Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ состояния вопроса. Цель и задачи исследования 12
1.1 Основные понятия надежности строительных конструкций 12
1.2 Деревянные конструкции зданий и сооружений – характеристики и опыт эксплуатации 14
1.3 Деревянные конструкции в малоэтажном домостроении 20
1.3.1 Динамика развития малоэтажного строительства. Основные типы деревянных стеновых конструкций 20
1.3.2 Натурные исследования дефектов, снижающих фактический уровень качества деревянных зданий 24
1.3.3. Характерные особенности бревенчатых и брусчатых зданий 33
1.3.4 Осадка бревенчатых и брусчатых стен 37
1.4. Анализ действующей нормативно-технической документации, в которой установлены требования к качеству деревянных конструкций 41
1.5 Выводы. Цель и задачи исследования 47
2. Методики проведения исследований 49
2.1. Методика расчета вертикальных деформаций стеновой конструкции от эксплуатационных факторов 49
2.2.Методика экспериментального исследования вертикальных деформаций 53
2.2.1 Отбор и характеристики образцов для исследований 54
2.2.2 Краткое описание технологии производства клееного бруса на предприятии. 55
2.2.3. Основные сведения об измерительных приборах и испытательном оборудовании, схема расстановки датчиков 56
2.3 Методика исследования напряженно - деформированного состояния клееного бруса в соединении 58
2.4 Методика математико-статистической обработки результатов многофакторного эксперимента развития напряжений смятия в физической модели 59
3. Исследование вертикальных деформаций стеновой конструкции при эксплуатационных воздействиях 66
3.1 Аналитическое исследование величины деформации стеновых элементов при эксплуатационных воздействиях 66
3.1.1 Общие положения 66
3.1.2 Определение численных величин параметров, влияющих на деформации 69
3.1.3 Определение значений деформации от нагрузки для элементов из клееной древесины 72
3.1.4 Определение значений деформаций для элементов из цельной древесины высокой влажности 75
3.2. Экспериментальное исследование величины деформации стеновой конструкции от нагрузки 79
3.2.1 Этапы нагружения фрагмента конструкции 79
3.2.2 Получение экспериментальных данных 80
3.3. Выводы по результатам аналитических и экспериментальных исследований 86
4. Моделирование развития напряжений в соединении стеновой конструкции при эксплуатационных нагрузках 88
4.1. Построение физической модели фрагмента стеновой конструкции 88
4.2 Определение постоянных упругости древесины в трех направлениях 90
4.3 Построение физической модели с использованием метода конечных элементов 101
4.3.1. Исходные данные 101
4.3.2 Планирование многофакторного эксперимента 101
4.3.3 Результаты многофакторного эксперимента 103
4.4 Выводы по главе 107
5 Обоснование множественной связи между характеристиками клееного бруса и надежностью стеновой конструкции 109
5.1 Построение математической модели, связывающей параметры клееного стенового бруса и развитие напряжения смятия в соединениях 109
5.2 Обоснование повышения эксплуатационной надежности стеновой конструкции посредством совершенствования технологических характеристик клееного бруса 118
Заключение 120
Список литературы 122
Приложение 1 Числовые значения вертикальных деформаций 136
Приложение 2 Вывод итогов регрессионно-корреляционного анализа 143
- Натурные исследования дефектов, снижающих фактический уровень качества деревянных зданий
- Определение значений деформаций для элементов из цельной древесины высокой влажности
- Определение постоянных упругости древесины в трех направлениях
- Построение математической модели, связывающей параметры клееного стенового бруса и развитие напряжения смятия в соединениях
Натурные исследования дефектов, снижающих фактический уровень качества деревянных зданий
Как было описано выше, обеспечение качества строительных объектов, в данном случае стеновых конструкций деревянных зданий, включает в себя и производственную стадию изготовления строительных конструкций. Обеспечить необходимый уровень качества производства деревянных конструкций возможно только в том случае, когда для изготовления используется древесина после достаточно глубокой переработки.
