Авторы:
Серов Евгений Николаевич, профессор кафедры конструкций из дерева и пластмасс С.-Петербургского государственного архитектурно-строительного университета. Имеет более 130 печатных работ в области исследования клееных деревянных конструкций с учетом анизотропных свойств материалов.
Лабудин Борис Васильевич, доктор технических наук, профессор кафедры инженерных конструкций и архитектуры ИСиА САФУ. Имеет более 170 печатных работ в области совершенствования клееных деревянных конструкций с пространственно-регулярной структурой и циклической симметрией, где учитывается деформативность упруго-податливых связей, физическая и геометрическая нелинейность.
КЛЕЕНЫЕ ДЕРЕВЯННЫЕ КОНСТРУКЦИИ: СОСТОЯНИЕ И ПРОБЛЕМЫ РАЗВИТИЯ (Часть 1.)
В статье рассмотрены состояние, тенденции и проблемы развития деревянных конструкций (ДК) на современном этапе. Раскрыт приоритет отечественных научных достижений в практике проектирования и применения ДК и клееных ДК, обращено внимание на некоторые проблемы дальнейшего их развития. Особенности напряженно-деформированного состояния (НДС) большепролетных КДК и новые воззрения на оценку их прочности.
Дерево является древнейшим конструкционным материалом, и эволюция отбора конструктивных решений выработала номенклатуру одних из самых надежных систем и конструкций из цельной древесины (ДК). Оценка их прочности по максимальным напряжениям была и остается вполне достаточной, если не чрезмерной. Склеивание элементов клееных деревянных конструкций (КДК) водостойкими клеями несомненно обогатило инженерные и архитектурные возможности древесины.
КДК могут перекрывать пролеты, недосягаемые для других материалов. Расстояния между опорами клеедощатых балок достигают 40 м и более, тонкостенных (клеефанерных) – до 55 м, гнутоклееных рам – до 70 м, арок – до 100 м, пространственных – до 250 мм и более. Пространственными системами из КДК перекрывают даже целые стадионы, в том числе олимпийские. В большепролетных КДК появились несвойственные для ДК очертания, например, с участками большой кривизны. Существенно изменились формы и размеры поперечных сечений, а также соотношения этих размеров. Увеличились нагрузки, особенно сосредоточенные силы, в том числе и опорные реакции. Вместе с тем, клееной древесине свойственна повышенная степень анизотропии. Прочность ее вдоль волокон возросла за счет вырезания крупных пороков из отдельных слоев, а относительная величина оставшихся в многослойном пакете существенно уменьшилась, что повысило однородность клееной древесины по сравнению с цельной. Поперек волокон, наоборот, характеристики уменьшились вследствие неизбежного наличия кососрезных волокон в каждом слое и склеивания ламелей по этим скосам, а в зоне сучков – практически по торцам перерезанных волокон. С одной стороны, совокупность перечисленных и др. особенностей КДК заметно изменила их НДС, с другой – при возросших возможностях крупных элементов КДК вдоль волокон узлы их соединения отстают в развитии, оставаясь во многих случаях на уровне мелкоэлементных ДК.
В результате в некоторых эксплуатируемых КДК начали возникать дефекты, чаще, в виде трещин: в приопорных зонах, в криволинейных участках, в окрестностях узлов сопряжения и др. местах. Наблюдаемое макроразрушение обычно связывают с технологическими промахами, обвиняя клеи и режимы изготовления, с условиями эксплуатации и пр. Например, возникновение магистральных продольных трещин в КДК дало повод для введения сначала коэффициента 0,6 (!) в расчетное сопротивление клееной древесины скалыванию, а затем и существенного уменьшения его в СНиП. Такое решение не вскрыло, а скорее завуалировало сущность явления, тем более, что дефекты и очаги первых признаков разрушения возникают часто вне зон действия максимальных напряжений. Исследования показали, что приведенные суммарные напряжения под углом к волокнам, хотя и незначительные по величине, часто оказываются соизмеримыми с сопротивлением клееной древесины в соответствующих направлениях и становятся более опасными, чем максимальные. Следовательно, возникла необходимость дополнительной оценки прочности КДК по критериям, учитывающим все компоненты плоского, а иногда и объемного НДС, в частности под углом к волокнам. Известны критерии, разработанные специально для древесины. К ним относятся критерии Е.К. Ашкенази, Г.А. Гениева, Б.А. Освенского и др. Но они сложны для практического использования и рассматривают напряжения по площадкам, перпендикулярным к осям анизотропии материалов. Наиболее близким к рабочему оказался критерий, основанный на первой классической теории разрушения. Он позволяет оценивать прочность древесины под углом к волокнам, снимает многие дискуссионные вопросы и согласуется с результатами экспериментальных исследований КДК различных типов и марок. Новые воззрения на оценку прочности КДК вырабатывались на основе анализа наших собственных многолетних экспериментально-теоретических исследований, включающих обширные наблюдения за поведением под нагрузками эксплуатируемых конструкций, а также данных, полученных другими учеными. Еще в 1955 г. Ф.П. Белянкин сделал вывод о разрушении древесины в виде отрыва по главным площадкам даже при скалывании стандартных образцов. Е. К. Ашкенази высказывала гипотезу о применимости первой классической теории разрушения древесины с образованием складок под углом при осевом сжатии.
Подтверждают это и исследования Ю.М. Иванова. При продольном растяжении здоровой древесины разрушение происходит также под углом к волокнам. Убедительным примером является разрушение одноосно растягиваемых образцов под углом к волокнам с семейством почти продольных защепистых трещин по площади, значительно превышающей поперечное сечение образца. Участок кривой действующих напряжений под углом к волокнам быстрее других точек соприкасается с диаграммой прочного сопротивления древесины. При плоском НДС, характерном для большинства КДК, ситуация усугубляется. В зависимости от конкретных конструктивных решений могут возникать не только основные, но и дополнительные касательные и нормальные напряжения, а в некоторых случаях – наиболее опасные, растягивающие древесину поперек волокон. Целесообразность оценки КДК под углом к волокнам возникает в окрестностях приложения сосредоточенных сил, в том числе возросших опорных реакций, в зонах крутых подрезок, особенно у растянутых кромок, на криволинейных участках при изгибе, уменьшающем кривизну элемента, и др.
«Лесной журнал». 2013. № 2