автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.05, диссертация на тему:Совершенствование технологии изготовления деревянных конструкций с термоупрочнением краевых зон

"«0058397

На правах рукописи

СЕРГЕЕВ Михаил Сергеевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕРЕВЯННЫХ КОНСТРУКЦИЙ С ТЕРМОУПРОЧНЕНИЕМ КРАЕВЫХ ЗОН

Специальность 05.21.05 - Древесиноведение, технология и оборудование деревопереработки

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

16 МАЙ 2013

Архангельск 2013

005058397

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых»

Научные руководители: доктор технических наук, профессор

Рощина Светлана Ивановна доктор технических наук, профессор Лабудин Борис Васильевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Морозов Владимир Станиславович

(ФГАОУ ВПО «Северный (Арктический) федеральный университет имени М. В. Ломоносова»)

кандидат технических наук, доцент Каратаев Сергей Григорьевич

(главный специалист ООО «ДСК «Славянский»)

Ведущая организация Санкт-Петербургский государственный

лесотехнический университет им. С. М. Кирова (194021, Санкт-Петербург, Институтский пер., д.5)

Защита состоится «13» июня 2013 г. в 9 ч 30 мин на заседании диссертационного совета Д 212.008.01 при ФГАОУ ВПО «Северный Арктический федеральный университет им. М. В. Ломоносова» (САФУ) по адресу: 163002, г. Архангельск, наб. Сев. Двины, 17, главный корпус, ауд. 1220.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке САФУ.

Просим Ваши отзывы на автореферат с заверенными подписями направлять в двух экземплярах по адресу: 163002, г. Архангельск, наб. Северной Двины, 17, ФГАОУ ВПО «Северный (Арктический) федеральный университет им. М. В. Ломоносова», ученому секретарю диссертационного Совета Д 212.008.01.

Тел./факс (8-8182) 28-75-67, e-mail: alz@atnet.ru

Автореферат разослан «25» апреля 2013 г.

Учёный секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент

А. Е. Земцовский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы

Рациональное использование древесины при изготовлении новых видов конструкций и их элементов предусматривает усиление узлов и сопряжений с применением новых материалов и технических решений на основе последних достижений наноиндустрии. Такие решения позволяют создать конструкции с повышенными прочностными и жесткостными характеристиками и способствуют снижению расхода древесины при обеспечении

эксплуатационной надежности конструкций.

Предлагаемые деревокомпозитные конструкции с применением модифицированных углеродных нанотрубок (УНТ) эпоксидных матриц и термической обработки конструкций существенно повышает их несущую способность и расширяет область применения. Поэтому проведение исследований в этом направлении является актуальным.

Цель исследований - совершенствование технологии изготовления деревокомпозитных конструкций термической обработкой эпоксидной матрицы с включением УНТ.

Для достижения поставленной цели определены задачи:

1. Разработать технические и технологические решения симметрично армированных деревокомпозитных конструкций с использованием полимерных клеев с включением в их состав УНТ при температурном воздействии.

2. Провести теоретические исследования работы симметричных деревокомпозитных конструкций с оценкой влияния включения УНТ в состав полимерных клеев на напряженно-деформированное состояние элементов из древесины.

3. Выполнить экспериментальные исследования и дать сравнительную оценку прочности и деформативности разработанных симметричных деревокомпозитных балок.

4. Разработать технологию изготовления деревокомпозитных балок с варьированием режимов прогрева полимерного клея содержащего углеродные нанотрубки;

5. Разработать рекомендации по совершенствованию технологии изготовления деревокомпозитных балок в условиях температурного воздействия.

Научная новизна результатов исследований:

-получены новые результаты экспериментально-теоретических исследований, отражающие особенности работы деревокомпозитных конструкций с симметричным армированием на эпоксидной матрице с включением УНТ;

-обоснована и разработана технология изготовления симметрично армированных деревокомпозитных балок с включением в состав клеевой композиции УНТ и с использованием прогрева конструкций при изготовлении;

-экспериментально доказана возможность повышения прочности и жесткости симметричной деревокомпозитной конструкции с применением модифицированного с помощью УНТ клеевого состава;

-установлена степень влияния углеродных нанотрубок в клеевой композиции на НДС конструкции балки.

На защиту выносятся:

-результаты теоретических и экспериментальных исследований симметрично армированных деревокомпозитных балочных конструкций;

-результаты исследований качественной и количественной характеристики прочности и деформативности композитных балок с применением УТН в составе клея;

-уточненная методика инженерного расчета для симметричных деревокомпозитных балочных конструкций;

-рекомендации по совершенствованию технологии изготовления деревокомпозитных балок с УНТ.

Практическая значимость работы

Результаты исследования расширяют область применения деревокомпозитных конструкций, повышают эффективность применения древесины в композитных конструкциях и их эксплуатационную надежность.

Достоверность полученных результатов обеспечивается корректностью поставленных задач, использованием принятых в строительной механике гипотез и допущений; современными средствами исследования с применением сертифицированной инструментальной базы; методикой проведения численных экспериментов с использованием вычислительных программ; приемлемой сходимостью результатов экспериментальных и теоретических исследований.

Реализация результатов работы

Результаты исследований использованы при разработке совместно с ГУ «Промстройпроект» альбома рабочих чертежей «Композитные балки междуэтажных перекрытий пролетом 6 м», в ТУ на изготовление балок, в учебном процессе, внедрены при проектировании междуэтажных перекрытий деревянных жилых домов (г. Владимир). Получен Грант администрации Владимирской области по теме: Применение наноматериалов для ресурсосбережения древесины в композитных конструкциях.

Апробация работы: Основные положения работы и результаты исследований доложены на: международной научно-технической конференции «Строительная наука 2010» (г. Владимир, 2010 г.); Международной научно-практической конференции «Современные направления теоретических и прикладных исследований» (г. Одесса, 2010 г); Международном симпозиуме «Современные строительные конструкции из металла и древесины» (г. Одесса, 2012 г); VII Международной научно-практическая конференции «Дни науки-2012». (Чехия, г. Прага, 2012 г.); VIII Международной научно-практической конференции «Научный потенциал мира-2012» (Болгария, г. София, 2012 г.); научно-техническом семинаре лесотехнического института С(А)ФУ (г. Архангельск, 2012 г.), международной научной конференции «Развитие СевероАрктического региона: проблемы и решения» (г. Архангельск, С(А)ФУ, 2013 г.).

