Конструкция образца для испытания соединений главных и второстепенных балок из древесины на накладках

Название	Конструкция образца для испытания соединений главных и второстепенных балок из древесины на накладках
Разработчик (Авторы)	Дежин Максим Александрович, Ибрагимов Александр Майорович
Вид объекта патентного права	Полезная модель
Регистрационный номер	221816
Дата регистрации	23.11.2023
Правообладатель	Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Московский государственный строительный университет" (НИУ МГСУ)
Область применения (класс МПК)	G01N 19/00 (2006.01)

Описание изобретения

Настоящая полезная модель относится к области исследования строительных конструкций и материалов и может быть использована при испытании симметричных соединений элементов деревянных конструкций.

Из существующего уровня техники известна конструкция образца для испытания нагельного соединения с использованием когтевых шайб [Черных А.Г., Данилов Е.В. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ СОЕДИНЕНИЙ ДЕРЕВЯННЫХ КОНСТРУКЦИЙ НА КОГТЕВЫХ ШПОНКАХ // Современные проблемы науки и образования. - 2013. - №2.; URL: https://science-education.ru/ru/article/view?id=8685 (дата обращения: 04.04.2023)], состоящая из трех элементов из древесины, соединенных между собой цилиндрическими нагелями и когтевыми шпонками. При этом нагрузка, передающаяся от сдвигаемых элементов образца соединения, воспринимается суммарной площадью внедренных когтей, через которые передается на другие элементы образца.

Недостатком данного технического решения является его подверженность неравномерному нагружению ввиду того, что приложение нагрузки и опирание образца осуществляется на плоскости деревянных элементов с расположением волокон древесины перпендикулярно плоскостям нагружения и опирания, вследствие чего возникает повышенное смятие этих плоскостей и возникают перекосы, отрицательно сказывающиеся на результатах испытаний. Также к недостатку можно отнести пониженную устойчивость образца из-за малых площадей плоскостей нагружения и опирания.

Наиболее близкой к заявленному техническому решению является конструкция образца для испытания соединений главных и второстепенных балок [Дежин М.А. Несущая способность и деформативность соединений деревянных элементов на металлических накладках с использованием ввинченных шурупов // Инженерный вестник дона. - 2021. - №6.; URL: http://www.ivdon.ru/uploads/article/pdf/IVD_65_5_Dezhin.pdf_f0ce426cee.pdf (дата обращения: 28.07.2023)], состоящая из трех деревянных элементов (одной второстепенной балки сечением 50(b)×100(h)×100(L)мм и двух главных балок сечением 50(b)×100(h)×230(L)мм), соединенных между собой металлическими накладками (размерами 30×70×12 мм каждая), закрепленными к деревянным элементам шурупами диаметром 4,5 мм и длиной 50 мм. При этом соотношение площадей поперечных сечений второстепенной балки к главной балке равно 1,00.

Недостатком такого решения является низкая достоверность результатов, полученных в результате испытаний такой конструкции образца. Несмотря на симметричную конструкцию образца, симметричное и равномерное приложение нагрузки к образцу, в работе образца сдвигающее усилие оказывает действие на две плоскости среза образца, из которых предела прочности достигает только одна плоскость, материалы части образца, в которой расположена эта плоскость, имеют скрытые дефекты или пониженные прочностные характеристики по сравнению со второй частью образца. Видимые деформации наблюдаются только у одной пары накладок из двух, что видно на рисунках 2, 3 статьи, в которой упомянуто данное решение. Другая пара накладок включается в работу только после перекоса второстепенной балки образца. В результате одна пара накладок нагружена неконтролируемо сильнее, чем другая пара накладок, вследствие этого возникает разное нагружение главных балок, происходит неравномерное включение в работу шурупов, крепящих одну и другую пару накладок, наблюдается вертикальное неравномерное смещение вниз второстепенной балки относительно главных балок и происходит разрушение соединения.

