Деревянные конструкции (лабораторные работы)Согласно СНиП II -В.4-71* п. для стальных нагелей необходимо соблюдать следующие условия:
Результаты испытаний сопоставляют с теоретическими значениями.
Контрольные вопросы 1. Нагелем называется гибкий стержень, соединяющий элементы деревянных конструкций и препятствует их взаимному сдвигу, а сам работает на изгиб. Цилиндрические нагеля изготавливают из гладких стержней круглого сечения из стали, сплавов, твердых пород древесины, пластмасс. Лабораторная работа №2 ИСПЫТАНИЕ СОЕДИНЕНИЯ НА ГВОЗДЯХ. Цель работы: изучение работы стыка на гвоздях. Задачи: определить разрушающую нагрузку, построить график зависимости между нагрузкой и деформацией сдвига соединения, определить деформацию соединения при расчетной несущей способности и нагрузку, соответствующую предельному состоянию образца. 1. Установление фактических размеров образца Согласно СНиП II -В.4-71* п. для соединений на гвоздях необходимо соблюдать следующие условия:
Таблица 2 5. Обработка результатов испытаний
Результаты испытаний сопоставляют с теоретическими значениями.
Контрольные вопросы 1. 2. Расстояние между осями гвоздей диаметром d вдоль волокон древесины соединяемых элементов должно быть не менее: от торцов – 15 d , между осями в элементах толщиной, равной и большей 10 d – 15 d , между осями в элементах толщиной 4 d – 25 d , а в элементах промежуточной толщины, то расстояние принимается по интерполяции. При шахматной и косой расстановке не менее 3 d . 3.
 Рис. 9. Забивка глухая; забивка сквозная. l 1 – рабочая высота гвоздя l 1 = l гв -(а+с+2х0,2+1,5 d ). l 1 =а-1,5 d 5. Образец испытывают на сжатие на испытательной машине или прессе. Для ликвидации рыхлых деформаций образец предварительно загружают нагрузкой в 1 кН (100 кгс), принимаемой в дальнейшем за условный ноль.
Последующие нагружения производят ступенями 2-3 кН (200-300 кгс) с постоянной скоростью, равной примерно 300 Н/сек (30 кгс/сек). Отсчеты по приборам снимают на всех этапах загружения и заносят в журнал испытаний. 6. Т.к. древесина анизотропная и имеет пороки, а теоретические данные получены для идеализированного материала. 7. Обусловлено смятием древесины и изгибом гвоздя. Лабораторная работа №3 Испытание треугольной брусчатой фермы на лобовых врубках. Цель работы: изучение работы опорного узла фермы. Задачи: определить расчетную нагрузку на образец и сопоставить ее с разрушающей, построить график зависимости деформации смятия врубки при расчетной нагрузке, вычислить значения нормальных напряжений в ослабленном и неослабленном сечениях нижнего пояса фермы при действии расчетной нагрузки. 6. Установление фактических размеров образца Исходные данные: H=235мм; l =692мм; h в =67 мм. l ск =183мм; L н =928мм; h вр =22мм; b =44мм; L в =65мм; h в =16мм; 7. Схема загружения образца и расстановки приборов Ферма– образец устанавливается на траверсу испытательной машины или пресса и производится прижатие клиновидного бруса. Центрирование опорных узлов образца производится по ослабленному сечению. Это достигается установкой неподвижной и подвижной опор в местах пересечения оси наклонного элемента и оси нижнего горизонтального элемента, проходящего через ослабленное сечение. Материал – сосна 2 сорт. Расчетную нагрузку на образец Р определяют по расчетной несущей способности элементов и соединений фермы: а) из условия скалывания врубки Контрольные вопросы 1. Подферменная подкладка и опорная подушка для равномерной передачи нагрузки, чтобы исключить смятие дерева. 7.Причины расхождения между опытными и теоретическими величинами? Теоретические —идеализированные. В опытных — анизотропность свойств древесины, пороки. Лабораторная работа № 4 Испытание клееной деревянной балки прямоугольного сечения на поперечный изгиб. Цель работы: изучение работы клеедощатой балки. Задачи: определить расчетную нагрузку на балку и сравнить ее с расчетной, определить модуль упругости клееной древесины, определить величины и характер распределения нормальных напряжений по высоте поперечного сечения балки, построить теоретический и экспериментальный графики прогибов балки. 1. УСТАНОВЛЕНИЕ ФАКТИЧЕСКИХ РАЗМЕРОВ ОБРАЗЦА Исходные данные: l = 1950 мм; h = 158 мм; b = 50 мм. 2. СХЕМА ЗАГРУЖЕНИЯ ОБРАЗЦА И РАССТАНОВКИ ПРИБОРОВ
