Вузлові з'єднання стислих і розтягнутих елементів у клеєних дерев'яних конструкціях

22

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Харківський державний технічний університет будівництва та архітектури

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

05.23.01 - будівельні конструкції, будівлі та споруди

Вузлові з'єднання стислих і розтягнутих елементів у клеєних дерев'яних конструкціях

Ковлев Микола Миколайович

Харків - 2011

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі металевих і дерев'яних конструкцій Харківського державного технічного університету будівництва та архітектури Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Фурсов Вадим Вікторович, Харківський державний технічний університет будівництва та архітектури, професор кафедри металевих і дерев'яних конструкцій.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Шмуклер Валерій Семенович, Харківська національна академія міського господарства, професор кафедри будівельних конструкцій;

кандидат технічних наук, доцент Кириленко Віталій Федорович, Національна академія природоохоронного і курортного будівництва (м. Сімферополь), доцент кафедри металевих та дерев'яних конструкцій.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради канд. техн. наук, доцент Т.О. Костюк

Анотація

дерев'яних конструкція об'ємний деформація

Ковлев М.М. Вузлові з'єднання стислих і розтягнутих елементів у клеєних дерев'яних конструкціях. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.01 - будівельні конструкції, будівлі та споруди. Харківський державний технічний університет будівництва та архітектури, Харків, 2011 р.

Дисертаційна робота присвячена оцінці напружено-деформованого стану вузлових з'єднань із клеєної деревини, вивченню дійсної роботи конструкцій і вузлів із КДК з урахуванням анізотропних властивостей матеріалу, а також розглянуте завдання створення з'єднань, що працюють в умовах складного напруженого стану.

Розглянуто теоретичні питання обліку пружної анізотропії клеєної деревини. Наведено результати експериментально-теоретичного дослідження клеєної деревини на моделях різних розмірів з метою вивчення її механічних і пружних властивостей при стиску, згині. Проведено випробування «чистих» і стандартних зразків як зі «старої» клеєної деревини, так і з «нової» клеєної деревини. Досліджено ортогональні хрестоподібні зразки на змішану задачу, оцінено їх напружено - деформований стан, модулі об'ємної деформації та характер руйнування. На підставі отриманих результатів уведені виправлення в критерій міцності, отриманий з урахуванням енергії формозміни за енергетичною теорією міцності

Розглянуто особливості вирішення вузлових з'єднань несучих ізоляційних конструкцій електрофізичних установок. Розроблено систему посилень найбільш слабких місць частин електрофізичного комплексу, експлуатованого на відкритому повітрі.

Ключові слова: клеєна деревина, згин, стиск, анізотропія, зминання, складний напружений стан, безметалеві сполучення.

Аннотация

Ковлев Н.Н. Узловые соединения сжатых и растянутых элементов в клееных деревянных конструкциях. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.01 - строительные конструкции, здания и сооружения. Харьковский государственный технический университет строительства и архитектуры, Харьков, 2011 г.

Во введении рассмотрены актуальность работы, сформулированы цель и задачи исследования, отмечена научная новизна и практическое значение полученных результатов. Приведены данные по внедрению, апробации и публикациям по теме работы.

В диссертации проведен анализ работ, связанных с изучением клееной древесины как строительного анизотропного материала, поскольку она представляет собой качественно иной материал, нежели цельная природная древесина. Оценено напряженно-деформированное состояние узловых соединений из клееной древесины, изучение действительной работы конструкций и узлов из КДК с учетом анизотропных свойств материала, а также рассмотрена задача создания соединений, работающих в условиях сложного напряженного состояния. На основании проведенного анализа сформулированы цели и задачи исследования.

Рассмотрены теоретические вопросы учета упругой анизотропии клееной древесины. На основании проведенных в последнее время работ рассматривалась трансверсально-изотропная модель с использованием соответствующих физических соотношений теории упругости. Показано, что в силу анизотропности своего строения, древесина работает даже при осевых воздействиях в условиях сложного напряженного состояния. При таком подходе необходим критериальный учет всех компонентов тензора напряжений, особенно при расчете узловых соединений. Математическое обоснование всех расчетных моделей при оценке их напряженно-деформированного состояния производится с учетом ряда допущений: а) тело является сплошной средой; б) связь между напряжениями и деформациями принимается линейной в силу особенностей древесины как строительного материала; в) начальные и остаточные напряжения, возникающие в древесине в результате естественного роста либо склеивания, не учитываются; г) изменением прочностных свойств по длине ствола от комля до отруба можно пренебречь. Рассмотрена возможность использования современных расчетно-теоретических комплексов SCAD Soft и «ANSYS» для численной реализации поставленных задач.

Приведены результаты экспериментально-теоретического исследования клееной древесины на моделях различных размеров с целью изучения ее механических и упругих свойств при сжатии, изгибе. Проведены испытания «чистых» и стандартных образцов, как из «старой» клееной древесины, полученных из конструкций балок испытательного стенда ГИНТ 12-30, так и из «новой» клееной древесины, из которой изготавливались модели экспериментальных крестов. Анализ результатов испытаний показал, что для стандартных «чистых» образцов существенных снижений прочностных и деформационных характеристик не произошло.

Изложены результаты исследования ортогональных крестообразных образцов сечением 72х72х300 мм и 72х72х1000 мм, оценено их напряженно - деформированное состояние, модули объемной деформации и характер разрушения. Был произведен расчет образцов с использованием вычислительного комплекса «ANSYS» и полученные данные сопоставлены с результатами экспериментов. На основании полученных результатов введены поправки в критерий прочности, полученный с учетом энергии формоизменения по энергетической теории прочности. Тестовые расчеты экспериментальных образцов показали, что принимаемые в нормах значения коэффициентов Пуассона вдоль и поперек волокон нуждаются в уточнении. Рекомендуемые значения коэффициентов Пуассона вдоль волокон 0,5 не обеспечивают требований физических соотношений и должны быть снижены до значений 0,45-0,48. Для приближенной оценки компонент модуля объемной деформации достаточно проведение испытаний на сжатие в двух направлениях поперек волокон в трансверсальной плоскости. При этом составляющую вдоль волокон можно условно считать константой.

