ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ БАЛОЧНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ LVL-БРУСА, АРМИРОВАННОГО СТЕКЛОТКАНЬЮ

Впервые клееную древесину начали использовать в производстве стрелкового оружия, в частности луков еще в XII веке в Японии. При это волокна склеиваемых слоев имели взаимно перпендикулярное направление. Также в египетских пирамидах, которые относятся к XVII веку, были найдены части трона, выполненного из склеенных между собой элементов древесины.

Сама же идея применения клееной древесины в строительных конструкциях принадлежит Отто Хертцеру из Веймара. Он испытывал небольшие рейки шириной по 35 миллиметров, зарегистрировав на них патент в 1906 году. Однако в начале XX века эта идея не получила развития из-за невозможности нормального склеивания слоев древесины. Все клеевые составы, известные на тот момент, не были достаточно устойчивы к влажности и перепадам температур.

Таким образом, к идее склеивания слоев древесины вернулись спустя целых 50 лет. Общепринятым мнением является то, что данный материал берет свое начало в 70-е годы ХХ века в Финляндии. С того времени он стал необычайно популярным и стал использоваться в строительстве домов и бань.

В странах с большими запасами дерева, в частности, в Северной Америке, начиная с 90-х годов XX века производство клееного бруса развивалось наиболее быстро.

Продолжением развития дощато-клееного бруса стало появление LVL-бруса (англ. LVL - Laminated Veneer Lumber). В этом случае слои древесины представляют собой не доски, а шпон (от немецкого späne – щепа.) - древесный материал, представляющий собой тонкие листы древесины толщиной от 0,1 до 10 мм. В Северной Америке в 2004г. доля дощато-клееного бруса в объеме клееной конструкционной древесины составляла примерно 35-40%, а LVL – 60-65%.

Целью работы являлась оценка целесообразности применения технологии армирования LVL-бруса композитными материалами с точки зрения ресурсосбережения и повышения прочностных характеристик, проведенная на основе проведенных теоретических и численных экспериментальных исследований.

Анализ описанных выше по тексту работы технологий проводился с точки зрения улучшения прочностных характеристик. Для этого было проведено сравнение расчетов, выполненных в программном комплексе Lira 10.6

При расчете задавалась балка длиной 4.5 м. длина выбрана для удобства сравнения с последующими натурными испытаниями. Тогда высота балки принимается:

                                                        (1)

Таким образом, высота балки принимается равной 400 мм.

Были испытаны три вида балок:

Обычный LVL-брус сечением 400х120 мм;

LVL-брус сечением 400х120 мм, усиленный стеклотканью в растянутой зоне, с частотой армирования ½ (на два слоя древесного шпона приходится один слой стеклоткани). Клеевое соединение в расчете не учитывались, связи между слоями шпона и стеклоткани задавались через узловые соединения;

LVL-брус, усиленный стеклотканью в растянутой зоне, армированный по краям в местах условной опоры плит перекрытий, ширина опорного участка δ = 50 мм (на два слоя древесного шпона приходится один слой стеклоткани) сечением 400х120 мм.

 Клеевое соединение в расчете не учитывались, связи между слоями шпона и стеклоткани задавались через узловые соединения.

Для определения разрушающих напряжений произведем инженерный расчет каждой из балок по СП 64.13330.2017 «Деревянные конструкции».

Данный вид конструкции представляет собой балку на двух опорах, соответственно, работает на изгиб. Расчет изгибаемых элементов, обеспеченных от потери устойчивости, на прочности по нормальным напряжениям следует выполнять по формуле:

                                                           (2)

где  

– наибольший изгибающий момент, возникающий в сечении, ;

 – расчетный момент сопротивления поперечного сечения элемента, м3;

 – расчетное сопротивление изгибу, МПа.

Расчетная схема испытываемой конструкции – балка на двух опорах, следовательно, максимальный изгибающий момент находится по формуле:

                                                      (3)

где   

– наибольший изгибающий момент, возникающий в сечении, ;

 – распределенная сила, направленная перпендикулярно поперечному сечению, ;

 – расчетная длина элемента, м.

Отсюда можно найти разрушающую нагрузку для испытываемой балки:

                                                        (4)

Для определения момента сопротивления поперечного сечения элемента для каждого вида балок задаем искомые сечения со всеми необходимыми характеристиками материалов в ПК Lira 10.6.

В результате проведения нелинейного расчета установлена разрушающая нагрузка для каждого вида исследуемых балочных конструкций. Установлено, что пластические деформации в усиливаемый сечениях возникают при значительно больших нагрузках. Общий результат всех произведенных испытаний представлен в таблице 1.

Таблица 1.

Результаты проведенных испытаний

В результате проведенного расчета сделаны следующие выводы:

LVL-брус, усиленный по всей ширине сечения, имеет прочность на 60 % больше, чем у не усиленного LVL-бруса;

LVL-брус, усиленный в местах условного опирания плит покрытий, имеет прочность на 54 % больше, чем у не усиленного LVL-бруса.

Список литературы:

1. Рощина С.И., Лисятников М.С., Лукин М.В., Кощеев А.А. Деревянные балки с армированием по криволинейной траектории // Инженерно-строительный журнал. – 2018. - №3. – С. 190-201.
2. Рощина С.И., Лисятников М.С., Лисятникова М.В., Стрекалкин А.А., Грибанов А.С. Развитие области применеия стеклокомпозитов в деревянных конструкциях // Бюллетень строительной техники. – 2017. - №5. – С. 36-40.