Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ мирового опыта создания, технологии изготовления и области рационального применения деревянных конструкций 10
1.1. Древесина как конструкционный материал 10
1.2. Клееные деревянные конструкции. Особенности компоновки поперечных сечений и технологии изготовления 13
1.3. Стеклоткани. Основные характеристики 24
1.4. Основные работы по усилению деревянных и деревоклееных балочных конструкций 28
1.5. Применение наноматериалов в клеевых композициях 41
1.6. Цель и задачи исследования 52
ГЛАВА 2. Расчетно-теоретическое обоснование конструктивных решений высоких деревоклееных балок 54
2.1. Выбор физический модели. Создание математической модели конструкции балки на основе метода конечных элементов 55
2.2. Определение опорных и силовых граничных условий 69
2.3. Обоснование выбора физической и математической модели тестовыми расчетами 87
ГЛАВА 3. Методика проведения исследования 98
3.1. Описание экспериментальной установки 98
3.2. Планирование эксперимента и методическая сетка опытов 101
3.3. Испытания опытных деревянных и усиленных образцов 108
3.4. Определение физико-механических свойств материалов на стандартных образцах 113
3.5. Определение минимального количества образцов для испытания 114
3.6. Определение статистических характеристик по результатам экспериментальных исследований 115
ГЛАВА 4. Результаты экспериментальных исследований 119
4.1. Результаты испытаний опытных деревянных и усиленных образцов 119
4.2. Результаты испытаний стандартных деревянных образцов 129
4.3. Сравнительный анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований 132
ГЛАВА 5. Технологические решения изготовления деревоклееных балок с усилением приопорных зон 134
5.1. Изготовление клееной деревянной балочной конструкции 134
5.1.1. Техника безопасности при производстве деревоклееных конструкций 134
5.1.2. Изготовление деревянной клееной балки 137
5.1.3. Приемка завершенной конструкции 145
5.2. Технология усиления опорных участков деревоклееных балок 146
5.2.1. Охрана труда при усилении опорных зон балок 146
5.2.2. Процесс усиления приопорных участков конструкций 146
5.2.3. Контроль качества. Хранение и транспортировка готовой продукции 158
Выводы и рекомендации 161
Список литературы
- Клееные деревянные конструкции. Особенности компоновки поперечных сечений и технологии изготовления
- Определение опорных и силовых граничных условий
- Определение минимального количества образцов для испытания
- Результаты испытаний стандартных деревянных образцов
Клееные деревянные конструкции. Особенности компоновки поперечных сечений и технологии изготовления
Древесина, ксилема (от греч. xylon - дерево), сложная ткань древесных и травянистых растений, проводящая воду и растворённые в ней минеральные соли; часть проводящего пучка, образующаяся из прокамбия (первичная древесина) или камбия (вторичная древесина). Она составляет основную массу ствола, корней и ветвей древесных растений [167].
Древесина широко применяется в строительстве, вагоностроении, судостроении, автомобилестроении и авиастроении. Большое значение применение древесины и изделий из нее имеет в народном хозяйстве. Объясняется это многими причинами, и прежде всего рядом ценных свойств древесины как конструкционного и строительного материала [86].
Хвойные породы древесины, при средней плотности 500 кг/м3 в 15,7 раза легче стали и в 4,8 раза легче бетона, что позволяет значительно снизить материальные затраты при возведении зданий и сооружений. Удельная прочность древесины всего на 4,4% меньше, чем стали, и на 122% выше, чем бетона [50]. Температурное расширение древесины при нагреве или остывании значительно меньше, чем у других строительных материалов. В условиях сильного нагрева деревянные элементы будут иметь удлинения в 2,5 раза меньше, чем стальные, в 2,8 раза меньше, чем бетонные, и в 5,7 раза меньше, чем алюминиевые. Именно поэтому исчезает необходимость расчленять деревянные здания на блоки ограниченной длины посредством устройства температурных швов [169].