При этом надо учитывать сложившуюся практику в отечественном строительстве, особенно малоэтажном, - использование пиломатериалов естественной влажности, что достаточно негативно сказывается на конечном результате - фактическом и эксплуатационном уровне качества деревянных зданий. Оценить фактическое качество возможно при натурном обследовании объектов, примеры подобных исследований представлены в [32, 47, 90, 95].
В течение 3-х лет проводились натурные исследования состояния строительных объектов, в которых использовались различные конструкционные пиломатериалы, деревянные конструкции. В результате был выявлен ряд дефектов, наиболее характерных для данного вида строительства, описание и анализ причин представлен ниже.
Дефекты деревянных конструктивных элементов носят следующий характер. Дефекты, которые выявляются в период монтажа деревянных конструкций. В этот период устранение дефектов в условиях строительной площадки бывает технически невозможно или экономически нецелесообразно, так как для обеспечения достаточного качества требуется ремонт в условиях завода изготовителя. Например, на рисунке 1.11 представлена строительная площадка № 1, где происходит возведение дома с ограждающими конструкциями из клееного деревянного бруса.
На рисунке 1.12 представлен стеновой брус с разрушенным клеевым соединением, что не соответствует требованиям [27]. На рисунке 1.13 представлен зазор в соединении стенового бруса размером до 50 мм. Данные зазоры влияют на величину воздухопроницаемости стен здания при дальнейшей эксплуатации и снижают параметры энергетической эффективности.
Анализ нормативной документации не выявил документа, который устанавливает требования к размерам зазоров в межвенцовых соединениях стен зданий из клееного профилированного бруса.
При измерении влажности стенового бруса на строительной площадке были определены значения в диапазоне свыше 18–20 %, что превышает требования, установленные в [27, 95, 96, 123, 124, 125, 126]. При этом, выявить, что является причиной повышенной влажности - переувлажнение в условиях строительной площадки, либо нарушение технологических параметров в условиях производства, невозможно.
Вышеперечисленные дефекты, которые возникают при строительстве малоэтажных деревянных домов, являются типичными для данного вида строительства, что можно увидеть на примере строительной площадки № 2, рисунки 1.14, расположенной, как и строительная площадка № 1 в одном из районов Ленинградской области.
В условиях строительной площадки выявляются дефекты профилирования бруса, которые приводят к значительным неравномерным зазорам и, соответственно к повышению воздухопроницаемости стен. Качество устройства ограждающих конструкций, соединений несущих конструкций перекрытия со стеновыми конструкциями, качество деревянных элементов является неудовлетворительным (рисунок 1.15).
Выше представлены строительные объекты, стеновые конструкции которых выполнены из клееного бруса. Данные конструкции являются результатом глубокой переработки древесины, что предполагает достаточно высокий нормативный уровень качества.
Тем не менее, достаточно распространенный материал в деревянном строительстве – это брус из цельной древесины. Данный материал характерен относительно невысокой ценой, что связано с небольшой механической обработкой, соответственно невысокий уровень качества.
Ниже представлены дефекты стенового бруса из цельной древесины в период незаконченных строительно-монтажных работ, рисунок 1.16.
Брус, представленный на рис. 1.16 обладает трещинами усушки. Вследствие неоднородности свойств древесины, усушка древесины в тангенциальном направлении примерно в два раза больше, чем в радиальном, а также потому, что усушка древесины начинается с поверхности, в деталях из древесины образуются трещины, имеющие радиальное направление. Образование трещин можно регулировать, устраивая компенсационный пропил. В данном случае компенсационные пропилы отсутствуют.
