Краткий исторический обзор, современное состояние и пер­спективы развития армированных деревянных конструкций.

Лекционный курс магистрантам по дисциплине

«Расчёт и проектирование армированных и дощатых конструкций»

Лекция №1 ВВЕДЕНИЕ. Краткий исторический обзор, современное состояние и пер­спективы развития армированных деревянных конструкций.

В в е д е н и е.

Высокие темпы и уровень современного строительства предъявляют качественно новые требования к строительным материалам и конструкциям. При этом большое внимание уделяется производству клееных деревянных конструкций.

Такие конструкции по ряду технико-экономических показателей превосходят металлические и железобетонные: имеют малую монтажную массу, относительно высокую прочность и жесткость при достаточной надежности и долговечности. В то же время отрицательные свойства древесины (зависимость ее свойств от строения, пороков, необходимость применения и значительный расход качественного пиломатериала, излишняя массивность сечений, ползучесть при длительном нагружении и др.) ограничивают область применения и ухудшают показатели клееных деревянных конструкций.

Один из путей устранения указанных недостатков и повышения технико-экономической эффективности - армирование сечений клееных деревянных конструкций и элементов стальной или стеклопластиковой арматурой. Это позволяет существенно сократить расход древесины. Уменьшить монтажную массу, повысить качество и надежность деревянных конструкций, работающих в основном на изгиб и сжатие с изгибом.

Высокая прочность и жёсткость в сочетании с малой монтажной массой делают эти конструкции незаменимыми в рассредоточенном сельскохозяйственном строительстве, в труднодоступных и отдаленных от магистральных путей районах, при проектировании больших пролётов и при больших нагрузках.

Легкие несущие клееные армированные конструкции находят применение в самых различных областях строительства: при возведении зрелищно-спортивных, сельскохозяйственных и складских зданий, пролётных строений мостов и эстакад, зданий химических производств и др., что предъявляет к ним весьма высокие требования. Поскольку в процессе эксплуатации возможны воздействия перепадов температуры и влажности, агрессивных сред, повторной кратковременной и длительной нагрузок и др.

Разработка и исследование клееных армированных деревянных конструкций для строительства - часть важной народнохозяйственной задачи по созданию новых видов эффективных несущих конструкций на основе древесины.

Предлагаемая вниманию работа рассматривает основные проблемы клеёных армированных стальными стержнями деревянных конструкций в строительстве.

В работе использованы результаты исследований научных коллективов ряда учебных, научно-исследовательских и проектных институтов (МИСИ им. В.В. Куйбышева, НИСИ, ВГУ им. А.Г. и Н.Г. Столетовых, ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко, ЦНИИ промзданий, Оргэнергостроя), а также сведения из отечественных и зарубежных источников.

Краткий исторический обзор, современное состояние и пер­спективы развития армированных деревянных конструкций.

В центре внимания конструкторов и исследователей с конца XIX века постоянно находится проблема повышения надежности деревянным конструкций и элементов, работающих на растяжение и поперечный изгиб. Наиболее эффективным способом повышения прочности и надежности таких конструкций оказался способ подкрепления деревянных элементов стальными.

В дальнейшем на этой основе были разработаны металлодеревянные конструкции, в которых расчётные деревянные растянутые элементы заменялись стальными.

Первые сведения об армированных деревянных конструкциях появились в печати в 1907 г. Немецкий инженер Voles запатентовал деревянную балку составного сечения, совместная работа досок в сечении достигала за счёт сплачивания стальными полосами (хомутами) (Рис. 1). Шаг полос l . Соединение полос с древесиной осуществлялась гвоздями или стяжными болтами.

Рис. 1. Деревянные балки составного сечения, совместная работа досок в которых достигнута за счёт сплачивания стальными полосами (хомутами) и крепёжными изделиями.