Из отрицательных моментов в использовании древесины как конструкционного материала можно отметить пороки ее строения [38], снижающие прочностные и эксплуатационные свойства лесоматериала. Основные из них это сучки, свиль, косослой.
Сучки - радиально направленные волокна древесины (основания ветвей); вызывают искривление волокон основного ствола. Сучки значительно снижают прочность древесины и затрудняют ее обработку. Делятся на первичные и вторичные.
Свиль (свилеватость) - извилистое или спутанное расположение волокон, образующее завиток. Свилеватость увеличивает плотность древесины в местах ее расположения. Косослой - порок строения древесины, выражающийся в отклонении направления древесных волокон от продольной оси древесного ствола, пилопродукции или шпона [33]. Но не смотря на вышесказанное, древесина занимает важнейшей место в проектировании зданий и сооружений, конструкционном разнообразии и экологически чистом строительстве. Повышенное внимание к древесине, как к конструкционному материалу, обусловлено ее анизотропным строением.
Анизотропия (от др.-греч. aviooq — неравный и тролюс; — направление) — различие свойств среды (например, физических и механических: упругости, электропроводности, теплопроводности, показателя преломления, скорости звука или света и др.) в различных направлениях внутри этой среды; в противоположность изотропии. Частный случай анизотропии — ортотропия (от др.-греч. 6р06с; — прямой и тролюс; — направление) — неодинаковость свойств среды по взаимно перпендикулярным направлениям [168].
Анизотропия древесины является следствием микростроения составляющих ее клеточных оболочек. Основным веществом, из которого состоит слоистая клеточная оболочка (стенка), является, целлюлоза. Существенное влияние на анизотропию древесины оказывает также ее анатомическое строение (макростроение) [23]. Механическую (опорную) функцию в древесине хвойных пород выполняют в первую очередь трахеиды, которые расположены в растущем дереве главным образом вертикально и составляют более 90% объема древесины. Они имеют форму сильно вытянутых волокон с поперечным сечением правильной формы (у большинства пород - прямоугольной) [140]. Ранняя древесина имеет трахеиды с большими размерами поперечного сечения и тонкой стенкой. В поздней древесине [116] трахеиды с меньшими размерами поперечного сечения, но с гораздо более толстыми стенками.
Расположение древесных волокон вдоль оси дерева обуславливает различие механических свойств древесины в направлении вдоль и попрек ствола. Модули упругости для направления вдоль волокон почти в 40 раз (ель) больше, чем в трансверсальной плоскости (попрек волокон), а предел прочности при сжатии в 10 раз, при растяжении в 20-30 раз.
Ориентированные микро- и макро- строение древесины обуславливает ее анизотропию не только при механических, но и при других физических воздействиях - теплопроводность, тепловое расширение, электропроводность, диэлектрическая проницаемость, рассмотренных при помощи симметричных материальных тензоров второго ранга [104], используемых в кристаллофизике.
Определение опорных и силовых граничных условий
На базе кафедры «Строительные конструкции» Владимирского государственного университета (ВлГУ) для армирования деревянных конструкций было принято решение использовать клеевой компаунд ЭД-20 с добавлением в его состав углеродных нанотрубок (УНТ), чтобы повысить прочностные, адгезионные и когезионные свойства клеевой композиции.
Углеродные нанотрубки — это протяжённые цилиндрические структуры диаметром от одного до нескольких десятков нанометров и длиной до нескольких сантиметров (при этом существуют технологии, позволяющие сплетать их в нити неограниченной длины), состоящие из одной или нескольких свёрнутых в трубку графеновых плоскостей и заканчивающиеся обычно полусферической головкой, которая может рассматриваться как половина молекулы фуллерена [51].
