Несущая способность и деформативность соединений деревянных конструкций композиционным материалом на основе эпоксидной матрицы и стеклоткани

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Специальность 05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

Несущая способность и деформативность соединений деревянных конструкций композиционным материалом на основе эпоксидной матрицы и стеклоткани

Линьков Николай Владимирович

Москва 2010

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Московском государственном строительном университете

Научный руководитель: кандидат технических наук, профессор Филимонов Эдуард Владимирович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Серов Евгений Николаевич

кандидат технических наук, доцент Макаров Геннадий Прокопьевич

Ведущая организация: Центральный научно-исследовательский институт строительных конструкций им. В.А. Кучеренко ОАО НИЦ «Строительство»

Ученый секретарь диссертационного совета Каган П.Б.

1. Общая характеристика работы

деформационный клеевой соединение

Актуальность работы. В современной промышленности строительство является основным потребителем деловой древесины, запасы которой уменьшаются при интенсивном росте лесозаготовок. Для сбережения лесных ресурсов следует рационально использовать древесину при изготовлении новых деревянных конструкций, а так же восстанавливать ограниченно работоспособные деревянные элементы в составе существующих зданий и сооружений. Этому способствует применение эффективных соединений деревянных конструкций, создаваемых на основе современных композиционных полимерных материалов (КМ-соединений), задаваемые физико-механические свойства которых наилучшим образом соответствуют свойствам естественного анизотропного полимера - конструкционной древесины.

Цель работы - исследования соединений элементов деревянных конструкций композиционным материалом на основе эпоксидной матрицы и стеклоткани и разработка рекомендаций по расчету КМ-соединений. Необходимо решить следующие задачи:

Определить прочностные и деформационные характеристики композиционного материала на основные виды напряженного состояния - растяжение, сжатие, изгиб и скалывание - характерные для работы КМ-соединений в деревянных конструкциях;

Определить экспериментальными и численными методами на образцах несущую способность и деформативность соединений «КМ-обклейка» и «КМ-вкладыш» при сопротивлении сдвигу;

Определить несущую способность деревянных конструкций составного сечения на соединениях «КМ-обклейка» и «КМ-вкладыш» по предельным состояниям 1-й и 2-й группы, с учетом податливости КМ-соединений при действии кратковременных и длительных нагрузок;

Разработать методику расчета КМ-соединений деревянных элементов.

Научная новизна работы заключается в следующем:

- проведена оценка характера набора прочности во времени, определены прочностные и деформационные характеристики композиционного материала на основе эпоксидной матрицы и стеклоткани;

- экспериментальными и численными методами определено напряженно-деформированное состояние образцов КМ-соединений;

- по результатам экспериментально-теоретических исследований определена несущая способность деревянных изгибаемых элементов составного сечения на КМ-соединениях при кратковременных и длительно действующих нагрузках.

Практическая значимость работы заключается в разработке конструктивных решений КМ-соединений для применения в деревянных конструкциях, в определении прочностных и деформационных характеристик КМ-соединений, в написании рекомендаций по расчету КМ-соединений для проектирования и усиления деревянных конструкций.

Достоверность результатов работы подтверждается согласованностью результатов численных исследований и экспериментальных данных при испытании образцов соединений и при испытании балок составного сечения в виде моделей и конструкций натурных размеров.

Автор выносит на защиту:

результаты экспериментального изучения и определения по теории составных стержней А.Р. Ржаницына напряженно-деформированного состояния соединений деревянных элементов композиционным материалом на основе эпоксидной матрицы и стеклоткани для двух типов конструктивных решений соединений на образцах, на балках-моделях и на балках натурных размеров составного сечения, в т.ч.:

результаты определения несущей способности соединений «КМ-обклейка» при различных конструктивных решениях соединений и выбор наиболее эффективного типа соединения «КМ-обклейка» для применения в конструкциях из дерева и пластмасс;

результаты изучения численными методами напряженно-деформированного состояния соединений «КМ-обклейка» при различных толщинах композиционного материала;

результаты экспериментального исследования несущей способности и деформативности соединения «КМ-вкладыш»;

результаты оценки влияния податливости КМ-соединений на несущую способность деревянных балок составного сечения по 1-й и 2-й группам предельных состояний при кратковременных и длительно действующих нагрузках;

рекомендации по расчету КМ-соединений для проектирования и усиления деревянных конструкций.

