сотрудник
сотрудник
аспирант
студент
ГРНТИ 67.11 Строительные конструкции
ББК 385 Строительные конструкции
В настоящее время в условиях глобализации, увеличения демографической численности планеты, исчерпания природных ресурсов при все возрастающем их потреблении, остро стоит вопрос о рациональном использовании природных ресурсов. На той территории, где формировалась Русь, основными строительными материалами были дерево и глина. Как известно, древесина является возобновляемым природным ресурсом, к тому же экологически чистым. Эксплуатационные качества древесины благодаря развитию современных технологий можно значительно усовершенствовать, расширить область их применения и повысить прочность. Применение деревянных конструкций становится все более технологичным и, таким образом, сфера их применения существенно возрастает. В деревянном малоэтажном строительстве с целью продления сроков эксплуатации, обеспечения более надежной работы конструктивных элементов, важной и актуальной задачей является применение материалов с применением наноклеевых композиций. В ходе проведенной работы получены новые результаты экспериментально-теоретических исследований, отражающие особенности работы деревокомпозитных конструкций с включением в клеевую композицию углеродных нанотрубок. Подтверждена возможность повышения прочностных и жесткостных характеристик деревокомпозитных балочных конструкций, что приводит к повышению эксплуатационной надежности конструкций. Разработаны на теоретическом уровне и подтверждены опытным путем количественные значения прочностных и деформационных характеристик деревокомпозитных балочных конструкций, с учетом ползучести и физической нелинейности. Для расчета усиленных элементов определены коэффициенты, которые необходимо вводить в общепринятые формулы определения краевых напряжений и прогибов.
деревоклееная композитная балка, стеклоткань на основе базальтового волокна, эпоксидная матрица, краевые напряжения и прогибы
Введение: Древесина как природный материал имеет широкий спектр свойств, которые дают возможность повсеместно использовать ее в разных отраслях жизнедеятельности человека: домостроении, деревообрабатывающей, энергетике, транспорте, и др. [1], [2]. Перед исследователями стоит ключевая техническая задача - увеличение эффективности применения древесины за счет использования конструкций и изделий с малой материалоемкостью и высокими эксплуатационными характеристиками.
В настоящее время целесообразно применять новые материалы и технические решения на основе наноклеевых композиций, которые дают возможность оптимально использовать древесину при производстве новых видов деревянных конструкций, при усилении сопряжений и узлов. Подобные решения способствуют повышению надежности деревянных конструкций при эксплуатации, помогают снизить расход древесины и создать конструкции с повышенными прочностными и жесткостными характеристиками и параметрами [3].
Методология: Наиболее эффективно исследовать напряженно-деформированное состояние строительных конструкций можно при проведении экспериментальных исследований с использованием следующих методов: метода муаровых полос, метода фотоупругости, метода голографической интерферометрии и метода тензометрии [4].
В отличие от метода тензометрии первые три метода позволяют получить из эксперимента общую картину деформирования элемента в наглядной форме. Необходимой детализации в отдельных областях элемента при исследовании напряжений и деформаций можно достигнуть с помощью соответствующей обработки области и привлечения уравнений теории упругости.
Метод тензометрии был выбран для проведения экспериментальных исследований композитных балок, так как он один дает количественную картину перемещений и напряжений, а не качественную, как остальные вышеперечисленные методы. Численные значения напряжений важны в данной работе для подтверждения теоретических исследований.
Метод конечных элементов (МКЭ) позволяет получить наглядное представление о распределении напряжений в теле конструктивного элемента. Лабораторная и экспериментальная база Владимирского государственного университета имеет в своем распоряжении необходимую аппаратуру для проведения тензометрических измерений. Большое количество испытаний проведено с применением тензометрической аппаратуры, этот метод является апробированным.
При планировании эксперимента определено требуемое количество образцов для установления статистических характеристик материала моделей, а также оптимальное число испытываемых конструкций. Исследования были проведены на четырех вариантах композитных балок, они основывались на вопросах теоретических расчетов прочности и деформативности композитных балок, применяемых в деревянном домостроении, опирались на результаты системного анализа современных деревоклееных конструкций, а также на вопросы теоретических расчетов прочности.
Основная часть. Работа по исследованию деревокомпозитных балок была разбита на два этапа. Задачей первого этапа было определение интегрального модуля упругости деревокомпозитной балки, который в отличии от расчетного модуля упругости учитывает пороки и неоднородность структуры древесины. По тождественным показателям на этом этапе была выполнена подборка заготовок балок. Балка, выполненная из цельной древесины, являлась эталонной, поэтому ее показатели сравнивались с исследуемыми балками (рис.1).
