Содержание к диссертации
Введение
1 Современное состояние вопроса исследования прочности и деформативности нагельных соединений деревянных конструкций 10
1.1 Физические основы прогнозирования длительной прочности материалов деревянных конструкций на основе теории прочности твердых тел— 12
1.2 Длительная прочность стеклопластиков. Влияние повышенных температур на работу стеклопластиков и древесины 24
1.3 Методы расчета соединений деревянных элементов на нагелях 41
1.4 Расчет нагельных соединений по предельным состояниям 47
1.5 Заключение по первой главе 50
2 Материалы и оборудование, используемые при проведении экспериментов. Методика проведения испытаний и обработки результатов 53
2.1 Материалы для испытаний 53
2.2 Оборудование, приборы, приспособления 59
2.2Л При кратковременных испытаниях 59
2.2.2 При длительных испытаниях 59
2.3 Физико-механические характеристики исследуемых материалов 62
2.4 Методика проведения испытаний и обработки экспериментальных данных 66
2.4.1 Испытания образцов АГ-4НС и ССЦО на изгиб- 66
2.4.2 Определение основных физико-механических параметров- 61
2.4.3 Статистическая обработка результатов 70
2.4.4 Определение физических и эмпирических уравнений Журкова графоаналитическим способом 70
2.5 Кратковременные испытания нагельных соединений при вариации температур 73
2.6 Исследования прочности и деформативности нагельных соединений условиях длительного напруження 76
Выводы по главе 2 77
3 Исследование влияния температуры с учетом фактора времени на прочностные и* деформационные характеристики стеклопластиков АГ-4НС и ССЦО - 78
3.1.Определениепрочностныхи деформационных характеристик стеклопластиков АГ-4НС и ССЦО при изгибе при вариации температур в условиях кратковременного напруження 78
3.2 Определение прочностных и деформационных характеристик стеклопластика АГ-4НС при срезе и изгибе в плоскости перпендикулярной прессованию при вариации температур в условиях длительного нагружения - 86
Выводы по главе 3 94
4 Исследование работы соединений деревянных элементов на нагелях при кратковременном нагружении в условиях повышенных температур 96
4.1 Исследование работы соединений деревянных элементов на стеклопластиковых нагелях 96
4.2 Исследование соединений на металлических нагелях 109
4.3 Влияние температуры эксплуатации на напряженное состояние древесины нагельного гнезда 114
Выводы по главе 4 122
5 Расчет нагельных соединений деревянных конструкций с учетом длительности нагружения и воздействий повышенной температуры 125
5.1 Длительные испытания 125
5.2 Определение коэффициентов условий работы элементов нагельного соединения с учетом длительности нагружения и повышенной температуры 132
5.3 Сравнение экспериментальных данных с результатами, полученными по предложенной методике 139
5.4 Расчет треугольной безметальной фермы 141
Выводы по главе 5 142
Основные выводы 144
Список использованных источников
- Длительная прочность стеклопластиков. Влияние повышенных температур на работу стеклопластиков и древесины
- Физико-механические характеристики исследуемых материалов
- Определение прочностных и деформационных характеристик стеклопластика АГ-4НС при срезе и изгибе в плоскости перпендикулярной прессованию при вариации температур в условиях длительного нагружения
- Влияние температуры эксплуатации на напряженное состояние древесины нагельного гнезда
Введение к работе
Прогнозируемый специалистами в XXI в. рост применения конструкций из древесины остро ставит вопрос о повышении их надежности и долговечности при эксплуатации в различных температурно-влажностных условиях. Решение этой задачи тесно связано с дальнейшим совершенствованием методов расчета.
Невозможно запроектировать прочную и эксплуатационно-надежную конструкцию без эксплуатационно-надежных соединений.
Развитие способов соединения деревянных конструкций в нашей стране и за рубежом, в основном, происходит в направлении совершенствования соединений нагельного типа, использование которых открывает возможность повышения, производительности труда путём внедрения механизации в технологию изготовления конструкций.
