Цель работы: изучить характер работы клееной деревянной балки двутаврового поперечного сечения; выявить эффективность рациональных форм поперечных сечений клееных балок путем сравнения результатов испытания балок прямоугольного (см. лабораторную работу № 3) и двутаврового поперечных сечений.
1.Эскиз и размеры образца
С целью выявления рациональности формы поперечного сечения образец (рис. 1) выполняют из таких же трех брусков, что и в лабораторной работе № 3 (только средний брусок здесь поставлен на ребро). Это позволяет более обстоятельно сравнивать работу двух балок, так как они равновелики и по объему расходуемой древесины, и по площади поперечного сечения.
Рис. 1. Общий вид образца балки
Основные размеры балки записывают по результатам натурного обмера:
- ширина b;
- высота h;
- общая
- длина L;
- расчетный пролет l р;
а затем подсчитывают геометрические характеристики поперечного сечения:
площадь 
момент инерции 
момент сопротивления 
статический момент полусечения 
;
статический момент верхнего бруска 
2. Схемы нагружения балки и расстановки приборов
Испытание балок производят на машине ГРМ-1 с предельной нагрузкой на силоизмерителе (рис. 2), равной 100 кН (шкала А), или на универсальной машине УММ-5.
Рис. 2. Схема нагружения балки и расстановки приборов:
А – прогибомеры; Т – тензометры (тензодатчики)
В процессе испытания балки измеряют прогибы в середине пролета и деформации продольных волокон в поперечном сечении, отстоящем на расстоянии а = l /2 от одной из опор. Для измерения прогибов балки ставят три индикатора часового типа с ценой деления К и = 0,01 мм. Осадки опор измеряют индикаторами П-1 и П-3, а прогиб балки в середине пролета с учетом осадки опор – индикатором П-2. Продольные деформации балки определяют проволочными тензодатчиками. По высоте балки ставят пять тензодатчиков: датчик Т-3 на продольной оси балки, датчики T-1 и Т-5 – на максимально возможном удалении от продольной оси, остальные датчики – в промежутках между указанными датчиками.
3. Определение расчетной нагрузки РТ, подсчет прогибов и напряжений
Для принятой схемы нагружения максимальный изгибающий момент и максимальную поперечную силу определяют по формулам:
где l р = 120 см – расчетный пролет балки.
Расчетную нагрузку РТ подсчитывают по минимальной несущей способности балки с учетом:
– прочности балки по нормальным напряжениям
откуда при Р = РT получим
– прочности балки по скалывающим напряжениям
откуда при P = PT получим
где b – ширина сечения;
R ск – расчетное сопротивление древесины скалыванию, принимаемое
по СНиП II-25–80, п. 5 б, табл.3 (для клееной древесины);
m сл – коэффициент, учитывающий толщину слоя d.
Окончательно за расчетную нагрузку принимают наименьшую величину,
подсчитанную с учетом вышеназванных условий.
С целью сравнения разрушающей нагрузки, полученной в результате
кратковременных машинных испытаний, с теоретической расчетной нагрузкой РТ, необходимо подсчитать кратковременную расчётную нагрузку
где К дл – наиболее вероятное значение коэффициента длительности для
древесины при действии постоянных и временных нагрузок
(К дл=0,66).
Теоретическое значение максимального прогиба для принятой схемы
нагружения балки подсчитывают по формуле:
Из формулы (12) на основе экспериментальной зависимости "прогиб f
– нагрузка Р "можно получить действительное(с некоторымприближением, так как в формуле (12) не учитывается влияние сил Q) значение модуля упругости древесины для конкретного образца:
где Р* – нагрузка, действующая на балку;
f* – прогиб балки при нагрузке, равной Р*.
Теоретическое значение относительного прогиба балки при действии
нормативной нагрузки
где g f – условный коэффициент надежности (g f = 1,2);
Е – модуль упругости древесины вдоль волокон, принимаемый,
согласно СНиП II-25–80, равным 10000 МПа.
В формуле (14) дополнительную поправку на время действия нагрузки
делать не следует, так как нагрузку, действующую на балку Р, и модуль
упругости древесины вдоль волокон Е принимают с учетом длительности
действия нагрузки. Полученную по формуле (14) величину сравнивают с предельным отношением прогиба к пролету:
Изгибающий момент балки в месте постановки тензодатчиков при
действии расчетной нагрузки РТ равняется:
Теоретические значения нормальных напряжений в поперечном
сечении на уровне постановки равны:
– тензодатчика T-1
– тензодатчика T-2
– тензодатчика T-3
– тензодатчика T-4
– тензодатчика T-5
4. Экспериментальная часть
Балку устанавливают на опоры испытательной машины ГРМ-1 и нагружают через распределительную траверсу сосредоточенной силой в середине пролета. С целью более полного включения всех приборов, проверки их работы и исключения обмятий балки в местах приложения сосредоточенных сил нагружение балки производят два раза.
