Совершенствование технологии и повышение эксплуатационной надежности деревянных стеновых конструкций из клееного бруса тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.21.05, кандидат наук Кирютина Светлана Евгеньевна

• Кирютина Светлана Евгеньевна
• кандидат наук
• 2018

Оглавление диссертации кандидат наук Кирютина Светлана Евгеньевна

ВВЕДЕНИЕ

1.Анализ состояния вопроса. Цель и задачи исследования

1.1 Основные понятия надежности строительных конструкций

1.2 Деревянные конструкции зданий и сооружений - характеристики

и опыт эксплуатации

1.3 Деревянные конструкции в малоэтажном домостроении

1.3.1 Динамика развития малоэтажного строительства. Основные типы деревянных стеновых конструкций

1.3.2 Натурные исследования дефектов, снижающих фактический уровень качества деревянных зданий

1.3.3. Характерные особенности бревенчатых и брусчатых зданий

1.3.4 Осадка бревенчатых и брусчатых стен

1.4. Анализ действующей нормативно-технической документации, в которой установлены требования к качеству деревянных конструкций

1.5 Выводы. Цель и задачи исследования

2. Методики проведения исследований

2.1. Методика расчета вертикальных деформаций стеновой конструкции от эксплуатационных факторов

2.2.Методика экспериментального исследования вертикальных деформаций

2.2.1 Отбор и характеристики образцов для исследований

2.2.2 Краткое описание технологии производства клееного бруса на предприятии

2.2.3. Основные сведения об измерительных приборах и испытательном оборудовании, схема расстановки датчиков

2.3 Методика исследования напряженно - деформированного состояния клееного бруса в соединении

2.4 Методика математико-статистической обработки результатов многофакторного эксперимента развития напряжений смятия в физической модели

3. Исследование вертикальных деформаций стеновой конструкции при эксплуатационных воздействиях

3.1 Аналитическое исследование величины деформации стеновых элементов при эксплуатационных воздействиях

3.1.1 Общие положения

3.1.2 Определение численных величин параметров, влияющих на деформации

3.1.3 Определение значений деформации от нагрузки для элементов из клееной древесины

3.1.4 Определение значений деформаций для элементов из цельной древесины высокой влажности

3.2. Экспериментальное исследование величины деформации стеновой конструкции от нагрузки

3.2.1 Этапы нагружения фрагмента конструкции

3.2.2 Получение экспериментальных данных

3.3. Выводы по результатам аналитических и экспериментальных исследований

4. Моделирование развития напряжений в соединении стеновой конструкции при эксплуатационных нагрузках

4.1. Построение физической модели фрагмента стеновой конструкции

4.2 Определение постоянных упругости древесины в трех направлениях

4.3 Построение физической модели с использованием метода конечных

элементов

4.3.1. Исходные данные

4.3.2 Планирование многофакторного эксперимента

4.3.3 Результаты многофакторного эксперимента

4.4 Выводы по главе

5 Обоснование множественной связи между характеристиками клееного бруса и надежностью стеновой конструкции

5.1 Построение математической модели, связывающей параметры клееного стенового бруса и развитие напряжения смятия в соединениях

5.2 Обоснование повышения эксплуатационной надежности стеновой конструкции посредством совершенствования технологических характеристик клееного бруса

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ

Числовые значения вертикальных деформаций

ПРИЛОЖЕНИЕ

Вывод итогов регрессионно-корреляционного анализа

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Совершенствование технологии и повышение эксплуатационной надежности деревянных стеновых конструкций из клееного бруса»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность исследования. Использование древесины в строительстве обусловлено многими факторами и имеет многовековую историю. На первый план выходит то, что древесина является прочным, легким, экологически чистым возобновляемым источником сырья с минимальными затратами энергии на изготовление строительных материалов и изделий. При глубокой переработке древесины в элементы строительных конструкций и их утилизации наносится минимальный ущерб окружающей среде, то есть деревянные строительные конструкции обладают такими свойствами, которые удовлетворяют понятию «зеленое строительство». Вместе с тем, часто, при тепловизионном обследовании малоэтажных деревянных жилых зданий выявляются дефекты стен из клееного бруса - значительные перепады температур в межвенцовых и угловых сопряжениях между брусьями, в местах заполнения стен оконными и дверными блоками. Поэтому исследование конфигурации стеновых элементов в межвенцовых соединениях и их формоустойчивость в деревянной стеновой конструкции, совершенствование технологии их изготовления с учетом анизотропных свойств материала, позволит повысить эксплуатационную надежность конструктивных элементов деревянных малоэтажных зданий, что делает работу своевременной и актуальной.

