Помощь студентам в учебе
Определение свойств древесины хвойных пород с учетом использования их в строительных конструкциях
|
Введение 5
1 Состояние вопроса и задачи исследования 8
1.1 Применение деревянных конструкций в строительстве 8
1.2 Срок службы деревянных конструкций 10
1.3 Изменение физико-механических свойств деревянных
конструкций при длительной эксплуатации 13
1.3.1 Длительное сопротивление древесины 13
1.3.2 Прочность древесины конструкции после
длительной эксплуатации 17
1.3.3 Механические повреждения древесины 20
2 Закономерности возникновения и развития основных видов повреждений
деревянных конструкций в процессе длительной эксплуатации в различных температурно-влажностных условиях 25
2.1 Особенности расположения основных повреждений на
деревянных конструкциях 25
2.2 Анализ появления и расположения трещин в
деревянных конструкциях 35
2.3 Анализ появления и расположения трещин
в деревянных конструкциях 37
2.3.1 Встречаемость конструкций с трещинами при
длительной эксплуатации 37
2.3.2 Размеры трещин в зависимости от их расположения на
сечении конструкции 42
2.3.3 Анализ результатов обследований балок
междуэтажных перекрытий полученных по аппроксимирующим прямым 44
2.3.4 Анализ результатов обследований балок чердачных
2.3.5 Анализ результатов обследований стропильных конструкций полученных по аппроксимирующим прямым 46
Основные выводы по 2-ой главе 46
3 Анализ изменения несущей способности деревянных конструкций в процессе
их длительной эксплуатации 49
3.1 Расчетно-теоретическое исследование особенностей напряженно- деформированного состояния деревянных конструкций
с трещиной 49
3.1.1 Методика расчета, основанного на методе составных
стержней с упругоподатливыми связями (МСС) 50
3.1.2 Методика расчета, основанного на методе конечных
элементов (МКЭ) 53
3.1.3 Изменение деревянных изгибаемых конструкций в
зависимости от размеров и расположения трещин 56
3.2 Исследование изменения прочности древесины в зависимости от вида
напряженно-деформированного состояния длительно эксплуатируемых конструкций 58
3.2.1 Методика проведения экспериментальных исследований 59
3.2.2 Изменение прочности древесины в зависимости от
различного напряженного состояния 62
3.2.3 Изменение прочности древесины в зависимости от
срока эксплуатации 65
3.2.4 Изменение модуля упругости при статическом изгибе
древесины в зависимости от различного напряженного состояния 68
Основные выводы по 3-й главе 69
4 Предупреждение возникновения повреждений деревянных конструкций и их
восстановления 72
4.1 Расчет деревянных конструкций с учетом размеров и
расположения повреждений 72
4.2 Классификация и выбор способов усиления конструкций 72
4.3 Усиление строительных конструкций 77
4.3.1 Усиление балок междуэтажных и чердачных перекрытий 77
4.3.2 Усиление стропильных конструкций 79
Основные выводы по 4-ой главе 81
Заключение 82
Список использованных источников 84
1 Состояние вопроса и задачи исследования 8
1.1 Применение деревянных конструкций в строительстве 8
1.2 Срок службы деревянных конструкций 10
1.3 Изменение физико-механических свойств деревянных
конструкций при длительной эксплуатации 13
1.3.1 Длительное сопротивление древесины 13
1.3.2 Прочность древесины конструкции после
длительной эксплуатации 17
1.3.3 Механические повреждения древесины 20
2 Закономерности возникновения и развития основных видов повреждений
деревянных конструкций в процессе длительной эксплуатации в различных температурно-влажностных условиях 25
2.1 Особенности расположения основных повреждений на
деревянных конструкциях 25
2.2 Анализ появления и расположения трещин в
деревянных конструкциях 35
2.3 Анализ появления и расположения трещин
в деревянных конструкциях 37
2.3.1 Встречаемость конструкций с трещинами при
длительной эксплуатации 37
2.3.2 Размеры трещин в зависимости от их расположения на
сечении конструкции 42
