TESTS OF A STEEL CROSS-SHAPED NODAL ELEMENT DURING SHIFT OF FRAGMENTS OF WOODEN CROSS-LAMINATED TIMBER

Развитие конструкций из перекрестно склеенной древесины (CLT – cross laminated timber), реализуется во множестве жилых и общественных зданий во многих странах мира.

В Европе, общий объем конструкций из перекрестно склеенной древесины  в 2022 году достиг 2,5 миллиона м3

По последнему отчету IMARC Group под названием «Рынок кросс-ламинированной древесины: глобальные отраслевые тенденции, доля, размер, рост, возможности и прогноз на 2022-2027 годы», мировой рынок кросс-ламинированной древесины достиг объема 1 853 437 кубических метров в 2021 году.  Эксперты считают, что мировой рынок к 2027 году достигнет 3 777 532 кубических метров

Активное строительство с применением конструкций из перекрестно склеенной древесины сопровождается разработкой новых типов и видов узлов соединений панелей и других конструкций с применением большого разнообразия соединительных элементов.

Расширяется  строительство из CLT/ДПК конструкций в Российской Федерации, разработаны новые и актуализированы действующие нормативные документы. В ряде новых ГОСТов термин «Древесина перекрестноклееная, – ДПК» принят, и понимается как перевод и замена аббревиатуре CLT

В данном направлении ведутся исследовательские работы по классификации узлов и соединений с применением ДПК-конструкций, обсуждаются проблемы подходов к стандартизации расчетов и связанные с ней вопросы. Конструктивные формы узлов основываются на характеристиках напряженно-деформированного состояния сопротивления узла на различные внешние нагрузки. Принимаемые расчетные модели выделяют  отдельные виды сопротивления, которые являются преобладающими в общей совокупности составляющих векторов силового поля. Пример базовой классификации узлов можно увидеть на рис. 1.

Рисунок 1 - Узловые соединения объёмно-планировочного решения здания с применением ДПК-панелей: 

1 - уголок hold down WHT; 2 - угловой кронштейн TITAN N; 3 - уголок TITAN S с шайбой WASHER; 4 - угловой кронштейн TITAN V; 5 - угловой кронштейн TITAN F; 6 - пластина WHT PLATE C; 7 - пластина TITAN PLATE C; 8 - пластина WHT PLATE T; 9 - пластина TITAN PLATE T; 10 - профиль ALU START; 11, 12 - соединители для структурных панелей; 13 - система SPIDER/PILLAR; 14 - система X-RAD; 15 - винты HBS/TBS; 16 - винты VGZ; 17 - крестообразные узлы

Примечание: по ист. [5] с авторской переработкой

DOI:10.60797/IRJ.2024.148.8.1

Анализ сопротивления узлов выявил необходимость разработки соединения панелей, воспринимающего сдвигающие усилия. Именно сдвигающие усилия являются основными при расчетной схеме работы и сопротивления соединения цельнообъёмных панельных конструкций, например, в жилищном крупнопанельном строительстве.

Предложена конструкция стального крестообразного узла. Крестообразная форма сформирована из равнополочных уголков, угловая часть которых обрабатывается для достижения соосности полок уголков при их соединении сваркой, рис. 2.

Рисунок 2 - Крестообразные узлы

DOI:10.60797/IRJ.2024.148.8.2

Для узла использована прокатная сталь легированная, марки 09Г2С, класса прочности 345.  Низколегированная сталь 09Г2С рекомендуется к применению в широком диапазоне температуры от -70℃ до +425℃, обладает хорошей свариваемостью.

Для испытаний выбрана модель определения зависимости «нагрузка-деформации», составленная из двух частей – фрагментов CLT/ДПК панелей с размерами  400×200×198 мм каждая, рис. 3. Всего испытано 3 узловых соединения, на прессе ИП-1250м-авто.

Рисунок 3 - Фрагменты CLT/ДПК панелей во время испытаний

DOI:10.60797/IRJ.2024.148.8.3

Индикаторы часового типа ИЧ-50, с ходом стержня штока 50 мм, устанавливались на кронштейнах с обеих сторон испытуемых образцов. Пресс ИП-1250м-авто автоматически выводит на компьютер масштабированный график «нагрузка-деформации» в «кН-мм». Таким образом, при испытаниях имеется возможность получить три графика перемещений – два по индикаторам, и один – по показанию пресса. При начале нагружения зафиксировано наличие небольших начальных перемещений, обусловленных геометрическим несовершенством мест пропила в деревянных фрагментах панелей, в местах вставки крестообразных узлов.