Идея использования в конструкциях совместной работы древесины и металла нашла дальнейшее развитие в армированных деревянных конструкциях и элементах. В 1921 г. А. Клайтила (США) предложил использовать в конструкциях аэропланов и дирижаблей несущий деревянный элемент коробчатого сечения с запрессованной в полки стальной проволокой (Рис. 2) [30].

Этот элемент можно считать прообразом современных армированных деревянных конструкций. Однако трудности, связанные с изготовлением таким конструкций, и отсутствие надежных средств соединения стальной проволоки с древесиной не позволили долгое время реализовать это предложение.

Армировать стальными прутками деревянные брусчатые балки и колонны в несущих строительных конструкциях впервые предложил А. Фишер (Германия) в 1926 г. (рис. 3). Стальные прутки должны были укладываться в пазы квадратного сечения и заливаться специальной мастикой, состав которой автор не приводит [22].

Первые проекты армированных деревянных конструкций не были осуществлены из-за отсутствия надежных средств соединения арматуры с древесиной. Поиски простого и эффективного способа соединения арматуры с древесиной привели к использованию различных механических средств.

Отечественный инженер А.Л. Монасевич (СССР) в 1937 г. развил идею Ф.П. Белянкина, предложившего увеличить величину отношения s_р/s_с армированием растянутой зоны деревянной балки стальными полосами. Он изготовил и испытал серию брусчатых балок, армированных в растянутой зоне стальной полосой, которая соединялась с древесиной при помощи специально выштампованных зубьев или анкерных башмаков (рис. 4) [14]. Испытания таких балок показали их более высокую прочность и надежность по сравнению с обычными деревянными, особенно при действии ударных нагрузок, поскольку армирование растянутой зоны предотвращало возможность хрупкого разрушения балок. В дальнейшем это решение нашло применение при усилении деревянных конструкций. Однако рассмотренный способ соединения арматуры с древесиной позволял армировать только растянутую зону конструкций, в то время как расчёты показали, что наиболее эффективно двойное армирование. Для решения этой проблемы в 1944 г. X. Гранхольм (Швеция) предложил применять специальные стержни с кольцевыми выступами по длине (рис. 5) [31]. В этом случае совместная работа арматуры с древесиной обеспечивалась зацеплением кольцевых выступов, которые врезались в стенки паза при запрессовке стержня.

В 1949 г. был выдан патент Поберёзкину (СССР) за разработку деревянных балок с металлической лентой расположенной в растянутой зоне (рис. 6).

Конструкции, в которых арматура с древесиной соединялась механическим способом, не нашли применения именно как армированные вследствие того, что даже при значительном расходе стали из-за податливости соединения прочность и жёсткость конструкции увеличивалась сравнительно мало.

В 1954 г были проведены экспериментально-теоретические исследования армированных деревянных конструкций Н. Гранхольмом, профессором Чальмерского университета Швеции [105]. Соединение арматуры с древесиной балок осуществлялось при помощи синтетических клеёв фенолоформальдегидных и эпоксидных [31].

Клеевое соединение сталь -древесина обладает достаточной прочностью, даже при воздействии отрицательной температуры и повышенной влажности.

Ассортимент испытанных армированных деревянных балок был обширен (Рис. 7). Все исследования проводились только в предположении упругой стадии работы материала. Он первый внедрил армированные деревянные конструкции в здания и является автором монографии посвящённой армированным деревянным конструкциям.

Исследования, проведенные Н. Гранхольмом, показали, что прочность, жесткость и надежность балок (прямоугольного, двутаврового и коробчатого сечений), треугольных арок и плит покрытия, армированных гладкими стальными стержнями и полосами, значительно выше, чем у неармированных.

В 1961 г Сликер (Sliker) провёл исследования клееных балок армированных пластинами из алюминиевых сплавов (Рис. 8).

С 1964 г разработкой и исследованиями армированных деревянных конструкций в Англии занимается Ассоциация научных исследований древесины и содействия расширения её применения:

Первый этап: армирование гладкой арматурой и с нарезкой.

Второй этап: армирование деревянных конструкций преднапряжённой арматурой.