Рис. 1. Геометрические параметры и характеристики испытуемых балок
Рис. 2. Три стадии напряженно–деформированного состояния армированного деревянного элемента,
работающего на изгиб: а) условно – упругая; б) упруго – пластическая;
в) стадия разрушения
Связь между древесиной и предложенным усилением на всех трех стадиях нагружения не нарушается вплоть до момента разрушения, которое происходит из-за разрыва растянутых волокон древесины в зоне наибольших усилий или скалывания (раскалывания поперек волокон) древесины в приопорных зонах от действия главных растягивающих напряжений [6].
Таким образом, в основу расчета деревокомпозитных конструкций положена первая стадия напряженно-деформированного состояния. При этом считается, что связь между элементом усиления и древесиной непрерывна по длине конструкции и обеспечивает их полную совместную работу на весь срок эксплуатации. Рассмотрим стадии напряженно-деформированного состояния испытуемых балок.
1. Первая стадия – стадия условно-упругой работы (рис. 2, а), характеризуется значением деформаций, не превосходящим предельные значения упругих деформаций древесины и армирующего слоя. Для древесины – eд £ eупр; для армирующего слоя – eа £ eТ. После снятия нагрузки у армированных элементов на первой стадии остаточные деформации незначительны или вообще отсутствуют, что дает право их не учитывать. Так как при малых напряжениях несколько нарушается линейная взаимосвязь между напряжениями и деформациями древесины (особенно при сжатии) (рис. 3), разбирать первую стадию напряженно-деформированного состояния можно лишь как условно-упругую.
2. Вторая стадия – стадия упругопластической работы (рис. 2, б), характеризуется появлением пластических деформаций в сжатых волокнах древесины. Пластическая зона формируется в сжатой части сечения, при возрастании нагрузки она распространяется вглубь сечения. При этом нейтральная ось смещается в сторону растянутых волокон древесины, так как происходит перераспределение напряжений. Деформации растянутых волокон древесины увеличиваются до значения предела пропорциональности, а в армирующем слое достигают предела прочности. Работа элемента на этой стадии характеризуется появлением значительных остаточных деформаций.
%
Рис. 3. Приведенные диаграммы работы древесины (сосна) по Белянкину-Прагеру:
1 – растяжение, 2 – сжатие
3. Третья стадия – стадия разрушения (рис. 2, в), характеризуется значительным увеличением деформативности армированного элемента при малом увеличении нагрузки. Пластические деформации древесины и армирующего слоя достигают максимальных значений. Происходит разрушение элемента, характер которого зависит от вида армирования (усиления) нижней краевой зоны.
С помощью теории упругости анизотропного тела можно оценить напряженно-деформированное состояние армированного элемента на первой стадии работы. Для практических расчетов можно воспользоваться аппаратом сопротивления материалов для частного случая анизотропного тела – транстропного тела [7].
Производить оценку предельной несущей способности и напряженно-деформированного состояния на второй и третьей стадиях работы необходимо с учетом упругопластической работы материалов, составляющих композицию [8], [9], [10], [11].
С точки зрения проектирования прикладным является инженерный метод расчета деревянных конструкций по приведенным геометрическим характеристикам. Этот метод опираясь на действующие нормы проектирования деревянных конструкций с достаточной степенью точности позволяет оценивать их несущую способность и деформативность в упругой стадии работы.
При выполнении расчета определялась несущая способность и деформативность композитных балок, выполнялся подбор количества слоев стеклоткани в растянутой зоне [12].
На первичном этапе расчета были установлены приведенные геометрические характеристики сечения деревоклееной композитной балки, необходимые для расчета конструкции инженерным методом:
- площадь приведенного сечения:
(1)
- статический момент инерции:
(2)
- момент инерции:
(3)
- момент сопротивления соответственно для сжатой и растянутой зон:
(4)
(5),
где – площадь древесины;
– коэффициент армирования;
– площадь армирующего слоя;
– коэффициент приведения;
– толщина армирующего слоя;
– высота сечения;
– высота сжатой зоны сечения;
- положение центра тяжести сечения.
Расчет был произведен по известным формулам сопротивления материалов по двум группам предельных состояний [10].
Расчет по древесине на действие максимального изгибающего момента выполнен для сечений с наибольшими напряжениями, которые находятся в середине пролета балки.
Для шарнирно опертой балки на двух опорах при загружении ее точечной нагрузкой в середине пролета изгибающий момент определяется по следующей формуле:
(6)
Расчетное сопротивление древесины при растяжении с учетом усиления должно превышать максимальные нормальные напряжения в древесине растянутой зоны:
(7)
kyw – коэффициент «усиления», получаемый экспериментально [13].
Расчетное сопротивление древесины на сжатие должно превышать максимальные нормальные напряжения в сжатой зоне древесины:
(8)
Расчет на устойчивость плоской формы деформирования выполнен с учетом нормальных напряжений при действии максимального изгибающего момента, определяемых по формуле:
(9)
где
. (10)
Расчет по второй группе предельных состояний состоит в определении максимального вертикального перемещения и сравнении его с предельно допустимым.