В заключительной части рассмотрены особенности решений узловых соединений несущих изоляционных конструкций электрофизических установок. Произведён расчет растянутых и сжатых ветвей башенных конструкций с окнами для пропуска ригелей с помощью комплекса «ANSYS». Разработана система усилений наиболее слабых мест частей электрофизического комплекса, эксплуатируемого на открытом воздухе.

Ключевые слова: клееная древесина, изгиб, сжатие, скалывание, анизотропия, смятие, сложное напряженное состояние, безметальные соединения.

Summary

Kovlev N.N. Nodes of compression and tension elements in glued timber structures. - Manuscript.

Dissertation on the competition for science degree of Ph.D.on speciality 05.23.01 - building constructions, buildings and structures. Kharkiv State Technical University of Construction and Architecture, Kharkiv, 2011.

The dissertation work discusses the assessment of strain-stress distribution of glued timber nodes. It studies actual behavior of glued timber structures and nodes with allowance for anisotropic material properties. The thesis also considers the necessity of bulding nodes working in conditions of combined stress state.

Theoretical questions considering elastic anisotropy of glued timber were discussed. The results of experimental-theoretical study of glued timber on different size models with the purpose of studying its mechanical and elastic properties during compression and bending also were demonstrated in this work. Tests of “clear” and standard samples were carried out both from «old» glued timber and from «new» glued timber. Orthogonal crosswise samples were tested for complex problems; their tensely deformed condition, volume deformation modules and actual damage was assessed. Based on the obtained results the failure criterion has been amended which was obtained with allowance for distortion energy according to maximum-strain-energy theory.

Nodes concept features of load-carrying isolated structures of electrophysical units were discussed. Gain system of the weakest parts of the outdoor electrophysical complex was developed.

Key words: glued timber, bending, compression, shearing, anisotropy, bearing, combined stress state, non-metallic connections.

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Деревина, як відомо, є одним з небагатьох самовідтворювальних природних матеріалів, що застосовуються у практиці сучасного будівництва. Особливо широке розповсюдження вона одержала в новій якості у вигляді конструкцій, склеєних з дощок. Висока питома міцність, незначна вага, низька теплопровідність і коефіцієнт лінійного розширення, високі виробничі показники роблять використання конструкцій із клеєної деревини досить привабливими. При цьому вони значно виграють у порівнянні з традиційними матеріалами (сталлю та залізобетоном) при особливих умовах експлуатації: в агресивних середовищах, в сейсмічних районах, у спорудах, що забезпечують радіо прозорість та магнітну проникність, а також з естетичної та екологічної точок зору.

Розвиток сучасних галузей науки і техніки, зокрема техніки високих напруг (ТВН), викликав необхідність створення нового класу ізоляційних несучих будівельних конструкцій для підтримки установок імпульсного електрофізичного впливу. На кафедрі МДК ХДТУБА накопичено значний науково-практичний досвід проектування, будівництва та експлуатації ізоляційних несучих конструкцій електрофізичних установок, виконаних з клеєної деревини. Такі конструкції, що повинні бути практично безметалевими, можуть виконуватися з ізоляційних матеріалів: склопластиків, дерев'яних шаруватих пластиків, порцелянових ізоляторів і клеєної деревини. А в імпульсних спорудах відсоток металу, призначеного, в основному, для кріплень, обмежений і не повинен перевищувати 5% від загальної маси конструкцій. Тому дослідження з'єднань дерев'яних клеєних конструкцій з використанням різних рішень представляється актуальним і своєчасним завданням.

Деревина, маючи необхідні діелектричні властивості, є відносно дешевим і високотехнологічним матеріалом для розробки конструкцій такого класу в порівнянні зі штучними аналогами.

Діючий БНіП II-25-80 здебільшого побудований на підставі широких досліджень цільної деревини. Так в розділі, що нормує розрахункові опори, розмежування цільної та клеєної деревини зроблено, а в розділі з'єднань збереглися старі вимоги, сформовані ще в попередніх редакціях норм (1962 та 1974 рр.). Деревина, як відомо, є анізотропним матеріалом з різними міцністними та пружними характеристиками в напрямку головних осей пружної симетрії, що практично не враховується в реальних розрахунках, регламентованих нормами. Тому завдання дисертаційної роботи спрямовані на вирішення питань, що виникають як у процесі проектування, так і при експлуатації таких конструкцій.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема дисертації відповідає науково-технічній політиці оцінки технічного стану будинків і споруд відповідно до постанови Кабінету Міністрів України №409 від 05.05.1999р., а також постанові, щодо забезпечення надійності й безпеки будинків, споруд і комунікацій згідно з постановою Кабінету Міністрів України №1313 від 20.08.2000р. Робота виконувалася відповідно до координаційного плану науково-дослідних робіт по держбюджетній темі “Складний напружений стан несучих ізоляційних конструкцій електрофізичних установок з клеєної деревини”(державний реєстраційний номер 0111 U 000859).

Мета і завдання досліджень. Метою роботи є розробка методів розрахунку вузлів клеєних дерев'яних конструкцій (КДК) з урахуванням анізотропних властивостей матеріалу та їх експериментальна перевірка в умовах складного напруженого стану.

Для реалізації мети, що поставлена необхідно було виконати наступні завдання:

- в лабораторних умовах оцінити міцністні і пружні характеристики клеєної деревини, у тому числі в конструкціях, які відпрацювали тривалий час;

- експериментально визначити компоненти модуля об'ємної деформації на зразках у вигляді кубів;

- дослідити складний напружений стан в умовах двовісного навантаження (двовісний стиск, комбінація розтяг-стиск);

- розробити методики їхнього розрахунку на складний напружений стан;

- відновлення несучої здатності баштових конструкцій імпульсних установок (обстеження та підсилення несучих елементів башт з клеєної деревини).

