Вестник Поволжского государственного технологического университета. Серия «Материалы. Конструкции. Технологии»
Расчёт сжато-изогнутых составных деревянных стоек с нелинейно-податливыми связями сдвига
Опубликована: 2022-07-06
  • Е. В. Попов Северный (Арктический) федеральный университет имени М. В. Ломоносова (Архангельск)
  • Д. В. Гетман Северный (Арктический) федеральный университет имени М. В. Ломоносова (Архангельск)
  • Б. В. Лабудин Северный (Арктический) федеральный университет имени М. В. Ломоносова (Архангельск)
  • В. В. Сопилов Северный (Арктический) федеральный университет имени М. В. Ломоносова (Архангельск)
  • А. С. Елуков Северный (Арктический) федеральный университет имени М. В. Ломоносова (Архангельск)

Аннотация

В статье приводятся результаты исследований составных сжато-изгибаемых и внецентренно-сжатых деревянных стоек с податливыми нелинейно-деформируемыми связями сдвига. Цель работы – разработка численной методики расчёта колонн, позволяющая учитывать влияние отклонения упругой оси стержня на приращение изгибающего момента от действия продольной сжимающей силы и нелинейную зависимость между усилиями и деформациями в связях сдвига. Метод решения задачи заключается в разбиении колонны на отдельные участки, составляется система уравнений из условия равенства приращения сосредоточенных сдвигов на границе участка приращениям деформаций краевых волокон составной конструкции, прилегающих к шву сплачивания. Процесс загружения разбивается на заданное количество этапов, на каждом из которых определяются усилия в связях сдвига, напряжения в ветвях и функция прогиба упругой оси элемента. Полученные значения усилий в связях сдвига и прогиба используются для уточнения жёсткости связей и составляющей изгибающего момента, возникающей за счёт внецентренного приложения продольной сжимающей силы при отклонении продольной оси элемента. Для получения результирующих значений полученные усилия в связях, прогибы и напряжения в ветвях на каждом этапе расчёта суммируются.
Представлен расчёт двухветвевой деревянной сжато-изогнутой стойки с податливыми связями сдвига, выполнено сопоставление результатов линейного и нелинейного расчётов при различном количестве итераций. Установлено оптимальное число итераций, необходимое для получения достоверных искомых параметров напряжённо-деформированного состояния. Установлено, что введение в расчёт линейного коэффициента жёсткости соединений может приводить к существенным погрешностям при оценке напряжённо-деформированного состояния рассматриваемых конструкций, так как не позволяет учитывать действительное перераспределение усилий между связями сдвига вследствие снижения коэффициента жёсткости более нагруженных на начальных этапах расчёта соединений. Выявлено оптимальное количество итераций шагового расчёта, что позволяет получать приемлемую точность при сокращении объёма вычислительной работы.

Биографии авторов

Е. В. Попов, Северный (Арктический) федеральный университет имени М. В. Ломоносова (Архангельск)

кандидат технических наук, доцент кафедры инженерных конструкций, архитектуры и графики, Северный (Арктический) федеральный университет имени М. В. Ломоносова, г. Архангельск. Область научных интересов – исследование, расчёт и технология изготовления составных дерево-композитных конструкций. Автор более 35 научных публикаций.

Д. В. Гетман, Северный (Арктический) федеральный университет имени М. В. Ломоносова (Архангельск)

студентка 4 курса по направлению «Гидротехническое строительство», Северный (Арктический) федеральный университет имени М. В. Ломоносова, г. Архангельск.

Б. В. Лабудин, Северный (Арктический) федеральный университет имени М. В. Ломоносова (Архангельск)

доктор технических наук, профессор, профессор кафедры инженерных конструкций, архитектуры и графики, Северный (Арктический) федеральный университет имени М. В. Ломоносова, директор ООО «Архангельские реставрационные мастерские», г. Архангельск. Область научных интересов – совершенствование конструктивных решений и методов расчёта большепролётных пространственно-регулярных и циклически-симметричных систем из клееной древесины. Автор более 190 научных публикаций.

В. В. Сопилов, Северный (Арктический) федеральный университет имени М. В. Ломоносова (Архангельск)

аспирант кафедры инженерных конструкций, архитектуры и графики, Северный (Арктический) федеральный университет имени М. В. Ломоносова, г. Архангельск. Область научных интересов – исследование, расчёт и технология усиления строительных конструкций.

А. С. Елуков, Северный (Арктический) федеральный университет имени М. В. Ломоносова (Архангельск)

аспирант кафедры лесопромышленных производств и обработки материалов, Северный (Арктический) федеральный университет имени М. В. Ломоносова, технический руководитель Архангельского завода клееного бруса, г. Архангельск. Область научных интересов – повышение эффективности переработки тонкомерных лесоматериалов, технический надзор в ИЖС.