Публикации. По результатам научных исследований опубликовано 15 печатных работ, в т.ч. две в изданиях по перечню ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, библиографического списка включающего 143 наименований. Изложена на 173 страницах и содержит 81 рисунок, 12 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении отражены актуальность темы, задачи и новизна исследований, общая характеристика работы и положения выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрены современное состояние производства, применения, и перспективы развития композитных конструкций на основе древесины. Дан анализ развития и применения эпоксидных смол, стеклоткани и углеродных нанотрубок. Определенны направления для совершенствования технологии и повышения эффективности деревокомпозитных конструкций.

Проблемами связанными с повышением эффективности использования ресурсов древесины в разное время занимались Ашкенази Е.К., Белянкин Ф.П., Глухих В.Н., Дмитриев П.А., Жаданов В.И., Знаменский Е.М., Иванов В.Ф., Иванов A.M., Иванов Ю.М., Карлсен Г.Г., Клименко В.З., Копейкин A.M., Лабудин Б.В., Леонтьев Н.Л., Мелехов В.И., Митинский А.Н., Найчук А.Я., Онегин В.И., Орлович Р.Б., Погорельцев A.A., Пятикрестовский К.П., Рощина С .И., Рыкунин С.Н., Савков В.И., Светозарова Е.И., Серов E.H., Стоянов В.В., Турковский С.Б., Уголев Б.Н., Фурсов В.В., Щуко В.Ю. и др. Исследованиями процессов механической обработки и склеивания древесины, качества соединений клееных деревянных конструкций занимались известные ученые: Аксенов П.П., Баженов В.А., Боровиков A.M., Вуба К.Т., Губенко А.Б., Исаев С .П., Каратаев С.Г., Ковальчук Л.М., Куликов В.А., Леонович A.A., Михайлов В.Н., Огурцов В.В., Пластинин С.Н., Турушев В.Г., Фрейдин A.C., Хрулев В.М., Чубинский А.Н. и др.

Исследованием углеродных нанотрубок и их интеграцией с эпоксидными смолами занимались учёные: Акатенков Р.В., Алексашин В.М., Аношкин И.В., Бабин А.Н., Богатов В.А., Бузько В.Ю., Грачев В.П., Кондратов C.B., Минаков В.Т., Мищенко C.B., Раков Э.Г., Ткачёв А.Г. и др.

Анализ современных тенденций внедрения новых строительных технологий и материалов позволяет утверждать, что основой динамичного внедрения в практику станут материалы и технологии, полученные на основе достижений и разработок в области нанотехнологий. Углердные нанотрубки благодаря высоким механическим характеристикам, а также широким возможностям функционализации поверхности, обеспечивающей ковалентное взаимодействие с полимерной матрицей могут рассматриваться как один из наиболее перспективных видов модификаторов клеевых составов. За счет высокой удельной поверхности повышение механических свойств композитов достигается уже при малых концентрациях УНТ при одновременном улучшении тепло и электро-проводных свойств материала. Предложенные в работе технические решения с использованием эпоксидных клеёв модифицированных углеродными нанотрубоками позволяет увеличить прочность деревокомпозитной конструкции от 15 до 60%.

Композитные конструкции позволяют рационально использовать древесину, снижать стоимость конструкций за счёт значительного повышения прочностных характеристик, способствуют рациональному расходованию древесных ресурсов, поэтому проведение исследований в этом направлении является актуальными.

Во второй главе содержится обзор современных деревоклееных конструкций и рассмотрены вопросы экспериментальной оценки прочности и деформативности композитных балок для деревянного домостроения.

В ходе экспериментальных исследований было испытанно 4 серии балок, по 3 образца в каждой серии. Первая серия состояла из простых деревянных балок пролётом 2,25 м и принималась в качестве эталона для следующих серий композитных балок, (рис.1).

Основными элементами композитной балки являются древесина, стеклоткань на основе базальтового волокна и модифицированная углеродными нанотрубками эпоксидная матрица. Сечение исследуемых моделей балок принято 70x100(Ь) мм. Стеклоткань приклеивалась в растянутой и сжатой зонах деревянной заготовки на эпоксидной матрице.

1 .

75

1/2=1125»!

1X2250 мм

-4

1

*)

1-1

Серия БД Серия БК Серия БКунт Серия БКунт+1°

Рис.1. Конструктивные решения экспериментальных дерево-композитных балок четырех сечений: а — общий вид (схема); б - цельное сечение, серия БД; в — то же , серия БК; г — то же, серия БКунт; д - то же, серия БКунгН"

Существующие в настоящее время методы расчета деревянных конструкций позволяют с достаточной точностью оценивать их несущую способность и деформативность для любых сечений и на любой стадии работы. С точки зрения проектирования прикладным является инженерный метод расчета деревянных конструкций по приведенным геометрическим характеристикам.

При проведении расчета определяли несущую способность и деформативность деревокомпозитных балок.

На начальном этапе расчета определены приведенные геометрические характеристики сечения деревоклееной композитной балки, необходимые для расчета конструкции. Это:

- площадь приведенного сечения:

- момент инерции:

, b-tf+b-h] ,,. (h1 +/i,2 +2ЛйЛ ...

■*=-\2~ +2-bh •"•"l--Т—у (2)

- момент сопротивления для сжатой и растянутой зон:

W ' =W " = !пр ■ С31

F F

/х = --- = —— - коэффициент армирования. Fa - площадь армирующего слоя; Fdp b-h

п = - - коэффициент приведения; А, - толщина армирующего слоя;

h - высота сечения.

Расчет выполняется по двум группам предельных состояний. Расчет по первой группе предельных состояний на действие максимального изгибающего момента. Изгибающий момент для шарнирно опертой балки на двух опорах при загружении ее точечной нагрузкой определяется по принятым формулам сопротивления материалов с учетом граничных условий и схем загружения.

Максимальные краевые напряжения в древесине растянутой и сжатой зон не должны превышать расчетного сопротивления древесины на растяжение и сжатие, соответственно:

M „ M о„=-<R„-m, а=-<.Rm. (4)

W'-k„ Р w'-K.

яр ун *р VI

Расчет на устойчивость плоской формы деформирования выполняется на действие максимального изгибающего момента:

Расчет по второй группе предельных состояний заключается в определении максимального вертикального перемещения и сравнение его с предельным. На начальном этапе вычисляется прогиб балки без учета деформаций сдвига на действие распределенной нагрузки:

S Р" I*

/0=-2---L.Jl--к- (6)

Уо 384 Я ■/„■*„

к, = 1 + 0.67 • — - коэффициент учитывающий длительность действия нагрузки. Я

Наибольший прогиб в середине пролета балки не должен превышать предельно допустимого прогиба:

Л 1-й")

(7)

где к - коэффициент, учитывающий влияние переменности высоты сечения; с - коэффициент, учитывающий влияние деформаций сдвига от поперечной силы, / - нормируемое значение вертикального перемещения; kyn и к,, - коэффициенты повышения прочности и жёсткости, которые определяются экспериментальным путем.

