Применение термически поврежденной древесины в деревоклееных конструкциях тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Мартынов Владислав Алексеевич

• Мартынов Владислав Алексеевич
• кандидат наук
• 2024

Оглавление диссертации кандидат наук Мартынов Владислав Алексеевич

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Строение древесины

1.2. Конструкционные свойства древесины

1.3. Свойства древесины с точки зрения воздействия огня

1.4. Механизм воздействия огня на древесину

1.5. Цель и задачи исследования

Выводы по главе

ГЛАВА 2. РАСЧЕТНО-ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ДКК С ПРИМЕНЕНИЕМ ТЕРМИЧЕСКИ ПОВРЕЖДЕННОЙ ДРЕВЕСИНЫ

2.1. Исследование физико-механических характеристик термически повреждённой древесины

2.1.1. Отбор древесины для изготовления стандартных образцов

2.1.2. Исследование физических свойств

2.1.3. Определение предела прочности древесины при сжатии вдоль волокон

2.1.4. Определение предела прочности древесины при скалывании вдоль волокон

2.1.5. Определение предела прочности древесины при растяжении вдоль волокон

2.1.6. Определение предела прочности древесины на статический изгиб

2.1.7. Исследование микроструктуры древесины

2.1.8. Испытания клеевого соединения

2.2. Инженерный расчет деревянных балок, изготовленных с применением термически поврежденной древесины, по предельным состояниям

2.2.1. Выбор физической модели. Формирование математической модели конструкции деревоклееной балки на основе метода конечных элементов

2.2.2. Расчет по первой группе предельных состояний

2.2.3. Расчет по второй группе предельных состояний

2.2.4. Метод конечных элементов в программном комплексе «ЛИРА 10.12»

2.2.5. Обобщенный алгоритм расчета деревоклееной балки

2.2.6. Результаты расчетов деревянных балок, изготовленных с применением термически поврежденной древесины

Рисунок 2.47. Деформированная схема балки БК-5. Прогибы при 0=12 кН/м

Выводы по главе

ГЛАВА 3. МЕТОДИКА, ПЛАНИРОВАНИЕ И ПРОВЕДЕНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ

3.1. Общая методика и планирование экспериментальных исследований

3.2. Планирование многофакторного эксперимента

3.3. Планирование и подготовка испытаний крупномасштабных моделей деревоклееных балок с применением термоповрежденной древесины

3.3.1 Описание экспериментального испытательного стенда

3.3.2. Подготовка крупномасштабных моделей балок к испытаниям

Выводы по главе

ГЛАВА 4. ОБОБЩЕННЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

4.1. Результаты численного расчета в нелинейной постановке задачи

4.1. Результаты эксперимента на крупномасштабных моделях балок

4.1.1. Результаты испытаний серии балок БК-2 с 62% замещением древесины в сечении на термоповрежденную

4.1.2. Результаты испытаний серии балок БК-4 с 36% замещением древесины в

сечении на термоповрежденную

4.1.3. Результаты испытаний серии эталонных балок БК-5

Выводы по главе

ГЛАВА 5. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕРЕВЯННЫХ БАЛОК С ПРИМЕНЕНИЕМ ТЕРМИЧЕСКИ ПОВРЕЖДЕННОЙ ДРЕВЕСИНЫ

5.1. Отбор сырьевой древесины, поврежденной термическим воздействием

5.2. Приемка входящего обрезного пиломатериала

5.3. Сортировка и раскрой сортиментов

5.4. Камерная сушка термически поврежденной древесины

5.5. Калибровка материала, полученного из термически поврежденной древесины

5.6. Особенности запрессовки ламелей и формирования пакета КДК из первосортной и термоповрежденной древесины

5.7. Защита конструкции антипиренами и биоцидами

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Применение термически поврежденной древесины в деревоклееных конструкциях»

ВВЕДЕНИЕ

Использование древесины в конструкциях тесно связано с актуальными тенденциями энерго- и ресурсосбережения, а также улучшением характеристик элементов при одновременном снижении монтажной массы и обеспечении высокой эксплуатационной надежности. Важно отметить, что древесина является возобновляемым природным ресурсом, что делает её применение более экологически устойчивым и соответствующим современным требованиям. Изучение физико-механических характеристик древесины внесло значительный вклад в применение несущих конструкций из этого материала. В различных типах зданий, как промышленных, так и общественных, используются древесные конструкции как временного, так и постоянного назначения.

Большой вклад в изучение физико-механических свойств древесины внесли Ашкенази Е.К., Белянкин Ф.П., Санжаровский Р.С., Иванов Ю.М., Иванов В.Ф., Знаменский Е.М., Карлсен Г.Г., Леонтьев Н.Л., Мелехов В.И., Митинский А.Н., Журавский Д.И., Найчук А.Я., Перелыгин Л.М., Савков Е.И., Слицкоухов Ю.В., Уголев Б.Н. и другие.

Исследованиями, направленными на повышение прочности элементов несущих и ограждающих конструкций, а также на улучшение технологии усиления этих элементов занимались Арленинов Д.К., Вдовин В.М., Тамби А.А., Дмитриев П.А., Жаданов В.И., Журавлев Д.А., Инжутов И.С., Котлов В.Г., Колчунов В.И., Лабудин Б.В., Маилян Л.Р., Миронов В.Г., Михайлов Б.К., Орлович Р.Б., Отрешко А.И., Погорельцев А.А., Пятикрестовский К.П., Римшин В.И., Рощина С.И., Светозарова Е.И., Серов Е.Н., Стоянов В.В., Травуш В.И., Турковский С.Б., Турков А.В., Федоров В.С., Фурсов В.В., Хлебной Я.Ф., Хухрянский П.Н., Шмидт А.Б., Шухов В.Г., Щуко В.Ю. и другие.

Изучением вопросов технологии, модификации и сушки древесины, а также проблемами устойчивости деревянных конструкций к воздействию факторов внешней среды занимались Глухих В.Н., Каратаев С.Г., Ковальчук Л.М., Косиченко Н.Е., Левинский Ю.Б., Мажара П.И., Онегин В.И., Платонов А.Д., Санаев В.Г., Черных А.Г. Из зарубежных исследований отмечены работы Ваитап

R., Gatz K.-H., Haring H., Hettzer O., Kollmann F., Larsen H., Lyon D.E., Mielczarek Z., Norris H. и другие.

Значительный вклад в изучение влияния лесных пожаров на состояние древостоев внесли И.С. Мелехов, Д.Н. Шмыков, Л.А. Юницкий, А.А. Мочалин, М.Л. Дворецкий, И.А. Алексеев, Ю.П. Демаков, К.К. Калинин.

Актуальность темы. Использование древесины в конструкциях тесно связано с актуальными тенденциями энерго- и ресурсосбережения, а также улучшением характеристик элементов при одновременном снижении монтажной массы и обеспечении высокой эксплуатационной надежности. Важно отметить, что древесина является возобновляемым природным ресурсом, что делает её применение более экологически устойчивым и соответствующим современным требованиям. Актуальными задачами являются вопросы ресурсосбережения и сохранения лесного фонда, которые предлагается в работе частично решить за счет применения древесины, поврежденной термическим воздействием лесного пожара, в качестве конструкционного материала. Одним из наиболее рациональных способов применения такой древесины является использование ее в деревоклееных конструкциях (ДКК).

Тем не менее, объем полученных результатов, включая международные исследования, недостаточен для формирования четкой нормативно-правовой базы, регулирующей применение древесины, подверженной огневому и термическому воздействиям, в строительных конструкциях. Недостаточно исследованы прочностные характеристики такой древесины, конструкции, в которых возможно ее применение и в каком качестве, а также технологические особенности производства ДКК.

Степень разработанности темы. В настоящее время практически отсутствует практика использования древесины, поврежденной термическим воздействием лесного пожара, в строительных конструкциях. В нормативных документах РФ отсутствуют методики расчета, расчетные характеристики, возможности применения термически поврежденной древесины. В публикациях отечественных и зарубежных авторов по данной тематике отсутствуют

исследования физико-механических свойств термически поврежденной древесины, не исследованы особенности изготовления клееных деревянных конструкций с применением такой древесины. Не исследованы конструкции, в которых возможно ее применение и в каком качестве, не разработаны методики расчета для проектирования деревоклееных балочных конструкций (ДКК) с применением термически поврежденной древесины.

Перечисленные факторы свидетельствуют о том, что данная тема является недостаточно изученной, а вопрос использования термически поврежденной древесины в качестве конструкционного материала является востребованной и актуальной задачей.