Следует отметить работы Монска (Мönck’a) опубликованные в 1967 г [112, 113] и посвящённые анализу армированных деревянных конструкций, на основе которого он предложил следующие поперечные сечения (Рис. 9). Расчёт конструкций рекомендовал выполнять в упругой стадии

где приведённый к древесине момент инерции сечения балки

Он считает, что напряжения в арматуре в “ n ” раз больше чем в древесине, т.к. n=E_a /E_д .

Сведения об этих работах, поступающих в нашу страну, носят, как правило, информационный и рекламный характер. Но, тем не менее, к наиболее важным исследованиям обычных армированных деревянных конструкций относятся работы [93,103, 105, 106, 107, 114], а с предварительным напряжением арматуры – работы [101, 102, 109].

К 1969 году в НИСИ им. Куйбышева проведены работы по исследованию армированных деревянных балок, цельного сечения из бруса 90´150 (h) пролётом 2.7 м. [111]. Испытания проведены на четырёх сериях балок (Рис. 10), по схеме загружения в третях пролёта на действие чистого изгиба. Совместная работа периодической арматуры с древесиной в балках осуществлялась с помощью эпоксиднопесчаного компаунда (ЭПП).

В ЦНИИСК им. Кучеренко к 1972 году проведены работы по исследованию деревянных балок армированных обычным способом и с преднапряжением [111]. Пролёт деревянных балок 1.5 м, сечение 36´100 (h) мм. Совместная работа периодической арматуры с древесиной в балках осуществлялась с помощью эпоксидноцементного компаунда (ЭПЦ).

В таблице 1 приведены результаты испытаний деревянных армированных балок, полученные отечественными и зарубежными исследователями. Основной целью этих исследований являлось определение влияния армирования на прочность и деформативность изгибаемых деревянных конструкций.

Результаты исследований, полученные при испытании моделей армированных балок, приведённые в таблице 1, позволяют сделать следующие выводы:

- эффект армирования деревянных конструкций тем выше, чем надёжнее связь соединения сталь – древесина;

- в конструкциях с вклеенной арматурой периодического профиля при соответствующем коэффициенте армирования эффективность деревянных балок армированных без преднапряжения увеличивается в среднем 1.5¸ 3 раза;

- конструкции с вклеенной гладкой арматурой без преднапряжения увеличивают прочность незначительно до 3.0%, а вертикальные деформации армированных меньше в 1.46 раза по сравнению с контрольными – деревянными балками;

Таблица 1. (Начало)

Результаты испытаний армированных деревянных балок, полученные лабораториями нашей страны и зарубежными.

№ п.п.	Организация, фирма	Конструкции, характер армирования	Схема размещения арматуры в пролёте и сечении	Сечение, мм	Кол-во в серии	Показатель прогиба,	Разрушающая нагрузка	Область исследования
Нагрузка, кН	Прогиб, мм	%	кН	%	h/l	h/b	m=Fa/Fд
	НИСИ им. Куйбышева автор Щуко В.Ю.	Контрольные	1	-	90´150		17.8					1/18	1.7	-
Несимметричное, двойное		2Æ12 А-III	-	-	-			33.5		-	-	0.0168
Симметричное, одиночное		2Æ12 А-III	-	-	-			44.7		-	-	0.0168
Симметричное, двойное	4Æ14 А-III	-	-	-	7.5		57.9		-	-	0.0457
	ЦНИСК им. Кучеренко авторы: Линьков И.М. Соротокин В.М.	Контрольные		-	36´100		8.0	14.6				1/15	2.8	-
Несимметричное, двойное, обычное		2Æ6 А-III	-		-	9.7		18.85		-	-	0.0158
Несимметричное, двойное, преднапряжённое	-		-	4.0		18.75		-	-	0.0158
Симметричное, одиночное, обычное		2Æ6 А-III	-		-	10.6		18.8		-	-	0.0158
Симметричное, одиночное, преднапряжённое	-		-	6.5		18.2		-	-	0.0158
Симметричное, двойное, преднапряжённое		4Æ6 А-III	-		-	1.72		24.7		-	-	0.0316
Несимметричное, обычное		3Æ6 А-III	-		-	8.75		23.3		-	-	0.0236
Несимметричное, преднапряжённое	-		-	2.49		20.5		-	-	0.0236

Таблица 1. (Окончание)

Результаты испытаний армированных деревянных балок, полученные лабораториями нашей страны и зарубежными.

