3. Розрахунок клеєних балок з плоскими фанерними стінками

8.3.1 Перерізи клеєних балок з плоскими фанерними стінками складаються з елементів, склеєних разом. При використанні таких перерізів розрахункові передумови базуються на принципі, що між елементами в перерізі не виникне зсувів ні в одному з швів. Даний принцип складає основу правил розрахунку, приведених в розділі 9 ДСТУ-Н Б EN 1995-1-1.

8.3.2 У клеєних балках з плоскими фанерними стінками полиці можуть бути виконані з конструкційної деревини, LVL або шаруватої клеєної деревини, а стінки – з фанери. Поперечний переріз таких балок може бути двотавровим або коробчастим (рис. 8.5). Для клеєних складених перерізів потрібний високий рівень контролю, що досягається в заводських умовах.

а) – коробчастий переріз; б) – двотавровий переріз; в) – розподіл нормальних напружень в перерізі балки при згині

Рисунок 8.5 – Напруження в перерізі балки з тонкою стінкою

8.3.3 Головною відмінністю між розрахунком, використовуваним для складених перерізів, і використовуваним для суцільних перерізів, є те, що мала деформація по теорії згину повинна корегуватися з урахуванням того, що складені перерізи складаються з елементів, що мають різні значення модуля пружності. Це повинно враховуватися при розрахунку характеристик міцності і жорсткості.

8.3.4 Для розрахунку перерізів балок з плоскими фанерними стінками використовується метод еквівалентного (приведеного перерізу).

Відповідно до даного методу, один з матеріалів в складеному перерізі приймається як основний, а інші - еквівалентні. При використанні даного методу формується однорідний еквівалентний переріз, до якого застосовна теорія згину. Для матеріалу, який був перетворений, напруження розраховують шляхом множення напружень згину в однорідному еквівалентному перерізі на відношення модуля пружності реального матеріалу в складеному перерізі до модуля пружності вибраного матеріалу. Таке відношення називають модульним відношенням. В процесі розрахунків для кожного матеріалу слід використовувати середнє значення модуля пружності E_mean.

8.3.5 При розрахунку перерізів балок з плоскими фанерними стінками по граничних станах несучої здатності відповідно до вимог ДСТУ-Н Б EN 1995-1-1 за розрахункові значення модулів пружності і зсуву, для умови миттєвого стану, приймаються їх середні значення, тобто

E_d,uls = E_mean, G_d,uls = G_mean , (8.30)

а для стану, що враховує кінцеве середнє значення жорсткості

, (8.31)

, (8.32)

де:

E_d,uls – розрахункове значення модуля пружності для ULS;

G_d,uls – розрахункове значення модуля зсуву для ULS;

E_mean – середнє значення модуля пружності матеріалу елементу;

G_mean – середнє значення модуля зсуву матеріалу елементу;

k_def – коефіцієнт деформації для деревини і матеріалів на її основі. Значення k_def для деревини і матеріалів на її основі визначають по ДСТУ-Н Б EN 1995-1-1 (таблиця 3.2)

ψ₂ – коефіцієнт для практично постійного значення змінної впливів навантаження, що викликає найбільше напруження відносно міцності. Якщо це постійний вплив, то ψ₂ = 1, а для змінних впливів значення ψ₂ приймається за ДСТУ-Н Б EN 1995-1-1.

8.3.6 Для перерізів, приведених на рис. 8.5, еквівалентна площа поперечного перерізу A_ef і момент інерції I_ef визначаються за формулами:

– для миттєвого стану

(8.33)

(8.34)

– для стану, що враховує кінцеве середнє значення жорсткості:

а) якщо розрахункова умова виникає від дії постійного навантаження:

(8.35)

(8.36)

б) якщо розрахункова умова виникає від дії змінного навантаження Qi:

(8.37)

(8.38)

де:

ψ₂,_i і ψ₂ – коефіцієнт для практично постійного значення змінної дії Q_i;

I_f – момент інерції перерізу обох полиць відносно нейтральної осі;

I_w – момент інерції перерізу незміненої стінки відносно нейтральної осі.