2.3.3 Анализ результатов обследований балок
междуэтажных перекрытий полученных по аппроксимирующим прямым 44
2.3.4 Анализ результатов обследований балок чердачных
2.3.5 Анализ результатов обследований стропильных конструкций полученных по аппроксимирующим прямым 46
Основные выводы по 2-ой главе 46
3 Анализ изменения несущей способности деревянных конструкций в процессе
их длительной эксплуатации 49
3.1 Расчетно-теоретическое исследование особенностей напряженно- деформированного состояния деревянных конструкций
с трещиной 49
3.1.1 Методика расчета, основанного на методе составных
стержней с упругоподатливыми связями (МСС) 50
3.1.2 Методика расчета, основанного на методе конечных
элементов (МКЭ) 53
3.1.3 Изменение деревянных изгибаемых конструкций в
зависимости от размеров и расположения трещин 56
3.2 Исследование изменения прочности древесины в зависимости от вида
напряженно-деформированного состояния длительно эксплуатируемых конструкций 58
3.2.1 Методика проведения экспериментальных исследований 59
3.2.2 Изменение прочности древесины в зависимости от
различного напряженного состояния 62
3.2.3 Изменение прочности древесины в зависимости от
срока эксплуатации 65
3.2.4 Изменение модуля упругости при статическом изгибе
древесины в зависимости от различного напряженного состояния 68
Основные выводы по 3-й главе 69
4 Предупреждение возникновения повреждений деревянных конструкций и их
восстановления 72
4.1 Расчет деревянных конструкций с учетом размеров и
расположения повреждений 72
4.2 Классификация и выбор способов усиления конструкций 72
4.3 Усиление строительных конструкций 77
4.3.1 Усиление балок междуэтажных и чердачных перекрытий 77
4.3.2 Усиление стропильных конструкций 79
Основные выводы по 4-ой главе 81
Заключение 82
Список использованных источников 84
Современными проблемами градостроительства является реконструкция и ремонт существующей застройки, а также способы увеличения сроков ее эксплуатации на стадиях строительства. Дерево, как строительный материал, всегда находило широкое применение при возведении зданий и сооружений в виде несущих и ограждающих конструкций. Срок эксплуатации значительной части деревянных конструкций превышает рекомендованный технической литературой до 60 лет.
Обеспечение достаточной несущей способности деревянных конструкций в течение всего заданного периода эксплуатации предусмотрено действующими нормативно-техническими документами. В них учтены специфика работы древесины как конструкционного материала, анизотропия ее физико-механических свойств, изменение прочности в зависимости от температурно-влажностных условий эксплуатации и времени действия нагрузки и другие факторы.
Основными показателями, определяющими изменение несущей способности конструкций в процессе эксплуатации, являются начальная и длительная прочность древесины, изученная учеными: Ю.М. Ивановым, Б.П. Уголевым, Ю.Ю. Славиком, Л.М. Перелыгиным, Е.Л. Леонтьевым и другими.
Однако при эксплуатации имеются примеры как быстрого разрушения конструкций из древесины, так и безаварийной их эксплуатации на протяжении нескольких веков. Причины этого хорошо изучены - если конструкции эксплуатируются без нарушения их целостности, заданная несущая способность сохраняется в течение всего периода эксплуатации. В противном случае несущая способность уменьшается из-за возникающих в них повреждений, в основном механического (трещин) и биологического (гниение) характера. Поэтому сохранение конструкцией первоначальных свойств, заданных ей при изготовлении, является одним из главных фактором, влияющим на изменение их несущей способности.
В процессе эксплуатации происходит изменение физико-механических свойств древесины. Вместе с тем, недостаточно изученным остается вопрос влияния вида напряженно-деформированного состояния, действовавшего в процессе длительной эксплуатации, на прочность древесины конструкций.
