Исследование деревянных балок, усиленных внешним армированием на основе металлозубчатых пластин

Введение. Рассматривается проблема повышения несущей способности и жесткости деревянных изгибаемых элементов. Актуальность работы обусловлена необходимостью разработки эффективных методов усиления, учитывающих анизотропию древесины и податливость соединений. Цель исследования — совершенствование конструкции усиления деревянных балок с использованием металлозубчатых пластин (МЗП) в качестве внешнего армирования и разработка методики их расчета с учетом совместной работы элементов.

Материалы и методы. На основе теории расчета составных стержней А.Р. Ржаницына разработана методика расчета балок, усиленных МЗП на части пролета. Учтена податливость соединений на границе «балка – пластина». Проведен численный анализ для оценки влияния типа МЗП (GNA-20 и T-150), длины участка усиления и величины предварительного напряжения на напряженно-деформированное состояние конструкции.

Результаты. Установлено, что усиление растянутой зоны балки МЗП позволяет снизить нормальные растягивающие напряжения на 12,3–59,6 %, сжимающие — на 6,2–30 % в зависимости от типа пластины и уровня предварительного напряжения. Максимальный прогиб балки уменьшается на 1,7–27,5 %. Наибольшая эффективность достигнута при использовании пластин GNA-20 с предварительным напряжением.

Выводы. Предложена новая конструкция усиления и методика ее расчета. Доказана эффективность применения МЗП для повышения прочности и жесткости деревянных балок. Рекомендовано использование пластин типа GNA-20 и разработка новых типов МЗП с улучшенными характеристиками для более полного включения в работу конструкции.

1. Ковальчук Л.М., Турковский С.Б., Пискунов Ю.В. и др. Деревянные конструкции в строительстве. М. : Стройиздат, 1995. 246 с.

2. Roschina S., Gribanov A., Lukin M., Lisyatnikov M., Strekalkin A. Calculation of wooden beams reinforced with polymeric composites with modification of the wood compression area // MATEC Web of Conferences. 2018. Vol. 251. P. 04029. DOI: 10.1051/matecconf/201825104029. EDN RVVCYW.

3. Socha T., Kula K., Denisiewicz A., Lesiuk G., Błażejewski W. Rheological Relaxation of OSB Beams Reinforced with CFRP Composites // Materials. 2021. Vol. 14. Issue 24. P. 7527. DOI: 10.3390/ma14247527

4. Крицин А.В., Лихачева С.Ю., Лобов Д.М., Тихонов А.В. Анализ методов расчета деревянных изгибаемых элементов, усиленных углеродным волокном // Региональная архитектура и строительство. 2014. № 4. С. 97–104. EDN TFQFOF.

5. Устарханов О.М., Ирзаев Г.Г. Схема армирования дощатоклееной балки стеклопластиковым прутком // Современное строительство и архитектура. 2018. № 3 (11). С. 16–20. DOI: 10.18454/mca.2018.11.2. EDN XVJGFN.

6. Пятницкий А.А., Крутик С.А., Журенкова М.А. Возможности использования композиционных материалов на основе углепластика в деревянных конструкциях // Научно-технический вестник Поволжья. 2013. № 3. С. 241–245. EDN QIANTX.

7. Петряев Н.Е., Левинский Ю.Б. Экспериментально-теоретическое обоснование эффективности дисперсионного армирования клееных деревянных балок // Системы. Методы. Технологии. 2012. № 2 (14). С. 102–106. EDN PEXMVT.

8. Corradi M., Speranzini E., Borri A., Vignoli A. In-plane shear reinforcement of wood beam floors with FRP // Composites Part B: Engineering. 2006. Vol. 37. Issue 4–5. Pp. 310–319. DOI: 10.1016/j.compositesb.2005.11.003

9. Rescalvo F., Valverde-Palacios I., Suarez E., Gallego A. Experimental Comparison of Different Carbon Fiber Composites in Reinforcement Layouts for Wooden Beams of Historical Buildings // Materials. 2017. Vol. 10. Issue 10. P. 1113. DOI: 10.3390/ma10101113

10. Карельский А.В., Журавлева Т.П., Лабудин Б.В. Испытание на изгиб деревянных составных балок, соединенных металлическими зубчатыми пластинами, разрушающей нагрузкой // Инженерно-строительный журнал. 2015. № 2 (54). С. 77–85. DOI: 10.5862/MCE.54.9. EDN TMJQQR.