При дії розрахункового згинального моменту M_d, якщо модуль пружності стінки менший, ніж полиці, напруження від згину в полиці зростатиме, а в стінці – зменшуватиметься з часом. Для даної умови необхідно перевірити лише напруження в полицях в кінцевому стані з середніми значеннями пружних характеристик, а також напруження в стінках в миттєвому стані. Проте, якщо модуль пружності стінки більше модуля пружності полиці, нормальні напруження від згину слід перевіряти в миттєвому стані в полицях і в кінцевому стані, з середніми значеннями пружних характеристик в стінці. При розгляді симетричних перерізів істотної відмінності спостерігатися не буде між відповідними значеннями геометричних параметрів в обох станах, і отже відмінності в напруженнях будуть відносно невеликими.

8.3.7 Визначення напружень в полицях балки слід робити відповідно до вимог ДСТУ-Н Б EN 1995-1-1.

а) Напруження від згину.

Максимальне значення нормальних напружень від згину балки виникатиме в крайніх шарах волокон на відстані y₁ і y₂ від нейтральної осі (рис. 8.5 в). Якщо переріз симетричний відносно осі в-в, то відстані від нейтральної осі до крайніх волокон розтягнутої і стислої зон будуть рівні між собою, тобто y₁ = y₂, інакше y₁ і y₂ матимуть різні значення. Якщо переріз не симетричний відносно осі у-у, положення нейтральної осі відрізнятиметься в миттєвому і кінцевому станах, а відповідні значення y₁ і y₂ в цих станах також розрізнятимуться. Для обліку цих відмінностей були прийняті наступні позначення: y_1,inst і y_2,inst – для миттєвого стану, а y_1fin і y_2fin – для кінцевого стану з середніми значеннями модуля пружності.

Максимальне розрахункове напруження внаслідок згину в стислій зоні на відстані y₁ визначається:

– у миттєвому стані

(8.39 а)

– у кінцевому стані з середніми значеннями

(8.39 б)

Максимальне розрахункове напруження розтягу в розтягнутій зоні на відстані y₂ визначається:

в миттєвому стані

(8.40 а)

у кінцевому стані з середніми значеннями

(8.40 б)

Згідно ДСТУ-Н Б EN 1995-1-1 (9.1.1(1)) для забезпечення міцності перерізу повинна дотримуватися умова, щоб розрахункові значення напружень, визначені за формулами (8.39 і 8.40), були менші або дорівнювали розрахунковому значенню міцності при згині f_m,d, тобто

σ_{f,inst,c,max,d}, σ_{f,fin,c,max,d}, і σ_{f,inst,t,max,d}, σ_{f,fin,t,max,d} ≤ f_m,d, (8.41)

де: f_m,d – розрахункове значення міцності матеріалу полиці.

б) Напруження стиску з врахуванням стійкості.

Згідно ДСТУ-Н Б EN 1995-1-1 стійкість балки забезпечується виключно міцністю при поздовжньому згині стислої полиці. Розрахункова вимога полягає в тому, щоб величина стискаючого напруження в полиці дорівнювала б або була б менше значення міцності при стиску. Величина напруження стиску приймається рівною середньому значенню, яке визначається за формулами:

– в миттєвому стані

(8.42 а)

– у кінцевому стані з середніми значеннями

(8.42 б)

Згідно з вимогами ДСТУ-Н Б EN 1995-1-1 для забезпечення міцності перерізу з врахуванням стійкості повинна дотримуватись умова, щоб розрахункові напруження були менші або дорівнювали розрахунковому значенню міцності при стиску k_c f_c,0,d, тобто

σ_f,inst,c,d і σ_f,fin,с,d ≤ k_c f_c,0,d , (8.43)

де: f_c,0,d – розрахункове значення міцності при стискуванні матеріалу полиці; k_c – коефіцієнт поздовжнього згину, значення якого визначається з припущення, що стисла полиця працює як центрально-стиснутий стрижень, закріплений на кінцях від поперечного переміщення. Переріз традиційно приймається суцільним прямокутним висотою b.

