Введение к работе
Актуальность темы. Современное строительство является наиболее крупной отраслью потребления лесоматериалов. Древесина используется для изготовления несущих и ограждающих конструкций, отделочных и облицовочных материалов при возведении новых объектов, а так же и при выполнении ремоптно-восстаповителыгых работ.
Значительная доля потребления древесины в строительных объектах приходится на несущие конструкции, которые имеют развитые сечения и по характеру своей работы могут быть плоскими (воспринимают внешние' воздействия в одной плоскости), или пространственными (обеспечивают совместную работу составляющих их элементов в двух или более плоскостях). Современные прострапствешше деревяшпае конструкции (ДК) и деревянные клееные конструкции (ДКК) характеризуются многообразием форм, размеров, узлов сопряжения составных элементов.
Опыт применения ДК показывает, что в случае нерационального их конструктивного решения необоснованно повышается расход материалов, опекается их долговечность и надежность. Использование в современных соединениях деревянных элементов металлических деталей с зубьями при запрессовке часто влечет раскалывание древесины и ослабление сечения. Кроме того, наличие металла на открытых поверхностях деревянных элементов малых сечений снижает огнестойкость сооружений, что резко ограничивает область их применения. При эксплуатации ДК часто подвергаются разрушеїшю не только от внешних силовых воздействий, но и вследствие биоповреждения, что значительно уменьшает срок службы зданий и сооружений. Указанные причины приводят к повышению расхода древесины в строительстве и неоправданному увеличению объемов лесозаготовок. Это наносит значительный ущерб природе, поскольку лес является не только важнейшим источником сырья, но и обеспечивает экологическое равновесие.
Для повышения эффективности использования древесины в строительстве необходимо проведение системного анализа и разработка конструкций с меньшим расходом материалов. Повышение долговечности древесины также позволяет снизить потребление лесоматериалов. Однако, это требует осуществления дополнительных мероприятий по обеспечению эффективной и надежной зашиты древесины с соблюдением современных норм экологической безопасности.
Поэтому решение проблемы снижения материалоемкости ДК, повышения их надежности и долговечности при эксплуатации с помощью конструктивных методов в сочетании с рациональным применением экологически безопасішх защитно-декоративных составов (ЗДС), позволяет сократить потребление древесины и снизить объемы лесозаготовок, что является актуальной природоохранной задачей.
Цель исследований обеспечить рациональное использование древесины в строительстве и снизить объемы лесозаготовок за счет использования несущих пространствеїшьіх конструкций меньшей материалоемкости, повышенной долговечности и надежности благодаря применению новых конструктивных решений и экологически безопасных ЗДС при эксплуатации в сложных климатических условиях.
Для достижения указанной цели были решены следующие задачи:
1. Разработана методика численных исследований іипряженно-деформировапного состояния (НДС) пространственных ДК, которая апробирована па примере математической модели ребристых и ребристо-кольцевых куполов с различными статико-геометрическими параметрами.
-
На основании анализа результатов исследований разработанной математической модели предложены конструктивные решения ребристых и ребристо-кольцевых куполои минимальной материалоемкости. . .
-
На основе анализа опыта применения соединений ДК, разработана новая конструкция их узлового соединения, обеспечивающая снижение деформатшшости, повышение несущей способности, огнестойкости и зкеплуатациошюй надежности.
-
Разработана математическая модель работы ДКК, позволяющая оценить в количественных показателях влияние на их НДС различных видов защитных и декоративных покрытий при неременных температурно-влажностных условиях эксплуатации.
-
На основании результатов теоретических и экспериментальных исследований установлены причины возникновения и развития дефектов в защитных покрытиях и самих ДКК. Разработаны рекомендации по использованию ЗДС для цельных и клееных ДК, эксплуатируемых в сложных климатических условиях севера.
-
Определен природоохранный эффект (выражен в виде площади сохраняемых от вырубания лесов) за счет рационального конструирования ДК и увеличения их долговечности.
Научная новизна работы.
На основе системного анализа результатов численных исследований по разработанной методике, разработаны пршацшиадьные конструктивные решения ребристых и ребристо-кольцевых куполов, отвечающие критерию минимизации материалоемкости.
Разработана новая конструкция узловою соединения деревяіпіьк элементов (А.С. №1807185), имеющая пониженную деформатшшость, повышенную огнестойкость и эксплуатационную надежность.
Разработана и реализована математическая модель для определения влияния переменных температурно вдаждастных условий эксплуатации на НДС элементов ДКК с различными видами защитных и декоративных покрытий и без них.
Результаты математического моделирования позволили определить физическую сущность явлений, происходящих в поверхностной зоне ДКК, эксплуатируемых в сложных температурно-влажностных условиях, оценив их не только качественно, но и в количественных показателях, на основе чего разработаны рекомендации по использованию защитных и декоративных составов для древесины.
Практическое значение результатов работы:
разработанная автором методика компьютерных численных исследований позволяет оперативно оценивать при проектировании влияние изменения статико-геометрических параметров куполов па их НДС. Эта методика может быть использована и для других видов пространственных и плоских конструкций;
полученные автором зависимости НДС ребристых и ребристо-кольцевых куполов от основных видов силовых воздействий позволяют на начальной стадии проектирования выбрать рационалыгый вариант конструкции, отвечающий критерию минимизации материалоемкости;
разработанная новая конструкция и методика расчета узлового соединения (А.С. №1807185) перспективны для использования при проектировании различных видов ДК;
результаты математического моделироваїтя позволяют без проведения длительных и дорогостоящих экспериментальных исследований прогнозировать поведение и эксплуатационную надежность различных видов защитных и декоративных покрытий ДК при переменных температурно-влажностных воздействиях;
рациональный выбор вида ЗДС с учетом его поведения в сложных условиях ссплуатации позволяет решить проблему повышения долговечности древесины в -роительстве;
» рез)'льтаты выполненных исследований использованы в практике разработки эрмативно-технической документации, проектирования строительных объектов, жтаврации и экспериментального строительства, а также в учебном процессе гроительного факультета АГТУ.
Апробация работы. Основные результаты работы были доложены:
- на Российско-Финском научно-техническом семинаре «Малоэтажное домостроение с
рименёнием древесины в жилищном строительстве» (г. Архангельск, 1996 г.);
-на международной научно-технической конференции «Проблемы развития гроительного комплекса в условиях становления рыночных отношений» (г. Архангельск, ?97 г.);
- на международной паучпо-техіпіческой конференции «Реконструкция и ремонт
іаїтіі и сооружений в климатических условиях Севера» (г. Архангельск, 1999 г.);
-на научно-технических конферешвіях профессорско-преподавательского состава ГТУ (г. Архангельск, 1991-1999 г.г.)
Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 научных статей, включая 1 зторскос свидетельство на изобретение.
Структура и объем диссертации. Работа изложена па 188 страницах, включая 21 іблицу, 39 рисунков; состоит из введения, шести глав, основных выводов, заключения, іиска использованных источников из 115 наименований, 6-ти приложений.