автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Работоспособность клеевых соединений деревянных элементов в грунтовых и водных условиях

р г Вшй'ЙсГЗЕаНЕЙ КОМИТЕТ РОССЛЙСКЙ? ОЗДЕРАД Ш ПО

ОБРАЗОВАНИЮ

П СЕН 19е'. '

В0Р0НЗЯЩЙЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АРШЕКТУРШ^ТРСШЕЛЬНАЯ АГЛДЗ.И':

НА ПРАВАХ РУКОПИСИ

ИВАНОВ СЕРГЕЙ ПЕТРОВИЧ '

УДК 624.011.14:674.028.9 •

РАБОТОСПОСОБНОСТЬ КЕЕШХ СОЕДИНЕНИЙ ДЕРЕВЯННЫХ' ЭЛЕМЕНТОВ . ■ В ГРУНТОВЫХ И ВОДНЫХ УСЛОВИЯХ

Спегшальносгь 05.23.01 - Строительные конструкция, зданля

2 сооружения

АВТОРЕФЕРАТ диссертаций на созеканне. ученой степени кандидата технических' наук

Воронек - 19Э4

Работа выполнена в Курском государственном техническом университете,. . "

Научный руководитель - доктор, технических наук,.

профессор А.С.Прокофьев.

Консультант : -кандидат технических наук,

• • доцент/В. А. Кабанов

Официальные оппоненты • -доктор технических наук,

профессор Б.К.Михайлов - кандидат технических наук, •.'...'. доцент И.М.Гуськов

Ведущая организация - ЦНИИСК им.Кучеренко

Защита диссертации состоится "20 октября" 1994 г. в 14.СО час. на заседании диссертационного совета Д.063.79.01 в Воронежской государственной архитектурно-строительной академии,по адресу} 394006, Воронеж, ул. 20 лет Октября, дом 84, ауд.

О диссертацией можно ознакомиться в библиотеке академии.

Автореферат разослан " /ъ~п С С и >~< (■■/* 1994 г. . . • • • /

о .

Ученый секретарь диссертационного совета канд. техн. наук,.доцент

В.В.Власов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность пабота . В настоящее время деревянные клееные конструкции ( ДКК)"будут получать все большее распространение з строительной практике. Увеличиваются производственные мощности ло выпуску комплектов легких конструкций повышенной заводской готовности з том числе доя сельского хозяйства, транспортного и энергетического строительства.

Яри этом наиболее полно проявляются такие достоинства деревянных клееных конструкций как небольшой вес при транспортировке, высокая сборность и малые затраты на установку, низкие затрать: на эксплуатацию, высокая стойкость к воздействию агрессивных' сред.

Актуальность применения деревянных клееных конструкций возрастает в связи с тем, что Россия занимает первое.место в мясе по лесным плошадям. За год поспевает около I млрд.м . древесины, а заготавливается только половина. Древесина - единственный возобновляемый в природе строительный материал. Встала проблема топляков и исследования возможности их использования а строительстве.

3 условиях выравнивания внутренних цен на древесину с мировыми и рационального её использования ДКК станут реально кснкурэнтноспссобнымп с изделиями из аелезобэтона и металла. При этом во всем мире и в том числе впервые в России залокана тенденция в расширению применения ДКК в грунтовых а водных средах. Это клееные деревянные опоры ЛЗП, причальных сооружений, мостов , труб, сваи-колонны сельскохозяйственных' зданий я сооружений. Однако в действующих нормативных документах условия ' эксплуатации Г1,Г2,ГЗ для. клееной древесины вр нормированы,

т.к. отсутствуют необходимые научные исследования.

Диссертационная работа выполнена по темплану Российской ыаквузовской научно-технической программы "Строительство" (приказ ГКН и ВШ РФ.от 27.03.91 г.)

Экспериментальные исследования проведены в Курском Государственном Техническом Университете под руководством к.т.н., доц. В.А.Кабанова.

Цель исследования

Работа посвящена исследованию работоспособности клеевых соединений и элементов клееной древесины в грунтовых и водных условиях, критериальной оценке их.стойкости, разработке рекомендаций по нормированию условий работы и обеспечению долговечности клеевых соединений на различных клеях массового применения: ФР-12, ФР-100, «PS-50, .ДОК-14р и КБ-3.

Научная новизна

Впервые лабораторное исследование клеёных деревянных элементов построено на длительном -7-9 летнем натурном экспонировании элементов в различных грунтовых и водных условиях. Работоспособность клеевых соединений крупноразмерных элементов- исследована для ряда характеристических натурных:температурыо-влак-ностных режимах с использованием критериев прочности, трещино-стойкости и усталостной долговечности.

Впервые получены результаты по специфике загнивания клее- • ной древесины. Установлена применимость кинетической теории , прочности твердых тел для анализа стойкости клеевых соединенйй к действию эксплуатационных сред.

