Особенности расчета деревокомпозитных стеновых диафрагм с упругоподатливыми элементами крепления обшивки

Введение. Исследуются деревокомпозитные стеновые панели, работающие под действием сдвигающей нагрузки, сдвиговая жесткость которых обусловлена включением обшивок за счет соединения их с каркасом упругоподатливыми связями сдвига. Предложена численная методика расчета прочности элементов каркаса, определена величина перемещений и приведенного модуля сдвига панели с учетом изменения коэффициента жесткости в зависимости от направления результирующего вектора деформации сдвиговых связей относительно направления волокон деревянных ребер каркаса.

Материалы и методы. Метод решения задачи базируется на вариационном принципе строительной механики, а именно — минимуме общей потенциальной энергии системы в деформированном состоянии. Деформация системы описывается двумя независимыми параметрами: углами поворота граней обшивки относительно оси горизонтальных и вертикальных ребер. Через данные параметры выражается потенциальная энергия деформации коннекторов, изгиба деревянных ребер каркаса и работа внешней сдвигающей силы, приложенной в уровне верхней обвязки. Сумма данных углов и угла сдвига обшивок дает угол наклона стоек к вертикальной оси, через который определяется величина деформации сдвига панели.

Результаты. Представлен расчет трехслойной деревокомпозитной стеновой панели. Рассматривается симметричная относительно срединной плоскости стеновая панель 1,5 × 3 м с двухсторонней обшивкой из листов фанеры конструкционной толщиной 12 мм, крепление которой к деревянным ребрам выполняется податливыми механическими связями. Показано применение итерационного подхода для определения реальных коэффициентов жесткости коннекторов. Установлено, что величина сдвига в значительной мере зависит от жесткости связей и практически не зависит от размеров поперечного сечения деревянных ребер каркаса.

Выводы. Стеновые панели с достаточно жесткими часто установленными связями сдвига могут обладать значительной сдвиговой жесткостью и использоваться в качестве вертикальных диафрагм как альтернатива массивным и дорогостоящим панелям из перекрестно-клееной древесины (Cross-Laminated Timber — CLT) и массивным деревянным панелям (Massiv-Holz-Mauer — MHM) при строительстве зданий малой и средней этажности.

1. Римшин В.И., Кецко Е.С., Трунтов П.С. Большой строительный словарь. Том 2 : учебное пособие. М. : Издательский дом АСВ, 2022. 626 с. EDN FSAMPR.

2. Pinaykin I.P., Zhadanov V.I., Ukrainchenko D.A. Wooden low-rise construction. New constructive and technological solutions // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. 2021. Vol. 751. Issue 1. P. 012092. DOI: 10.1088/1755-1315/751/1/012092

3. Курбатов В.Л., Римшин В.И., Шубин И.Л., Волкова С.В. Информационное моделирование и искусственный интеллект в современном строительстве и жилищно-коммунальном хозяйстве : учебное пособие. М. : Издательский дом АСВ, 2023. 420 с. EDN MSLGGU.

4. Жаданов В.И., Украинченко Д.А., Мельников П.П., Семенов М.Ю., Мельникова И.В. Аэродинамичный четырехэтажный жилой дом двухгалерейного типа с ядром из CLT // Вестник Поволжского государственного технологического университета. Серия: Материалы. Конструкции. Технологии. 2021. № 3. С. 30–40. DOI: 10.25686/2542-114X.2021.3.30. EDN FNZQFA.

5. Tulebekova S., Malo K.A., Rønnquist A., Nåvik P. Modeling stiffness of connections and non-structural elements for dynamic response of taller glulam timber frame buildings // Engineering Structures. 2022. Vol. 261. P. 114209. DOI: 10.1016/j.engstruct.2022.114209

6. Ussher E., Aloisio A., Rathy S. Effect of lateral resisting systems on the wind-induced serviceability response of tall timber buildings // Case Studies in Construction Materials. 2023. Vol. 19. P. e02540. DOI: 10.1016/j.cscm.2023.e02540

7. Aslantamer Ö.N., Ilgın H.E. Space efficiency in timber office buildings // Journal of Building Engineering. 2024. Vol. 91. P. 109618. DOI: 10.1016/j.jobe.2024.109618

8. Chernova T.P., Melekhov V.I. Behavior of timber-timber composite structure connected by inclined screws // Magazine of Civil Engineering. 2023. Nо. 4 (120). DOI: 10.34910/MCE.120.4. EDN LTHOSP.

9. Лабудин Б.В., Попов Е.В., Гетман Д.В., Столыпин Д.А., Румянцева В.Е. Методика расчета устойчивости ребристых панелей с учетом температурно-влажностного режима технологий текстильного производства // Известия высших учебных заведений. Технология текстильной промышленности. 2023. № 2 (404). С. 199–208. DOI: 10.47367/0021-3497_2023_2_199. EDN DQLFTT.