Обеспечение надежности строительных конструкций - проблема, которой посвящено большое количество исследований, публикаций, нормативных документов и многое другое [1, 3, 4, 72, 78, 102]. Тем не менее, в вопросе надежности есть аспекты, которые не укладываются в сложившиеся подходы к надежности строительных объектов [65].Там же указано, что у проблемы надежности зданий есть различные аспекты и особое значение придается осмыслению «критериев отказов отдельных конструкций зданий и сооружений и их оценке по значимости, .... классификации отдельных конструктивных элементов по их роли в общей надежности объекта.». Также отмечено, что в нормативной и научной литературе по надежности строительных конструкций

«практически исключительно рассматриваются только принципы обеспечения надежности, сводящиеся к назначению запасов несущей способности конструкции». В то время, как «при более широком взгляде на надежность следовало бы рассмотреть весь комплекс проблем, приводящих к возможным отказам».

Примером повышенного внимания со стороны руководства Российской Федерации к деревянному домостроению является план мероприятий по поддержке и развитию спроса на продукцию деревянного домостроения, разработанный Министерством строительства и жилищно-коммунального хозяйства Российской Федерации, № 25934-ХМ108 от 12.08.2016 г., по итогам заседания Государственного совета Российской Федерации от 17.05.2016 г. № Пр-1138ГС. В своих постановлениях и распоряжениях правительство Российской Федерации постоянно требует повысить качество и эффективность строительства зданий и сооружений в соответствие с положениями законов [24, 81, 103, 104] .

Вопросы систематизации параметров качества особенно актуален для деревянного малоэтажного домостроения, критерии технического уровня которого не имеют достаточного отражения в отечественной нормативной документации, что отрицательно влияет результат строительства. Использование древесины в строительстве обусловлено многими факторами и имеет многовековую историю [30, 31, 97]. Динамика деревянного домостроения в РФ за последние годы, свидетельствует о росте использования древесины в индивидуальном строительстве [16, 71]. Предыдущий период второй половины ХХ века характеризовался отсутствием интереса к древесине, как к индустриальному строительному материалу, это повлекло за собой отсутствие, в достаточном количестве, нормативных документов, определяющих технический уровень деревянных конструкций и зданий.

Степень разработанности темы исследования. Теоретическими основами стали работы, посвященные исследованиям анизотропных свойств конструкционных материалов из древесины, оценки их длительной прочности,

упругих постоянных древесины, влияния технологических факторов на стойкость клееных соединений древесины к циклическим температурно-влажностным воздействиям, конструирования и расчета элементов строительных конструкций в деформируемых средах: Уголева Б.Н., Ашкенази Е.К., Глухих В.Н., Ковальчука Л.М., Рыкунина А.А., Чубинского А.Н., Серова Е.Н., Турковского С.Б., Погорельцева А.А., Лабудина Б.В., Черных А.Г., Найчука А.Я., Тамби А.А, Волынского В.Н., Титунина А.А. , Гороховского А.Г., Шишкиной Е.Е. и др. Автор опирался на работы российских и зарубежных ученых в области численных методов и вычислительных программных комплексов: Карпиловского В.С., Зенкевича О., Моргана К., Перельмутера А.В., Перельмутера М.А., Сливкера В.Н. и др. Следует отметить, что вопрос зависимости эксплуатационной надежности деревянных стеновых конструкций от качества материала и технологии изготовления клееного бруса исследован недостаточно, отсутствует нормативная база.

Цель и задачи исследования. Целью работы является повышение эксплуатационной надежности деревянных стеновых конструкций за счет совершенствования технологии изготовления клееного бруса для обеспечения стабильности, формоустойчивости стены, способности малоэтажного здания сохранять свои функциональные свойства с нормативными потребительскими характеристиками в течение установленного срока службы. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Провести анализ причин, на основании результатов натурных исследований конструктивных элементов деревянных малоэтажных зданий, приводящих к возникновению эксплуатационных дефектов в стеновых конструкциях, изменению статических и геометрических параметров.

2. Определить эксплуатационные факторы, влияющие на напряженно -деформированное состояние в межвенцовых соединениях стеновых элементов.

3. Обосновать физико-механические характеристики материала стенового бруса, обеспечивающие стабильность геометрических параметров стеновой

конструкции и плотность межвенцовых соединений при эксплуатационных воздействиях.

4. Выполнить аналитические и экспериментальные исследования значений вертикальных деформаций стеновых конструкций и элементов (бревен, брусьев) от эксплуатационных воздействий.

5. Обосновать метод оценки эксплуатационной надежности стеновых конструкций через средовые и силовые факторы по первой и второй группам предельных состояний для элементов с различным профилем в межвенцовых соединениях.

Объектом исследования являются горизонтальные деревянные элементы в стеновой срубной конструкции эксплуатируемого малоэтажного здания.

Предметом исследования являются процессы деформирования стеновых элементов при эксплуатационных воздействиях и развитие напряженно -деформированного состояния в межвенцовых соединениях. Научная новизна работы:

1. Теоретическое и экспериментальное обоснование значений вертикальных деформаций стеновых конструкций из деревянного цельного и клееного бруса от нагрузок, характерных для эксплуатируемых малоэтажных зданий и их нормирование.

2. Обоснование факторов, влияющих на напряжения смятия и сжатия на поверхности гребней в зоне межвенцового сопряжения элементов в стене под действием расчетных нагрузок, на величину осадки стен из клееного бруса и герметичность соединений.