Вместе с тем, расчет композитных конструкций и элементов как правило ведется лишь в предположении упругой работы материалов, что не соответствует действительной работе элементов за пределом упругости и не выявляет действительных значений силового сопротивления материала конструкций.

При нагружении композитных конструкций внешней нагрузкой до разрушения отчетливо проявляются три характерные и последовательные стадии напряженно-деформированного состояния: условно-упругая, упруго пластическая и разрушения.

Действительные диаграммы работы древесины на сжатие и растяжение имеют нелинейные зависимости, и могут быть использованы в расчетах за пределами упругости. В диссертации выполнен детальный анализ напряженно деформированного состояния (НДС) конструкций на всех стадиях работы с использованием метода конечных элементов в программном комплексе Lira 9.2. Расчет производился с учетом действительной работы в статической постановке с учетом физической нелинейности материала древесины. Работа древесины описывалась диаграммами, построенными на основании экспериментальных исследований стандартных образцов на сжатие и растяжение. Расчетная схема конструкции принята в виде балки на двух опорах, загруженная точечной нагрузкой по схеме чистого изгиба. По результатам исследований построены диаграммы краевых напряжений и общих деформаций конструкции в зависимости от действующей нагрузки (рис.2...5).

Работа балки БД в статическом нелинейном расчете:

3. щщ Щ Щ | І jSf Щ Й IP нзвияв '"Шї щ iffiffE fi f ай® ХІ'жС Щ і Щ\

75 Lmt * Еф 172=11 'іїМ. 25 м Щ Ы 41 ч- - У н

L=2250 мм

Работа балки БКумт+, в статическом нелинейном расчете:

Рис.2. Распределение нормальных напряжений при нагрузке 10,4 кН

4.562

\

\

щ

4

Рис.3. Сравнение эпюр напряжений балок при сосредоточенной нагрузке 10,4 кН:

а - балки серии БКутН с деревянной балкой серии БД (-----) на опоре; б - то же, в середине пролёте; в - балки серии БКУНТ+, с деревокомпозитной балкой армированной в растянутой зоне (.....) на опоре; г - то же, в середине пролёта.

По представленным эпюрам видно, что напряжения на опорном участке уменьшаются на 35...40% по сравнению с простой балкой, и на 2..6% по сравнению с балкой армированной в растянутой зоне. Напряжения в пролёте уменьшаются на 48...54% по сравнению с деревянной балкой. По сравнению с балкой армированной в растянутой зоне напряжения сжатия уменьшаются на 32. ..38%, а напряжения растяжения возрастают на 10.. .15%.

Нггрузкг, кН 25 20 15 Ю 5 І

-

N 10 .Ь У.« .>

Прогибы, мм |

— БК -БКунт

— БКунт+ї --БК 2 (по Шохину)

— БКУНТ-2 (по Шохину)

Рис.4. Диаграмма «нагрузка - деформации»

Из рисунка 4 видно, что деформативность деревокомпозитных балок с симметричным армированием снижается на 4...6 % по сравнению с балками армированными только в растянутой зоне, при изготовлении на ЭД-20. При изготовлении на ЭД-20+УНТ деформативность снижается на 5...8%. При термоупрочнении краевых зон на 12... 16 %.

I

Рис.5. Диаграмма разрушающих нагрузок Из диаграммы можно сделать вывод, что прочность деревокомпозитных балок с симметричным армированием повышается на 7... 10 % по сравнению с балками армированными только в растянутой зоне, при изготовлении на ЭД-20. При изготовлении на ЭД-20+УНТ прочность возрастает на 8... 12%. При термоупрочнении краевых зон на 15..Л9 %.

? Симметричное

. аргл. на ЭД-і , Л)»УЧТ .. ; прогресом при і изготовлении имі\ле|гричное аргл. на! ЇД-20 (7ЙТ

« Бі:унт+Ї в Вкунт

я БКУНТ-2 (по Шохину) її БИ

« ґ>Н? (по Шохину)

Разрушающая нагрузка, кН

В третьей главе разработана программа методики испытания эпоксидных олигомеров и симметрично армированных деревокомпозитных балок.

Программа испытаний содержит: выбор экспериментального метода; проведение многофакторного эксперимента для определения количества испытываемых моделей; чертежи испытываемой конструкции с фактическими геометрическими размерами, жесткостными характеристиками, ведомостями дефектов и повреждений; результаты инженерного расчета конструкций на испытательные нагрузки с учетом фактических размеров элементов. Ожидаемые величины перемещений, усилий, деформаций и напряжений в точках их измерений; выбор элементов, сечений и конкретных точек в которых будут осуществляться измерения; установление количества ступеней нагружения, значения приращение нагрузки и временных интервалов; определение требуемой точности измерения и подбор аппаратуры с необходимыми параметрами точности и диапазона.

Изучение влияния углеродных нанотрубок на прочность эпоксидной смолы ЭД-20 целесообразно проводить на стандартных образцах, размером 20x20x20 мм. Значения весовых долей тех или иных составляющих смолы могут меняться, что влечёт за собой изменения характеристик отверждённого состава. Для данных исследований был принят следующий состав композиций: 100 вес ч. ЭД-20, 15 вес ч. ПЭПА, УНТ 0,3 вес ч. Степень варьирования УНТ на данный момент слабо изучена, однако согласно ряду работ весовые части принимались в диапазоне от 0,1 до 0,5, что вело за собой заметные изменения физических характеристик полученных композиций.

В результате планирования эксперимента определено оптимальное количество испытываемых конструкций и требуемое число образцов для установления статических характеристик материала моделей. Для обеспечения достоверности показаний 0,95 при коэффициенте вариации 0,15 с точностью показаний до 0,05 было принято для испытания количество моделей конструкций равное трем для каждой из четырёх серий.

Разработанная программа испытаний позволила: получить картину напряженно-деформированного состояния конструкций при действии нагрузок; подтвердить достоверность теоретических исследований по предлагаемой методике расчета сравнением результатов эксперимента и расчета натурных конструкций; определить несущую способность конструкций и получить характер их разрушения; выполнить анализ НДС конструкции.

Экспериментальные исследования конструкций пролетом 2,25 м проводились на испытательном стенде. Схема нагружения представлена на рис.6, 7. Изучение работы балок выполнялось в два этапа.