Об'єкт дослідження - ізоляційні несучі конструкції електрофізичних споруд з клеєної деревини.

Предмет дослідження - складний напружений стан елементів дощато- клеєних плоских і просторових систем з обліком анізотропних властивостей деревини.

Методи дослідження - проведення експериментальних та теоретичних досліджень із застосуванням сучасних методів проведення експерименту, з використанням вимірювальної апаратури, а також розрахунково-теоретичних комплексів “SCAD” і “ANSYS” за допомогою яких теоретично враховуються анізотропні властивості деревини в умовах складного напруженого стану.

Наукова новизна роботи полягає:

- у розробці вузлових з'єднань ізоляційних конструкцій із клеєної деревини;

- в експериментальній оцінці їхньої дійсної роботи й розробці пропозицій за методикою розрахунку;

- в експериментальному дослідженні складного напруженого стану клеєної деревини на двовісний стиск, а також у розтяганні-стиску й оцінці несучої здатності конструкцій і вузлів;

- в одержанні уточнених коефіцієнтів при компонентах напруженого стану в критеріальних розрахунках;

- у дослідженні безметалевих вузлів із клеєної деревини;

- в уточненні методики розрахунку споруд електрофізичних установок, які регулярно спостерігалися, і їхньої санації в процесі тривалої експлуатації.

Практичне значення отриманих результатів полягає в тому, що розгляд анізотропії клеєної деревини в умовах складного напруженого стану дозволить точніше оцінити дійсну її роботу в конструкціях. Аргументований облік анізотропії знизить імовірність появи відмов, підвищивши загальну надійність конструкцій при різних впливах. При цьому слід зазначити, що дослідження, проведене для об'єктів електротехнічного призначення, носить універсальний характер, а результати, отримані в роботі, можуть бути використані в традиційних конструкціях, виконаних із клеєної деревини.

Результати досліджень вузлових з'єднань із клеєної деревини впроваджені при реконструкції об'єктів, побудованих на експериментальній базі НДПКІ “Молнія” у Харківській області, що одержала статус національного надбання України, і інших проектах баштових споруд електрофізичних установ. Крім того, окремі положення дисертації передані до проекту вітчизняних норм ДБН “ Дерев'яні конструкції ”, які плануються до випуску в 2011 р.

Дослідження складного напруженого стану можуть бути використані при обстеженні й підсиленні традиційних існуючих конструкцій, а також у навчальному процесі кафедри.

Особистий внесок здобувача визначається проведенням широких експериментальних досліджень міцнісних і пружних властивостей клеєної деревини на різні види напружено-деформованого стану; вивченням роботи конструкцій і вузлів електрофізичних установок; участю в обстеженнях електрофізичних комплексів, пропозиціями по їх розрахунку. Крім того, автор приймав участь у створенні розрахунково-аналітичної програми “ДЕКОР” SCAD Office.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертації доповідалися на міжнародних конференціях: у м. Одесі в 2001 р., 2003 р., 2005 р., 2006 р., у м. Щецін (Польща) в 2002 р., у м. Донецьку в 2004 р., у м. Київ в 2004 р., в 2009 р., в 2010 р., у м. Самарі в 2005 р., у м. Бресті в 2009 р, на науково-технічних конференціях ХДТУБА в період з 2001-2007р. У закінченому вигляді робота доповідалася на кафедрі МДК ХДТУБА в 2008-2009 р., а також на семінарі докторської ради Д 64.056.04 Харківського державного технічного університету будівництва та архітектури в 2009 і 2011 рр.

Публікації. Основний зміст дисертації опублікований у 15 науково-технічних статтях у наукових виданнях, рекомендованих ВАК України.

Обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел із 150 найменувань й додатків. Загальний обсяг дисертації 206 сторінок, в тому числі 139 сторінок основного тексту, 66 рисунків, 11 таблиць і 4 додатки.

2. Основний зміст роботи

дерев'яний конструкція об'ємний деформація

У вступі обґрунтована актуальність, новизна, а також практичне значення дисертаційної роботи, вказано на необхідність теоретичного й експериментального дослідження клеєної деревини як будівельного матеріалу, сформульована мета і задачі досліджень.

