Влияние толщины поперечных и продольных слоев на деформативность и распределение напряжений в пятислойных плитах древесины перекрестно-клееной

Введение. Отличительной чертой древесины перекрестно-клееной (ДПК, CLT-панелей) является перекрестное расположение досок (ламелей) в разных слоях плиты. Ввиду анизотропии древесины такая конструкция позволяет добиться высокой прочности и жесткости в разных направлениях действия напряжений, что сделало данный материал одним из самых перспективных для изучения в последние десятилетия. Рассматривается влияние толщины поперечных и продольных слоев в пятислойных плитах из ДПК на деформации и распределение возникающих нормальных и касательных напряжений. Актуальность обусловлена необходимостью получения расчетных данных для анализа изменения прочностных характеристик плит при различных вариациях толщины продольных и поперечных слоев с целью выбора наиболее эффективной конфигурации плиты.

Материалы и методы. Исследования проведены численными методами при помощи ПК SCAD+ с помощью МКЭ (метода конечных элементов). При этом объемными конечными элементами являются параллелепипеды. Расчетная схема определена как система общего вида, деформации которой и ее основные неизвестные представлены линейными перемещениями узловых точек вдоль осей X, Y, Z и поворотами вокруг этих осей. В качестве расчетной конструкции выбрана пятислойная плита с перекрестно направленными слоями таким образом, что наружные (1, 5) и центральный внутренние (3) слои являются продольными, а оставшиеся внутренние (2, 4) — поперечными. Упрощенная расчетная схема представляет собой шарнирно опертую балку.

Результаты. По результатам исследования и произведенных расчетов в SCAD+ составлены таблицы, на основании которых построены графики, отражающие зависимость прогиба, распределения нормальных и тангенциальных напряжений от толщины поперечных и продольных слоев плиты.

Выводы. Полученные данные позволяют оценить влияние толщины на деформативность и распределение напряжений в пятислойных CLT-панелях. Значимость выполненных исследований заключается в расширении научно-технической базы знаний в области деревянных конструкций.

1. Трошин М.Ю., Турков А.В. Влияние толщины поперечных и продольных слоев на деформативность и распределение напряжений в трехслойных плитах древесины перекрестно-клееной // Вестник МГСУ. 2023. Т. 18. № 3. С. 391–400. DOI: 10.22227/1997-0935.2023.3.391-400

2. Shen Y., Schneider J., Stiemer S.F., Ren X. Failure Modes and Mechanical Properties of Bracket Anchor Connections for Cross-Laminated-Timber // MATEC Web of Conferences. 2019. Vol. 275. P. 01011. DOI: 10.1051/matecconf/201927501011

3. Sebera V., Muszyński L., Tippner J., Noyel M., Pisaneschi T., Sundberg B. FE analysis of CLT panel subjected to torsion and verified by DIC // Materials and Structures. 2013. Vol. 48. Pp. 451–459. DOI: 10.1617/s11527-013-0195-1

4. Huang Z., Huang D., Chui Y.-H., Shen Y., Daneshvar H., Sheng B. et al. Modeling of Cross-Laminated Timber (CLT) panels loaded with combined out-of-plane bending and compression // Engineering Structures. 2022. Vol. 250. P. 113335. DOI: 10.1016/j.engstruct.2021.113335

5. Christovasilis I.P., Brunetti M., Follesa M., Nocetti M., Vassallo D. Evaluation of the Mechanical Properties of Cross Laminated Timber with Elementary Beam Theories // Construction and Building Materials. 2016. Vol. 122. Pp. 202–213. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2016.06.082

6. Lu W., Gu J., Wang B. Study on Flexural Behavior of Cross-Laminated Timber Based on Different Tree Species // Advances in Materials Science and Engineering. 2019. Vol. 2019. Pp. 1–8. DOI: 10.1155/2019/1728258

7. Opazo-Vega A., Benedetti F., Nuñez-Decap M., Maureira-Carsalade N., Oyarzo-Vera C. Non-Destructive Assessment of the Elastic Properties of Low-Grade CLT Panels // Forests. 2021. Vol. 12. P. 1734. DOI: 10.3390/f12121734

8. Gagnon S., Popovski M. Structural Design of Cross-Laminated Timber Elements. Chapter 3, CLT Handbook. FPInnovations. Québec, Canada, 2011.