На первом этапе определялся интегральный модуль упругости деревокомпозитной балки учитывающий неоднородность древесины, пороки, которые не учитываются расчётным модулем.

На втором этапе исследовалось напряженно-деформированное состояние симметричных деревокомпозитных балок, определялся характер разрушения в зависимости от конструктивных параметров, от типа используемого эпоксидного клея и влияния тепловой обработки на прочность и деформативность конструкций.

Расчетная нагрузка определялась в зависимости от геометрических размеров балок и расчетного сопротивления древесины на изгиб. Нагружение композитных балок на первом этапе осуществлялось до О,В нормативной нагрузки, ступенями по 0,1 от верхнего предела. На втором этапе нагружение балок осуществлялось до разрушения ступенями, равными 0,25 расчетной нагрузки. На обоих этапах исследования время выдерживания под нагрузкой на каждой ступени принято 5 минут.

Р/2 г

И-1

Т-1,

и-1

Рис.6. Схема двухточечного нагружения балок с зоной «чистого» изгиба

Рис.7. Схема расстановки приборов: П1-прогибомер, Т1, Т2 - тензометры, И1, И2 - индикаторы

Вертикальные перемещения исследуемых балок измеряли прогибомерами ПАО-6, осадка опор индикаторами часового типа с ценой деления 0,01 мм. В зоне действия максимального изгибающего момента по ширине сечения наклеивались тензорезисторы с базой 20 мм, информация с которых обрабатывалась на цифровом тензометрическом комплексе СИИТ—ЗМ.

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований эпоксидных смол и деревокомпозитных конструкций с их включением. Испытания проводились в лаборатории строительных конструкций имени Щуко В.Ю. на базе Владимирского государственного университета. Всего было проведено 8 серий испытаний эпоксидных смол по 9 образцов в каждом.

Серии эпоксидных образцов:

ЭД-202ОС - Образцы из эпоксидной смолы ЭД-20 холодного отверждения;

ЭД-20,,нт2ОС - То же ЭД-20 с УНТ (0,3%);

ЭД-20 - Образцы из эпоксидной смолы ЭД-20 горячего отверждения (при 1=50°С);

ЭД-20уНГ5ОС - То же ЭД-20 с УНТ (0,3%);

ЭД-20 - Образцы из эпоксидной смолы ЭД-20 горячего отверждения (при 1=60°С);

ЭД-20у,п60С - То же ЭД-20 с УНТ (0,3%);

ЭД-20 - Образцы из эпоксидной смолы ЭД-20 горячего отверждения (при 1=70°С);

ЭД-20унг?ос - То же ЭД-20 с УНТ (0,3%);

В качестве отвердителя для эпоксидного состава был выбран полиэтиленпполиамин (ПЭПА). Принятый состав композиций: 100 вес ч. ЭД-20, 15 вес ч. ПЭПА, УНТ 0,3 вес ч. Составляющие тщательно перемешивали и разливали в квадратные формы (20x20x20 мм).

Композиции подвергали холодному и двухстадийному отверждению. Холодное отверждение проводилось при температуре 20°С, образцы выдерживались в форме с течении 14 суток. Двухстадийное отверждение проводилось с температурой первой стадии 20°С в течение 48 часов, а

температура второй стадии варьировалась, значения составляли 50, 60 и 70 С, в течение 6 часов, изъятие образцов из форм производилось через 7 суток с начала отверждения. Результаты механических испытаний приведены в таблице 1 и на рисунке 8.

Таблица 1.

Вид испытываемой смолы Холодное отверждение, МПа Двухстадийное отверждение при температуре второй стадии, МПа:

1=20° С 1=50° С 1=60° С 1 =70° С

Эпоксидная смола ЭД-20 97,5 101.4 (100%) 102,3 105,7 (104%) 108,6 112,8 (111%) 114,6 116,4 (114%)

104,9 104,9 111,3 116,9

98,6 104,6 111,1 118,2

102,3 103,2 112,9 114,9

98,1 108,6 109,8 113,8

101,0 106,4 116,5 118,6

108,1 109,4 114,8 117,2

98,4 106,7 116,2 114,6 116,9

103,6 105,6 116,2

Эпоксидная смола ЭД-20 с включением УНТ 112,4 109,1 (107%) 116,3 117,3 (115%) 125,6 126,5 (125%) 129,6 130,9 (129%)

108,6 114,9 128,3 128,6

106,5 120,4 122,4 134,9

112,4 116,4 124,3 132,0

106,9 118,3 126,2 129,3

107,5 120,5 129,7 132,8

111,5 116,4 127,2 132,4

106,0 115,3 125,1 128,3

109,7 117,5 129,6 130,5

Можно сделать вывод о том что наличие в системе УНТ позволяет достичь более высокой конверсии, а следовательно получить более регулярную и частую сетку химических сшивок, чем в исходных системах. Очевидно, что такие, доотвержденные, композиции будут обладать более высокой температурой стеклования, более высоким модулем упругости, большей разрывной деформацией и как следствие более высоким пределом прочности. Прочность эпоксидной матрицы ЭД-20 имеющей в своём составе углеродные нанотрубки повышается на 6-8% при холодном отверждении и на 12-18 % при горячем отверждении.

Кроме того, эпоксидные смолы отверждёиные холодным способом теряют свои свойства при нагревании до 80°С, и после уменьшения температуры уже не восстанавливаются. При горячем отверждении рабочая температура, достигает 300-315°С, что является важным фактором положительно влияющим на предел огнестойкости.

от температуры отверждения

В ходе экспериментальных исследований конструкций было испытанно 4 серии балок, по 3 образца в каждой серии. Первая серия состояла из простых деревянных балок пролётом 2,25 м и принималась в качестве эталона для следующих серий композитных балок.

Серии балок:

Серия БД - балка деревянная (без армирующих слоев);

Серия БК - балки композитные с симметричным армированием 2 слоями стеклоткани в растянутой и сжатой зоне на матрице ЭД-20;

Серия БКунт-то же, на матрице ЭД 20 модифицированной УНТ;

Серия БКунт-Н°- то же, с горячим отверждением ЭД-20+УНТ.

Разрушающая нагрузка определялась из условия прочности нормальных сечений с использованием результатов численных исследований и составила 10,4 кН для деревянных балок и 14,0 кН - для композитных балок.

Разрушение деревянных балок серии БД начиналось со смятия в крайних волокнах сжатой зоны с образованием характерных складок, затем разрывались нижние растянутые волокна. Разрушение происходило в середине пролёта и носило хрупкий характер. В опорной зоне балок деформаций отмечено не было.