Перший розділ присвячений аналізу робіт, пов'язаних із вивченням особливостей клеєної деревини як будівельного матеріалу з різними властивостями в напрямку осей пружної симетрії, а також різних конструкцій із цього матеріалу. Встановлено, що у більшості випадків деревина розглядається як лінійно-пружний матеріал, а розходження властивостей ураховується шляхом введення поправочних коефіцієнтів, що відбивають особливості фізичних властивостей матеріалу. Однак останнім часом має місце тенденція зближення розрахункових положень із дійсним характером роботи матеріалу під навантаженням. Початок такому підходу було покладено в роботах Митинського А.М., Павлова А.П., Ашкенази О.К., Коченова В.М., Іванова Ю.М., Соболєва Ю.С., Флаксермана А.М. Надалі цей напрямок розвивався в працях Сєрова Є.М., Орловича Р.Б., Найчука А.Я., Клименко В.З., Кириленко В.Ф., Шмуклера В.С., Пічугіна С.Ф., Лабудина В.Б., Фурсова В.В. й інших. Розмаїтність конструктивних форм стала поштовхом щодо початку дослідження різного виду з'єднань (Отрешко О.І., Знаменський Є.М., Тахтамишев Г.Г., Освенський Б.А., Дерев'ягин В.С., Іванов Ю.М., Леняшин А.Б., Кочетков В.М., Дмитрієв П.А., Турковський С.Б., Золотов М.С. й ін.). Розробка і впровадження в практику будівництва цих досліджень поклали початок відродженню деревини як будівельного матеріалу. Значний внесок у вирішення цієї проблеми внесли вчені таких вузів як: МІБІ, ЛІБІ, ВІБІ, КІБІ, ХІБІ й ін. Продовжили широкі наукові дослідження НДІ (ЦНДІБК, ЦНДІ промбуд, ЦНДІ видовищних будинків та спортспоруд, ЦНДІМОД і багато ін.). Роботи Биковського В.К., Соколовського В.С., Губенко А.Б., Іванова Ю.М., Іванова В.Ф., Іванова В.О., Ковальчука Л.М. та інших створили передумови подальшого розвитку дерев'яних конструкцій. Поява єврокодів також є додатковим стимулом перегляду ряду підходів до розрахунків конструкцій із клеєної деревини. Розвиток сучасних галузей науки й техніки викликав необхідність створення нового класу будівельних конструкцій ізоляційного призначення, що сприймають різні імпульсні електричні впливи. У цьому напрямку плідно працює ряд наукових організацій, у тому числі й наукові підрозділи ХДТУБА. Особливістю цього класу конструкцій є неприйнятність в основних несучих конструкціях традиційних матеріалів сталі й залізобетону. При особистій участі ХДТУБА побудовані споруди подібного типу на території колишнього СРСР, а також в Україні. Особливістю їх є робота безпосередньо на відкритому повітрі, що дозволяє розширити досвід спостереження за клеєними дерев'яними конструкціями в умовах змінних режимів експлуатації (температура та вологість). Для формування об'єктивного підходу до оцінки довговічності КДК, які експлуатуються на відкритому повітрі, необхідний, як мінімум, двадцятирічний термін спостереження за ними. Наявність у конструкціях і вузлових з'єднаннях дотичних і нормальних напружень обох знаків вимагає уточнення пружних і фізичних співвідношень клеєної деревини, а також ретельної оцінки напружено-деформованого стану (НДС). Впровадження в практику нових розрахунково-теоретичних комплексів дозволяє розглянути це завдання в об'ємній постановці, що раніше не представлялося можливим.

У результаті вивчення стану питання й проведеного аналізу сформульовані цілі та задачі даного дослідження.

У другому розділі розглянуті теоретичні питання обліку пружної анізотропії деревини. Найбільш точно роботу клеєної деревини під навантаженням відображає трансверсально-ізотропна (транстропна) модель деревини, що експериментально встановлено в роботах ряду організацій, у тому числі й у ХДТУБА.

При статичних завантаженнях конструкцій і вузлів загальна потенційна енергія пружно деформованого тіла складається із двох частин: енергії зміни форми та енергії, що відповідає роботі, затрачуваної на зміну об'єму.

Потенційна енергія формозміни записується в такий спосіб:

U _ф =U-U₀ (1)

де U-загальна потенційна енергія лінійно-деформованого тіла, а U₀ - енергія зміни об'єму.

Повна потенційна енергія деформування

(2)

Для плоскої задачі повна потенційна енергія набуває спрощений вид

Якщо прийняти за вісь x напрямок уздовж волокон деревини і вісь y, перпендикулярну до неї, то варто замінити x на а, а трансверсальну площину замінимо на s, то можна записати.

У транстропному тілі число пружних постійних зводиться до двох модулів Юнга, двох модулів зсуву і трьох коефіцієнтів Пуассона. Між цими постійними є дві залежності - одна в площині ізотропії, а інша між модулями пружності та коефіцієнтами Пуассона. Таким чином у цьому випадку необхідно мати п'ять незалежних пружних характеристик, тоді закон Гука для транстропного тіла може бути представлений в наступному вигляді:

(4)

Для плоскої задачі транстропного тіла повна потенційна енергія записується у вигляді:

де a, s - напруги відповідно уздовж і поперек волокон;

Еа, Еs, Gas - модулі пружності та зсуву для тих же напрямків.

Енергія зміни об'єму:

де - величина зворотна модулю об'ємної деформації, фізичний зміст якого аналогічний модулю Юнга;

у₀ - напруга при рівномірних усебічних осьових навантаженнях;

- об'ємна деформація для транстропної моделі.

Оскільки:

Запишемо вираз зміни об'єму деформованого транстропного тіла:

Таким чином енергію формоутворення з урахуванням модулів об'ємної деформації запишемо в такий спосіб:



Основною вимогою критеріальних залежностей є вимога не перевищення сумарної величини всіх компонентів напруги, що виникає від простого осьового завантаження. Тобто кожен компонент критерію вибирає свою частку сумарної опірності елемента в процесі деформування.

У загальному вигляді критерій міцності для плоскої задачі при двовісному навантаженні виглядає таким чином:

При цьому, кожному деформованому стану відповідають свої значення коефіцієнтів при компонентах напруги критерію, котрі наведені в таблиці 1.

Таблиця 1. Значення коефіцієнтів компонентів складного НДС

№	Вид НДС	К1	К2	К3	Примітка
		сорт	сорт	сорт
		1	2	1	2	1	2
1	Стиск і місцеве зминання на частині поверхні та в вузлах	1	1,14	0,8	0,86	0,45	0,45	НДСза табл. 3 БНіП II-25-80 для клеєної деревини.
2	Розтягання та зминання на частині поверхні	1,56	-	0,8	-	0,62	-

У третьому розділі представлені результати експериментального дослідження зразків і вузлів, виконаних як з нової, так і з відпрацьованої тривалий час у конструкціях клеєної деревини.