Происходит это по причине того, что главные балки имеют одинаковые сечения со второстепенной балкой. Описанная конструкция образца предусматривает приложение распределенной нагрузки от испытательной машины к второстепенной балке образца. Приложенная нагрузка должна равномерно распределиться в массиве древесины второстепенной балки и далее быть передана на соединительные элементы (накладки с пазом, закрепленные к второстепенной балке). Затем от накладок с пазом нагрузка должна быть передана на накладки с шипом посредством контакта накладок с пазом с накладками с шипом, а уже от накладок с шипом на главные балки (к которым закреплены накладки с шипом).

Вследствие того, что сечения второстепенной балки и главных балок одинаковые, нагрузка от испытательной машины после передачи ее к второстепенной балке передается на главные балки неравномерно, несмотря на симметричную конструкцию соединения. Это приводит к разрушениям образцов вследствие перекоса их центральных элементов (на рисунках 2, 3 статьи, в которой упомянуто данное решение, это видно), к увеличенному расходу материала как соединительных, так и соединяемых элементов, поскольку более прочная часть образца либо разрушается в результате перегрузки после потери несущей способности более слабой частью, либо остается непригодной для других испытаний, как подвергавшаяся силовому воздействию, к несоответствию по величине, характеру и направлению усилий, возникающих в модели и реальной конструкции, к получению заниженных характеристик исследуемого соединения, и как следствие к снижению достоверности результатов проводимых испытаний.

Техническим результатом, на достижение которого направлено предлагаемое техническое решение, является повышение достоверности результатов проводимых испытаний.

Данная задача решается за счет того, что конструкция образца для испытания соединения состоит из двух главных балок одинакового сечения и одной второстепенной балки из древесины, соединенных накладками, второстепенная балка расположена симметрично между двух главных балок, при этом соотношение площадей поперечных сечений второстепенной балки к главной балке равно 0,67.

Сущность полезной модели поясняется чертежами, на которых изображено:

на фиг. 1 - общий вид конструкции образца соединения сбоку;

на фиг. 2 - общий вид конструкции образца соединения сверху.

Заявленное техническое решение рассмотрено и испытано в реальных условиях на лабораторно-испытательной базе НИУ МГСУ на примере симметричной двухсрезной конструкции образца для испытания соединения элементов из древесины, состоящей из соединяемых элементов (двух главных балок одинакового сечения (1), размерами 150(b)×150(h)×230(l) мм и второстепенной балки (2), размерами 100(b)×150(h)×150(l) мм и соединительных элементов (двухстальных накладок (одной с шипом (3), другой - с пазом (4), размерами 40×90×15 мм каждая)), которые закреплены к главным и второстепенной балке с помощью шурупов диаметром 4,5 мм и длиной 50 мм и 70 мм соответственно, для образования соединения по принципу «ласточкин хвост» и передачи нагрузок от второстепенной балки к главным балкам. Такое решение обеспечивает надежное восприятие усилий внутри соединения во всех направлениях (восприятие крутящих моментов по трем взаимно перпендикулярным направлениям и усилий при растяжении и сжатии).

Сечение второстепенной балки (2) 100×150 принято из условия размещения на ее торцевой части металлических накладок (4) и требований по расстановке отверстий в деревянных элементах. Длина второстепенной балки (2) 150 мм назначена с учетом длины вкручиваемых в нее шурупов (l=70 мм) для крепления накладок (4). Длина главных балок (1) определена с учетом условия минимального расстояния вдоль волокон древесины от шурупа до торца элемента. Накладка с пазом (4) закреплена на деревянный элемент (2), в который шурупы завинчены вдоль волокон древесины, накладка с шипом (3) - на деревянный элемент (1), в который шурупы завинчены поперек волокон древесины. Длина шурупов, ввинчиваемых в накладку с пазом (4), больше длины шурупов, ввинчиваемых в накладку с шипом (3). Расположение металлических накладок на деревянных элементах, расположение отверстий в древесине и металлических накладках, а также минимально допустимые расстояния от краев деревянных элементов до торцов металлических накладок назначены с учетом требований по расстановке отверстий, установленных СП 64.13330.2017 «Деревянные конструкции» и СП 16.13330.2017 «Стальные конструкции».