Первое нагружение балки осуществляют от нулевой нагрузки до нагрузки, равной теоретической расчетной нагрузке РТ (при этом снимают отсчеты по приборам до и после нагружения образца). Затем производят разгрузку до нуля, снимают отсчеты по приборам и создают второе нагружение балки. При втором нагружении балки нагрузку прикладывают поэтапно. Нагрузку на каждом этапе принимают равной 0,2 РТ.
Результаты измерения прогибов балки
| Этап нагружения | Нагрузки P, кН | Прогибомеры | Средняя величина приращения отсчётов
 ср= 
| Разность приращения отсчётов
 2- ср
| Полный прогиб балки
 п
| |||||
| П-1 | П-2 | П-3 | ||||||||
| Отчет C1 | Разность отсчетов  С1
| Отсчёт С2 | Разность
отсчётов С2
| Отсчёт С3 | Разность
отсчётов С3
| |||||
| Результаты измерения продольных деформаций в балке |
| Этап нагружения | Нагрузка Р, кН | Тензодатчики | |||||||||
| Т-1 | Т-2 | Т-3 | Т-4 | Т-5 | |||||||
| Отсчет С1 | Разность
Отсчетов С1
| Отсчет С2 | Разность
Отсчётов С2
| Отсчет С3 | Разность
Отсчётов С3
| Отсчет С4 | Разность
Отсчётов С4
| Отсчет С5 | Разность
Отсчётов С5
| ||
5. Обработка и анализ результатов испытания
По результатам испытания дают сравнительную оценку клееных балок прямоугольного и двутаврового поперечных сечений (табл.).
Таблица
| № п/п | Пролёт  ,см
| Площадь поперечного сечения F,см2 | Момент инерции J см4 | Прогиб при нагрузке Рн, мм | Максимальные нормальные напряжения  при нагрузке РТ ,МПа
| Расчетная нагрузка РТ,кН | Разрушающая нагрузка Рразр,кН | Коэффициент запаса k | Отно-
шение
| ||
| теоретический | экспериментальный | теоретический | экспериментальный | ||||||||
6. Оформление отчета
Отчет о проделанной работе оформляют согласно требованиям, представленным в п. 1.2.
Контрольные вопросы
21. Что такое клей?
22. Назовите основные требования к клеям, применяемым в несущих строительных конструкциях?
23. Какие клеи следует применять в несущих конструкциях?
24. Что вызывает внутренние напряжения в клеевых швах?
25. Какие размеры по ширине и толщине досок рекомендуются при изготовлении клеедощатых конструкций?
26. Какая максимальная влажность древесины допускается при склеивании досок?
27. Почему ограничиваются размеры досок и влажность древесины при изготовлении клеедощатых конструкций?
28. Как определяется несущая способность двутавровой клееной балки?
29. Как определяются теоретические значения напряжений в поперечном сечении балки?
30. Для чего в лабораторной работе используется индикатор часового
типа?
31. Для чего в лабораторной работе используются тензодатчики?
32. Что такое коэффициент безопасности?
33. Что такое разрушающая нагрузка?
34. Почему нагрузка на образец прикладывается в виде двух сосредоточенных сил?
35. Как определяются экспериментальные значения напряжений в поперечном сечении балки?
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1.СНиП II.25 – 80. Нормы проектирования. Деревянные конструкции.− М.: Стройиздат. – 65 с.
2. Карлсен, Г.Г. Конструкции из дерева и пластмасс /Г.Г. Карлсен, Ю.В. Слицкоухов. – М.: Стройиздат. − 543 с.
3. Пособие по проектированию деревянных конструкций (к СНиП II.25–80) / ЦНИИСК им. Кучеренко. – М., 1986. – 215 с.
4.Иванов, В.А. Конструкции из дерева и пластмасс. Примеры расчета и конструирования / В.А. Иванов.– Киев: Вища школа.
5. Ли, В.Д. Основные нормативные материалы для расчета конструкций из дерева и пластмасс: методические указания, ч.1 / В.Д. Ли, О.Ю. Дериглазов. – Томск, 2005. – 25 с.
6.СНиП2.01.07−85.Нормы проектирования. Нагрузки и воздействия.− М.: Стройиздат. – 34 с.