Результаты исследований внедрены:

- ГУП «Моспроект-3» при разработке проекта и выполнении реставрационных работ на памятнике архитектуры по адресу: г. Москва, 4-й Сыромятнический пер., д.1 для усиления и сохранения подлинных деревянных конструкций постройки 1-й четверти XIX-го века;

- при разработке проекта и выполнении реконструкции покрытия над зданием ФГУК «Российская историческая библиотека» по адресу: г. Москва, Старосадский пер., д. 9, стр. 1 для усиления деревянных стропильных конструкций постройки 30-х годов XX-го века;

- институтом ОАО «СахаПроект» при разработке проекта реставрации деревянных конструкций объекта исторического наследия «Дом Громова» по адресу: Республика Саха (Якутия), пос. Витим, ул. Ленина, д. 8 и д. 10;

- строительным концерном «КРОСТ» при разработке проекта реконструкции здания по адресу: г. Москва, Походный проезд, д. 8 для несущих продольных ребер каркаса клеефанерных плит покрытия пролетом 6 м в виде деревянных балок составного сечения.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались:

- на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ИСА МГСУ, Москва (2008 г., 2010 г.);

- на VI Международной научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов Донбасской НАСА, Макеевка, 2007 г.;

- на международных межвузовских научно-практических конференциях молодых ученых, докторантов и аспирантов «Строительство - формирование среды жизнедеятельности», Москва (2007 г., 2008 г., 2009 г., 2010 г.);

- на Международном симпозиуме «Современные металлические и деревянные конструкции. Нормирование, проектирование и строительство», Брест, 2009.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из 2-х томов. Том 1 включает введение, шесть глав, основные выводы и приложение 1. Объем тома 1 диссертации: 186 страниц текста, в т.ч. 65 рисунков, 30 таблиц и список литературы из 133 наименований. Том 2 включает Приложения 2ч5. Объем тома 2 диссертации: 59 страниц текста, в т.ч. 33 рисунка и 20 таблиц.

2. Краткое содержание работы

Во введении обосновываются актуальность и направленность работы, определяется цель и устанавливаются задачи исследований.

В первой главе дается краткий обзор состояния исследований соединений деревянных конструкций на механических связях, соединений с применением клея и композиционных материалов. Исследования проводили Ю.М. Иванов, В.Н. Быковский, Ю.В. Слицкоухов, В.М. Хрулев, А.М. Иванов, Л.М. Ковальчук, И.Г. Овчинникова, Е.И. Светозарова, Е.Н. Серов, Э.В. Филимонов, С.Б. Турковский, А.А. Погорельцев, А.С. Фрейдин, К.Т. Вуба, В.Ю. Щуко, В.Д. Попов, С.В. Колпаков, П.А. Дмитриев, В.С. Шейнкман, Ж.Н. Оспанова, Е.И. Лукьянов и др. Рассмотрены методы усиления строительных конструкций полимерными растворами и композиционными материалами - работы И.М. Гуськова, В.Г. Микульского, В.В. Козлова, А.А. Шилина, В.А. Пшеничного и др.

На основании анализа опыта применения клеевых соединений и композиционных материалов (КМ) в строительных конструкциях предложены два вида соединений деревянных элементов композиционным материалом на основе эпоксидной матрицы и стеклоткани (рис. 1) - «КМ-обклейка» в виде внешней обклейки соединяемых деревянных элементов и «КМ-вкладыш» в виде адгезионной прокладки между смежными плоскостями соединяемых деревянных элементов.

Область применения соединений: деревянные элементы составного сечения, усиление существующих деревянных конструкций. Определены соотношения основных компонентов композиционного материала: матрица на основе эпоксидной смолы ЭД-20 (ГОСТ 10587-84*), отверждение которой происходит при добавлении отвердителя ПЭПА (полиэтилен-полиамин) в пропорции смола-отвердитель 100:15; армирующий наполнитель стеклоткань Т-13 (ГОСТ 19170-2001). КМ формируют на деревянной конструкции послойной выкладкой стеклоткани, пропитанной полимерным составом. Адгезионная связь КМ с деревянными элементами создается в процессе отверждения матрицы одновременно с формированием композиционного материала.