Практическая значимость :

- предложена методика оценки работоспособности клеевых соединений при эксплуатации а водных я грунтовых условиях, з тс;.;

г

числе с применением характеристик вязкости.разрушения и сопротивления усталости'; ■

разработаны рекомендации в главу СНиП по применению ШСК в грунтовых и водных условиях, нормированию коэффициентов условий работы. .

Результаты исследования переданы в : ЦЕШИСК им. Кучеренко дал использования в работе над нормативными документами ;

- ЩШК г. С.Петербург■ приуйсслэдованиях стойкости. клеевых-:. .соединений. дэрвБШннх: элементов на клее ФР-100.

Апообаиия работы

Основные результаты работы докладывались на Всесоюзной конференции "Фундаментальные исследования и новые технология з строительном материаловедении" в г.Белгороде в 1989 г., на Всесоюзной конференции "Повышение долговечности сельскохозяйственных зданий и соорукений" в г.Челябинске в 1990 г., на республиканской конференции "Композитные материалы в гидромеханизации" в г.Курске в 1991 г., на научно-технических конференциях Курского политехнического института 1985-33 г.г., на научном семинаре кафедры конструкций из дерева и пластмасс Воронежского инненер-но-строительного института в 1990-91 г.г., на научной конференции Санкт. Петербургского кОы в 1994 г.

Публикации. По материала1,; диссертации опубликовано 6 работ, перечень которых приведен в списке использованной литература.

Структура и объем работы . Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов я предложений, списка литературы из 143 наименований и приложений. Общий объем работы 180 стр. в том числе 125 стр. машинописного текста, 27 рисунков, 32 таблицы, 143 наименований литературных источников, 26 стр. приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении дано обоснование актуальности диссертационной работы, сформулирована цель исследования.

В первой главе приведен обзор методов исследования долговечности различных конструкционных материалов,-включая древесину, позволявши произвести долгосрочное прогнозирование их работоспособности в различных эксплуатационных условиях. Произведен анализ зарубешых и отечествеЛХых исследований работоспособности клеевых соединений древесины в натурных и лабораторных тем-пературно-влйкностных условиях при статических и циклических режимах действия внешних нагрузок.

Рассмотрен отечественный и зарубежный опыт применения цельной и клееной древесины в водной и грунтовой средах.

Представлен анализ методов исследования биостойкости.древесины в грунтовой.и водной средах и рассмотрены с позиций обеспечения долговечности различные . мероприятия по защите древесины, контактирующей с грунтом и водой, от.бяоповрекдения.

В работах Кюблера ( Кц bleffi), Хэдаина С.P. (HedUi) C.R), ' Чудинова B.C. представлены результаты исследования изменения влажности древесины в большом диапазоне температур, включая и отрицательные. Установлено явление усушки древесины, при 'замер-

закии пленочной-воды, что позволяет говорить о достаточно кестком температурно-влажностном режиме воздействия натурных • водной и грунтовой сред.

В отечественной практике влияние температурно-^лакностных воздействий на прочность клеевых соединений деревянных конструкций исследовали В.А.Кабанов, Орлович Р.Б., А.С.Прокофьев, С.Ъ.Турковский ,А.С.Фрейдин, В.М.Хрулев, и др., а в .зарубежной практике - Д. Кастер, X. Колб, П.Штайнер, К.Эгнер и др.

Анализ результатов этих работ показал, что для оценки стойкостя соединений использовали преимущественно ускоренные методы темпэратурно- влйеностных воздействий, исследуя, в основном малые образцы соединений как на фенольных, так и на резорциновых клеях. Работ, посвященных исследованию работоспособности клеевых соединений, эксплуатировавшихся а грунтовой и водной средах , нет. .. Имеется опыт применения клееной древесины в опорах 1ЭП, сваях причальных и гидротехнических сооружений. Исследованиями по изучению прочности и биостойкости цельной древесины в морской.и пресной воде, занимались Г.Г.Ыудров, М.Е. Каган, Ю.В. Слицкоухов", В.Н. йковский и др.

До настоящего времени действующая глава СНиП по проекти-* •

рован'ию.деревянных конструкций рекомендует применение клееной древесины в опорах f ЛЗП и прочих контактирующих с грунтом, соорукениях, но никак не нормирует это применение в рамках условий работы Г-I и Г-2. Анализ исследований и нормативных документов,- посвященных напряяенно-дефорыированному состоянию системы "стойка-грунт" свидетельствует о возникновении максимальных усилий тогокрагво-повторного характера в сечениях

элементов, расположенных в грунте нике поверхности земли. Это предопределяет необходимость исследования выносливости клеевых1 соединений' деревянных конструкций, длительное время испытывающих действие циклических нагрузок в натурных грунтовых и водных условиях.

