Деформационный подход к расчету прочности при поперечном изгибе деревянных элементов c учетом сдвига

Введение. Актуальными задачами проектирования строительных конструкций из древесины являются расчет и конструирование изгибаемых элементов с учетом сдвига (скалывания). Рассмотрен вариант применения деформационного подхода для расчета прочности деревянных элементов при поперечном изгибе с учетом сдвига, основанный на использовании диаграмм деформирования древесины при сжатии и растяжении с учетом нелинейной работы.

Материалы и методы. Верификация предложенного подхода расчета прочности проводилась на данных собственных экспериментальных исследований деревянных элементов при поперечном изгибе. Критерием разрушения элемента принято максимальное значение внутреннего усилия, при котором выполняются условия равновесия системы разрешающих уравнений, либо несоблюдение условий прочности при сдвиге в поперечных сечениях по длине площадки сдвига конструкции, в том числе с учетом нелинейной работы древесины при сжатии.

Результаты. Предложенный деформационный подход позволяет получить распределение сдвигающих усилий на участке возможного сдвига вдоль волокон балки на любой стадии нагружения. Анализ результатов экспериментально-теоретических исследований свидетельствует о возможности применения предложенного подхода для проверки прочности деревянных конструкций при изгибе с учетом сдвига. Экспериментально установлены схемы разрушения древесины при сдвиге, которые заключаются в сдвиге волокон не по плоскости в нейтральной зоне, а по годичным кольцам древесины. Предложенный критерий разрушения позволяет учитывать возможный сдвиг древесины при поперечном изгибе.

Выводы. На основе исследований сделан вывод, что особое внимание при расчете изгибаемых деревянных элементов с учетом сдвига следует уделять реальной прочности древесины на сдвиг, которая в реальных конструкциях зависит от площадки сдвига с учетом расположения годичных колец в поперечном сечении конструкции.

1. Лазовский Д.Н., Гиль А.И., Глухов Д.О. Диаграммный подход при расчете деревянных конструкций по СП 5.05.01-2021 // Вестник БрГТУ. 2024. № 2 (134). С. 66–72. DOI: 10.36773/1818-1112-2024-134-2-66-72. EDN DKHHQX.

2. Koczan G., Kozakiewicz P. The role of shear stress in the bending strength test of short and medium length specimens of clear wood // Drewno. Prace Naukowe, Doniesienia, Komunikaty = Wood. Research Papers, Reports, Announcements. 2017. Vol. 60. Issue 199. Pp. 161–175. DOI: 10.12841/wood.1644-3985.102.12

3. Arroyo F.N., Borges J.F., Pereira Junior W.M., Santos H.F., Oliveira I.A., Panzera T.H. et al. Estimation of flexural tensile strength as a function of shear of timber structures // Forests. 2023. Vol. 14. Issue 8. P. 1552. DOI: 10.3390/f14081552

4. Жилкин В.А. Численное исследование напряженного состояния образцов из древесины на скалывание вдоль волокон // АПК России. 2015. Т. 74. С. 55–65. EDN VKBAHP.

5. Yang S.M., Lee H.H., Kang S.G. Research trends in hybrid cross-laminated timber (CLT) to enhance the rolling shear strength of CLT // Journal of the Korean Wood Science and Technology. 2021. Vol. 49. Issue 4. Pp. 336–359. DOI: 10.5658/WOOD.2021.49.4.336

6. Малыхина В.С., Денисов А.Н. Исследование смятия и скалывания соединения деревянных элементов конструкции без механических связей // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2016. № 8. С. 72–74. EDN WHTDIF.

7. Артемов П.Я. Некоторые вопросы скалывания древесины // Сборник научных трудов. Минск : Издательство Белгосуниверситета имени В.И. Ленина, 1956. № VIII. С. 204–213.

8. Franke S., Franke B., Harte A.M. Failure modes and reinforcement techniques for timber beams — State of the art // Construction and Building Materials. 2015. Vol. 97. Pp. 2–13. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2015.06.021

9. Zhang L., Xu B., Fang Z., Li C., Kong X., Li Q., Guo K. Experimental Study on the Bending and Shear Behaviors of Chinese Paulownia Wood at Elevated Temperatures // Polymers. 2022. Vol. 14. Issue 24. P. 5545. DOI: 10.3390/polym14245545

10. Rammer D.R., McLean D.I. Shear strength of wood beams // National conference on wood transportation structures. 1996. Pp. 168–177.

11. Коротков Л.И. Брус клееный из деревянного шпона // Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. 2014. № 6 (185). С. 38–41. EDN TAPWFX.

12. Деордиев С.В., Копаница Д.Г., Копаница Г.Д., Тутатчиков Р.С. Экспериментальные исследования клеедощатых балок на поперечный изгиб при действии статической и кратковременной динамической нагрузки // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. 2014. № 3 (44). С. 96–111. EDN SEZISL.

13. Li Q., Wang Z., Liang Z., Li L., Gong M., Zhou J. Shear properties of hybrid CLT fabricated with lumber and OSB // Construction and Building Materials. 2020. Vol. 261. P. 120504. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2020.120504

14. Хаткевич А.М., Лазовский Д.Н., Глухов Д.О. Деформационный подход к моделированию напряженно-деформированного состояния сжатых элементов из кирпичной кладки, усиленных под нагрузкой железобетонной обоймой // Вестник Полоцкого государственного университета. Серия F. Строительство. Прикладные науки. 2023. № 3. С. 21–27. DOI: 10.52928/2070-1683-2023-35-3-21-27. EDN PJQNXA.

15. Лазовский Д.Н., Гиль А.И. Моделирование напряженно-деформированного состояния двухслойных железобетонных изгибаемых элементов с различными видами армирования в растянутой зоне // Известия высших учебных заведений. Строительство. 2024. № 5 (785). С. 36–48. DOI: 10.32683/0536-1052-2024-785-5-36-48. EDN CNSHUR.

16. Лазовский Д.Н., Гиль А.И., Глухов Д.О. Деформационный подход к расчету сопротивления сжатию сталежелезобетонных элементов // Вестник МГСУ. 2024. Т. 19. № 9. С. 1469–1483. DOI: 10.22227/1997-0935.2024.9.1469-1483. EDN AOVNPO.

17. Gomon S., Gomon P., Korniychuck O., Homon S., Dovbenko T., Kulakovskyi L. et al. Fundamentals of calculation of elements from solid and glued timber with repeated oblique transverse bending, taking into account the criterion of deformation // Acta Facultatis Xylologiae Zvolen. 2022. Vol. 64. Issue 2. Pp. 37–47. DOI: 10.17423/afx.2022.64.2.04

18. Pavluk A., Gomon S., Khoruzhyi M., Homon S., Dejneka O., Smal M. et al. Peculiarities of calculation of wooden beams for oblique bending using the deformation model // Procedia Structural Integrity. 2024. Vol. 59. Pp. 566–574. DOI: 10.1016/j.prostr.2024.04.080

19. Gomon P., Gomon S., Pavluk A., Homon S., Chapiuk O., Melnyk Y. Innovative method for calculating deflections of wooden beams based on the moment-curvature graph // Procedia Structural Integrity. 2023. Vol. 48. Pp. 195–200. DOI: 10.1016/j.prostr.2023.07.148

20. Lazouski D., Glukhov D., Lazouski Y., Hil A. Modeling of Behavior of the Bending Reinforced Concrete Structures Under Load // Sustainable and Digital Building. 2023. Pp. 279–289. DOI: 10.1007/978-3-031-25795-7_22