Разработка и исследование узловых соединений древесины перекрестноклееной на винтах, в том числе для многоэтажных зданий

Введение

Древесина перекрестноклееная (ДПК/CLT) является новым для России материалом, состоящим из ортогонально склеенных слоев из досок. ДПК/CLT позволяет строить здания из несущих деревянных панелей (стеновые панели, плиты перекрытия и покрытия), в том числе многоэтажные.

Прочность и деформативность соединений панелей из ДПК/CLT играют важную роль в обеспечении прочности и жесткости несущего каркаса здания. Например, жесткость перекрытия, работающего в качестве диафрагмы, и стен здания при сопротивлении боковым нагрузкам зависит от конструктивных особенностей узловых соединений, используемых для их крепления. Расчет узловых соединений особенно важен в многоэтажных зданиях и при строительстве в районах с сейсмической активностью.

На сегодняшний день в Сводах правил по деревянным конструкциям отсутствует методика расчета несущей способности узловых соединений ДПК/CLT на винтах, учитывающая особенности конструкции древесины перекрестноклееной, связанных сортогональным расположением досок в слоях.

В Европе и Северной Америке проводились исследования узловых соединений ДПК/CLT. Результаты исследований приведены в работах [1–14].

Несмотря на большое количество исследований соединений ДПК/CLT, в европейских и североамериканских нормах проектирования отсутствуют данные в части пластической работы, коэффициентов запасов прочности и характера разрушения используемых соединений.

Цель и методика исследования

Целью работы являлось определение несущей способности, жесткости и пластичности узловых соединений ДПК/CLT с учетом конструктивных особенностей древесины перекрестноклееной.

Исследование выполнялось в соответствии с методикой, разработанной на основе ГОСТ 33082-2014 и анализе зарубежной научно-технической и нормативной базы [1–14].

Описание исследования

Исследования проводились на базе лаборатории несущих деревянных конструкций ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко при государственном финансировании.

В результате анализа мировой практики применения узловых соединений ДПК/CLT на винтах были определены основные типы используемых соединений.

На основании установленных наиболее распространенных решений узловых соединений панелей ДПК/CLT были изготовлены серии образцов для их последующих испытаний с вариацией по количеству слоев и диаметру винтов.

Конструкции образцов для рассматриваемых типов соединений приведены на рис. 1–3.

В табл. 1 приведены параметры узловых соединений, для которых определялись характеристики прочности и деформативности.

Для образцов соединений типов «внахлест», «с прокладкой» и «с накладкой» использовались винты с неполной резьбой, в типах «встык» и «угловой» (с наклонными винтами) – винты с полной резьбой.

Проведены серии испытаний экспериментальных образцов, направленных на определение несущей способности и деформативности узловых соединений ДПК/CLT на винтах в соответствии с методикой исследований.

Испытания соединений проводили возрастающей нагрузкой с доведением образцов до раз­рушения. Нагрузку прикладывали ступенями (че­рез равные ступени возрастания нагрузки) домкратом (5 т) с периодической разгрузкой с измерением полных деформаций и их разности на каж­дой ступени для определения предела упругой работы соединения. Величина ступени составляла 0,08—0,10 разрушающего усилия N_мах. Приложение нагрузки на образец равными ступенями проводили с постоян­ной скоростью нагружения в пределах от 2 до 10 мм/мин.

В процессе нагружения фиксировали значения нагрузок и текущее время испытаний. Типовая диаграмма и обозначения фиксируемых величин при ступенчатом нагружении представлены на рис. 4.

Приборы для измерения осевых деформаций соединения устанавливались симметрично с обеих сторон образца по два индикатора на каждое место объединения элементов. Цена деления индикатора составляла 0,01 мм.

В процессе испытаний ступенчатой нагрузкой с разгрузкой (рис. 4) в журнале испы­таний фиксировались: значения величины нагрузки на каждой ступени N, величины замера деформаций: полной d_П и остаточной d₀ за цикл; а также продолжительность времени t₁ возрастания нагрузки на каждой ступени и общая про­должительность испытаний t_max до момента разрушения образца.