Повреждения конструкций, возникающие при неправильной эксплуатации, изучены многими учеными (Г.Г. Карлсен, А.Д. Ломакин, И.М. Гуськов, С.Б. Турковский, Н.И. Тузов, Г.А. Цвигман и др). Основными повреждениями, возникшими в процессе эксплуатации конструкций, являются поражение дереворазрушающими грибами и трещины. Однако, оценка влияния повреждений на эксплуатационные характеристики конструкций, как правило, носила качественный характер. Причем повреждения рассматривались на относительно ограниченном количестве конструкций. Практически отсутствуют работы, рассматривающие основные закономерности появления повреждений, и, что особенно важно, не устанавливается количественная взаимосвязь между повреждениями и изменением.
Соответственно, отсутствуют конкретные рекомендации по предупреждению появления повреждений и устранению их отрицательного влияния на конструкции в процессе их эксплуатации.
Актуальность диссертационной работы обусловлена объемами работ по строительству, реконструкции, ремонту и усилению деревянных конструкций и необходимостью разработки эффективных, научно обоснованных методов по предупреждению возникновения основных повреждений. На основании выявленных закономерностей появления и развития повреждений, изучения их влияния на деревянные конструкции, а также выявленной зависимости прочности древесины от вида длительно действовавшего напряженного состояния, следует разработать предложения по предупреждению снижения или восстановлению свойств древесины, используемой в строительных конструкциях. Это позволит увеличить срок эксплуатации деревянных конструкций и эффективно использовать ресурс древесины сооружений. Поэтому, поставленная задача является актуальной.
Учитывая вышеизложенное, целью работы является исследование свойств древесины длительно эксплуатируемых деревянных конструкций с учетом возникших в них повреждений и уточнение рекомендации по увеличению их долговечности.
Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:
-на основании анализа результатов натурных обследований деревянных конструкций, длительно эксплуатируемых в различных температурно-влажностных условиях, исследовать особенности расположения биологических и механических повреждений конструкций и выявить основные закономерности их возникновения и развития;
-исследовать напряженно-деформированное состояние деревянных конструкций с различными повреждениями, возникшими в процессе эксплуатации;
-определить изменение прочности древесины в зависимости от вида напряженного состояния, действовавшего в период длительной эксплуатации в различных температурно-влажностных условиях;
-разработать предложения по предупреждению возникновения повреждений и восстановлению свойств деревянных конструкции в процессе эксплуатации;
Научная новизна работы заключается в следующем:
-на основе анализа экспериментальных исследований установлены основные закономерности возникновения и развития повреждений деревянных конструкций механического и биологического характера;
-расчетно-теоретический анализ особенностей напряженного деревянных элементов с различными повреждениями позволил разработать методику расчета деревянных конструкций с основными повреждениями, возникающими в процессе их длительной эксплуатации;
-в результате экспериментальных исследований будет установлен характер изменения прочности древесины, эксплуатировавшийся в течение 70 лет и более в конструкциях с различным видом напряженно-деформированного состояния.
Обеспечение достаточной несущей способности деревянных конструкций в течение всего заданного периода эксплуатации предусмотрено действующими нормативно-техническими документами. В них учтены специфика работы древесины как конструкционного материала, анизотропия ее физико-механических свойств, изменение прочности в зависимости от температурно-влажностных условий эксплуатации и времени действия нагрузки и другие факторы.
Основными показателями, определяющими изменение несущей способности конструкций в процессе эксплуатации, являются начальная и длительная прочность древесины, изученная учеными: Ю.М. Ивановым, Б.П. Уголевым, Ю.Ю. Славиком, Л.М. Перелыгиным, Е.Л. Леонтьевым и другими.