Идеальная нанотрубка (рисунок 1.26) представляет собой свёрнутую в цилиндр графитовую плоскость, то есть поверхность, выложенную правильными шестиугольниками, в вершинах которых расположены атомы углерода. Результат такой операции зависит от угла ориентации графитовой плоскости относительно оси нанотрубки. Угол ориентации, в свою очередь, задаёт хиральность нанотрубки, которая определяет, в частности, её электрические характеристики [52]. Рис. 1.26. Схематическое изображение углеродной нанотрубки
История создания УНТ точно не определена. Сразу несколько ученых, экспериментировавших в разное время и независимо друг от друга могут претендовать на звание первооткрывателя в этом вопросе. Например, в 1974-1975 годах группа ученых под руководством Моринобу Эндо проводили эксперименты в этой сфере. Советский химик Корнилов А.А. в 1986 г. среди прочих не только теоретически обосновал существование однослойных углеродных нанотрубок, но и зафиксировал свои размышления касательно их свойств упругости [178]. Так же известно, что в 1991 году наблюдения структуры многослойных нанотрубок проводил сотрудник японской корпорации NEC Сумио Ииджима. В 1992 году научно-популярный журнал «Nature» опубликовал материал, из которого следовало, что первые свидетельства существования нанотрубок и их исследования зафиксированы в 1952 г. (статья советских физиков Лукьяновича Я.А. и Радушкевича Л.В. сообщала об электро-микроскопическом наблюдении волокон, имеющих диаметр порядка 100 нм).
Что касается вопроса получения УНТ, то наиболее широко распространенный метод использует термическое распыление графитового электрода в плазме дугового разряда, горящей в атмосфере гелия. Этот метод, лежащий также в основе наиболее эффективной технологии производства фуллеренов, позволяет получить нанотрубки в количестве, достаточном для детального исследования их физико-механических свойств. В дуговом разряде постоянного тока с графитовыми электродами при напряжении 15-20 В, токе в несколько десятков ампер, межэлектродном расстоянии в несколько миллиметров и давлении гелия в несколько сот Торр происходит интенсивное термическое распыление материала анода. Продукты распыления содержат, наряду с частицами графита, также некоторое количество фуллеренов, осаждающихся на охлажденных стенках разрядной камеры, а также на поверхности катода, более холодного по сравнению с анодом. Рассматривая этот катодный осадок с помощью электронного микроскопа обнаружили, что в нем содержатся протяженные цилиндрические трубки длиной свыше микрона и диаметром в несколько нанометров, поверхность которых образованна графитовыми слоями. Трубки имеют куполообразные наконечники, содержащие, подобно молекулам фуллеренов, шести- и пятиугольники [148].
Благодаря своим уникальным свойствам (высокая прочность (63 ГПа), сверхпроводимость, капиллярные, оптические, магнитные свойства и т.д.) углеродные нанотрубки могут найти применение в огромном количестве областей:
В настоящее время главными областями применения углеродных нанотрубок являются электроника, спортивные товары, авиа- и автомобилестроение [90, 177]. В строительстве УНТ пока применяются редко, вследствие высокой стоимости (средняя цена нанотрубок в настоящее время составляет около 60 долл./г). Но опыт использования нанотехнологий в обширных областях строительства в виде геля (наногель) показал высокую эффективность от его применения [170]. Следовательно, появляется уверенность, что использование прочностного потенциала нанотрубок в строительстве не заставит себя долго ждать.
Определение минимального количества образцов для испытания
Работа деревянных конструкций до разрушения делится на три характерные и последовательные стадии напряженно-деформированного состояния: условно-упругая, упруго-пластическая и стадия разрушения [86].
Стадия условно-упругой работы характеризуется величиной деформаций, не превышающих предельных значений упругих деформаций. Стадия упруго-пластической работы характеризуется появлением ощутимых пластических деформаций в сжатых волокнах. Стадия разрушения характеризуется значительным увеличением деформативности, при малом увеличении нагрузки. Происходит разрушение элемента.
