автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Исследование несущей способности длительно эксплуатируемых деревянных конструкций

Введение.

Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследования.

1.1 Применение деревянных конструкций в строительстве.

1.2 Срок службы деревянных конструкций.

1.3 Изменение физико-механических свойств древесины при длительной эксплуатации. w 1.4 Основные повреждения и их влияние на несущую способность деревянных конструкций. s 1.5 Цель и задачи исследования.

Глава 2. Закономерности возникновения и развития основных видов повреждений деревянных конструкций в процессе длительной эксплуатации в различных температурно-влажностных условиях.

2.1. Методические особенности обследования деревянных конструкций

2.2. Особенности расположения основных повреждений на деревянных щ конструкциях.

I 2.3. Анализ появления и расположения на конструкциях биопоражений

2.3.1. Количество биоповрежденных конструкций при длительной эксплуатации.

2.3.2. Геометрические параметры биоповрежденных участков в j зависимости от их местоположения на конструкциях.

2.4. Анализ появления и расположения трещин в деревянных ( конструкциях.

2.4.1. Встречаемость конструкций с трещинами при длительной эксплуатации.

2.4.2. Размеры трещин в зависимости от их расположения на сечении конструкции.

Выводы по 2-й главе.

Глава 3. Анализ изменения несущей способности деревянных конструкций в процессе их длительной эксплуатации.

3.1 Влияние вида повреждений и их размеров на несущую способность деревянных конструкции.

3.1.1 Изменение несущей способности деревянных изгибаемых конструкций в зависимости от местоположения и размеров биопоражения.

3.1.2. Расчетно-теоретическое исследование особенностей напряженно-деформированного состояния изгибаемых деревянных конструкций с трещиной.

3.1.3 Изменение несущей способности деревянных изгибаемых конструкций в зависимости от различных размеров и расположения трещин.

3.2 Исследование изменения прочности древесины в зависимости от вида напряженно-деформированного состояния длительно эксплуатируемых конструкций.

3.2.1. Степень приближения значений напряжений длительно эксплуатируемых конструкций к расчетным сопротивлениям древесины.

3.2.2 Методика проведения экспериментальных исследований.

3.2.3 Изменение прочности древесины в зависимости от различного напряженного состояния.

3.2.4. Изменение прочности древесины в зависимости от срока эксплуатации.

3.2.5. Изменение модуля упругости при статическом изгибе древесины в зависимости от различного напряженного состояния.

Выводы по 3-й главе.

Глава 4. Предупреждение возникновения повреждений деревянных конструкций и восстановление их несущей способности.

4.1. Предупреждение появления биологических повреждений деревянных конструкций.

4.2. Восстановление несущей способности деревянных конструкций. k 4.2.1 Расчет деревянных конструкций с учетом размеров и расположения повреждений.

4.2.2 Классификация и выбор способов усиления конструкций. ф 4.2.3 Усиление балок междуэтажных и чердачных перекрытий.

4.2.4 Усиление стропильных конструкций.

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 несущих деревянных конструкций превышает рекомендованный технической литературой - 50-НЮ 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, J1.M. Перелыгиным, E.J1. Леонтьевым, В.В. Флаксерманом, Р.Б. Орловичем, В.З. Клименко, Ю.С. Соболевым, Е.Н. Серовым 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 первоначальной 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, подробно рассмотренное С.М. Ваниным, JI.M. Перелыгиным, А.В. Прыгунковым, В.В. Фурсовым, Е.Н. Квасниковым, В.П. Коцегубовым и другими учеными. 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 из-за их наличия несущей способности конструкции. Соответственно, отсутствуют конкретные рекомендации по предупреждению появления повреждений и устранению их отрицательного влияния на конструкции в процессе их эксплуатации.

Актуальность диссертационной работы обусловлена значительными объемами работ по строительству, реконструкции, ремонту и усилению деревянных конструкций и необходимостью разработки эффективных, научно обоснованных методов по предупреждению возникновения основных повреждений и восстановлению несущей способности конструкций. На основании выявленных закономерностей появления и развития повреждений, изучения их влияния на несущую способность деревянных конструкциях, а также выявленной зависимости прочности древесины от вида длительно действовавшего напряженного состояния, следует разработать предложения по предупреждению снижения или восстановлению несущей способности конструкций. Это позволит увеличить срок эксплуатации деревянных конструкций и эффективно использовать ресурс древесины сооружений. Поэтому, поставленная задача является актуальной.