Испытательный стенд для образцов узловых соединений типов «с прокладкой» и «угловой» изображен на рис. 5.

Анализ результатов

На основании результатов проведенных экспериментальных исследований были определены нормативные значения прочности и деформативности несущей способности и жесткости узловых соединений ДПК/CLT на винтах.

Жесткость соединений определялась в соответствии с EN 26891 «Timber structures, joints made with mechanical fasteners, general principles for the determination of strength and deformation characteristics» для диапазона кривых нагрузки–смещения между 10 и 40 % от максимальной нагрузки.

Коэффициент пластичности μ рассчитывался как отношение между деформациями сдвига при максимальной нагрузке, d_max, и деформациями при пределе упругой работы, d_y, для сравнения испытанных типов соединений с различным деформированием принагрузке.

Шкала оценки пластичности соединений, предложенная Smith с соат. [15], использовалась для классификации работы соединений ДПК/CLT на винтах под нагрузкой: хрупкое (μ ≤ 2), низкая пластичность (2 ≤ μ ≤ 4), умеренная пластичность (4 ≤ μ ≤ 6) ивысокая пластичность (μ > 6).

Систематизированные данные прочностных и деформационных характеристик узловых соединений ДПК/CLT «внахлест», «с прокладкой» и «с накладкой» приведены в табл. 2.

Из табл. 2 видно, что для узловых соединений «внахлест» семислойных панелей толщиной 140 мм (7 × 20 мм) с поперечно нагруженными винтами диаметром 6 мм, длинной 130 мм с неполной резьбой расчетная несущая способность на 18 % превысила аналогичный показатель для узловых соединений пятислойных панелей толщиной 140 мм (5 × 28 мм). Полученные коэффициенты жесткости для этого типа соединений 2,28 и 2,12 кН/мм для семислойных и пятислойных панелей, соответственно, не выявили значительного влияния количества слоев на жесткость узловых соединений. При этом для узловых соединений семислойных панелей был отмечен в 1,5 раза более высокий коэффициент пластичности по сравнению с узловыми соединениями пятислойных панелей. По предложенной в работе [15] шкале пластичности соединения семислойных панелей можно отнести к соединениям с умеренной пластичностью, а соединения пятислойных панелей – к соединениям с низкой пластичностью.

Для узловых соединений пятислойных панелей толщиной 100 мм (5 × 20 мм) «с прокладкой» расчетная несущая способность на один срез винта Ø6 мм оказалась в 1,5 раза ниже, чем для пятислойных панелей «внахлест» толщиной 140 мм (5 × 28 мм) из-за меньшей «рабочей» длины винтов. При этом расчетная несущая способность узлового соединения при одинаковом количестве винтов оказалась на 30 % выше из-за наличия двух плоскостей условного среза для соединений «с прокладкой».

Жесткость узловых соединений «с прокладкой» оказалась в 2 раза выше, чем для узловых соединений «внахлест» при одинаковом диаметре и количестве винтов. Коэффициент пластичности μ = 4 для этих соединений соответствует показателю умеренной пластичности.

Расчетная несущая способность узловых соединений «с накладкой» на один условный срез винта Ø6 мм составила 1,37 кН, что соответствовало несущей способности соединений «с прокладкой». Полученная жесткость и пластичность для соединений «с накладкой» с винтами Ø6 мм также соответствовала узловым соединениям «с прокладкой», но для узловых соединений «с накладкой» было использовано в два раза больше винтов.

Для узловых соединений «с накладкой» с винтами Ø8 мм установленная расчетная несущая способность на 25 % превысила аналогичный показатель для соединений с винтами Ø6 мм при сопоставимых значениях коэффициентов жесткости для этих соединений.