Для разработанных усиленных балочных конструкций необходимо выполнить расчет опасных сечений в приопорных зонах. Напряженно 70 деформированное состояние этих участков описано в первой главе диссертационной работы.
Деревоклееная балка (7 = 18 м; Ъ = 0,24 м; h = 1,8 м), с шарнирным опиранием загружена равномерно-распределенной нагрузкой (q). Обозначение балок, принятое в диссертационной работе:
Максимальные растягивающие напряжения под углом к волокнам (o ) на расстоянии 0,9/г от опоры [48] не должны превышать расчетного сопротивления при растяжении под углом к волокнам [136]: где о-! - главные растягивающие напряжения; ах - нормальные напряжения вдоль волокон; Оу - нормальные напряжения поперек волокон; тху - скалывающие напряжения; Rpa -расчетное сопротивление древесины под углом а к направлению волокон.
Численными исследованиями выявлены значения ог по высоте сечения балок. Максимальные растягивающие напряжения под углом к волокнам возникают в точке, находящейся на высоте « - а. Угол наклона а направления главного растягивающего напряжения определяется по формулам:
Зависимость «нагрузка - растягивающие напряжения под углом к волокнам» для деревоклееной балки (угол а « 24 ... 25) (инженерный расчет) Численные исследования
Численные исследования деревоклееных балочных конструкций проведены в программном комплексе (ПК) «ЛИРА 9.6.» во всех стадиях работы древесины, от условно-упругой до разрушения.
ПК ЛИРА - многофункциональный программный комплекс для проектирования и расчета строительных и машиностроительных конструкций различного назначения. Реализованный метод расчета в ПК - метод конечных элементов (МКЭ).
Исторически МКЭ появился как метод решения инженерных проблем и обобщение метода перемещений. Дальнейшее развитие МКЭ было связано с конечно-элементной формулировкой известных вариационных принципов Лагранжа, Кастильяно, Рейснера и др.
Основной концепцией МКЭ является разбиение области анализа на конечное число подобластей, называемых конечными элементами. Каждый элемент определяется конечным числом точек или узлов. Система узлов и элементов образует сетку. Для физических величин, относительно которых определяется решение, предполагается кусочно-непрерывная аппроксимация в пределах каждого элемента. Вычислительная процедура МКЭ основывается на решении системы алгебраических уравнений, минимизирующей функционал, связанный с искомой физической величиной. Можно ожидать, что дискретная аппроксимация решения будет сходиться к точному решению при увеличении числа конечных элементов. Однако этот процесс зависит еще и от характеристик элементов и точности кусочно-непрерывной функции. Критерий сходимости должен использоваться для выбора допустимых элементов.
Результаты, полученные при использовании МКЭ, должны оцениваться с учетом опытных (экспериментальных) данных. Для большей уверенности в результатах расчетов по МКЭ желательно варьировать модель, используя различное число элементов или альтернативные типы элементов. Для некоторых типов элементов эта задача может быть решена самой программой.
В программном комплексе «ЛИРА 9.6» реализованы Н- и Р-методы модификации сетки, позволяющие автоматически получать заданный уровень точности результатов. При использовании МКЭ может достаточно точно предсказать поведение моделируемого объекта и, тем самым, уменьшить затраты на создание надежных деревоклееных конструкций.
ПК «ЛИРА 9.6» включает модули для решения линейных и нелинейных, статических и динамических задач анализа механических конструкций, включает пре- и пост-процессоры, различные модули анализа, интерфейсы с CAD-системами, трансляторы и утилиты [68].
Результаты испытаний стандартных деревянных образцов
Для получения достоверных данных при проведении экспериментального исследования важно правильно определить минимальное количество образцов для испытания. Эта задача решалась при помощи ГОСТ 16483.0-89 [8].