Во второй главе представлена методика проведения испытаний образцов соединений деревянных элементов «КМ-обклейка» и «КМ-вкладыш», моделей балок составного сечения с соединениями «КМ-вкладыш» и «КМ-обклейка», балок натурных размеров составного сечения с соединениями «КМ-вкладыш» кратковременной и длительно действующей нагрузками (рис.2). Исследования и оценку несущей способности соединений и конструкций проводили в соответствии с Рекомендациями ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко по испытанию соединений деревянных элементов и деревянных конструкций. При обработке результатов испытаний вычисляли деформации (для конструкций - прогибы) полные Dп и разность полных дDп, по графикам «Нагрузка N-деформация дDп» определяли верхнюю границу области упругой работы образцов соединений (конструкций) и соответствующее усилие N_I-II. По величине усилий N_I-II и разрушающей нагрузки Nt, требуемых коэффициентов надежности К_ХР=1,64*(1,94-0,116*lg t), где t- время, приведенное к неизменному действию усилия Nt на образец, для конструкций - коэффициентов безопасности Кпл = 1,25*(1,88-0,106 lg t), оценивали несущую способность составных элементов и соединений «КМ-вкладыш» Nt /Nп ?К_ХР , N_I-II / Nп ? 1.3, и определяли несущую способность составных элементов и соединений «КМ-обклейка» Nп ? Nt / К_ХР , Nп ? N _I-II /1,3.

Определены прочностные и упругие характеристики КМ при сжатии, растяжении, изгибе и скалывании, проведена оценка характера набора во времени прочности композиционным материалом при сжатии, изгибе и скалывании: прочностные характеристики, сопоставимые по величине с соответствующими нормативными сопротивлениями древесины сосны 2-го сорта, достигнуты композиционным материалом через 44-100 часов после начала отверждения, прочность КМ стабилизировались через 60 суток после начала холодного отверждения эпоксидной матрицы. При этом временные сопротивления КМ сжатию, растяжению, изгибу и скалыванию составили R^вр _СЖ = 78,4 МПа, R^вр _Р =181,4 МПа, R^вр_И =178,9 МПа, R^вр _СК =14,85 МПа, модуль упругости Есж=12737 МПа, Ер=12785 МПа, Еи=12460 МПа. Нормативные R^Н кратковременные сопротивления КМ сжатию, растяжению, изгибу и скалыванию R^Н_СЖ=63,8 МПа, R^Н_Р=145,3 МПа; R^Н_И=155,4 МПа; R^Н_СК=11,65 МПа.

В третьей главе представлены результаты исследований экспериментальными и численными методами образцов соединений «КМ-обклейка» и «КМ-вкладыш». Проведен анализ и сравнительная оценка несущей способности шести различных типов соединения «КМ-обклейка»: тип 1 - сплошная «КМ-обклейка» в 1 слой композиционного материала при толщине КМ-обклейки t_КМ1=0,45 мм; тип 2 - сплошная «КМ-обклейка» в 2 слоя композиционного материала при t_КМ2=0,8 мм; тип 3 - сплошная «КМ-обклейка» в 3 слоя композиционного материала при t_КМ3=1,2 мм; Тип 4 - комбинированная «КМ-обклейка» в 1 слой КМ с дополнительным размещением поперек каждого шва сплачивания по две полосы КМ шириной b=30мм с каждой стороны образца; Тип 5 - комбинированная «КМ-обклейка» в 1 слой КМ с дополнительным размещением под углом 40-45⁰ к шву сплачивания по две полосы КМ шириной b=30мм с каждой стороны образца; Тип 6 - «КМ-обклейка» в 1 слой КМ, где в качестве связующего применили клеевой состав ЭПЦ-1. Были испытаны две серии образцов соединения «КМ-обклейка». В каждой серии на каждый тип соединения было испытано по 3 образца. Результаты испытаний двух серий образцов соединений «КМ-обклейка» представлены в таблице 1, графики деформаций и напряжений 2-й серии образцов - на рис. 3.

