Гаврилов Вадим Борисович – ФГБОУ ВО «Магнитогорский государственный
технический университет им. Г.И. Носова», г.Магнитогорск, доцент
Варламов Андрей Аркадьевич – Профессор ФГБОУ ВО «Магнитогорский
государственный технический университет им. Г.И. Носова», г.Магнитогорск,
кандидат технических наук, доцент
Шишлонов Евгений Александрович – Генеральный директор
ООО «ТехноГарант», г.Магнитогорск
Сахипов Марат Сагитович – Ведущий эксперт отдела безопасности зданий
и сооружений ООО «ТехноГарант», г.Магнитогорск
Ткач Евгений Николаевич – Эксперт отдела безопасности зданий
и сооружений ООО «ТехноГарант», г.Магнитогорск
Шумилин Максим Сергеевич – Эксперт отдела безопасности зданий
и сооружений ООО «ТехноГарант», г.Магнитогорск
Афанасьев Дмитрий Алексеевич – Эксперт отдела экспертизы
промышленной безопасности ООО «ТехноГарант», г.Магнитогорск
Испытание металлодеревянной фермы в лаборатории института Архитектуры, строительства и искусств ФГБОУ ВО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» проводятся как на полномасштабных конструкциях пролетом 6,0 м, так и на отдельных элементах из древесины прямоугольного сечения, усиленных с трех сторон стальными тонкостенными листами. Основной идеей данных экспериментов является получение надежной конструкции с большой несущей способностью и возможностью изготовления ее непосредственно на строительной площадке. Последнее обстоятельство позволяет существенно снизить себестоимость конструкции, так как достаточно лишь одного специализированного помещения на строительной площадке вместо целого цикла зданий и сооружений (помещений), предусмотренных заводскими условиями изготовления. Исключается также процесс транспортировки конструкций.
В проводимых экспериментах усиление древесины заключается в приклеивании стальных листов к боковым граням по всей длине элементов. Согласно СП63.13330-2011 для приклеивания стальных элементов и деталей к древесине необходимо применять эпоксидные составы. Использование эпоксидного клея в соединении стальных листов с древесиной требует меньших нормативных ограничений при производстве работ и получении качественных клеевых швов.
В процессе подготовки плана экспериментальных исследований была предложена конструкция фермы с параллельными поясами, в которой все деревянные элементы (стержни) с трех сторон обклеиваются тонким стальным П-образным профилем. Подобный профиль используется в отделочных работах и имеется в свободной продаже. Для экспериментов было использовано два наиболее распространенных профиля 40×100×0,45 мм и 40×100×0,6 мм. Конструкция фермы представлена на рис. 1. Стальным профилем толщиной 0,6 мм усилены опорные раскосы и пояса, так как в них возникают наибольшие напряжения.
Сечение всех элементов фермы прямоугольное 40×98 мм. Древесина – сосна первого и второго сорта.
Узлы сопряжения элементов выполнены с применением стальных накладок толщиной 3 мм. Соединение элементов фермы с пластинами выполнено при помощи стальных шпилек диаметром 10 мм. Стойки и наименее напряженные раскосы были закреплены при помощи одной шпильки в каждом узле сопряжения. Опорные раскосы и элементы поясов были закреплены на две шпильки в каждом узле сопряжения с пластинами.
Нагружение фермы осуществлялось в узлы, причем верхний пояс был раскреплен в каждом узле для предотвращения потери общей устойчивости фермы из плоскости (рис. 2). Для контроля общей деформации фермы к центральному узлу нижнего пояса был закреплен фиксатор прогибомера.
Нагрузка прикладывалась ступенчато по 100 кг в каждый узел. До достижения нагрузки 500 кг в каждый узел фермы ферма периодически разгружалась, фиксировались остаточные деформации, а затем вновь происходило нагружение, но уже с нагрузкой увеличенной на 100 кг для каждого узла. Результаты зафиксированных прогибов фермы приведены на рис. 3. Затем разгружение не выполнялось, а при достижении нагрузки в 800 кг в каждый узел, шаг увеличения нагрузки был снижен до 50 кг.
Разрушение фермы наступило при нагрузке в 950 кг (в каждый узел фермы) вследствие разрушения древесины опорного раскоса и элемента сжатого пояса. Первоначально произошло отслоение металлических пластин (тонкостенного профиля) от древесины, т.е. разрушение клеевых швов. Затем в местах дефектов в древесине стали появляться трещины и расслоения между волокнами.
Для сравнения полученного графика деформаций фермы с теоретическим был выполнен расчет фермы с учетом приведенных (по модулю упругости) геометрических характеристик элементов. За основной элемент была принята древесина, так как ее объем в сечении существенно больший по сравнению с тонкостенным профилем.
Дополнительно был выполнен теоретический расчет аналогичной фермы из цельнодеревянных элементов, сечением 40×100 мм и расчет аналогичной по несущей способности стальной фермы. В стальной ферме приняты парные уголки с минимальным рекомендуемым сечением уголков для подобных конструкций 50×5мм. Расчет выполнялся с применением программного комплекса ЛИРА. В результате расчетов были получены предельные узловые нагрузки для деревянной и металлической ферм, которые отображены на графиках (рис. 4). Для каждой условной ступени загружения был рассчитан прогиб фермы (вертикальные деформации центрального узла).