№ п.п.	Организация, фирма	Конструкции, характер армирования	Схема размещения арматуры в пролёте и сечении	Сечение, мм	Кол-во в серии	Показатель прогиба,	Разрушающая нагрузка	Область исследования
Нагрузка, кН	Прогиб, мм	%	кН	%	h/l	h/b	m=Fa/Fд
	Медисонская лаборатория лесной промышленности авторы: Петерсон, Баханнан	Контрольные	1	-	120´260		54.5	50.8		68.0		1/20	2.2	-
Несимметричное, преднапряжённое		Полоса 1.57´120	-		-	37.5		118.5		-	-	0.0060
Контрольные		-	120´260		54.5	46.6		82.0		1/20	2.2	-
Несимметричное, преднапряжёние на торцы балки		Семипро-волочные пряди 2Æ9.5	-		-	45.8		99.0		-	-	0.0034
	Ассоциация по исследованию деревянных конструкций автор Лантос.	Контрольные		-	63´114		20.0	6.7		36.2		1/10	1.7	-
Симметричное, одиночное, обычное		Гладкая 2Æ9.5	-		-	4.6		37.1		-	-	0.0197
Симметричное, одиночное, обычное	Перио-дическая 2Æ11	-		-	4.6		51.1		-	-	0.0265
	Сталенбошский университет авторы: Богин К., Лоадолф Г.	Контрольные		-	60´103		20.0	8.0		56.9		1/16	1.7	-
Несимметричное, обычное, армирование сжатой зоны		5 пластин 3´25.4	-		-	6.5		82.25		-	-	0.0616
Контрольные			60´103		20.0	9.0		61.1		1/16	1.7	-
Симметричное, обычное		10 пластин 3´12.7	-		-	5.5		70.2		-	-	0.0616

- конструкции, в которых совместная работа с древесиной обеспечивается за счёт механического зацепления, или за счёт передачи усилий от арматуры на торцы балок, эффективность деревянных конструкций повышается в среднем в 1.2 раза;

- конструкции с предварительно напряжённой арматурой, обладают некоторыми преимуществами по сравнению с армированными без преднапряжения;

- при одинаковом коэффициенте армирования вертикальные перемещения конструкций с предварительно напряжённой арматурой меньше чем армированных без преднапряжения в 1.6 ¸ 3.5 раза, а по сравнению с контрольными деревянными меньше в 2.2 ¸ 8.5 раз;

- прочность конструкций с предварительно напряжённой арматурой по сравнением с контрольными - деревянными больше в 1.5 ¸ 2.1 раза, а по сравнению с армированными обычным способом меньше на 0.5 ¸ 12%, при одинаковом коэффициенте армирования и расположении стержней в сечении;

- незначительное увеличение прочности преднапряжённых деревянных балок связано с изменением характера их разрушения:

а) Пластический характер разрушения по нормальному сечению присущ балкам, армированным обычным способом;

б) Хрупкий характер разрушения присущ балкам с предварительным напряжением арматуры, которое создаёт дополнительные сдвигающие усилия в древесине, суммируясь с напряжениями, возникающими от действия поперечных сил способствуют разрушению балок в опорных сечения от скалывания древесины вдоль волокон даже с относительной шириной сечения h/b=2.8 и высотой h/l=1/15 (см. табл. 1).

Следовательно, предварительно напряжённое армированные деревянные конструкции, как правило, требуют дополнительных конструктивных мероприятий, направленных на усиление приопорных участков балок, что усложняет технологию их изготовления по сравнению с балками, армированными обычным способом без предварительного напряжения.