Разрушение композитных балок серий БК носило пластичный характер, разрушение начиналось со смятия в сжатой зоне, после чего в растянутой зоне образовывалась трещина в месте расположения порока в виде сучка. Отрыва стеклоткани от древесины и её разрыва в сериях БКунт и БКунт+1° не происходило.

Результаты испытания композитных балок приведены в таблице 2. Сравнительный анализ результатов исследований приведен в таблице 3.

Таблица 2.

Результаты испытаний симметричных деревокомпозитных балок

Серии балок Сечение Нагруз ка Р, кН Деформации ех 10" 4 Прогиб ы, мм Разрушаю щая нагрузка, кН

Ь, мм Ь, мм Древесина

сжат раст

БД-1 БД-2 БД-3 99,0 70,0 10,4 19,63 21,62 8,87 12,0

100,0 68,0 19,60 21,75 8,72 11,9

100,0 70,0 19,57 21,72 8,85 11,7

БК-1 БК-2 БК-} 102,0 69,0 14,0 8,94 9,48 8,68 (9,09) 22,6(21,2)

101,0 71,0 8,87 9,57 8,70 (9,22) 22,3 (21,5)

103,0 70,0 8,88 9,43 8,63 (9,25) 22,4 (20,3)

БКунт-1 БКунт-2 БКунт-З 103,0 69,0 14,0 7,88 8,64 7,86 (8,00) 30,1 (26,8)

99,0 68,0 7,96 8,66 7,82 (7,98) 30,4 (26,9)

102,0 70,0 7,83 8,60 7,70 (8,02) 29,6 (27,3)

БКунтН" -I БКунтН" -2 БКунт-М" -3 101,0 69,0 14,0 7,44 7,89 7,09 31,6

99,0 71,0 7,43 7,96 7,21 31,2

103,0 70.0 7,54 7,93 7,15 31,2

"Примечание: В скобках представлены значения в балках с одиночным армированием предложенных Шохиным П.Б. (при одинаковых коэффициентах армирования).

В пятой главе представлена технология изготовления симметричных деревокомпозитных балок с применением модифицированных эпоксидных смол. Технологический процесс изготовления разделён на 6 этапов.

На первом - выполняется механическая обработка древесины, включающая: распиловку круглых сортиментов; сушку пиломатериалов до влажности древесины 12±2%; фрезерование деревянных заготовок; разметку сечения с нанесением схемы упрочнения. Грани деревянной заготовки, к которой планируется приклеивать стеклоткань необходимо обработать до шероховатости класса 4 по ГОСТ 7016-82.

Таблица 3

Сравнение результатов исследования композитных балок перекрытия

Показатели Нормальные напряжения. МПа Относительные деформации ехю" Примечание

древесина древесина

сжат раст сжат раст

Деревянная балка БД

Теория 25,0 25,0 21,3 21.3

ПК Lira 9.2 22,0 24,1 19,0 20,9

Эксперимент 22,8 24,6 19,6 21.7

Композитная балка БК

Теория 10,6 (22,3) 12,6(15,2) 8,0 8,5

ПК Lira 9.2 10,7 (23,6) 12.9(16,2) 8,1 8,7 т„,м=20±2 °с

Эксперимент 11,2 (24,0) 13,3 (17,0) 8,8 9.5 Юпо..=60±10%

Композитная балка БКунт шдр=12±2%

Теория 9,5 (21,0) 9,9(11,4) 7,3 8,0

ПК Lira 9.2 9,6 (23,3) 10,2(12,3) 7,4 8,1

Эксперимент 10,0 (24,0) 10,9 (12,9) 7,9 8,6

Композитная балка БКунт+£°

Теория 8,9 9,1 7,0 7,1

ПК Lira 9.2 9,1 9,3 7,1 7,3

Эксперимент 9,6 10,0 7,4 7,9

•Примечание: В скобках представлены значения напряжений в балках с одиночным армированием предложенных Шохиным П.Б. (при одинаковых коэффициентах армирования).

На втором - производится подготовка усиливающего элемента -стеклоткани на основе базальтового волокна. Рулонная ткань нарезается на полосы требуемых размеров.

На третьем — выполняется подготовка эпоксидного состава. Эпоксидная смола, прекурсор и отвердитель тщательно перемешиваются в дегазирующем миксере, при этом смесь подогревается до температуры 25...30 °С. При повышении температуры смола повышает свою текучесть и снижает вязкость, что позволяет получить высокую степень гомогенности обрабатываемого вязкого продукта.

На четвертом - выполняются процесс склеивания деревянной заготовки и стеклоткани. Перед склеиванием поверхности обезжириваются, затем наносится клей толщиной 0,4...0,5 мм. Температура окружающей среды должна быть 15...25 °С, влажность - 50...80%. Склейка выполняется по методу вакуумной инфузии. После того, как армирующий материал уложен, прокладываются вакуумный канал, герметизирующий жгут и жертвенная ткань. Затем, на композицию укладывается вакуумный мешок и фиксируется по периметру клейким жгутом. Далее, проверяется герметичность системы и подключается вакуумная помпа. Из системы откачивается воздух, и за счёт давления смола равномерно пропитывает армирующий материал а сам материал плотно прижимается к балке. После отверждения связующего проводится удаление плёнки и расформовка изделия.

На пятом - конструкция подвергается тепловой обработке в сушильной камере. Для соблюдения технологического процесса композитная конструкция прогревается до температуры 60...70°С и выдерживается в течении шести часов. При этом влажность воздуха в камере поддерживают 70...80%, что бы не происходило дальнейшего высыхания древесины конструкции.

На заключительной стадии выполняется обработка поверхностей композитной балки; обрезка излишков стеклоткани, маркировка, оформление паспорта продукции.

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. В результате проведенных исследований доказана возможность изготовления деревокомпозитных балочных конструкций с симметричным усилением стеклотканью, применением модифицированного эпоксидного состава и тепловой обработкой, что обеспечивает повышение прочностных и жесткостных характеристик конструкций.

2. На основе экспериментальных исследований подтверждены качественные и количественные теоретические значения прочностных и деформационных показателей симметрично армированных деревокомпозитных балок, в том числе за пределами упругости.

3. Разработаны предложения по совершенствованию конструкций и технологии изготовления деревокомпозитных балок. В предложенной конструкции симметрично армированных деревокомпозитных балок обеспечивается уменьшение поперечного сечения на 18...24%, повышение прочности на 58...68%, уменьшение деформативности на 46...52% по сравнению с обычными деревянными балками. Повышение прочности достигается на 15...19 %, и уменьшение деформативности на 12...16% по сравнению с деревокомпозитными балками с одиночным армированием.

