Введение
1. Исследование деформативности и прочностных характеристик нагельных соединений и клееных деревянных конструкций 13
1.1. Общие сведения 13
1.2. Сопряжения деревянных конструкций 14
1.3. Особенности расчета узлов стыка деревянных конструкций с
применением вклеиваемых стержней 28
1.4. Пути совершенствования нагельных узловых сопряжений деревянных
конструкций 36
1.5. Выводы по главе 37
ГЛАВА 2. Исследование влияния химически агрессивной среды на конструкции из клееной древесины, стальные и композитные детали; прогноз
технического состояния клееных деревянных конструкций 38
2.1. Общие сведения 38
2.2. Условия эксплуатации строительных конструкций складов 45
2.3. Анализ опыта эксплуатации строительных конструкций складов 48
2.4. Влияние солесодержания и влажности на прочность композитов на
углеродных, базальтовых и стекловолокнах 68
2.5. Выводы по главе 74
ГЛАВА 3. Теоретические и экспериментальные исследования напряженно- деформированного состояния цилиндрических нагелей из углеродного композита при действии поперечных сил 76
3.1. Методика расчета нагельных соединений деревянных конструкций . 76
3.2. Оборудование и материалы, используемые при экспериментальной
оценке несущей способности углепластиковых нагелей 81
3.3. Расчет нагельного соединения по методике СП «Деревянные конструкции» 86
3.4. Экспериментальное исследование узлового соединения 87
3.5. Компьютерное моделирование и расчет нагельного соединения в
расчетном комплексе ANSYS 96
3.6. Выводы по главе 101
ГЛАВА 4. Экспериментальные и теоретические исследования напряженно- деформированного состояния жестких стыков клееных деревянных конструкций с применением композитных вклеенных стержней и пластин 102
4.1. Подбор рациональных параметров стыкового соединения деревянных
конструкций на углепластиковых вклеенных стержнях 105
4.2. Моделирование и натурные испытания жесткого узла стыка балок при
испытаниях на четырехточечный изгиб 113
4.3. Численное моделирование и натурные испытания жесткого стыка балок
по консольной схеме на трехточечный изгиб 120
4.4. Выводы по главе 127
ГЛАВА 5. Расчет экономического эффекта от внедрения
карбонового узла 129
5.1. Методология расчета экономической эффективности 130
5.2. Расчет экономической эффективности карбонового узла 132
5.3. Выводы по главе 137
Заключение 138
Библиографический список 140
Приложение
В химически агрессивных средах при применении конструкций из древесины всегда является актуальным вопрос проектирования прочных жестких и долговечных, при этом компактных и технологичных в изготовлении и сборке в условиях строительной площадки, стыков и узлов соединений, способных воспринимать значительные усилия. Проектирование прочных и долговечных конструкций без надежных соединений не представляется возможным. В настоящий день такие контактные соединения выполняют в основном из стальных элементов (нагелей, накладных деталей, уголков и т.п.). Однако в специфических условиях, диктуемых агрессивной средой, применение стали зачастую неуместно в связи с быстротекущими процессами коррозии и сложностью борьбы с ними.
Актуальность темы исследования. Конструкции из цельной и клееной древесины нашли широкое применение во многих отраслях народного хозяйства. Опыт применения этих конструкций в зданиях и сооружениях химической отрасли насчитывает более ста лет и показывает не поддающиеся сомнению преимущества древесины. В условиях химической агрессии древесина применяется при возведении складов, галерей межцехового транспорта, устройстве стропил над зданиями различного назначения, так как ее эксплуатационные характеристики значительно выше в сравнении со стальными, каменными и армокаменными конструкциями. За весь обозримый период эксплуатации не выявлено ни одного случая аварии, связанного с химической коррозией древесины. В то же время узлы соединений деревянных конструкций, проектируемые сегодня в виде стальных болтов, пластин, нагелей, накладных деталей и проч. подвержены воздействию коррозии, что является наиболее частой причиной аварийных ситуаций.
Восстановление антикоррозионного слоя зачастую невозможно без остановки эксплуатации объекта. Высокотемпературное воздействие при применении в узлах стыка сварки стальных деталей (накладных пластин,
арматурных стержней) приводит к возникновению концентраторов напряжений, связанных с разрушением структуры древесины на этих участках. Существенная разница коэффициентов линейного термического расширения и древесины параллельно волокнам приводит к ограничению стыковки крупносборных большепролетных элементов в условиях большого годового перепада температур. Предел огнестойкости массивного деревянного сечения, обработанного антипиреном, позволяет выдерживать конструкции до 60 минут без обрушения, при этом переход стальных соединительных деталей в пластическое состояние в условиях пожара происходит за время в 5-12 раз меньшее (в зависимости от температуры). Применение в качестве соединительных элементов армированных пластиков (в числе которых углеродные композиционные материалы), позволяет решить большую часть описанных выше проблем. Существует ряд ценных свойств таких материалов: высокая механическая прочность; модуль упругости, сопоставимый с модулем упругости древесины; легкость, устойчивость к высоким температурам, инертность к коррозионным процессам, простота механической обработки. В Российской Федерации в 2010 году ГК «Нанотех» выпущена Дорожная Карта «Использование нанотехнологий в производстве углеродных волокон и продуктов на их основе», отражающая структуру стратегического развития производства углеволокна и материалов на его основе. Однако, на практике применение композитных элементов в строительных конструкциях, в частности углепластиков, сдерживается, в связи с отсутствием корректных методов расчета и нормативной документации. Поэтому развитие теоретических положений расчета, обоснование экономической эффективности применения углеродных композитов, является актуальным и расширяет возможности применения возобновляемых природных материалов.
