Details

Актуальность работы обусловлена тем, что соединения конструкций из ДПК фактически обладают конечной жёсткостью, однако в расчётной практике часто моделируются как абсолютно жёсткие или шарнирные. Такая идеализация может приводить к искажению расчётных перемещений, прогибов и динамического отклика здания. В ходе исследования решались следующие задачи: анализ существующих способов соединения конструкций из ДПК и подходов к их расчёту; разработка численной модели типового узла соединения с нелинейной жёсткостью контактной поверхности; проведение натурных испытаний для калибровки численной модели; определение линейных и угловых жёсткостей соединения; выполнение сравнительного анализа механической работы каркаса при моделировании соединений как абсолютно жёстких и как обладающих конечной жёсткостью; формирование критериев необходимости учёта податливости соединений в расчётной схеме. Для моделирования локальной работы соединения использовался программный комплекс Ansys Mechanical. Нелинейная работа контактной поверхности «сталь–древесина» описывалась с применением модели когезионной зоны CZM. Параметры модели уточнялись по результатам натурных испытаний по выдергиванию стального крепёжного элемента из образца ДПК. На основе откалиброванной численной модели были определены жёсткости узлов соединения, после чего они были приведены к погонным значениям и пересчитаны в параметры упругих связей КЭ55 для использования в глобальной расчётной модели SCAD. Апробация методики выполнена на серии пространственных расчётных схем здания со стеновой конструктивной схемой. Были созданы модели с абсолютно жёсткими узлами и модели с узлами конечной жёсткости. В расчётных схемах варьировались этажность здания, толщина стяжки перекрытия и величина ветрового воздействия. Сравнение выполнялось по вертикальным прогибам перекрытий и перемещениям и ускорениям от совместного действия статической и динамической составляющих ветровой нагрузки. По результатам исследования установлено, что учёт податливости соединений оказывает существенное влияние на деформативность зданий из ДПК. Наиболее чувствительными показателями являются прогибы перекрытий, горизонтальные перемещения покрытия и ускорения от ветрового воздействия с динамической составляющей. Для ряда расчётных схем прирост прогибов перекрытий превысил 100 %, а прирост горизонтальных перемещений от совместного действия статической и динамической составляющих ветровой нагрузки достигал 60 % и более. Полученные результаты показывают, что замена реальных полужёстких соединений абсолютно жёсткими узлами может приводить к занижению расчётной деформативности здания. В результате работы разработана методика перехода от локального нелинейного моделирования узла соединения к глобальной расчётной модели здания с упругими связями конечной жёсткости. Сформулированы критерии, позволяющие оценить необходимость учёта податливости соединений при расчёте зданий из перекрёстноклеёной древесины.

The relevance of this work stems from the fact that joints in CLT structures actually possess finite stiffness, yet in design practice they are often modeled as either perfectly rigid or hinged. Such idealization can lead to distortions in the calculated displacements, deflections, tilts, and dynamic response of the building. The following tasks were addressed during the research: analysis of existing methods for joining cross-laminated timber structures and approaches to their design; development of a numerical model of a typical joint with nonlinear stiffness of the contact surface; conducting field tests to calibrate the numerical model; determining the linear and angular stiffnesses of the connection; performing a comparative analysis of the mechanical behavior of the frame when modeling connections as either absolutely rigid or possessing finite stiffness; and establishing criteria for the necessity of accounting for connection compliance in the calculation scheme. The Ansys Mechanical software package was used to simulate the local behavior of the joint. The nonlinear behavior of the “steel–wood” contact surface was described using the Cohesive Zone Model (CZM). The model parameters were refined based on the results of field tests involving the pulling out of a steel fastener from a DPK specimen. Based on the calibrated numerical model, the stiffnesses of the joint nodes were determined, after which they were converted to linear values and recalculated into elastic connection parameters KE55 for use in the global SCAD computational model. The methodology was validated on a series of spatial computational models of a building with a wall-bearing structural system. Models with perfectly rigid joints and models with joints of finite stiffness were created. In the computational models, the number of stories, the thickness of the floor slab, and the magnitude of wind loads were varied. The comparison was performed based on the vertical deflections of the floor slabs, building tilts, horizontal displacements of the roof due to static wind, as well as displacements and accelerations resulting from the combined action of the static and dynamic components of the wind load. The study found that accounting for joint flexibility has a significant impact on the deformability of buildings made of reinforced concrete. The most sensitive indicators are floor deflections, horizontal roof displacements, and accelerations due to wind loads with a dynamic component. For a number of calculation schemes, the increase in floor deflections exceeded 100%, and the increase in horizontal displacements resulting from the combined action of the static and dynamic components of wind loads reached 60% or more. The results obtained show that replacing real semi-rigid connections with fully rigid joints can lead to an underestimation of the building’s design deformability. As a result of this work, a methodology was developed for transitioning from local nonlinear modeling of a connection node to a global structural model of the building with elastic connections of finite stiffness. Criteria were formulated to assess the need to account for connection flexibility when designing cross-laminated timber buildings.