Наиболее полные данные о выносливости крупноразмерных клееных деревянных элементов получены А.С.Прокофьевым, A.A. Сморчковым, В.А.Кабановым, С.В.Поветкиным. Вопросы влияния структурных повреждений типа трещин на напряженно-деформированное состояние клееных элементов на основе древесины исследованы С.И.Городенским и A.B.Масаловым.'Эффективный'способ аналитического учета локальных эффектов от трещин в многослойных элементах разработан Б.К.Михайловым. Влияние натурных темпера-турно-влакностных воздействий при многолетнем экспонировании на-ршосливость и трещиностойкость клеевых соединений древеси-.П1! в элементах практически не исследовано.

Исследованию биостойкости"древесины в натурных водных и грунтовых условиях посвящены работы Ю.А.Варфоломеева, Т.М.Поро-мовой, а так ке зарубешых авторов Scheffer Т.е., Kmith Д.Т. ß'^eciires H. и др. ручалось изменение индекса биоповрекдения цельной древесины от времени экспонирования. Специфика биопо-вреадония клееной древесины на изучена.

На основе анализа литературных источников сформулированы задача исследования. ' ,

Во второй главе описана методика экспериментальных исследований. Для изучения работоспособности клеевых соединений в грунтовых условиях в качестве базового использован метод на-/

турного эксперимента. Поскольку в. ряде исследований, посвященных долговечности клееной древесш.ы в атмосферных условиях отмечена стабилизация процессов старения в течении первого года эксплуатации, в нашей работе был проведен длительный натурный эксперимент, построенный на экспонировании крупноразмерных элементов в водных и грунтовых условиях.

Предпосылкой эксперимента явилось обследование в 1985 г. клееных деревянных опор ЛЭП в г.Харькове после 14 летней эксплуатации, Три опытно-промышленных опоры вскрывались на глубину более-1.8 м от поверхности земли. Обследование включало:

- определение вла!шости как в поперечном сечении опор, так и по глубине заделки в грунт ;

- отбор крупноразмерных образцов из подземной части опор с целью исследования сопротивления скалыванию ; '

- лабораторные испытания на скалывание образцов клеевых соединений при натурной влааности и при влажности 15 % - после высушивания и кондиционирования. , .

Часть элементов опор была оставлена в оголенном виде на 8 месяцев при сохранений контрольных образцов под навесом и в грунте, что позволило контролировать изменения активности деградационных процессов при резком изменении темперагурно-влакнсстного режима реальной эксплуатации.

\ Это обследование позволило создать концепцию проведения длительного натурного эксперимента, рассчитанного не менее чем на 4-5. лет ., т.к. основная доля физических "поврекденяй, связанная с температурно-влакностнымн условиями эксплуатации, для,,

различных строительных материалов набирается за этот период.

Д®в,йетр®еяадя»«ютйчёски обоснованных, и практически значимых результатов, принято натурное экспонирование крупноразмерных элементов, сопоставимых по размерам с реальными конструкциями заводского-изготовления на различных клеях массового применения. . -

С этой целью в 1985 году было начато длительное натурное экспонирование изготовленных на Волоколамском ЭЗСК элементов размерами 90 х 260 х 1300 мм из древесины сосны на клее ФРФ-50. В пойме реки Кур была установлена Iгруппа, элементов в виде стоек с изолированными эпоксидной смолой торцами С 200 мм над поверхностью земли, 1100 мм в грунте., в том числе 200 мм ; ниае уровня грунтовых вод ). При проведении экспонирования контролировалась температура воздуха, глубина промерзания ¿уунта, поднятие паводковых вод.

..Вторая группа образцов размерами 30 х ISO х 1300 мм на клеях ФР-12, ФР-100, ФРФ-50, Д£К-14р, КБ-3 экспонировалась на глубине 0.5 - 0.7 м-от поверхности земли в грунтовых условиях ; возвышенности. *

Третья группа образцов размерами 30 х 160 х 1300 мм на клеях ФР-12, ФР-100, ФРФ-50, ДОК-14 р , КБ-3 была подвергнута достоянной длительной выдеркке в воде. Контрольные сроки отбора образцов били приняты через 2,4,7 и 9 лет. Доследухъ вде критериальные испытания и оценки работоспособности проводили по четырем направлениям.