При повному закріпленні полиці k_c = 1.

в) Напруження розтягу.

Полиця також має бути перевірена, щоб середнє розрахункове значення напруження розтягу в розтягнутій полиці було рівним або менше розрахункового значення міцності при розтягу. Розрахункове напруження розтягу визначається за формулою:

в миттєвому стані

(8.44 а)

у кінцевому стані з середніми значеннями

(8.44 б)

Згідно з вимогами ДСТУ-Н Б EN 1995-1-1 для забезпечення міцності перерізу повинна виконуватися наступна умова

σ_f,inst,t,d і σ_f,fin,t,d ≤ f_t,0,d , (8.45)

де: f_t,0,d – розрахункове значення міцності для матеріалу полиці при розтягу вздовж волокон; σ_f,inst,t,d і σ_f,fin,t,d – розрахункові значення напруження, визначені за формулами (8.44).

8.3.8 Визначення напружень в стінці балки має здійснюватися відповідно до вимог ДСТУ-Н Б EN 1995-1-1.

Стінка балки має бути перевірена на міцність по напруженням стиску та розтягу від згину балки, на міцність з'єднань (стиків) листів стінки, на міцність з врахуванням поздовжнього згину від дії напруження зсуву, тобто, що клейові шви між стінкою і полицями здатні передати горизонтальне напруження зсуву в перерізі.

а) Визначення нормального напруження від згину балки

Максимальні нормальні напруження що виникають в стінці від згину балки слід визначати за формулами:

максимальне стискуюче напруження:

- в миттєвому стані

(8.46 а)

- у кінцевому стані з середніми значеннями

(8.46 б)

максимальна напруження розтягу:

- в миттєвому стані

(8.47 а)

- у кінцевому стані з середніми значеннями

(8.47 б)

Згідно з вимогами ДСТУ-Н Б EN 1995-1-1:2008/2011 для забезпечення міцності перерізу повинні дотримуватися наступні умови:

σ_w,inst,c,d і σ_f,fin,c,d ≤ f_c,w,d , (8.48)

σ_w,inst,t,d і σ_f,fin,t,d ≤ f_t,w,d, (8.49)

де: (8.50)

та

(8.51)

Складові формул були визначені вище, а f_c,w,k і f_t,w,k – характеристичні значення міцності при стиску і розтягу матеріалу стінки відповідно.

б) Перевірка напружень з врахуванням поздовжнього згину.

При розрахунку стінки відповідно до вимог ДСТУ-Н Б EN 1995-1-1 повинні виконуватись наступні умови: якщо

h_w ≤ 70b_w, (8.52)

та

(8.53)

де:

F_v,w,Ed – розрахункова поперечна сила, що діє на кожну стінку; значення інших параметрів були визначені вище.

в) Напруження зсуву в клейових швах між стінками і полицями.

Напруження зсуву виникають на полиці і розподіляються між стінкою і полицями через клейову поверхню з'єднання. Розрахункові значення напружень зсуву визначаються таким чином:

- в миттєвому стані

(8.54 а)

- у кінцевому стані з середніми значеннями

(8.54 б)

де: τ_inst,mean,d, τ_fin,mean,d – розрахункові значення напружень зсуву в миттєвому (і остаточному) випадку деформування на клейовій поверхні між полицею і стінкою; V_d– розрахункове значення сили зсуву в області максимального зсуву; S_f,inst, S_f,fin – статичний момент площі полиці (без врахування площі стінки) відносно нейтральної осі в миттєвому (і остаточному) випадку деформації; h_f – висота полиці, тобто h_f,c або h_f,t, якщо відповідають; n – число площин клейового шва між стінкою і полицею.

Для врахування концентрації напружень на поверхні стінки/полиці в області точки 2 (Рис. 8.5 а і б), якщо висота стінки більш ніж 4b_ef, то згідно ДСТУ-Н Б EN 1995-1-1 мають виконуватися наступні умови

(8.55)

де: f_v,90,d – розрахункове значення міцності матеріалу стінки при сколюванні; інші параметри були визначені вище;

(8.56)