RU2172371C1 - Composite wood-and-concrete beam - Google Patents

Abstract

FIELD: bridge engineering; bearing structures for industrial and residential buildings. SUBSTANCE: structure has composite wood-and-concrete beam provided with wood wall and top reinforced concrete slab joined to wall by means of shear-taking devices made in the form of junction members. Novelty is that beam is provided with polymeric concrete layer tightly bonded to top edge of wood wall; mentioned layer fills up slots of solid and bow-shaped junction members discretely mounted relative to each other. Monolithic effect maintained by proposed structure for long time ensures reliable joint operation of members made of different-modulus materials and utmost utilization of strength capability of shear-taking members. EFFECT: enhanced rigidity of shear links; provision for protecting wood against moisture ingress from water-absorbing reinforced concrete slab. 6 dwg

Description

Изобретение относится к области мостостроения, может быть использовано в несущих конструкциях покрытия и перекрытия промышленных и гражданских зданий. The invention relates to the field of bridge building, can be used in load-bearing structures for coating and overlapping industrial and civil buildings.

Известны конструктивные решения объединения железобетонной плиты с дощатоклееной деревянной балкой посредством сдвиговоспринимающих устройств в виде нагелей, установленных дискретно в предварительно высверленные гнезда в деревянной балке [1]. Known structural solutions for combining a reinforced concrete slab with a glued wooden beam by means of shear-receiving devices in the form of pins installed discretely in pre-drilled nests in a wooden beam [1].

Однако такие технические решения обладают существенным недостатком как, например, податливость соединения при взаимном сдвиге железобетонной плиты и деревянной балки по причине низкомодульности и невысокого предела прочности на смятие самой древесины. However, such technical solutions have a significant drawback such as, for example, the flexibility of the joint during mutual shear of a reinforced concrete slab and a wooden beam due to the low modulus and low tensile strength for crushing of the wood itself.

Известны также сдвиговоспринимающие устройства в виде комбинированных связей, сочетающих в себе собственно связующую часть в виде петлевых выпусков и основу сдвиговоспринимающего элемента в виде продольной стержневой арматурной стали или полосы, приклеиваемой к верхней грани деревянной балки в плоскости сопряжения железобетонной плиты и дощатоклееной балки [1]. Недостатком такого технического решения является ограниченность длины составной деревобетонной балки по причине большого различия коэффициентов линейного расширения температурной деформации основы сдвиговоспринимающего элемента и деревянной балки. Shear-receiving devices in the form of combined bonds are also known, combining the actual connecting part in the form of loop outlets and the basis of the shear-receiving element in the form of a longitudinal bar reinforcing steel or strip glued to the upper face of a wooden beam in the plane of contact between a reinforced concrete slab and a glued beam [1]. The disadvantage of this technical solution is the limited length of the composite wood-concrete beam due to the large differences in the coefficients of linear expansion of thermal deformation of the base of the shear-sensing element and the wooden beam.

Наиболее близкой к изобретению по совокупности признаков является составная деревожелезобетонная балка, преимущественно моста, включающая дощатоклееную стенку из дерева и верхнюю железобетонную бетонную плиту, объединенную со стенкой посредством сдвиговоспринимающих устройств в виде установленных в пазах верхней грани стенки соединительных элементов [2]. The closest to the invention in terms of features is a composite wood-reinforced concrete beam, mainly a bridge, including a glued wooden wall and an upper concrete reinforced concrete slab combined with the wall by means of shear-receiving devices in the form of connecting elements installed in the grooves of the upper face of the wall [2].

В известном техническом решении сдвиговоспринимающие элементы в виде нагелей, установленных в открытых поперечных пазах деревянной стенки в предварительно высверленные гнезда, позволяют значительно снизить деформации сдвига (см. [2] , стр. 31, обр. 4) до определенного этапа загружения, но после скалывания шпоночных выступов деревянной стенки нарушается совместная работа железобетонной плиты и дощатоклееной стенки, происходит увеличение деформаций прогиба всей составной балки. In a known technical solution, shear-receiving elements in the form of pins installed in open transverse grooves of a wooden wall in pre-drilled nests can significantly reduce shear deformations (see [2], page 31, sample 4) to a certain loading stage, but after shearing key protrusions of the wooden wall, the joint work of the reinforced concrete slab and the glued-glued wall is disrupted, there is an increase in the deformation of the deflection of the entire composite beam.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание и сохранение длительного "монолитного" эффекта совместной работы разномодульных материалов, максимальное использование прочности сдвиговоспринимающих элементов, повышение жесткости сдвиговых связей, защита древесины от свойств гигроскопичности железобетонной плиты. The problem to which the invention is directed is to create and maintain a long-lasting "monolithic" effect of the collaboration of multimodular materials, maximize the use of shear strength of sensing elements, increase the rigidity of shear bonds, protect wood from the hygroscopic properties of reinforced concrete slabs.

