Введение к работе
Актуальность работы. В последние годы более половины объема вводимого в строй жилья составляет малоэтажное. Перспективной конструктивной системой для массового малоэтажного домостроения является каркасно-панельные деревянные дома из клееных конструкций. Экологичные и энергоэффективные здания отвечают задаче сохранения окружающей среды и растущим запросам потребителей. Клееная древесина также применяется в несущих конструкциях сельскохозяйственных, промышленных и общественных зданий: склады удобрений и химикатов, зернохранилища, радиопрозрачные сооружения, административные и жилые здания. К недостаткам древесины как конструкционного материала можно отнести наличие природных пороков, которые устраняются вырезанием дефектных мест из пиломатериалов. А применение клееных деревянных конструкций позволяет использовать получившиеся маломерные доски, что уменьшает отходы пиломатериалов.
Конструкции из клееной древесины могут подвергаться действию повышенной и пониженной температуры, влаги, солнечной радиации. Известно, что воздействие этих факторов влияет на механические и физические свойства древесины. В нормативной литературе воздействие неблагоприятных физических факторов учитывается снижающими коэффициентами от влажност-ного и температурного режима. Отличие в механических свойствах клееде-ревянных элементов от цельных учитывается введением коэффициента, зависящего от толщины склеиваемых слоев, а также коэффициента, учитывающего податливость клеевого соединения.
Влияние повышенной и пониженной температуры, а также влияние неблагоприятных внешних факторов на кратковременную прочность клеедере-вянных элементов широко исследовано отечественными и зарубежными учеными. Основным требованием к клеевому соединению в конструкциях является разрушение древесины, а не клеевой прослойки. Длительные механические характеристики клееной древесины изучены недостаточно.
Поэтому экспериментальное исследование долговечности клеедеревян-ных элементов является актуальным и обеспечит более точное прогнозирование параметров работоспособности конструкций при проектировании.
Влияние температуры и нагрузки в сочетании с неблагоприятными другими внешними факторами на прочность, долговечность и деформативность клеедеревянных элементов необходимо учитывать с позиций термофлуктуа-ционной концепции прочности твердого тела. Такой подход позволяет определить эксплуатационные характеристики клееных деревянных конструкций при любых внешних воздействиях.
Работа выполнена в рамках гранта по проекту № 2.1.1/660 «Исследование многослойных композитных тонкостенных конструкции, подверженных термоэлектромеханическому нагружению, на основе геометрически точных трёхмерных конечных элементов оболочки» аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2010 годы)».
Целью работы является уточнение методов расчета на прочность и де-формативность элементов из клееной древесины при наличии внешних физико-химических воздействий (температуры, влажности, агрессивных сред и УФ- облучения) и методики прогнозирования долговечности клеедеревянных конструкций (на примере балки) в реальных условиях эксплуатации.
В работе поставлены следующие задачи:
изучить термофлуктуационные закономерности разрушения элементов из клееной древесины в широком диапазоне эксплуатационных температур и напряжений при различных видах загружения и определить термофлуктуационные константы для расчета и прогнозирования долговечности и прочности элементов из клееной древесины, что позволит повысить надежность проектируемых клееных деревянных конструкций;
изучить закономерности деформирования элементов из клееной древесины при изгибе и сжатии с учетом температуры и времени эксплуатации, для прогнозирования прогибов и деформаций сжатия поперек волокон клееных деревянных балок;
изучить закономерности изменения прочностных свойств и термо-флуктуационных констант изгибаемых элементов из клееной древесины после термостарения, УФ- облучения, воздействия жидких агрессивных сред (каустическая сода, серная, соляная, азотная и уксусная кислоты), темпера-турно-влажностных воздействий. Полученные зависимости позволят с более высокой надежностью проектировать клееные деревянные конструкции подверженные физико-химическим воздействиям;
изучить изменение напряженно-деформированного состояния клееде-ревянной балки при вариации температуры и времени эксплуатации для расчета структурно-механического коэффициента, что позволит более точно определить длительную прочность и долговечность конструкции;
провести экспериментальные исследования долговечности (времени от начала нагружения до разрушения) для клееных деревянных балок, что позволит прогнозировать ее в широком диапазоне напряжений и температур;
уточнить методику расчета на долговечность и длительную прочность клееных деревянных конструкций с учетом реальных условий эксплуатации (параметров окружающей среды).