Дефекты деревянных зданий в целом, также требуют отдельного рассмотрения. Качество выполнения работ непосредственно строительно-монтажных работ (сборка из комплектов заводской готовности) проверялось по ГОСТ 26629–85 «Метод тепловизионного контроля качества теплоизоляции ограждающих конструкций». В рамках исследования качества строительства проводилось тепловизионное обследование ограждающих конструкций жилого дома. Основная цель работы – выявить дефекты строительных работ. Выявленные дефекты с рекомендациями по устранению показаны на рисунке 1.17, 1.18. Перепад температуры между внутренним и наружным воздухом составлял 18–27 оС. Контроль проводился тепловизором типа «Raytek». Температурное разрешение – 0,1 оС, спектральный диапазон 7–14 мкм.
В процессе проверки были обследованы наружные ограждающие конструкции жилых помещений первого и второго этажей. Основные недостатки, выявленные в процессе проверки, относятся к качеству угловых соединений бруса. В среднем температура в местах дефектов на 3–8 оС ниже, чем температура на поверхности стен. При наружной температуре менее минус 20 оС, отмеченные дефекты приведут к выпадению конденсата и промерзанию углов. Кроме того, перечисленные дефекты приведут к увеличению количества инфильтрационного воздуха, поступающего в помещения, а, следовательно, и теплопотерь здания.
Результаты тепловизионного обследования ограждающих конструкций другого здания показаны на рисунке 1.19 – 1.22. В процессе проверки были обследованы наружные ограждающие конструкции помещений, оконные блоки, балконный блок и кровельное покрытие. Основные недостатки, выявленные в процессе проверки, относятся к некачественному утеплению стыков между бревнами, монтажу оконных и балконного блоков, утеплению углов и сопряжений. Выявлена некачественная заделка швов между бревнами. Требуется проконопатить продольные стыки и угловые соединения.
Определение значений деформаций для элементов из цельной древесины высокой влажности
Результаты расчетов, представленные выше, выполнены на основании исследования процессов, которые происходят со стенами зданий из клееного профилированного бруса. Числовые значения осадки достаточно малы, что характерно для клееной древесины, прошедшей глубокую технологическую переработку - сушку, строгание, склеивание, профилирование и др. Это и обеспечивает высокий уровень формоустойчивости деревянной стеновой конструкции, которая в процессе эксплуатации приходит в состояние равновесной влажности, значение которой близко к влажности при поставке на строительную площадку.
Математические доказательства взаимосвязи между величинами коробления, остаточных напряжений и анизотропией древесины, которые проявляются при усушке древесины и являются факторами, влияющими на качество деревянных конструкций, подробно представлены в [6, 8, 9, 10, 17, 19, 20, 86, 87]. По сведениям из данных источников - «…усушка и коробление являются органически присущими особенностями и характерными недостатками древесины, как материала. Коробление может быть структурным, т.е. возникающим от анизотропии усушки, и влажностным - вызванным неравномерным распределением влажности по сечению. Там же приведены результаты исследования древесины, как анизотропного материала с большим различием между характеристиками упругости, прочности, коэффициентами усушки в различных структурных направлениях. Направление наибольшей деформации усушки в древесине не всегда совпадает с направлением главных осей анизотропии. Тот факт, что при сушке полученных распиловкой сортиментов имеет место линейная и угловая деформация поперек волокон, приводит к отклонению направления наибольшей усушки от направления главных осей анизотропии».
Все вышеизложенное говорит о том, что процессы, происходящие в древесине при значительном снижении влажности в процессе эксплуатации здания, приводят не только к значительному изменению размеров, но и к возможным формоизменениям строительной детали, связанными с конкретными характеристиками используемой древесины - толщиной годичных колец, наличием и величиной косослоя, размером и месторасположением сучков и многим другим.
Тем не менее, здания со стенами из бревен и брусьев естественной влажности, или после незначительной атмосферной сушки, имеют большое распространение, в связи с их, относительно невысокой, стоимостью. Но обеспечение надежной эксплуатации данных конструкций в период нормативного срока службы жилого здания довольно проблематично из процессов, связанных с усушкой. Для определения величины деформации стены, смонтированной из профилированного бруса из цельной древесины высокой влажности, были заданы следующие исходные параметры:
Конфигурация бруса № 2 представлена на рисунке 3.12;
В период поставки на строительную площадку и сборки брус имеет влажность 27 %. Эскиз поперечного сечения бруса на рисунке 3.12.