Во первых, исследовали временное сопротивление послойно:7 скалыванию как клеевых соединений, так и древесины слоев. Поскольку сопротивление скалыванию многими авторами рассматривается как вакцейший показатель работоспособности клеевых соединений, испытания проводили при натурной влажности и после высушивания до влакностя I5 % в сдециальной сушильной установке и кондиционирования с целью возможности сопоставления результатов с имеющимися экспериментальными данными по атмосферной деградации клеевых соединений. . •

Во вторых, производили испытания на выносливость крупноразмерных образцов' при натурной влажности и после высушивания' на пульсаторе рычажного типа с инерционным силовозбудителем эксцентрикового типа и регулируемой частотой нагружения. Образцы испытывались при коэффициенте ..асимметрии ^ = Рм;„ /. Р ■■ = 0,2, где Р и1|1' и Ртах- - соответственно минимальная и максимальнач нагрузка цикла. Проведение испытаний на выносливость'позволяет реализовать наиболее адекватный натурному режим нагрузок и воздействий на клееные элементы путем наложения циклических силовых воздействий на исследуемый элемент. В процессе испытания контролировали с помощью измерительной аппаратуры параметры циклического нагрукения и количество циклов до разрушения.. База.испытаний на выносливость соответствовала 2 /айн. циклов, частота нагрукения сО = 240- 250 Ц/мин ( ~ 4,1? с- 1 ).

В третьих, из экспонировавшихся элементов отбирались об- . разцы размерами 60. х 54 х 18 мм с целью исследования вязкости разрушения как во влажном, так и в сухом ( при влакностй 15 %)

состоянии. Такие образцы, как показано С.И.Городенским, A.B. Ма-саловым обладают наибольшей чувствительностью к трещине, как к концентратору напряжений при трансверсальном растяжении (нор-:.5альном -отрыве поперек волокон), как наиболее слабом в структурном отношении виде сопротивления клееной древесины силовым воздействиям.

Для количественной оценки трещиностойкости использовали силовую характеристику - критический коэффициент напряжений (КИЕ)

К1с:

где Рс - критическая нагрузка ; ■и : L - дайна искусственной трещины.; 3,t - дайна и толщина образца;

4

Y(|)

! — функция формы образца-.

В четвертых, исследовали процесс и специфику загнивания клееной древесины в разных грунтовых условиях и воде. Процесс биоразрушения анализировали по индексу биоразрушения " Ув" в виде процентного отношения пораженной, древесины к начальному объему.

Статистическую оценку; .результатов исследований в данном исследовании производили на основе теории малых выборок. Для по-■ лучения корреляционных зависимостей использовали аппроксимацию опытных данных методом наименьших квадратов, который успешно используется при обработке статических и усталостных испытаний клеевых соединений мвталов, древесины и др.

Вычисление статистических параметров проводили с использо-_ ванием банка данных стандартных программ корреляционного анализа на микро-ЭВМ МК-52. При оценке достоверности использовались так se критериальные оценки Стьюдента, Фишера.

В третьей главе представлены результаты длительных натурных испытаний в грунтовых условиях. Исследование клеевых соединений клееных деревянных опор ЛЭП-в г.Харькове на клее. КБ-3, эксплуатировавшихся четырнадцать и шестнадцать лет, позволило оценить характер распределения влакностй в. сечении и по длине стойки, характер и-параметры расслоений, а так ке-оценить остаточную прочность соединений. '

•Измерения влажности, проведенные с использованием электровлагомера ЭВ-2К и аналитическим методом, показали увеличение влажности с 28.1 % до 65.8 % с изменением глубины от О до 1.5 м.

Влажность ядра сечения- оказалась более стабильной по длине стойки чем периферии. .Значительный перепад влажности на границе "воздух-грунт" привел к весьма значительным расслоениям клеевых

9 ■

соединений на этом уровне. Ширина раскрытия швов составила Ат= 0.5 г 1.0 мм с глубиной до 100 т на уровне границы "воздух-грунт" и Ат= 0.35 ым с глубиной 23 мм на отметке -1.5 м от поверхности земли. Отмечено значительное снижение величины расслоений' от глубины заложения. Для оценки величины остаточного сопротивления скалыванию соединений и Древесины.чистые образцы вырезались из зон свободных от гниения и пропитки креозотом как ядревой, так и периферийной частей стоек до глубины 1.8 м от поверхности земли. Установлено, что до глубины 0,5 ц.произошло

максимальное снижение.прочности соединений. Временное сопротивление скалыванию вдоль волокон составило 1.2 КПа в ядровой и 0.85 ;.Ша в периферийной части с разрушением на 15-20 % по древесине. На глубине 0.5-1.8 и наблюдается явная стабилизация ^еличины сопротивления скалыванию с незначительным превышением в ядровой части стоек : R ьр = 3.3.«Ша на глубине 0.5^1.2 ы и . R. вр =4,2 Ша на. глубине 1.2 -Р 1,8 м.

В среднем сопротивление скалыванию клеевых соединений ниае поверхности земли составило 2.67 Ша при значительной неодно- • родности и разбросе показателей. Величина показателя точности составила р = 22 %, что представляется естественным для натурной конструкции.- Сопротивление скалыванию вдоль волокон сухой цельной древесины составило 6.71 ЦЦа.

