Файл: Несущая способность и деформативность соединений деревянных конструкций композиционным материалом на основе эпоксидной матрицы и стеклоткани.zip
Добавлен: 21.04.2026
Просмотров: 26
Скачиваний: 0
Автореферат
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Специальность 05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения
Несущая способность и деформативность соединений деревянных конструкций композиционным материалом на основе эпоксидной матрицы и стеклоткани
Линьков Николай Владимирович
Москва 2010
Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Московском государственном строительном университете
Научный руководитель: кандидат технических наук, профессор Филимонов Эдуард Владимирович
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор Серов Евгений Николаевич
кандидат технических наук, доцент Макаров Геннадий Прокопьевич
Ведущая организация: Центральный научно-исследовательский институт строительных конструкций им. В.А. Кучеренко ОАО НИЦ «Строительство»
Ученый секретарь диссертационного совета Каган П.Б.
1. Общая характеристика работы
деформационный клеевой соединение
Актуальность работы. В современной промышленности строительство является основным потребителем деловой древесины, запасы которой уменьшаются при интенсивном росте лесозаготовок. Для сбережения лесных ресурсов следует рационально использовать древесину при изготовлении новых деревянных конструкций, а так же восстанавливать ограниченно работоспособные деревянные элементы в составе существующих зданий и сооружений. Этому способствует применение эффективных соединений деревянных конструкций, создаваемых на основе современных композиционных полимерных материалов (КМ-соединений), задаваемые физико-механические свойства которых наилучшим образом соответствуют свойствам естественного анизотропного полимера - конструкционной древесины.
Цель работы - исследования соединений элементов деревянных конструкций композиционным материалом на основе эпоксидной матрицы и стеклоткани и разработка рекомендаций по расчету КМ-соединений. Необходимо решить следующие задачи:
Определить прочностные и деформационные характеристики композиционного материала на основные виды напряженного состояния - растяжение, сжатие, изгиб и скалывание - характерные для работы КМ-соединений в деревянных конструкциях;
Определить экспериментальными и численными методами на образцах несущую способность и деформативность соединений «КМ-обклейка» и «КМ-вкладыш» при сопротивлении сдвигу;
Определить несущую способность деревянных конструкций составного сечения на соединениях «КМ-обклейка» и «КМ-вкладыш» по предельным состояниям 1-й и 2-й группы, с учетом податливости КМ-соединений при действии кратковременных и длительных нагрузок;
Разработать методику расчета КМ-соединений деревянных элементов.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- проведена оценка характера набора прочности во времени, определены прочностные и деформационные характеристики композиционного материала на основе эпоксидной матрицы и стеклоткани;
- экспериментальными и численными методами определено напряженно-деформированное состояние образцов КМ-соединений;
- по результатам экспериментально-теоретических исследований определена несущая способность деревянных изгибаемых элементов составного сечения на КМ-соединениях при кратковременных и длительно действующих нагрузках.
Практическая значимость работы заключается в разработке конструктивных решений КМ-соединений для применения в деревянных конструкциях, в определении прочностных и деформационных характеристик КМ-соединений, в написании рекомендаций по расчету КМ-соединений для проектирования и усиления деревянных конструкций.
Достоверность результатов работы подтверждается согласованностью результатов численных исследований и экспериментальных данных при испытании образцов соединений и при испытании балок составного сечения в виде моделей и конструкций натурных размеров.
Автор выносит на защиту:
результаты экспериментального изучения и определения по теории составных стержней А.Р. Ржаницына напряженно-деформированного состояния соединений деревянных элементов композиционным материалом на основе эпоксидной матрицы и стеклоткани для двух типов конструктивных решений соединений на образцах, на балках-моделях и на балках натурных размеров составного сечения, в т.ч.:
результаты определения несущей способности соединений «КМ-обклейка» при различных конструктивных решениях соединений и выбор наиболее эффективного типа соединения «КМ-обклейка» для применения в конструкциях из дерева и пластмасс;
результаты изучения численными методами напряженно-деформированного состояния соединений «КМ-обклейка» при различных толщинах композиционного материала;
результаты экспериментального исследования несущей способности и деформативности соединения «КМ-вкладыш»;
результаты оценки влияния податливости КМ-соединений на несущую способность деревянных балок составного сечения по 1-й и 2-й группам предельных состояний при кратковременных и длительно действующих нагрузках;
рекомендации по расчету КМ-соединений для проектирования и усиления деревянных конструкций.
