исследований [6, 7], были продолжены испытания с иными материалами для обшивки и различными типами гвоздей. Такие испытания были проведены впервые.
Обработка результатов эксперимента и построение графиков По данным эксперимента [8, 9] для деформации сдвига, была проведена статистическая обработка, которая дала средние арифметические значения X, исправленную статистическую дисперсию 8Х и стандарт БХ для каждого измерения.
По средним значениям X построены графики, которые показывают зависимости деформаций сцеплений относительно величины прикладываемой нагрузки.
Нахождение коэффициентов, определяющих несущую способность соединения
Графики с зависимостью деформаций сцепления и величины прикладываемой нагрузки выражены в виде функции (1) :
и = э^Р+ЬР + с (1)
С помощью метода наименьших квадратов для каждого из случаев подбирались коэффициенты а ,Ь и с, значения которых, для всевозможных видов обшивок и гвоздей, указаны в таблице №1.
Для того чтобы сравнить результаты были построены графики, полученные по результатам экспериментов определенного гвоздя с различными материалами обшивок (рис.3), и по результатам испытаний определенной обшивки с гвоздями различного типа (рис.4).
— фанера -ВП
-ЦСП
гк
— осп
0 1 2 3 4 5 6
Перемещение, мм
Рис.3. - Результаты испытаний гладкого гвоздя с различными материалами обшивок
— гв.гпад
— гв.круч
— гв.квадр -гв.ерш
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2
Рис.4. - Результаты испытаний фанеры с различными гвоздями
Таблица № 1
Коэффициенты а ,Ь и с для обшивок и гвоздей
Коэф-т Квадратный Крученный Ершеный Гладкий
Цементно- a 76,21 42,97 29,33 60,45
стружечная Ь 4,58 25,98 27,25 13,02
плита с -10,27 -4,19 0,60 -6,49
a 77,31 80,05 68,27 105,57
Фанера Ь 3,56 7,15 16,81 -28,17
с -10,44 -11,57 -7,65 -19,16
Гипсокар-тон a 50,69 41,26 29,81 42,89
Ь -5,27 4,50 9,34 -3,33
с -9,87 -3,66 -6,47 -16,62
Волокнис- a 138,59 97,66 91,49 76,42
тая плита Ь -11,51 14,72 21,13 30,24
с -31,53 -17,64 -19,70 -12,94
Ориенти- a 115,55 134,60 77,96 114,07
рованно-стружеч-
Ь -20,71 -36,34 10,77 -35,69
ная плита с -20,71 -28,05 -12,05 -24,12
Существует специальная программа для ПК, которая позволяет отыскать значение смещений для дискретных связей и величины усилий сдвига. Это позволяет находить различные варианты сочетания числа гвоздей и их расстановки.
Если подставлять в программу функции, которые получены в ходе испытаний, для всевозможных сочетаний материала обшивки и вида
гвоздей, можно найти деформативность соединения и значения усилий в гвоздях.
Выводы
1. Качественная схожесть показаний испытаний на сдвиг сцеплений деревянного ребра панели и фанерной обшивки, которые скреплены гладким и круглым гвоздем, с аналогичными показателями заграничных экспериментаторов [9]. Это схожесть позволила принять методику проведения испытания корректной и далее распространить ее на случаи с использованием уже абсолютно иных материалов, ну и, следовательно, гвоздей.
2. В случае использования разных типов гвоздей и различных материалов обшивок были получены результаты несущей способности нагельных соединений. Сравнив результаты, можно сделать вывод о том, что материал обшивки и тип гвоздя влияют на несущую способность соединений, который нужно учитывать при проектировании деревянных конструкций.
3. По результатам проведенного исследования были получены зависимости от эксперимента «нагрузка - перемещение». С помощью простых полиномов, форма которых зависит от материалов обшивок и типов гвоздей удалось аппроксимировать зависимости.