Исследование выполнено при поддержке гранта Российского научного фонда №22-29-01579, https://rscf.ru/project/22-29-01579/.

Работа выполнена в рамках государственного задания в сфере научной деятельности Министерства науки и высшего образования Российской Федерации (тема FZUN-2020-0015, госзадание ВлГУ).

Объект исследования - деревоклееные балочные конструкции с частичным применением термически поврежденной древесины в составе поперечного сечения пакета ДКК.

Предмет исследований - напряженно-деформированное состояние деревоклееной балочной конструкции, выполненной с частичным применением термически поврежденной древесины сосны.

Область исследования соответствует требованию паспорта научной специальности ВАК РФ 4.3.4 - «Технологии, машины и оборудование для лесного хозяйства и переработки древесины».

Цель диссертационной работы - совершенствование технологии изготовления ДКК с применением древесины, поврежденной термическим воздействием лесного пожара.

Для достижения цели определены задачи:

1. Провести анализ состояния вопроса и разработать конструктивное решение деревоклееных балок с использованием термически поврежденной

древесины в составе пакета (сечения) на основе результатов испытаний фактических физико-механических характеристик древесины с учетом анизотропных свойств.

2. Разработать расчетную математическую модель и выполнить теоретические исследования напряженно-деформированного состояния (НДС) деревоклееной балочной конструкции; выполнить численные исследования деревоклееной балочной конструкции с различными вариантами соотношения термически поврежденной и цельной древесины.

3. Исследовать качество и технологические особенности клеевого соединения элементов из термически поврежденной древесины, оценить адгезионные и когезионные свойства соединения.

4. Провести экспериментальные исследования ДКК и оценить адекватность физической и математической моделей, определить несущую способность ДКК с различным соотношением термически поврежденной и цельной древесины.

5. Разработать практические рекомендации по технологии изготовления ДКК с применением термически поврежденной древесины.

Научная новизна результатов исследований:

- Научно обоснована и доказана возможность применения древесины, поврежденной огневым воздействием лесного пожара, для применения в элементах ДКК.

- Разработаны математическая модель и на основании численных исследований предложена методика инженерного расчета деревоклееных балочных конструкций с различным соотношением термически поврежденной и цельной древесины.

- Изучены прочностные и деформационные характеристики деревоклееной бимодульной балочной конструкции с частичным применением термически поврежденной древесины. Получены функциональные зависимости характера деформаций деревоклееных конструкций.

- Определены зависимости и соотношения цельной и термоповрежденной древесины в поперечном сечении ДКК с сохранением несущей способности.

Методы исследования. При проведении исследования использованы различные методы: математическое моделирование, статистическая обработка, планирование многофакторного эксперимента, вычислительные ПК и комплексы 3D-моделирования. Экспериментальные исследования проводились на стандартных образцах и натурных моделях с применением современного инструментального обеспечения.

Достоверность полученных результатов обеспечена применением научно-обоснованных методик проведения теоретических и экспериментальных исследований, выполненных с использованием методов численного моделирования. Планирование экспериментов и последовательное выполнение экспериментальных исследований позволило достигнуть приемлемой верификации результатов. При проведении исследований применялась сертифицированная инструментальная и техническая лабораторная база кафедры. Результаты теоретических и экспериментальных исследований обладают достаточно высокой сходимостью и подтвержденной достоверностью.

Теоретическая значимость работы. Прочностные характеристики термически поврежденной древесины, полученные экспериментальным путем, и расчетная математическая модель, учитывающая анизотропные свойства материала, позволяют выполнить расчет несущей способности ДКК с высокой достоверностью.

Практическая значимость работы. Предложена технология изготовления ДКК с применением термически поврежденной древесины. Результаты исследования позволяют расширить номенклатуру ДКК и частично заменить сортообразующие пиломатериалы при изготовлении ламелей. Выполнено уточнение методики инженерного расчета.

Личный вклад автора заключается в проведении обзора, анализа и обобщения отечественного и мирового опыта в области исследований по применению термически поврежденной древесины в деревокомпозитных конструкциях, применении метода конечных элементов (МКЭ) в расчете ДКК с различным соотношением термически поврежденной древесины к общей массе конструкции, разработке математической модели и методики проведения исследований, оценке несущей способности с обеспечением эксплуатационной надежности клееных деревянных конструкций, технологических решений. В ходе исследования были получены новые технологические решения, результаты были обобщены и опубликованы в научных статьях.

Реализация результатов работы: использованы в учебном процессе ВлГУ, переданы в ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко для корректировки редакции норм СП 64.13330.2017 «Деревянные конструкции».

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных конференциях ФГБОУ ВО «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых» в 2021-23 гг.; на международной научно-практической конференции «International Conference on Materials Physics, Building Structures and Technologies in Construction, Industrial and Production Engineering» (MPCPE-2022) (г. Владимир, 2022 г.); международной научно-практической конференции «International Conference on Materials Physics, Building Structures and Technologies in Construction, Industrial and Production Engineering» (MPCPE-2023) (г. Владимир, 2023 г.); на VII Международной научно-практической конференции «Наука и инновации в строительстве», посвященной 170-летию В.Г. Шухова (г. Белгород, 2023 г.); на I Международном строительном конгрессе (г. Москва, 2023 г.); на VII Международной студенческой научной конференции «Традиции, современные проблемы и перспективы развития строительства» (г. Гродно, Беларусь, 2024 г.).

На защиту выносят следующие положения и результаты:

- конструкции деревокомпозитных балочных элементов, выполненных с применением термически поврежденной древесины;

- теоретические исследования напряженно-деформированного состояния деревоклееных балочных конструкций с применением термоповрежденной древесины, разработанная математическая модель;

- результаты теоретических и экспериментальных исследований деревоклееных балочных элементов для ДКК с термоповрежденной древесиной;

- рекомендации по практическому применению ламелей из древесины, поврежденной термическим воздействием лесного пожара.

Публикации. По результатам исследований по теме диссертации опубликовано 14 работ, в том числе 3 - в изданиях по перечню ВАК, 6 - в базах международного цитирования Scopus, 1 - в прочих изданиях. Получено 4 патента.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, списка литературы из 223 наименований, представлена на 154 страницах и содержит 91 рисунок, 28 таблиц.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

Лесные пожары наносят огромный вред состоянию естественных лесных экосистем. Охваченные огнём 3 миллиона гектаров лесных массивов в Сибири в 2019 году наглядно показывают, какую опасность для жизни и здоровья людей представляют возгорания в лесу, какой ущерб они наносят имуществу и живой природе. Площадь лесных пожаров в России может варьироваться от 500 тыс. до 3,5 млн гектаров ежегодно, что соответствует числу от 9 тыс. до 35 тыс. случаев пожаров в год [126, 138]. На восстановление лесных экосистем необходимо несколько десятков лет, поэтому вопрос сохранения и эффективного природопользования стоит наиболее остро.

Данную проблему можно частично решить за счет максимально полного использования природных древесных ресурсов. Исследование лесов акцентируется на вопросах качества древесины, пострадавшей от пожаров, и ее потенциальном использовании в строительстве. Изучено, что частично обугленный материал сохраняет высокие технические характеристики, открывая новые перспективы для его применения в конструкциях. Но существующие данные, включая результаты международных исследований, слишком недостаточны для разработки строгих норм и правил, контролирующих использование термически поврежденной пожаром древесины в строительстве. Следует отметить, что, достаточно глубоко изучены физико-механические свойства цельной древесины, но исследования сырьевой древесины, поврежденной пожаром, более чем скромны.

Необходимо провести более детальные исследования механических свойств сырьевой древесины, поврежденной термическим воздействием лесного пожара (а именно установление прочности, устойчивости, пластичности, деформативности и определение расчетных сопротивлений при растяжении, скалывании вдоль волокон, изгибе и сжатии).

1.1. Строение древесины

Внутренний слой древесины представлен рыхлой структурой сердцевины, образующей пятно диаметром 2-5 мм в поперечном разрезе. Его форма может меняться. Слои коры и камбия соединяются между собой клеточным слоем, создавая два уровня в древесине. Кольцевая структура коры отличается от основной части древесины тёмным оттенком. Кора состоит из двух частей: внешней (обеспечивающей защиту) и внутренней (обеспечивающей проводимость) (Рисунок 1.1, 1.2). Разнообразные структуры и цвета поверхности коры зависят от типа дерева [89].

Рисунок 1.1. Разрезы ствола дерева и рисунок древесины: 1 - поперечный; 2 - радиальный; 3 - тангенциальный.