Ползучесть и релаксация особенно ярко выражены в основном материале армированных деревянных конструкциях древесине, поэтому в современном строительстве более перспективными являются конструкции, армированные стальными стержнями без предварительного напряжения, как наиболее надёжные и простые в изготовлении, поскольку они не требуют сложного и дефицитного оборудования [84, 85].

В настоящем пособии основное внимание уделяется деревянным конструкциям, армированным обычным способом, т.е. без предварительного напряжения арматуры.

Разработка и освоение промышленностью выпуска эффективных синтетических клеев, способных обеспечить прочное и долговечное соединение разнородных материалов, позволили реально подойти к созданию клеёных армированных деревянных конструкций [75, 82]. Так, стропильные деревянные армированные балки пролётом от 12 до 24 м, имеют относительную высоту сечения к пролёту h/l=1/14¸1/26, а относительную ширину сечения к высоте h/b=6¸8, и коэффициентом армирования m=0.015¸0.035 [74, 75, 77, 81, 82].

Анализ области исследования, а именно геометрических параметров сечений деревянных балок армированных без преднапряжения, которые применялись для изучения отечественными и зарубежными исследователями эффективности армирования (см. табл. 1). Так, относительная высота сечения к пролёту испытанных балок составляла соответственно h/l=1/10¸1/18, а относительная ширина сечения к высоте h/b=1.7¸2.8, при коэффициенте армирования m=0.0158¸0.0616. Вопрос о влиянии сдвиговых усилий на работу армированных деревянных балок не заострялся, поскольку испытанные моделей имели достаточно большую ширину сечения по сравнению с натурными стропильными конструкциями в 2.1¸4.7 раза. Пролёт испытанных моделей деревянных балок армированных обычным способом l=1.12¸2.70 м, а схема испытаний моделей балок в большинстве исследований выполнена на действие чистого изгиба, с загружением балок в третях пролёта двумя сосредоточенными силами.

Натурные клеёные деревянные армированные стропильные конструкции в процессе эксплуатации, как правило, загружены равномерно распределённой нагрузкой по всему пролёту или близкой к ней эквивалентной нагрузкой. Поэтому для изучения их напряжённо деформированного состояния и определения характера разрушения моделирование этих конструкций рекомендовано выполнять с применением методики полного геометрического подобия [38, 44, 45] и методики рационального планирования экспериментов [36, 46]. При этом коэффициент подобия моделей балок применён с учётом размещения тензометрических приборов с базой 20 мм.

С учётом выше изложенного во Владимирском политехническим институте с 1974 по 1987 год Е.А. Смирновым проведены работы по изучению прочности и деформативности клеёных деревянных балок с групповым армированием на части длины (Рис. 11).

Рис. 11 Комбинационный квадрат.

Испытания проведены на двадцати пяти сериях моделей балок с пролётами по 4.5 м и двух сериях натурных балок с групповым армированием на части длины пролётами 12 и 18 м [ 1 ].

Применение армирования позволяет совершенно по новому и более эффективно решать узловые соединения и стыки деревянных конструкций, что повышает их сборность, облегчает транспортировку и монтаж [15, 18, 19, 21, 23, 28], а также вопросы реконструкции действующих предприятий [23, 25].

В современном сельскохозяйственном строительстве более перспективными являются конструкции, армированные стальными стержнями без предварительного напряжения, как наиболее надежные и простые в изготовлении, поскольку они не требуют сложного и дефицитного оборудования.

В настоящем пособии основное внимание уделяется деревянным конструкциям, армированным обычным способом, т.е. без предварительного напряжения арматуры.

Использование армированных балок в пролётных строениях мостов и треугольных арок в покрытиях производственных и складских зданий показали эффективность армированных конструкций и в эксплуатационных условиях (рис. 12).

Рис.12. Клеёная армированная треугольная арка в покрытии

производственного здания (Швеция).