11. Карельский А.В., Журавлева Т.П., Филиппов В.В., Лабудин Б.В., Мелехов В.И. Технология усиления клееных деревянных конструкций металлическими зубчатыми пластинами // Известия высших учебных заведений. Лесной журнал. 2018. № 1 (361). С. 80–88. DOI: 10.17238/issn0536-1036.2018.1.80. EDN YNMFCB.

12. Telichenko V.I., Rimshin V.I., Karelskii A.V., Labudin B.V., Kurbatov V.L. Strengthening technology of timber trusses by patch plates with toothed-plate connectors // Journal of Industrial Pollution Control. 2017. Vol. 33. Issue 1. Pp. 1034–1041. EDN XNTLSI.

13. Римшин В.И., Лабудин Б.В., Мелехов В.И., Попов Е.В., Рощина С.И. Соединения элементов деревянных конструкций на шпонках и шайбах // Вестник МГСУ. 2016. № 9. С. 35–50. DOI: 10.22227/1997-0935.2016.9.35-50. EDN WMLATP.

14. Ашкенази Е.К., Ганов Э.В. Анизотропия конструкционных материалов : справочник. Л. : Машиностроение, 1980. 247 с.

15. Соболев Ю.С. Древесина как конструкционный материал. М. : Лесн. пром-сть, 1979. 248 с.

16. Коченов В.М. Несущая способность элементов и соединений деревянных конструкций. М. : Гос. изд-во лит. по строительству и архитектуре, 1953. 320 с.

17. Никитин Г.Г. О расчете нагельных соединений из дерева и пластмасс с учетом различных режимов загружения // Конструкции из клееной древесины и пластмасс. 1983. С. 96–105.

18. Лабудин Б.В. Совершенствование клееных деревянных конструкций с пространственно-регулярной структурой : монография. Архангельск : Арханг. гос. техн. ун-т, 2007. 267 с.

19. Рощина С.И., Римшин В.И. Расчет деформаций изгибаемых армированных деревянных элементов с учетом ползучести // Известия Юго-Западного государственного университета. 2011. № 1 (34). С. 121–124. EDN NXLTKN.

20. Светозарова Е.И., Серов Е.Н., Лабудин Б.В. Некоторые вопросы совершенствования клееных деревянных конструкций в процессе изготовления // Известия высших учебных заведений. Лесной журнал. 1985. № 2. С. 65–68. EDN BDDHTQ.

21. Ржаницын А.Р. Составные стержни и пластинки. М. : Стройиздат, 1986. 314 с.

22. Карельский А.В., Лабудин Б.В., Мелехов В.И. Испытание на сдвиг элементов деревянных конструкций, соединенных металлическими зубчатыми пластинами // Строительство и реконструкция. 2015. № 1 (57). С. 11–16. EDN TQAWZR.

23. Rimshin V., Labudin B., Morozov V., Orlov A., Kazarian A., Kazaryan V. Calculation of shear stability of conjugation of the main pillars with the foundation in wooden frame buildings // Advances in Intelligent Systems and Computing. 2019. Pp. 867–876. DOI: 10.1007/978-3-030-19868-8_85

24. Римшин В.И., Кецко Е.С., Трунтов П.С. Большой строительный словарь. Т. 2. М. : Издательский дом АСВ, 2022. 626 с. EDN FSAMPR.

25. Курбатов В.Л., Римшин В.И., Шубин И.Л., Волкова С.В. Информационное моделирование и искусственный интеллект в современном строительстве и жилищно-коммунальном хозяйстве. М. : Издательский дом АСВ, 2023. 420 с. EDN MSLGGU.

26. Баженов В.А., Дащенко А.Ф., Оробей В.Ф., Сурьянинов Н.Г. Численные методы в механике. 2004.

27. Филин А.П. Прикладная механика твердого деформируемого тела: сопротивление материалов с элементами теории сплошных сред и строительной механики. Т. 2. М. : Наука, 1978. 616 с.