Деревянные конструкции со стеклопластиковыми нагельными соединениями применяются в ответственных несущих конструкциях зданий и сооружений с химически агрессивными средами, складах минеральных удобрений и ядохимикатов, зернохранилищах, птицеводческих и животноводческих фермах, в элементах конструкций градирен и т.д., а также в специальных зданиях и сооружениях, к которым предъявляются требования немагнитности и "радиопрозрачности".
Применение армированных пластиков (среди которых стеклопластики АГ-4НС и ССЦО) в деревянных конструкциях обусловлено целым рядом ценных свойств этих материалов: сопоставимый с древесиной модуль упругости, легкость, значительная механическая прочность, термостойкость, высокая коррозионная стойкость к воздействиям кислот и-органических растворителей; технология получения стеклопластиков и переработки их в изделия не требует трудоемкой механической обработки, приводящей к большим отходам, они поддаются прессованию и формованию при сравнительно низких давлениях и температурах. К недостаткам стеклопластиков следует отнести: низкий модуль упругости, что при конструировании выдвигает часто на первый план проблему деформативности; ползучесть под нагрузкой; относительно высокая стоимость.
Поэтому одной из особенностей стеклопластиковых нагельных соединений в деревянных конструкциях является зависимость их несущей и деформационной способности от продолжительности действия нагрузки и условий эксплуатации, в том числе температуры эксплуатации.
В общем объеме научных исследований несущей способности деревянных конструкций вопросы расчета нагельных соединений занимают важное место.
Влияние температуры на работу нагельных соединений деревянных конструкций изучалось недостаточно; нерассмотрен характер влияния температуры на прочность и деформативность соединений во времени. Известные экспериментальные исследования отечественных и зарубежных ученых касались лишь отдельных сторон задачи при небольших интервалах изменения указанных параметров.
В связи с этим экспериментально-теоретические исследования по вышеперечисленным вопросам актуальны и позволят расширить знания о работе, как древесины, так и стеклопластика в соединениях деревянных конструкций! Решение данных вопросов в итоге обеспечит более высокий уровень расчетного анализа нагельных соединений; что позволит решать задачи: рационального проектирования в соответствии с современными требованиями.
Длительная прочность стеклопластиков. Влияние повышенных температур на работу стеклопластиков и древесины
Вопросам определения длительной прочности естественных и искусственных анизотропных материалов и законам их деформирования во времени посвящено достаточно большое количество теоретических и экспериментальных исследований отечественных и зарубежных авторов [6, 16, 17, 19, 20, 21 и др.]. К материалам, для которых фактор времени оказывает влияние на изменение их прочностных свойств, следует, прежде всего, отнести древесину и некоторые виды армированных пластиков [22,23].
Существенной особенностью стеклопластиков является ярко выраженная анизотропия их физико-механических свойств. Анизотропией обладают упругие и прочностные свойства стеклопластиков, их способность к деформированию во времени (ползучесть), длительная прочность, коэффициент линейного расширения (а) и теплопроводности (Л) и другие физико-механические свойства [24, 25,26].