- Величина усушки по вертикали, для размера 180 мм, определялась в соответствие с положениями ГОСТ 6782.1-75 «Пилопродукция из древесины хвойных пород. Величина усушки» для снижения влажности в период эксплуатации с 27 % до 15 % на основании данных таблицы 3 указанного нормативного документа и составляет 3 мм для пилопродукции смешанной распиловки из древесины ели, сосны.
Анализ полученных численных значений показывает, что:
- Деформации стеновых деталей от усушки в стене по вертикали в зависимости от уровня венца имеют постоянную величину.
- Деформации стеновых деталей от нагрузки в стене по вертикали в зависимости от уровня венца имеют нелинейный характер и резко падают в зоне второго этажа.
Величина осадки стен связана с высокой влажностью древесины, численные значения в этом случае не являются малыми и должны учитываться в процессе строительства, что наглядно представлено на рисунке 3.15
Определение постоянных упругости древесины в трех направлениях
Для выполнения расчета необходимо определиться с постоянными упругости для каждой пластины - механическими свойствами древесины в трех направлениях. Величина модуля упругости древесины в различных структурных направлениях различается. Даже в поперечных направлениях по отношению к годичным слоям количественное различие составляет в среднем 1:2 (радиальное направление характеризуется модулем упругости в 2 раза большим по сравнению с тангенциальным). Последние исследования [19, 21] свидетельствуют о том, что все породы древесины могут быть распределены на две группы: первая группа, к которой относятся большинство отечественных хвойных пород древесины, характеризуется тремя экстремальными значениями модуля упругости при переходе от радиального направления к тангенциальному (при 00, 600 и 900). При углах наклона годичных слоев в среднем равных 600, значения модуля упругости являются наименьшими. Это является основанием для того, чтобы считать жесткость древесины в этом направлении наименьшей. Для стенового бруса из пород древесины, относящихся к первой группе, кроме влажности и формы сечения, деформации смятия в поперечном направлении будут зависимы и от угла наклона годичных слоев по отношению к действующей нагрузке. При конструировании формы сечения стенового клееного бруса в места с наименьшей жесткостью при смятии желательно размещать элементы с наклоном годичных колец около 600. Ко второй группе древесины (например, пихта дугласова, ель канадская и др.) относятся породы, у которых при переходе от радиального направления к тангенциальному модуль упругости имеет только два экстремальных значения (при 00 и 900). При изменении угла наклона годичных слоев от 00 до 900 происходит плавное изменение модуля упругости и достичь дополнительного эффекта для увеличения деформации смятия в направлении поперек волокон, как у пород первой группы невозможно.
Принятие транстропной схемы анизотропии клееного стенового бруса усредняет задачу и, тем не менее, при использовании МКЭ позволяет численно проанализировать распределение деформаций и напряжений по всему сечению стенового бруса при разных значениях действующей нагрузки. Более точное решение для стенового бруса с учетом анизотропии древесины можно получить при использовании ортогональной схемы анизотропии по данным источников [8, 9]. Полный комплекс характеристик упругой деформативности ортотропного материала состоит из девяти независимых постоянных упругости, подлежащих экспериментальному определению. При определении деформации в ортотропном материале в направлении, не совпадающем с главными осями анизотропии, потребуются значения постоянных упругости в произвольном направлении. Для расчтов рекомендуются формулы, содержащие одновременно различные постоянные упругости [19, 20, 54, 58, 86]
При решении практических задач интерес представляют чаще всего постоянные упругости в плоскостях анизотропии и их изменение при переходе от одного направления к другому. Рассмотрим изменение постоянных упругости в плоскости, перпендикулярной к волокнам древесины.