Литература

1. Jockwer R., Grönquist P., Frangi A. Long-term deformation behaviour of timber columns: Monitor-ing of a tall timber building in Switzerland // Engineer-ing Structures. 2021. 234 р. URL: https: //doi.org/ 10.1016/j.engstruct.2021.111855.
2. Kia L., Valipour H. R. Composite timber-steel encased columns subjected to concentric loading // Engineering Structures. 2021. 232 р. URL: https: //doi.org/10.1016/j.engstruct.2020.111825.
3. Qiao Q., Yang Z., Mou B. Experimental study on axial compressive behavior of CFRP con-fined square timber filled steel tube stub columns // Structures. 2020. No. 24. Pp. 823–834. URL: https: //doi.org/ 10.1016/j.istruc.2020.02.007.
4. Finite element modelling of timber infilled steel tubular short columns under axial compression / S. Navaratnam, J. Thamboo, K. Poologanathan, K. Roy, P. Gatheeshgar // Structures. 2021. No. 30. Рр. 910–924. URL: https://doi.org/10.1016/j.istruc.2020.12.087.
5. Compressive behaviour of novel timber-filled steel tubular (TFST) columns / H. Karampour, M. Bourges, B. P. Gilbert, A. Bismire, H. Bailleres, H. Guan // Construction and Building Materials. 2020. 238 р. URL: https: //doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2019. 117734.
6. Qiao Q., Yang Z., Mou B. Experimental study on axial compressive behavior of CFRP confined square timber filled steel tube stub columns // Struc-tures. 2020. No. 24. Рр. 823–834. URL: https: //doi.org/10.1016/j.istruc.2020.02.007.
7. Double-skin concrete-timber-filled steel columns under compression / T. Ghanbari-Ghazijahani,
G. A. Magsi, D. Gu, A. Nabati, C. T. Ng // Engineering Structures. 2019. DOI: 10.1016/j.engstruct.2019.109537.
8. Li H., Qiu H., Lu Y. An analytical model for the loading capacity of splice-retrofitted slender tim-ber columns // Engineering Structures. 2020. DOI: 10.1016/j.engstruct.2020.111274.
9. Bhat J. A. Buckling behavior of cross lami-nated poplar timber columns using various perfor-mance improvement techniques // Materials Today: Proceedings. 2021. No. 44. Pp. 2792–2796. DOI: 10.1016/j.matpr.2020.12.785.
10. A comparative study of compression behav-iors of cross-laminated timber and glued-laminated timber columns / P. Wei, B. J. Wang, H. Li, L. Wang, S. Peng, L. Zhang // Construction and Building Materials. 2019. No. 222. Pp. 86–95. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2019.06.139.
11. Improvement of strength and stiffness of components of main struts with foundation in wood-en frame buildings / V. I. Rimshin, B. V. Labudin, V. I. Melekhov, A. O. Orlov, V. L. Kurbatov // ARPN Jour-nal of Engineering and Applied Sciences. 2018. No. 13 (11). Pp. 3851–3856.
12. Calculation of Shear Stability of Conjugation of the Main Pillars with the Foundation in Wooden Frame Buildings / V. Rimshin, B. Labudin, V. Moro-zov, A. Orlov, A. Kazarian, V. Kazaryan // Advances in Intelligent Systems and Computing. 2019. No. 983. Pp. 867–876. DOI:10.1007/978-3-030-19868-8_85.
13. CEN EN 1995−1−1:2004/A2−2014 Euro-code 5: Design of timber structures. Part 1−1: General − Common rules and rules for buildings. URL: https: //docs.cntd.ru/document/552380618 (accessed 05.09.2021).
14. Šmak M., Straka B. Development of new types of timber structures based on theoretical analy-sis and their real behavior // Wood Research. 2014. No. 59 (3). Pp. 459–470.
15. Lokaj A., Klajmonová K. Round timber bolt-ed joints exposed to static and dynamic loading // Wood Research. 2014. No. 59 (3). Pp. 439–448.
16. Karelskiy A. V., Zhuravleva T. P., Labudin B. V. Load-to-failure bending test of wood composite beams connected by gang nail // Magazine of Civil Engineering. 2015. No. 54 (02). Pp. 77–85. DOI:10.5862/MCE.54.9.
17. Chernykh A., Danilov E., Koval P. Stiffness Analysis of Connections of LVL Structures with Claw Washers // Forestry Journal. 2020. No. 4. Pp. 157–167. DOI:10.37482/0536-1036-2020-4-157-167.
18. Baszeń M. Semi-rigid Behavior of Joints in Wood Light-frame Structures // Procedia Engineering. 2017. No. 172. Pp. 88–95. DOI: 10.1016/j.proeng.2017.02.022.
19. Hassanieh A., Valipour H. Experimental and numerical study of OSB sheathed-LVL stud wall with stapled connections // Construction and Building Ma-terials. 2020. 233 р. DOI: 10.1016/j. conbuildmat.2019.117373.
20. Wood-Composite Structures with Non–Linear Behavior of Semi-Rigid Shear Ties / B. La-budin, E. Popov, O. Vladimirova, V. Sopilov, A. Bo- byleva // Construction of Unique Buildings and Struc-tures. 2021. Article 97. No. 9702. DOI: 10.4123/CUBS.97.2. URL: https: //www.elibrary.ru/ item.asp?id=46618620.
21. Calculation of Vertical Deformations of Composite Bending Wooden Structures with Non–linear Behavior of Shear Bonds / E. V. Popov, V. V. Sopilov, I. N. Bardin, D. M. Lyapin. 2021. Рр. 109–116. URL: https: //link.springer.com/chapter/10.1007/ 978-3-030-75182-1_15.