УДК 691.328

Анализ влияния на прочность соединения дерево-бетонной конструкции с помощью различных методов

Доу Жуовэй – магистрант кафедры строительства Санкт-Петербургского государственного архитектурно-строительного университета.

Гэн Хайбо – бакалавр факультета математики и естественных наук Пекинского университета химических технологий (г. Пекин, Китай)

Аннотация: В данной статье рассмотрен анализ влияния на прочность соединения дерево-бетонной конструкции на основе применения различных методов оценки. Изучено изготовление древесно-бетонной композитной конструкции, а также установку винтов. Рассмотрен структурный анализ, который представлен методами линейного и нелинейного анализа. Рассмотрен метод испытания в нагрузочное устройство. Метод, используемый автором, заключается в детальном обозначении каждого дефекта, вплоть до точного номера контрольного образца под данным углом.

Ключевые слова: влияние, анализ, дерево-бетонная конструкция, прочность, способность, жесткость.

Комбинированные дерево-бетонные конструкции могут эффективно обеспечивать более высокую несущую способность и жесткость в сочетании при одновременном улучшении эксплуатационных характеристик здания и снижении его веса. Конструкции из композитного материала на основе дерево-бетона в значительной степени зависит от прочности соединения работающего на сдвиг и непосредственно способа соединения деревянной части с верхней бетонной частью конструкции. Соединение на конструкционных саморезах представляет собой одно из возможных решений, которое обеспечивает достаточную прочность соединения при работе конструкции при сохранении стоимости строительства в приемлемых пределах. В данной работе проведен анализ влияния на прочность соединения дерево-бетонной конструкции работающего на сдвиг в зависимости от угла наклона установки конструкционных саморезов в перекрестно клеевые деревянные элементы и монолитную бетонную часть конструкции. В данном исследовании использовано два основных метода: аналитический, с применением программного комплекса на основе конечных элементов и лабораторный эксперимент [5, с.20].

Рассмотрим изготовление древесно-бетонной композитной конструкции, а также установку винтов.

При обработке выталкиваемых образцов комбинации деревобетонных болтов обработка болтов очень важна, и этот процесс влияет на несущую способность выталкиваемых частей на сдвиг. Диаметр предварительно просверленных отверстий контролируется так, чтобы он был на 1 мм меньше диаметра болта (для этого необходимо использовать сверло на 1 мм меньше диаметра болта), а глубина предварительно просверленных отверстий составляла всего 30 мм. Необходимо использовать электрическую дрель, чтобы вкрутить болты в клееный блок.

Для изготовления бетона выдвижной части комбинации дерево-бетонного болта используется деревянная опалубка, а для формирования опалубки ДСП. Бетонная опалубка показана на рисунке 1.

Рисунок 1. Бетонная опалубка

Далее осуществляется заливка бетона. Сформированный бетон вводится в бетонную опалубку, Вибрируется с помощью вибростола и после выравнивания выдерживается в течение 28 суток [4, с.1891].

Проведем экспериментальное исследование характеристик сдвига древесно-бетонной композитной конструкции. В данном исследовании используется самоприготовленный бетон. Расчетная марка прочности бетона - С25. В качестве сырья для бетона используются речной песок, галька и обычный цемент марки М400. При заливке бетона в арболитовый образец было залито 6 тестовых блоков размером 100×100×100 мм. Испытательный блок отверждался в тех же условиях, что и композитный образец арболитового болта. Прочность бетона на сжатие образца измерялась в день его запуска на испытания, которую использовали в качестве значения прочности бетона на сжатие арболита.

Образец бетона необходимо поместить на нижнюю прижимную плиту или площадку испытательной машины. Несущая давление поверхность образца должна быть перпендикулярна к верхней поверхности бетона при его формировании. Центр образца и нижняя плита испытательной машины должны быть выровнены. Далее необходимо запустить испытательную машину, и когда верхняя плита и образец приблизятся друг к другу, отрегулировать седло шара так, чтобы они находились в сбалансированном контакте. При загрузке принять скорость нагружения 0,8 МПа/с и нагружать с постоянной скоростью. Если образец подвергается быстрому повреждению или деформации, дроссель испытательной машины следует остановить для регулировки до тех пор, пока образец не будет поврежден, и следует записать повреждающую нагрузку.

Испытание монотонной статической нагрузкой проводится в соответствии со стандартом нагрузки и делится на два этапа: предварительное испытание и основное испытание. Во время предварительного испытания к верхней поверхности деревянного бруска прикладывалась нагрузка под контролем силы. Нагрузка добавляется до 0,4Fest — это прогнозируемая предельная несущая способность на сдвиг, полученная посредством численного расчета методом конечных элементов), а затем сохраняется в течение 30 с. Затем разгружают до 0,1 Fest и проводят основное испытание через 30 секунд после разгрузки, при выполнении основного испытания используют два метода контроля силы и контроля смещения. При нагрузке от 0,1 Fest до 0,8 Fest используют контроль силы, а затем используется контроль смещения.