3. Создание расчетной физической конечно-элементной и математической модели для оценки напряженно-деформированного состояния клееного бруса в стеновой конструкции под нагрузкой.

4. Обоснование множественной связи между влияющими факторами и напряженно-деформированным состоянием клееного бруса в межвенцовом соединении.

5. Получение зависимости влияния конфигурации стеновых элементов в

соединении на эксплуатационную надежность стеновой конструкции.

Теоретическая значимость работы. Выявлено влияние конфигурации стеновых элементов на плотность межвенцовых соединений и формоустойчивость стеновой конструкции малоэтажного здания. Научно обоснована возможность оценки эксплуатационной надежности малоэтажных зданий через величину напряженно-деформированного состояния стеновой конструкции, зависящую от параметров конструкций стеновых элементов, как условие предельного состояния.

Практическая ценность и реализация результата работы.

Полученные результаты на основе усовершенствованной технологии клееного бруса для стен срубной конструкции, позволили разработать методику оценки эксплуатационной надежности и повысить срок службы элементов конструкций деревянных малоэтажных зданий. Разработанная методика даст возможность оценки эксплуатационной надежности стеновых конструкций из клееного бруса в системе добровольной сертификации деревянных зданий. Система зарегистрирована, как объект интеллектуальной собственности, рекомендуется для подготовки стандартов в области деревянного домостроения.

Методологической основой диссертационного исследования являются базовые положения науки о древесине, а также общенаучные методы исследовании - аналитический, экспериментальный, теоретический (метод конечных элементов), метод моделирования (численный эксперимент в программном комплексе SCAD Office 15.1), метод наименьших квадратов при статистической обработке результатов многофакторного эксперимента.

Положения, выносимые на защиту:

1. Оценка эксплуатационной надежности и прогнозирования срока службы малоэтажных жилых зданий срубной конструкции может выполняться через значения (показатели) напряженно-деформированного состояния стеновой конструкции, зависящие от геометрии и конструктивных параметров стеновых элементов, обеспечивающие выполнение условий предельных состояний.

2. Деформирование стеновых элементов вследствие эксплуатационных нагрузок носит несущественный характер, что подтверждают впервые полученные экспериментальные результаты характера деформаций стенового бруса. Изменение размера стены по вертикали является результатом деформации усушки древесины поперек волокон при использовании элементов с повышенной влажностью.

3. Основной особенностью деформирования бруса и развития осадки стены под воздействием нагрузки можно назвать смятие и сжатие древесины в опорном зубе бруса.

4. Физическая модель аппроксимирована численной модели в виде уравнения линейной множественной регрессии, устанавливает степень влияния изменений конструктивных решений стенового элемента, качества его изготовления и физико-механических анизотропных свойств древесины на качество стеновой конструкции в целом.

Достоверность результатов исследований обоснована применением теоретических основ, разработанных российскими учеными, посвященными исследованиям анизотропных свойств конструкционных материалов из древесины; подтверждена экспериментальными данными; обеспечена дополнительным исследованием с использованием метода конечных элементов.

Апробация работы. Основные результаты и положения диссертационной работы докладывались и обсуждались следующих конференциях и симпозиумах, конкурсах:

- VIII Международный конгресс по деревянному строительству (3-5 декабря 2014 г., Санкт-Петербург);

- IX Международный конгресс по деревянному строительству (09 - 11 декабря 2015 г., Санкт-Петербург);

- IV Международная конференция по деревянному домостроению и деревообработке (13-14 апреля 2016 г., г. Череповец)

- 19 Петербургский Международный Лесопромышленный форум (4 октября

2017 г.)

Публикации. Материалы диссертации опубликованы в 8 печатных работах, общим объемом 9,515 п. л., лично автором - 1,64 п. л., в том числе 7 работ (4,765 п.л.) в изданиях, входящих в перечень ведущих рецензируемых научных журналов, утвержденный ВАК РФ.

Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения, двух риложений, библиографического списка, включающего 127 наименования. Общий объем работы 149 страниц, включающий - 65 рисунков, 30 таблиц, 13 страниц приложения.

Соответствие паспорту специальности. Диссертация соответствует паспорту научной специальности 05.21.05. - «Древесиноведение, технология и оборудование деревопереработки» в пунктах:

1. Исследование свойств и строения древесины как объектов обработки (технологических воздействий).

2. Разработка теории и методов технологического воздействия на объекты обработки с целью получения высококачественной и экологически чистой продукции.

1. Анализ состояния вопроса. Цель и задачи исследования 1.1 Основные понятия надежности строительных конструкций

Современные нормативные принципы обеспечения надежности конструкций строительных объектов представлены в ГОСТ Р 54257-2010 «Надежность строительных конструкций и оснований. Основные положения и требования». По определениям данного стандарта под понятием «надежность строительного объекта» устанавливаются «способности строительного объекта выполнять требуемые функции в течение расчетного срока эксплуатации». В соответствие с п. 3.1.1 [25] «Основным условием надежности строительных объектов является невозможность превышения в них предельных состояний при действии наиболее неблагоприятных сочетаний расчетных нагрузок в течение расчетного срока службы». Установленный в [25] примерный срок службы зданий жилищно-гражданского строительства в обычных условиях эксплуатации составляет не 50 лет. При этом присутствует примечание - «при соответствующем обосновании сроки службы ограждающих несущих конструкций могут быть приняты отличными от сроков службы сооружения в целом».