4. Установлено в процессе сравнительного анализа, что расхождение инженерного метода расчёта с экспериментальными данными составляет: по несущей способности - 10...14%, по деформативности - 15...18%. Разница численного и экспериментального исследования составила 4...7% и 4. ..8% соответственно.

5. На основе расчетов и полученных экспериментальных результатов предлагается для инженерных расчетов ввести новые безразмерные коэффициенты упрочнения симметричных деревокомпозитных балок с применением модифицированного состава ЭД-20+УНТ: куп=1,45...1,5 и куЖ= 1,4...1,45.

6. Разрушение балок усиленных стеклотканью с включением в состав клеевой композиции углеродных нанотрубок носит пластичный характер в отличии от цельнодеревянных балок. При доведении до предельного состояния древесины разрыва стеклоткани пропитанной модифицированной смолой не происходит. Применение углеродных нанотрубок в составе

клеевой композиции увеличивает трещиностойкость древесины, повышаются адгезионно-когезионные характеристики соединения и эксплуатационная надежность конструкций.

7. Разработанная технология изготовления деревокомпозитных конструкций с симметричным армированием, позволяет существенно снизить материалоемкость изделий. Совершенствование технологического процесса предусматривает термоупрочнение армирующего материала

• краевых зон, совмещение отдельных видов работ, применения эпоксидных композиций модифицированных УНТ, современного технологичного оборудования.

8. Разработанные технические решения усиленных деревокомпозитных балок рекомендованы для использования в промышленном, гражданском и транспортном строительстве, в специальных сооружениях. Результаты исследований рекомендованы для внесения в действующие нормы проектирования ДК и КДК.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах

по перечню ВАК

1. Сергеев М.С. Исследование деревокомпозитных конструкций с применением эпоксидных олигомеров модифицированных углеродными нанотрубками [Текст] / С.И. Рощина, М.С. Сергеев, A.B. Лукина, М.С. Лисятников // «Научно-технический вестник Поволжья», 2013, №2, с. 189...192.

2. Сергеев М.С. Исследование деревокомпозитных конструкций с применением углеродных нанотрубок [Текст] / С.И. Рощина, П.Б. Шохин, М.С. Сергеев, // ИВУЗ «Лесной журнал», 2013, с. 103...107.

Прочие

3. Патент на полезную модель №118333 - «Деревометашшческая балка» / С.И. Рощина, Е.А. Смирнов, М.С.Сергеев, М.В. Лукин, П.Б. Шохин, // ВлГУ, Владимир, 2012 г.

4. Сергеев М.С. Методика экспериментального исследования эпоксидной смолы ЭД-20 с включением УНТ [Текст] / С.И. Рощина, М.С. Сергеев, М.С. Лисятников// Материалы VIII научно-практической конференции «Научный потенциал мира-2012», Болгария, София, 2012 г., с. 37...39.

5. Сергеев М.С. Совершенствование конструкций и технологии производства деревоклееных композитных балок [Текст] / С.И. Рощина, М.В. Лукин, М.С.Сергеев, П.Б. Шохин, М.С. Лисятников //Монография «Инновации в строительстве и архитектуре», ВлГУ, Владимир, 2012 г., С.55...93.

6. Сергеев М.С. Методика и планирование экспериментального исследования композитных трёхпролётных балок [Текст] / С.И. Рощина, Е.А. Смирнов, М.С.Сергеев //Материалы VII межд. науч.-практ. конф. «Дни науки - 2012», Чехия, Прага, 2012 г., с. 54...56.

7. Сергеев М.С. Экспериментально-теоретическое исследование армированных деревянных конструкций с учетом ползучести [Текст] / С.И. Рощина,

М.В.Лукин, П.Б. Шохин, М.С.Сергеев //Материалы межд. науч.-технич. конф. «Современные строительные конструкции из металла и древесины», ОГАСА, Одесса, 2012 г., с.207.,.211.

8. Сергеев М.С. Планирование экспериментального исследования трехпролетных армированных балок [Текст] / С.И. Рощина, Е.А. Смирнов, М.С.Сергеев, М.С. Лисятников //Материалы межд. науч.-технич. конф. «Современные строительные конструкции из металла и древесины», ОГАСА, Одесса, 2012 г., С.212...215.

9. Сергеев М.С. Экспериментальные исследования комплексных конструкций [Текст] / С.И. Рощина, М.В.Лукин, М.С.Сергеев //Материалы межд. науч.-практическая. конф. «Современные направления теоретических и прикладных исследований», Одесса, 2010 г., С.7...9.

Ю.Сергеев М.С. Расчёт треугольных деревянных арок с повышенной затяжкой [Текст] / В.В. Михаилов, С.И. Рощина, М.С.Сергеев //Материалы межд. науч,-практическая. конф. «Современные направления теоретических и прикладных исследований», Одесса, 2010 г., с. 32...34.

11. Сергеев М.С. Расчёт треугольных деревянных арок с повышенной затяжкой и пятами на разных уровнях [Текст] / В.В. Михайлов, С.И. Рощина, М.С. Сергеев // Материалы VI межд. науч.-техшгч. конф. «Итоги строительной науки 2010», ВлГУ, Владимир, 2010 г., с. 138...141.

12. Сергеев М.С. Равнопрочные клееные армированные балки [Текст] / В.В. Михайлов, С.И. Рощина, П.Б. Шохин, М.С. Сергеев // Материалы межд. науч.-технич. конф. «Строительная наука 2010», ВлГУ, Владимир, 2010 г., С.55...57.

13. Сергеев М.С. Оболочки покрытий и большепролётные конструкции из клеёной древесины [Текст] / В.И. Воронов, М.В. Лукин, М.С. Сергеев // Материалы межд. науч.-технич. конф. «Строительная наука 2010», ВлГУ, Владимир, 2010 г., с. 27...31.

14. Сергеев М.С. Экспериментальные исследования комплексных сжато-изгибаемых конструкций [Текст] / С.И. Рощина, В.И. Воронов, М.С. Сергеев // Материалы межд. науч.-технич. конф. «Строительная наука 2010», ВлГУ, Владимир, 2010 г., с. 100...101.

15. Сергеев М.С. Учёт податливости узловых соединений деревянных конструкций [Текст] / Т.Н. Яшкова, М.С. Сергеев, И.Ю. Куликова // Материалы межд. науч.-технич. конф. «Строительная наука 2010», ВлГУ, Владимир, 2010 г., С.101...103.