Для експериментального дослідження компонентів модуля об'ємної деформації були виготовлені 3 серії (по 10-15 штук у кожній) крупнорозмірних зразків із клеєної деревини у вигляді кубиків (перетином 7,2х7,2х7,2 см). Використання таких зразків визначалося цілим рядом причин, а саме: установкою тензодатчиків у кожній дошці клейового пакета, впливом масштабного фактору на міцністні та пружні характеристики, вивчені в ХДТУБА, а також для оцінки мінливості пружних властивостей при випадковій орієнтації волокон дощок. В якості засобу, що навантажує при випробуваннях на стиск і згин, використовувався гідравлічний прес УИМ-50. Для оцінки напружено-деформованого стану на кожен зразок серії наклеювалися тензодатчики активного опору базою 10 і 20 мм, з омічним опором близько 200 Ом. Загальна їхня кількість на одній моделі становила від 28 до 38 штук. Датчики активного опору підключалися до вимірювальних комплексів АИД-1 та ТК-1 з автоматичним записом показників. Для фіксування переміщень у характерних точках моделі додатково встановлювалися індикатори годинного типу із ціною розподілу 0.01, 0.001, тобто “сотки” й “тисячники.”, а також прогиноміри Максимова. Установка для випробовувань представлена на рис. 1.

Під час випробувань використано принцип незалежності дії сил, коли завантаження проводилося почергово на простий стиск у трьох основних напрямках пружної симетрії в діапазоні навантажень у межах 10-20% від руйнуючої. Визначалися відповідно модулі пружності та коефіцієнти Пуассона з обробкою даних методами математичної статистики. Коефіцієнти Пуассона характеризувалися більш високою мінливістю значень (варіаційний коефіцієнт х=21-53%, а для модулів пружності він коливався від 18 до 41 %).



Рис. 1. Установка для випробувань на стиск і загальний вид зразка серії 4 після випробування

Згідно з програмою були проведені також випробування двох серій зразків різних розмірів на згин (рис. 2).

Випробування всіх серій проводилося в 3 етапи:

1) пробне випробування з доведенням зразків до руйнування з метою оцінки їхньої несучої здатності й установлення кроку навантаження;

2) випробування зразків ступеневим навантаженням до рівня 35-40% від установленого на першому етапі руйнівного навантаження. На цьому етапі вимірювання виконувалось за допомогою тензорезисторів, після чого зразки ступінчато розвантажувалися;

3) після зняття приладів зразки доводили до руйнування, при цьому, оцінювався його характер й особливості.

Усі зразки випробувані за однією статичною схемою (встановлення навантаження в третинах прольоту).

На рис. 3 показано загальний вигляд випробовувань балок, на рис. 4 і 5 наведені епюри прогинів та компонент напруженого стану. Результати випробувань зразків КДК на згин наведені в табл. 2.



Рис. 2. Розрахункова схема моделі для випробування зразків на згин та схема розташування датчиків на колодках

Руйнування балок характеризувалося наступними ознаками: розрив розтягнутих волокон нижніх фібр; зминання в опорних зонах; зминання під штампом, що навантажує; утворення ступеневої структури на опорах; депланація балок із площини.

Рис. 3. Загальний вигляд балок із приладами на установці для проведення випробувань на згин



Рис. 4. Графіки «напруга-прогин» експериментальних балок

Рис. 5. Епюри нормальних напруг при різних рівнях навантажень

Таблиця 2. Результати випробувань зразків КДК на згин

№	Серія	Розміри зразка, см	W, см3	Wср, %	Pруйн, кН	M, кН*см	у12%, МПа	уруйн, МПа	fрозр. мм	fексп, мм
		в	h	проліт, l
1	серія 4-1-2	5,6	12,7	100	150,54	16,38	44,15	551,81	43,09	46,91	6,74	6,62
2	серія 4-1-4	5,6	12,9	100	155,32	15,36	38,26	478,24	34,92	37,62	5,58	7,06
3	серія 4-1-5	5,5	12,9	100	152,54	14,1	36,79	459,84	32,48	33,98	5,46	5,91
4	серія 4-1-6	5,6	12,9	100	155,32	15,36	41,2	515,03	37,61	40,12	6,0	7,9

Виконано випробування елементів стійок з вікном для пропуску балок

Стійки решітки встановлювалися у «вікна» колон веж, тому додатково було проведено випробування на стиск моделей з вирізами, що імітують роботу стійок веж. Співвідношення розмірів (bxhxl) усіх груп цієї серії становило для балок, склеєних з 3-х дощок, приблизно 1:2:15, для балок, склеєних з 4-х дощок, приблизно 1:2,5:15, що наближається до натурних розмірів. Результати досліджень наведені в дисертації.

У четвертому розділі представлені результати експериментально-теоретичного дослідження клеєної деревини в умовах складного напруженого стану (двовісного стиску, а також двовісного розтягання - стиску), виконаних з нової клеєної деревини.

Для одержання порівняльних даних проведення основного експерименту також було розбито на три послідовно виконаних етапи: 1) навантаження уздовж волокон, 2) навантаження поперек волокон, 3) спільне прикладення стискаючої сили у двох площинах. Зусилля в поздовжньому напрямку створювалося за рахунок гідравлічного пресу УИМ-50. Бічне зусилля передавалося за допомогою спеціально розроблених траверс із металевими тяжами та створювалося за рахунок установки на стенд гідравлічного домкрата вантажопідйомністю в 100 кН.

Для оцінки деформованого стану на кожні два хрестоподібних зразки серії наклеювалося «розеткою» від 40 до 80 датчиків активного опору, базою 20 мм, опором близько 200 Ом. Скомутовані датчики підключалися до приладів АИД-1 та ТК-1, що фіксували збільшення деформацій.

Випробування двох пробних зразків на рівномірний двосторонній стиск із різною орієнтацією бічних граней (волокна вздовж і поперек вертикальної вісі) показали, що фактором, який лімітує міцність, буде опір деревини поперек волокон. У цьому випадку вертикальний елемент лише частково використає резерви своєї несучої здатності. Тобто маємо очевидний висновок: навантаження хрестоподібного зразка повинно бути нерівномірним для повного використання його несучої здатності. Справедливість такого висновку підтверджується і практикою будівництва. Якщо розглянути будь-яке вузлове з'єднання, то завжди можна виділити один основний напрямок, що сприймає максимальні навантаження,та другорядний напрямок, в якому навантаження значно менше. Для прикладу можна навести вузлові з'єднання різних наскрізних систем: ферм, башт, арок, підкісно-ригельних конструкцій та ін. На цей же факт звернула увагу проф. О.К.Ашкеназі при випробуванні малих кубиків чистої деревини на двовісний стиск.

