Введение к работе
Актуальность темы.
Богатый опыт проектирования и эксплуатации деревянных конструкций в нашей стране и за рубежом показывает, что применение древесины в изгибаемых и сжато-изгибаемых элементах строительных конструкций наиболее эффективно в контексте максимального использования ее физико-механических свойств. В свою очередь эффективность применения таких элементов может быть повышена за счет армирования материалами из углеволокна на полимерной матрице и локальной модификации древесины сжатой зоны. Решение данной задачи позволит при увеличении прочности и жесткости, снизить материалоемкость и монтажную массу конструкций, уменьшить влияние анизотропии свойств и пороков древесины на несущую способность.
Отсутствие нормативной базы в области применения композитных материалов для усиления деревянных элементов строительных конструкций в отличие от железобетонных (СП 164.1325800.2014 «Усиление железобетонных конструкций композитными материалами. Правила проектирования») способствует развитию исследований в данной области.
Таким образом, направление диссертационной работы, связанное с усилением деревянных балок композитными материалами с локальной модификацией древесины сжатой зоны, является актуальной задачей.
Объект и предмет исследования. Объектом исследования являются деревянные балки с армированием композитными материалами на основе однонаправленной углеродной ленты и полимерной матрицы на части пролета в растянутой зоне и локальной модификацией древесины в сжатой зоне.
Предметом исследования является напряженно-деформированное состояние (НДС) деревокомпозитных балок с модификацией древесины.
Цель исследования – напряженно-деформированное состояние армированных полимерными композитами деревянных балок с локальной модификацией древесины сжатой зоны и разработка методики расчета на основе результатов экспериментально-теоретических исследований.
Для достижения поставленной цели определены задачи:
-
Выполнить анализ мирового опыта исследований, связанных с повышением несущей способности и обеспечением эксплуатационной надежности деревянных балок за счет модификации и армирования, в том числе композитными материалами.
-
Провести теоретические исследования деревокомпозитных балок с обоснованием принятой анизотропной физической и математической моделей.
-
На основе проведенных исследований выявить показатели рационального армирования деревянных балок композитными материалами с учетом локальной модификации древесины сжатой зоны.
-
Выполнить планирование многофакторного эксперимента и получить эмпирические формулы для нахождения прочности и деформативности деревокомпозитных балок при различных конструктивных статико-геометрических параметрах.
-
Проанализировать напряженно-деформированное состояние разработанных конструкций на основе результатов теоретических и экспериментальных исследований.
-
Разработать предложения по технологии изготовления деревянных балок с армированием полимерными композитами и модификацией древесины сжатой зоны. Научную новизну работы составляют:
– способ повышения несущей способности деревянных балок путем
армирования растянутой зоны композитными материалами и
локальной модификации древесины сжатой зоны; – уточненная методика инженерного расчета деревокомпозитных
балочных конструкций; – модифицированная численная модель, учитывающая физическую
нелинейность материалов, включая армирование и модификацию
древесины; – результаты экспериментально-теоретических исследований
деревокомпозитных балок.
Методы исследования.
В работе применены численные методы математического моделирования на основе программного комплекса Lira 10.6 (лицензия №ЛСМ10617000253), метод тензометрии, классические методы строительной механики и теории упругости анизотропного тела, метод рентгенотомографии, математическое планирование многофакторного эксперимента и статистическая обработка данных, метод определения модуля упругости модифицированной древесины по ГОСТ 21523.8-93, метод испытания на прочность пластмасс и наполненных композитов по ГОСТ 11262-2017, метод определения прочности цельной и модифицированной древесины по ГОСТ 16483.10-73.
На защиту выносятся:
– результаты теоретических и экспериментальных исследований деревокомпозитных балок;
– физическая и математическая модель для расчета деревянных балок с армированием однонаправленной углеродной лентой на части пролета и локальной модификацией древесины сжатой зоны;
– предложения по технологии изготовления деревокомпозитных балок.
Личный вклад автора заключается в обобщении существующего опыта, связанного с усилением деревянных балок композитными материалами, определения целей и задач исследования, разработке методики инженерного расчета, планировании, проведении экспериментальных исследований при статических воздействиях и обработке их результатов, разработке предложений по технологии изготовления деревокомпозитных балок.
Практическая значимость работы.
Разработанные технические и технологические решения позволяют расширить область применения деревянных балок при возведении, реконструкции, капитальном ремонте зданий и сооружений, в том числе объектов культурного наследия, за счет повышения несущей способности и улучшения эксплуатационных показателей.
Достоверность полученных результатов обеспечивается применением научно обоснованных методик, гипотез и допущений, численным математическим моделированием реальной работы конструкций на основе сертифицированных программных комплексов, достаточным объемом экспериментальных исследований с использованием широкого спектра инструментального оборудования, достаточной сходимостью экспериментальных и теоретических исследований.
Реализация результатов работы.
Результаты работы использованы в «Проекте капитального ремонта здания трапезной в с. Добрынское Владимирской области», разработанным в 2017 г. ООО «Проектная студия «Гранит», г. Владимир.
Апробация работы.
Основные положения работы и результаты исследований были представлены на: научных конференциях ФГБОУ ВО «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых» в 2014…2018 гг., ); международном симпозиуме «Современные строительные конструкции из металла и древесины» (г. Одесса, 2016 г.), «Всероссийском жилищном конгрессе» (г. Санкт-Петербург, 2016 г.), Всероссийской научно-технической конференции «Деревянные конструкции: разработка, исследование, применение» (г. Москва, 2016 г.), VIII международной научно-технической конференции «Строительная наука – XXI век» (г. Архангельск, 2017 г.), международной научно-практической конференции «SPbWOSCE. Energy efficiency and Sustainable Development in Civil Engineering» (г. Санкт-Петербург, 2017 г.), международной научно-практической конференции «Инновации в деревянном строительстве» (г. Санкт-Петербург, 2018 г.)
Публикации. По результатам научных исследований опубликовано 16 печатных работ, в том числе 1 в международной базе цитирования SCOPUS, 7 в изданиях, рекомендованных ВАК, 1 патент на изобретение.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, библиографического списка, включающего 190
наименований. Изложена на 200 страницах и содержит 96 рисунков, 19 таблиц, 2 приложения.