При деформировании у стеклопластиков в большей степени, чем у металлов и сплавов проявляются временные эффекты. Уже при нормальной температуре у стеклопластиков наблюдается явление ползучести и релаксации напряжений, а с возрастанием температуры эти процессы усиливаются [25, 26]. Ввиду того, что стеклонити практически упруги, скорость ползучести определяется степенью восприятия внешней нагрузки связующим. Поэтому для стеклопластиков характерно проявление сдвиговой ползучести, линейная ползучесть в основных направлениях (вдоль волокон) незначительна. При действии усилия вдоль волокон в стеклопластике незначительная ползучесть обусловлена перераспределением напряжений между стекловолокнами и связующим в процессе релаксации напряжений в нем. Если действующее напряжение невелико (не превышает 50 % от предела прочности материала), то после полной релаксации напряжений в связующем, скорость ползучести стеклопластика уменьшается до нуля (ползучестью самих стекловолокон пренебрегают). Если действующие напряжения : превышают 50-=-60 % от. предела прочности материла, то ползучесть его обусловлена накоплением повреждений в стекловолокнах и перераспределением напряжений между поврежденными областями. В этом случае затухания ползучести не наблюдается. На рисунке 1.3 показаны стадии ползучести стеклопластика [19,27, 28, 29]: I стадия, продолжающаяся несколько минут - неустановившаяся ползучесть; II стадия характеризует установившуюся ползучесть материла без внутренних повреждений; Ш стадия начинается вместе с общим разрушением связей между стекловолокном и связующим.
При построении критериев длительной прочности основное значение приобретают вопросы исследования деформаций тела, связанных с проявлением реологических свойств материала (явлением ползучести) и определяющих, в конечном счете, снижение прочности материала во времени. С физической точки зрения величины деформаций являются более существенными показателями состояния материала, чем соответствующие величины напряжений, поскольку первые в явном виде характеризуют изменения и нарушения его. структуры на микро- и макро-уровнях [27].
Согласно [20, 22] возможны три независимых механизма разрушения анизотропного материала: от отрыва, от смятия и от сдвига, реализация которых зависит от вида напряженного состояния в рассматриваемой точке тела. В работе [20] Гениев Г.А. определил критерии длительной прочности ортотропного материала для каждого из возможных механизмов его разрушения. Выражение, соответствующее разрушению от отрыва в напряжениях: г1ху - гДе х у Чху заданные соотношения между величинами напряжений в главных осях анизотропии материала; Л - значение параметра внешней нагрузки. Подставляя эти выражения для напряжений в (1.17) и разрешая последнее относительно Л, Гениев получил квадратное уравнение относительно Я = Л0— параметра внешней нагрузки, приложенной в начальный момент времени /И), приводящий к разрушению материала от отрыва в течение заданного отрезка времени t=U: їхїуУхі ) у{ У ху( хуН k ( )- V fc)l?0 + R Ry =0.(1.18)
Критерий прочности (1.17) и соответствующее ему уравнение (1.18) содержат в себе 9 независимых констант материала, определяемых экспериментальным путем. По аналогии получены уравнения соответствующие случаю разрушения ортотропного материала от смятия: и от сдвига в течение заданного отрезка времени t=t : Уравнение (1.20) содержит в себе две дополнительные независимые константы материала Сх и Су - величины кратковременных пределов прочности на сдвиг, вдоль площадок с нормалями, совпадающими с осями х и у.
Ряд авторов В основу моделирования разрушения конструкций из композиционных материалов закладывали стохастические модели, полагая что механические свойства реальных материалов и конструкций имеют случайную природу. Ввиду этого предсказание несущей способности и долговечности конструкции должно носить вероятностный хараісгер. Обзор стохастических моделей разрушения дан в [30] . Примером могут служить известная модель «слабого звена» Вейбулла и модель «пучка волокон» Даниэлса [31].
Применение вероятностных методов к исследованию процессов разрушения композитов с волокнами, имеющими существенный разброс. прочностных свойств, обусловлено внутренней структурой этих материалов. Статистические теории прочности композитов, как правило, опираются на развитые В.А.Вейбуллом [31] представления о существовании статистического распределения механических свойств отдельных структурных элементов материала.
Наиболее общий подход к проблеме разрушения композиционных материалов основан на использовании кинетических моделей. Этот подход позволяет в рамках одной модели учесть нестационарный процесс нагружения, временное запаздывание разрушения, накопление отдельных повреждений, их слияние в магистральную трещину и ее развитие.
В механике твердого тела уже ранее были предложены стохастические модели, в которых процессы пластической деформации, кратковременного или усталостного разрушения трактуются как результат накопления, в материале квазинезависимых случайных повреждений.