Учитывая вышеизложенное, целью работы является исследование несущей способности 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 степень снижения несущей способности в зависимости от вида повреждения, его размеров и местоположения по длине и сечению конструкций;

- разработать предложения по оценке остаточной несущей способности деревянных конструкций с биологическими и механическими повреждениями;

- 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 несущей способности 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 анализа особенностей напряженного состояния изгибаемых деревянных элементов с различными повреждениями позволил разработать методику расчета деревянных конструкций с основными повреждениями, возникающими в процессе их длительной эксплуатации;

- в результате экспериментальных исследований установлен характер изменения прочности древесины, эксплуатировавшейся в течение 70. 180 лет в конструкциях с различным видом напряженно-деформированного состояния.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

- Установлены основные закономерности появления и развития наиболее значимых повреждений в зависимости от их местоположения на деревянных конструкциях и срока эксплуатации конструкций. Полученные аппроксимирующие зависимости использованы при обследовании и оценке технического состояния деревянных конструкций в зданиях различного назначения.

- Получены значения прочностных характеристик древесины, длительно эксплуатировавшейся в конструкциях с различным видом напряженно-деформированного состояния.

- Разработаны предложения по расчету деревянных конструкций с основными повреждениями, возникшими в процессе эксплуатации.

- На основании проведенных исследований предложены изменения к СНиП II-25-80 «Деревянные конструкции. Нормы проектирования» и к СНиП 2.03.11-85 «Защита строительных конструкций от коррозии».

- Разработаны предложения по предупреждению возникновения повреждений и восстановлению несущей способности деревянных конструкций в процессе их длительной эксплуатации. Автор защищает:

1. Результаты теоретических и экспериментальных исследований встречаемости . основных повреждений деревянных конструкций в зависимости от их местоположения и срока эксплуатации конструкций.

2. Результаты численного анализа несущей способности . деревянных конструкций в зависимости от вида, размеров и расположения основных повреждений, возникших в процессе длительной эксплуатации конструкций.

3. Результаты экспериментальных исследований прочности древесины, эксплуатировавшейся в конструкциях в различном напряженном состоянии в течение 70-180 лет.

Апробация работы осуществлена: - в докладах на секции НТС ГУП ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко «Деревянные конструкции» в ноябре 2001 г., ноябре 2002 г., и июне 2003 г.; в докладе на международной научно-технической конференции «Строительство и реконструкция деревянных жилых домов» в мае 2002 г. в Архангельске.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. На основании анализа ранее проведенных исследований долговечности деревянных конструкций установлена необходимость определения взаимосвязи между возникшими в процессе длительной эксплуатации повреждениями и несущей способностью конструкций.

2. Анализ результатов натурных обследований 6 046 деревянных конструкций и их элементов в 35 гражданских зданиях, эксплуатируемых 50.200 лет в различных температурно-влажностных условиях, показал, что возникновение и развитие наиболее распространенных повреждений происходит на выявленных в работе, локальных, потенциально опасных участках конструкций, что приводит к изменению напряженно-деформированного состояния конструкций в целом. Установлены некоторые закономерности появления и развития механических и биологических повреждений деревянных конструкций, представленные в виде аппроксимирующих зависимостей, показывающих частоту возникновения повреждений при известном сроке эксплуатации и местоположении поврежденного участка на конструкциях. Определены наиболее характерные геометрические параметры повреждений. Установлен характер изменения геометрических параметров повреждений при известном их расположении на конструкциях.

3. В результате теоретического анализа напряженного состояния деревянных изгибаемых конструкций с механическими и биологическими повреждениями, выполненного с использованием различных методов расчета, определена степень снижения несущей способности в зависимости от вида, размеров и расположения повреждений по сечению и длине конструкций. Разработана методика расчета остаточной несущей способности поврежденных в процессе эксплуатации конструкций.

4. Сопоставление требований действующих нормативно-технических документов с результатами экспериментальных исследований оценки состояния длительно эксплуатируемых деревянных конструкций (смонтированных в 1802. 1950 г.г.) показало, что в 98 % обследованных конструкций в начале эксплуатации действовали напряжения, значения которых не превышали расчетных сопротивлений древесины, принятых в

СНиП И-25-80. Причиной изменения несущей способности деревянных конструкций, вплоть до разрушения в процессе эксплуатации, является возникновение и развитие локально расположенных повреждений.

5. В результате испытаний образцов древесины, отобранных из конструкций эксплуатировавшихся в течение 70. 180 лет, установлено, что если напряжения в конструкциях не превышали принятых в СНиП П-25-80 значений расчетных сопротивлений, вид напряженного состояния существенно не влияет на прочность древесины и ее модуль упругости. При длительной эксплуатации (до 200 лет) прочность древесины при сжатии и изгибе существенно не изменяются. Вместе с тем, прочность древесины при скалывании снижается на 20-30 %. С увеличением срока эксплуатации деревянных конструкций модуль упругости древесины при изгибе снижается на 4-24 %.