Степень разработанности темы.
Особенности расчетов строительных конструкций из древесины, а также конструктивные схемы проектирования стыков с применением стальных соединительных элементов широко изучены. В России выдающиеся инженерные конструкции на основе клееной древесины и инженерные методики их расчета созданы И. П. Кулибиным, К. Д. Фроловым, Д. И. Журавским, В. Т. Шуховым, Г. Г. Карлсеном, А. Д. Захаровым, И. К. Коробовым и другими. Новые решения деревянных конструкций были применены в СССР при строительстве павильонов первой сельскохозяйственной выставки в 1923 г., а после - при возведении ЦАГИ имени профессора Н. Е. Жуковского в 1925-26 гг. Кроме того, многочисленные исследования стыков и узлов сопряжения деревянных конструкций выполнены силами таких институтов, как ВИАМ, ЦНИИСК, ЦАГИ, МИСИ, ЛИСИ, ВИА. Отдельного внимания заслуживают работы и исследования советских и российских деятелей науки В. Н. Маслова, В. В. Большакова, Е. М. Знаменского, В. С. Деревягина, В. Ю. Щуко, М. Е. Кагана, В. А. Цепаева, В. Ф. Бондина, А. В. Леняшина, В. И. Линькова, К. П. Пятикрестовского и др.
Широко применимым видом жестких соединений клееных деревянных конструкций, применяемых в современной строительной практике большепролетных сооружений, являются узлы с наклонно вклеенными арматурными стержнями с применением сварки ввиду технологичности и относительной простоты сборки. Основная методика расчета таких узлов на сегодняшний день представлена в работах группы ученых под руководством С. Б. Турковского, и и А. А. Погорельцева носит название «система ЦНИИСК». Основные положения по расчету и конструированию таких узлов приведены в СП 64.13330.2011 «Деревянные конструкции. Актуализированная редакция СНиП II-25-80». Эта методика сводится к сравнению минимальной несущей способности стержня из условия смятия гнезда древесины или изгиба наиболее нагруженного из стержней, а способы определения усилий в нагелях для нахождения наиболее нагруженного стержня в нормативных документах не приводятся. Эта задача решается в данной диссертационной работе.
1. Выполнен аналитический обзор научных публикаций отечественных и зарубежных ученых по расчету и проектированию стыков клееных деревянных конструкций, нормативной документации. Рассмотрены варианты стыков на нагелях и на вклеенных стержнях.
2. Установлены эксплуатационные факторы агрессивной среды (солесодержание, влажность, длительность эксплуатации) и их влияние на жизненный цикл конструкций из цельной и клееной древесины, включающей металлические элементы, которые получены в результате статистической обработки данных за последние 10 лет при инженерном обследовании строительных конструкций и обобщения опыта мониторинга за предыдущие 35 лет.
3. Установлено, что снижение прочностных характеристик древесины от совокупного воздействия факторов происходит в первые 10.15 лет эксплуатации и носит затухающий характер. Влияние же химической агрессии на соединительные детали крепления конструкций носит необратимый характер, будь то уменьшение поперечного сечения стальных элементов, связанных с коррозионным износом, либо разрушение химических волокон стекловолокна и базальта, связанных со структурными разрушениями материала. Углеродные волокна менее подвержены влиянию агрессивной среды, процесс является затухающим и прекращается через 14 суток, прочность снижается на 18 - 22 %.
4. По результатам натурных и вычислительных экспериментов показана принципиальная возможность замены стальных несущих элементов в конструкции стыка на углепластиковые. Выявлены характерные особенности работы нагелей под нагрузкой на изгиб и характер смятия окружающей древесины при использовании стальных и углепластиковых нагелей , в зависимости от размеров конструктивных элементов и характера приложения нагрузки. При действии пошагово возрастающей нагрузки результаты натурных и численных экспериментов, коррелируют с расчетными нагрузками, определяемыми из условия смятия древесины по инженерной методике [6]. При испытаниях непрерывно возрастающей нагрузкой разрушение стыка зависит, в
5. Разработана вычислительная технология создания корректной расчетной модели и усовершенствованная методика расчета деревянных конструкций с углепластиковым нагельным соединением, учитывающая анизотропию композитных материалов и клееной древесины, контактное взаимодействие элементов стыка, которая позволяет: понять характер разрушений композитной конструкции, распределение напряжений и перемещений, возникающих внутри стыка, скрытых для регистрации при экспериментальном исследовании, выявить положение наиболее нагруженного элемента, оценить влияние конструктивных параметров стыка на несущую способность и деформативность конструкции в целом. Созданы алгоритмы и программные модули на языке APDL с применением CAD-ориентированного подхода.
6. Проведены натурные эксперименты большеразмерных образцов балок при разных вариантах нагружения, в которых разрушение конструкции происходит согласно прогнозу численной модели в результате взаимного проскальзывания слоев клееной древесины и разрушения полимерной матрицы вклеиваемых стержней с началом образования пластических шарниров под пятками траверсы и образованием трещин в древесине в месте стыка.
7. Кратковременные испытания в целом показали жизнеспособные решения при проектировании узлов на вклеенных стержнях, однако для полноты картины работы таких деталей необходимо проведение длительных экспериментов, включая огневые испытания и испытания на вибрационную нагрузку. Необходимо учесть старение композитов.
8. Расчет экономической эффективности показал, что типовое арочное сооружение при замене узлов стыка полуарок со стали на углепластик имеет срок окупаемости 3,48 года. Это обусловлено отсутствием необходимости восстановления антикоррозионной защиты, снижением стоимости инженерных обследований, а также большим сроком эксплуатации конструкции.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