Характерные графики деформирования узлов представлены на рис. 4. Образцы потеряли несущую способность при нагрузках 195, 205 и 175 кН соответственно.

Рисунок 4 - Графики деформирования узла №1

DOI:10.60797/IRJ.2024.148.8.4

Испытания показали, что деформация узла происходит пространственно, при приложении нагрузки из-за несимметричной формы стального узла обе части испытуемой модели поворачиваются один относительно другого. Деформация плоскостей крестообразного узла в основном происходит с их свободной стороны, сторона узла с приваренной пяткой (площадкой) сохраняет стабильность. Плоскость сдвига, под углом 30о к вертикали, устанавливает зависимость величины перемещения по плоскости, равную 0,866 от вертикального перемещения по показаниям пресса. Итоговые графики, показывающие зависимость вертикальных перемещений и перемещений по плоскости сдвига, представлены на рис. 5. В целом наличие такой зависимости определённо имеется, но для её описания требуется проведение дальнейших исследований.

Рисунок 5 - Сопоставление вертикальных перемещений и деформаций сдвига.

DOI:10.60797/IRJ.2024.148.8.5

Напряжения, возникающие на площадках опирания пластин стального узла, неравномерны, о чем свидетельствует эффект поворота частей испытуемой модели относительно друг друга. На фрагментах перекрестно склеенных панелей, в местах опирания пластин стального узла отсутствуют участки выраженного смятия вдоль волокон, возможно визуально зафиксировать участки местного вмятия, возникшие на последних  этапах нагружения, при значительных деформациях пластин. По форме деформации пластин можно предположить, что площадка основного сопротивления перекрестно клееной древесины имеет форму прямоугольного треугольника. Треугольная форма площадки сопротивления стального узла и перекрестноклееной древесины обусловлена обушком стального равнополочного уголка (длинный катет) и сварного соединения к пятке узла (короткий катет).   Отсюда определяем напряжение на площадке опирания от разрушающей нагрузки, допуская равномерное распределение нормальных напряжений сопротивления древесины под деформированной стальной пластиной узла, получаем 37,51 МПа,  при среднем значении разрушающей нагрузки испытуемых узлов равно 191,67 кН.

Составляющая внешней нагрузки, действующая  под углом 30о к вертикали, является сдвигающей силой, на действие которой испытываются узлы. Полученная средняя величина напряжения разрушения от сложного сжатия вдоль волокон согласуется со справочными данными предела прочности сосны при сжатии вдоль волокон малых чистых образцов, – 45,7 МПа, (таблица 3.1. «Показатели физико-механических свойств древесины различных регионов произрастания»), и – 46,3 МПа (таблица 4.1. Средние показатели основных физико-механических свойств древесины распространенных пород СССР…»)

Пространственный поворот узла обусловлен тем, что на плоскости сдвига расположен только один узел в испытуемом фрагменте ДПК-панелей. При последовательном расположении 2-х и более узлов (см. элементы 17, рис. 1), эффект поворота будет исключен.

Из этих данных можно сделать вывод, что поперечные слои в перекрестно склеенной деревянной конструкции, состоящей всего из n нечетного количества слоев (например, 11 слоёв), оказывают значительный поддерживающий эффект, и повышают предел прочности на продольное сжатие, по сравнению с прочностью гипотетического образца, который состоял бы из (n+1)2 продольных (например, 6 продольно расположенных) слоёв. Данный эффект, названный «эффектом поддержки», был изучен ранее, эффект поддержки достигал 10%, (коэффициент θ =0,1)

Полученные результаты могут быть использованы при разработке математической модели сопротивления стального крестообразного узла, работающего в сложном напряженно-деформированном состоянии при сдвиге ДПК-панелей.

1. Стальной крестообразный узел показал достаточную прочность соединения на сдвиг с его применением.

2. Пространственный поворот узла обусловлен единичным расположением в испытуемом фрагменте ДПК-панелей. При последовательном расположении 2-х и более узлов эффект поворота будет исключен.

3. Требуется доработка узла, с расположением пятки (площадки) с двух сторон.

4. Математическая модель сопротивления стального крестообразного узла, работающего совместно с перекрестно склеенной древесиной, позволит визуализировать  объемное сопротивление и усовершенствовать данный узел.