Технический результат достигается за счет надежной анкеровки и устранения "рыхлых" деформаций сопряжения сдвиговоспринимающих элементов с древесиной благодаря полимербетонной прослойке, жестко связанной с верхней гранью стенки из дерева и заполняющей глухие пазы дугообразного очертания с установленными сдвиговоспринимающими элементами, при этом достигается эффект противодействия сдвигающим усилиям между двумя составляющими - плитой железобетонной и стенкой дощатоклееной, обеспечивается защита древесины от свойств гигроскопичности железобетонной плиты. The technical result is achieved due to reliable anchoring and elimination of "loose" deformations of the interface between the shear-receiving elements and the wood due to the polymer concrete layer rigidly connected to the upper face of the wooden wall and filling the blind grooves of an arched shape with installed shear-receiving elements, and this ensures the effect of counteracting the shear forces between the two components - a reinforced concrete slab and a glued board, provides protection of wood from hygroscopic properties steel reinforced concrete slab.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что составная балка, включающая стенку из дерева и верхнюю железобетонную плиту, объединенную со стенкой посредством сдвиговоспринимающих устройств в виде установленных в пазах верхней грани стенки соединительных элементов, отличается от прототипа тем, что она снабжена полимербетонной прослойкой, жестко связанной с верхней гранью стенки из дерева и заполняющей пазы соединительных элементов, выполненных глухими дугообразного очертания и дискретно расположенных друг относительно друга. The essence of the invention lies in the fact that the composite beam, including the wall of wood and the upper reinforced concrete slab, combined with the wall by means of shear-receiving devices in the form of connecting elements installed in the grooves of the upper face of the wall, differs from the prototype in that it is equipped with a polymer concrete layer rigidly connected with the upper edge of the wall made of wood and the filling grooves of the connecting elements, made by blind arched outlines and discretely located relative friend.

Выполнение конструктивной системы сдвиговоспринимающих устройств путем взаимосвязи связующих элементов с дугообразными шпонками и сплошной прослойкой, выполненных из полимербетона и жестко связанных со стенкой из дерева как в плоскости верхней грани, так и в предварительно образованных глухих пазах дугообразного очертания позволяет создавать эффект монолитности объединения железобетонной плиты и дощатоклееной деревянной стенки. Выполнение шпонок дугообразного очертания в замкнутом пространстве деревянной стенки в плоскости сдвига позволяет исключить концентраторы напряжений, способствующих образованию скалывания в плоскости действия касательных напряжений. Выполнение монолитной полимербетонной прослойки позволяет не только защитить древесину стенки от свойств гигроскопичности железобетонной плиты, но и препятствует смятию древесины от изгиба связующего элемента при действии сдвигающей силы относительно плоскости сопряжения плиты и стенки, тем самым значительно снижая деформации взаимного сдвига. Таким образом, полимербетонная прослойка во взаимосвязи с дугообразными шпонками и сдвиговоспринимающими элементами позволяет снизить деформативность всей составной деревобетонной балки, более эффективно использовать прочностные свойства сдвиговоспринимающих элементов, не ограничивать длину составной балки в пределах от 9 до 20 метров, значительно повысить несущую способность конструкции благодаря созданию "эффекта монолитности" всего сечения составной балки. The implementation of the constructive system of shear-receiving devices by interconnecting the connecting elements with arched dowels and a continuous layer made of polymer concrete and rigidly connected to the wall of wood both in the plane of the upper face and in the previously formed blind grooves of the arcuate shape allows to create the effect of monolithic combination of reinforced concrete slabs and wooden glued wooden wall. The implementation of the keys of an arcuate shape in a confined space of a wooden wall in the shear plane eliminates stress concentrators that contribute to the formation of chipping in the plane of action of tangential stresses. The implementation of a monolithic polymer concrete layer allows not only to protect the wall wood from the hygroscopic properties of the reinforced concrete slab, but also prevents the wood from crushing from bending the connecting element under the action of a shear force relative to the plane of contact between the slab and the wall, thereby significantly reducing mutual shear deformations. Thus, the polymer-concrete layer, in conjunction with the arcuate dowels and shear-receiving elements, allows to reduce the deformability of the entire composite wood-concrete beam, more efficiently use the strength properties of shear-receiving elements, not to limit the length of the composite beam from 9 to 20 meters, significantly increase the structural bearing capacity due to the creation of " monolithic effect "of the entire cross section of a composite beam.