Установлено, что все рассмотренные типы соединений «КМ-обклейка» обладают достаточной несущей способностью для применения в несущих деревянных конструкциях. По методике ЦНИИСК на основании коэффициентов надежности требуемых, которые составили К_ХР=3.01ч3.06, были определены для каждого рассмотренного типа соединения «КМ-обклейка» величины расчетной несущей способности образцов соединений Nп ? Nt / К_ХР, а так же сопротивление соединений «КМ-обклейка» сдвигу: как погонную несущую способность соединения на 1 см длины шва T_КМ=Nп/(n_СР*L_ШВА), и как сопротивление соединения сдвигающему усилию R_КМ=Nп/[n_СР *(L_ШВА*t_КМ)], где n_ср = 4 - количество срезов КМ в образце, L_шва =15 см - длина шва в образце; t_КМ - толщина композиционного материала в соединении.

Из рассмотренных типов соединений «КМ-обклейка» наибольшими прочностными характеристиками обладают соединения тип 1, тип 2 и тип 3 с обклейкой в 1, 2 и 3 слоя КМ соответственно. На второй серии образцов исследовали напряженное состояние КМ-обклейки на соединениях тип 1, тип 2 и тип 3. Установлены характер распределения и величина напряжений в продольном у₁ и в поперечном у₂ направлениях КМ-обклейки при толщине композиционного материала в 1, 2 и 3 слоя. Средние значения напряжений на уровне расчетной несущей способности Nп образцов соединений составили: у₁=(-5.5)ч(-8.0) МПа, у₂=1.8ч4 МПа; при этом максимальные значения напряжений у₁ составили 25.4ч34.8%, напряжений у₂ - 4,2ч7,8% от нормативных сопротивлений КМ. Установлено рекомендуемое соотношение между шириной обклеиваемых поверхностей b_ОБКЛ деревянных элементов и толщиной композиционного материала в КМ-обклейке t_КМ = 1 /40 b_ОБКЛ.

Выполнены расчеты конечно-элементных моделей образцов соединений «КМ-обклейка» тип 1, тип 2 и тип 3 в линейной постановке в ПК SCAD и в нелинейной постановке в ПК ABAQUS. Сравнительная оценка результатов расчета с фактическими деформациями соединений и напряжениями в КМ-обклейке показала, что расчетные деформации конечно-элементных моделей и напряжения в КМ-обклейке, полученные в ПК SCAD, больше фактических в среднем на 10ч11,4% и на 10,8ч20,5%, в ПК ABAQUS - на 2,5ч3,6% и на 1,5ч9,1% соответственно. Расчетом в ПК ABAQUS конечно-элементных моделей соединения при толщине КМ-обклейки 5 слоев (2 мм), 10 слоев (4 мм) и 15 слоев (6 мм) определены теоретические значения деформаций соединений (см. рис.3), нагрузок N_I-II = 36,6 кН, 58,6 кН, 74,6 кН, сопротивлений соединения сдвигу R_КМтеор = 23.5 МПа, 18.8 МПа и 16 МПа соответственно.

Статистической обработкой результатов испытаний 2-х серий по 12 образцов соединения «КМ-вкладыш» при толщине композиционного материала в соединении t_КМ.1=0,3 мм и t_КМ.3=0,9 мм установлены прочностные и деформационные характеристики соединения «КМ-вкладыш»: нормативное с обеспеченностью по минимуму 0,95 сопротивление соединения сдвигу Rн=4.14ч4.52 МПа; деформативность соединения «КМ-вкладыш» (интенсивность роста деформаций в пределах упругой работы соединения) с обеспеченностью по максимуму 0,95 Dп /N=0,001375 мм/кН. При этом коэффициенты надежности фактические больше требуемых в среднем в 1,22ч1,3 раза.