Образец размещен между опорной поверхностью траверсы и поверхностью, обеспечивающей передачу воздействующего усилия на образец. Плоскость сплачивания расположена параллельно по отношению к оси действия усилия и под углом 90° по отношению к опорной плоскости, при этом опорная поверхность траверсы и поверхность, обеспечивающая передачу воздействующего усилия на образец, расположены параллельно друг другу. Нагрузка приложена к образцу вертикально вниз к верхней стороне стальной подкладки (6), которая необходима для предотвращения смятия древесины при приложении нагрузки к соединению и для ее равномерного распределения и передачи с второстепенной балки (2) на главные балки (1). Металлические подкладки (5), на которые выполнено опирание образца, служат опорой для главных балок (1) и обеспечивают возможность вертикального смещения вниз центрального элемента - второстепенной балки (2) относительно главных балок (1) при нагружении образца. Металлические накладки (3) воспринимают нагрузку и передают ее на шурупы.

Соотношение площадей поперечных сечений второстепенной балки к главной балке равно 0,67. Проведенные испытания подтверждают, что указанное соотношение обеспечивает достоверность результатов испытаний такой конструкции образца. После приложения симметричной и распределенной нагрузки от испытательной машины к второстепенной балке образца сдвигающее усилие оказывает действие на две плоскости среза образца, из которых предела прочности достигают обе плоскости. Приложенная нагрузка распределяется в массиве древесины второстепенной балки и далее равномерно передается на соединительные элементы (накладки с пазом, закрепленные к второстепенной балке). Затем от накладок с пазом нагрузка передается на накладки с шипом посредством контакта накладок с пазом с накладками с шипом, а уже от накладок с шипом на главные балки (к которым закреплены накладки с шипом). При этом равномерно нагруженными являются обе пары металлических накладок. Далее происходит включение в работу шурупов, крепящих накладки к деревянным элементам, затем наблюдается вертикальное равномерное смещение вниз второстепенной балки относительно главных балок и происходит разрушение соединения. Таким образом, работа конструкции образца в полной мере и достоверно отражает работу реальной конструкции рассматриваемого соединения. В процессе испытаний деформации образца происходят равномерно, перекоса второстепенной балки не наблюдается. Величины, характер и направления усилий, возникающие в модели, соответствуют возникающим в реальной конструкции, как следствие повышается достоверность результатов проводимых испытаний.

Металлические накладки могут быть закреплены к деревянным элементам с помощью традиционных шурупов (без применения клеевых составов) или клееввинченных шурупов (с применением клеевых составов). Также образец соединения может быть выполнен из клееной или цельной древесины. В качестве материала изготовления соединительных элементов может использоваться конструкционная легированная сталь.

Разработанная конструкция образца при своих малых габаритах в полной мере отражает действительную работу реальных соединений за счет соотношения площадей поперечных сечений второстепенной балки к главной балке, равного 0,67, правильно подобранных габаритов деревянных элементов, схемы приложения нагрузки к образцу и методики проведения экспериментов, соответственно результаты эксперимента будут достоверными и объективными и не потребуется производить действий для приближения полученных результатов к реальной действительности, это также упрощает методику проведения испытаний и процесс обработки результатов испытаний.

Для обеспечения устойчивости образца не требуется дополнительных приспособлений, это позволяет не увеличивать его материалоемкость, трудоемкость и себестоимость изготовления.

Кроме этого, конструкция образца за счет его небольших габаритов является универсальной, не требует уникальной испытательной установки и позволяет испытывать его во многих испытательных машинах.

Формула полезной модели

Конструкция образца для испытания соединения, включающая две главные балки одинакового сечения и одну второстепенную балку из древесины, соединенные накладками, второстепенная балка расположена симметрично между двух главных балок, отличающаяся тем, что соотношение площадей поперечных сечений второстепенной балки к главной балке равно 0,67.

Изобретение " Конструкция образца для испытания соединений главных и второстепенных балок из древесины на накладках" (Дежин Максим Александрович, Ибрагимов Александр Майорович) отмечено юбилейной наградой (25 лет Российской Академии Естествознания)
Медаль Альфреда Нобеля

Оформление наградных документов и заказ каталога