Введение
На сегодняшний день известны различные типы строительных материалов. Однако в качестве конструкционных широко применяются в наше время лишь несколько, таких как: бетон, металл, железобетон, кирпич, газобетон и древесина.
На последнем остановимся подробнее. Древесина - это материал, производимый из кустарников и деревьев. Она применяется для производства самых разных предметов и строительства. Отличительной чертой древесины является ее “природность”, естественность. Древесина, как строительный материал, имеет массу плюсов, к примеру:
- Легкость в обработке;
- Прочность;
- Долгий период эксплуатации;
- И др.
Одним из главных преимуществ древесины является ее экологичность. Дом из древесины, при должном уходе и обработке этого строительного материала, может эксплуатироваться очень долго.
Немаловажным и является адгезия древесины. При высокой влажности в помещении материал впитывает эту влагу, а при низкой влажности – наоборот, отдает. Тем самым поддерживая благоприятный микроклимат.
Именно поэтому древесина часто используется в качестве материала для строительства загородного дома, дачи и др. Одним словом, для строительства индивидуальных зданий или сооружений.
При проектировании будущего здания или сооружения из древесины, не стоит забывать и о сопротивлении тем или иным видам деформаций, а так как древесина – материал анизотропный, то и прочность ее при разных видах воздействия, в зависимости от того, вдоль или поперек волокнам приложена нагрузка, может отличаться в десятки раз.
В реальных конструкциях проектировщик старается спланировать на бумаге так, чтобы тот или иной элемент сопротивлялся, исключительно, одному виду деформаций. Однако на практике так редко выходит в силу разных причин. В большинстве случаев при объемном напряженном состоянии имеет место сочетание внешних сил, приложенных к телу и действующих в разных плоскостях, которое приводит к сложным деформациям.
Поэтому при изучении прочности элементов или соединений рассматривают несколько основных типов деформаций:
- Растяжение (сжатие);
- Сдвиг;
- Кручение;
- Изгиб;
- Случай сложных деформаций (сочетание простых деформаций)[1].
При изучении данного вопроса было выявлено, что сопротивлению при сдвиге соединений деревянных элементов не было уделено должного внимания, хотя такой вид деформации встречается достаточно часто. К примеру, в каркасном доме такого рода деформация возникает внизу стоек, в тех местах, где они крепятся к нижнему поясу обвязки (рис. 1).
Рис. 1. Крепление стойки к нижней обвязке с помощью стального уголка
Основной текст
При исследовании данной области было произведено 2 серии испытаний соединений деревянных элементов на станке SHUMATZU.
Первая серия испытаний
Материалы: Доски строганные сечения 20Х100 мм, саморезы, универсальные оцинкованные с потайной головкой и техническими характеристиками (табл. 1):
| Технические характеристики | |
| Диаметр, мм | 4 |
| Длина, мм | 60 |
| Длина резьбы, мм | 50 |
| Высота головки, мм | 1,76-2,15 |
| Шаг резьбы, мм | 1,8 |
| Диаметр головки, мм | 7,64-8,05 |
| Кол-во штук в 1 кг | 316,66 |
Табл. 1. Характеристики саморезов
Образец 1
Рис. 2. Схема образца 1
Описание: Три доски скреплены саморезами, универсальными оцинкованными с потайной головкой и размерами 60х4 мм, как показано на рисунке (наслоение одной доски на другую составляет 120 мм, саморезы закручены так, чтобы расстояние от боковых граней составляло 20 мм, а шаг по вертикали составлял 40 мм) (рис. 2).
Ход работы: Образец закрепляют в машине так, как показано на рисунке (рис. 3):
Рис. 3. Схема загружения образца 1
Методика исследования: эксперимент с использованием универсальной испытательной машины SHIMADZU AGS-X 300kN (рис. 4).
Рис. 4. Фото закрепленного в машине образца
В ходе испытания был построен график зависимости силы, в результате действия которой происходит сдвиг в соединении, от хода центральной доски (рис. 5):
Рис. 5. График зависимости силы от хода
Результаты испытания до разрушения представлены в графической форме. По результатам максимальная нагрузка при разрушении образца 1 составила 11288.1 Н.
Образец 8
Рис. 6. Схема образца 8
Описание: Три доски скреплены саморезами, универсальными оцинкованными с потайной головкой и размерами 60х4 мм, как показано на рисунке (наслоение одной доски на другую составляет 120 мм, саморезы закручены так, чтобы расстояние от боковых граней составляло 20 мм, а шаг по вертикали составлял 40 мм) (рис.6).
Ход работы: Образец закрепляют в машине так, как показано на рисунке (рис. 7):
Рис. 7. Схема загружения образца 8
Рис. 8. Фото закрепленного в машине образца
Методика исследования: эксперимент с использованием универсальной испытательной машины SHIMADZU AGS-X 300kN (рис. 8).
В ходе испытания был построен график зависимости силы, в результате действия которой происходит сдвиг в соединении, от хода центральной доски (рис. 9):
Рис. 9. График зависимости силы от хода
Результаты испытания до разрушения представлены в графической форме. По результатам максимальная нагрузка при разрушении образца 8 составила 9927.13 Н.