Ядро, годичные слои, сердцевинные лучи, заболонь и смоляные ходы - все эти элементы составляют макроскопическое строение древесины. Годичные слои формируются в процессе роста дерева и представляют собой концентрические образования. Заболонь является внешним слоем дерева, содержащим живые клетки и обеспечивающим питание. Ядро представляет собой внутреннюю часть

древесины, где расположены мёртвые клетки, придающие прочность. Состав древесного ствола представлен на рисунке 1.3.

Рисунок 1.2. Составные части древесного ствола: 1 - кора; 2 - заболонь; 3 - ядро; 4 - годичный слой; 5 - сердцевина; 6 -фрагмент годичного слоя; 7 - камбий; 8 - луб; 9 - корка [156]

Сердцевинные лучи играют важную роль в транспортировке жидкости и питательных веществ через древесину. Они представляют собой узкие каналы, обеспечивающие жизненно важные процессы в дереве [89].

Защиту от вредителей и бактерий обеспечивают смоляные ходы, которые наполнены смолой. Эти каналы служат важным барьером, защищающим древесину от различных внешних воздействий.

Изучение заболони как механизма для накопления веществ и переноса воды — это одно из ключевых аспектов понимания жизненных процессов растений. Помимо этого, формирование ядра в древесине происходит в результате сложного взаимодействия различных материалов, направленного на улучшение не только физико-механических свойств, но и на замедление процессов естественного износа.

Повышение эффективности транспорта воды и повышение долговечности материалов через их структурную оптимизацию — вот два ключевых направления, влияющих на развитие инженерных решений и биомимикрии в современной науке и технике.

Рисунок 1.3. Общие виды годичных слоев на поперечном (а), радиальном (б), тангенциальном (в) разрезах древесины [156]

Структура древесины, состоящая из лучей сердцевины, играет важную роль в обеспечении питанием. Лучи представляют собой нити, идущие от середины ствола к поверхности. Эти лучи выполняют функцию передающих каналов и способствуют распределению питательных веществ в растении. Разнообразие лучей включает в себя тонкие, широкие и ложные примеры, достигающие толщины до 1,0 мм [62-63]. При расщеплении древесины, лучи проявляются как длинные полосы, направленные от сердцевины к поверхности. При разрезе перпендикулярно, они выглядят как веретеноподобные штрихи.

Лучи сердцевины играют ключевую роль в структуре древесины, занимая значительное место и объем. Их разнообразие и формы позволяют древесине выполнять свои функции в организме растения.

а) б) в)

Рисунок 1.4. Вид сердцевинных лучей на поперечном (а), тангенциальном (б), радиальном (в) разрезах древесины

1.2. Конструкционные свойства древесины

Дерево состоит из разнообразных элементов, таких как лигнин, гемицеллюлоза, пектиновые соединения, минеральные вещества, целлюлоза и эфирные масла, которые образуют клеточные стенки [89, 110]. Их сочетание обеспечивает древесине прочность, устойчивость и множество других характеристик. Понимание влияния биохимических процессов на свойства строительных материалов открывает возможности для создания новых инновационных материалов с улучшенными характеристиками. Например, изучение процессов, происходящих при обработке древесины, позволяет разрабатывать более эффективные способы улучшения ее качества и долговечности.

Рисунок 1.5. Микроструктура древесины

Лигнин, связывая углеводные компоненты древесины, обладает высокой химической стойкостью и не растворяется в кислотах и растворителях, тесно связан с гемицеллюлозами. Для защиты его от ультрафиолетового излучения необходимо применение масел, лаков и пропиток. Древесина обладает высокой механической прочностью и эластичностью благодаря углеводным соединениям и целлюлозе [82-84]. Её химические свойства позволяют использовать древесину для строительства несущих конструкций и сельскохозяйственных сооружений.

Запас влаги в древесине оказывает непосредственное воздействие на физические и механические характеристики материала. Факторы, определяющие влажность только что срубленной древесины, включают породу дерева, местоположение и положение в стволе. Например, для хвойных пород данный показатель может достигать даже 120% [84]. После рубки происходит быстрое испарение свободной влаги, а затем влага, впитанная в стенки клеток, постепенно выходит наружу.

На рисунке 1.6 представлена периферическая зона, называемая заболонью, где находятся молодые клетки.

Рисунок 1.6. Составные части ствола по его главным разрезам: 1 - поперечном, 2 - радиальном, 3 - тангенциальном [159]

Широта применения древесины в строительстве определяется ее физическими свойствами. Плотность сортиментов древесины может изменяться в диапазоне от 150 до 1300 кг/м3 и зависит от породы и возраста дерева [9, 96]. Разница в плотности годовых колец на спилах древесины показана на рисунке 1.7.

Рисунок 1.7. Спилы древесины сосны (450 кг/м ) и эбенового (черного) дерева

(1300 кг/м3)

Влажность древесины в строительстве играет важную роль, так как от нее зависят пористость и плотность материала. Эти показатели могут изменяться от 30% до 80%. Древесина обладает структурой, содержащей много пор и обеспечивающей свободное движение жидкостей и газов.

В строительных работах следует отдавать предпочтение древесине с влажностью, не превышающей 20%. Долгое время в сухих и отапливаемых помещениях приводит к снижению влажности древесины до 8-12%. Специальные сушильные камеры и печи обеспечивают абсолютно сухую древесину с нулевым уровнем влажности. Древесина становится более устойчивой к воздействию воды при понижении влажности. Недостаточная вентиляция способствует гниению влажной древесины из-за разнообразных грибков. Но если дерево высушено или всегда находится в воде, оно не портится, так как содержит мало кислорода. Влажность воздуха сильно влияет на структуру дерева, особенно на его прочность вдоль волокон. Хвойные породы, оставленные в воде, теряют половину своей прочности. Процесс высыхания и набухания древесины зависит от направления волокон. Деформации вдоль волокон обычно игнорируются, в то время как деформации поперек волокон требуют внимания из-за их значимости. Различают усушку древесины в тангенциальном и радиальном направлении. При нарушении технологии сушки древесины возникают радиальные трещины в толстых деревянных элементах [58, 63].

При анализе прочности древесины необходимо учитывать множество факторов, включая не только направление нагрузки и наличие дефектов, но и плотность и влажность материала. При изучении прочности сосны обнаруживается значительная переменчивость показателей пределов прочности при различных воздействиях и направлениях приложения нагрузки. Например, при сжатии поперек волокон она колеблется в пределах от 20 до 25 МПа, а при растяжении вдоль волокон - от 100 до 190 МПа. Обращает на себя внимание значимость показателя прочности на изгиб, который у сосны составляет примерно от 50 до 100 МПа [56-57]. Сложность обработки древесины возрастает с увеличением ее твердости, что приводит к быстрому износу инструментов.

Различные биологические факторы оказывают воздействие на физические характеристики древесины, что связано как с уникальным строением дерева, так и с появлением дефектов в процессе его формирования. Несоответствующие условия эксплуатации также способствуют возникновению негативных

биологических процессов в деревянных конструкциях. Пороки дерева оказывают негативное воздействие на его физические характеристики, так как нарушают нормальную структуру дерева. Они бывают природными или механическими. Природные дефекты возникают из-за особенностей роста деревьев, а механические — из-за процессов заготовки, обработки и хранения древесины [56, 62, 72].

Микроорганизмы, такие как грибки, бактерии и микроорганизмы, вызывают биологические повреждения, приводящие к изменению цвета или разрушению материала. Древесина обладает рядом конструктивных особенностей, которые делают её привлекательным строительным материалом. Ее плотность в 15 раз меньше стали и в 5 раз меньше бетона, что делает дерево идеальным материалом для строительства из-за своей прочности и легкости [153, 158]. Одно из главных преимуществ дерева заключается в возможности перекрывать большие пролеты в зданиях без устройства дополнительных опор. Это значительно уменьшает количество необходимых элементов для поддержания конструкции и делает деревянные сооружения более функциональными и экономичными. Важно отметить, что при такой низкой плотности древесина сохраняет высокую удельную прочность, что является ключевым фактором при выборе материала для строительных конструкций.

Строительство зданий и сооружений с использованием деревянных элементов становится все более популярным из-за их уникальных свойств. Элементы из древесины обладают малой теплопроводности по сравнению со сталью и бетоном, что делает их более эффективными в сохранении тепла и исключении образования мостов холода в ограждающих конструкциях. Это позволяет создавать здания без необходимости в блоках и температурных швах.