 где:  kH м – расчетный изгибающий момент, Н       б) из условия обеспечения прочности клеевого шва от действия касательных напряжений где: Q = P / 2=13.27/2=6.64, Н (кгс); S бр = b h 2 / 8=0.05 0.158 2 /8=156.03 см 3 ; J бр = b h 3 / 12=5 15,8 3 /12=1643,46 см4; b расч = b K – при расчете на скалывание по клеевому шву, где К=0.6 – коэффициент непроклея, принимаемый по действующим нормам. После подстановки получим: b расч = b K =0.6 5=3 см R ck =2.1 M ПА  в) из условия достижения предельного прогиба  где P n =Р/ n ;( n =1.2 – усредненный коэф. надежности); Е =10 4 МПа– модуль упругости древесины.. После преобразования получаем:  где     4. ИСПЫТАНИЕ БАЛКИ    Прибор: АИД – 2М с компенсирующим устройством с выходом шкалы С*10 -5 5. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИСПЫТАНИЯ          s т =13 M па s экс =14,4Мпа  s т =13 s экс =12,49 Рис. 17. Эпюра напряжений по высоте сечения балки: 6. СРАВНЕНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ И ЭКСПЕРЕМЕНТАЛЬНЫХ ВЕЛИЧИН И АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ИСПЫТАНИЙ       Рис.18 График прогибов балки ВЫВОД: Экспериментальная величина прогиба значительно меньше расчетной величины в следствие в рассматриваемых конструкциях создается запас прочности (К запаса =0,9). Контрольные вопросы 1. Влажность древесины 9–12%. Не должно быть мелких пороков как сучки, косослой, гниль. Не должно быть дефектов обработки как корабление и трещины, склеиваемые поверхности должны быть свеже отфрезерованными, очищенными и плотно прилегать одна к другой. Клеи должны быть прочными, водостойкими, долговечными, технологичными. К основным технологическим показателям клея относятся вязкость и жизнеспособность. 2. Расчет по предельным состояниям.
Предельным называется такое состояние конструкций за пределами которого дальнейшая эксплуотация не возможна. Два вида предельных состояний: 1)по несущей способности (прочности, устойчивости), 2) по деформациям (прогибам, перемещениям). Расчет по первому предельному состоянию производится на расчетные нагрузки, а по второму– на нормативные. 3. Лабораторная работа № 5 Испытание металлодеревянной фермы. Цель работы: определить усилия в стержнях и прогибы узлов фермы под действием расчетной нагрузки. 7. характеристика образца фермы Верхний пояс и решетка фермы изготовлена из брусков, а нижний пояс – из металлических уголков. Бруски верхнего пояса в узлах 2, 4, 6 сопрягаются через металлические вкладыши с эксцентриситетами, позволяющими прикладывать внеузловую нагрузку. Нагрузка создается гидравлическими домкратами. Для определения усилий в наиболее нагруженных стержнях фермы изменяются при помощи тензометров. Прогибы измеряются при помощи прогибомеров с ценой деления 0,01мм. Табл. №7
 Р,кН 4 3 2 1 1 2 3 4 5 6 7 f ,мм Рис. 24. График зависимости прогибов от нагрузок.   В раскосе А-2 экспериментальное усилие больше расчетного в 0,81раз.   В раскосе С-2 экспериментальное усилие больше расчетного в 1,18 раз. ВЫВОД: При сравнении теоретических и экспериментальных значений видно, что экспериментальные усилия меньше, это происходит в следствии того, что ферма находится в лабораторных условиях, подвергается многократным испытаниям без разрушения.