Аналіз отриманих результатів(табл.3) дозволив установити співвідношення навантажень у двох площинах для випробувань хрестоподібних зразків. Зазвичай, співвідношення навантажень на боковій і вертикальній площинах повинне становити 1 - (7-10).

Таке співвідношення, характерне для традиційних конструкцій, забезпечує найбільш раціональне використання матеріалу при двовісних напружених станах. При цьому, слід зазначити, що деформування деревини відбувається в обсязі матеріалу, що відзначили контрольні датчики, встановлені на бічних поверхнях. Причому, здебільшого ці датчики фіксували напруги, що розтягують поперек волокон, які представляють собою найнебезпечніший вид деформацій. На жаль, такі контрольні датчики були встановлені лише в ортогональних хрестах, що працюють на двовісний стиск.

Зразки витримувались в умовах лабораторії близько 3-х місяців при не досить змінній температурі та вологості навколишнього середовища. Вологість постійно замірялася електровологоміром ЭВ-11 та МГ-4Д і коливання її в різних серіях хрестів були досить незначні від 11,2 до 11,8%. Для всіх серій зразків при різних видах завантаження проводилося тензометрування, у результаті якого визначалися поздовжні й поперечні деформації в кожній точці, а також нормальні та дотичні напруги в поздовжньому та поперечному напрямках.



Рис. 6. Випробування ортогональних хрестів

При випробуваннях розглядалися різні співвідношення цих двовісних навантажень, що коливалися в межах від 10 до 5, це пов'язувалося з відношенням жорсткістних параметрів.

Таблиця 3. Порівняльні результати випробувань хрестів із КДК на двовісний стиск

№ серії	Кут	Кіль-кість, шт.	Перетин, мм	Руйнівні напруження, МПа	Рік випробувань	Примітки
1 2	0	5 8	95х95 95х95	7,9 36,5	8,2 7,6	- -	1996	Рz=Ps Ps/Pz=1/10
3	90	8	95х95	39,5	4,4	4,4	1996	Ps/Pz=1/7
4*	0	4	72х72	31,9	7,7	5,5	2006	Ps/Pz=1/10

*Серія 4 виконана автором.

Максимальні повздовжні напруги при однакових рівнях навантажень характеризувалися стиском і були близькі за абсолютним значенням, однак кожна серія із чотирьох груп зразків мала свій характер розподілу.

Цей ефект призвів до того, що очікуваного перед проведенням експерименту сколювання бічних елементів не відбулося, оскільки дотичні напруження не досягли при двовісному стиску своїх критичних значень.



Рис. 7. Характер руйнування ортогональних хрестів

Епюри нормальних і дотичних напружень в робочих зонах зразків при 40% від руйнуючого навантаження наведено на рис. 8. Теоретичні розрахунки зразків на двовісний стиск виконані на «ANSYS» - на рис. 9.

Рис. 8. Епюри нормальних і дотичних напружень у робочих зонах зразків



у_х у_z

Рис. 9. Поля напруг при стиску вздовж волокон 25 т

Автором були проведені також випробування клеєних зразків (хрестів) на розтягання-стиск. Подібний напружений стан характерний для більшості наскрізних конструкцій: ґратчастих ферм, арок, рам, а також просторових систем, у першу чергу башт і щогл. Вузлові рішення можуть виконуватися під різними кутами сполучення стислих і розтягнутих елементів (від 30⁰ до 90⁰).

Прикладення сили, що розтягує, у поперечному напрямку - нераціонально, оскільки це найнеприємніший вид завантаження для деревини, тому що у граничному стані викликає розколювання поперек волокон. Правила конструювання дерев'яних конструкцій не рекомендують подібного вирішення вузлових з'єднань. Тому в експериментальних хрестоподібних моделях здійснювалось прикладення сили на розтягнення вздовж волокон, а прикладення стискаючої сили в поперечному напрямку. Прикладення стискаючої сили під кутом до волокон більш вигідно, оскільки несуча здатність деревини в цьому випадку вища, ніж під кутом в 90⁰. Саме тому для експерименту були обрані ортогональні хрести.

Порядок проведення експерименту на розтягання-стиск не відрізнявся від випробувань на двовісний стиск. Це дослідження проводилося також у три етапи: 1)одновісне навантаження за допомогою гідравлічного преса вздовж волокон, при якому напруги становили 15-20% від межі міцності; 2)навантаження в поперечному напрямку за допомогою гідродомкрата у тих же співвідношеннях; 3)навантаження у двох площинах зі співвідношенням у поперечному та поздовжньому напрямку приблизно 1:10. Навантаження мало ступеневий поетапний характер. На кожному етапі знімалися показники датчиків та індикаторів годинного типу.

Таблиця 4. Результати випробувань хрестів із КДК на розтягання - стиск

Серія	Перетин робочої зони, см	Кіль-кість, шт	Руйнівне навантаження, кН / т	Напруги, МПА кг/см2
	b	h	l		Ррозт.	Р ст 90	уx	уz	фxz
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
4	7,2	2,4	30	3	78,97 8,05	7,848 0,8	30,37 309,6	0,65 -6,6	0,48 4,9

Рис. 10. Випробування ортогональних хрестів на «розтягання-стиск»

Дані з експерименту наведені в таблиці 4. Руйнування всіх зразків відбулося по зубчастому стику центральної дошки. До руйнування всі вимірювальні апаратури фіксували стабільні показники, зберігаючи близькі до лінійної залежності. Загальний вид моделей після випробувань наведений у розділі 4 дисертації. Експериментальні епюри напруг при розтягу уздовж волокон 3 т і стиску поперек волокон 0.3т наведено на рис. 11. Поля напруг, які отримані в результаті розрахунків на комлексі «ANSYS» показані на рис. 12.

