ВЛИЯНИЕ ДЛИТЕЛЬНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ НА НЕСУЩУЮ СПОСОБНОСТЬ ДЕРЕВЯННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Сморчков А.А.,¹ Кереб С.А.,² Дубраков С.В.³

¹ORCID: 0000-0002-1524-0555, Кандидат технических наук, ²ORCID: 0000-0002-9980-9867, ³ORCID: 0000-0001-5567-0114, Юго-Западный государственный университет

ВЛИЯНИЕ ДЛИТЕЛЬНОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ НА НЕСУЩУЮ СПОСОБНОСТЬ ДЕРЕВЯННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Аннотация

В статье рассмотрены подходы по определению несущей способности длительно эксплуатируемых изгибаемых и сжатых элементов. Показано, что несущая способность зависит от температурно-влажностных условий эксплуатации и длительности приложения эксплуатационной нагрузки. Полученные зависимости базируются на многолетних экспериментальных исследованиях деревянных элементов и опыта обследования строительных конструкций. Предложенные формулы позволяют оценить техническое состояние конструкций из древесины при их длительной эксплуатации.

Ключевые слова: длительная эксплуатация, техническое состояние, поверочные расчеты, несущая способность.

Smorchkov A.A.,¹ Kereb S.А.,² Dubrakov S.V.³

¹ORCID: 0000-0002-1524-0555,  PhD in Engineering, ²ORCID:0000-0002-9980-9867, ³ORCID:0000-0001-5567-0114, South-West State University

THE INFLUENCE OF CONTINUOUS EXPLOITATION ON THE BEARING CAPACITY OF WOODEN ELEMENTS

Abstract

In the article the approaches to definition of bearing capacity of long-operated bending and compression elements. It is shown that the bearing capacity depends on the temperature and humidity conditions of operation and duration of application of the operational load. The obtained dependences are based on years of experimental studies of wooden elements and experience of inspection of building structures. The proposed formulas allow to evaluate the technical condition of structures of wood with their long-term operation.

Keywords: long-term operation, technical condition, check calculations, bearing capacity.

Клееные деревянные конструкции обладают большей удельной прочность, сопоставимой с прочностью стали, что позволяет создавать легкие конструктивные системы высокой несущей способности при незначительной массе на 1 м² перекрываемой площади.

Массовыми несущими конструкциями из клееной древесины индустриального изготовления являются балки, фермы, рамы, а также пространственные конструкции – купола (ребристые, ребристо-кольцевые, сетчатые и т.п.), оболочки и т.п.

Эти конструкции испытывают напряжения от изгиба, сжатия или их комбинаций, что может вызвать потерю устойчивости (устойчивость плоской формы деформирования при изгибе или при сжатии с изгибом, устойчивость при сжатии).

Оценку технического состояния длительно эксплуатируемых конструкций из древесины проводят по результатам поверочных расчетов, используя данные при их обследовании: геометрические параметры элементов с учетом дефектов и повреждений; механические и деформационные характеристики материала; величины нагрузок и характеристики воздействий.

Древесина является анизотропным материалом с реономными свойствами. Зависимость механических и деформационных свойств от влажности, температуры, длительности нагружения вызывает необходимость в корректировке основных формул действующего нормативного документа [1].

Целью настоящей работы является использование новых знаний в оценке несущей способности элементов строительных конструкций из древесины после их длительной эксплуатации.

Несущую способность элементов, работающих на изгиб, из условия прочности по нормальным напряжениям, можно определить по формуле:

,                                              (1)

где   - прочность древесины при изгибе (по результатам испытаний образцов отобранных определенным образом из эксплуатируемой конструкции);   ^_- момент сопротивления сечения с учетом дефектов и повреждений.

Несущую способность элементов, работающих на изгиб из условия устойчивости плоской формы деформирования, можно определить по формуле:

,                                       (2)

где   и  – см. формулу (1);  - коэффициент устойчивости плоской формы деформирования. Величину коэффициента  при длительной эксплуатации следует определять по формуле: ,                                       (3)

где _,  - модуль деформаций и прочность древесины на сжатие с учетом влажностного воздействия среды и длительности эксплуатации;  _{, ,}   - длина элемента, высота и ширина сечения соответственно;  - коэффициент формы эпюры изгибающего момента [1].

В существующих нормах [1] соотношение  . По данным исследований Б.Е. Родина [2] и А.М. Иванова [3] отношение   необходимо принимать с учетом влажности и длительности приложения нагрузки (см. рис. 1).

Рис. 1 – График зависимости  от влажности ω при кратковременном (1) и длительном нагружении (2) (откорректированы авторами статьи)

В балках с соотношением  несущая способность лимитируется прочностью на скалывание в опорных зонах [4].

Несущую способность элементов, работающих на изгиб из условия обеспечения прочности по касательным напряжениям, можно определить по формуле:

,                                          (4)

где   - прочность древесины на скалывание (по результатам испытаний образцов отобранных определенным образом из эксплуатируемой конструкции);  и  - момент инерции и статический момент с учетом дефектов и повреждений; остальные обозначения приведены в формулах (1), (2)и (3).