1.3. Свойства древесины с точки зрения воздействия огня

В процессе горения воздушно-сухой древесины образуется древесный уголь, который обладает более низкой теплопроводностью, чем сама древесина, и

горит медленнее. Скорость потери прочности рабочих частей деревянной конструкции (ДК) в результате пожара не превышает 0,8 мм в минуту [91]. Это делает деревянные конструкции более устойчивыми к разрушению во время пожара по сравнению со стальными конструкциями, которые при нагревании могут терять мощность и становиться менее несущими на протяжении продолжительного времени.

При достижении температуры около 210 °С, начинается горение древесины открытым огнем, что сопровождается увеличением температуры. Удлинение стальной конструкции на 90 мм при нагревании до 500 °С приводит к серьезным напряжениям в здании. Древесина деформируется в 3-4 раза меньше при нагревании. В условиях отсутствия открытого источника тепла, древесина может воспламениться при быстром нагреве до температуры выше 330 °С за 1-2 минуты [151].

При многократном воздействии тепла дерево начинает загораться при температуре 150-170 °С, что необходимо учитывать при установке деревянных конструкций рядом с источниками тепла. Чтобы древесина не воспламенялась, необходимо поддерживать температуру ниже 150 °С [151, 185].

Для того, чтобы древесный материал продолжал гореть самостоятельно, необходимо, чтобы количество накопленного тепла превышало количество тепла, которое он отдает. Другими словами, чтобы продлить горение, нужно поддерживать температуру прилегающих частей выше температуры, при которой древо начинает гореть.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Мартынов Владислав Алексеевич, 2024 год

ша р

со

а Р

45,8 45,6 45,4 45,2 45,0 44,8 44,6 44,4 44,2 44,0

427,5 449,55 471,6 Плотность древесины р,

кг/м3

Рисунок 3.2. Влияние факторов «р», «Т», «Р» на прочность КДК с применением термически поврежденной древесины

На рисунке 3.2 графики показывают, какие факторы оказывают воздействие на стабильность экспериментальных проб. Очевидно, что ключевое значение имеет соотношение термически поврежденной древесины в сечении к общей массе «Т», затем толщина ламелей «Р», наименьшее влияние оказывает плотность древесины « ».

1. С учетом проведенного многофакторного эксперимента можно сказать, что при производстве деревянных балок из термоповрежденной древесины оптимальными параметрами являются:

2. Средняя плотность древесины, применяемой в качестве материала конструкции - 471,6 кг/м . Место отбора древесины с данной плотностью -комлевая часть ствола.

3. Оптимальное соотношение площади поперечного сечения древесины, поврежденной термическим воздействием, к общей площади поперечного сечения клееной балки - 24%.

4. Толщина ламелей - 32 мм. В соответствии с требованиями ГОСТ 208502014 и табл. 10 СП 64.13330.2017 принимаем толщину ламелей, равную 31±1 мм.

3.3. Планирование и подготовка испытаний крупномасштабных моделей деревоклееных балок с применением термоповрежденной древесины

Эксперимент проведен на крупномасштабных моделях деревоклееных балок, представленных на рисунке 2.25, выполненных в масштабе 1:2, т.е. с уменьшением всех геометрических параметров, в том числе толщины ламелей, в два раза. Для анализа сходимости результатов необходимо сравнение не менее трех показателей разрушающей нагрузки, определенных численным расчетом и экспериментально. Было изготовлено 2 серии крупномасштабных экспериментальных балок пролетом 3.0 м сечением 70х250(^ мм с частичным замещением ламелей на термически поврежденную древесину сосны и одна серия эталонных балок БК-5. В каждой серии было по 3 балки, выполненные со следующими соотношениями термически поврежденной древесины в сечении:

- БК-2 с 62% замещением ламелей в сечении на термически поврежденную древесину. Результаты численных исследований показывают, что применение термически поврежденной древесины позволяет снизить применение древесины 1-го сорта сосны более чем в 1.6 раза, при этом снижение несущей способности балки составит всего 13.36%;

- БК-4 с 36% замещением ламелей на термически поврежденную древесину сосны. Было установлено наименьшее снижение несущей способности по сравнению с эталонной на 2.49 %;

- БК-5, выполненная целиком из древесины сосны 1-го сорта.

Балки БК-1, обладающие наименьшей несущей способностью, не изготавливались, как и балки БК-3, целесообразность применения которых, как показали численные исследования, ниже, чем БК-2 и БК-4.

Общий вид крупномасштабных моделей деревоклееных балок БК-2, БК-4, БК-5, изготовленных для экспериментальных исследований, представлен на рис.

3.3.

Рисунок 3.3. Крупномасштабные модели деревоклееных балок а) общий вид; б) балка БК-2 с 62% замещением древесины на

термоповрежденную Изготовление балок выполнено в заводских условиях с использованием ММФ клеевой системы Акго№Ье1 Cascomm 1255/7555. Результаты испытания стандартных образцов, изготовленных с применением данной клеевой системы, представлены в разделе 2.1.8.

Поскольку в целях безопасности при испытаниях в экспериментальном испытательном стенде верхняя часть оборудована рамой, которая, при возникновении нештатной ситуации обеспечивала безопасность оператора силовой установки от разрушающихся элементов испытуемых балок, то схему загружения следует изменить на обратную. Расчетная схема крупномасштабных моделей балок представлена на рисунке 3.4.

V 1 3—

1000 0 1000 0 1000 /

У / 3000 и

У /

Рисунок 3.4. Расчетная схема крупномасштабных моделей испытуемых балок

3.3.1 Описание экспериментального испытательного стенда

Для исследования прочностных характеристик материалов и конструкций использован экспериментальный испытательный стенд, разработанный кафедрой СК Владимирского государственного университета им. А.Г. и Н.Г. Столетовых. Он представляет собой комплексное сооружение, основой которого являются двутавровые балки и трубы определенного сечения. Стальные направляющие жестко закреплены каркасу, а подвижный ролик перемещается по ним, служа для перемещения траверсы. Траверса, в свою очередь, обеспечивает перенос нагрузки от балки к домкрату через шарнир.

Приложение нагрузок осуществляется при помощи гидравлических домкратов, установленных с шагом 1,0 м и объединенных с ручным гидравлическим насосом посредством шлангов ВД. Кроме того, в стенде применяются контрольно-измерительные элементы, такие как динамометрические датчики с электронной индикацией, которые позволяют получать точные данные о нагрузках и деформациях в процессе испытаний. Испытательный стенд, предназначенный для загружения балочных конструкций, установлен на силовом монолитном ж/б полу, способным выдерживать до 100 тонн на квадратный метр. Стальные швеллеры добавляют дополнительную прочность этому полу.

Балки испытательного стенда поддерживаются боковыми траверсами, имеющими ролики и распределительные накладки для шарнирного прижима балки перед каждым тестом.

Схематическое изображение и общий обзор испытательного стенда можно увидеть на рисунках 3.5. и 3.6.

6

Рисунок 3.5. Схема испытательного стенда и оборудования: 1 - силовой пол; 2 - рама стенда; 3 - опора балки; 4 - балка; 5 - гидравлический домкрат, соединенный с динамометром; 6 - прогибомер (6-ПАО); 7 - индикаторы часового

типа

Рисунок 3.6. Крупномасштабные модели деревоклееных балок а), б) общий вид стенда; в) подвижная траверса с гидравлическим домкратом

3.3.2. Подготовка крупномасштабных моделей балок к испытаниям

Измерение напряжений в деревоклееных балках производилось при помощи фольговых тензорезисторов с подложкой из полиэфирной смолы марки PFL-20-11 с базой 20 мм и сопротивлением 120 Ом. Данные тензорезисторы внесены в Госреестр средств измерений Российской Федерации. Данные тензорезисторы обеспечили достоверные измерения деформаций материалов, что является ключевым аспектом исследования.

Для записи и анализа полученных данных использовался многоканальный измерительный усилитель ТВБ-530 от японской компании TML, предоставляющий возможность статических измерений напряжений и деформаций в конструкциях. Такой подход позволил получить полную картину об изменениях во внутренних напряжениях и деформациях материалов.

На рисунке 3.7 представлен внешний вид и характеристики измерительного комплекса TDS-530.

Рисунок 3.7. Многоканальный измерительный комплекс ТВБ-530

Вертикальные перемещения конструкций фиксировались при помощи вертикальных прогибомеров ПАО-6, установленных в середине пролета балки и на одной из опор (рисунок 3.8).