6. На основании проведенных исследований в нормативные документы рекомендуется внести следующие изменения:

- в СНиП П-25-80 «Деревянные конструкции. Нормы проектирования» существующую табл. 1 заменить на табл. 4.1 настоящей работы;

- в СНиП 2.03.11-85 «Защита строительных конструкций от коррозии», п. 3 «Деревянные конструкции» включить табл. 4.2 настоящей работы.

7. Результаты проведенных исследований использованы при составлении рекомендаций по предупреждению возникновения повреждений и восстановлению несущей способности деревянных конструкций, учитывающие выявленные в работе закономерности возникновения и развития повреждений и степень влияния их видов, размеров и расположения на напряженное состояние конструкций.

8. Полученные в работе на основе расчетных и экспериментальных данных результаты использованы при восстановлении несущих деревянных конструкций перекрытий и покрытий 30 зданий, в том числе зданий: Государственной Думы РФ, Большого Государственного академического театра, Государственного Академического Малого Театра, центрального выставочного зала «Манеж», резиденции посла США в России, 1-й Градской больницы и других.

1. Акимов С.А. Изменение прочности и цвета древесины при ее камерной сушке. / Строение, свойства и качество древесины. М.-Мытищи. 1990.

2. Аксенов С.Е. Повышение эффективности использования древесины в свайных фундаментах деревянных сооружений. Архангельск: Дис. кан. техн-х наук. 2002.

3. Асташин В.М. Эксплуатационная надежность и особенности работы некоторых типов деревянных ферм. / Строительство и архитектура, 1989,

4. Жйтрушайтис А.В. Прочность и стойкость клееных конструкций с различной толщиной слоев. М.: Дис. кан. техн-х наук. - 1986.

5. Баринов Е.Н., Гурьев Т.А., Чижевский Ю.С. Математические методы планирования эксперимента в научно-исследовательской работе студентов: Методические указания к выполнению УИРС и НИРС. -Архангельск: РИО АЛТИ, 1985. -36 с.

6. Биричевский М.Л., Варфоломеев Ю.А. К расчету составных стержней с неравномерно распределенными связями сдвига // Исследования в области деревянных конструкций. М: ЦНИИСК, 1985. - С. 164-172.

7. Биричевский М.Л., Варфоломеев Ю.А. Расчет деревянных изгибаемых элементов с трещинами, выходящими на торец // Изв. вузов. Сер. Стр-во и архитектура. Новосибирск. - 1985. №7. - С. 10-14.

8. Л.: Стройиздат, 1986. 256с.

9. Большаков В.В. Руководство по эксплуатации и ремонту деревянных конструкций. М. - Л.- Госстройиздат.- 1939.- 204с.

10. Боровиков А.М., Рюмина Е.Б. Оценка упругих показателей пиломатериалов по параметрам сучков. / Новые исследования в области технологии изготовления деревянных конструкций. М. 1988г. - стр. 13-19.

11. Бураков Н.Н. Влияние сучков на механические свойства древесины сосны и ели. / Труды ЦАГИ. М.: Гос.тех.изд-во, 1930, вып. 60. - 61с.

12. Быковский В.Н. К вопросу учета влияния времени при расчетах деревянных конструкций./ "Строительная промышленность". Т11.- 1959.-с30-32.

13. Быковский В.Н., Соколовский Б.С. Деревянные конструкции. Машстрой-из дат.-М,- 1949.- 150с.

14. Г 15. Ванин С.Н. Древесиноведение. Гостехиздат. М.-Л.-1949.I

15. Варфоломеев Ю.А. Обеспечение долговечности изделий из древесины. -* М.: ИЧП фирма «Ассоль». 1992 288с.

16. Варфоломеев Ю.А., Поромова Т.М., Заблова Е.М. Особенности разрушения ядровой и заболонной древесины в строительных щитах. / Изд. ВУЗов: «Строительство и архитектура». 1987. №11 - 69-73с.

17. Гаппоев М.М. Оценка несущей способности деревянных конструкций методами механики разрушения. Дис. д.т.н. - М. 1996г.

18. Горшин С.Н. Консервирование древесины. М.: Лесн. пром-сть., 1977. -336 с.

19. Гонольд В.Н., Зворыгин А.В., Трудоношин А.В., Нопина Г.В. Проектирование и эксплуатация сельскохозяйственных зданий из дощато-гвоздевых кружальных арок. / Деревянные конструкции в строительстве. М. 1986г.

20. ГОСТ 2140-81*. Видимые пороки древесины. Классификация, термины и определения, способы измерения. М.: Изд-во стандартов., 1982. - 111с.

