Дослідження механічної поведінки попередньо напружених дерев'яних клеєних балок методом кінцевих елементів

Abstract

Протягом багатьох років попередньо напружені клеєні балки успішно застосовуються, наприклад, в будівництві в якості несучих конструкцій. Метою дослідження ставилося розробка конструкції із зменшеною витратою матеріалів. Спосіб виготовлення полягає в склеюванні тонких попередньо зігнутих ламелей до необхідної висоти, після чого склеєний ламельний блок розрізають по висоті уздовж поздовжньої осі, а потім розрізані частини склеюють між собою своїми вигнутими сторонами (поверхнями). Основне завдання – дослідити згинальну жорсткість прямолінійної балки склеєної з вигнутих ламелей в разі, коли попередні напруження в ламелях відсутні, з випадком наявності таких напружень. Перший варіант навантаження полягав у створенні попередньо напруженого стану балки і визначенні максимальних нормальних напружень. З'ясовано, що кожна з ламелей має при її вигині розтягнуті області у верхній частині з напругою розтягнення від SX=+25 МПа до SX=+35 МПа і стислі області в нижній частині з напругою стиснення від SX=-30 МПа до SX=-60 МПа. Другий варіант навантаження полягав у створенні робочого навантаження на верхню площину балки за відсутності попереднього напруження. Максимальний прогин склав URES=1,535 мм. Величини внутрішніх напружень, при цьому, знаходяться в межах від SX=-57 МПа в стислій зоні до SX=+32,47 МПа в розтягнутій. Третій варіант навантаження складався в наявності як попереднього напруження, так і робочого навантаження. Максимальний прогин склав URES=27,49 мм. Величини внутрішніх напружень, при цьому, знаходяться в межах від SX=-10 МПа до SX=-100 МПа в стислій зоні до SX=+20 МПа до SX=+60 МПа в розтягнутій. Результати обчислювальних експериментів показують, що, застосовуючи попередньо напружений стан, у напрямку, протилежному вигину від робочого навантаження, можна компенсувати вплив робочого навантаження. Встановлено, що застосування явища попереднього напруження дозволяє створювати конструкції прямолінійних склеєних дерев'яних балок зменшеної матеріаломісткості, а ефект збільшення несучої здатності дерев'яної балки обмежується міцністю на стиск матеріалу, з якого вона зроблена. У перспективі для отримання більш точних значень коефіцієнта збільшення несучої здатності запропонованої конструкції дерев’яних балок планується провести експерименти in vitro на спеціальному програмно-технічному комплексі лабораторії механічних випробувань Департаменту експлуатації лісових ресурсів ЖНАEУ.

For many years, prestressed glued beams have been successfully used, for example, in construction as supporting structures. Based on the analysis of recent studies of prestressed wooden beams, the aim of the research was to develop a design with a reduced consumption of materials. The technical result is achieved in that the method of manufacturing a prestressed straight wooden beam consists in gluing thin pre-curved lamellas to the required height, after which the glued lamella block is cut in height along the longitudinal axis and then the cut parts are glued together with each other by their curved sides (surfaces) . The purpose of the experiment was to investigate the bending stiffness of a rectilinear beam glued from curved lamellae in the case when there are no preliminary stresses in the lamellae, with the case of the presence of such stresses. The first load option was to create a pre-stressed state of the beam and determine the maximum normal stresses. The prestressed state of the lamellae in the bent and fixed (glued) position was simulated by stretching the upper layers of each of the lamellae during their global contact. When bent, it was found that each of the lamellae has stretched areas in the upper part with tensile stress from SX = +25 MPa to SX = +35 MPa and compressed regions in the lower part with compression stress from SX = -30 MPa to SX = -60 MPa. The second variant of the load was to create a workload on the top plane of the beam in the absence of prestressing. The maximum deflection in the middle of the beam was URES = 1,535 mm. The values of internal stresses in this case are in the range from SX = - 57 MPa in the compressed zone to SX = + 82 MPa in the tension one. The third variant of the load consisted in the presence of both prestressing and working load. The maximum deflection in the middle of the beam was URES = 0,466 mm. The values of the internal pressure with the range from SX = - 10 MPa to SX = - 100 MPa in the compressed area to SX = + 20 MPa to SX = + 60 MPa in tension one. The results of computational experiments show that by applying prestressed, in the direction opposite to the bending of the workload, we can compensate for the influence of the workload. It has been established that the application of the prestressing phenomenon makes it possible to create structures of rectilinear glued wooden beams of reduced material consumption, while the effect of increasing the carrying capacity of a wooden beam will be limited by the compressive strength of the material from which it is made. In order to obtain more accurate values of the increase in the coefficient of increasing the bearing capacity of the proposed construction of a wooden beams, it is planned to conduct in-vito experiments on a special software and hardware complex of the laboratory of mechanical tests of the Department of Forest Resources exploitation of the ZhNAU.

В течение многих лет предварительно напряженные клееные балки успешно применяются, например, в строительстве в качестве несущих конструкций. Целью исследования ставилась разработка конструкции с уменьшенным расходом материалов. Способ изготовления заключается в склеивании тонких предварительно изогнутых ламелей до необходимой высоты, после чего склеенный ламельный блок разрезают по высоте вдоль продольной оси, а затем разрезанные части склеивают между собой своими изогнутыми сторонами (поверхностями). Основная задача - исследовать гибкость прямолинейной балки склеенной из изогнутых ламелей в случае, когда предварительное напряжение в ламелях отсутствуют, с наличием таких напряжений. Первый вариант нагрузки состоял в создании предварительно напряженного состояния балки и определении максимальных нормальных напряжений. Выяснено, что каждая из ламелей имеет при ее изгибе растянутые области в верхней части с напряжением растяжения от SX=25 МПа до SX=35 МПа и сжатые области в нижней части с напряжением сжатия от SX=-30 МПа до SX=-60 МПа. Второй вариант нагрузки состоял в создании рабочей нагрузки на верхнюю плоскость балки при отсутствии предварительного напряжения. Максимальный прогиб составил URES=1,535 мм. Величины внутренних напряжений, при этом, находятся в пределах от SX=-57 МПа в сжатой зоне до SX=+32,47 МПа в растянутой. Третий вариант нагрузки состоял в наличии как предварительного напряжения, так и рабочей нагрузки. Максимальный прогиб составил URES=27,49 мм. Величины внутренних напряжений, при этом, находятся в пределах от SX=-10 МПа до SX=-100 МПа в сжатой зоне до SX=+20 МПа до SX=+60 МПа в растянутой. Результаты вычислительных экспериментов показывают, что, применяя предварительно напряженное состояние, в направлении, противоположном изгибу от рабочей нагрузки, можно компенсировать влияние рабочей нагрузки. Установлено, что применение явления предварительного напряжения позволяет создавать конструкции прямолинейных склеенных деревянных балок уменьшенной материалоемкости, а эффект увеличения несущей способности деревянной балки ограничивается прочностью на сжатие материала, из которого она сделана. В перспективе для получения более точных значений коэффициента увеличения несущей способности предложенной конструкции деревянных балок планируется провести эксперименты in vitro на специальном программно-техническом комплексе лаборатории механических испытаний Департамента эксплуатации лесных ресурсов ЖНАEУ.