В четвертой главе проводится анализ напряженно-деформированного состояния балок-моделей длиной L=1 м составного сечения из двух слоев на соединениях «КМ-вкладыш» и «КМ-обклейка» при работе конструкций на поперечный изгиб. Соединения размещали в опорных зонах составных элементов на участках протяженностью ? L и ј L симметрично с противоположных сторон конструкций, нагрузку прикладывали в виде двух сосредоточенных сил в ? и в ј пролета конструкций в соответствии со схемой расположения КМ-соединений. В моделях балок на соединении «КМ-обклейка» выполняли обклейку в один, в два и в три слоя композиционного материала. Результаты испытаний представлены в таблице 2.

Соединение «КМ-вкладыш» обеспечивает совместную работу отдельных слоев составного сечения без потерь на податливость соединения: коэффициенты К_W и К_Ж, учитывающие снижение несущей способности балок за счет податливости связей сдвига, имеют по результатам испытаний значения Кw=1, Кж=1. Характер эпюр нормальных напряжений по высоте поперечного сечения в зоне чистого изгиба конструкций, значения фактических нормальных напряжений у_ФАКТ и фактических прогибов в середине пролета балок f_факт, которые были в среднем на 2ч8% меньше расчетных значений у и f, определенных как для конструкций цельного сечения, характеризуют работу на поперечный изгиб составных балок на соединении «КМ-вкладыш», как работу элементов цельного сечения.

Несущая способность деревянных балок-моделей составного сечения на соединении «КМ-обклейка» зависит от толщины КМ-обклейки (см. рис. 4), и расчет деревянных конструкций составного сечения на соединении «КМ-обклейка» следует выполнять с учетом коэффициентов К_W и К_Ж, величина которых зависит от толщины и жесткости КМ-обклейки E_КМI_КМ. Было исследовано влияние податливости соединения «КМ-обклейка» на несущую способность деревянных балок составного сечения, определены значения коэффициентов К_W и К_Ж при различной жесткости КМ-обклейки E_КМI_КМ, которую выразили через жесткость создаваемого деревянного элемента Е_ДРI_БР: при жесткости композиционного материала 2,25% от жесткости балки, т.е. E_КМI_КМ =0,0225*Е_ДРI_БР, коэффициенты составили К_W=0.739ч0.769, К_Ж=0.644ч0.65, при E_КМI_КМ =0,04 Е_ДРI_БР - К_W=0.956ч0.969, К_Ж=0.854ч0.891, при E_КМI_КМ=0,06*Е_ДРI_БР - К_W=0.974ч1, К_Ж=0.878ч0.89.

В пятой главе рассматриваются результаты экспериментальных и теоретических исследований несущей способности деревянных балок составного сечения длиной 3 м на соединении «КМ-вкладыш» при испытаниях кратковременной и длительно действующей нагрузками. Расчетная несущая способность балок из условия действия нормальных напряжений и без учета податливости КМ-соединений составила Nп=17,88 кН. Результаты испытаний трех балок кратковременной нагрузкой представлены в таблице 3.

Оценка несущей способности балок, выполненная по методике ЦНИИСК показала, что коэффициенты безопасности фактические для балок составили К_Б= Nt /Nп =2,85ч3.18, что больше коэффициентов безопасности требуемых Кпл = 2.05ч2.07. В соответствии с методикой ЦНИИСК по оценке работы соединений получено отношение N_I-II / Nп =1,34, 1.34 и 1,51 > 1.3, что подтверждает работоспособность соединения «КМ-вкладыш» при обеспечении совместной работы отдельных ветвей в деревянных изгибаемых элементах составного сечения. В пределах упругой работы конструкций интенсивность роста нормальных напряжений и прогибов в середине пролета составили в среднем у/N =0,724 МПа/кН, f /N=0,576 мм/кН, где N - нагрузка на балку в соответствии со схемой испытания. Установлен показатель деформативности соединения «КМ-вкладыш» в составных деревянных балках Dп_I-II/Т_сдвI-II = =0,000283 мм/кН суммарного сдвигающего усилия в шве сплачивания. Экспериментально установлены значения коэффициентов Kw и Кж, учитывающих влияние податливости соединения «КМ-вкладыш» на несущую способность деревянных изгибаемых элементов составного сечения: для уровней нагружения в пределах N _I-II определяющие величину коэффициента Kw отношения у_факт/у_расч составили 0,962ч1,032, в среднем коэффициент Kw=1; определяющие величину коэффициента Kж отношения f_факт/f_расч составили 0,938ч0,981, в среднем К_ж =0,967.