Получение достаточно простого метода определения величины модуля (45) упругости Exy открывает возможности для использования формул, полученных в источниках [8, 9, 54, 58] с целью вычисления всех остальных постоянных упругости в случаях хаотично расположенных годичных слоев в слоях клееного бруса. В работах, посвященных исследованиям анизотропных материалов и расчетам пластин и оболочек из таких материалов, приведены уравнения для упругих постоянных в зависимости от направления выбранных осей:
Последнее соотношение связывает между собой упругие постоянные в плоскости Х У для цилиндрически анизотропного тела. При решении нами дифференциального уравнения четвертого порядка в частных производных с двумя переменными для анизотропного ортотропного тела в полиномах было получено соотношение, которое удовлетворяет этому дифференциальному уравнению
При решении задачи напряжений и деформаций для клееного стенового бруса интересным является результат, показывающий, что при =45 модуль поперечной упругости составляет величину равную Et , которую можно использовать при численных расчетах по МКЭ.
Последнее уравнение связывает между собой три постоянных упругости для цилиндрически анизотропного ортотропного тела. В частном случае при а2 = 1 (изотропное тело) получают известную формулу сопротивления материалов
Для определения упругих постоянных достаточно знать их величины относительно главных осей анизотропии ( 3Е. ;3juik ;3//fo). По этим данным, используя полученные выше формулы, можно найти значения упругих постоянных относительно любого положения осей, в том числе и под углом 450, что является необходимым при использовании МКЭ.
Упругие постоянные древесины, удовлетворяющие соотношению
Таким образом, получены расчетные значения постоянных упругости древесины в главных направлениях анизотропии, которые могут быть использованы в исследованиях и разработке конфигураций стенового клееного бруса.
Построение математической модели, связывающей параметры клееного стенового бруса и развитие напряжения смятия в соединениях
В результате проведения многофакторного эксперимента по моделированию развития напряжений смятия в соединениях стеновых элементов был получен массив значений, который является матрицей исходных данных. Результативным признаком является асм - величина сжимающих напряжений, а факторными признаками:
- Аоп - площадь совмещения стеновых элементов в соединении, / - отклонения от вертикальной оси (качеств изготовления элементов);
- Е - модуль упругости в тангентально-радиальном направлении (отражающий физико - механические характеристики древесины).
В связи с достаточно разнообразным объемом экспериментальных данных целесообразно провести статистический анализ в несколько этапов:
- 1 этап - определение степени влияния факторов-признаков на напряжение смятия в соединении при 8 различных нагрузках, что соответствует состоянию штучных стеновых элементов в различных венцовых рядах по высоте стены;
- 2 этап - выявление значимости каждого фактора;
- 3 этап - добавление к значимым фактором дополнительного -нагрузки;
- 4 этап - анализ полученных результатов с составлением уравнения регрессии в естественных масштабах.
При выполнении анализа - факторам и результативному признаку в уравнении регрессии присвоены следующие обозначения: Фактор = результат: У = сУсм - величина сжимающего напряжения в соединении элементов, Мпа;
1 этап
Матрица исходных данных - Численные значения по результатам опытов при нагрузке 416 КГС в физическом выражении представлены в таблице 5.1
Выполненный анализ формирует уравнение регрессии в естественных масштабах при нагрузке на уровне верхнего венца (минимальной) в следующем виде
Общее качество полученной модели оценивается по данным таблиц 5.2 -5.4:
а) Значимость всей регрессионной модели проверяется по уровню значимости критерия Фишера, значимость F = 0,000003 (3,09036E-06) более, чем в 4 раза меньше, чем 0,05, что позволяет сделать уверенные выводы о надежности полученного уравнения;
b) Надежность модели проверяем по значению R-квадрат = 0,934848, что свидетельствует, что построенная модель с точностью 93% описывает исследуемый процесс;
c) Анализ коэффициентов модели проводится по t-критерию Стьюдента на основании величины P-Значение, которая показывает, что коэффициенты (параметры) регрессии при переменных Х2 и Х3 недостаточно значимы (Х2 значим с вероятностью Р= 1- 0,15 = 0,85 или 85% а Х3 значим с вероятностью Р=1- 0,46 = 0,54). Поэтому можно сделать вывод, что Х2 и Х3 могут быть убраны из уравнения, в то время, как переменная Хi оказывает значительное влияние на результат, коэффициент уравнения регрессии при этой переменной значим приблизительно с вероятностью 100% {P-Значение = 3,28Е-07).