Рисунок 3.8. Установка прогибомеров ПАО-6 а) в середине пролета; б) на опоре

Перед началом эксперимента было принято решение о установке деревянных балок в испытательном стенде. Изначально, для этого процесса были закреплены датчики напряжения на опорах и в середине пролета балок при помощи клея «Cosmofen». Следующим шагом было установление балок в испытательном стенде, а затем проведено соединение контактов датчиков с измерительным комплексом TDS-530 через специальные клеммные контакты методом пайки. (рисунок 3.9).

Рисунок 3.9. Установка тензорезисторов а) на опоре; б) в середине пролета

Выводы по главе 3

1. Разработана общая методика экспериментальных испытаний, включающая в себя три основные стадии: планирование многофакторного эксперимента для определения оптимальных параметров для конструирования балок; выполнение численного расчета крупномасштабных моделей балочных конструкций пролетом 3,0 м в нелинейной постановке задачи с использованием фактических прочностных и деформационных характеристик древесины; проведение эксперимента на крупномасштабных моделях балок пролетом 3,0 м; сопоставительный анализ результатов численного и натурного экспериментальных исследований, определение поправочного коэффициента

для обеспечения сходимости результатов эксперимента и численного расчета натурных балочных конструкций пролетом 6,0 м.

2. Выполнено планирование многофакторного эксперимента на крупномасштабных моделях балок для определения оптимальных показателей следующих факторов: плотности древесины, напрямую зависящей от места отбора древесины по высоте ствола дерева; соотношение площади термоповрежденной древесины в сечении к общей массе цельной балки; толщины применяемых ламелей. Проведен ряд экспериментальных испытаний крупномасштабных моделей балок, результаты которых учтены при планировании многофакторного эксперимента.

3. Для проведения натурных испытаний были изготовлены три серии крупномасштабных моделей балок на основе планирования эксперимента. Описана конструкция специального испытательного стенда, процедура подготовки балок к испытаниям и использованное измерительное оборудование.

ГЛАВА 4. ОБОБЩЕННЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ

ИССЛЕДОВАНИЙ

Экспериментальные исследования деревоклееных балок, изготовленных с применением термически поврежденной древесины сосны, проводились с 2021 по 2024 год в лабораториях кафедры строительных конструкций (СК) Владимирского государственного университета им. А.Г. и Н.Г. Столетовых (ВлГУ). Результаты разделены на две группы: численное моделирование больших балочных конструкций с пролетом 3,0 м, используя фактические характеристики древесины, выявленные в ходе испытаний на стандартных образцах, и результаты натурных испытаний таких конструкций.

4.1. Результаты численного расчета в нелинейной постановке задачи

Численный расчет балок в нелинейной постановке задачи в ПК «ЛИРА 10.12». Это позволило предварительно оценить распределение напряжений в деревоклееных балках и определить разрушающую нагрузку. В качестве физической модели древесины сосны принята транстроптная модель. По результатам ранее выполненной серии испытаний термически поврежденной древесины и древесины сосны 1 -го сорта на стандартных образцах были построены усредненные графики зависимости «Напряжения - деформации». Задание фактических значений коэффициента Пуассона, объемного веса, напряжений и соответствующих им деформаций позволяет выполнить численный расчет с учетом действительной работы древесины сосны.

Нагружение балок в численном эксперименте в нелинейной постановке задачи осуществлялось двумя сосредоточенными нагрузками с шагом 2.0 кН/м. Расчетная схема исследуемых балок представлена на рисунке 4.1, характер распределения нормальных напряжений в балках - на рисунке 4.2.

Рисунок 4.1. Расчетная схема испытываемых балочных конструкций

■

Рисунок 4.2. Характер распределения нормальных напряжений балок БК-2, БК-4,

БК-5 Ку, МПа

Оценка несущей способности экспериментальных крупномасштабных моделей балок выполнялась по предельным состояниям I и II группы методом сравнения максимальных нормальных напряжений ^ в слоях древесины сосны 1-го сорта и термически поврежденной древесины с их расчетными сопротивлениями изгибу, при превышении которых произойдет разрушение. Расчетное сопротивление древесины I сорта составляет 24,0 МПа, древесины III сорта, которому соответствует термоповрежденная древесина - 16,5 МПа. Значения нормальных напряжений МПа приведены в таблице 4.1.

Таблица 4.1 - Значения нормальных напряжений МПа при нелинейном расчете крупномасштабных моделей балок

Значения сосредоточенных нагрузок, кН Сечение балки

БК-2 БК-4 БК-5

12.00 20.54 19.93 19.70

8.01 4.85

14.00 23.77 23.06 22.83

9.16 5.97

16.00 27.29 26.40 26.13

10.47 7.10

Суммарная разрушающая нагрузка, кН 28.26 29.12 29.42

Относительное снижение несущей способности, % 3.94 1.02 -

Примечание. Значения напряжений указаны через знак дроби, где в числителе приведены напряжения в древесине 1-го сорта, в знаменателе - 3-го сорта.

4.1. Результаты эксперимента на крупномасштабных моделях балок

Проведены натурные испытания в каждой из трех серий балок пролетом 3,0 м. Экспериментальные результаты представлены в табличной форме, материалах фотофиксации и на графиках деформационно-прочностных характеристик.

Маркировка балок:

1. Серия БК-2 - деревоклееная балка с замещением 62% древесины в сечении на термически поврежденную;

2. Серия БК-4 - деревоклееная балка с замещением 36% древесины в сечении на термически поврежденную;

3. Серия БК-5 - эталонная балка, изготовленная из древесины I сорта.

Исследование показало, что разрушение балок серии БК-2 происходило при средней общей нагрузке 63,81 кН (21,27 кН/м) из-за повреждения волокон древесины в растянутой зоне (в ламелях из древесины I сорта) при прогибе в 19,01 мм. Разрушений в клеевых слоях или опорных зонах балок не обнаружено.

Касательно балок серии БК-4, их разрушение происходило при средней суммарной разрушающей нагрузке 68,61 кН (22,87 кН/м) из-за повреждения волокон древесины в растянутой зоне (в ламелях из древесины I сорта) при прогибе в 19,23 мм. Опять же, не было зафиксировано разрушений в клеевых слоях или опорных зонах балок.

При изучении разрушения балок серии БК-5 было обнаружено, что происходило оно при прогибе величиной 20,24 мм и средней разрушающей нагрузке 75,99 кН (25,33 кН/м). В результате разрыва волокон древесины в ламелях из древесины I сорта. Не обнаружено разрушений в клеевых слоях и опорных зонах балок.

4.1.1. Результаты испытаний серии балок БК-2 с 62% замещением древесины

в сечении на термоповрежденную

При проведении натурных испытаний крупномасштабных моделей балок важно анализировать несколько показателей деформационных и прочностных свойств.

Один из таких показателей - вертикальные перемещения балок, которые вычислены путем сравнения данных прогибомеров, установленных в середине пролета и в опорной зоне. Результаты представлены в таблице 4.2.

Таблица 4.2 - Усредненные результаты испытаний балок серии БК-2 (нагрузка и прогибы)

№ загружения Время отсчета Нагрузка общая, кгс Нагрузка общая, кН Нагрузка на 1 домкрат, кгс Нагрузка на 1 домкрат, кН Центральный прогибомер ПАО-6, мм Боковой прогибомер ПАО-6, мм Итоговый прогиб, cм

0 16:00 0 0,00 0 0 0 0 0

1 16:00 400 3,92 200 1,96 1,41 0,23 1,18

2 16:15 800 7,85 400 3,92 2,77 0,44 2,33

3 16:30 1200 11,77 600 5,88 4,24 0,72 3,52

4 16:45 1600 15,69 800 7,85 5,62 0,95 4,67

5 17:00 2000 19,61 1000 9,81 7,07 1,20 5,87

6 17:15 2400 23,54 1200 11,77 8,48 1,44 7,04

7 17:30 2800 27,46 1400 13,73 9,91 1,71 8,20

8 17:45 3200 31,38 1600 15,69 11,27 1,94 9,33

9 18:00 3600 35,30 1800 17,65 12,73 2,18 10,55

10 18:15 4000 39,23 2000 19,61 14,15 2,44 11,71

11 18:30 4400 43,15 2200 21,57 15,38 2,66 12,72

12 18:45 4800 47,07 2400 23,54 16,91 2,93 13,98

13 19:00 5200 51,00 2600 25,50 18,37 3,17 15,20

14 19:15 5600 54,92 2800 27,46 19,74 3,40 16,34

15 19:30 6000 58,84 3000 29,42 21,18 3,65 17,53

16 19:45 6400 62,76 3200 31,38 22,64 3,91 18,73

17 (разрушение) 20:00 6506,8 63,81 3253,4 31,91 23,15 4,14 19,01

Значения показаний тензорезисторов, установленных в середине пролета и в опорной зоне балки (таблица 4.3). Схема расположения тензорезисторов на испытуемых балках представлена на рисунке 4.3.