Физико-механические характеристики исследуемых материалов
Физико-механические характеристики стеклопластика зависят от процентного содержания стекловолокна и связующего, соотношения продольных и поперечных слоев стеклоленты, величины удельного давления и температуры при прессовании. Характеристики материала АГ-4НС даны в таблице 2.3, ССЦО - в таблице 2.4.
К.А.Чапский [52], исследуя прочностные и деформативные характеристики однонаправленного стеклопластика АГ-4С получил следующие результаты: значение модуля упругости для однонаправленного стеклопластика колебалось в пределах 32500- 35100 МПа, кратковременные пределы прочности при изгибе - 770 МПа. В таблице 2.5 даны характеристики, полученные в работе [57] В.М. Грезиным. ЬСВ. Парфенов и И.Г. Романенков [45] рассмотрели влия ниє воздействия температурно-временных и химических факторов на физико-механические свойства стеклопластиков отечественного и импортного производства. Как результат работы были получены коэффициенты снижения прочности и модуля упругости стеклопластиков в условиях повышенных температур (таблица 1.1).
Также, обработав методами математической статистики результаты испытаний образцов, проведенных на одном из заводов на статический изгиб Каган и Лапидус А.С. [55] получили следующие значения среднеарифметических величин предела прочности: за 1958 год - о min- 0 =128-743,6 МПа, за 1959 год-210,3-623,1 МПа, за 1960 год- 219,1-877,3 МПа. Испытания проводили на образцах размером 10 15x120 мм.
В работе [56] даны результаты испытаний однонаправленного стеклопластика АГ-4С на растяжение (таблица 1.2) при повышенной температуре. Авторы сделали вывод, что нельзя получить истинных характеристик несущей способности материала при испытаниях образцов, изготовленных прессованием в отдельных пресс формах.
При прессовании небольшого объема появляются исключительно благоприятные условия: быстрый прогрев материала, который обеспечивает высокую степень полимеризации связующего, уплотнение наполнителя, отсутствие перерезанных волокон. На основании этого образцы из стеклопластика АГ-4НС для определения физико-механических характеристик материала нами вырезались из плит (см. п. 2.1).
Принимая во внимание выше изложенное, а также большой разброс значений физико-механических характеристик материала, нами проведены несколько серий опытов по определению прочностных и упругих характеристик стеклопластика АГ-4НС при вариации температуры и времени приложения нагрузки. Стеклопластиковый нагель в нагельном соединении работает на изгиб и "условный срез", поэтому исследовали именно эти напряженные состояния материала.
Испытания проводились при температурах 20, 40 , 60 , 80 и 100С. Перед испытанием образцы кондиционировались при нормальных тем-пературно-влажностных условиях лаборатории [108]. После кондиционирования проверялись размеры образцов в рабочей части с помощью микрометра, наносились метки, определяющие положение опор передаточного устройства [109].
Расстояние между опорами для АГ-4НС принимали Lv/h =230/15 15,4 [ПО], для образцов из ССЦО - 10d[lll]. Схема загружения образцов из AF-4НС показана на рисунке 2.7, образцов из ССЦО на рисунке 2.8.
