Исследование влияния анизотропии древесины на напря-женно-деформированное состояние нагельного соединения

УДК 624.078

Рассмотрено напряженно-деформированное состояние деревянного образца с отверстием в средней его части и размещенного в нем фрагмента стального нагеля. Размеры образца приняты 400х100х20 мм, диаметр нагеля — 16 мм.

Конечно-элементная модель создавалась с использованием программного комплекса ANSYS. Для моделирования деревянных элементов и нагелей применялся конечный элемент Solid 45. Общий вид КЭ-модели представлен на рисунке 1. Связь между деревянным элементом и стальным моделировалась посредством 32 коротких стержневых конечных элементов LINK 10.

Схема разбивки модели на конечные элементы в области нагельного соединения представлена на рисунке 2. Количество конечных элементов в модели – 9856 . Количество узлов –11934.

Рисунок 1. Общий вид КЭ-модели

Рисунок 2. Схема разбивки на конечные элементы нагельного соединения в месте установки нагеля

Рассмотрено два варианта расчета: 1) древесина рассматривалась как изотропный материал с модулем упругости E=10 000 МПа и коэффициентом Пуассона ν=0,5; 2) древесина — как анизотропный материал с модулем упругости вдоль волокон E=10000 МПа и поперек волокон E_0,90=400 МПа. Модуль сдвига древесины относительно осей, направленных вдоль и поперек волокон принят G_0.90=500 МПа. Коэффициент Пуассона древесины поперек волокон при напряжениях, направленных вдоль волокон, ν_90,0=0,5, а вдоль волокон при напряжениях направленных поперек волокон, ν_0,90=0,02. Нагель в обоих случаях моделировался как стальной элемент с модулем упругости E=206000 МПа и коэффициентом Пуассона ν=0,3.

Стальной нагель закреплялся от смещения по всем направлениям. Равномерно-распределенная нагрузка прикладывалась по поверхности правого торца деревянного элемента. Интенсивность нагрузки равнялась 1,28 МПа.

Рисунок 3. Характер распределения нормальных напряжений в нагельном гнезде для изотропного материала

Рисунок 4. Характер распределения нормальных напряжений в нагельном гнезде для анизотропного материала

Проведенные численные исследования напряженно-деформированного состояния нагельного соединения показывают, что нормальные сжимающие напряжения в нагельном гнезде в обоих случаях имеют схожий характер распределения. В случае анизотропного материала нормальные напряжения распределяются на меньшую зону по вертикали, что является следствием влияния анизотропии (см. рисунки 3,4). Максимальные сжимающие напряжения в первом случае составили  6.75 МПа,   во  втором случае – 10.73 МПа, и при этом зона распределения сжимающих напряжений в поперечном направлении в первом случае больше чем во втором на 87 %.

Проведение обследования состояния конструкций, исследование напряженно-деформированного состояния нагельного соединения с использованием программного комплекса ANSYS показывает, что учет анизотропии в работе материала является важным фактором, способствующим лучшему пониманию работы соединения и, как следствие, обеспечению более высокого уровня надежности сопряжения. Полученные картины напряженно-деформированного состояния соединения позволят студентам лучше усвоить изучаемый материал.

Для выполнения экспертизы строительных проектов и прочего обследования строительных конструкций сооружений рекомендуем заполнить бланк технического задания.