Рисунок 4.3. Схема расположения тензорезисторов на боковой и нижней грани

испытуемой балки

Таблица 4. 3 - Усредненные результаты испытаний балок серии БК-2 (относительные деформации в местах установки тензорезисторов)

№ загр. Нагрузка, кгс Тензодатчики (де), мм*10-6

Приопорная зона Середина пролета

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

1 400 22 7 -4 -16 -191 127 30 -41 -83 -159

2 800 44 14 -8 -31 -381 253 60 -83 -166 -318

3 1200 67 21 -13 -47 -572 380 90 -124 -248 -477

4 1600 89 28 -17 -62 -763 506 121 -166 -331 -635

5 2000 111 35 -21 -78 -954 633 151 -207 -414 -794

6 2400 133 42 -25 -94 -1144 760 181 -249 -497 -953

7 2800 156 49 -30 -109 -1335 886 211 -290 -579 -1112

8 3200 178 56 -34 -125 -1526 1013 241 -332 -662 -1271

9 3600 200 62 -38 -140 -1717 1139 271 -373 -745 -1430

10 4000 222 69 -42 -156 -1907 1266 302 -415 -828 -1589

11 4400 245 76 -46 -172 -2098 1392 332 -456 -910 -1748

12 4800 267 83 -51 -187 -2289 1519 362 -498 -993 -1906

13 5200 289 90 -55 -203 -2480 1646 392 -539 -1076 -2065

14 5600 311 97 -59 -218 -2670 1772 422 -581 -1159 -2224

15 6000 334 104 -63 -234 -2861 1899 452 -622 -1241 -2383

16 6400 356 111 -68 -250 -3052 2025 482 -664 -1324 -2542

17 (разрушение) 6506,8 362 113 -69 -254 -3103 2059 490 -675 -1346 -2584

1. Из значений относительных деформаций при помощи закона Гука определим нормальные напряжения в ламелях древесины 1 сорта и термоповрежденной древесине (таблица 4.4).

Таблица 4. 4 - Усредненные результаты испытаний балок серии БК-2

(нормальные напряжения по боковой и нижней граням балки)

№ загр. Нагр, кгс Напряжения в древесине (центральная часть балки) о, МПа

Приопорная зона Середина пролета

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

0 0 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00

1 400 0,22 0,07 -0,04 -0,15 -1,87 1,24 0,30 -0,41 -0,81 -1,56

2 800 0,44 0,14 -0,08 -0,31 -3,74 2,48 0,59 -0,81 -1,62 -3,11

3 1200 0,65 0,20 -0,12 -0,46 -5,61 3,72 0,89 -1,22 -2,43 -4,67

4 1600 0,87 0,27 -0,17 -0,61 -7,48 4,96 1,18 -1,63 -3,24 -6,23

5 2000 1,09 0,34 -0,21 -0,76 -9,35 6,20 1,48 -2,03 -4,06 -7,78

6 2400 1,31 0,41 -0,25 -0,92 -11,22 7,44 1,77 -2,44 -4,87 -9,34

7 2800 1,53 0,48 -0,29 -1,07 -13,08 8,68 2,07 -2,85 -5,68 -10,90

8 3200 1,74 0,54 -0,33 -1,22 -14,95 9,92 2,36 -3,25 -6,49 -12,46

9 3600 1,96 0,61 -0,37 -1,38 -16,82 11,16 2,66 -3,66 -7,30 -14,01

10 4000 2,18 0,68 -0,41 -1,53 -18,69 12,41 2,95 -4,07 -8,11 -15,57

11 4400 2,40 0,75 -0,46 -1,68 -20,56 13,65 3,25 -4,47 -8,92 -17,13

12 4800 2,62 0,82 -0,50 -1,83 -22,43 14,89 3,55 -4,88 -9,73 -18,68

13 5200 2,83 0,88 -0,54 -1,99 -24,30 16,13 3,84 -5,29 -10,54 -20,24

14 5600 3,05 0,95 -0,58 -2,14 -26,17 17,37 4,14 -5,69 -11,35 -21,80

15 6000 3,27 1,02 -0,62 -2,29 -28,04 18,61 4,43 -6,10 -12,17 -23,35

16 6400 3,49 1,09 -0,66 -2,45 -29,91 19,85 4,73 -6,50 -12,98 -24,91

17 (разрушение) 6506,8 3,55 1,11 -0,67 -2,49 -30,41 20,18 4,81 -6,61 -13,19 -25,33

Рисунок 4.4. Балка серии БК-2, установленная на испытательном стенде

Рисунок 4.5. Разрушение балки серии БК-2 в середине пролета по волокнам

растянутой зоны

4.1.2. Результаты испытаний серии балок БК-4 с 36% замещением древесины

в сечении на термоповрежденную

Таблица 4. 5 - Усредненные результаты испытаний балок серии БК-4

(нагрузка и прогибы)

№ загружения Время отсчета Нагрузка общая, кгс Нагрузка общая, кН Нагрузка на 1 домкрат, кгс Нагрузка на 1 домкрат, кН Центральный прогибомер ПАО-6, мм Боковой прогибомер ПАО-6, мм Итоговый прогиб, см

0 8:40 0 0,00 0 0 0 0 0

1 8:55 400 3,92 200 1,96 1,32 0,23 1,09

2 9:10 800 7,85 400 3,92 2,66 0,45 2,21

3 9:25 1200 11,77 600 5,88 3,96 0,68 3,28

4 9:40 1600 15,69 800 7,85 5,29 0,91 4,38

5 9:55 2000 19,61 1000 9,81 6,61 1,13 5,48

6 10:10 2400 23,54 1200 11,77 7,93 1,36 6,57

7 10:25 2800 27,46 1400 13,73 9,31 1,59 7,72

8 10:40 3200 31,38 1600 15,69 10,62 1,82 8,80

9 10:55 3600 35,30 1800 17,65 11,97 2,04 9,93

10 11:10 4000 39,23 2000 19,61 13,33 2,27 11,06

11 11:25 4400 43,15 2200 21,57 14,57 2,50 12,07

12 11:40 4800 47,07 2400 23,54 15,89 2,72 13,17

13 11:55 5200 51,00 2600 25,50 17,21 2,95 14,26

14 12:10 5600 54,92 2800 27,46 18,58 3,18 15,40

15 12:25 6000 58,84 3000 29,42 19,92 3,40 16,52

16 12:40 6400 62,76 3200 31,38 21,24 3,63 17,61

17 12:55 6800 66,69 3400 33,34 22,53 3,86 18,67

18 (разрушение) 13:10 6996,2 68,61 3498,1 34,31 23,20 3,97 19,23

Таблица 4. 6 - Усредненные результаты испытаний балок серии БК-4

(относительные деформации в местах установки тензорезисторов)

Нагрузка, кгс Тензодатчики (де), мм*10-6

№ загр. Приопорная зона Середина пролета

1 2 3 4 5 6 7 8 9

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

1 400 19 7 -4 -19 214 121 29 -39 -98

2 800 37 13 -8 -37 428 243 58 -79 -197

3 1200 56 20 -12 -56 642 364 86 -118 -295

4 1600 75 27 -16 -75 855 486 115 -158 -393

5 2000 93 33 -20 -93 1069 607 144 -197 -492

6 2400 112 40 -24 -112 1283 729 173 -237 -590

7 2800 131 47 -28 -131 1497 850 201 -276 -688

8 3200 149 53 -32 -149 1711 971 230 -316 -787

9 3600 168 60 -36 -168 1925 1093 259 -355 -885

10 4000 187 67 -40 -187 2138 1214 288 -395 -983

11 4400 205 73 -44 -205 2352 1336 317 -434 -1082

12 4800 224 80 -49 -224 2566 1457 345 -474 -1180

13 5200 243 86 -53 -243 2780 1579 374 -513 -1278

14 5600 261 93 -57 -261 2994 1700 403 -553 -1377

15 6000 280 100 -61 -280 3208 1821 432 -592 -1475

16 6400 299 106 -65 -299 3421 1943 461 -632 -1573

17 6800 317 113 -69 -317 3635 2064 489 -671 -1672

18 (разрушение) 6996,2 327 116 -71 -327 3740 2124 503 -690 -1720

Таблица 4. 7 - Усредненные результаты испытаний балок серии БК-4

(нормальные напряжения по боковой и нижней граням балки)