Как следует из [1], «в общем случае под надежностью понимается вероятность того, что в течение заданного промежутка времени эксплуатации (в средних эксплуатационных условиях) не наступит ни одно из недопустимых предельных состояний для конструкции в целом, отдельных ее элементов или узлов сопряжений». Там же указано, что «полноценное решение проблемы надежности может быть достигнуто лишь при комплексном осуществлении необходимых мероприятий на всех стадиях возведения и эксплуатации строительных конструкций: проектирование с учетом характеристик надежности; технологическое обеспечение установленных проектом характеристик качества и прежде всего надежности; поддержание требуемого уровня качества конструкций в течение всего срока их службы». Также, отмечено, что на практике встречаются

в основном две задачи: «прямая - проектирование элементов и конструкций по заданным (нормативным) критериям надежности - и обратная - оценка надежности существующих элементов и конструкций». Для того, чтобы «управлять качеством строительства при проектировании должны устанавливаться научно обоснованные показатели теоретической надежности элементов и конструкций, а их действительная надежность обеспечиваться комплексом технологических и организационных мероприятий на заводах -изготовителях, монтажных и общестроительных площадках». По данным [72] в нормативной базе 70-х годов ХХ в. уже были установлены основные показатели надежности - безотказность, долговечность, ремонтопригодность, сохраняемость, о которых также упоминается в источниках [98, 99],

Общие проблемы надежности освещаются в различных источниках [63, 105, 116], с современной точки зрения подробно освещены в [65], где отмечено, что метод предельных состояний был широко внедрен в СССР в середине 50-х годов ХХ в., а позже в других странах, в международных документах серии ИСО [28, 29] и Еврокодов, при этом в «международных документах метод получил название частных коэффициентов надежности». Надо отметить, что автор [65] указывает, что «в силу профессиональных интересов и личного опыта» в данном источнике рассматриваются аспекты надежности стальных конструкций и сооружений. В разделе «Набор требований к строительным объектам», сформулирована необходимость введения «требований в терминах оценки напряженно - деформированного состояния конструкций или в другой форме, которая допускает расчетный анализ», отмечено, что при эксплуатации снижение надежности может быть связано с тем, что «конструкция может стать неудобной или вообще непригодной для использования по назначению, даже оставаясь в целом прочной и устойчивой».

Вопрос качества строительных конструкций и надежность имеют неразрывную связь, когда понятие «отказ» можно рассматривать, как снижение временного периода комфортных условий эксплуатации жилого здания. При этом

под понятием «условия комфортности» понимается сохранение заданных проектом эксплуатационных характеристик строительных конструкций. В обобщающем случае, качество строительной продукции в виде законченных строительных объектов (или их частей) определяется качеством проекта, строительных материалов и изделий, производства строительно-монтажных работ, требования к данным положениям регулируется на уровне федеральных законов [24, 103,104]. Выполнение вышеперечисленных условий является залогом долговечности и эксплуатационной надёжности возведённых зданий и сооружений, их экологической чистоты, безопасности для людей и, в конечном счёте, экономичности при эксплуатации. Для достижения качества на предприятиях внедряются системы менеджмента качества (СМК) на базе международных стандартов ISO серии 9001:2000 [28, 29]. Особенностью этих стандартов является их универсальность и применимость для организаций различных направлений деятельности. Тем не менее, вопросы качества имеют разнообразные аспекты, которые невозможно решить без обеспечения качества конкретных характеристик и свойств продукции [ 3, 4, 13, 26, 35,59, 62, 68, 80, 83, 88, 89, 91, 108].

1.2 Деревянные конструкции зданий и сооружений - характеристики

и опыт эксплуатации

Опыт использования древесины в строительстве имеет тысячелетнюю историю и многократно описывался в научной и справочной литературе [7, 11, 40, 41, 42, 45, 73, 85, 99]. По настоящий период сохраняются и используются по назначению группы жилых построек XVIII-XIX веков. Примеры сохранения и использования деревянных зданий в Вологде представлены на рисунке 1.1.

в) г)

Рисунок 1.1 -а), б), в), г) примеры сохраняемых жилых построек

ХУШ-ХТХ вв. в Вологде

Деревянные конструкции имеют ряд характерных особенностей. Без их учета, обеспечить долговечность и надежность зданий и сооружений невозможно, и, соответственно, успешное использование этих конструкций в строительстве затруднительно.