Рис. 10. Сравнительный график зависимости силы от хода
Исходя из сравнительного графика (рис. 10), была построена таблица (табл. 2) показаний разрушающей нагрузки, и было вычислено среднее арифметическое между показаниями максимальных разрушающих нагрузок.
| Параметр | Номер образца | Максимальная сила |
| Единица | Н | |
| Образец | 1 | 11288.1 |
| Образец | 8 | 9927.13 |
| Средний результат | 10607.6 |
Табл. 2. Показания разрушающей нагрузки
Исходя из сравнительного графика (рис. 12), была построена таблица (табл. 2) показаний разрушающей нагрузки, и было вычислено среднее арифметическое между показаниями максимальных разрушающих нагрузок.
Вторая серия испытаний
Материалы: Доски строганные сечения 20Х100 мм, саморезы, универсальные оцинкованные с потайной головкой.
Образец 2
Рис. 11. Схема образца 2
Описание: Три доски скреплены саморезами, универсальными оцинкованными с потайной головкой и размерами 60х4 мм, как показано на рисунке (наслоение одной доски на другую составляет 120 мм, саморезы закручены так, чтобы расстояние от боковых граней составляло 20 мм, а расстояние от верхней грани составляет 40 мм) (рис. 11).
Ход работы: Образец закрепляют в машине так, как показано на рисунке (рис. 12):
Рис. 12. Схема загружения образца 2
Методика исследования: эксперимент с использованием универсальной испытательной машины SHIMADZU AGS-X 300kN.
В ходе испытания был построен график зависимости силы, в результате действия которой происходит сдвиг в соединении, от хода центральной доски (рис. 13):
Рис. 13. График зависимости силы от хода
Результаты испытания до разрушения представлены в графической форме. По результатам максимальная нагрузка при разрушении образца 2 составила 7059 Н.
Образец 7
Рис. 14. Схема образца 7
Описание: Три доски скреплены саморезами, универсальными оцинкованными с потайной головкой и размерами 60х4 мм, как показано на рисунке (наслоение одной доски на другую составляет 120 мм, саморезы закручены так, чтобы расстояние от боковых граней составляло 20 мм, а расстояние от верхней грани составляло 40 мм) (рис. 14).
Ход работы: Образец закрепляют в машине так, как показано на рисунке (рис. 15):
Рис. 15. Схема загружения образца 7
Методика исследования: эксперимент с использованием универсальной испытательной машины SHIMADZU AGS-X 300kN (рис. 16).
Рис. 16. Фото закрепленного в машине образца
В ходе испытания был построен график зависимости силы, в результате действия которой происходит сдвиг в соединении, от хода центральной доски (рис. 17):
Рис. 17. График зависимости силы от хода
Результаты испытания до разрушения представлены в графической форме. По результатам максимальная нагрузка при разрушении образца 7 составила 5325.27 Н.
Также, была построена таблица (табл. 3) показаний разрушающей нагрузки, и было вычислено среднее арифметическое между показаниями максимальных разрушающих нагрузок.
| Параметр | Номер образца | Максимальная сила |
| Единица | Н | |
| Образец | 2 | 7059 |
| Образец | 7 | 5325.27 |
| Средний результат | 6192.13 |
Табл. 3. Показания разрушающей нагрузки
Обсуждение и заключение
Исходя из теоретического описания данного процесса и формулы, которая прописана в Еврокод 5 “Проектирование деревянных конструкций” [2,3]:
Fv,ef,Rk = nef⸱Fv,Rk
Где Fv,ef,Rk - нормативная несущая способность одного ряда нагелей, параллельного направлению волокон древесины;
nef - число нагелей в рассматриваемом ряду, параллельном направлению волокон древесины;
Fv,Rk - нормативная несущая способность одного нагеля в рассматриваемом ряду.
Можно сделать вывод, что значение средней максимальной силы в первой серии опытов (Fmax1) должно быть ровно в 2 раза больше, чем значение средней максимальной силы во второй серии опытов (Fmax2).
Однако на практике это не так:
2Fmax2 ≠ Fmax1
2⸱6192,13 Н ≠ 10607,6 Н
Найдено противоречие теоретических формул, которые описывают это явление, и эмпирических значений. Из этого следует, что нужно продолжать данное исследование для выявления точной зависимости.
Благодарности
Авторы выражают благодарность доктору технических наук Колесникову Геннадию Николаевичу, оказавшему большую помощь консультациями и замечаниями, а также Захарову Николаю Анатольевичу за обучение управлению машиной.
Список литературы
1. Ягнюк Б.Н. Нормативно-техническая база по строительству стран Евросоюза и ее изучение на кафедре технологии и организации строительства Петрозаводского государственного университета // Научный руководитель.– 2018. № 1 (25). – С. 116-124..
2. Технический кодекс установившейся практики. ТКП EN 1995-1-1-2009 (02250). Еврокод 5. Проектирование деревянных конструкций. Часть 1-1. Общие правила и правила для зданий (EN 1995-1- 1:2008, IDT). – Минск. Министерство архитектуры и строительства Республики Беларусь.– 2010. – 98 с.
3. Leiber T., Stensaker B., Harvey L. C. Bridging theory and practice of impact evaluation of quality management in higher education institutions: a SWOT analysis // European Journal of Higher Education. – 2018. – С. 1-15. https://doi.org/10.1080/21568235.2018.1474782