Систематизированные данные прочностных и деформационных характеристик узловых соединений ДПК/CLT «встык» и «угловой» приведены в табл. 3.

Из табл. 3 видно, что для узловых соединений типа «встык» пятислойных панелей толщиной 140 мм (5 × 28 мм) с парами перекрестно расположенных винтов Ø9 мм длиной 260 мм с резьбой по всей длине несущая способность более чем 1,5 раза выше, чемдля аналогичных узловых соединений с винтами Ø7 мм длиной 240 мм. Коэффициент жесткости K для узловых соединений с винтами Ø9 мм приблизительно на 40 % выше, при этом коэффициент пластичности μ для этих соединений снижается более чем на60 % в сравнении с узловыми соединениями с винтами Ø7 мм.

Расчетная несущая способность узловых соединений типа «угловой» с двумя парами перекрестно расположенных винтов Ø7 мм длинной 240 мм для семислойных панелей толщиной 140 мм (7 × 20 мм) составила 6,44 кН, что ниже, чем для аналогичных соединений пятислойных панелей толщиной 140 мм (5 × 28 мм) и трехслойных панелей толщиной 100 мм (40 × 20 × 40 мм) приблизительно на 17 и 12 % соответственно. Для узловых соединений пятислойных панелей и трехслойных панелей жесткость также оказалась выше на 13–14 %. Коэффициент пластичности в зависимости от количества слоев ДПК/CLT менялся незначительно от 4,2 до 4,6, что свидетельствует об умеренной пластичности соединений данного типа с винтами Ø7 мм.

Расчетные значения несущей способности для узловых соединений «угловой» семислойных (7 × 20 мм) и пятислойных (5 × 28 мм) панелей с двумя парами перекрестно расположенных винтов Ø9 мм оказались сопоставимыми 9,15 и 9,07 кН соответственно. Для соединений пятислойных панелей с винтами Ø9 мм было отмечено на 25 % более высокое значение коэффициента жесткости и на 56 % коэффициента пластичности в сравнении с соединениями семислойных панелей. Полученные результаты коэффициента пластичности 5,3 для пятислойных панелей и 3,4 для семислойных панелей относят эти соединения к разным группам пластичности – умерено пластичные и низко пластичные соответственно.

По результатам оценки несущей способности для узловых соединений семислойных панелей типа «угловой» было отмечено значительное влияние диаметра винтов на расчетную несущую способность, коэффициенты жесткости и пластичности соединений. Несущая способность соединений с винтами Ø9 мм на 42 % превысила несущую способность соединений с винтами Ø7 мм. Жесткость соединений при увеличении диаметра винтов возросла на 54 %, пластичность при этом снизилась на 24 %.

Для соединений типа «угловой» трехслойных панелей с поперечным ориентированием внешних слоев в среднем элементе с винтами Ø9 мм расчетная несущая способность составила 8,74 кН. Для этих соединений был отмечен самый высокий коэффициент жесткости 8,18. Установленный коэффициент μ = 4,7 для данного типа соединений свидетельствует об их умеренной пластичности.

Из табл. 2 и 3 видно, что полученные результаты исследований продемонстрировали влияние диаметра винтов и количества слоев ДПК/CLT на несущую способность.

Для узловых соединений «встык» и «угловой» была получена относительно высокая жесткость от 7,54 до 16,35 кН/мм на одно соединение (две пары перекрестных винтов). Для соединений с поперечно нагруженными винтами максимальная зафиксированная жесткость оказалась для соединений «с прокладкой» 4,5 кН/мм. Для соединений «внахлест» и «с накладкой» были отмечены самые низкие показатели жесткости – 2–3 кН/мм на одно соединение (пять винтов).