Так, фирма ABH Тохнсон (Швеция) освоила выпуск широкого ассортимента клееных армированных конструкций: балок 42 типоразмеров пролётом до 23 м, арок и рам пролетом до 30 м [32].

В 60-х годах был налажен выпуск клееных армированных арок кругового очертания в ЧССР. Такие арки пролётом 36,2 м применены в покрытии цехов химических комбинатов (рис. 13) [31]. Клееный верхний пояс арки сечением 0.6´ 0.175м имел армирование из шести стержней периодического профиля "Роскор"

	диаметром 16 мм, вклеенных при помощи клея "Эпокси -1200". В отличие от армированных деревянных конструкций, применяемых в Швеции, арматура арок для защиты от агрессивных воздействий и для повышения огнестойкости имела покрытие в виде слоя досок толщиной 25 мм.
Рис. 13. Клеёная армированная арка в покрытии цеха химического завода (ЧССР)

Высокая прочность, жёсткость армированных деревянных конструкций при малой монтажной массе и положительный опыт их применения в Швеции, США и ЧССР привлекли внимание проектировщиков разных стран. В течение ряда лет у нас в стране проводились и проводятся всесторонние исследования клеёных армированных конструкций, разрабатываются и внедряются новые виды. Построены производственные и складские здания с применением клеёных армированных балок пролётом 12 м, треугольных арок и рам пролётом до 24 м, плит покрытия размером 1.5´6 и 3´6 м (рис. 14, 15 и 16) [7, 9, 27, 30, 31, 32, ЗЗ].

Рис. 14. Клеёные армированные балки переменной жёсткости в покрытии складского здания (г. Владимир)
Рис. 15. Клеёные арки с предварительно напряженной стеклопластиковой арматурой в покрытии склада химудобрений (Белорусская ССР)
Рис. 16. Армированные деревянные плиты размерами 3´6 м в покрытии цеха электростанции (г. Омск)

Для покрытий складов минеральных удобрений НИИпромстроем (г. Уфа) разработаны и внедрены в строительство балки и арки, армированные предварительно напряженными стальными стержнями [13, 16], а также плиты с армированным деревянным каркасом и асбестоцементными обшивками размерами 1.5´6 м (рис. 17) [5, 9, 28].

Рис. 17. Плиты покрытия с армированным деревянным каркасом и асбестоцементной нижней обшивкой: а – арматура в рёбрах плиты с предварительным напряжением; б – рёбра плиты армированны на части пролёта без предварительного напряжения.

Применение армирования в полносборных клеёных рамах из прямолинейных элементов и неразрезных прогонов в каркасах прирельсовых складов минеральных удобрений с подвесным крановым оборудованием позволило эффективно решить вопросы изготовления, транспортировки и монтажа конструкций (проект склада разработан ЦНИИпромзданий совместно с Владимирским политехническим институтом и Гипронисельхозом) (рис.18) [16].

Рис. 18. Клеёные армированные конструкции здания прирельсового склада минеральных удобрений

Армирование находит применение также и в конструкциях деревянных опор ЛЭП [21].

Развитие армированных деревянных конструкций идёт в двух направлениях: с использованием обычной арматуры и с предварительно напряженной арматурой. Первый способ армирования находит более широкое применение, поскольку даёт положительный эффект при относительно небольших трудозатратах и капиталовложениях в специальное технологическое оборудование.

Интересный и важный вопрос проектирования, изготовления и при­менения предварительно напряженных деревянных конструкций заслужи­вает отдельного изучения и в настоящей работе не рассматривается.

Для армирования деревянных элементов и конструкций используют стержни квадратного или круглого сечения, гладкие или периодического профиля, пластины и полосы из металла (сталь, алюминиевые сплавы) или стеклопластика. Арматура соединяется с древесиной преимущественно склеиванием.

Исследования, проведенные в нашей стране и за рубежом, и опыт внедрения позволили определить основные свойства клееных армирован­ных деревянных конструкций и область их применения в строительстве.