После выдержки в атмосферных условиях подземной части стол; а произошло резкое снижение сопротивления скалыванию хлсевых соединений до величины 1.83 Ша. Для установления потери прочности древесины опор ЛЭП оценивали начальную прочность дрозесинц по процентному содерканию поздней древесины и объэмно-'■"/ в асу с использованием предложений М.Е. Кагана для сравнительных ' сопоставлений" различных прочностных показателей. На рис.1 представлена итоговая временная зависимость изменения сопротивления скалыванию вдоль волокон.

Рис. I. Временные зависимости сопротивления скалыванию в опорах 1ЭП : I - сопротивление скатыванию древесины в грунте ; ' 2 - то не, клеевых соединений в грунте ;

3 - то Ее , древесины после выдераки в атмосфере ;

4 - то ге , клеевйх соединений .

В результате специально поставленного длительного натурного эксперимента в наиболее кастйнх грунтовых условиях эксплуа-' о

тацяи получены данные по изменении сопротивления скалыванию клеевых соединений на клеях ФР-12 , ФР-100, ФРФ-50, Д2К - 14р, КБ - 3 после 2,4,7 я 9 лет экспонирования. При этом харая-эр

распределения влажности согласуется с натурными наблюдениями • за опорами ЛЭД, однако значимых расслоений соединений на резорциновых клеях не установлено. Отмечено локальное сниаение сопротивления скалыванию на границах сред "воздух-грунт" и "грунт-вода", явно выраженное, .через два года, экспонирования и имеющее асимптотический характер уке через четыре года по сравнению с ранее полученными данными для соединений в грунте и нкке уровня грунтовых вод; > ■ .

•До результатам корреляционного анализа экспериментальных данных получены зависимости [\ьр = дая сопротивления

скалыванию соединений как на фенольных, так и на резорциновых клеях на базе 7-9 лет экспонирования в зависимости от зоны экспонирования: граница "воздух-грунт", грунт, граница "грунт-вода", вода, <з коэффициентами корреляции в пределах *2 =0,8-7 0.9 .

* В целом по грунту дая соединений на клее. КФ-50 зависимость на базе 9 лет представляется при натурной влажности в виде

К вр>= 6.45 ехр ( - 0.061 1 ) ( 2 )

для сухих - вланшостью 15

й вр< = 6.40 ехр ,( - 0.099 1 ) , ( 3 )

для соединений элементов, экспонировавшихся на возвышенности в течении 4 лет, получены аналогичные данные. В целом отаеча- ■ ется цельная работа клееного пакета на резорциновых клеях.

Оценка биоповреждений клееных деревянных элементов производилась пб индексу биоповрездения. Отмечено начало образован;::' гнилостной шейки шириной 50 мм я. глубиной 2 мм через 4 года после начала экспонирования.

Для остальной подземной части стоек характерна поверхностная мягкая гниль на глубину до I мм. Этот процесс имел малую интенсивность в течении первых 7 лет, что объясняется лучшей сохранностью деревянных опор в пределах пойменных частей рек, связанной с большим увлажнением и меньшим доступом воздуха. В этом случае больше повреждается надземная часть стоек, что подвервдаэтся результатами исследований Кондратьева С.Ф.;. .О-Х^сиге.% К. и др. На спилах стоек отмечался окрас волокон до легкого синего. Установлено увеличение , глубины проникания окрашивавших бактерий по слоям ранней древесины в месте склеивания отдельных досок, что связано, на наш взгляд, с направлением годовых колец и большей биоповренденнос-ты) заболонной древесины отдельных досок.

Биоразрушения элементов на возвышенности были более интенсивными и привели к полной их деградации через 5 лет. Биоразрушений элементов, зксцонировавшяхся в воде 9 лет не отмечено. Характер развития биораэрушений во времени представлен на рис. 2.

-'б 1.0

'0,5

н у ' 1 1 1 1 "а.

* 6 1 : 9

Цгоа)

Рис. 2. Изменение индекса биоповревдения во времени:

1 - стойки в пойме реки;

2 - элементов на возвышенности.

. В четвертой главе исследовано влияние температурно-вдак-ностнык условий водной среды на работоспособность древесины и ее клеевых соединений, а такие получены данные о трещико-стойкости и выносливости клеевых соединений после длительного экспонирования.