Для анализа результатов испытаний использовали теорию составных стержней А.Р. Ржаницына, согласно которой рассматривали балку как составной стержень, состоящий из двух отдельных стержней (ветвей), соединенных между собой связями сдвига.

Для стержня, состоящего из двух брусьев сечением bxh каждый, дифференциальное уравнение для одного шва двухслойной балки:

(1)

где о - коэффициент жесткости связей сдвига, определявшийся из эксперимента;

, ;

h - расстояние между центрами тяжести сечений смежных стержней; Мо - изгибающий момент в монолитной балке; УEI - суммарная жесткость стержня.

Для стержней равной жесткости и толщины

, ,

где I - момент инерции одного бруса, F - площадь одного бруса.

Обозначим , тогда уравнение (1) для определения усилия в шве составного

(2)

Решение уравнения (2) имеет вид:

(3-1).

Погонное сдвигающее напряжение в шве равно ;

(3-2)

где С₁ и С₂ - произвольные постоянные, которые определяли из граничных условий; - корень характеристического уравнения однородной системы. Граничные условия, когда нет препятствий сдвигу на торцах балки: , где l - длина балки. Опуская промежуточные вычисления и преобразования получим решение для определения Т(х) и ф(х):

- для крайних участков балки

,

, (4-1)

- для среднего участка балки

, (4-2)

Для определения нормальных напряжений в произвольной точке Y поперечного сечения составного стержня, где в сечении балки действует изгибающий момент М₀, рассмотрим напряжения в балке цельного сечения у_Ц и в балке составного сечения без связей сдвига у_ОТД:

у_Ц = М₀ y_max / I_цельн , у_ОТД = М₀ y_{0 max} / ?I₀,

где y_max - расстояние от точки Y до нейтральной оси балки цельного сечения; I_цельн - момент инерции балки цельного сечения; y_{0 max} - расстояние от точки Y до нейтральной оси составляющего бруса; ?I₀ - суммарный момент инерции составляющих брусьев. Если в точке Y от единичного сдвигающего усилия Т₁=1 возникает напряжение у_Т , то общее нормальное напряжение в точке Y

у = у_ОТД + Т * у_Т (5)

Для балки цельного сечения Т= и у_Ц= у_ОТД + Т_м * у_Т . Тогда Т_м* у_Т = у_Ц - у_ОТД . Выразим отсюда у_Т = (у_Ц - у_ОТД) / Т_м и подставим в (5):

у = у_ОТД + (у_Ц - у_ОТД)* Т / Т_м = у_ОТД (1- Т/Т_м ) + у_Ц*Т/Т_м.

Введем обозначение Ш = Т/Т_м и получим для нормальных напряжений

у = у_ОТД (1-Ш ) + у_Ц* Ш (6)

Расчеты выполняли в приложении MS EXCEL. Коэффициент жесткости связей сдвига о определяли на каждой ступени нагружения конструкции по деформациям д_с =D_полн взаимного сдвига брусьев балки ББ-1 по формуле:

,

где Тс - сдвигающее усилие, приходящееся на одну дискретную связь; m - количество связей, приходящееся на единицу длины шва; дс - деформация взаимного сдвига смежных волокон соединяемых элементов составного стержня при усилии Тс. Разбивая прослойку КМ по длине на равновеликие по несущей способности участки, принимали шаг разбивки равным толщине соединяемых элементов h_бруса=100 мм. Тогда количество связей на единицу длины шва m=0,01 св./мм. Расчетом по теории составных стержней А.Р. Ржаницына определяли на каждой ступени нагружения конструкции сдвигающие силы в шве составной балки по формулам (4-1, 4-2) и нормальные напряжения в зоне чистого изгиба конструкции по формуле (6).

