НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ОТЧЕТ «Рекомендаций по расчету платформенных стыков зданий с стеновыми панелями и плитами перекрытий и покрытий из древесины перекрестно клееной (ДПК).» 2 Содержание 1. Общая часть ...................................................................................................... 3 3. Платформенные стыки ................................................................................... 11 3.1. Типы платформенных стыков ..................................................................... 11 3.2. Основы работы платформенных стыков из ДПК ...................................... 15 4. Расчетные предпосылки ................................................................................. 18 4.1. Расчетная схема ........................................................................................... 18 4.2. Моделирование платформенных стыков ................................................... 19 4.3. Моделирование связей между плитами и панелями ................................. 19 5. Поверлчный расчет ........................................................................................ 21 Заключение ......................................................................................................... 22 Список литературы ............................................................................................ 23 3 1. Общая часть Древесина перекрестноклееная (ДПК/CLT) – массивный плитный материал, изготовленный заводским способом, состоящий не менее чем из трех ортогонально склеенных слоев из цельных или срощенных по длине на зубчатое соединение досок, и предназначенный для использования в несущих и ограждающих строительных конструкциях (рисунок 1). Рисунок 1. Принципиальная схема ДПК Считается, что CLT первоначально была задумана и разработана в Швейцарии в 1970-х годах, как продолжение технологии, которая началась с фанеры и может быть лучше всего описана как "гигантская фанера", поскольку его базовая структура сравнима с обычными изделиями, известными из столярных и плотницких работ. В бывшем СССР первые попытки производства ДКП и их исследований были предприняты в начале 80-х годов прошлого столетия на ДОК п. Солга Архангельской области, но из-за несовершенства технологии дальнейшего развития не получили. Первые серьёзные исследования и широкое применение ДПК начались в 90-х годах прошлого века в Австрии. Во всем мире исследованиями занимаются уже более 25 лет, однако единых методов конструирования и расчета до сих пор не создано. 4 Основополагающий Европейский документ по проектированию деревянных конструкций Еврокод 5 (EN 1995-1.1) не содержит положений, касающихся ДПК. Проектирование ведется по документам, разработанным под себя крупными производителями ДПК, являющимися аналогами отечественных Стандартов организации – СТО. Исследования ДПК в России начались только в 2020 году, в связи с чем имеют ограниченный характер. Многие положения по конструированию и расчету находятся на стадии разработки или ждут исследований. В СП 64.13330.2017 «Деревянные конструкции. СНиП II-25-80» внесены расчетные положения по проверке несущей способности ДПК. Основой расчетных положений является определение приведенных геометрических характеристик сечений элементов из ДПК, исключающих из расчета по нормальным напряжениям слои с перпендикулярно расположенными слоями. Конструирование и расчет узловых соединений и стыков конструкций из ДПК требуют дальнейших исследований. Целью работы является разработка рекомендаций по расчету платформенных стыков зданий с стеновыми панелями и плитами перекрытий и покрытий из древесины перекрестно клееной (ДПК). В дальнейшем, рекомендации будут подтверждены и расширены в ходе экспериментальных исследований. 5 3. Платформенные стыки 3.1. Типы платформенных стыков Платформенный стык – стык, в котором горизонтальные стыкуемые элементы опираются на специальную площадку (платформу). Горизонтальными стыкуемыми элементами являются плиты перекрытий из ДПК. В качестве платформы выступает верхний обрез стеновых панелей из ДПК. В проектах используются 6 типа платформенных стыков: Тип 1 – опирание многопролетной (два пролета и более) плиты покрытия на промежуточную стену Тип 2 – опирание многопролетной (два пролета и более) плиты перекрытия или плиты с консолью (например балкон) на панель промежуточной стены с опиранием стены вышележащего этажа на плиту перекрытия (рисунок 2). Тип 3 – крайнее опирание плиты покрытия на панель стены по всей толщине. Тип 4 – крайнее опирание плиты перекрытия на панель стены по всей толщине с опиранием стены вышележащего этажа на плиту перекрытия (рисунок 3). Тип 5 – стык плит покрытия на панели стены, с одной стороны опорной гранью, с другой стороны продольной (не опорной) гранью. Тип 6 – стык плит перекрытия на панели стены, с одной стороны опорной гранью, с другой стороны продольной (не опорной) гранью, с опиранием стены вышележащего этажа на плиту перекрытия. 