مفهومی جدید برای اتصالات ستون به ستون برای ساختمان های چوبی

خلاصه

یک مفهوم اتصال جدید برای انتقال بار عمودی بین ستون‌های چوب چند لایه (GLT) در ساختمان‌های چوبی چند طبقه ایجاد شده است. اجزای اصلی اتصال، دو درج پله‌ای هرمی شکل ساخته شده از الوار روکش لمینت شده با چسب بلوک (LVL) هستند که به طور متضاد به حفره‌های مربوط به GLT‌های مفصلی متصل می‌شوند. انتقال بار بین ستون‌های جفت‌گیری متکی به یک پین LVL میانی است که در حفره‌های هرمی قرار می‌گیرد. راش LVL برای هر دو، درج و پین، به دلیل مقاومت فشاری مشخصه 2.2 برابر بالاتر در مقایسه با چوب نرم با استحکام بالا GLT (GL32h) انتخاب شد. تناسب فرم اجزای پلکانی که به هم چسبیده اند متکی بر فرز رباتیک با دقت بالا و دو جزئی پرکننده شکاف است.چسب پلی اورتان . ساخت و عملکرد مکانیکی اتصال مقیاس پذیر با نمونه های با اندازه کامل مورد بررسی قرار گرفت و تا 90 درصد از ظرفیت فشاری مشخصه GLT 1040 کیلونیوتن برای مقطع 180 میلی متر $Unknown node type: font$ 180 میلی متر. یک مدل پارامتری بر اساس روش اجزای محدود (FEM) تطابق خوبی با توزیع‌های کرنش تجربی نشان داد و زاویه انتشار تنش 35 درجه را برای بار عمودی متمرکز برای یک رویکرد طراحی تحلیلی ارائه کرد. مکان و بزرگی تنش‌های کششی عمود بر دانه‌ای که باعث شکست شکاف می‌شود توسط FEM شناسایی شد. تقویت با پیچ های خودکار افزایش قابل توجه ظرفیت بار را ثابت کرد. میانگین ظرفیت بار فشاری محوری تجربی 19 درصد از پیش‌بینی تحلیلی فراتر رفت. اولین تحقیقات در مورد سختی چرخشی مقدار 240 کیلو نیوتن متر بر راد ارائه شد. استفاده از ستون به دلیل دال‌های کف با پشتیبانی مستقیم اضافی منحصرا توسط FEM ارزیابی شد. نتایج محاسبات کاهش قابل‌توجهی از تنش‌های کششی عمود بر دانه را پیش‌بینی می‌کند تا آزمایشی تأیید شود.

معرفی

ساخت ساختمان های بلند بر اساس محصولات مهندسی چوب مدرن در دهه گذشته با تعداد پروژه های جدید به طور پیوسته در سراسر جهان در حال افزایش بوده است (به عنوان مثال [1]، [2] را ببینید). این توسعه توسط عوامل مختلف تعاملی، مرتبط با جنبه های مکانیکی، محیطی، معماری و اجتماعی تقویت شده است. الوار با داشتن استحکام فوق العاده در مقابل وزن و همچنین خواص ماشینکاری عالی، درجه بالایی از پیش ساخته را برای مونتاژ سریع در محل امکان پذیر می کند، که کاملاً با نیازهای ساختمان های چند طبقه مطابقت دارد. علاوه بر این، تمایل فزاینده برای حمل و نقل به بیشتر ${Unknown node type: font}_{Unknown node type: font}$ -تکنولوژی های ساختمانی خنثی منجر به افزایش علاقه به چوب شده است – یک امر طبیعی ${Unknown node type: font}_{Unknown node type: font}$ کانتینر – به عنوان یک گزینه مناسب برای ساختمان های بلند، که تا کنون تقریباً به طور انحصاری تحت سلطه بتن مسلح و فولاد بوده است.