Исследовано влияние водной среды после 7-9 летнего экспонирования на .сопротивление соединений на клеях КБ-3, ШКЛ, Д£л-14р, ФР-12, ФГФ-50, ФР-ЮО и древесины. Контроль-, ными точками осмотра и испытания балок и элементов были ,6 месяцев, I год, 2 года, 4 года, 7 и 9 лет. Испытания на скалывание свидетельствуют о значительной потере прочности в первые два года экспонирования и о незначительных изменениях в последующие два. ' '

Среднее •сопротивление с^клыванш древесины при натурной влажности составило через 4 года - 4,22 Ша, тогда как клеевых соединений на клее СРФ-50 - 3,44 Ша с разрушением в основном по древесине ФР-12 - 3,48 Ша, а на клее КБ-3 - 2,23 Ша. Для образцов 1Ъ% влакности,эти величины составляют соответственно: для древесины - 5,82 МПа; для соединений на клее 2?РФ-5С - 4,21 Ша; на клее ФР-12 - 4,28 Ша; на клее КБ-3 -3,89 МПа.

Использование статистических критериев '■ . подтвервдает в целом достоверность различия в величинах сопротивления соединений по клеям, более высокое остаточное сопротивление соединений на резорциновых клеях. Однако статистическое' сравнение результатов■испытаний образцов на пословное скалывание после 7 лет нахождения в воде для клеев 5Р-12 - КВ-3 при сравнений по критерию Фишера говорит о нез'ависимос-"лс-пэне однородности клеевых швов от вида клея.

Изменение сопротивления скалыванию клеевых соединений ка .резорциновых клеях по данным-9-ти летнего эксперимента в воде при натурной влаяности описывается зависимостью:

5,52 ехр ( -0,072 I ),'. /4/

при I .акностя 15/5' ' " ■

= 7,42 ехр .( -0,12 Ь ■) , /Ъ/

Сопоставляя результаты испытаний после экспонирования в грунте и в воде монно конста 'тировать несколько большее /в пределах 10%/ остаточное сопротивление соединений после экспонирования в воде," что мокно объяснить отсутствием циклических изменений температуряо-влаизостного режима.

Стойкость соединений после 7-г9 летнего экспонирования в воде оценивали такяе по вязкости разрушения с использованием критерия критического КЙН /%<;/•

При определении коэффициента интенсивности напряжения по I форме разрушения в виде нормального отрыва использовали образцы на .клее ФР-12 и КБ-3 после выдеркки в лабораторных условиях 12 лет как контрольные и на соответствующих клеях после экспонирования в вода в течении 7 лет. В табл. I представлены результаты испытаний образцов на клее КБ-3 для дре-

о

веснны с плотностью 555 кг/м .

Таблица I

Трещиностойкость клеевых, соединейий сосны на клее КБ-3

~7 с < относитель-'

)1> ! Условия испытания !ная влзе- ! ктл ку,а"|гн

! «ность при ! 1С, Кпаум

_|_- _ Испытаниях !_

1 Контрольные образцы соединений 15? 26С .

2 Образцы соединений после 7 лет _ увлажнения . ... 12$> 253,5

3 Древесины образцов после.7 лет

уэланнения • 10,6% 2ВО,6

Для критерия трещиностойкости клеевых соединений функция - У(^) при вычислении К^, полученная в виде • У = 16,7 ({)'/г -Ю4,7(!)^ + 369,9^-537^/6/ позволяет определить относительное 'снижение показателей критического КИН. Установлено, что различий в относительном сниКения механических показателей после 7-летнего экспонирования в воде как по критерию критического КИН Д,с = 0,425/, так и по критерию временного сопротивления /К ; = 0,45/ практически нет.

Статистической проверкой на данных базах экспериментальных результатов не установлено существенных различий в механических свойствах клеевых соединений на клеях ФР-12 и КБ-З как при послойном скалывании, так и при нормальном отрыве. Так, при нормальном от^Хве и влаяности 15£ малое различие мевду наблюденным ^ 1-Ы V =1,90 и критическим =2,11, значениями £ - критерия свидетельствует о недостаточной чувствительности кратковременных механических испытаний при выявлении сравнительной стойкости клеевых соединений в эксплуатационных средах. / .

Для испытаний на выносливость были отобраны клееные деревянные элементы на клеях ФРФ-50 и КБ-3, вырезанные из

я

стоек, экспонировавшихся в .грунтовых условиях поймы реки 4 года и 7 лет, а так ке в воде 4 года и 7 лет,.

Во избекание местного смятия древесины ширина поперечного сечения балок в местах опирания была увеличена с помощью фанерных накладок на шурупах и произведено усиление в1:ле£кой вертикальных металлических стержней диаметром 3 мм и данной 50 т. Передача давлений от траверс на балку осуществлялась через металлические прокладки толщиной 8 мм. Цикли-

веские испытания проводили односторонним циклом с коэффицентом

f

асимметрии. f = 0,2 с уровнем нагруаения

0,55 и 0,8 от щэекеяного сопротивления элементов скалыванию при изгибе £8р = 4,50 Ша для двухточечной схемы

нагру~ения элементов 30/160/1300 мм в четвертях пролета I2G0 мм. ■

Запаянные в полиэтиленовые мешки балки испытывали при натурной влажности, В процессе испытаний отмечалось выделение влаги в виде конденсата, концентрировавшегося в опорных частях балок и в растянутой зоне, свидетельствующее о локальном разогрева древесины при циклическом, нагруаеншг.