Результаты исследований внедрены:
- ГУП «Моспроект-3» при разработке проекта и выполнении реставрационных работ на памятнике архитектуры по адресу: г. Москва, 4-й Сыромятнический пер., д.1 для усиления и сохранения подлинных деревянных конструкций постройки 1-й четверти XIX-го века;
- при разработке проекта и выполнении реконструкции покрытия над зданием ФГУК «Российская историческая библиотека» по адресу: г. Москва, Старосадский пер., д. 9, стр. 1 для усиления деревянных стропильных конструкций постройки 30-х годов XX-го века;
- институтом ОАО «СахаПроект» при разработке проекта реставрации деревянных конструкций объекта исторического наследия «Дом Громова» по адресу: Республика Саха (Якутия), пос. Витим, ул. Ленина, д. 8 и д. 10;
- строительным концерном «КРОСТ» при разработке проекта реконструкции здания по адресу: г. Москва, Походный проезд, д. 8 для несущих продольных ребер каркаса клеефанерных плит покрытия пролетом 6 м в виде деревянных балок составного сечения.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались:
- на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ИСА МГСУ, Москва (2008 г., 2010 г.);
- на VI Международной научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов Донбасской НАСА, Макеевка, 2007 г.;
- на международных межвузовских научно-практических конференциях молодых ученых, докторантов и аспирантов «Строительство - формирование среды жизнедеятельности», Москва (2007 г., 2008 г., 2009 г., 2010 г.);
- на Международном симпозиуме «Современные металлические и деревянные конструкции. Нормирование, проектирование и строительство», Брест, 2009.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из 2-х томов. Том 1 включает введение, шесть глав, основные выводы и приложение 1. Объем тома 1 диссертации: 186 страниц текста, в т.ч. 65 рисунков, 30 таблиц и список литературы из 133 наименований. Том 2 включает Приложения 2ч5. Объем тома 2 диссертации: 59 страниц текста, в т.ч. 33 рисунка и 20 таблиц.
2. Краткое содержание работы
Во введении обосновываются актуальность и направленность работы, определяется цель и устанавливаются задачи исследований.
В первой главе дается краткий обзор состояния исследований соединений деревянных конструкций на механических связях, соединений с применением клея и композиционных материалов. Исследования проводили Ю.М. Иванов, В.Н. Быковский, Ю.В. Слицкоухов, В.М. Хрулев, А.М. Иванов, Л.М. Ковальчук, И.Г. Овчинникова, Е.И. Светозарова, Е.Н. Серов, Э.В. Филимонов, С.Б. Турковский, А.А. Погорельцев, А.С. Фрейдин, К.Т. Вуба, В.Ю. Щуко, В.Д. Попов, С.В. Колпаков, П.А. Дмитриев, В.С. Шейнкман, Ж.Н. Оспанова, Е.И. Лукьянов и др. Рассмотрены методы усиления строительных конструкций полимерными растворами и композиционными материалами - работы И.М. Гуськова, В.Г. Микульского, В.В. Козлова, А.А. Шилина, В.А. Пшеничного и др.
На основании анализа опыта применения клеевых соединений и композиционных материалов (КМ) в строительных конструкциях предложены два вида соединений деревянных элементов композиционным материалом на основе эпоксидной матрицы и стеклоткани (рис. 1) - «КМ-обклейка» в виде внешней обклейки соединяемых деревянных элементов и «КМ-вкладыш» в виде адгезионной прокладки между смежными плоскостями соединяемых деревянных элементов.
Область применения соединений: деревянные элементы составного сечения, усиление существующих деревянных конструкций. Определены соотношения основных компонентов композиционного материала: матрица на основе эпоксидной смолы ЭД-20 (ГОСТ 10587-84*), отверждение которой происходит при добавлении отвердителя ПЭПА (полиэтилен-полиамин) в пропорции смола-отвердитель 100:15; армирующий наполнитель стеклоткань Т-13 (ГОСТ 19170-2001). КМ формируют на деревянной конструкции послойной выкладкой стеклоткани, пропитанной полимерным составом. Адгезионная связь КМ с деревянными элементами создается в процессе отверждения матрицы одновременно с формированием композиционного материала.
Во второй главе представлена методика проведения испытаний образцов соединений деревянных элементов «КМ-обклейка» и «КМ-вкладыш», моделей балок составного сечения с соединениями «КМ-вкладыш» и «КМ-обклейка», балок натурных размеров составного сечения с соединениями «КМ-вкладыш» кратковременной и длительно действующей нагрузками (рис.2). Исследования и оценку несущей способности соединений и конструкций проводили в соответствии с Рекомендациями ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко по испытанию соединений деревянных элементов и деревянных конструкций. При обработке результатов испытаний вычисляли деформации (для конструкций - прогибы) полные Dп и разность полных дDп, по графикам «Нагрузка N-деформация дDп» определяли верхнюю границу области упругой работы образцов соединений (конструкций) и соответствующее усилие NI-II. По величине усилий NI-II и разрушающей нагрузки Nt, требуемых коэффициентов надежности КХР=1,64*(1,94-0,116*lg t), где t- время, приведенное к неизменному действию усилия Nt на образец, для конструкций - коэффициентов безопасности Кпл = 1,25*(1,88-0,106 lg t), оценивали несущую способность составных элементов и соединений «КМ-вкладыш» Nt /Nп ?КХР , NI-II / Nп ? 1.3, и определяли несущую способность составных элементов и соединений «КМ-обклейка» Nп ? Nt / КХР , Nп ? N I-II /1,3.