Условие прочности изгибаемого элемента выполняется, если минимальный изгибающий момент из трех значений: ,  и  будет больше максимального изгибающего момента в конструкции от действующих нагрузок в реальной расчетной ситуации, т.е.:

,                                                       (5)

где М_g – максимальный изгибающий момент в конструкции от действующих нагрузок в реальной расчетной ситуации.

На величину прогиба элементов из древесины влияют  факторы, которые не учитываются в современной нормативной литературе [1].

Во-первых, величина предельного прогиба по СП 20.13330.2011 [6] устанавливается только в зависимости от длины пролета.

Авторские исследования показывают, что наряду с учетом отношения  , необходимо дифференцированно подходить к величине предельного прогиба в зависимости от отношения l/h (см. табл. 1)[4].  

Таблица 1 -  Относительные предельные прогибы элементов при кратковременном и длительном нагружениях

Отношение l/h	σ, МПа	Предельные величины прогибов – (f/lp)
		кратковременные	длительные
l/h≤8.0	5,0	1/1250	1/1460
	10,0	1/620	1/500
	15,0	1/420	1/290
l/h≥8.0	5,0	1/710	1/630
	10,0	1/350	1/340
	15,0	1/240	1/160

  Примечание: σ – напряжение в элементе.

Во-вторых, отношение модуля упругости к модулю сдвига не является постоянным, как принято по СП 64.13330.2011 [1], а зависит от сорта древесины (см. табл. 2)[4].

 

Таблица 2 – Отношение модуля деформации и сдвига в зависимости от сорта древесины

Сорт древесины	I	II	III
	24	20	17

  Несущую способность сжатых элементов можно определить по формуле: ,                                               (6)

где    - прочность древесины при сжатии (по результатам испытаний);  – площадь сечения элемента с учетом дефектов и повреждений;  - коэффициента продольного изгиба.

Как показывают исследования Л.П. Дроздовой [5], величина критического напряжения при сжатии зависит от гибкости элемента и длительности приложения нагрузки.

Для длительно эксплуатируемых конструкций, с учётом [2], [3] и [5], коэффициент   следует определять по формуле: ,                           (7)

где    – коэффициент, учитывающий длительность нагружения конструкции[5]; t_э – время эксплуатации, с.

Условие устойчивости сжатого элемента выполняется, если

,                                                      (8) где   - максимальная сжимающая сила от действующих нагрузок;  – см. формулу (6).  

Литература

1. СП 64.133330.2011. Деревянные конструкции. Актуализированная редакция СНиП II-25-80. [Текст]. – Минрегион России, 2011. - 88 с.
2. Родин, Б.Е. Методика расчета на продольный изгиб деревянных стержней с учетом влажности и различного отношения модуля упругости древесины к пределу её прочности на осевое сжатие. [Текст]/ Б.Е. Родин// Вопросы прочности, долговечности и деформативности древесины и конструкционных пластмасс. – МИСИ, 1981. – С. 7-13.
3. Иванов, А.М. Расчет элементов деревянных конструкций с учетом продолжительности воздействия нагрузки. [Текст]. Воронеж: ВИСИ, 1957. – 71 с.
4. Горностаев С.И. Вопросы безопасности строительных конструкций из композиционных материалов/ С.И. Горностаев [и др.] – Курск.: ООО "Планета+", 2015. – 156 с.
5. Дроздова, Л.П. Устойчивость цельных центрально-сжатых элементов деревянных конструкций при длительной нагрузке: автореф. дис. …канд. техн. наук: 05.23.01/ Л.П.Дроздова. – М. 1978. – 18с.
6. СП 20.13330.2011. Нагрузки и воздействия. Актуализированная редакция СНиП 2.01.07-85*. [Текст]. – Минрегион России, 2011. - 85 с.

References

1. SP 64.133330.2011. A wooden structure. The updated edition of SNiP II-25-80. [Text]. – Minregion Of Russia, 2011. - 88 p.
2. Rodin, B. E. The Method of calculating the longitudinal bending wooden rods with the humidity and different relations of modulus of elasticity of wood to the limit of her strength for axial compression. [Text]/ B. E. Rodin// strength, durability and deformability of wood and structural plastics. – IISS, 1981. – P. 7-13.
3. Ivanov, A. M. Calculation of elements of wooden structures, taking into account the duration of the impact load. [Text]. Voronezh: VISI, 1957. – 71 S.
4. Gornostayev S. I. security Issues building structures from composite materials/ S. I. Gornostaev [et al.] – Kursk.: OOO Planeta+", 2015. – 156 p.
5. Drozdovа, L. P. Stability one-piece Central compressed elements of wooden structures for long-term stress: author. dis. ...candidate. tekhn. Sciences: 05.23.01/ L. P. Drozdovа. – M. 1978. – 18s.
6. SP 20.13330.2011. Loads and impacts. The updated edition of SNiP 2.01.07-85*. [Text]. – The Ministry Of Regional Development, 2011. 85 p.