Литература
1. Ашкенази Е.К. Анизотропия древесины и древесных материалов. М: Лесная промышленность, 1978. -224с.
2. В.М. Лукашевич, К. А. Корнилов. О взаимосвязи подготовительных и основных работ на лесозаготовках // Инженерный вестник Дона, 2012, №4 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4p2y2012/1416.
3. Cockrell, R.A. A Study of the Screw-holding Properties of Wood. Technical Bulletin 44, New York State College of Forestry 1933. P. 45
4. Вержбовский Г.Б., Еременко Н.Н. Стыковое соединение панелей. - А.С. 95108367/03 от 22.05.95. - Бюл. №16. - 1998.
5. Щуцкий С. В., Кавелин А. С. К расчету гвоздевых соединений в элементах деревянных конструкций URL: elibrary.ru/item.asp?id=21219123.
6. Коченов В. М. Экспериментально-теоретические исследования деревянных конструкций. - М.: ГОНТИ, 1938. 239 с.
7. Щуцкий С.В. Экспериментально-теоретические исследования составных пространственных покрытий из повторяющихся блоков. РГСУ. Дисс. на соискание ученой степени кандидата технических наук. - 147с.
8. Кавелин А.С. Несущая способность гвоздевых соединений элементов деревянных стеновых панелей: Автореферат канд. тех. наук. - Ростов-на-Дону., 2004. - 13с.
9. Д.А. Баранова. Математическая модель деформирования подкрепленных оболочек вращения при учете различных свойств материала // Инженерный вестник Дона, 2012, №2 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2012/745.
10. Tuomi R.L. and Gromala D.S. Racking Strenght of Light-Framr Nailed Walls. Journal of the Structural Division, ASCE, Vol. 104, No. ST7, July, 1978, pp. 1131-1140.
References
1. Ashkenazi E.K. Anizotropija drevesiny i drevesnyh materialov [Anisotropy of wood and arboreal materials]. M.: Lesnaja promyshlennost', 1978. 224p.
2. V.M. Lukashevich, K.A. Kornilov. Inzhenernyj vestnik Dona (Rus), 2012, №4 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4p2y2012/1416.
3. Cockrell, R.A. A Study of the Screw-holding Properties of Wood. Technical Bulletin 44, New York State College of Forestry 1933. P. 45
4. Verzhbovskij G.B., Eremenko N.N. Stykovoe soedinenie panelej [Butt connection of panels]. A.S. 95108367/03 ot 22.05.95. Bjul. №16, 1998.
5. Shhuckij S. V., Kavelin A. S. K raschetu gvozdevyh soedinenij v jelementah derevjannyh konstrukcij [To the calculation of nail connections in the elements of timber-works]. URL: elibrary.ru/item.asp?id=21219123
6. Kochenov V. M. Jeksperimental'no-teoreticheskie issledovanija derevjannyh konstrukcij. [Experimental and theoretical researches of wooden designs]. M.: GONTI, 1938. 239 p.
7. Shhuckij S.V. Jeksperimental'no-teoreticheskie issledovanija sostavnyh prostranstvennyh pokrytij iz povtorjajushhihsja blokov [Experimental-theoretical researches of component spatial coverages from repetitive blocks]. RGSU. Diss. na soiskanie uchenoj stepeni kandidata tehnicheskih nauk. 147p.
8. Kavelin A.S. Nesushhaja sposobnost' gvozdevyh soedinenij jelementov derevjannyh stenovyh panelej [The bearing ability of nail joints of elements of wooden wall panels]: Avtoreferat kand. teh. nauk. Rostov-na-Donu, 2004. 13p.
9. D.A. Baranova. Inzhenernyj vestnik Dona, 2012, №2 URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n2y2012/745.
10. Tuomi R.L. and Gromala D.S. Racking Strenght of Light-Framr Nailed Walls. Journal of the Structural Division, ASCE, Vol. 104, No. ST7, July, 1978, pp. 1131-1140.