На первоначальном этапе вычисляют прогиб балки постоянного сечения высотой h пролетом l без учета деформаций сдвига на действие равномерно распределенной нагрузки P;
(11)
Наибольший прогиб в середине пролета балки не должен превышать предельно допустимого прогиба:
(12)
где k=1 – коэффициент, учитывающий влияние переменности высоты сечения; – коэффициент, учитывающий влияние деформаций сдвига от поперечной силы; kуж - коэффициент «ужесточения», который определен экспериментально [14].
Усиление стеклотканью повышает несущую способность деревокомпозитных балок на 34…56 % и уменьшает деформативность на 24…42 % по сравнению с обычными деревянными балками. Усиление стеклотканью с применением наноклеевой композиции повышает их несущую способность на 25…27 % и уменьшает деформативность на 20…25 % по сравнению с балками без применения углеродных нанотрубок [15]. Результаты испытаний композитных балок пролетом 2,25 м представлены в табл. 1.
Таблица 1
Результаты испытаний композитных балок пролетом 2,25 м
|
Серии балок |
Сечение |
Нагрузка Р, кг |
Деформации e´10-4 |
Прогибы, мм
|
Разрушающая нагрузка, кг |
||
|
h, мм |
b, мм |
Древесина |
|||||
|
сжат |
раст |
||||||
|
БД-1 БД-2 БД-3 |
100,0 |
70,1 |
1040 |
19,63 |
21,62 |
7,47 |
1180 |
|
100,2 |
69,0 |
-”- |
19,60 |
21,75 |
7,52 |
1200 |
|
|
99,8 |
70,0 |
-”- |
19,57 |
21,72 |
7,45 |
1160 |
|
|
БК-1-1 БК-1-2 БК-1-3 |
101,1 |
60,8 |
1250 |
15,94 |
13,48 |
8,88 |
1750 |
|
100,8 |
70,0 |
-”- |
15,88 |
13,59 |
8,92 |
1830 |
|
|
101,0 |
70,3 |
-”- |
15,88 |
13,44 |
8,90 |
1820 |
|
|
БК-2-1 БК-2-2 БК-2-3 |
101,9 |
70,0 |
1400 |
20,48 |
14,54 |
9,09 |
2120 |
|
102,3 |
70,1 |
-”- |
20,48 |
14,46 |
9,22 |
2150 |
|
|
102,1 |
70,0 |
-”- |
20,53 |
14,50 |
9,25 |
2030 |
|
|
БКУНТ-1-1 БКУНТ-1-2 БКУНТ-1-3 |
101,2 |
69,7 |
1250 |
15,31 |
10,95 |
7,95 |
2400 |
|
101,0 |
69,9 |
-”- |
15,26 |
10,90 |
7,90 |
2420 |
|
|
101,2 |
69,9 |
-”- |
15,32 |
10,87 |
7,93 |
2400 |
|
|
БКУНТ-2-1 БКУНТ-2-2 БКУНТ-2-3 |
102,4 |
70,0 |
1400 |
20,50 |
11,00 |
8,0 |
2680 |
|
102,4 |
70,2 |
-”- |
20,53 |
10,98 |
7,98 |
2690 |
|
|
102,2 |
69,8 |
-”- |
20,44 |
11,02 |
8,02 |
2730 |
|
Маркировка балок:
- Серия БД – деревянные балки без армирования;
- Серия БК-1 – то же, с армированием растянутой зоны стеклотканью в 2 слоя, проклеенной эпоксидной смолой ЭД-20;
- Серия БК-2 – то же, с армированием растянутой зоны стеклотканью в 4 слоя, проклеенной эпоксидной смолой ЭД-20;
- Серия БКУНТ-1 – то же, с армированием растянутой зоны стеклотканью в 2 слоя, приклеенной эпоксидной смолой ЭД-20 с включением в ее состав углеродных нанотрубок концентрацией 0.3 %;
- Серия БКУНТ-2 – то же, с армированием растянутой зоны стеклотканью в 4 слоя, приклеенной эпоксидной смолой ЭД-20 с включением в ее состав углеродных нанотрубок концентрацией 0.3 %.
Выводы. В ходе проведения исследований быто установлено, что инженерный метод расчета рекомендуется применять для деревокомпозитных конструкций в упругой стадии работы древесины. Для расчета усиленных элементов в общепринятые формулы определения краевых напряжений и прогибов необходимо вводить коэффициенты «упрочнения» kyw=1,25…1,5 и коэффициенты «ужесточения» kуж=1,3…1,55, полученные экспериментальным путем [15].