6 1 - Стеновая CLT панель b=140мм, b=160мм 2 - СLT плита покрытия b=200 мм 3 - Конструкционный саморез оцинк. Ø8х280 мм, шаг 400 мм в шахматном порядке 4 - Лента XYLOFON высокоэффективный упругий звукоизоляционный профиль или аналог Рисунок 2. Платформенный стык – тип 1 7 1 - Стеновая CLT панель b=140мм, b=160мм 2 - СLT панель перекрытия b=200 мм 3 - Конструкционный саморез оцинк. Ø8х280 мм, шаг 300 мм в шахматном порядке 4 - Уголок TTN 240 / Саморез оцинк. Ø5х60, 36 шт. + 36 шт. 5 - Упругий профиль для звукоизоляции XYLOFON или аналог * Минимум 2 монтажных уголка на панель, по краям детали Рисунок 3. Платформенный стык – тип 2 8 1 - Стеновая CLT панель b=90мм, b=120мм, b=160мм 2 - СLT панель перекрытия b=200 мм 3 - Конструкционный саморез оцинк. Ø8х280 мм, шаг 300 мм в шахматном порядке 4 - Уголок TTN 240 шаг 600мм / Саморез оцинк. Ø5х60, 36 шт. + 36 шт. 5 - Пластина перфорированная 200х300мм с шагом 600мм / Саморез оцинк. Ø5х60, 22 шт. + 22 шт. 6 - Лента Rothoblaas SPEEDY BAND или аналог, на стыки панелей с внешней стороны 7 - Упругий профиль для звукоизоляции XYLOFON или аналог Рисунок 4. Платформенный стык – тип 4 9 1 - Стеновая CLT панель b=140мм, b=160мм 2 - СLT плита покрытия b=200 мм 3 - Конструкционный саморез оцинк. Ø8х280 мм, шаг 400 мм в шахматном порядке 4 - Лента XYLOFON высокоэффективный упругий звукоизоляционный профиль или аналог Рисунок 5. Платформенный стык – тип 5 3.2. Основы работы платформенных стыков из ДПК Особенностью передача усилий платформенных с перекрытия на стыков является нижележащую неравномерная стену. Степень неравномерности зависит как от типа платформенного стыка, так и от величины усилий – напряжений смятия древесины по площади контакта плиты перекрытия с стеновой панелью. 10 Работа на смятие древесины для ДПК имеет особенности, связанные с их конструкцией, а именно чередующимся направлением волокон в слоях. Согласно СП 64.13330.2017 модуль упругости древесины вдоль волокон Е0 в 20 раз выше модуля упругости древесины поперек волокон Е90. Следовательно, с учетом принципа совместности деформаций при приложении усилий вдоль плиты ДПК, нормальные напряжения сжатия (смятия) в слоях с продольным расположением досок, когда усилия действуют вдоль волокон древесины, в 20 раз больше нормальных напряжений сжатия в поперечных слоях. При этом, в слоях вероятно появление усушечных трещин, продольных для каждого слоя, что выключает поперечные слои из работы по нормальным напряжениям полностью. В результате, в ДПК в плоскости листа работают только те слои, внешние усилия в которых вызывают нормальные напряжения вдоль волокон древесины. Это справедливо для нормальных напряжений от изгиба в плитах перекрытий из ДПК и от сжатия с изгибом в стеновых панелях из ДПК. В отличии от работы в плоскости плиты, при работе из плоскости плиты, т.е. поперек плиты, нормальные напряжения сжатия и растяжения воспринимаются всем сечением, так как и в продольных, и в поперечных слоях древесина работает поперек волокон. В платформенных стыках, с позиций теоретической механики, в результате прогиба плиты под нагрузкой, опорная реакция передается точечно на ребро. Однако, с учетом деформирования материала, опирание распределяется по определенной площадке. Размеры площадки смятия, как и равномерность распределения усилия по длине площадки, зависят от угла поворота опорного сечения плиты и величины опорной реакции. По плоскости контакта действуют напряжения смятия как в плите перекрытия, так и в стеновой панели. Однако доля участия в перераспределении усилий разная. Если древесина вдоль волокон в пределах до расчетного сопротивления работает линейно-упруго, то поперек волокон нелинейность начинается 11 практически сразу с начала нагружения (рисунок 6). Деформации смятия древесины поперек волокон в 5 – 10 раз