Контрольные вопросы 1. Ферма – плоская, геометрически неизменяемая конструкция из отдельных стержней, шарнирно соединенных между собой. Верхний и нижний пояса обычно работают на сжатие (расширение) с изгибом. |
Исходные данные: H =350мм; S 1 =70мм; а=24мм; S 1 =70мм; с=24мм; S 2 =38мм; в=65мм; S 3 =28мм; диаметр нагеля 10мм. 
2. Схема загружения образца и расстановка приборов. Для измерения деформаций сдвига в швах на образце устанавливают два индикатора которые закрепляют на крайних досках таким образом, чтобы сток индикатора упирался в уголок, прикрепленный к средней доске. Рис. 2. Схема загружения образца и расстановки приборов. 1 – индикаторы; 2 – уголки; 3 – шурупы. 3. Определение расчетной несущей способности образца. 
на цилиндрических нагелях на пластмассовых нагелях Рис. 4. 2. Индикаторами часового типа с ценой деления 0,01мм. 3. a) а =0,8а d ; b) с =0,5с d ; c) н =1,8 d 2 +0.02 a 2 2.5 d 2 
Рис. 5.1. 
Рис. 5.2. 4. Т.к. при нечетном числе рядов средний, оказывается по оси доски в зоне наиболее возможного появления продольных трещин в результате усушки древесины. 5. Т.к. древесина анизотропная и имеет пороки, а теоретические данные получены для идеализированного материала. 6. Потому что в работе использовались металлические нагели, и древесина не может срезать нагель (разные модули упругости). Нагель изгибается, а древесина сминается.
Рис. 6. Конструкция соединения на гвоздях.
Исходные данные: H =375мм; S 1 =60мм; а=20мм; S 1 =59мм; с=26мм; S 2 =16мм; в=65мм; S 3 =16мм; диаметр гвоздя 2,5мм. 2. Схема загружения образца и расстановки приборов Рис. 7. Схема загружения образца и расстановки приборов. 1 – индикатор; 2 – уголок; 3 – шурупы. 
3. Определение расчетной несущей способности образца 
Рис. 10. Конструкция треугольной фермы на лобовых врубках: 1 – горизонтальный брус нижнего пояса; 2 – наклонный брус верхнего пояса; 3 – клиновидный брус; 4 – временные монтажные деревянные планки.
1 – индикаторы; 2 – уголок; 3 – шурупы; 4 – неподвижная опора; 5 – подвижная (катковая) опора. 8. Определение расчетной несущей способности образца E =10000 МПа E 90 =400Мпа 
R см = 13 МПа – расчетное сопротивление смятию вдоль волокон (СниП II -25-80 табл.3 п.1а гр.1); R см 90 = 3 МПа – расчетное сопротивление смятию поперек волокон (СниП II -25-80 табл.3 п.4а гр.2); R a см = 8.21 МПа – расчетное сопротивление смятию под углом a =34 0 ; R ск = 2.1 МПа – максимальное расчетное сопротивление скалыванию вдоль волокон(СниП II -25-80 табл.3 п.1а гр.1); R ск ср = среднее расчетное сопротивление скалыванию вдоль волокон. 
b =0,25—эмпирический коэффициент при одностороннем скалывании; l ск —длина площадки скалывания; l —плечо пары скалывающих сил . Усилия, действующее в лобовой врубке, и эпюры скалывающих напряжений по длине площадки скалывания 
Рис. 12. Усилия, действующие в лобовой врубке, и эпюра скалывающих напряжений по длине площадки скалывания.