Далее необходимо приложить нагрузку к верхней поверхности деревянного бруска. Если в процессе нагружения возникнет одно из следующих трех условий, испытание будет немедленно остановлено: (1) Когда нагрузка упадет до 80% от предельной нагрузки, (2) Если образец серьезно поврежден, (3) Когда скольжение на границе раздела древесины и бетона достигает 15 мм.

Все компоненты в этом тесте проводятся на универсальной испытательной машине. В процессе нагрузки, когда нагрузка ниже 0,7 Fest, скорость скольжения должна контролироваться на уровне 0,2 Fest/мин±25%. После того, как нагрузка достигнет 0,7 Fest, скорость скольжения следует контролировать, чтобы она достигла 15 мм в течение 3–5 минут (общее время нагружения должно составлять 10–15 минут). Нагрузка должна быть прекращена, когда испытательная нагрузка достигает предельной нагрузки или когда толщина компонента достигает 15 мм. Для специальных испытаний от предварительной нагрузки можно отказаться, чтобы время испытания не превышало 15 минут [2. с.50].

Структурный анализ включает в себя линейный анализ и нелинейный анализ. Структурный линейный анализ предполагает, что определяющая взаимосвязь материала находится в упругом состоянии, в то время как структурный нелинейный анализ включает геометрическую нелинейность, материальную нелинейность и нелинейность состояния. Геометрическая нелинейная задача вызвана большим смещением или деформацией конструкции, и уравнение равновесия необходимо определить в соответствии с геометрическим положением после деформации. Материальная нелинейная задача вызвана нелинейной зависимостью напряжения от деформации самого материала.

В центре внимания вышеупомянутой нелинейной задачи находится решение нелинейной системы уравнений равновесия. Как правило, люди используют численные методы для решения нелинейных уравнений, и методы решения можно грубо разделить на три категории: метод прямой итерации, метод простого приращения и метод самокорректирующегося приращения.

Чтобы понять влияние различных углов наклона болтовых соединений в древесно-бетонной композитной конструкции на общий образец, а также изучить контактную поверхность дерева и болтовых соединений, древесно-бетонная композитная конструкция будет использовать метод монотонного статического нагружения с максимальной несущей способностью при сдвиге, а сам образец будет подвергнут конечно-элементному анализу.

Для моделирования стартового образца конструкции из комбинации дерево-бетон с болтами в модели используется трехмерный твердотельный модуль SOLID186 для соединителей из дерева, бетона и болта. Соединение между деревом и болтом, бетоном и болтами моделируется контактным блоком CONTA174 и целевым блоком TARGE170. Независимо от что касается связи между деревом и бетоном, то считается, что дерево и бетон соединяются соединительными деталями.

Наш метод заключается в детальном обозначении каждого дефекта, вплоть до точного номера контрольного образца под данным углом. Затем необходимо определить, оказывает ли это существенное влияние на производительность тестового блока после проведения эксперимента. Некоторые CLT-материалы также имеют внутри дефекты – сучки. Когда мы врезали шурупы в материал, мы обнаружили, что в некоторых местах шурупам трудно проникнуть глубоко. Мы прибегли к использованию гаечного ключа, чтобы медленно вкрутить винт в материал [1, с.70].

В целом можно сделать вывод, что прежде чем сделать вывод о прочности дерево-бетонной конструкции необходимо провести анализ на основе применения различных методов и испытаний, чтобы определить точные данные экспериментальных материалов.

Список литературы

1. Абдрахманов И. С. Прочность и деформативность деревожелезобетонных изгибаемых элементов элементов при статических и повторных нагружениях: доктор технических наук. Москва. 2009. 340 с.
2. Белуцкий И. Ю. Исследование работы связующих элементов на вклееной основе для деревожелезобетонных мостов. Москва. 1977. 231 с.
3. Джубисси Д.Д., Мессана, Фурнели Э., Коннектикут и др. Экспериментальное исследование механического поведения срезных соединений древесины и бетона с резьбовыми соединительными стержнями. Enginecring 2018. C. 997-1010.
4. Скиннер Дж., Брегулла Дж., Ханис Р. Резьбовые соединители для тонкого покрытия. Древесно-бетонныекомпозиты. Материалыиконструкции. 2014. № 47(11). С. 1891-1899.
5. Oudjene M, Meghla E M, Ait-Aider H, et al. Nonlinear finite element modelling of the structural behaviour of screwed timber-to concrete composite connections. Composite Structures. С. 20-28.