Определение прочностных и деформационных характеристик стеклопластика АГ-4НС при срезе и изгибе в плоскости перпендикулярной прессованию при вариации температур в условиях длительного нагружения
Для определения прочностных и деформационных характеристик стеклопластика АГ-4НС в условиях длительного нагружения проведены испытания образцов на изгиб по трехточечной схеме в плоскости перпендикулярной прессованию (20, 40, 60, 80, 100 С) и срез в плоскости прессования (20, 40, 60 С) при заданных постоянных напряжениях и вариации температуры. По результатам испытаний определены средние величины (для испытанного количества образцов N) долговечности (t), длительного модуля упругости (Ядл) и относи тельной деформации (є) материала при изгибе. Основные результаты экспериментов показаны в таблице 3.6:
Испытания на, срез проводили на установках рычажного типа (рисунок 2.6) с соотношением плеч 1:10 с применением специально изготовленных ножей. Для каждой температуры выбирали 3-М значения напряжения, которые поддерживали постоянно в течение всего испытания. Каждое значение долговечности при заданной температуре и напряжении определяли по испытаниям 10- -15 образцов. Образцы размерами 5x3 1.5 мм выпиливали из пластин (см. п. 2.1). На изгиб испытывали балочки с размерами 15x10x250 мм. Каждое значение долговечности при заданной температуре и напряжении определяли при испытании 3 5 образцов. Остаточная форма образцов показана на рисунке 3;8. Из рисунка видно, что температура на характер разрушения образцов, также как и при кратковременном нагружении не повлияла. Следует отметить, что полученные нами результаты сопоставимы с аналогичными результатами для стеклопластика АГ-4С, полученные В.М. Грезиным [57] при комнатной температуре при кратковременном и длительном нагружении. У В.М. Грезина Едл=0.92Екр, по нашим данным E =0.88EKp, снижение длительного модуля упругости возможно связано с технологическим отличием материалов. Экспериментально установлено [7], что предел прочности не является константой и заметно изменяется в зависимости от времени и температуры испытаний, что подтверждено и нашими результатами испытаний [115, 116, 117, 118].
Из-за большого разброса экспериментальных данных обработку проводили статистическими методами на ЭВМ. В результате обработки определили вид зависимости if/(\gr, а), характеристики рассеяния и доверительные оценки. В установленной зависимости величине а придается смысл аргумента, а т рассматривается как функция. Для удобства вычислений в качестве случайной величины принимали x=lgr. Вероятность, с которой случайная величина попадет в доверительный интервал, принята 0.95. Результаты статистической обработки приведены в таблицы 3.7-3.8. Исходя из результатов статистической обработки, для оценки работы материала с позиции термоактивационной теории прочности в полулогарифмических координатах построены графики lgr-a и lgr-103/T.
Графики имеют вид прямых, пересекающихся в одной точке, т.е. сходящийся пучок (рисунки 3.8, 3.9, ЗЛО). Координаты полюса и его доверительные оценки также определены на ЭВМ. В результате с допустимой вероятностью установлено, что все три прямые пересекаются в одной точке — полюсе.
Установлено, что зависимости (рисунки 3.9, 3.10) имеют вид обратного пучка и не описываются формулой (1.5).,
При температуре 100 С при испытании на изгиб наблюдали упрочнение материала по сравнению с 40С более чем на 100% (таблицы 3.7, 3.9). Аналогичное упрочнение однонаправленнного стеклопластика АГ-4С наблюдал Н.И. Малинин [56] при испытаниях на растяжение при 30 и 100 С, при 100 С произошло упрочнение материала на 41,5 %.
Также Н.И. Малининым были проведены испытания образцов из АГ-4С, подверженных термообработке, однако прочность термообработанного материала превышала прочность исходного не более чем на; 10 %. Известно, что введение любого наполнителя в полимерную матрицу обуславливает изменение надмолекулярной организации полимера на границе раздела полимер наполнитель. Различие надмолекулярной организации слоя связующего, образующегося вдоль направления волокон в стеклопластике, и связующего, заполняющего остальной объем стеклопластика, может заключаться в разной степени ориентации макромолекул, упаковке и, возможно плотности сшивки. Степень ориентации фрагментов макромолекул в межфазном слое и объемная доля межфазного слоя зависят от степени взаимодействия матрицы, наполнителя; [39, 42,48] и температуры испытаний.
Влияние температуры эксплуатации на напряженное состояние древесины нагельного гнезда
Исследования по влиянию температуры на напряженное состояние древесины нагельного отверстия практически отсутствуют. Однако известно, что влияние температуры на физико-механические характеристики древесины существенно.