На фиг. 1 изображена составная деревобетонная балка, общий вид; на фиг. 2 - разрез 1-1 на фиг. 1; на фиг. 3 - разрез 2-2 на фиг. 2; на фиг. 4 и 5 - фрагмент вариантного выполнения глухих пазов; на фиг. 6 - поперечное сечение составной балки, показывающее расчетное положение нейтральной оси. In FIG. 1 shows a composite wood-concrete beam, general view; in FIG. 2 is a section 1-1 in FIG. 1; in FIG. 3 is a section 2-2 in FIG. 2; in FIG. 4 and 5 - a fragment of a variant embodiment of blind grooves; in FIG. 6 is a cross-sectional view of a composite beam showing the calculated position of the neutral axis.

Составная деревобетонная балка содержит дощатоклееную стенку 1, объединенную по верхней грани с железобетонной плитой 2 при помощи сдвиговоспринимающих элементов 3, полимербетонной прослойки 4 и дугообразных шпонок 5, жестко связанных с дощатоклееной стенкой 1. Дугообразные шпонки 5 закреплены в глухих пазах 6 дугообразного очертания, размещенных дискретно по верхней грани дощатоклееной стенки 1. Composite wood-concrete beam contains a glued board 1, joined along the upper edge with a reinforced concrete slab 2 using shear-receiving elements 3, a polymer concrete layer 4 and arcuate keys 5, rigidly connected with a laminated wall 1. Arcuate keys 5 are fixed in blind gouges 6 along the upper edge of the glued wall 1.

Сборку составной дощатоклееной балки производят следующим образом. Первоначально в дощатоклееной деревянной стенке вдоль верхней грани выполняют дисковой фрезой глухие пазы 6 дугообразного очертания. Схема размещения пазов 6 может быть разнообразной (фиг. 4 и 5) и зависит от величины сдвигающего усилия между стенкой 1 и плитой 2. Глубина пазов 6 не превышает 5-7 диаметров сдвиговоспринимающего элемента 3. Затем осуществляются крепление временной опалубки по боковому и торцевому периметру верхней грани дощатоклееной стенки 1 и установка сдвиговоспринимающих элементов 3 в глухие пазы 6. После расстановки сдвиговоспринимающих элементов 3 в проектное положение осуществляется заливка в опалубку предварительно подготовленной полимербетонной смеси. Assembling a composite board glued beams is as follows. Initially, deaf grooves 6 of an arcuate shape are performed with a disk milling cutter along a wooden wall along the upper edge. The layout of the grooves 6 can be varied (Figs. 4 and 5) and depends on the magnitude of the shear force between the wall 1 and the plate 2. The depth of the grooves 6 does not exceed 5-7 diameters of the shear-receiving element 3. Then, the temporary formwork is fastened along the side and end perimeters the upper face of the glued wall 1 and the installation of shear-sensing elements 3 in the blind grooves 6. After the shear-sensing elements 3 are placed in the design position, the previously prepared polymer concrete is poured into the formwork Mesi.