Для узловых соединений типа «внахлест», «с прокладкой» и «с накладкой» с винтами, нагруженными в основном поперечной силой, коэффициент пластичности μ составлял от 2,6 до 4,2, что характеризовало их как соединения с низкой или умеренной пластичностью. Коэффициент пластичности для узловых соединений типа «встык» и «угловой» с винтами, загруженными в поперечном и осевом направлении, составил от 4,2 до 6,2, что соответствует умеренной или высокой пластичности. При этом для двух серий соединений семислойных панелей «встык» и «угловой» с винтами Ø9 мм были отмечены низкие значения коэффициента пластичности μ < 4.

Пластический характер разрушения для типов соединений «внахлест», «с прокладкой» и «с накладкой» с поперечно нагруженными винтами независимо от диаметра винтов (Ø6 и Ø8 мм) не приводил к разрушению деревянных элементов. Только в одном образце для соединения типа «с накладкой» было зафиксировано разрушение от раскалывания накладки по оси винтов. При этом для соединений с поперечно нагруженными винтами при разрушении наблюдался значительный изгиб крепежных элементов исмятие древесины в отверстии шурупов в направлении действия силы.

Для соединений на винтах «встык» и «угловой» с осевой и боковой нагрузкой раскалывание панелей ДПК/CLT не наблюдалось. Разрушение происходило от вдавливания в древесину винта, работающего на растяжение и сдвиг, и выдергивания винта, работающего на сжатие и сдвиг. Механизм разрушения, наблюдаемый для этих соединений, характеризовался образованием пластических шарниров в винтах. При испытаниях на сдвиг соединения демонстрировали вращение из плоскости в направлении сжатых винтов, при этом наблюдался пластичный характер работы без разрыва винтов или разрушения от раскалывания древесины.

При испытаниях соединений типа «внахлест», «с прокладкой» и «с накладкой» при больших деформациях наблюдался чистый сдвиг без поворотов из плоскости.

Заключение

Результаты анализа и обработки экспериментальных данных прочностных и деформационных характеристик соединений ДПК/CLT на винтах позволяют сделать следующие выводы:

• полученные в ходе исследований экспериментальные данные позволили установить нормативную прочность, расчетную несущую способность, деформативность, жесткость и показатель пластичности для основных пяти типов узловых соединений ДПК/CLT на винтах: «внахлест», «с прокладкой», «с накладкой», «встык» и «угловой»;
• конструктивные особенности ДПК/CLT, такие как количество слоев, их толщина, а также ориентация внешних слоев оказывают существенное влияние на прочностные и деформационные характеристики узловых соединений ДПК/CLT на винтах;
• нормативная прочность, несущая способность, жесткость и показатель пластичности для узловых соединений в значительной степени зависят от диаметра винтов, используемых для соединений;
• узловые соединения «внахлест», «с прокладкой» и «накладкой» пятислойных и семислойных панелей с поперечно нагруженными винтами диаметром 7 мм показали самую низкую расчетную несущую способность 10–14 кН. Применение винтов диаметром 9 мм позволяет увеличить расчетную несущую способность этого типа соединений в среднем на 20 %;
• установленные значения расчетной несущей способности узловых соединений «встык» и «угловой» со скрещенными винтами, работающими на поперечные и осевые нагрузки, получились сопоставимыми с соединениями с поперечно нагруженными винтами;
• жесткость узловых соединений ДПК/CLT «встык» и «угловой» со скрещенными винтами, работающими на поперечные и осевые нагрузки, значительно (в 2–4 раза) выше, чем для соединений с поперечно нагруженными винтами;
• установленные коэффициенты пластичности для узловых соединений ДПК/CLT «внахлест», «с прокладкой» и «накладкой» с поперечно нагруженными винтами позволили отнести их к соединениям с низкой или умеренной пластичностью;
• для узловых соединений ДПК/CLT «встык» и «угловой» со скрещенными винтами, работающими на поперечные и осевые нагрузки, были определены коэффициенты пластичности, соответствующие умеренной или высокой пластичности.

Результаты исследований предполагается использовать при актуализации СП 299.13258800.2017 «Конструкции деревянные с узлами на винтах».