این زمینه نسبتاً جدید ساختمان‌های چوبی چند طبقه بدون چالش نبوده است، که عمدتاً با نیاز به راه‌حل‌های اتصال سفارشی و کاربردی جدید برای اجزای مختلف نشان داده می‌شود. نمونه‌هایی از اتصالات مشکل‌دار به‌ویژه در سازه‌های نوع ستون-دال یافت می‌شوند، که معمولاً از ستون‌های چوب چند لایه چسب‌دار (GLT) و صفحات چوبی چند لایه (CLT) با سیستم مهاربندی جانبی اضافی تشکیل شده‌اند. در اینجا، وضعیت پشتیبانی نقطه ای منجر به الزامات بسیار سخت برای سیستم اتصال می شود. در چنین شرایطی دو مشکل اصلی ایجاد می‌شود: اول اینکه، وضعیت تکیه‌گاه ورق باعث ایجاد تنش‌های برشی و خمشی بالا در ناحیه مستقیم CLT اطراف ستون می‌شود. این مشکل برای صفحه CLT به دلیل مقاومت برشی غلتشی نسبتا کم آن ایجاد می کند. که تقریباً سه برابر کمتر از مقاومت برشی الوار موازی با الیاف است. ثانیاً، بار عمودی که از طبقات بالایی منشا می گیرد و توسط ستون بالایی حمل می شود باید به ستون پایینی که صفحه CLT را پشتیبانی می کند، منتقل شود. به دلیل مقاومت فشاری کم عمود بر دانه چوب، $f_{c, 90}$ ، ستون را نمی توان مستقیماً روی صفحه CLT نگه داشت و بنابراین نیروهای ستون معمولاً از طریق سوراخ در صفحه CLT منتقل می شوند (به عنوان مثال [2]، [3]). این امر وضعیت تنش را در CLT در ناحیه ستون بدتر می کند، زیرا غلظت تنش کششی در مجاورت سوراخ در سمت کشش خمشی ایجاد می شود [4]. راه حل هایی برای تقویت صفحات CLT تحت این شرایط بارگذاری اجرا شده یا در [3]، [4]، [5] ارائه شده است.

انتقال بارهای عمودی توسط Fast و همکاران مورد بررسی قرار گرفته است. [2] برای ستون ها در لبه های صفحه CLT و در [3] برای ستون هایی که در میدان داخلی صفحه CLT قرار دارند. راه حلی که در [2] توضیح داده شده و در ساختمان بلند براک کامانز اعمال شده است در شکل 1 (a) نشان داده شده است. این اتصال شامل یک استوانه فولادی است که در دو انتها به دو صفحه فولادی جوش داده شده است. صفحات فولادی در تماس مستقیم با نیروهای دانه انتهایی مخالف ستون های GLT هستند و با استفاده از میله های چسبانده شده ثابت می شوند. استوانه فولادی در بین آن بار عمودی را از ستون های بالا به پایین حمل می کند. شکل 1(b) اتصال تعریف شده در [3] را نشان می‌دهد، جایی که پیچ‌های ثابت شده به یک سری بازوهای فولادی به صورت شعاعی برای تقویت صفحه CLT با توجه به تنش‌های برشی نورد اضافه می‌شوند. مفهوم انتقال عمودی بارها در اصل معادل همان چیزی است که قبلا ذکر شد، یعنی یک استوانه فولادی برای انتقال نیرو از ستون بالایی بدون اعمال تنش های فشاری موضعی بالا عمود بر دانه در دال کف میانی (CLT) استفاده می شود. . در این حالت صفحات فولادی متصل به سیلندر به وسیله پیچ های خودگیر به ستون ها ثابت می شوند.

کارایی این راه حل ها با استفاده از کمپین های آزمایشی در اندازه کامل تأیید شده است، به عنوان مثال در [6]، که در آن دو مفهوم اضافی نیز مورد آزمایش قرار گرفتند. با این وجود، همانطور که در [6] ذکر شد، گنجاندن اتصال دهنده های فولادی خاص پرهزینه است و باید جایگزین هایی که به فولاد کمتری نیاز دارند، بررسی شوند.