9. Abejón R., Moya L. Cross-laminated timber: Perspectives from a bibliometric analysis (2006–2018) // Wood Material Science & Engineering. 2021. Vol. 17. Issue 6. Pp. 429–450. DOI: 10.1080/17480272.2021.1955295

10. Юминова М.О., Крестьянникова А.Ю. Материалы и конструкции для строительства деревянных домов // Наука через призму времени. 2017. № 9. С. 42–51.

11. Смирнов П.Н., Филимонов М.А., Погорельцев А.А. Определение прочностных и упругих характеристик древесины перекрестно-клееной (ДПК/CLT) и классификация по классам прочности. М. : Научно-исследовательский центр «Строительство», 2020. 175 с. EDN NRPYJP.

12. Филимонов М.А., Смирнов П.Н., Погорельцев А.А. Проведение исследований по определению несущей способности стеновых панелей и плит перекрытия из древесины перекрестно-клееной (ДПК/CLT) и разработка методики расчета. М. : Научно-исследовательский центр «Строительство», 2020. 268 с. EDN NVQDYW.

13. Рогожина А.В. Расчет деформативности CLT-панели перекрытия // Инженерный вестник Дона. 2022. № 6. URL: http://www.ivdon.ru/uploads/article/pdf/IVD_89__5_Rogozhina.pdf_10c4252bae.pdf

14. Филимонов М. А., Смирнов П.Н. Исследования прочностных и упругих характеристик плит из древесины перекрестно-клееной (ДПК/CLT) российского производства // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. 2022. № 2. С. 81–97. DOI: 10.37153/2618-9283-2022-2-81-97. EDN JEVVCF.

15. Мамедов Ш.М., Шабикова Е.Г., Нижегородцев Д.В., Казакевич Т.Н. Методика расчета панелей из перекрестно-клееной древесины // Вестник гражданских инженеров. 2020. № 5 (82). С. 66–71. DOI: 10.23968/1999-5571-2020-17-5-66-71. EDN BNFNZY.

16. Бубис А.А., Гизятуллин И.Р., Хворова А.Н., Петров И.Ю. Особенности поведения древесины перекрестно-клееной (ДПК/CLT) при статических и динамических нагрузках, моделирующих сейсмические воздействия // Сейсмостойкое строительство. Безопасность сооружений. 2022. № 2. С. 62–80. DOI: 10.37153/2618-9283-2022-2-62-80. EDN QYZGKG.

17. Чебыкин А.А., Фрицлер Ю.А., Кудрявцев С.В. Определение расчетных характеристик сечений древесных клееных плит из перекрестных досок // Академический вестник УралНИИпроект РААСН. 2017. № 2. С. 83–85.

18. Змеев М.В. Определение толщины перекрытия из перекрестно-клееных досок на примере CLT-плит Binderholz (Austria) из условия жесткости // Инженерный вестник Дона. 2020. № 11. URL: http://www.ivdon.ru/uploads/article/pdf/IVD_35__10_Zmeev.pdf_91b8606af3.pdf

19. Щелокова Т.Н. Современные тенденции улучшения свойств древесины и деревянных строительных конструкций // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2018. № 6. С. 39–45. DOI: 10.12737/article_5b115a65781d87.13857188. EDN XTRGIP.

20. Мавлюбердинов А.Р., Хоцанян Д.Н. Технологические особенности возведения многоэтажных жилых зданий из CLT-панелей // Известия КГАСУ. 2018. № 1 (43) С. 219–225. EDN UOVVCG.