УДК 624.011
Найчук А, Я., д. т.н., (филиал «РУП институт БелНИИС»- «Научно-технический центр», г. Брест, Беларусь), С, к. т.н., доцент, , аспирант (Национальный университет водного хозяйства и природоиспользования, г. Ровно, Украина
Численные исследования прочности деревянных
балок со сквозными трещинами усиленных наклонно вклеенными стержнями
Приведены результаты теоретических исследования деревянных балок со сквозными односторонними трещинами усиленных наклонно вклееными металлическими стержнями.
В работе [1] было установлено, что наличие сквозных трещин существенно уменьшает несущую способность балок по сравнению с балками цельного сечения. В процессе эксплуатации такие балки подлежат демонтажу либо усилению в зависимости от геометрических параметров повреждений. Демонтаж балок не всегда экономически оправдан и применяется только в случаях, когда выполнить их усиление не возможно.
В настоящее время применяются различные способы усиления деревянных балок с повреждениями в виде сквозных трещин. К таким способам усиления можно отнести: инъецирование клея в полости трещин; установка стяжных муфт, боковых накладок из древесины, фанеры и стали, соединенных с боковой поверхностью балки посредством клея, гвоздей или нагелей, а также установка наклонно вклеенных в древесину балки металлических либо стеклопластиковых стержней; изменение статической схемы работы балки посредством устройства затяжек в виде шпренгелей или дополнительных опор. Каждый из указанных способов усиления имеет свои достоинства и недостатки.
Выбор способа усиления зависит от длины трещины, места ее расположения в балке, размеров поперечного сечения, длины пролета, величины действующей нагрузки и условий эксплуатации. Любой из применяемых способов усиления должен исключать дальнейшее развитие трещин в процессе эксплуатации.
Наиболее прогрессивным и экономически оправданным, особенно для клееных деревянных балок, является усиления балок посредством наклонно вклеенных стержней. Такой способ усиления очень часто применяется на практике, не смотря на отсутствие рекомендаций по его расчету.
Отметим, что вопросам исследований соединений на вклеенных в древесину металлических стержнях посвящен целый ряд работ , , результатом которых явилась разработка рекомендаций по их расчету и применению [2 – 7]. Все эти исследования проводились для случаев, когда вклеенные стержни находились в цельном массиве древесины.
В нашем случае прочность балки с имеющейся в ней трещиной должна определяться не только прочностью соединения на вклеенных стержнях, но и прочностью древесины на поперечный сдвиг в вершине трещины, т. е. задача о прочности балки должна решаться комплексно. Поэтому, нами были проведены теоретические исследования деревянных балок со сквозными односторонними трещинами усиленных наклонно вклееными металлическими стержнями.
Целью данных исследований являлось изучение напряженно-деформированного состояния и несущей способности. Теоретические исследования выполнялись численным методом с использованием вычислительной программы «STIZAR» [8]. Задачами исследований балок, усиленных наклонно вклеенными металлическими стержнями, являлось выявление закономерностей изменения напряженно-деформированного состояния, величины усилий в стержнях и коэффициентов интенсивности напряжений 
в зависимости от длины трещины, диаметра стержней их шага и количества при действии равномерно распределенной нагрузки по всему пролету.
На первом этапе исследований была решена задача по определению оптимального расстояния установки стержней от вершины трещины. При решении данной задачи рассматривалась балка пролетом L = 8000 мм, поперечным сечением b x h = 140 х 800 мм, нагруженная равномерно распределенной нагрузкой q, с односторонней краевой трещиной длиной l = 1600 мм, расположенной по нейтральной оси, c наклонным под углом q =450 к продольной оси балки стержнем диаметром d, расположенным на расстоянии а1 от вершины трещины к опоре. Варьируемыми параметрами при решении данной задачи являлись: расстояние a1 от вершины трещины по ее линии до оси стержня, которое принималось равным 50, 75 и 100 мм ; диаметр арматурного стержня d = 14, 16 и 18 мм (рис. 1).