7. Зубарев Г.Н. «Конструкции из дерева и пластмасс»;
8. Прокофьев А.С. «Конструкции из дерева и пластмасс. Общий курс»;
9. ЦНИИСК Курченко «Пособие по проектированию деревянных конструкций»;
10. Ковальчук Л.М. «Производство деревянных клееных конструкций»;
11. Вдовин В.М. «Проектирование клее дощатых и клее фанерных конструкций».
Приложение
Таблица 1
| Напряженное состояние и характеристика элементов | Расчетные сопротивления, МПа/кгс/см2, для сортов (классов) древесины | |||
| обозначение | 1/К26 | 2/К24 | 3/К16 | |
| 1. Изгиб, сжатие и смятие вдоль волокон: | ||||
| а) элементы прямоугольного сечения (за исключением указанных в подпунктах «б», «в») высотой до 50 см. При высоте сечения более 50 см | R и, R с, R см | 14/140 | 13/130 | 8,5/85 |
| б) элементы прямоугольного сечения шириной свыше 11 до 13 см при высоте сечения свыше 11 до 50 см | R и, R с, R см | 15/150 | 14/140 | 10/100 |
| в) элементы прямоугольного сечения шириной свыше 13 см при высоте сечения свыше 13 до 50 см | R и, R с, R см | 16/160 | 15/150 | 11/110 |
| г) элементы из круглых лесоматериалов без врезок в расчетном сечении | R и, R с, R см | - | 16/160 | 10/100 |
| 2. Растяжение вдоль волокон: | ||||
| а) неклееные элементы | R р | 10/100 | 7/70 | - |
| б) клееные элементы | R р | 12/120 | 9/90 | - |
| 3. Сжатие и смятие по всей площади поперек волокон | R с90, R см90 | 1,8/18 | 1,8/18 | 1,8/18 |
| 4. Смятие поперек волокон местное: | ||||
| а) в опорных частях конструкций, лобовых врубках и узловых примыканиях элементов | R см90 | 3/30 | 3/30 | 3/30 |
| б) под шайбами при углах смятия от 90 до 60° | R см90 | 4/40 | 4/40 | 4/40 |
| 5. Скалывание вдоль волокон: | ||||
| а) при изгибе неклееных элементов | R ск | 1,8/18 | 1,6/16 | 1,6/16 |
| б) при изгибе клееных элементов | R ск | 1,6/16 | 1,5/15 | 1,5/15 |
| в) в лобовых врубках для максимального напряжения | R ск | 2,4/24 | 2,1/21 | 2,1/21 |
| г) местное в клеевых соединениях для максимального напряжения | R ск | 2,1/21 | 2,1/21 | 2,1/21 |
| 6. Скалывание поперек волокон: | ||||
| а) в соединениях неклееных элементов | R ск90 | 1/10 | 0,8/8 | 0,6/6 |
| б) в соединениях клееных элементов | R ск90 | 0,7/7 | 0,7/7 | 0,6/6 |
| 7. Растяжение поперек волокон элементов из клееной древесины | R р90 | 0,35/3,5 | 0,3/3 | 0,25/2,5 |
Таблица 2 Модули упругости древесины
| Порода | Модуль упругости, 103 кг/см2, при | Модули сдвига | |||||||
| сжатии | растяжении | Grа | Gtr | Grt | |||||
| Еа | Еr | Еt | Еа | Еr | Еt | ||||
| Сосна | 0,2 | 5,0 | 5,1 | 4,3 | 11,4 | 7,1 | — | ||
| Ель | 5,9 | 3,6 | 6,2 | 4,2 | - | — | 0,5 | ||
| Дуб | 12,9 | 9,1 | 11,0 | 8,3 | 13,2 | 9,1 | 4,4 | ||
| Береза | 6,0 | 4,5 | 6,0 | 4,2 | 14,5 | 8,0 | 2,0 |
Таблица 3 Объемный вес. Предел прочности. Модуль упругости
| Порода и район произрастания | Объемный вес при влажности 15 %, кг/м3 | Предел прочности при 15 % влажности, кг/см2 | Модуль упругости при статическом изгибе | ||
| при сжатии вдоль волокон | при изгибе | при растяжении вдоль волокон | |||
| Береза обыкновенная | - | ||||
| Береза (Урал) | - | - | |||
| Дуб | |||||
| Ель обыкновенная (северная) | - | ||||
| Ель обыкновенная (центральные районы) | - | ||||
| Ель (Урал) | - | ||||
| Ель (Сибирь) | |||||
| Лиственница (Урал) | - | ||||
| Лиственница (Сибирь) | |||||
| Сосна обыкновенная (северная) | - | - | |||
| Сосна (центральные районы) | |||||
| Сосна (Украина) | |||||
| Сосна (Урал) | - | - | |||
| Сосна (Сибирь) |