Анализ применения древесины в строительных конструкциях на территории Российской Федерации представлен ниже. По данным лаборатории несущих деревянных конструкций ЦНИИСК им. В. А. Кучеренко, полученных в результате многолетней работы, можно сообщить следующее «....В конце Отечественной войны, в 1943-45 гг., для восстановления разрушенного народного хозяйства стали широко использовать деревянные клееные конструкции. Была создана производственная база, обеспечивающая их широкое применение. Работали более 20 заводов. Успехи применения деревянных клееных конструкций в различных отраслях строительства - промышленном, общественном, транспортном, военном и др. были высоко оценены присуждением в 1952 г. Сталинской премии. к

сожалению, тогда не были решены вопросы обеспечения устойчивого спроса на эти конструкции. С организацией широкого производства сборного железобетона деревянные конструкции оказались не конкурентоспособными. Поэтому к 1955 году промышленность ДКК практически прекратила свое существование. В известной степени ситуация повторилась в 1973-1988 гг., когда вновь организованная промышленность ДКК (около 30 заводов) не выдержала конкуренции в условиях перестройки и также была практически ликвидирована. Третий период развития можно отнести к 1992-2008 гг. Однако, как и раньше, недостаточно внимания уделялось обеспечению конкурентоспособности и устойчивого спроса на конструкции. Сейчас в стране имеется около 50 предприятий (точных сведений нет), суммарная годовая мощность которых составляет около 200 тыс. куб. Общеизвестно, что сборные конструкции (металлические, каменные, железобетонные и других типов) самых разнообразных размеров и форм создают из серийно изготовляемых унифицированных элементов, величины параметров которых стандартизированы.

Это сортамент металлического проката, кирпичей, железобетонных плит, балок и др. Производство данных изделий происходит в условиях достаточно крупных предприятий, где контроль качества встроен в технологический процесс. В редких случаях упомянутые унифицированные конструкции изготавливают по индивидуальным заказам - это сложно и дорого...»

Вышесказанное также подтверждается [51, 52] - «...в российской промышленности стандартные унифицированные конструкции используют крайне редко, сортамент их вообще отсутствует. Практически все деревянные клееные конструкции проектируют и изготовляют по индивидуальным заказам.

Весьма условно деревянные конструкции можно разделить на две группы. К первой группе относятся конструкции для крупных, где, прежде всего нужны архитектурная выразительность, обеспечение возможности перекрытия больших пролётов, химическая стойкость и другие весьма ценные свойства деревянных конструкций. Примеры зданий и конструктивных решений представлены

рисунках 1.2-1.4. Такие конструкции изготовляют по индивидуальным проектам, не всегда решающую роль играет их стоимость. Величина относительного годового объёма изготовления подобных конструкций для специальных объектов составляла меньше 10 % от всего объема потребляемых в строительстве.

Рисунок 1.2 - Здание физкультурно-оздоровительного комплекса в Санкт-Петербурге

Рисунок 1.3 - Купол Аквапарка в Санкт-Петербурге

Рисунок 1.4 - Купол склада антигололедных реагентов в Санкт-Петербурге Высокий уровень ответственности вышеперечисленных объектов предполагает жесткий надзор над качеством изготовления и монтажа конструкций, что присутствует на соответствующих предприятиях.

Тем не менее, наибольшая по объему производства часть деревянных конструкций, находит применение в других зданиях. Деревянные конструкции могут применяться в зданиях и сооружениях самого различного назначения «В прежние годы большое количество ДКК применялось в сельском строительстве, в настоящее время предпочтение отдается использованию ДКК в гражданском строительстве. Важным отличием деревянных конструкций от железобетонных и металлических является простота изготовления индивидуальных конструкций. Применение ДКК позволяет создать разнообразные конструктивные схемы, в том числе пространственные. В общественных зданиях типа спортзалов, крытых рынков, павильонов использование ДКК снижает вес покрытия в 4-5 раз, трудоемкость монтажа до 20 %, расход стали до 50 %.» [51]. Вопросы проектирования и строительства большепролетных несущих конструкций описываются в [36, 56, 76, 77, 79, 82, 87, 93, 107, 121].

На текущий момент деревянные конструкции успешно применяются, как - Несущие конструкции перекрытий и покрытий зданий, возведенных из строительных материалов недревесного происхождения (многоквартирных жилых зданиях, общественных, промышленных и др.).

- Несущие и ограждающие конструкции зданий, преимущественно малоэтажных, высотой до 3-х этажей.

Применение деревянных конструкций в сооружениях различного назначения, например, мостах и др., на текущий момент не находят широкого применения на территории РФ. Область применения деревянных конструкций -здания и сооружения - предъявляет следующие требования к характеристикам конструкций:

- наличие больших геометрических параметров (высота и ширина сечения, длина детали), значительно превышающих геометрические параметры существующих пиломатериалов из массивной древесины;

- обеспечение надежности и долговечности объекта.

Исследование проектных решений и геометрических параметров строительных объектов выявило:

- большепролетные деревянные конструкции - изготавливаются из элементов перекрытий и покрытий длиной от 18 м до 30 м;

- детали для возведения зданий - детали каркаса стен длиной до 12 м, стеновые брусья длиной до 12 м, элементы перекрытий и покрытий длиной до 18 м.