Рис. 11. Експериментальні значення напруг при розтяганні уздовж волокон 3т і стиску поперек волокон 0,3т.

Рис. 12. Поля напруг у_х при розтяганні уздовж волокон 3т і стиску поперек волокон 0,3т.

У результаті випробувань установлено, що модулі об'ємної деформації і його компонентів для клеєної деревини трохи нижче, ніж для цільної. Для наближеної оцінки компонентів модуля об'ємної деформації достатнє проведення випробувань на стиск уздовж волокон, а також у двох напрямках у трансверсальній площині. При цьому, дві складові модуля об'ємної деформації поперек волокон можна умовно вважати рівними. Дослідження хрестоподібних зразків на двовісний стиск підтвердили закономірність проведених раніше випробувань - сколювання бічних поверхонь, що очікувалося перед проведенням експерименту, не відбулося; випинання вертикальної частини хрестоподібних зразків відбулося від їхнього зминання під дією поперечного навантаження і локальної втрати стійкості.

Руйнування розтягнено-стиснутих хрестів відбулося у всіх зразках за з'єднанням зубчастим шипом.

Результати розрахунків з урахуванням усіх компонентів модуля напруженого стану показали збіг при використанні критеріальних розрахунків (різниця перебуває в межах 3-12%).

У п'ятому розділі розглянуто відновлення несучої здатності елементів ізоляційних конструкцій високовольтних установок на прикладі системи ГІНТ 12-30 і конструкцій клеєних веж. Характерною ознакою споруд, що експлуатують на відкритому повітрі, є наявність потужного електричного удару. Сталь і залізобетон у конструкціях подібного типу неприйнятні, а найбільш ефективним матеріалом у процесі досліджень визнана клеєна деревина. Нормативний строк експлуатації комплексу згідно з ТЗ був прийнятий 15 років.

У процесі обстеження виявлено ряд дефектів, пов'язаних з утворенням тріщин усушеного характеру в окремих перетинах елементів веж, а також виявлені місця інтенсивного розвитку гнильних процесів. Зроблено перерахунок системи полеутворення на нові навантаження, а також розроблена проектна документація щодо ліквідації виявлених дефектів. Запропоновано методику відновлення та перелік ремонтно-відновлювальних робіт. По перше це стосується посилення стійок і решітки веж, по друге - місць спирання елементів решітки на розподільчі подушки, а також накладок, які з'єднують відправні марки елементів, виконані без захисних козирків.

Постійні спостереження за станом клеєних дерев'яних конструкцій дозволили встановити, що строк експлуатації комплексу може бути подовжений за умови їхньої модернізації та проведення ремонтно-відновних робіт, за рекомендаціями ХДТУБА. У цей час на комплексі ГІНТ 12-30 ремонтно- відновлювальні роботи завершені.

Висновки

1. Клеєна деревина може бути розглянута як ортотропне, або з деяким спрощенням як трансверсально-ізотропне тіло.

2. Тестові розрахунки експериментальних зразків показали, що прийняті в нормах значення коефіцієнтів Пуассона вздовж і поперек волокон мають потребу в уточненні. Значення коефіцієнтів Пуассона, що рекомендують уздовж волокон 0,5 не забезпечують вимог фізичних співвідношень і повинні бути знижені до значень 0,45-0,48 ( як це зроблено, наприклад, в американських нормах).

3. При випробуванні модельних балок з 3-ма й 4-ма клейовими швами епюри нормальних напруг у_х відповідають звичайним закономірностям розвитку деформацій у процесі збільшення навантаження. Нелінійність розвитку деформацій починається з навантажень на рівні близько 55% від руйнуючого.

4. Нормальні напруги у_у розвиваються досить нерівномірно за поперечним перерізом, а при більш високому рівні навантажень їхні епюри іноді перетворюються у двозначні.

5. Розрахунок балок проведений за допомогою РТК «ANSYS», показав хороший збіг усіх компонентів напруженого стану з даними, отриманими в результаті експериментального дослідження як по напругах, так і по деформаціях. Так результати, отримані по дотичним напруженням, добре кореспондуються з результатами робіт проф. Сєрова Е.Н.

6. Дослідження хрестоподібних зразків на двовісний стиск підтвердили закономірність проведених раніше випробувань: сколювання бічних поверхонь не відбулося; випинання вертикальної частини хрестоподібних зразків відбулося від їхнього зминання під дією поперечного навантаження та локальної втрати стійкості. Отримані уточнюючі коефіцієнти при компонентах тензора напружень.

7. Результати розрахунків з урахуванням усіх компонентів модуля напруженого стану показав позитивний збіг при застосуванні критеріальних розрахунків (різниця перебуває в межах 3-12%)

8. Просторовий розрахунок веж комплексу ГІНТ 12-30 на нові навантаження дозволив виявити ряд небезпечних місць. Отже, у нижніх ярусах веж зроблені посилення стійок решітки, виконані зі стальних тяжів круглого перетину Ш30мм шляхом постановки додаткових брущатих елементів, здатних сприймати зусилля стиску.

Основні роботи

1. Фурсов В.В. Клееная древесина при двухосном смешанном напряженном состоянии. / В.В. Фурсов, Н.Н. Ковлев //Сб. научных трудов ОГАСА «Современные строительные конструкции из металла и древесины». Одесса, 2001. - С. 206-212. (Внесок здобувача: Складання схеми, розробка методики досліджень).