10. Smardzewski J. Experimental and numerical analysis of wooden sandwich panels with an auxetic core and oval cells // Materials & Design. 2019. Vol. 183. P. 108159. DOI: 10.1016/j.matdes.2019.108159

11. Polastri A., Casagrande D. Mechanical behaviour of multi-panel cross laminated timber shear-walls with stiff connectors // Construction and Building Materials. 2022. Vol. 332. P. 127275. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2022.127275

12. Bhandari S., Fischer E.C., Riggio M., Muszynski L. Numerical assessment of In-plane behavior of multi-panel CLT shear walls for modular structures // Engineering Structures. 2023. Vol. 295. P. 116846. DOI: 10.1016/j.engstruct.2023.116846

13. Belleri A., Minkada M.E., Baldassarre D., Palumbo E., Loss C. Preliminary assessment of PreWEC-like systems made by cross-laminated timber panels and steel columns // Procedia Structural Integrity. 2023. Vol. 48. Pp. 371–378. DOI: 10.1016/j.prostr.2023.07.119

14. Morrell I., Sinha A., Cheney D., Taylor R., Potter F., Way D. et al. Reverse-cyclic performance of United States prescriptive code connectors in a novel mass timber structural composite panel // Case Studies in Construction Materials. 2024. Vol. 21. P. e03524. DOI: 10.1016/j.cscm.2024.e03524

15. Ren H., Bahrami A., Cehlin M., Wallhagen M. Proposing new adhesive-free timber edge connections for cross-laminated timber panels: A step toward sustainable construction // Case Studies in Construction Materials. 2024. Vol. 20. P. e02975. DOI: 10.1016/j.cscm.2024.e02975

16. Byloos D., Vandoren B. Experimental and analytical assessment of the racking behavior of timber frame walls with single-sided double-layered sheathing panels // Engineering Structures. 2024. Vol. 316. P. 118592. DOI: 10.1016/j.engstruct.2024.118592

17. Casagrande D., Setti A., Polastri A. Structural behaviour of light-frame timber shear-walls with diagonal board sheathing // Construction and Building Materials. 2024. Vol. 416. P. 135077. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2024.135077

18. Manser N., Steiger R., Geiser M., Otti M., Frangi A. Shear resistance of Oriented Strand Board panel sheathings in timberframed shear walls // Engineering Structures. 2024. Vol. 316. P. 118461. DOI: 10.1016/j.engstruct.2024.118461

19. Dobrila P., Premrov M. Reinforcing methods for composite timber frame–fiberboard wall panels // Engineering Structures. 2003. Vol. 25. Issue 11. Pp. 1369–1376. DOI: 10.1016/S0141-0296(03)00109-3

20. Muñoz W., Salenikovich A. Determination of Yield Point and Ductility of Timber Assemblies: In Search of Harmonised Approach // 10th World Conference on Timber Engineering. 2008. Pp. 1064–1071.

21. Кавелин А.С. Современное положение вопроса расчета нагельных соединений в деревянных стеновых панелях // Инженерный вестник Дона. 2018. № 2 (49). С. 154. EDN YATFYL.

22. Labudin B.V., Popov E.V., Tyurikova T.V., Nikitina T.A., Ruslanova A.V. Experimental Studies of the Strength and Rigidity of Screw Connections of Covers with Wooden Ribs // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2020. Vol. 753. Issue 4. P. 42063. DOI: 10.1088/1757-899X/753/4/042063

23. Hassanieh A., Valipour H. Experimental and numerical study of OSB sheathed-LVL stud wall with stapled connections // Construction and Building Materials. 2020. Vol. 233. P. 117373. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2019.117373

24. Véliz F., Estrella X., Lagos J., Guindos P. Testing and nonlinear modelling of industrialized light-frame wooden diaphragms including optimized nailing and nonstructural sheathing // Engineering Structures. 2023. Vol. 297. P. 117017. DOI: 10.1016/j.engstruct.2023.117017

25. Labudin B.V., Popov E.V., Sopilov V.V. Stability of compressed sheathings of wood composite plate-ribbed structures // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2019. Vol. 687. Issue 3. P. 033041. DOI: 10.1088/1757-899X/687/3/033041

26. Черных А.Г., Данилов Е.В., Коваль П.С. Расчет жесткости соединений конструкций из LVL с когтевыми шайбами // Известия высших учебных заведений. Лесной журнал. 2020. № 4 (376). С. 157–167. DOI: 10.37482/0536-1036-2020-4-157-167. EDN FEWWLQ.

27. Popov E.V., Ruslanova A.V., Sopilov V.V., Zdralovic N., Mamedov S.M., Labudin B.V. Contact Interaction of a Claw Washer with Wood at Limiting Shear // Russian Forestry Journal. 2020. No. 4 (376). Pp. 178–189. DOI: 10.37482/0536-1036-2020-4-178-189. EDN UVWWNN.

28. Римшин В.И., Лабудин Б.В., Мелехов В.И., Попов Е.В., Рощина С.И. Соединения элементов деревянных конструкций на шпонках и шайбах // Вестник МГСУ. 2016. № 9. С. 35–50. DOI: 10.22227/1997-0935.2016.9.35-50. EDN WMLATP.

29. Rimshin V., Labudin B., Morozov V., Orlov A., Kazarian A., Kazaryan V. Calculation of shear stability of conjugation of the main pillars with the foundation in wooden frame buildings // Advances in Intelligent Systems and Computing. 2019. Pp. 867–876. DOI: 10.1007/978-3-030-19868-8_85

30. Jacquier N., Girhammar U.A. Evaluation of bending tests on composite glulam–CLT beams connected with double-sided punched metal plates and inclined screws // Construction and Building Materials. 2015. Vol. 95. Pp. 762–773. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2015.07.137