Определены прочностные и упругие характеристики КМ при сжатии, растяжении, изгибе и скалывании, проведена оценка характера набора во времени прочности композиционным материалом при сжатии, изгибе и скалывании: прочностные характеристики, сопоставимые по величине с соответствующими нормативными сопротивлениями древесины сосны 2-го сорта, достигнуты композиционным материалом через 44-100 часов после начала отверждения, прочность КМ стабилизировались через 60 суток после начала холодного отверждения эпоксидной матрицы. При этом временные сопротивления КМ сжатию, растяжению, изгибу и скалыванию составили Rвр СЖ = 78,4 МПа, Rвр Р =181,4 МПа, RврИ =178,9 МПа, Rвр СК =14,85 МПа, модуль упругости Есж=12737 МПа, Ер=12785 МПа, Еи=12460 МПа. Нормативные RН кратковременные сопротивления КМ сжатию, растяжению, изгибу и скалыванию RНСЖ=63,8 МПа, RНР=145,3 МПа; RНИ=155,4 МПа; RНСК=11,65 МПа.
В третьей главе представлены результаты исследований экспериментальными и численными методами образцов соединений «КМ-обклейка» и «КМ-вкладыш». Проведен анализ и сравнительная оценка несущей способности шести различных типов соединения «КМ-обклейка»: тип 1 - сплошная «КМ-обклейка» в 1 слой композиционного материала при толщине КМ-обклейки tКМ1=0,45 мм; тип 2 - сплошная «КМ-обклейка» в 2 слоя композиционного материала при tКМ2=0,8 мм; тип 3 - сплошная «КМ-обклейка» в 3 слоя композиционного материала при tКМ3=1,2 мм; Тип 4 - комбинированная «КМ-обклейка» в 1 слой КМ с дополнительным размещением поперек каждого шва сплачивания по две полосы КМ шириной b=30мм с каждой стороны образца; Тип 5 - комбинированная «КМ-обклейка» в 1 слой КМ с дополнительным размещением под углом 40-450 к шву сплачивания по две полосы КМ шириной b=30мм с каждой стороны образца; Тип 6 - «КМ-обклейка» в 1 слой КМ, где в качестве связующего применили клеевой состав ЭПЦ-1. Были испытаны две серии образцов соединения «КМ-обклейка». В каждой серии на каждый тип соединения было испытано по 3 образца. Результаты испытаний двух серий образцов соединений «КМ-обклейка» представлены в таблице 1, графики деформаций и напряжений 2-й серии образцов - на рис. 3.
Установлено, что все рассмотренные типы соединений «КМ-обклейка» обладают достаточной несущей способностью для применения в несущих деревянных конструкциях. По методике ЦНИИСК на основании коэффициентов надежности требуемых, которые составили КХР=3.01ч3.06, были определены для каждого рассмотренного типа соединения «КМ-обклейка» величины расчетной несущей способности образцов соединений Nп ? Nt / КХР, а так же сопротивление соединений «КМ-обклейка» сдвигу: как погонную несущую способность соединения на 1 см длины шва TКМ=Nп/(nСР*LШВА), и как сопротивление соединения сдвигающему усилию RКМ=Nп/[nСР *(LШВА*tКМ)], где nср = 4 - количество срезов КМ в образце, Lшва =15 см - длина шва в образце; tКМ - толщина композиционного материала в соединении.
Из рассмотренных типов соединений «КМ-обклейка» наибольшими прочностными характеристиками обладают соединения тип 1, тип 2 и тип 3 с обклейкой в 1, 2 и 3 слоя КМ соответственно. На второй серии образцов исследовали напряженное состояние КМ-обклейки на соединениях тип 1, тип 2 и тип 3. Установлены характер распределения и величина напряжений в продольном у1 и в поперечном у2 направлениях КМ-обклейки при толщине композиционного материала в 1, 2 и 3 слоя. Средние значения напряжений на уровне расчетной несущей способности Nп образцов соединений составили: у1=(-5.5)ч(-8.0) МПа, у2=1.8ч4 МПа; при этом максимальные значения напряжений у1 составили 25.4ч34.8%, напряжений у2 - 4,2ч7,8% от нормативных сопротивлений КМ. Установлено рекомендуемое соотношение между шириной обклеиваемых поверхностей bОБКЛ деревянных элементов и толщиной композиционного материала в КМ-обклейке tКМ = 1 /40 bОБКЛ.