2. Фурсов В.В. Учет сложного напряженого состояния клеенных деревянных конструкций. / В.В. Фурсов, Н.Н. Ковлев // V KONFERENCJA NAUKOWA. DREWNO I MATERIAЈY DREWNOPOCHODNE W KONSTRUKCJACH BUDOWLANYCH, Szczecin 17-18 maja 2002. - С.25-30. (Внесок здобувача: Аналіз результатів отриманих на РТК «ANSYS», коректування експериментальних зразків).

3. Фурсов В.В. Особенности работы стоек башен из КДК с отверстиями для пропуска ригелей. / В.В. Фурсов, Н.Н. Ковлев //Сб. научных трудов ОГАСА «Современные строительные конструкции из металла и древесины». Одесса, 2003. - С.249-256. (Внесок здобувача: Просторовий розрахунок веж з клеєної деревини з урахуванням анізотропних властивостей).

4. Фурсов В.В. Изоляционные несущие конструкции электрофизических комплексов. / В.В. Фурсов, Н.Н. Ковлев, С.Н. Стародубов, Ю.В. Комарова // Сборник научных статей ЭПИ МИСиС, Электросталь 2003. - С. 100-107. (Внесок здобувача: Розробка плану обстежень веж ГІНТ 12-30 та виготовлення експериментальних зразків на стиск, згин та розтяг).

5. Фурсов В.В. Безметальные изоляционные конструкции электрофизических установок. / В.В. Фурсов, Н.Н. Ковлев // VII Украинская научно-технич. конференция: «Металлические конструкции»: «Взгляд в прошлое и будущее» К. 2004, т.2. - С. 167-173. (Внесок здобувача: Розрахунок експериментальних зразків та аналіз використання клеєної деревини при наявності електричного удару).

6. Ковлев Н.Н. Клееная древесина в условиях сложного напряженого состояния. / Н.Н. Ковлев // Сб. тр. III-Международной научно-технической конференции, «Современные проблемы совершенствования и развития металлических, деревянных, пластмассовых конструкций в строительстве и на транспорте» - Самара 2005. - С. 166-167.

7. Фурсов В.В. Исследование клееной древесины на сжатие после длительной ее эксплуатации. / В.В. Фурсов, Н.Н. Ковлев, Н.Д. Кошмай, С.Н.Стародубов //Сб. научных трудов ОГАСА «Современные строительные конструкции из металла и древесины». Одесса., 2005 г., т.1 - С. 247-252. (Внесок здобувача: Участь в експериментальних дослідженнях та обробка отриманих результатів).

8. Фурсов В.В. Исследование сложного напряженого состояния КДК в условиях различных загружений. / В.В. Фурсов, Н.Н. Ковлев //Науковий вісник будівництва. Вип. 33. - Харків: ХДТУБА, ХОТВ АБУ, 2005. - С. 110-115. (Внесок здобувача: Складання схеми, розрахунок та розробка зразків на двовісний стиск).

9. Фурсов В.В. Исследование модуля объемной деформации клееной древесины. / В.В. Фурсов, Н.Н. Ковлев, М.Д. Корчак //Сб. научных трудов ОГАСА «Современные строительные конструкции из металла и древесины». Одесса, 2006 г. -С. 240-246.(Внесок здобувача: Участь в експериментальних дослідженнях та обробка отриманих результатів).

10. Фурсов В.В. Влияние влажности на прочностные и упругие характеристики древесин. / В.В. Фурсов, Н.Д. Кошмай, Н.Н. Ковлев, С.Н. Стародубов, Ю.В. Комарова //Сб. научных трудов ОГАСА «Современные строительные конструкции из металла и древесины». Одесса, 2006 г. - С. 246-250. (Внесок здобувача: Виготовлення експериментальних зразків та участь в проведенні експерименту).

11. Фурсов В.В. Сложное напряженное состояние при смешанном загружении ортогональних узлов клееных деревянных конструкций. / В.В. Фурсов, Н.Н. Ковлев, А.Ю. Васильев // Сб. научных трудов Международного симпозиума «Современные металлические и деревянные конструкции (нормирование, проектирование и строительство). Брест, 2009г. - С. 330-335.(Внесок здобувача: Виготовлення моделей, розрахунок вузлових з'єднань та аналіз отриманих результатів).

12. Фурсов В.В. Испытания клееных балок электрофизических установок. / В.В. Фурсов, Н.Н. Ковлев, С.Н. Стародубов // Сб. научных трудов Международного симпозиума «Современные металлические и деревянные конструкции (нормирование, проектирование и строительство). Брест, 2009г. - С. 336-341. (Внесок здобувача: Виготовлення моделей, розрахунок з врахуванням анізотропії на РТК «ANSYS» та аналіз отриманих результатів).

13. Фурсов В.В. К вопросу о национальных нормативных документах Украины в деревянном строительстве. / В.В. Фурсов, Н.Н. Ковлев // Зб. Наукових праць Українського науково-дослідного та проектного інституту сталевих конструкцій імені В.М. Шимановського. Вип. 3 - Київ, 2009. - С. 6-12. (Внесок здобувача: Аналіз наукових джерел за тематикою статті).

14. Фурсов В.В. Современые конструкции из клееной древесины. / В.В. Фурсов, Н.Н. Ковлев, А.Ю. Васильев // Промислове будівництво та інженерні споруди. № 2. - Київ, 2010. - С. 34-40. (Внесок здобувача: Накопичення та аналіз наукових джерел в європейському будівництві та видатних будівель).

15. Фурсов В.В. Особенности реконструкции крытых плавательных бассейнов в условиях различных агрессивных сред. / В.В. Фурсов, А.В. Прыгунков, Н.Н. Ковлев // Зб. наукових праць Українського науково-дослідного та проектного інституту сталевих конструкцій імені В.М. Шимановського. Вип. 6. - Київ, 2010. - С. 218-225. (Внесок здобувача: Участь в обстеженнях та розробці технічних рекомендацій по відновленню несучої здатності).

Размещено на Allbest.ru