превышают деформации при достижении напряжениями смятия расчетного сопротивления, при этом разрушение древесины не происходит. Это связано с трубчатым строением волокон древесины. При смятии поперек волокон круглые трубки становятся овальными не теряя целостности. После достижения напряжениями смятия уровня около 5 МПа, увеличение напряжений относительных не деформаций. происходит В результате несмотря на происходит увеличение выравнивание напряжений. Рисунок 6. Диаграммы работы древесины на сжатие напряжения σ (МПа) – относительные деформации е (10-3) С позиций теоретической механики в платформенных стыках, включающих стеновую панель вышележащего этажа, возникает защемление плиты перекрытия. 12 При опирании конца плиты перекрытия на половину толщины сечения нижележащей пятислойной стеновой панели, возникает пара сил, величина которых равна меньшему из значений: Nм.з = σсм.90 · Ас; Nм.з = σсм.90 · Ак; где Nм.з – продольная сила от момента в защемлении; σсм.90.з = 5 МПа – σсм.90 – дополнительные напряжения смятия древесины поперек волокон в платформенных стыках от момента в заделке; σсм.90 = нормальные напряжения смятию древесины поперек волокон в платформенных стыках от сжимающих усилий в рассматриваемых слоях стеновых панелей; Ас – площадь сечения контакта среднего слоя вышележащей стеновой панели с плитой перекрытия при ширине 1 м; Ак – площадь сечения контакта крайнего слоя нижележащей стеновой панели с плитой перекрытия при ширине 1 м. При опирании конца плиты перекрытия на всю толщины сечения нижележащей пятислойной стеновой панели Ас = Ак. Пара сил от момента защемления увеличивает усилия сжатия в крайнем слое нижележащей панели на величину Nм.з / 2 и уменьшает на ту же величину усилие в другом крайнем слое. 13 4. Расчетные предпосылки 4.1. Расчетная схема В качестве расчетной модели каркаса здания следует использовать пространственную оболочечно-стержневую конечно-элементную модель. В модели следует использовать следующие положения и предпосылки: - В расчетную модель каркаса включаются только несущие конструктивные элементы (пилоны, диафрагмы жесткости, перекрытия). Поэтажно опертые перегородки не участвуют в работе каркаса и моделируются линейно-распределенными нагрузками на перекрытия. - Плоские плиты перекрытия и покрытия, а также диафрагмы жесткости моделируются элементами плоской оболочки, имеющими шесть степеней свободы в узле. - Сопряжение плит перекрытий и покрытия и стен из CLT панелей принимается шарнирным. платформенные стыки В расчетной модели стыки панелей (4.3) и (4.2) моделируются с учетом возможности возникновения деформаций в соединении. - В местах стыка отдельных CLT панелей плит перекрытия и покрытия между собой моделировался шарнир, допускающий независимые деформации смежных панелей в вертикальной плоскости. В расчетной модели CLT панели моделируются с учетом ортотропности свойств в ортогональных направлениях путем задания различных модулей деформации оболочечных элементов в ортогональных направлениях. - Сопряжение железобетонных элементов (фундаментов, стен, колонн, плит) друг с другом принимается жёстким. - Горизонтальные нагрузки передаются на элементы вертикальных элементы каркаса здания через жёсткие диски перекрытий. - При расчетах принимается расчетная длина внецентренно сжатых элементов L, где L-высота стены/пилона/колонны. 4.2. Моделирование платформенного стыка 14 В расчетной модели платформенные стыки следует моделировать связями конечной жесткости, установленными с шагом Sc: 4.2.1. Продольную жесткость в вертикальном направлении KE следует определять по формуле KE = E90 · tcп · Sc / tпп, где KE – жесткость связи в вертикальном направлении; E90 – модуль упругости древесины поперек волокон; tcп – толщина стеновой панели; tпп – толщина плиты перекрытия; Sc – шаг связей конечной жесткости. 4.2.2. Сдвиговую жесткость вдоль стеновой плиты KG следует определять по формуле KG = Tн · nн · Sc / (0,002м · Sн), где KG – сдвиговая жесткость связи вдоль стеновой панели; Tн – несущая способность нагеля (шурупа); nн – количество нагелей (шурупов в одной точке по длине панели; 0,002 м –деформация нагельного соединения, соответствующая расчетной несущей способности; Sн – шаг нагелей (шурупов). 