Полимербетонная смесь заполняет полость опалубки, образуя прослойку 4 толщиной, равную 0.8 - 1.5 диаметра сдвиговоспринимающего элемента 3, а также глухие пазы 6 с установленными сдвиговоспринимающими элементами 3, образуя шпонки 5 дугообразного очертания. После полимеризации полимербетона временная опалубка снимается и дощатоклееная деревянная стенка 1 со сдвиговоспринимающими элементами 3 готова к объединению с железобетонной плитой 2. Вариантов объединения деревянной дощатоклееной стенки 1 с железобетонной плитой 2 может быть несколько в зависимости от функционального назначения составной конструкции и комбинаций взаимосвязи плиты 2 со сдвиговоспринимающими элементами 3. Железобетонная плита может быть выполнена, например, в монолитном варианте, как в мостостроении, когда пролетное строение формируется непосредственно на строительной площадке и бетон заливается в предварительно выставленную опалубку с арматурным каркасом между дощатоклееными деревянными стенками 1 со сдвиговоспринимающими элементами 3. После набора прочности бетона и распалубки составная деревобетонная пространственная конструкция готова к эксплуатации. Конструктивное решение составной деревобетонной балки направлено на эффективное использование прочностных свойств материалов. Разумное использование прочностных свойств составляющих материалов может быть достигнуто в случае, когда нейтральная ось сечения расположена в плоскости сопряжения железобетонной плиты 2 и дощатоклееной деревянной стенки 1. Это достигается благодаря объединению плиты и стенки с помощью связующих элементов 3. Но этого недостаточно, так как нейтральная ось проходит на уровне сечения дощатоклееной деревянной стенки 1, имеющей такое уязвимое свойство древесины, как скалывание вдоль волокон. Варьировать положением нейтральной оси можно путем увеличения толщины плиты, но это является не эффективным, так как толщина железобетонной плиты должна быть в пределах 10-12 см, тем более, что бетон практически не работает на растяжение. Выполнение полимербетонной прослойки 4 позволяет варьировать положением нейтральной оси на требуемом уровне высоты составного сечения, тем самым обеспечив эффективное использование прочности составляющих материалов. The polymer concrete mixture fills the cavity of the formwork, forming a layer 4 with a thickness equal to 0.8 - 1.5 of the diameter of the shears of the pickup element 3, as well as blind grooves 6 with installed shear pickup elements 3, forming dowels 5 of an arcuate shape. After polymerization of the polymer concrete, the temporary formwork is removed and the glued wooden wall 1 with shear-receiving elements 3 is ready for combination with reinforced concrete slab 2. There may be several options for combining the wooden glued wall 1 with reinforced concrete slab 2 depending on the functional purpose of the composite structure and combinations of the relationship between the slab 2 and shear-accepting elements 3. Reinforced concrete slab can be made, for example, in a monolithic version, as in bridge building, when the span the structure is formed directly at the construction site and concrete is poured into the previously exposed formwork with a reinforcing cage between the glued wooden walls 1 with shear-receiving elements 3. After the concrete strength and formwork are set, the composite wood-concrete spatial structure is ready for operation. The constructive solution of a composite wood-concrete beam is aimed at the effective use of the strength properties of materials. Reasonable use of the strength properties of the constituent materials can be achieved when the neutral axis of the cross section is located in the mating plane of the reinforced concrete slab 2 and the glued wooden wall 1. This is achieved by combining the slab and the wall using binding elements 3. But this is not enough, since the neutral axis passes at the level of the cross section of the glued wooden wall 1, which has such a vulnerable property of wood as spalling along the fibers. It is possible to vary the position of the neutral axis by increasing the thickness of the slab, but this is not effective, since the thickness of the reinforced concrete slab should be in the range of 10-12 cm, especially since the concrete practically does not work in tension. The implementation of the polymer concrete layer 4 allows you to vary the position of the neutral axis at the desired level of the height of the composite section, thereby ensuring the effective use of the strength of constituent materials.

Составная деревобетонная балка работает следующим образом. После изготовления балки ее несущая способность оценивается равенством момента внешних сил моменту внутренних сил относительно центров тяжести линейных эпюр растянутой и сжатой зон взаимно уравновешиваемых относительно нейтральной оси. Для увеличения несущей способности составной деревобетонной балки из условия эффективного использования прочностных свойств составляющих материалов необходимо, чтобы нейтральная ось проходила на уровне сечения не по древесине, а по другому высокомодульному материалу, обладающему достаточно высоким пределом прочности на растяжение и скалывание. Этому требованию хорошо удовлетворяет полимербетон [3] . Использование полимербетонной прослойки 4 в плоскости максимального сдвига железобетонной плиты 2 и деревянной стенки 1 позволяет не только варьировать положением нейтральной оси (фиг. 6), но и достигнуть поставленной цели конструктивного решения. При действии внешней нагрузки на составную деревобетонную балку образуется сдвигающее внутреннее усилие между плитой 2 и стенкой 1 относительно нейтральной оси, которое воспринимается связями 3 в виде, например, петлевых выпусков, полимербетонной прослойкой 4 и глухими шпонками 5. Выполнение полимербетонной прослойки 4 позволило практически устранить деформативность связей 3 и их податливость сдвигу в продольном направлении и повысить прочность на отрыв в поперечном направлении балки благодаря высокой прочности на сжатие и смятие самой прослойки и жесткой ее взаимосвязи с глухими полимербетонными шпонками 5 и деревянной стенкой 1. Composite wood beam works as follows. After the beam is manufactured, its bearing capacity is estimated by the equality of the moment of external forces to the moment of internal forces relative to the centers of gravity of the linear diagrams of the stretched and compressed zones mutually balanced relative to the neutral axis. To increase the bearing capacity of a composite wood-concrete beam from the condition of effective use of the strength properties of the constituent materials, it is necessary that the neutral axis pass at the cross-section level not through wood, but through another high-modulus material having a sufficiently high tensile and shear strength. This requirement is well met by polymer concrete [3]. The use of polymer concrete layer 4 in the plane of maximum shear of reinforced concrete slab 2 and wooden wall 1 allows not only to vary the position of the neutral axis (Fig. 6), but also to achieve the goal of a constructive solution. Under the action of an external load on a composite wood-concrete beam, a shear internal force is generated between the slab 2 and the wall 1 with respect to the neutral axis, which is perceived by the bonds 3 in the form, for example, of loop outlets, the polymer-concrete layer 4 and blind dowels 5. The implementation of the polymer-concrete layer 4 almost eliminated deformability bonds 3 and their ductility to shear in the longitudinal direction and to increase the tensile strength in the transverse direction of the beam due to the high compressive and crushing strength of interlayer and its rigid relationship with deaf polymer concrete keys 5 and a wooden wall 1.