1. Рощина С.И., Лукин М.В., Лисятников М.С., Сергеев М.С. Реконструкция покрытия над одноэтажной пристройкой льнопрядиль-ной фабрики в г. Вязники // Известия высших учебных заведений. Технология текстильной промышленности. 2017. № 4 (370). С. 226–230.
2. Рощина С.И., Лисятников М.С., Гриба-нов А.С., Лисятникова М.О., Стрекалкин А.А. Развитие области применения стеклокомпози-тов в деревянных конструкциях // БСТ: Бюл-летень строительной техники. 2017. № 5 (993). С. 50-51.
3. Рощина С.И., Лисятников М.С., Меле-хов В.И., Лабудин Б.В., Лукин М.В. Примене-ние высоких деревоклееных балок в покрытии зданий текстильных цехов // Известия высших учебных заведений. Технология текстильной промышленности. 2016. № 5 (365). С. 267–271.
4. Пат. 117474 Российская федерация, Деревянная балка. / Рощина С.И., Смирнов Е.А., Репин В.А., Лукин М.В.; заявитель и па-тентообладатель ВлГУ им. А.Г. и Н.Г. Столе-товых. № 2011151987/03, заявл. 19.12.11; опубл. 27.06.12, Бюл. № 18. 5 с.
5. Рощина С.И., Лисятников М.С., Гриба-нов А.С., Глебова Т.О. Расчет и усиление предельно-напряженных приопорных зон вы-соких деревоклееных балочных конструкций // Лесотехнический журнал. 2015. Т. 5. № 1 (17). С. 187–197.
6. Лисятников М.С. Совершенствование технологии изготовления деревоклееных кон-струкций с усилением приопорных зон // Ле-сотехнический журнал. 2015. Т. 5. № 2 (18). С. 137–148.
7. Roshchina S.I., Lukin M.V., Lukina A.V., Sergeyev M.S., Lisyatnikov M.S. Experi-mental research on pressed-bending reinforced timberwork // International Journal of Applied Engineering Research. 2015. Т. 10. № 24. С. 45307–45312.
8. Telichenko V.I., Rimshin V.I., Karelskii A.V., Labudin B.V., Kurbatov V.L. Strengthen-ing technology of timber trusses by patch plates with toothed-plate connectors // Journal of In-dustrial Pollution Control. 2017. Т. 33. № 1. С. 1034–1041.
9. Попов Е.В., Филиппов В.В., Лабудин Б.В. Влияние жесткости связей сдвига на напряженно-деформированное состояние де-ревянных ребристых плит перекрытий / Раз-витие Северо-Арктического региона: сб. ма-териалов конф. Научная конф. профессорско-преподавательского состава, научных со-трудников и аспирантов Северного (Арктиче-ского) федерального университета имени М.В. Ломоносова // Северный (Арктический) федеральный университет. (Архангельск, 10-14 апреля 2016 г.), Архангельск: Изд-во С(А)ФУ, 2016. С. 95–99.
10. Попов Е.В., Столыпин Д.А., Ла-будин Б.В., Мелехов В.И. Напряженно-деформированное состояние панелей на дере-вянном каркасе с различными вариантами крепления обшивки // Актуальные направле-ния научных исследований XXI века: теория и практика. 2016. Т. 4. № 5–2 (25-2). С. 133–139.
11. Карельский А.В., Журавлева Т.П., Лабудин Б.В., Мелехов В.И. Влияние трещин на напряженно-деформированное со-стояние клееных деревянных балок / Безопас-ность строительного фонда России. Пробле-мы и решения: сб. материалов конф. Между-нар. академические чтения // Курский госу-дарственный университет. (Курск 05-08 апре-ля 2015 г.), Курск: Изд-во КГУ, 2015. С. 153-158.
12. Рощина С.В., Лукин М.В., Ли-сятников М.С., Марков С.В., Синютин А.В., Голубко А.И. Совершенствование дерево-композитных балочных конструкций // Есте-ственные и технические науки. 2014. № 9-10 (77). С. 376–377.
13. Roshchina S.I., Lukin M.V., Shokhin P.B., Sergeev M.S., Lisyatnikov M.S. Allowance for creep in the study of the rein-forced wood-based constructions // Life Science Journal. 2014. Т. 11. № 9s. С. 192–195.
14. Рощина С.И., Сергеев М.С., Лу-кина А.В., Лисятников М.С. Исследование де-ревокомпозитных конструкций с применени-ем эпоксидных олигомеров модифицирован-ных углеродными нанотрубками // Научно-технический вестник Поволжья. 2013. № 2. С. 189–192.
15. Лукин М.В., Рощина С.И., Гри-банов А.С. Расчет деформативности компо-зитных балок на основе численных исследо-ваний в программном комплексе Lira 9.2 // Строительство и архитектура. 2014. Т. 2. № 1. С. 64–67.