Полученные результаты расчета по теории составных стержней А.Р. Ржаницына сопоставляли с результатами испытаний балки ББ-1. Расчетные значения сдвигающих усилий Тсдв больше фактических сдвигающих усилий, вычисленных по методике сопротивления материалов на основании фактических нормальных напряжений в балке ББ-1: в пределах упругой работы конструкции на 2,2-4.2%, в интервале нагружения от N_I-II=24 кН до 2,5Nп=45 кН на 4,3-7,6%. Расчетные значения нормальных напряжений в зоне чистого изгиба конструкций у, полученные по формулам теории составных стержней А.Р. Ржаницына, больше фактических нормальных напряжений, полученных при испытании балки ББ-1: в пределах упругой работы конструкции на 0,7-2.3%, в интервале нагружения от N_I-II=24 кН до 2Nп=36 кН на 0,5-2%. При нагрузках выше 2*Nп фактические напряжения становятся больше расчетных по ТСС на 1-3%. Хорошая сходимость расчетных и экспериментальных данных подтверждает правомерность применения для оценки несущей способности деревянных балок составного сечения на КМ-соединениях аппарата теории составных стержней А.Р. Ржаницына.

Испытания одной балки L=3 м длительно действующей нагрузкой Nп=18 кН =1,25Р_{РАСЧ.ДЛ} показали, что стабилизация прогибов, относительных деформаций в зоне чистого изгиба и деформаций взаимного сдвига брусьев над опорами наступила на 211ч225-е сутки работы конструкции под постоянной нагрузкой: прогибы составили f_дл=17,49 мм, деформации сдвига D_п=0,0357 мм, увеличившись в 1,55 и в 1,44 раза по сравнению с первоначальными значениями; относительные деформации увеличились в 1,34 раза по сравнению с первоначальными значениями, которые соответствовали нормальным напряжениям у=13,28 МПа. Определена величина коэффициента условия работы, учитывающего приращение прогибов конструкции составного сечения на соединении «КМ-вкладыш» при действии постоянной нагрузки: m_Д =0,71.

В шестой главе рассматриваются вопросы внедрения результатов исследований в практику строительства. Внедрение было осуществлено в трех направлениях: разработаны рекомендации по расчету КМ-соединений для проектирования и усиления деревянных конструкций; на соединении «КМ-обклейка» разработаны проектные решения и проведено практическое восстановление существующих деревянных конструкций при реставрации деревянных частей зданий в г. Москве и на территории республики Саха (Якутия); на соединении «КМ-вкладыш» разработаны конструкции утепленных клеефанерных плит покрытия плит с продольными ребрами составного сечения пролетом 6 м для совмещенного покрытия реконструируемого здания в г. Москве. Внедрение результатов исследований в проектирование и строительство деревянных частей зданий подтверждает актуальность и практическую ценность выполненной работы.

Основные выводы

1. Для усиления существующих и создания новых деревянных элементов составного сечения разработаны, исследованы и апробированы в практике строительства два вида соединений деревянных элементов композиционным материалом на основе эпоксидной матрицы и стеклоткани (КМ-соединений): «КМ-обклейка» и «КМ-вкладыш».

2. Для соединений «КМ-обклейка» установлены: сопротивление сдвигу R_{КМ-ОБКЛ}=15,98ч33,55 МПа, деформативность соединения в пределах упругой работы Dп/N_I-II=0,00254ч0,00381 мм/кН; для соединения «КМ-вкладыш» определены нормативное сопротивление сдвигу Rн=4.14ч4.52 МПа и деформативность соединения в пределах упругой работы Dп /N_I-II=0,001375 мм/кН. Полученные данные позволяют производить практические расчеты несущей способности КМ-соединений по методике СНиП II-25-80 «Деревянные конструкции».