Деревянные образцы изготавливали из сосны согласно [127]. Влажность древесины находилась в пределах со = 8-ИО %. Маркировка, размеры образцов и условная граница упругой работы соединения, определенная из предварительных испытаний 3- 5 образцов для каждого диаметра штампа и температуры даны в таблице 4.13 и на рисуноке 4.15а. Расстояния от торцов элемента вдоль волокон древесины до оси штампа S 6d и от оси штампа до боковой грани образца S 3d. В отверстия вставляли штампы с обеспечением плотной посадки, при этом исключали запрессовывание их с целью исключения смятия древесины нагельного гнезда. С помощью графопостроителя фиксировались значения нагрузки при переходе из упругой в упруго-пластичную стадию работы древесины (т.е. момент отклонения графика зависимости деформаций от нагрузки от линейной формы), см. рисунок 4.14.
Для количественной оценки напряжений, возникающих при смятии древесины нагельного гнезда, использовали проволочные тензорезисторы с базой 10 мм, наклеенные в зоне напряженного состояния с обеих сторон образца, с помощью термостойкого клея БФ-2 [128, 129]. Регистрировали деформации с помощью АИД-4М (рисунок 4.15г). Разметка мест наклейки тензодатчиков и подготовка образца к температурным испытаниям показана на рисунок 4.156. Заданная температура испытания (20, 40, 60 и 80 С) поддерживалась при помощи съемной печи, контактного термометра и реле включения печи (рисунок 4.15в, г).
Нагружение производили с помощью разрывной машины ИР 5057-50 и специального нагружающего устройства (рисунок 4.15д), обеспечивающего зазор между пластиной и образцом не менее 2 мм, со скоростью 1 мм/мин [96].
Экспериментальные значения напряжений в образце до условного предела пропорциональности определялись по закону Гука: а =Е-є; (4.2) где Е - модуль упругости древесины сосны, принимаемый в зависимости от угла постановки тензодатчиков к направлению волокон деревянного образца и температуры испытания.
В нашем случае модули упругости соответствующие направлению волокон при различных температурах (20, 40, 60 и 80 С) определяли по формулам, приведенным в [60]. Е%ю =(0,062-0,0001Г)-104; (4.3) Есж.а =(ід_о,ооі66Г)-104; (4.4)
Модуль упругости под углом 45 определяли, как для анизотропного материала согласно [130,131]: 2/л I sin (р ЕФ ЕУ ух А ЕУ } 2 2 COS Ф (л с\ sin -COS ф + -—-, (4.J) ЕХ где Ех = 10700МПа;Еу = бООМПа - модуль упругости вдоль волокон и поперек волокон соответственно, определенные по формулам (4.3 и 4.4) для температуры 20С; // =0,02 и Gyx=500MTIa - коэффициент Пуассона поперек волокон и модуль сдвига приняты по [76].
Теоретический расчет перемещений и напряжений проводили методом конечных элементов с использованием программы ELCUT 5.1. Влияние температуры оценивали путем изменения модуля упругости (формулы 4.3 и 4.4).
Распределение напряжений в зоне нагельного гнезда (нагружение модели) принимали по формуле (4.6), считая радиус отверстия и штампа условно одинаковыми [86]. действующая на образец нагрузка, равная условно му пределу пропорциональности смятия древесины нагельного гнезда, кН\ 8 -толщина деревянного элемента, см; dm - диаметр жесткого штампа, см; - максимальный угол распределения давления; угол определения напряжений (постановки тензодатчиков) по направлению к волокнам древесины.
Разбивка образца на конечные элементы и эпюры теоретических значений напряжений при условном пределе пропорциональности (верхняя граница упругой работы древесины) для температуры 20С представлены на рисунках 4.16 и 4.17.
Полученные экспериментальные напряжения для всех исследуемых диаметров штампа при температуре 20 С представлены в таблице 4.14.