16. Сергеев М.С. К вопросу реконструкции зданий культурного наследия [Текст] / М.С. Сергеев, И.Ю. Куликова // Материалы межд. науч.-технич. конф. «Строительная наука 2010», ВлГУ, Владимир, 2010 г., с. 202...205.

Подписано в печать 24.04.2013. Формат 60x84/16. Усл. печ. л. 1,16. Тираж 100 экз. Заказ № 99

Издательство Владимирского государственного университета Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых. 600000, Владимир, ул. Горького, 87.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ГОУ ВПО «ВЛАДИМИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ АЛЕКСАНДРА ГРИГОРЬЕВИЧА И НИКОЛАЯ ГРИГОРЬЕВИЧА

СТОЛЕТОВЫХ»

На правах рукописи

04201358970

СЕРГЕЕВ Михаил Сергеевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕРЕВЯННЫХ КОНСТРУКЦИЙ С ТЕРМОУПРОЧНЕНИЕМ

КРАЕВЫХ ЗОН

Специальность 05.21.05 - Древесиноведение, технология и оборудование деревопереработки

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научные руководители: доктор технических наук, профессор С.И. Рощина; доктор технических наук, профессор Б.В. Лабудин

Владимир - 2013 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................5

1. ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ......................................................................9

1.1. Композитные конструкции, обзор исследований.......................9

1.2. Направление развития клееных деревянных конструкций............14

1.3. Анализ развития армированных деревянных конструкций............20

1.4. Развитие эпоксидных олигомеров..........................................26

1.5. Развитие стеклокомпозитного производства.............................32

1.6. Развитие нанотехнологий в строительной отрасли......................35

2. ГЛАВА 2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СИММЕТРИЧНО АРМИРОВАННЫХ ДЕРЕВОКОМПОЗИТНЫХ БАЛОК..............46

2.1. Инженерный расчет балочных конструкций по предельным состояниям.........................................................................46

2.1.1. Основные положения расчёта композитных балок....................46

2.1.2. Приближенный метод расчета изгибаемых элементов...............50

2.1.3. Определение геометрических характеристик поперечного сечения деревокомпозитной балки.................................................50

2.1.4. Расчет по первой группе предельных состояний.....................52

2.1.5. Расчет по второй группе предельных состояний.....................53

2.1.6. Сравнение предложенного инженерного метода расчёта с существующими..............................................................54

2.2. Исследование напряженно - деформированного состояния композитных балок в МКЭ...................................................61

2.2.1. Метод конечных элементов в программном комплексе «Лира 9.2»....................................................................61

2.2.2. Алгоритм расчета симметричной деревокомпозитной балки...........................................................................62

2.2.3. Результаты расчетов в МКЭ...............................................66

ГЛАВА 3. МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ

ЭПОКСИДНО-ДИАНОВЫХ ОЛИГОМЕРОВ И

ДЕРЕВОКОМПОЗИТНЫХ БАЛОК С ИХ ВКЛЮЧЕНИЕМ.................86

3.1. Методика и планирование экспериментального исследования симметрично армированных балок и модифицированной эпоксидной смолы ЭД-20......................................................86

3.2. Экспериментальный метода определения фибровых деформаций......................................................................90

3.3. Планирование эксперимента и определение количества экспериментальных конструкций...........................................91

3.4. Экспериментальная стенд для испытаний балочных конструкций....................................................................96

4. ГЛАВА 4. РЕЗУЛЬТАТЫ ПРОВЕДЁННЫХ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.....................................................................................104

4.1. Анализ результатов исследования силового сопротивления эпоксидных смол.............................................................104

4.2. Анализ результатов исследования силового сопротивления симметричных композитных балок.......................................112

5. ГЛАВА 5. СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СИММЕТРИЧНЫХ ДЕРЕВОКОМПОЗИТНЫХ БАЛОК ПУТЁМ ТЕРМИЧЕСКОГО УПРОЧНЕНИЯ...............................................124

5.1. Композиции на основе стеклоткани......................................126

5.2. Композиции на основе углеродных нанотрубок.......................134

5.3. Процесс интеграции УНТ с телом эпоксидной матрицы.............147

5.4. Изготовление деревокомпозитной балочной конструкции..........149

5.5. Термическая обработка конструкции......................................151

5.6. Совершенствование технологического процесса изготовления симметрично армированных деревокомпозитных балок...........153

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ..................................................................159

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ..........................................................161

Актуальность темы

Рациональное использование древесины при изготовлении новых видов конструкций и их элементов предусматривает усиление узлов и сопряжений с применением новых материалов и технических решений на основе последних достижений наноиндустрии. Такие решения позволяют создать конструкции с повышенными прочностными и жесткостными характеристиками и способствуют снижению расхода древесины при обеспечении эксплуатационной надежности конструкций.

Предлагаемые деревокомпозитные конструкции с применением модифицированных углеродных нанотрубок (УНТ) эпоксидных матриц и термической обработки конструкций существенно повышает их несущую способность и расширяет область применения. Поэтому проведение исследований в этом направлении является актуальным.

Объект исследования - симметрично армированные деревокомпозитные балки с включением УНТ в клеевую композицию.

Предмет исследования - технология изготовления деревокомпозитных балок с определением границы эффективного термовоздействия для достижения их наибольшей прочности.

Цель исследований - совершенствование технологии изготовления деревокомпозитных конструкций термической обработкой эпоксидной матрицы с включением УНТ. Для достижения поставленной цели определены задачи:

1. Разработать технические и технологические решения симметрично армированных деревокомпозитных конструкций с использованием полимерных клеев с включением в их состав УНТ при температурном воздействии.

2. Провести теоретические исследования работы симметричных деревокомпозитных конструкций с оценкой влияния включения

УНТ в состав полимерных клеев на напряженно-деформированное состояние элементов из древесины.

3. Выполнить экспериментальные исследования и дать сравнительную оценку прочности и деформативности разработанных симметричных деревокомпозитных балок.

4. Разработать технологию изготовления деревокомпозитных балок с варьированием режимов прогрева полимерного клея содержащего углеродные нанотрубки.

5. Разработать рекомендации по совершенствованию технологии изготовления деревокомпозитных балок в условиях температурного воздействия.

Научная новизна результатов исследований:

-получены новые результаты экспериментально-теоретических исследований, отражающие особенности работы деревокомпозитных конструкций с симметричным армированием на эпоксидной матрице с включением УНТ;

-обоснована и разработана технология изготовления симметрично армированных деревокомпозитных балок с включением в состав клеевой

композиции УНТ и с использованием прогрева конструкций при изготовлении;

-экспериментально доказана возможность повышения прочности и жесткости симметричной деревокомпозитной конструкции с применением модифицированного с помощью УНТ клеевого состава;

-установлена степень влияния углеродных нанотрубок в клеевой композиции на НДС конструкции балки.