Однако при эксплуатации имеются примеры как быстрого разрушения конструкций из древесины, так и безаварийной их эксплуатации на протяжении нескольких веков. Причины этого хорошо изучены - если конструкции эксплуатируются без нарушения их целостности, заданная несущая способность сохраняется в течение всего периода эксплуатации. В противном случае несущая способность уменьшается из-за возникающих в них повреждений, в основном механического (трещин) и биологического (гниение) характера. Поэтому сохранение конструкцией первоначальных свойств, заданных ей при изготовлении, является одним из главных фактором, влияющим на изменение их несущей способности.
В процессе эксплуатации происходит изменение физико-механических свойств древесины. Вместе с тем, недостаточно изученным остается вопрос влияния вида напряженно-деформированного состояния, действовавшего в процессе длительной эксплуатации, на прочность древесины конструкций.
Повреждения конструкций, возникающие при неправильной эксплуатации, изучены многими учеными (Г.Г. Карлсен, А.Д. Ломакин, И.М. Гуськов, С.Б. Турковский, Н.И. Тузов, Г.А. Цвигман и др). Основными повреждениями, возникшими в процессе эксплуатации конструкций, являются поражение дереворазрушающими грибами и трещины. Однако, оценка влияния повреждений на эксплуатационные характеристики конструкций, как правило, носила качественный характер. Причем повреждения рассматривались на относительно ограниченном количестве конструкций. Практически отсутствуют работы, рассматривающие основные закономерности появления повреждений, и, что особенно важно, не устанавливается количественная взаимосвязь между повреждениями и изменением.
Соответственно, отсутствуют конкретные рекомендации по предупреждению появления повреждений и устранению их отрицательного влияния на конструкции в процессе их эксплуатации.
Актуальность диссертационной работы обусловлена объемами работ по строительству, реконструкции, ремонту и усилению деревянных конструкций и необходимостью разработки эффективных, научно обоснованных методов по предупреждению возникновения основных повреждений. На основании выявленных закономерностей появления и развития повреждений, изучения их влияния на деревянные конструкции, а также выявленной зависимости прочности древесины от вида длительно действовавшего напряженного состояния, следует разработать предложения по предупреждению снижения или восстановлению свойств древесины, используемой в строительных конструкциях. Это позволит увеличить срок эксплуатации деревянных конструкций и эффективно использовать ресурс древесины сооружений. Поэтому, поставленная задача является актуальной.
Учитывая вышеизложенное, целью работы является исследование свойств древесины длительно эксплуатируемых деревянных конструкций с учетом возникших в них повреждений и уточнение рекомендации по увеличению их долговечности.
Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:
-на основании анализа результатов натурных обследований деревянных конструкций, длительно эксплуатируемых в различных температурно-влажностных условиях, исследовать особенности расположения биологических и механических повреждений конструкций и выявить основные закономерности их возникновения и развития;
-исследовать напряженно-деформированное состояние деревянных конструкций с различными повреждениями, возникшими в процессе эксплуатации;
-определить изменение прочности древесины в зависимости от вида напряженного состояния, действовавшего в период длительной эксплуатации в различных температурно-влажностных условиях;
-разработать предложения по предупреждению возникновения повреждений и восстановлению свойств деревянных конструкции в процессе эксплуатации;
Научная новизна работы заключается в следующем:
-на основе анализа экспериментальных исследований установлены основные закономерности возникновения и развития повреждений деревянных конструкций механического и биологического характера;
-расчетно-теоретический анализ особенностей напряженного деревянных элементов с различными повреждениями позволил разработать методику расчета деревянных конструкций с основными повреждениями, возникающими в процессе их длительной эксплуатации;
-в результате экспериментальных исследований будет установлен характер изменения прочности древесины, эксплуатировавшийся в течение 70 лет и более в конструкциях с различным видом напряженно-деформированного состояния.
1) Уточнены некоторые методические особенности проведения исследования выявления закономерностей развития основных повреждений деревянных конструкций в процессе длительной эксплуатации в различных температурно-влажностных условиях;
2) В результате анализа результатов обследований деревянных конструкций исследованы особенности расположения механических повреждений в деревянных конструкциях;
3) Установлено, что встречаемость элементов с трещиной при эксплуатации в течение от 30 до 50 лет в различных температурно-влажностных условиях составляет соответственно 81 и 80%.