№ загр. Нагр, кгс Напряжения в древесине (центральная часть балки) о, МПа

Приопорная зона Середина пролета

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

0 0 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00

1 400 0,18 0,07 -0,04 -0,18 2,10 1,19 0,28 -0,39 -0,96 -1,53

2 800 0,37 0,13 -0,08 -0,37 4,19 2,38 0,56 -0,77 -1,93 -3,06

3 1200 0,55 0,20 -0,12 -0,55 6,29 3,57 0,85 -1,16 -2,89 -4,60

4 1600 0,73 0,26 -0,16 -0,73 8,38 4,76 1,13 -1,55 -3,85 -6,13

5 2000 0,91 0,33 -0,20 -0,91 10,48 5,95 1,41 -1,93 -4,82 -7,66

6 2400 1,10 0,39 -0,24 -1,10 12,57 7,14 1,69 -2,32 -5,78 -9,19

7 2800 1,28 0,46 -0,28 -1,28 14,67 8,33 1,97 -2,71 -6,74 -10,72

8 3200 1,46 0,52 -0,32 -1,46 16,76 9,52 2,26 -3,10 -7,71 -12,26

9 3600 1,65 0,59 -0,36 -1,65 18,86 10,71 2,54 -3,48 -8,67 -13,79

10 4000 1,83 0,65 -0,40 -1,83 20,96 11,90 2,82 -3,87 -9,64 -15,32

11 4400 2,01 0,72 -0,44 -2,01 23,05 13,09 3,10 -4,26 -10,60 -16,85

12 4800 2,20 0,78 -0,48 -2,20 25,15 14,28 3,38 -4,64 -11,56 -18,38

13 5200 2,38 0,85 -0,52 -2,38 27,24 15,47 3,67 -5,03 -12,53 -19,91

14 5600 2,56 0,91 -0,55 -2,56 29,34 16,66 3,95 -5,42 -13,49 -21,45

15 6000 2,74 0,98 -0,59 -2,74 31,43 17,85 4,23 -5,80 -14,45 -22,98

16 6400 2,93 1,04 -0,63 -2,93 33,53 19,04 4,51 -6,19 -15,42 -24,51

17 6800 3,11 1,11 -0,67 -3,11 35,63 20,23 4,79 -6,58 -16,38 -26,04

18 (разрушение) 6996,2 3,20 1,14 -0,69 -3,20 36,65 20,81 4,93 -6,77 -16,85 -26,79

Рисунок 4.8. Разрушение балки серии БК-4 в середине пролета по волокнам

растянутой зоны

Таблица 4. 8 - Усредненные результаты испытаний балок серии БК-5

(нагрузка и прогибы)

№ загружения Время отсчет а Нагрузк а общая, кгс Нагрузк а общая, кН Нагрузк а на 1 домкрат, кгс Нагрузк а на 1 домкрат, кН Центральны й прогибомер ПАО-6, мм Боковой прогибоме р ПАО-6, мм Итоговы й прогиб, см

0 14:25 0 0,00 0 0 0 0 0

1 14:40 400 3,92 200 1,96 1,27 0,23 1,04

2 14:55 800 7,85 400 3,92 2,54 0,47 2,07

3 15:10 1200 11,77 600 5,88 3,84 0,70 3,14

4 15:25 1600 15,69 800 7,85 5,08 0,93 4,15

5 15:40 2000 19,61 1000 9,81 6,36 1,17 5,19

6 15:55 2400 23,54 1200 11,77 7,62 1,40 6,22

7 16:10 2800 27,46 1400 13,73 8,91 1,63 7,28

8 16:25 3200 31,38 1600 15,69 10,22 1,87 8,35

9 16:40 3600 35,30 1800 17,65 11,47 2,10 9,37

10 16:55 4000 39,23 2000 19,61 12,76 2,33 10,43

11 17:10 4400 43,15 2200 21,57 14,04 2,57 11,47

12 17:25 4800 47,07 2400 23,54 15,35 2,80 12,55

13 17:40 5200 51,00 2600 25,50 16,58 3,03 13,55

14 17:55 5600 54,92 2800 27,46 17,87 3,27 14,60

15 18:10 6000 58,84 3000 29,42 19,15 3,50 15,65

16 18:25 6400 62,76 3200 31,38 20,44 3,73 16,71

17 18:40 6800 66,69 3400 33,34 21,72 3,97 17,75

18 18:55 7200 70,61 3600 35,30 23,02 4,20 18,82

19 19:10 7600 74,53 3800 37,27 24,27 4,43 19,84

20 (разрушение) 19:25 7748,7 75,99 3874,35 37,99 24,76 4,52 20,24

Таблица 4. 9 - Усредненные результаты испытаний балок серии БК-5

(относительные деформации в местах установки тензорезисторов)

№ загр. Нагрузка, кгс Тензодатчики (де), мм*10-6

Приопорная зона Середина пролета

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0

1 400 21 8 -5 -19 206 125 37 -48 -98 -149

2 800 43 16 -11 -38 412 249 75 -96 -196 -298

3 1200 64 24 -16 -56 619 374 112 -144 -293 -447

4 1600 85 32 -21 -75 825 498 150 -192 -391 -596

5 2000 106 41 -26 -94 1031 623 187 -240 -489 -745

6 2400 128 49 -32 -113 1237 747 224 -288 -587 -894

7 2800 149 57 -37 -132 1443 872 262 -337 -684 -1043

8 3200 170 65 -42 -150 1649 996 299 -385 -782 -1192

9 3600 192 73 -47 -169 1856 1121 337 -433 -880 -1341

10 4000 213 81 -53 -188 2062 1246 374 -481 -978 -1490

11 4400 234 89 -58 -207 2268 1370 411 -529 -1075 -1639

12 4800 255 97 -63 -225 2474 1495 449 -577 -1173 -1788

13 5200 277 105 -68 -244 2680 1619 486 -625 -1271 -1937

14 5600 298 114 -74 -263 2886 1744 524 -673 -1369 -2086

15 6000 319 122 -79 -282 3093 1868 561 -721 -1466 -2235

16 6400 340 130 -84 -301 3299 1993 598 -769 -1564 -2384

17 6800 362 138 -90 -319 3505 2118 636 -817 -1662 -2533

18 7200 383 146 -95 -338 3711 2242 673 -865 -1760 -2682

19 7600 404 154 -100 -357 3917 2367 711 -913 -1858 -2831

20 (разрушение) 7748,7 412 157 -102 -364 3994 2413 724 -931 -1894 -2886

Таблица 4.10 - Усредненные результаты испытаний балок серии БК-5

(нормальные напряжения по боковой и нижней граням балки)

№ загр. Нагр, кгс Напряжения в древесине (центральная часть балки) о, МПа

Приопорная зона Середина пролета

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

0 0 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00 0,00

1 400 0,21 0,08 -0,05 -0,18 2,02 1,22 0,37 -0,47 -0,96 -1,46

2 800 0,42 0,16 -0,10 -0,37 4,04 2,44 0,73 -0,94 -1,92 -2,92

3 1200 0,63 0,24 -0,15 -0,55 6,06 3,66 1,10 -1,41 -2,87 -4,38

4 1600 0,83 0,32 -0,21 -0,74 8,08 4,88 1,47 -1,88 -3,83 -5,84

5 2000 1,04 0,40 -0,26 -0,92 10,10 6,10 1,83 -2,36 -4,79 -7,30

6 2400 1,25 0,48 -0,31 -1,10 12,12 7,32 2,20 -2,83 -5,75 -8,76

7 2800 1,46 0,56 -0,36 -1,29 14,14 8,54 2,57 -3,30 -6,71 -10,22

8 3200 1,67 0,64 -0,41 -1,47 16,16 9,77 2,93 -3,77 -7,66 -11,68

9 3600 1,88 0,72 -0,46 -1,66 18,18 10,99 3,30 -4,24 -8,62 -13,14

10 4000 2,09 0,79 -0,52 -1,84 20,20 12,21 3,67 -4,71 -9,58 -14,60

11 4400 2,29 0,87 -0,57 -2,03 22,23 13,43 4,03 -5,18 -10,54 -16,06

12 4800 2,50 0,95 -0,62 -2,21 24,25 14,65 4,40 -5,65 -11,50 -17,52

13 5200 2,71 1,03 -0,67 -2,39 26,27 15,87 4,76 -6,12 -12,46 -18,98

14 5600 2,92 1,11 -0,72 -2,58 28,29 17,09 5,13 -6,60 -13,41 -20,44

15 6000 3,13 1,19 -0,77 -2,76 30,31 18,31 5,50 -7,07 -14,37 -21,90

16 6400 3,34 1,27 -0,83 -2,95 32,33 19,53 5,86 -7,54 -15,33 -23,36

17 6800 3,55 1,35 -0,88 -3,13 34,35 20,75 6,23 -8,01 -16,29 -24,82

18 7200 3,75 1,43 -0,93 -3,31 36,37 21,97 6,60 -8,48 -17,25 -26,28

19 7600 3,96 1,51 -0,98 -3,50 38,39 23,19 6,96 -8,95 -18,20 -27,74

20 (разрушение) 7748,7 4,04 1,54 -1,00 -3,57 39,14 23,65 7,10 -9,13 -18,56 -28,29