Рис.1. Расчетные схема балки с трещиной усиленная вклеенным арматурным стержнем: 1 – деревянная балка; 2 – вклеенный арматурный стержень.
На втором этапе исследований рассматривалось два случая: первый – когда трещина располагалась по нейтральной оси балки и второй – с трещиной расположенной на расстоянии 0,3h от нижней грани балки (рис. 2).
Размеры поперечного сечения балок, величина нагрузки, длина трещины, упругие характеристики древесины принимались такими же, как и для балок приведенных в [1]. Упругие характеристики стальных стержней 
21000 МПа, 
81000 МПа, а коэффициент поперечной деформации 
= 0,3.
Рис.2. Расчетные схемы балок с трещинами и наклонно вклеенными стержнями: а) – балка с трещиной по нейтральной оси; б) – балка с трещиной на 0,3
.
Здесь наклонные под углом q к продольной оси балки стержни располагались таким образом, что бы началом первого от торца стержня являлась точка пересечения линий опоры и верхней грани балки, а остальные располагались с шагом a по линии трещины к ее вершине. Максимальное количество стержней по длине трещины, принималось в зависимости от ее длины, и было не более трех, минимальное – один стержень. Все стержни пересекали линию трещины. Шаг стержней принимался равным 200 и 300 мм, длина – на всю высоту сечения балки. Диаметр стержней 
14, 16 и 18 мм.
В результате численных расчетов, выполненных на первом этапе исследований, было установлено, что при длине трещины l = 2h и наличии одного наклонно вклеенного арматурного стержня прочность балки практически не зависит от расстояния a1 между вершиной трещины и осью стержня. При этом увеличение диаметра вклеенного стержня или увеличение их количества (два стержня) в одной наклонной плоскости для одних и тех же значений a1 приводит к увеличению прочности балки в среднем на 10 – 15%
В результате численных расчетов, выполненных на втором этапе исследований, было установлено, что наличие вклеенных арматурных стержней способствует повышению прочности балок со сквозными трещинами. Так при длине трещины l = h, 2h и наличии одного наклонно вклеенного арматурного стержня диаметром 14 мм, прочность балки соответственно увеличивается в 1,47 и 1,78 раза по сравнению с балками со сквозными трещинами без арматурных стержней.
При установке двух наклонных стержней с шагом a = 200 мм прочность балок увеличивается, по сравнению с балками с одним наклонным стержнем. Увеличение шага расстановки стержней a, в рассмотренном диапазоне его изменения, сказывается на распределении усилий в стержнях и не влияет на прочность балок.
1. , , Иванюк технического состояния деревянных балок со сквозными трещинами: Сб. научн. тр. Современные строительные конструкции из металла и древесины /ОГАСА. – Одесса.2007, – с. 142-147. 2. Рекомендации по проектированию соединений элементов деревянных конструкций с передачей усилий стальными стержнями, вклеенными поперек волокон / ЦНИИПромзданий. –М., 1984. – 20 с. 3., , Головина и расчет соединений деревянных конструкций на вкленных стержнях // Несущие деревянные конструкции: Сб. научн. Тр. /ЦНИИСК им. . – М., – с. 83-91. 4. , О прочности на сдвиг клеевых соединений стальных стержней с древесиной // Изв. Вузов. Строительство и архитектура. – 1976. – №11. – С. 20-24. 5. , Совершенствование конструкций опорных узлов клееных колон, жестко соединенных с фундаментами // Изв. Вузов. Строительство и архитектура. – 1984. – №8. – С. 135-139. 6. , , Поветкин соединений элементов деревянных конструкций на вклеенных арматурных стержнях // Строительство и архитектура. Сер. 8. Строительные конструкции: Экспресс-информ.: Отечесв. Произв. Опыт/ ВНИИС. – М., 1985. –Вып. 12 – С. 5-11. 7. , и др. Деревянные конструкции в строительстве. – М., Стройиздат, 1995. 8. Найчук элементов деревянных конструкций в условиях сложного неоднородного напряженного состояния: Автореф. дис…д. тех. наук. – М, 2006. – 45 с.