4.2.3. Если по результатам расчета несущая способность на сдвиг меньше действующих сдвигающих усилий, уменьшается шаг нагелей (шурупов) Sн без изменения шага связей конечной жесткости Sc в расчетной модели, но с пересчетом жесткости KG. При этом, шаг шурупов Sн принимается не менее 15 диаметров. Максимальное расстояние между шурупами Sн следует принимать не более 1,5 Sс. 4.3. Моделирование связей между плитами и панелями 4.3.1. В расчетной модели стыки плит перекрытия между собой и стеновых панелей между собой следует моделировать связями сдвига конечной жесткости, установленными с шагом Sc: 15 Сдвиговую жесткость связей вдоль стыка между плитами перекрытия или стеновыми панелями KG следует определять по формуле KG = Tвα · nн · Sc / (0,002м · Sн), где KG – сдвиговая жесткость связи; Tвα – расчетная несущая способность винта (шурупа) при выдергивании под углом α к направлению волокон древесины (п.7.1.3 СП 299 [2]); α – угол наклона винта (шурупа) к направлению сдвига; nн – количество нагелей (шурупов в одной точке по длине стыка; Sc – шаг связей конечной жесткости. 0,002 м –деформация нагельного соединения, соответствующая расчетной несущей способности; Sн – шаг нагелей (шурупов). 4.3.2. Если по результатам расчета несущая способность на сдвиг меньше действующих сдвигающих усилий, уменьшается шаг нагелей (шурупов) Sн (см. 4.2.4), либо принимаются нагели (шурупы), имеющие большие диаметр или длину, без изменения шага связей конечной жесткости Sc в расчетной модели, но с пересчетом жесткости KG. 16 5. Поверочный расчет Поверочный расчет элементов ДПК, включая стеновые панели и плиты перекрытия и покрытия, следует выполнять в соответствии с СП 64 [1] и СТО [3]. Стеновые панели следует рассчитывать с учетом учета действительной работы узла опиранием плит перекрытия из ДПК на стеновую панель из ДПК с по типу «платформенного стыка». 1. Расчеты стеновых панелей из ДПК многоэтажного дома на прочность и устойчивость следует выполнять с учетом схем опирания плит перекрытия и эксцентриситетов передачи действующих усилий в «платформенном стыке». 2. При передаче усилий с верхних этажей здания через стеновую панель выше лежащего этажа приложение усилия к рассчитываемой стеновой панели следует принимать равномерным на все вертикальные слои панели. 3. При опирании плит перекрытия схема передачи усилия зависит от узла опирания и схем нагружения. 3.1. При одностороннем опирании плиты перекрытия не стеновую панель передачу опорной реакции следует принимать через крайний вертикальный слой панели из ДПК. Кроме того, следует учитывать дополнительный момент в стеновой панели от защемления плиты перекрытия в платформенном стыке Мд, равный Мд = Nм.з · h0; где h0 – плечо пары сил, равное расстоянию между осями крайних слоев стеновой панели. 3.2. Для двух и более пролетных плит перекрытия, опирающихся на промежуточную стену, и плит с консолью (например для балкона) при относительной разнице поперечных сил в плите с двух сторон от панели не превышает 1,5 (Qmax ≤ 1,5Qmin) передачу опорной реакции на рассчитываемую стеновую панель из ДПК следует принимать равномерным на все вертикальные слои панели. Следует учитывать Мд (см. 3.1). 17 3.3. Для двух и более пролетных плит перекрытия, опирающихся на промежуточную стену, и плит с консолью (например для балкона) при относительной разнице поперечных сил в плите с двух сторон от панели превышает 1,5 (Qmax > 1,5Qmin) передачу опорной реакции на рассчитываемую стеновую панель из ДПК следует принимать через крайний вертикальный слой панели. 18 Заключение Рассмотрены основные положения по расчету конструкций из древесины перекрестно клееной зданий «Общежития для студентов. Корпус 1» и «Служебного жилья для ППС. Крпуса 1 и 2» Национального центра физики и математики, расположенного в г. Саров Нижегородской области. Установлены требования к расчетной модели, включая; - моделирование связей конечной жесткости платформенных стыков плит покрытий и перекрытий с стеновыми панелями; - моделирование связей конечной жесткости стыков между плитами из ДПК перекрытий и покрытий и между стеновыми панелями из ДПК. Предложены дополнения для поверочного расчета стеновых панелей из ДПК с учетом действительной работы платформенных стыков. 19 Список литературы 1. СП 64.13330.2017 “Деревянные конструкции. Актуализированная редакция СНиП II-25-80 (с Изменениями N 1, 2, 3)”. 2. СП 299.1325800.2017 «Конструкции деревянные с узлами на винтах. Правила проектирования». 3. СТО Конструкции из древесины перекрёстно-клееной. технические требования. НИЦ Строительство, 2022. Общие