При высоком уровне нагруаения клееные элементы на клее КБ—3 разрушались в начальной стадия усталостных испытаний с преимущественно адгезионным характером скалывания по клеевым, швам в приопорной зоне. Дальнейшие испытания выполняли только с элементами на фенольно-резорциновои клее ФРЗ-50.

Часть балок не разрушилась, выдеркав более базовых 2 млн. циклов нагруаения. Результаты усталостных испытаний до разрушения обрабатывали в полулогрифмических координатах

¿g. W — . с последующим построением уравнения циклической долговечности в виде:

. Znat) /?/

где £ = М / Л (&) ' — время до раз-

рушения при циклическом нагрукении; Js/ - число циклов; и) - частой . нагру^Ъния /с-1/; и d. ^ /МПа/ - параметры, связанные с энергией активации процесса разрушения Ua и структурно-чувствительным коэффициентом ^ соответственно в основном уравнения кинетической теории.прочности твердых тел. ' ■ . •

Сравнение результатов усталостных испытаний для различных

эксплуатационных сред представлено в табл. 2 . .....

Таблица 2

Данные усталостных испытаний

X. Для контрольных элементов в нормальных теыпературно-влаж-ностных условиях /по данным 0

Сморчкова А.А./ 7,74 • Пг 3,71:

2. После 'атмосферных темпе¡ратурно-влаяностных испытаний /по дан- в

ным Кабанова В.А./ 4,02 • 10° 3,66

3. При 7-детнеы действии эксплуатационной среды /по данным ав- к

тора/ 3,89 . 108 3,52

В главе 5 представлена общая оценка результатов исследования в практические предложения.

После начала массового применения клееной древесины в строительстве начали разрабатывать и применять методы оценки работоспособности клеевых соединений, базировавшиеся как правило на изучении сопротивляемости клеевых соединений ускоренному старению. Ускоренное старение создавалось в виде тепловых ударов разной повторяемости, с резким температурным перепадом, как например, "кипячёние-заыоракивание". Таким образом старение определялось, в основном, термо-химической дестдгк-цией древесины и клея, чего практически не наблюдается в реальной эксплуатации. К тому же использовались малые стандартные образцы из чистой древесины, изготовленные в лабораторных условиях. : ;

С позиции синергетического механизма усталости А.С.Прокофьевым была выдвинута концепция,- согласно которой кратковременные статические воздействия не. определяю полную картину развития поврвкдения в клеевых швах и не могут служить ;;р

! Характеристика испытаний

А*. \ о< и,

»авненид

для достоверно": оценки работоспособности клеевых соединений во времени. Необходимо иметь ввиду, что отрицательные свойства клея такие не. проявляются при кратковременных воздействиях.

Приемлемость такого подхода бала доказана натурными экспериментами. После успешных контрольных испытаний, напрп-мэр, ЛЭП в г. Харькове, клееного деревянного моста в Во-ронекской области, с течением времени происходило разрушение конструкций по клеевым швам, как правило, на основе фенолформальдегндных смол.

Поэтому нами использован метод старения, разработанный А.С.Прокофьевым и В.А.К&бановым и построенный на адекватности процессов деградации соединений как при исследованиях:, так и при реальной эксплуатации. В основу старения положено , физическое накопление поврендений при темперагурно-влакност-ных воздействиях, отвечающих требованиям эксплуатации согласно СНиП и соответствующих реальной эксплуатации. Деградация изучалась в относительных величинах коэффициентов деградации и расслоения клеевых шзов. Вместо малых образцов использовались клеевые деревянные элементы з„аводского изготовления, выполненные в соответствии с основными технологическими требованиями.

Для изучения деградации клеевых соединений были' использованы реальные условия температурно-влажностных воздействий и грунтовых условий в пойме реки с колебаниями уровня грунтовых вод. •

После прохождения процессов физической усталости накладывались, на первой стадии, механические кратковременные воздействия с целью оценки сопротивляемости с последующим

использованием переменного нагружения в качестве контрольного силового воздействия на остаточную несущую способность клеевых соединений. Дня соединений использовались два основных вида промышленных клеев: фенолформальдегидные и резорциновые. ' •

С позиций синергетической усталости на работоспособность соединений долены существенное влияние оказать такие факторы, с;аи внутренние напрянения, появляющиеся при структурировании клея, кислотность отвердителя с возмокностыо расщепления г.ошлекса древесины, разная степень проникав мости клея в древесину с.возмокностью получения голодного шва.