Представленный выше диапазон применяемых длин элементов, а также их сечений, определяет необходимость применения клеевых соединений, т. к. исходным материалом являются пиломатериалы, размеры и поперечное сечение которых ограничено, по длине - до 6 м (транспортный размер), по ширине - 200220 мм (данное ограничение связано с уменьшением заготовки леса большого диаметра, от 260 мм, в европейской части Российской Федерации). Сложившаяся практика склеивания древесины позволяет достигать вышеуказанных геометрических параметров конструкций, определенных в проектных решениях. Необходимо отметить, что с 2008 года на территории Северо-Западного региона появилась практика так называемого «комбинированного строительства» - когда в зданиях из железобетона в составе наружных ограждающих конструкций

используются стеновые панели на деревянном каркасе. Подробно данная технология строительства описана в различных источниках [53, 61, 109, 110].

1.3 Деревянные конструкции в малоэтажном домостроении 1.3.1 Динамика развития малоэтажного строительства. Основные типы деревянных стеновых конструкций

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Кирютина Светлана Евгеньевна, 2018 год

то же с использованием (7):

1

1

1

( 2 2 1212 2 ПП2 , 'Л , ^1^2

= 4

2 2 Л

V Ег

Е„

- 8

Е„

М

На

Пп2Ц2 +—~ ЬЬтт +—~ щт2ПуП2

Е

Е

+

+

(п 1 12 + кП2 )2 Е

(кт+)2 (тп+тп)

(4.17)

(3-а2 + 2Л)+(' т+'2 ■ - +

в1г

в„

При решении практических задач интерес представляют чаще всего постоянные упругости в плоскостях анизотропии и их изменение при переходе от одного направления к другому. Рассмотрим изменение постоянных упругости в плоскости, перпендикулярной к волокнам древесины.

Получение достаточно простого метода определения величины модуля

Е(45)

упругости ху открывает возможности для использования формул, полученных в источниках [8, 9, 54, 58] с целью вычисления всех остальных постоянных упругости в случаях хаотично расположенных годичных слоев в слоях клееного бруса. В работах, посвященных исследованиям анизотропных материалов и расчетам пластин и оболочек из таких материалов, приведены уравнения для упругих постоянных в зависимости от направления выбранных осей:

Е

Соя4 в

Е

х

Бп в

Е ,

У

Е

1 2м

л

ху

в

V ху

Е 2Н

х У Л

ху

Бт2 Соя в + ^^

Е

У

V С

V ху

Е

Бт 2вСоя в +

Соя4в

Е

(4.18)

(4.19)

Сху

4

1

1 2м

ху

Е Е

V х У

Е в.

Бт 2вСоя 2в +

хУ у

в.

хУ

(4.20)

Н

х у

Е.,

1 1 2м

+---+ '

ху

ЕЕ

V х у

Е в.

Бт 2вСоя2 в

Н

ху

ху у

Е

(4.21)

1

+

1

1

+

1

1

1

1

Для древесины, как ортотропного материала Ех = Ег; Еу = Е{; Оху

о

ГЧ ;

Нху=Нг^1 и в таких обозначениях формулы для постоянных упругости будут иметь вид:

_1_ Е

Соя4 в Е.

■ +

1 2н

v в

Е

Бт вСоя 2в +

г у

Б1п4в

Е

(4.22)

1 Бтв г +

Е' Е

1 2яп

1

г V г, /

О Е,

Бт2^ в +

СвБ в

г У

Е

0„

= 4

х'у' v г ,

V

Я ,, = -Е

1 1 2я, 1

— + — + --

В В Е О,

1

Б\п вСоз в + —;

г, у

1 + _1 + 2Я, 1

V Ег ЕЕг 0г, У

О*

Бт2вСо8 2в-Я Е

(4.23)

(4.24)

(4.25)

Формулы, не содержащие коэффициент поперечной деформации:

для модуля упругости

1 Со* в Бтв Г

■ +-+

Е Е.

В

4 1 1

Л

е (45) Е Е

V Еху Е

Со * вБт2 в;

4.26)

или после преобразований

Ех' = Е„

а2Со* 4в + Бпв +

л л

4Е, а2 1

В457 -а - 1

V ху у

Со* 2№пв

(4.27)

для модуля сдвига

Со* 22в Бт22в + -

о,у ог о;45)

(4.28)

ТТ /Г(45)

Но величину модуля упругости Еху можно вычислить с использованием

уравнений (22), (26).

Приравнивая друг к другу круглые скобки в уравнениях (4.22) и (4.26), получим:

1 2я

4

1 1

0 Ег

е(45) е е,

ху г ,

(4.29)

1 2н,_В .„.. в = _

где---- = —, или

д О, Ег Е, '

О.