Для оценки силы влияния каждого фактора на результативный признак по коэффициентам корреляции построим корреляционную матрицу, с применением Пакета анализа ППП Excel, «Данные Анализ данных Корреляция». Анализ корреляционной матрицы показывает, что направление влияния всех факторов на результативный признак асм является обратным, сильное влияние оказывает фактор Хь В то время, как Х2 и Х3 оказывают слабое влияние (сравниваем по абсолютной величине). Межфакторные связи практически отсутствуют, следовательно, требование неколлинеарности факторов уравнения регрессии выполняется. Таким образом подтверждается наибольшую значимость переменной Хі для У, связь которых является обратной, см. таблицу 5.5.
2 этап Таким образом, выполненный анализ позволяет сделать вывод, что процесс формирования напряжения смятия под нагрузкой 416 кгс в отдельно взятом венцовом соединении стеновой конструкции с точностью 93% может описываться уравнением
В таблице 5.6 приведены результаты статистической обработки результатов моделирования напряженно-деформированного состояния стеновых элементов в венцовом соединении при различных нагрузках с указанием степени достоверности модели по результатам статистического анализа. Вывод итогов по каждому эксперименту представлен в Приложении 2.
3 этап
Для объективной оценки влияния исследуемых факторов на напряжение смятия непосредственно в стене малоэтажного здания целесообразно рассмотреть изменение нагрузки (F) на элемент в зависимости от его места расположения по высоте в стеновой конструкции, как дополнительный фактор - признак. Данные полученные при многофакторном эксперименте статистического анализа сведены в таблицу 5.7
Вывод итогов, полученный с применением программного комплекса Excel, «Анализ данных -Регрессия», представлен в таблице 4.5. Корреляционная матрица, построенная с применением ППП Excel, «Анализ данных-Регрессия» в таблицах 5.8 – 5.11 представлен «Вывод итогов» при 4 факторах.
Общее качество полученной модели оценивается также по данным таблицы 5.12 и заключается в следующем:
a) Значимость всей регрессионной модели проверяется по уровню значимости критерия Фишера, значимость F = 1,04Е-49 говорит о значимости полученного уравнения с вероятностью, близкой к 100%;
b) Надежность модели оцениваем по значению R-квадрат = 0,887, что свидетельствует, что построенная модель с точностью 89% описывает исследуемый процесс;
c) Анализ значимости коэффициентов модели по величине Р-Значение, показывает что только переменная Х3 может быть убрана из уравнения (Р-Значение = 0,17187617 , т.е. значимость с вероятностью 83%), в то время, остальные переменные оказывают значительное влияние на результат
Окончательное уравнение - модель множественной связи - по результатам многофакторного эксперимента представлено ниже. асм = 1,523 - 0,018 L - 0,038 / + 0,001 F (5.4)
Значение коэффициентов регрессии при различных факторных переменных Хj можно трактовать следующим образом: при увеличении Х\ (L ) в среднем на 1, значение результирующей переменной стсм в среднем уменьшится на 0,018, при увеличении Х2 (/) в среднем на 1, значение результирующей переменной стсм в среднем уменьшится на 0,038 , при увеличении Х4 (F) в среднем на 1 кг, значение результирующей переменной асм в среднем увеличится на 0,001, при условии, что все прочие факторы модели не изменяются (зафиксированы на своих средних уровнях).