Учет синергетики, т.е. взаимодействия и взаимовлияния -всех факторов, влияющих на накопление повреждений, позволяет объективно прогнозировать работоспособность клеевых соеда-LiGiiüii, а также, в некоторых случаях, более эффективно ис-йзльзозать несущую способность конструкций. Так, применяе-

i.:eгод дифференцирования коэффициентов условий работы довольно часто приводит к необоснованному снижению расчетного сопротивления, в частности, это относится к разделению фактора природных дефектов .и температурно-влааностных воздействий.

Обобщение экспериментальных данных испытаний клеевых соединений деревянных элементов, находившихся в грунтовых условиях в течении S лет позволило получить интегральные 'соэф^ициенты условий работы с учетом влажности, величины которых приведены в табл. 3

В опорах лэп напряаением до 100 кВ, сваях-стойках, сваях рекомендовано применение клееных элементов только на -резорциоцовых клеях с поперечным саченивк не менее 160 ш.

Коэффициенты условий работы клеевых соединений, учитывающие натурную влакноеть и юс деградацию в грунтовых и водных условиях

! Характеристика ! Время экспонирования /эксплуатации/

Коэф.} условий работы Г__лет___

! _! I 1 2 ! 3 .' ¿олее 4

% в грунте ( И) 0,65 0,53 0,43 0,35 У вводе . { Г-3 ) 0,72 0,58 0,47 0,39.

Полученные в данной работе результаты могут быть использованы для дальнейших исследований сравнительной стойкости древесины в элементах с различными способами защиты от деградационного. влияния-грунтовых и водных сред.

ч

. ЗАШНЕНИЕ

Б результате выполненных исследований впервые установ- ■ лены научные данные о работоспособности деревянных клееных элементов на фенольных и резорциновых клеях при длительном действии грунте -гх и водных сред.

I. Разработана методика адекватной оценки эксплуатационной долговечности клеевых соединений деревянных элементоз в грунтовой и водной средах, базирующаяся на концепции са-нзргетической усталости при переменных температурно-вяак-ностешх'и силовых воздействиях.

•2. Установлены кинетические закономерности изменения остаточного ресурса клеевых соединений деревянных элементов в грунтовых условиях в течении 14 лет.

3. Исследованы сопротивление скалыванию и трещиностой-

чость клееной древесины элементов после длительного увла~.-{ !

нения в точении 7 лет.

4. Получены закономерности изменения коэффициента Бяо-повревдения клееной древесины по годам-при эксплуатировании в грунтовых условиях поймы реки и возвышенности.

5. Подтверждена повышенная стойкость соединений дэревян-них элементов на резорциновых клеях к длительному действо грунтовой'и водной эксплуатационных сред при критериальных испытаниях на выносливость.

6. Разработаны предложения по нормированию коэффициентов условий работы и применению элементов из клееной древесины

в грунтовых условиях для опор ЛЗП, опорных строений мостов л других соорукений. '

' г 27

Основные положения диссегэтацин отражены в- слвдушда:---------

ютах:

1. Кабанов В.А., Иванов С.П. Долговечность деревянных юных стоек в грунтовых условиях.// Тезисы докладов 06-;тной научно-практической конференции "Научно-техническое эрчество молодежи народному хозяйству Курской области".'-рек, ШШ, 1986.

2. Прокофьев A.C., Иванов С.П., Акимов-Паретц И.Д. .. Зотоспособность клеевых соединений в грунте//Лесная прошенное ть,-1988. -ii7. -C.32. ''.''" '

3. Кабанов В.А., Иванов С.П. Деградация элементов из зеной древесины в грунте./ Тен. докл. Всесоюзной конфа-нции "Фундаментальные исследования и новые технологии в • роИтельном материаловедении".- Белгород, 1989. -С.34-35.

4. Прокофьев A.C., Иванов С.Л. Долговечность деревянных ееных стоек в грунтовых условиях.// Тезисы доклада на есозззной конфереция в Челябинске "Повышение долговеч— ста сельскохозяйственннх зданий и сооружений". -Челябинск, 90. - C.I40-I4I.

. 5. Иванов С.П., Кабанов В.А. а др. Работоспособность ееной древесины при длительном действии водной среда.// з. докл. Республиканской конференции "Композиционные иа^-риалы в гидромеханизация". - Курск, КПП. - 1991. -С. 18-20.

6. Прокофьев A.C., Иванов С.П., Акимов-Яератц И.Д. '

завыв соединения древесины в грунтовых и^водных условиях.

:есная промышленность. - 1991 г. J12. -С»30. <• с

Формат 60x84 l/lt. Печ. л. 1,1 ТираЕ;100.экз. Sottas ¿4J — ,

Типография Курского государственного технического щш ситета.

Курск 305030, ул. 50 лет Октября, 94