Последнее соотношение связывает между собой упругие постоянные в плоскости X У для цилиндрически анизотропного тела. При решении нами дифференциального уравнения четвертого порядка в частных производных с двумя переменными для анизотропного ортотропного тела в полиномах было

1

получено соотношение, которое удовлетворяет этому дифференциальному уравнению:

Тогда

В = 3 - а2 3-а2 4

(4.30)

1 1

E E(45) E E.

t xy r t

После преобразований [2] получено значение модуля упругости при

наклоне годичных слоев под углом 45

E(45) = Et

xy Et •

Уравнение (4.26) для модуля упругости приобретет следующий вид: 1 Cos в Sin" в 3 -а2

(4.31)

E, E

Cos 2eSin2e,

E

(4.32)

- для коэффициента Пуассона

и , ,= - E ,

r^xy x

2(а2 - ')с,,

E

Sin¿eCos 2в-и E

(4.33)

для коэффициента взаимного влияния

у

x ,x у

Cos в Sin в Cos в +-+

E

G,

rt j

Sin eCose- ^

E

(4.34)

Исследуем функцию (32) на экстремум:

d

í \

d©

V Ex у J

= —- Cos 3©Sin© + — Sin 3©Cos© +

4_

E

E

+ 2

3 -а'

E.

(Cos2в - Sin2e)SineCos в = 0.

2CosOSine E

[- 2а2Cosв + 2Sin2в + (з - а2 )(Cos2в - Sin2в)] = 0. (4.35)

Первые два экстремальных значения (при 0 = 0° и 0 = л/2)

соответствуют двум главным плоскостям анизотропии. Третье значение находим, приравнивая к нулю множитель в квадратных скобках:

- la2Cosв + lSin2e + (3 - a2 )(Cosв - Sin1 в) = 0. (4.36)

В результате преобразования последнего уравнения получим 3Со^ 2в- 81пв = 0, (4.37)

из которого искомая величина угла в = атС^^Ь = 60°. Экстремальное значение модуля упругости, соответствующее этому углу: Е' = Етп = 8Е,/(9-а2). (4.38)

При решении задачи напряжений и деформаций для клееного стенового бруса интересным является результат, показывающий, что при 0 =45° модуль поперечной упругости составляет величину равную Б1 , которую можно использовать при численных расчетах по МКЭ.

Изменение модуля сдвига древесины при повороте вокруг оси Ъ вычисляется следующим образом

Л

Модуль сдвига с учетом В=3-а можно вычислить по формуле, полученной после преобразования (4.24):

— = 8ш2во 2 в + —. (4.39)

В

х у

2 тэ _ Е, 2яг,Е,

О Е„

г,

Учитывая, что В=3-а , а с другой стороны В получим:

о 2 Е, 2Мг,Е, Е,

3- а = О---7Т~ или Ог, = --. (4.40)

Ог, Ег 3 -а + 2я,г

Последнее уравнение связывает между собой три постоянных упругости для

цилиндрически анизотропного ортотропного тела. В частном случае при а2 = 1

(изотропное тело) получают известную формулу сопротивления материалов:

О = —Е-. (4.41)

2(1 + Я)

С учетом (40) уравнение (39) примет вид:

1 8(а2 -1 )0. ^ 3-а2 + 2^

- ' у Sin eCos2в +-. (4.42)

О, , В Е.

ху , ,

Для модуля сдвига при повороте осей была получена формула:

'x'y 2(а2 -1 )Sin22в + 3-а2 +

G,v' ^ ^-5-^-. (4.43)

Исследуем полученную функцию (43) на экстремум, т.е.

(Ох ,у') = 0, и получим уравнение

4(а2 -1 )ЕБт4в = 0 (4.44)

из которого следует, что его левая часть обращается в нуль в тех случаях, когда е = 0, е = 45° и е = 90 °.

При в = 0 и в = 90 °.получим одинаковые значения: Ох,у = Ог,.

При в =45° модуль сдвига принимает максимальное значение, что необходимо при определении модуля сдвига при расчете стенового бруса по МКЭ:

О£) = О45 = , Е< . (4.45)

у а +1 + 2яг

Определение коэффициента Пуассона Яху при повороте системы координатных осей вокруг оси Ъ

Для вычисления коэффициента Пуассона Яху используем формулу (25), в которой заменили [2]

1 2^xy_ 1 2^rt_ 3-а2

G F G F F

Gxy Fx Grt Fr Ft

(4.46)

Тогда она принимает вид:

ц, , = -е

г^х у X

1 1 3-а — +--

v ег е

Л

е

б1п20соя 2в +

3-а2 1

'г

2е

(4.47)

Учитывая, что при повороте осей изменяется модуль упругости Ех, вычисляемый по формуле (32), то получим - для коэффициента Пуассона

2(1 -а2 Б

а2 Ш2вСоя2в

+ -

Е

ц

х у

3-а1

_ 2 26;

а2Соя4в + (3 - а2 )Бш2вСоя2в + Б1п4в

(4.48)

Который при 0 = 45°:

Е

¿4? = ^ -1 (4.49)

26,

' гг

В результате установленной взаимосвязи ( в = 3-а2 ) между упругими постоянными исчезает необходимость в экспериментальном определении Ег(,45),

ц(45) тт

ц1к . Для определения упругих постоянных достаточно знать их величины относительно главных осей анизотропии ( 3Е1 ; 3ц ; 3ц). По этим данным, используя полученные выше формулы, можно найти значения упругих постоянных относительно любого положения осей, в том числе и под углом 450, что является необходимым при использовании МКЭ.