Научная новизна состоит в следующем:
долговечность и длительная прочность элементов из клееной древесины рассмотрены с позиции уточненной и обобщенной термофлуктуационной концепции прочности твердых тел, для расчета этих параметров определены термофлуктуационные константы;
полученные зависимости, описывающие деформирование элементов из клееной древесины при изгибе и сжатии в широком интервале температур и напряжений, учитывают время эксплуатации;
получены зависимости, описывающие кратковременную, длительную прочность и срок службы изгибаемых элементов из клееной древесины после УФ- облучения, температурно-влажностных воздействий и жидких агрессив-
ных сред;
изучено влияние температуры и времени эксплуатации на напряженно-деформированное состояние клеедеревянной балки; полученные зависимости относительных линейных перемещений от температуры и времени позволили уточнить расчет их прочности и долговечности;
уточнена методика расчета на долговечность и длительную прочность клееных деревянных конструкций с использованием поправок для термо-флуктуационных констант и учетом реальных параметров эксплуатационной среды.
Достоверность полученных экспериментальных результатов обеспечена проведением исследований с применением поверенного измерительного и испытательного оборудования, статистической обработкой экспериментальных результатов, применением общепринятой научной концепции.
Практическое значение работы. Аналитические зависимости для расчета на прочность и деформативность элементов из клееной древесины позволяют учитывать значения температуры, механических напряжений при изгибе, скалывании и сжатии, а также циклические температурно-влажностные воздействия, УФ-облучение и длительность эксплуатации при проектировании. Полученные результаты могут быть использованы для назначения расчетных сопротивлений и определения прогибов проектируемых клеедере-вянных балок прямоугольного сечения или для оценки надежности уже существующих.
Внедрение результатов.
Результаты работы внедрены: в ООО «Архстрой» (392000, г.Тамбов, ул.Пензенская, д. 18) и в учебный процесс Тамбовского государственного технического университета (39200, г.Тамбов, ул.Советсткая, д. 106).
Апробация работы. Основные положения работы докладывались на VII, VIII, IX, X Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы строительства и строительной индустрии» (Тула, 2006, 2007, 2008, 2009 гг.); VI Международной научно-технической конференции «Эффективные строительные конструкции: теория и практика» (Пенза, 2007 г.); Международной научно-технической конференции «Композиционные строительные материалы. Теория и практика» (Пенза, 2007 г.); Международной научно-технической конференции, посвященной 50-летию Пензенского государственного университета архитектуры и строительства «Композиционные строительные материалы. Теория и практика» (Пенза, 2008 г.); V международной научно-технической конференции «Надежность и долговечность строительных материалов и конструкций» (Волгоград, 2009 г.); Международном конгрессе «Наука и инновации в строительстве. SIB-2008». Современные проблемы строительного материаловедения и технологии (Воронеж, 2008 г.).
Публикации. По результатам исследования опубликовано 11 печатных трудов, в том числе 2 статьи опубликованы в журналах из перечня ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, определенных ВАК РФ.
Автор защищает:
результаты экспериментальных исследований по влиянию температуры и времени эксплуатации на прочностные и деформационные характеристики изгибаемых элементов из клееной древесины и клеевых соединений;
результаты экспериментальных исследований изменения прочностных характеристик изгибаемых элементов из клееной древесины после воздействия эксплуатационных факторов (УФ- облучения, температурно-влажностных воздействий и агрессивных растворов);
результаты исследований напряженно-деформированного состояния клеедеревянных балок при изменении температуры и времени эксплуатации;
результаты экспериментальных исследований долговечности клеедере-вянной балки;
уточненную методику прогнозирования долговечности и прочности клееных деревянных конструкций с учетом воздействия эксплуатационных факторов (УФ- облучения, температурно-влажностных воздействий и агрессивных растворов).
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка использованных источников из 146 наименований и содержит 173 страницы, в том числе 118 страниц машинописного текста, 15 таблиц, 94 рисунка и три приложения.
Похожие диссертации на Прочность и деформативность клеедеревянной балки с учетом времени, влажности и температуры эксплуатации