3. Для расчета деревянных элементов составного сечения на КМ-соединениях по методике СНиП II-25-80 рекомендованы коэффициенты К_W и К_Ж, учитывающие снижение несущей способности балок за счет податливости связей сдвига. Для составных элементов на соединении «КМ-вкладыш» коэффициенты К_W=1, К_Ж=0,967. Для составных элементов на соединении «КМ-обклейка» коэффициенты К_W и К_Ж зависят от жесткости композиционного материала обклейки E_КМI_КМ. Для изгибаемых деревянных элементов составного сечения оптимальная жесткость КМ-обклейки E_кмI_км составляет 2ч6% от жесткости создаваемой балки цельного сечения Е_ДРI_ЦЕЛЬН. В указанном диапазоне жесткости коэффициенты составили К_W=0.739ч1, К_Ж=0.644ч0,89. Для конструирования соединений «КМ-обклейка» рекомендуемое соотношение между шириной обклеиваемых поверхностей b_ОБКЛ деревянных элементов и толщиной композиционного материала в КМ-обклейке t_КМ = 1 /40 b_ОБКЛ. Дальнейшее увеличение толщины КМ-обклейки не приводит к снижению деформативности соединения. По результатам длительных испытаний постоянной нагрузкой установлена величина коэффициента условия работы, учитывающего приращение прогибов конструкции составного сечения на соединении «КМ-вкладыш» m_ДЛ= 0,71.

4. По результатам исследований осуществлено внедрение в трех направлениях: разработаны рекомендации по расчету КМ-соединений для проектирования новых и усиления существующих деревянных конструкций; совместно с ГУП «Моспроект-3», ОАО «СахаПроект», ООО «ПСФ “КРОСТ”» на основе КМ-соединений разработаны проектные решения и выполнено практическое усиление существующих деревянных конструкций, разработаны для дальнейшего применения конструкции деревянных элементов составного сечения.

Основные публикации

1. Филимонов Э.В., Линьков Н.В. Оценка прочности и деформативности полимерных соединений деревянных конструкций. - Журнал «ПГС» № 4 - М.: «ООО издательство ПГС», 2006 г. - с. 53-54.

2. Линьков Н.В., Филимонов Э.В. Моделирование средствами ПК SCAD соединения деревянных элементов композиционным материалом на основе эпоксидной матрицы и стеклоткани. «Вестник МГСУ». Спецвыпуск № 1/2009 - М.: МГСУ, 2009 с. 50-53.

3. Филимонов Э.В., Линьков Н.В. Прочность и деформативность композиционного материала на основе эпоксидной матрицы и стеклоткани. - «Вестник МГСУ», № 1/2010 - М.: МГСУ, 2010. - с. 235-243.

4. Линьков Н.В. Несущая способность и деформативность соединений деревянных конструкций композиционным материалом на основе эпоксидной матрицы и стеклоткани. - Журнал «ПГС» № 10/2010 - М.: ООО «Издательство ПГС», 2010 г., с. 28-31.

5. Филимонов Э.В. Линьков Н.В. Усиление эпоксидной композицией на основе стеклоткани деревянных балок в памятнике архитектуры XVIII-го века. - В сб. докладов VI Международной научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов - Донбасская национальная академия строительства и архитектуры. - Макеевка, 2007.- с. 4.

6. Линьков Н.В., Кобазев Ю.В. Несущая способность и деформативность соединений на основе полимерной композиции для деревянных элементов составного сечения. - В сб.: «Строительство - формирование среды жизнедеятельности»: научные труды Одиннадцатой международной межвузовской научно-практической конференции молодых ученых, докторантов и аспирантов. - М: - МГСУ, 2008.-с. 115-119.

7. Филимонов Э.В. Линьков Н.В. Напряженно-деформированное состояние модели деревянной балки составного сечения с соединениями в виде эпоксидной композиции на основе стеклоткани. - В сб. докладов Международной научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава ИСА МГСУ. - М: - МГСУ, 2008.-с. 62-72.

8. Линьков Н.В. Математическая модель соединения деревянных элементов композиционным материалом на основе эпоксидной матрицы и стеклоткани в программном комплексе «SCAD». - В сб. «Современные металлические и деревянные конструкции. Нормирование, проектирование и строительство». Науч. Тр. Международного симпозиума г. Брест, 15-18 июня 2009 г. - г. Брест, 2009. с. 164-167.

9. Линьков Н.В. Прочностные и деформационные характеристики композиционного материала на основе эпоксидной матрицы и стеклоткани. - В сб. докладов Н.Т. конф. профессорско-преподавательского состава ИСА МГСУ - М: - МГСУ, 2010. с. 239-245.

Размещено на Allbest.ru