Рисунок 4.10. Балка серии БК-5, установленная на испытательном стенде

Рисунок 4.11. Разрушение балки серии БК-5 в середине пролета по волокнам

растянутой зоны

Прогнозирование длительной несущей способности конструкции Nn осуществляется на базе полученных при испытаниях значений разрушающей нагрузки Nt и временной его характеристики t. В качестве исходной берется закономерность длительной прочности древесины, которая может быть использована для экстраполяции прочностных показателей кратковременного испытания на длительные периоды времени, соответствующие заданным срокам [129].

В соответствии с «Рекомендациями по испытанию соединений деревянных конструкций» ЦНИИСК им. Кучеренко должно выполняться неравенство (4.1):

Nt

iVn

где

При средней продолжительности испытания и числе этапов

нагружения

t\ = 182 ■ 600 = 194400 с (4.2)

Продолжительность испытания:

194400

t = 382 = 5089,0 с (4.3)

К = 1,38(1,94 - 0,1161од{5089,0)) = 2,08 (4.4)

Отсюда Nn < N = N

К 2,08

Таблица 4.11 - Результаты численных и экспериментальных исследований

Показатель Сечение балки

БК-2 БК-4 БК-5

Расчетная несущая способность, кН/м

Инженерный расчет 9,68 10,96 11,07

ПК «ЛИРА 10.12» 9,42 9,71 9,81

Эксперимент (разрушающая

нагрузка) Ы 21,27 22,87 25,33

Эксперимент (расчетная несущая способность) Ып 10,23 11,00 12,18

Сопоставительные графики максимальных нормальных напряжений и прогибов исследуемых балок от действующей нагрузки были построены на основе численных и экспериментальных исследований. Экспериментальные данные и расчеты также были использованы для сравнения результатов.

12,20

12,00 11,00

0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 10,00 12,00 14,00 16,00 18,00 20,00 22,00 24,00 26,00 28,00 30,00

Напряжения, МПа

---БК-2 (расчет) —•—БК-2 (эксперимент)---БК-4 (расчет)

БК-4 (эксперимент)---БК-5 (расчет)

БК-5 (эксперимент)

Рисунок 4.13. Графики зависимости максимальных нормальных напряжений исследуемых балок от действующей нагрузки в сравнении с экспериментальными

данными и расчетом

12,00 11,00 10,00

| 9,00

8,00 7,00

л

т с о н б о с о п с

§ 6,00 у

с е

ен 5,00

н

теч 4,00

с

а

Рч

3,00 2,00 1,00 0,00

20,24 19,23 УЧЕНИЕ X] 19,36 19,54

У* '

V /

20,56

/

6 8 10 12 14 16 18 20 Прогиб в середине пролета, мм

22

0

2

4

---БК-2 (расчет) —•— БК-2 (эксперимент)---БК-4 (расчет)

—•—БК-4 (эксперимент)---БК-5 (расчет) —•—БК-5 (эксперимент)

Рисунок 4. 14. Графики зависимости максимальных прогибов исследуемых балок от действующей нагрузки в сравнении с экспериментальными данными и

расчетом

Сводные результаты численных и экспериментальных исследований крупномасштабных моделей балок представлены в таблице 4.12.

Таблица 4.12 - Сопоставительный анализ результатов численного расчета и экспериментальных исследований крупномасштабных моделей балок

Показатели Расчетная несущая способность, кН/м Нормальные напряжения в ламелях из древесины 1-го сорта Нормальные напряжения в ламелях из термически поврежденной древесины Прогибы

Сжатие, МПа Растяжение, МПа Сжатие, МПа Растяжение, МПа мм

Балка БК-2 (62% замещения ламелей в сечении)

Инженерный расчет 9.68 24.00 - 7.39 - 27.05

Нелинейный расчет 9.42 23.99 17.32 9.61 8.98 19.54

Эксперимент 10.23 30.39 24.22 15.83 5.77 19.01

Балка БК-4 (36% замещения ламелей в сечении)

Инженерный расчет 10.96 24.00 - 4.32 - 27,06

Нелинейный расчет 9.71 24.00 17.38 6.53 5.13 20.56

Эксперимент 11.00 23.90 17.20 6.38 4.78 19.23

Балка БК-5 (эталонная)

Инженерный расчет 11.07 24.00 - - - 24.21

Нелинейный расчет 9.81 24.00 17.32 - - 19.36

Эксперимент 12.18 24.57 17.57 - - 20.24

Расхождение расчетных и экспериментальных значений разрушающих нагрузок составляет 0,36...9,11%, что подтверждает корректность выбора математической модели и расчетных характеристик материала, что позволяет определить резервы прочности несущей способности исследуемых деревоклееных балок БК-1.БК-5 пролетом 6.0 м посредством численного расчета.

Фактическая несущая способность балок БК-1...БК-5 составила 8.53, 10.72, 11.36, 12.06 и 12.38 кН/м соответственно. Снижение несущей способности относительно «эталонной» балки БК-5 составила: у БК-1 - 31.12%, БК-2 - 13.36%, БК-3 - 8.2 % и БК-4 - 2.49 %.

1. В результате проведенного натурного эксперимента на крупномасштабных моделях балок получены следующие значения расчетной несущей способности балок: БК-2 (изготовленные с замещением 36% древесины в сечении на термоповрежденную) - 10,23 кН/м; БК-4 (замещение 36%) - 11,0 кН/м; БК-5 (из древесины I сорта) - 12,18 кН/м. При этом относительное снижение несущей способности составило: для балок БК-2 - 16,0%; для балок БК-4 - 9,7%.

2. Результаты натурного эксперимента соотносятся с данными инженерного и численного расчетов с погрешностью 0,36...9,11%. Данная погрешность вызвана анизотропией древесины и различной степенью повреждения древесины термическим воздействием. В инженерном расчете введен коэффициент куп = 1.05, который позволяет снизить ошибку до 4,5%, учитывая изменение прочности древесины в растянутой зоне.

3. Определены резервы прочности несущей способности исследуемых деревоклееных балок БК-1...БК-5 пролетом 6.0 м посредством численного расчета. Фактическая несущая способность балок БК-1...БК-5 составила 8.53, 10.72, 11.36, 12.06 и 12.38 кН/м соответственно. Снижение несущей способности относительно «эталонной» балки БК-5 составила: у БК-1 - 31.12%, БК-2 - 13.36%, БК-3 - 8.2 % и БК-4 - 2.49 %.

4. Возможность применения древесины, поврежденной термическим воздействием лесного пожара, подтверждена научными исследованиями, экспериментально обоснована целесообразность применения древесины, поврежденной термическим воздействием лесного пожара, в деревоклееных балочных конструкциях, что позволяет сократить расходы на производство ДКК за счет использования более дешевого сырья.

ГЛАВА 5. ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕРЕВЯННЫХ БАЛОК С ПРИМЕНЕНИЕМ ТЕРМИЧЕСКИ ПОВРЕЖДЕННОЙ ДРЕВЕСИНЫ

Весь процесс производства сложных изделий из дерева включает в себя не только применение различных методов и техник, но и строгий контроль качества на всех этапах, начиная с раскроя материала и заканчивая хранением готовой продукции. Технология производства обеспечивает системный подход к использованию ресурсов и оптимизации всех производственных процессов. Научно обоснованные методы воздействия на сырье включают в себя не только механическую обработку, но и применение специализированных защитных составов для улучшения характеристик конечного продукта.

В общем виде технологию изготовления клееных деревянных конструкций с применением древесины, поврежденной огневым воздействием, можно представить в виде принципиальной блок-схемы, представленной на рис. 5.1:

Рисунок 5.1. Принципиальная блок-схема изготовления КДК.