Изобретение позволяет повысить несущую способность составной деревобетонной балки благодаря увеличению жесткости соединения железобетонной плиты и дощатоклееной деревянной стенки. Выполнение полимербетонной прослойки во взаимосвязи с глухими шпонками и связующими элементами позволяет варьировать положением нейтральной оси сечения составной балки и тем самым эффективно использовать прочностные свойства бетона и древесины, обеспечивает защиту древесины от свойств гигроскопичности железобетонной плиты, увеличивает сопротивление скалыванию от сдвигающих усилий и предотвращает отрыв плиты от стенки при подвижной знакопеременной нагрузке. Изобретение может быть использовано в сталебетонных мостовых пролетных строениях в качестве демпфирующего эффекта при температурных деформациях. The invention improves the bearing capacity of a composite wood-concrete beam due to an increase in the rigidity of the connection of the reinforced concrete slab and the glued wooden wall. The implementation of the polymer concrete layer in conjunction with blind dowels and binders allows you to vary the neutral axis position of the cross section of the composite beam and thereby effectively use the strength properties of concrete and wood, protects the wood from the hygroscopic properties of reinforced concrete slabs, increases shear resistance from shear forces and prevents the plate from tearing off walls with a moving alternating load. The invention can be used in steel concrete bridge spans as a damping effect during temperature deformations.

Источники информации
1. Кулиш В. И. Клееные деревянные мосты с железобетонной плитой. - М.: Транспорт, 1979, с. 43-50.Sources of information
1. Kulish V. I. Glued wooden bridges with reinforced concrete slab. - M .: Transport, 1979, p. 43-50.

2. Стуков В.П. Мосты с балками комбинированного сечения из клееной древесины и железобетона. - Архангельск, 1997, с. 23-31. 2. Stukov V.P. Bridges with beams of combined section of glued wood and reinforced concrete. - Arkhangelsk, 1997, p. 23-31.

3. Патент РФ N 2135425 С 04 В 26/04. Полимербетонная смесь. - Бюл. N 24 от 27.08.99. 3. RF patent N 2135425 C 04 V 26/04. Polymer concrete mix. - Bull. N 24 from 08/27/99.

Claims (1)

Составная деревобетонная балка, включающая стенку из дерева и верхнюю железобетонную плиту, объединенную со стенкой посредством сдвиговоспринимающих устройств в виде установленных в пазах верхней грани стенки соединительных элементов, отличающаяся тем, что она снабжена полимербетонной прослойкой, жестко связанной с верхней гранью стенки из дерева и заполняющей пазы соединительных элементов, выполненных глухими, дугообразного очертания и дискретно расположенных друг относительно друга. A composite wood-concrete beam, including a wall made of wood and an upper reinforced concrete slab, combined with the wall by means of shear-receiving devices in the form of connecting elements installed in the grooves of the upper face of the wall, characterized in that it is provided with a polymer-concrete layer rigidly connected to the upper face of the wooden wall and the filling groove connecting elements made deaf, arched in shape and discretely located relative to each other.

Images