Существует два вида отбора образцов - одностадийный и многостадийный. Каждый вид использует метод случайного или систематического отбора. Так как в диссертационной работе испытание образцов проводилось из пиломатериалов одной партии (по паспорту), то определение минимального количества свелось к использованию одностадийного систематического метода отбора: где nmin - минимальное количество испытываемых образцов; V - коэффициент вариации свойств древесины, %; у - требуемая доверительная вероятность; ty - квантиль распределения Стьюдента; Ру - относительная точность определения выборочного среднего с доверительной вероятностью у.
Коэффициент вариации для каждого вида испытаний выбирали из таблицы ГОСТ. Относительная точность определения выборочного среднего принимается 5% при доверительной вероятности 0,95. Квантиль распределения
Стьюдента принимали с учетом предполагаемого количества единиц отбора согласно приложению 1 [8]. При отличии расчетного количества образцов от предполагаемого, расчет повторяют, пока разница между ними не будет более 1.
В результате расчета минимальное количество образцов для испытаний составило 5 шт. для каждой серии экспериментальных исследований. На случай частичной замены образцов количество заготовок согласно нормам, было увеличено на 20% и составило 6 шт.
Определение статистических характеристик по результатам экспериментальных исследований При испытаниях характерен большой разброс значений, зависящий от воздействия множества внешних и внутренних факторов. К внешним факторам можно отнести неточности при изготовлении образцов для испытаний, изменения температурно-влажностного режима и т.п. Внутренние факторы обусловлены присутствием дефектов в материале (полости, микротрещины, области внутренних напряжений и др.) [37].
Достоверность полученных экспериментальных данных оценивалась методом статистической обработки [8]. В таблице 3.6 приведен пример статистической обработки значений разрушающей нагрузки деревянного образца при испытаниях на сжатие вдоль волокон (рисунок 3.14, 3.15). Разрушающую нагрузку определяли по результатам испытаний 5 образцов. Значение разрушающей нагрузки для каждой серии испытаний определяли по акселерометрам, установленным на машине МИ-50У.
1. Представлены установки и инструментальная база для проведения испытаний. Изложена методика проведения экспериментального исследования.
2. Выполнено планирование эксперимента для определения рационального состава композита. Разработана методическая сетка опытов трехфакторного эксперимента. Данная схема исследования позволяет получать результаты с допустимой погрешностью, что сокращает число проводимых испытаний.
3. Выявлена степень влияния коэффициента армирования, концентрации нанотрубок и температуры отверждения композита на основе УНТ на прочность опытных образцов. Получена эмпирическая зависимость, позволяющая определить разрушающую нагрузку образца в зависимости от вышеперечисленных факторов.
Испытания проводились в лаборатории строительных конструкций имени В.Ю. Щуко на базе Владимирского государственного университета. При этом ставились задачи: Установить предельные прочностные показатели и разрушающую нагрузку опытных деревянных образцов и образцов с поверхностным усилением; Выявить зависимости предела прочности опытных образцов от коэффициента армирования, концентрации углеродных нанотрубок и температуры отверждения препрега; Установить характер разрушения испытываемых деревянных и усиленных образцов; Провести сравнительный анализ полученных результатов испытаний с теоретическими данными. Экспериментальные исследований проводились в два этапа. На первом этапе определялись прочностные показатели опытных деревянных и усиленных образцов в зависимости от варьируемых параметров, описанных в главе 3.2. На втором этапе оценивались физико -механические свойства древесины испытанием на сжатие вдоль волокон.
Испытания опытных образцов кратковременной нагрузкой проводились с целью оценки физико-механических свойств древесины с поверхностным усилением при сложном напряженном состоянии, возникающем в опорных участках балочных конструкций (скалывание вдоль волокон, смятие опорной площадки и растяжение под углом к волокнам). Испытание усиленной древесины проводилось по методике, описанной в главе 3.2. Условия проведения опытов и оборудование для экспериментального исследования описано в главе 3.1 и 3.3. Порода древесины - сосна.