21. ГОСТ 2695-83*. Пиломатериалы лиственных пород. М.: Изд-во стандартов., 1985. - 8с.

22. ГОСТ 8486-86*Е. Пиломатериалы хвойных пород. М.: Изд-во стандартов., 1989. - 13с

23. ГОСТ 9462-88*. Лесоматериалы круглых лиственных пород. Технические условия. М.: Изд-во стандартов., 1989. - 13с

24. ГОСТ 16483.0-89. Древесина. Общие требования при физико-механических испытаниях. М.: Изд-во стандартов., 1989. - 18с.

25. ГОСТ 16483.1-84. Древесина. Метод определения плотности. М.: Изд-во стандартов., 1986. - 6 с.

26. ГОСТ 16483.5-73*. Древесина. Метод определения предела прочности при скалывании вдоль волокон. М.: Изд-во стандартов., 1986. — 5 с

27. ГОСТ 9463-88* Лесоматериалы круглых хвойных пород. Технические условия. М.: Изд-во стандартов, 1989. - 12 с.

28. ГОСТ 18610-82*. Древесина. Методы полигонных испытаний стойкости к загниванию. М.: Изд-во стандартов., 1985. - 6с.

29. ГОСТ 24454-80*Е. Пиломатериалы хвойных пород. Размеры. М.: Изд-во4 стандартов., 1981.-Зс.й

30. ГОСТ 27751-88* Надежность строительных конструкций и оснований.

31. Основные положения по расчету. М. Стройиздат, 1991. - 8 с.

32. Гринер А. А. Характерные дефекты и повреждения мобильных зданий.

33. Губенко JI.A. Оценка влияния некоторых пороков на несущую способность дощатых элементов строительных конструкций при растяжении.: Автореф. дисс. .канд.техн.наук. Ленинград, 1980. - 20с.

34. Гурин О.В. Накопление повреждений в д.к. и контроль их качества. М.: Дис. кан. техн-х наук. 1993.

35. Гуськов И.М. Ремонт деревянных конструкций. М.: МИСИ, 1981.- 76 с.

36. Гуськов И.М. Способы защиты деревянных конструкций и методы испытания защитных средств, применяемых в ФРГ. / Вопросы прочности, долf говечности и деформативности древесины и конструкционных пластмасс.-М. 1981

37. Гуськов И.М. Эксплуатация деревянных конструкций и методы устранения их дефектов. М.:МИСИ, 1982. - 106с.г)

38. Денеш Н.Д. Температурно-влажностные условия эксплуатации конструкций из цельной древесины и их влияние на ее гидротермическое состояние. / Деревянные конструкции в строительстве. М. 1986г.

39. Думашев Ю.Ф., Химурин С.Д. Справочник по капитальному ремонту жилых и общественных зданий. М.: Стройиздат, 1975.

40. Душечкин С.А. Современное состояние и перспективы развития статиче-у ских испытаний инженерных сооружений. / Повышение надежности и | долговечности строительных конструкций. Л.: 1972г., стр. 5-25.

41. Ефимова М.Р., Петрова Е.В., Румянцев В.Н. Общая теория статистики.1. М.: ИНФРА-М, 1996 416с.

42. Зенкевич O.K. Метод конечных элементов в технике. М.: Мир, 1975. -541с.

43. Знаменский Е.М. Об учете характера и длительности действия нагрузок при нормировании расчетных сопротивлений древесины. // Несущие деревянные конструкции.: Тр. ЦНИИСК Госстроя. М: 1981, с. 5-21.

44. Знаменский Е.М. Совершенствование нормирования расчетных характеристик элементов деревянных конструкций. / Разработка и совершенствование д.к.: Сб. науч. тр./ ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко. М., 1989. - 217с.,стр. 36-47.

45. Знаменский Е.М., Цветков А.К., Курцева Т.А. Прочность и расчетные характеристики сосновых и еловых пиломатериалов различных районов СССР. / Новые исследования в области технологии изготовления деревянных конструкций. М. 1988г. - стр.4-12.

46. Зубарев Г.Н. Конструкции из дерева и пластмасса М.: Высш. Школа, 1990. ! 287с.51. 178. Иванов В.Ф. Проблемы долговечности деревянных конструкций. -М.-Л.-1950.-280С.

47. Иванов Ю.М. Безопасность д. к. с учетом длительного действия нагрузки. / Исследования в области д.к. Сборник научных трудов. М.: ЦНИИСК им. Кучеренко, 1985, 183с.

48. Иванов Ю.М. Длительная прочность древесины // Механическая обработка древесины М. №4, 1972 - С. 76-82.t