Упругие постоянные древесины, удовлетворяющие соотношению

В =

1 + 5а2

3 (4.50)

При этом соотношении уравнения для модуля упругости, коэффициента Пуассона, модуля сдвига примут вид:

Соя40 1 + 5а2 . 2„ Бт40

+--Бт 0Соя2в +-; (4.51)

ЕХ Ег 3Ег Ег

1

1 Бтв 1 + 5а2 2л Со*в

— --+-Бт вСо* в +-;

3В Е,

Е , Е

у г

(4.52)

1 _8-(1 -а2 Ь,,-2^2. 1

Ох'у'

3Е

Б/п2вСо* 2в +

О.

(4.53)

Я ,, = -е ,

! ху х

2(1 а2) Б/п во* 2в Я

3В

е

(4.54)

Использование формулы (51) позволяет получить: 3Е

е( 45 ) = , ху 1 + 2а2 '

(4.55)

Исследование на экстремум функции модуля сдвига (53) при повороте осей в плоскости поперечного сечения, позволяет получить одинаковые экстремальные значения (как и при В = 3 - а2). При других значениях угла в модули сдвига отличаются.

Из уравнения (54) получают значение коэффициента Пуассона при в = 450:

)=- 1 (456)

Таким образом, получены расчетные значения постоянных упругости древесины в главных направлениях анизотропии, которые могут быть использованы в исследованиях и разработке конфигураций стенового клееного бруса.

4.3 Построение физической модели с использованием метода конечных

элементов 4.3.1. Исходные данные

На основании представленной методики были получены и использованы жесткостные характеристики каждой пластины: Ех=400 МПа; Еу=400 МПа; уху=0.018; уух=0.018; 0ху=700 МПа; толщина - 100 мм. Удельный вес - 430 кг/м3 соответствует плотности экспериментальных фрагментов образцов.

Для более точного учета контактных площадок между брусьями созданы упругие связи, передающие нагрузки с учетом деформаций (смятия) древесины. Нагрузки между брусьями передаются сначала по наклонным плоскостям зуба, затем по горизонтальной плоскости. Схема представлена на рисунке 4.2.

Рисунок 4.2 Моделирование передачи нагрузки с учетом смятия древесины.

Таким образом, с помощью конечно-элементного моделирования создан аналог физического эксперимента. В трех внутренних брусьях возникают напряжения и деформации, которые после анализа результатов можно сравнить с результатами физического эксперимента.

4.3.2 Планирование многофакторного эксперимента

Эксперимент запанирован, как многофакторный. Многофакторный эксперимент (МФЭ) строится на основе статистического анализа и с применением системного подхода к предмету исследования. Эксперимент выполнялся по плану

Бокса В3 . Данные по эксперименту указаны в таблицах. Входные факторы в исследовании НДС в соединении брусьев указаны в таблице 4.4.

Таблица 4.4

№ пп Наименование фактора Значение фактора

1 Геометрия (форма бруса) Величина сопряжения в соединении при проекции на горизонтальную плоскость 14,8 мм - 80 мм

2 Отклонение в габаритных размерах бруса 0 ± 2 мм по ширине

3 Модуль упругости древесины поперек волокон 380 - 420 МПА

Выходные параметры в исследовании НДС в таблице 4.5.

Таблица 4.5

Наименование Ед. изм. Обозначение Методы и средства контроля

Сжимающие напряжения МПа &сж МКЭ

В таблице 4.6 представлены характеристики входных переменных факторов и уровни варьирования.

Таблица 4.6

Наименование Изм. Обозначение в координатах Уровни варьирования Интервал варьирования

Натуральных Кодовых Нижний (-) Средний (0) Верхний (+)

Геометрия (форма бруса) Величина сопряжения в соединении при проекции на горизонтальную плоскость мм Бх Хх Профиль № 1 14,8 мм Профиль № 2 40 мм Профиль № 3 4 зуба 80 мм 1

Отклонение в геометрии мм а х2 -2 0 +2 2

Модуль упругости МПа Е Х3 380 400 420 20

В таблице 4.7 представлен план Бокса В3 для исследования НДС методом

МКЭ

Таблица 4.7

№ опыта Матрица планирования

(Профиль в венцовом соединении) (Отклонения в профиле от вертикальной оси ) (Плотность, влажность через модуль упругости, мм)

1 3 +2 420

2 3 -2 420

3 3 +2 380

4 3 -2 380

5 1 +2 420

6 1 -2 420

7 1 +2 380

8 1 -2 380

9 2 +2 400

10 2 -2 400

11 2 0 420

12 2 0 380

13 3 0 400

14 1 0 400

4.3.3 Результаты многофакторного эксперимента