این مقاله مفهوم جدیدی را برای اتصالات ستون به ستون ارائه می دهد که تقریباً منحصراً بر اساس اجزای چوب است. این امر با استفاده از خواص محصولات و گونه های مختلف چوبی مهندسی شده، همراه با امکانات پیشرفته ارائه شده توسط ساخت رباتیک، به دست می آید، که به عنوان مثال، ترکیب و چسباندن عناصر مختلف با تلورانس های سخت را امکان پذیر می کند. $≲$ 1 میلی متر)، هندسه های پیچیده را برای استفاده موثر از مواد و انتقال بارها امکان پذیر می کند. جنبه های کلی اتصال، از جمله هندسه و مواد، در بخش 2.1 ایجاد اتصال، 2.2 جزئیات پیکربندی های مورد مطالعه ارائه شده است. بخش 2.3 مدل های تحلیلی و عددی مورد استفاده را معرفی می کند، در حالی که کمپین آزمایشی در بخش 2.5 توضیح داده شده است. ساخت نمونه های اولیه در بخش 2.4 ارائه شده است. نتایج عددی و تجربی در بخش 3 ارائه شده است و پس از آن بحث در بخش 4 و در نهایت برخی از نکات پایانی در بخش 5 ارائه شده است.

قطعات بخش

ایجاد اتصال

اتصال تازه توسعه یافته شامل مجموعه ای از سه جزء چوبی مخصوص آسیاب شده است که در شکل 2 نشان داده شده است. بار وارد شده از ستون GLT بالایی ابتدا به یک درج راش پلکانی و هرمی شکل LVL منتقل می شود که به صورت منفی در یک مساوی تعبیه شده است. حفره هرمی شکل در ستون. سپس بار به یک عنصر پین چوب سخت با هندسه پلکانی مشابه منتقل می شود. از آنجا، بار از طریق همان LVL راش، اما معکوس، به ستون GLT پایین می رود.

نتایج عددی

مفهوم اتصال ارائه شده از عنصر درج راش-LVL با مقاومت بالا برای پخش تنش های فشاری ناشی از عنصر پین (مقطع مقطع کاهش یافته) به سطح مقطع کامل ستون GLT استفاده می کند. بنابراین، اثر بخشی عنصر درج در ادامه به تفصیل بر اساس نتایج FEM و تحلیلی مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته است. موضوع طراحی مربوط به شکاف در GLT به دلیل کشش عمود بر دانه پس از آن بررسی می شود.

در نظر گرفتن بار اضافی از صفحه کف پشتیبانی شده

تجزیه و تحلیل فوق فقط نیروهای عمودی منتقل شده از طریق عنصر پین را در نظر گرفت که مربوط به بار ناشی از طبقات بالا (در زمینه ساختمان های چند طبقه) است. واضح است که در عمل یک بار اضافی که از صفحه کف که مستقیماً توسط ستون پشتیبانی می شود باید در نظر گرفته شود. این جنبه مستلزم یک راستی‌آزمایی تجربی نسبتاً سخت است و در این مقاله به طور کامل به آن پرداخته نشده است. با این وجود، برخی از نظرات کلی باید در مورد ارائه شود

نتیجه گیری

یک مفهوم اتصال امیدوارکننده جدید برای انتقال بارهای عمودی بین ستون‌های چوبی مجاور محوری (GLT) معرفی شد. تحقیقات یک مبنای نتایج تحلیلی، عددی و تجربی مناسب برای درک ارتباط فراهم می‌کند که از آن می‌توان نتایج زیر را بیان کرد:

•
این اتصال امکان انتقال کارآمد بارهای عمودی را با امکان توزیع مجدد تنش های متمرکز با استفاده از درج LVL راش پلکانی هرمی می دهد.
•
مطابق با

بیانیه مشارکت نویسنده CRediT

کریستوبال تاپیا: مفهوم سازی، روش شناسی، نرم افزار، تجزیه و تحلیل رسمی، تحقیق، مدیریت داده ها، نوشتن – پیش نویس اصلی، تجسم. Simon Aicher: نوشتن – بررسی و ویرایش، جذب سرمایه، نظارت، منابع، مفهوم سازی.