б) из условия смятия врубки 
При разрыве в ослабленном сечении Р определяется из формулы внецентренного растяжения: 
R p =7 МПа —расчетное сопротивление растяжению вдоль волокон 
— момент сопротивления поперечного сечения нижнего пояса фермы. 
г) из условия потери устойчивости наклонного сечения: 
СниП II-25-80 
K однор - коэффициент однородности материала (при скалывании 0.7 и 0.27 при растяжении) Табл. 3 
5. Обработка результатов испытания 
Рис. 13. График зависимости смятия врубки от нагрузки. По показателям индикаторов вычисляем нормальные напряжения в сечениях нижнего пояса при расчетной нагрузке. 
Рис. 14. Эпюры нормальных напряжений в ослабленном и неослабленных сечениях нижнего пояса. 6. Сравнение теоретических и экспериментальных величин и анализ результатов испытания. 
D см.теор =1,5 мм (табл. 15 п.4.3. СНиП II -25-80). ВЫВОД: Разрушающая сила превышает теоретическую разрушающую силу в 2,5 раза, что создает запас прочности во время эксплуатации конструкции.
и 
где 
мм 4. а) из условия скалывания врубки: 
б) из условия смятия врубки: 
в) из условия разрыва нижнего элемента в ослабленном сечении: 
г) из условия потери устойчивости наклонного элемента: 
5. Как определить среднее скалывающее напряжении, действующего по длине площадки скалывания? 
где R ск — максимальное расчетное сопротивление скалыванию вдоль волокон, МПа; b =0,25—эмпирический коэффициент при одностороннем скалывании; l ск —длина площадки скалывания; l —плечо пары скалывающих сил . 6. Для чего нужны в опорном узле аварийный болт, подферменная подкладка, опорная подушка? Аварийный болт обеспечивает безопастность.
Рис. 15. Клеедощатая балка прямоугольного поперечного сечения.
p– степень загружения 4. 
5. а) разрушение по клеевому шву от действия косательных напряжений. б) разрушение балки от действия локальных напряжений. 6. Т.к. древесина анизотропная и имеет пороки, а теоретические данные получены для идеализированного материала.
Рис. 20. Конструкция и схема испытания металлодеревянной фермы. 8. Теоретический расчет фермы Ферма загружается симметрично двумя сосредоточенными силами в соответствии со схемой, приведенной на рис. 20. Усилия в стержняхфермы от действия нагрузки Р=1 определяется одним из способов строительной механики или путем построения диаграммы Максвелла-Кремона. 
Рис. 21. Схема усилий в стержнях фермы. построение диаграммы максвела-кремона ( от единичной нагрузки) 
Рис. 22. Диаграмма Максвела-Кремона. Табл. №6 
В решетке наиболее нагруженным является опорный сжатый раскос А-2. Для его расчета определяем гибкость. 
где l o – расчетная длина; r – радиус инерции для прямоугольного сечения. По СНиП II -25-80 п. 4.3 Т.к. l =50,46 , то 
Расчетная несущая способность опорного раскоса: 
Из растянутых элементов решетки наиболее напряженным является раскос С-2; расчетная несущая способность: 
Нагрузка на ферму: 
Стержень 3-4 верхнего пояса внецентренно сжат под действием усилия N и эксцентриситета e . Расчетная несущая способность сжато-изгибаемого элемента: 
Из найденных значений Р за расчетную нагрузку принимаем минимальное: Р=4,96 кН. 9. Испытание опытного образца фермы Испытание фермы производится на балочном испытателе.
Определение прогибов: а) в деревянных элементах (раскос А-2) 
б) в стальном элементе (пояс А-С) 
Табл. №8 
ППрибор: АИД – 2М с компенсирующим устройством с выходом шкалы приборовС*10 -5 
10. Обработка результатов испытания 3-4 А-2 С-2 С-3 С-4 12,8 2,6 1,9 0,5 0,5 
