ИСПЫТАНИЕ ДЕРЕВЯННОЙ ФЕРМЫ С СОЕДИНЕНИЯМИ НА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ЗУБЧАТЫХ ПЛАСТИНАХ

 

Грачев В.А., Найштут Ю.С. (СамГАСА, г. Самара, РФ)

        

         This paper covers test results of wooden trusses with gang-nail connections. Theoretical and experimental values of displacements and stresses are compared.

 

Широкое внедрение в строительную практику нашей страны современных западных технологий и, в частности, прогрессивных средств соединения деревянных конструкций выявило проблемы с сертификацией такой продукции, связанные с отсутствием или неполной разработкой отечественных стандартов и других нормативных документов.

В Самарской области в настоящее время рядом фирм освоено производство сборных деревянных домов, в конструкциях которых нашли применение металлические зубчатые пластины (МЗП).

Как известно, этот тип соединений, изобретенный в ХХ веке в США и названный как «gang-nails», сегодня стал одним из основных индустриальных средств соединения дощатых и брусчатых конструкций.

Применительно к фермам эти соединения чаще именуют «truss plates» и не только в Европе, но и в самой Америке.

В нашей стране исследованиями и внедрением этих средств соединений занимались многие научные школы. В результате этих работ в 80-ые годы ХХ века ведущей научно-исследовательской организацией бывшего СССР – ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко – были опубликованы рекомендации по испытанию и расчету соединений на МЗП, которые могут служить основой для разработки соответствующих стандартов и норм.

Вместе с тем, очень многие для практики вопросы в этих документах оказались неразработанными вообще, например, работа на поперечный изгиб, либо неполно, что требует проведения дополнительных исследований.

Инженерная методика расчета МЗП, изложенная в этих рекомендациях, по условию смятия древесины дает необоснованно большие запасы прочности, а классические формулы по определению прогибов деревянных ферм на МЗП с предположениями о шарнирности узловых сопряжений оказываются несправедливы. Традиционное представление о податливости нагельных соединений при использовании в конструкциях соединений на МЗП оказывается верным лишь при очень высоких уровнях напряжения.

Все эти вопросы возникли при разработке методики, подготовке и проведении статических испытаний строительных деревянных конструкций с соединениями на МЗП, входящих в комплект жилого сборного дома.

Следует отметить, еще одну проблему, с которой приходится сталкиваться всякий раз, когда речь идет о соединениях деревянных конструкций – это большое многообразие самих металлических зубчатых пластин и фирм, которые их предлагают сегодня на рынке.

За рубежом многие из сформулированных выше вопросов, так или иначе, разрешены. В США даже создан специальный институт – Truss Plates Institute Inc., который занимается изучением этих проблем.

Прежде чем приступить к статическим испытаниям деревянных конструкций с соединениями на МЗП была проведена серия пробных испытаний образцов, работающих на центральное растяжение, чистый сдвиг и чистый изгиб. При разработке схем испытания узлов пришлось воспользоваться некоторыми полезными рекомендациями ЦНИИСК, а также стандартами западных стран. Полученные в ходе этих предварительных испытаний сведения о деформативности прочности узловых соединений использовались в последующем при разработке методики испытания деревянной фермы, а также в численном моделировании ее поведения при ступенчатом нагружении возрастающей статической нагрузкой.

Фирма, производящая деревянные фермы, при проектировании и изготовлении этой конструкции пользовалась расчетными программами, поставленными в комплекте с автоматизированным импортным оборудованием, а также услугами финских специалистов, помогавших осваивать новые технологии изготовления и проектирования.

Эти расчетные программы, основанные на методе конечных элементов, к сожалению, не были адаптированы к нормам и стандартам России, а опирались на нормы стран Общего рынка (Еврокод). Такова тенденция мирового промышленного производства, в орбиту которой наша страна пока еще только пытается вписаться. Указанные обстоятельства потребовали выполнения поверочных расчетов в соответствии с нашими строительными нормами и правилами на основе уже разработанной проектной документации.

Геометрическая и расчетная схема треугольной фермы показана на рис.1.

 

 

Рисунок 1

 

По проекту оба пояса фермы испытывают действие равномерно распределенной нагрузки различной интенсивности.

При выполнении статических расчетов на ЭВМ с использованием программного комплекса COSMOS/M Designer v.2 были рассмотрены различные варианты узловых соединений фермы - жесткие, шарнирные и частично шарнирные.

Поводом к этому послужили результаты испытания образцов, показавших высокую жесткость соединений, а также то, что финские специалисты в своей расчетной модели этой фермы ограничились лишь одним коньковым шарниром.

С другой стороны, численное моделирование потребовалось также для обоснования статически эквивалентной схемы нагружения фермы узловой сосредоточенной нагрузкой.

На рис.2 представлена схема испытания деревянной фермы.

 

 

 

Рисунок 2

 

Испытания строительных конструкций проводились в одной из лабораторий ЦСКБ «Прогресс».

Ферма испытывалась в горизонтальном положении с закреплением ее на силовом полу. В процессе испытания по измерительным приборам (индикаторам, прогибомерам, датчикам перемещений и тензорезисторам) контролировались деформации и перемещения всех элементов.

Оценка напряженно-деформированного состояния элементов конструкции производилась с помощью ЭВМ в процессе самого нагружения.

Методика испытания фермы основывалась на рекомендациях ЦНИИСК.

Испытания этой деревянной фермы с соединениями на МЗП показали, что жесткость таких ферм не может быть оценена точно по обычной шарнирной схеме. Погрешность такого расчета достаточно велика и для данной фермы давала вдвое завышенное значение прогиба.

Расчетная схема, используемая финскими специалистами, ближе к экспериментальным данным. Очевидно, к таким заключениям они пришли, проведя у себя аналогичные эксперименты и подобрав на основе их подходящую расчетную схему.

Из наших численных экспериментов была выбрана другая расчетная схема с четырьмя шарнирами – по углам треугольника и в середине нижнего пояса, которая также хорошо согласовывалась с данными эксперимента.

Характер и значения наибольших нормальных напряжений в поперечных сечениях элементов фермы практически не зависел от выбора расчетной схемы и хорошо согласовывался с теорией.