4) Полученные в виде аппроксимирующих кривых закономерности изменения количества поврежденных конструкций во времени могут быть использованы для прогнозирования отказов конструкций и составления графиков их ремонтов;
5) Встречаемость поврежденных конструкций с торцевыми трещинами составляет от 92 до 100 %, а с глубиной трещин от 0,25 до 0,5 В - от 67 до 100 %.
6) На основании расчетно-теоретического исследования напряженного состояния объемной модели изгибаемой деревянной конструкции с горизонтальной торцевой трещиной в середине высоты сечения методом МКЭ установлено, что изменение распределения нормальных напряжений по высоте сечения конструкции от раздельной работы двух ветвей на участке с трещиной к совместной работе ветвей конструкции происходит на длине /=0,12 Lот вершины трещины (L - длина балки). Концентрация касательных напряжений происходит в вершине трещины на длине A=0,08 L.Наибольшие нормальные и касательные напряжения возникают при длине трещины 0,36 L.Полученные аппроксимирующие зависимости позволяют определить изменение прочности изгибаемой конструкции К по различным напряжениям при известной длине трещины.
7) В результате испытаний образцов древесины, отобранных их конструкций эксплуатировавшихся в течение от 30 до 100 лет, установлено, что если напряжения в конструкциях не превышали принятых в СП 64.13330.2011 значений расчетных сопротивлений, вид напряженного состояния существенно не влияет на прочность древесины и ее модуль упругости. При длительной эксплуатации (до 100 лет) прочность древесины при сжатии и изгибе существенно не изменяются. Вместе с тем, прочность древесины при скалывании снижается от 20 до 30 %. С увеличением срока эксплуатации деревянных конструкций модуль упругости древесины при изгибе снижается от 3 до 19 %.
2) В результате анализа результатов обследований деревянных конструкций исследованы особенности расположения механических повреждений в деревянных конструкциях;
3) Установлено, что встречаемость элементов с трещиной при эксплуатации в течение от 30 до 50 лет в различных температурно-влажностных условиях составляет соответственно 81 и 80%.
4) Полученные в виде аппроксимирующих кривых закономерности изменения количества поврежденных конструкций во времени могут быть использованы для прогнозирования отказов конструкций и составления графиков их ремонтов;
5) Встречаемость поврежденных конструкций с торцевыми трещинами составляет от 92 до 100 %, а с глубиной трещин от 0,25 до 0,5 В - от 67 до 100 %.
6) На основании расчетно-теоретического исследования напряженного состояния объемной модели изгибаемой деревянной конструкции с горизонтальной торцевой трещиной в середине высоты сечения методом МКЭ установлено, что изменение распределения нормальных напряжений по высоте сечения конструкции от раздельной работы двух ветвей на участке с трещиной к совместной работе ветвей конструкции происходит на длине /=0,12 Lот вершины трещины (L - длина балки). Концентрация касательных напряжений происходит в вершине трещины на длине A=0,08 L.Наибольшие нормальные и касательные напряжения возникают при длине трещины 0,36 L.Полученные аппроксимирующие зависимости позволяют определить изменение прочности изгибаемой конструкции К по различным напряжениям при известной длине трещины.
7) В результате испытаний образцов древесины, отобранных их конструкций эксплуатировавшихся в течение от 30 до 100 лет, установлено, что если напряжения в конструкциях не превышали принятых в СП 64.13330.2011 значений расчетных сопротивлений, вид напряженного состояния существенно не влияет на прочность древесины и ее модуль упругости. При длительной эксплуатации (до 100 лет) прочность древесины при сжатии и изгибе существенно не изменяются. Вместе с тем, прочность древесины при скалывании снижается от 20 до 30 %. С увеличением срока эксплуатации деревянных конструкций модуль упругости древесины при изгибе снижается от 3 до 19 %.