На защиту выносятся:

-результаты теоретических и экспериментальных исследований симметрично армированных деревокомпозитных балочных конструкций;

-результаты исследований качественной и количественной характеристики прочности и деформативности композитных балок с применением УТН в составе клея;

-уточненная методика инженерного расчета для симметричных деревокомпозитных балочных конструкций;

-рекомендации по совершенствованию технологии изготовления деревокомпозитных балок с УНТ.

Практическая значимость работы

Результаты исследования расширяют область применения деревокомпозитных конструкций, повышают эффективность применения древесины в композитных конструкциях и их эксплуатационную надежность.

Достоверность полученных результатов обеспечивается корректностью поставленных задач, использованием принятых в строительной механике гипотез и допущений; современными средствами исследования с применением сертифицированной инструментальной базы; методикой проведения численных экспериментов с использованием вычислительных программ; приемлемой сходимостью результатов экспериментальных и теоретических исследований.

Реализация результатов работы

Результаты исследований использованы при разработке совместно с ГУ «Промстройпроект» альбома рабочих чертежей «Композитные балки междуэтажных перекрытий пролетом 6 м», в ТУ на изготовление балок, в учебном процессе, внедрены при проектировании междуэтажных перекрытий деревянных жилых домов (г. Владимир). Получен Грант администрации Владимирской области по теме: Применение наноматериалов для ресурсосбережения древесины в композитных конструкциях.

Апробация работы

Основные положения работы и результаты исследований доложены на: международной научно-технической конференции «Строительная наука 2010» (г. Владимир, 2010 г.); Международной научно-практической конференции «Современные направления теоретических и прикладных исследований» (г. Одесса, 2010 г); Международном симпозиуме «Современные строительные конструкции из металла и древесины» (г. Одесса, 2012 г); VII Международной научно-практическая конференции «Дни науки-2012». (Чехия, г. Прага, 2012 г.); VIII Международной научно-практической конференции «Научный потенциал мира-2012» (Болгария, г. София, 2012 г.); научно-техническом семинаре лесотехнического института С(А)ФУ (г. Архангельск, 2012 г.), международной научной конференции «Развитие Северо-Арктического региона: проблемы и решения» (г. Архангельск, С(А)ФУ, 2013 г.).

Публикации. По результатам научных исследований опубликовано 15 печатных работ, в т.ч. две в изданиях по перечню ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, библиографического списка включающего 143 наименований. Изложена на 173 страницах и содержит 81 рисунок, 12 таблиц.

ГЛАВА 1

СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 1.1. Композитные конструкции, обзор исследований.

Дерево — древнейший конструкционный материал, применяемый человеком со времен первобытнообщинного строя. Являясь одним из элементов материальной культуры, деревянные конструкции на протяжении всей своей истории развивались соответственно уровню и состоянию производительных сил каждой исторической эпохи. Развитие деревянных конструкций имело тенденцию к созданию систем, элементов и видов соединения, которые позволяли бы экономить древесину и наилучшим образом учитывать ее физико-механические особенности.

В середине XVII века в связи с развитием механического лесопиления появились пиломатериалы. Известны поразительные примеры сооружений из пиломатериалов. Например, двухпролетный мост через Рейн, построенный братьями Грубенманн в 1758 году, имел пролет 110 м (мост был сожжен впоследствии войсками Наполеона). И в настоящее время в горной Швейцарии традиционно строится большое количество деревянных мостов, многие из которых крытые (до 20-30 мостов на одной горной реке).

В России также были интересные примеры строительства деревянных мостов. Так И.П. Кулибин в 1776 году предложил проект 300-метрового моста через реку Неву, выполнил модель этого моста пролетом 30 метров и при этом экспериментально на моделях определил кривую давления и распор. В XIX веке во время строительства железной дороги Москва и С. Петербург (1855 г.), при участии Д.И. Журавского было построено много деревянных мостов, и тогда же им была предложена знаменитая формула для определения касательных напряжений в изгибаемых брусьях, и

экспериментально установлены механические свойства отечественных пород древесины. Знаменитые деревянные стропильные конструкции Московского манежа - фермы системы А. Палладио, запроектированные арх. Бетанкуром, - простояли более 200 лет (до пожара в 2004 г.).

За рубежом в это время популярны были дощатые конструкции типа арок Эми и арок Делорма. Арки Делорма (1561г., Philibert de L'Orme) были трудоемкими и материалоемкими и состояли из 2-3 слоев толстых досок, поставленных на ребро и сшитых гвоздями. В арках французского инженер-полковника Эми (Ету, 1819 г.) отдельные тонкие слои досок соединялись плашмя (по пласти) на гвоздях и болтах, что приводило к их большой деформативности.

Развитие процессов деревообработки привело к появлению клееной фанеры. Первый фанерный завод был построен в Ревеле (Таллинн), а к 1915 году в России было уже 45 фанерных заводов.

Впервые клееные деревянные конструкции в виде арок с использованием животного клея были применены в 1860 году в Саунтгемптоне (Англия), в колледже короля Эдуарда[70].

В 1893 году в Швейцарии было построено первое здание с использованием клееных деревянных конструкций.

В 1905 году швейцарец Отто Гетцер (O.Hettzer) запатентовал свой способ склеивания деревянных конструкций при помощи, по-видимому, определенной модификации казеинового клея и это послужило началом развития клееных деревянных конструкций (КДК) - конструкций принципиально нового типа.

В России в 20-е и 30-е годы в связи с дефицитом стали и цемента деревянные конструкции использовались очень широко. Причем были построены очень интересные и смелые сооружения, например, своды, купола, башни. С деревянными конструкциями связано творчество выдающегося инженера В.Г. Шухова (своды Шухова-Брода, фермы

Шухова, павильоны Нижегородской выставки), известного ученого В.З. Власова (первые инженерные расчеты пространственных конструкций). Однако уровень строительства в то время был недостаточно высок и наряду с удачными решениями имелось немало случаев отказов конструкций.

Рис. 1.1. Фермы Гетцер в зале для уроков пения гимназии в Герлитце.

В 30-е годы в США появились сравнительно недорогие синтетические клеи на фенолоформальдегидной и резорцинформальдегидной основе. Специально созданная государственная комиссия изучила опыт строительства фирмы Гетцера и рекомендовала его для использования на территории США, после чего клееные деревянные конструкции получили широкое развитие.

Большое значение для развития производства клееных деревянных конструкций (КДК) имело промышленное освоение способа соединения пиломатериалов по длине типа «зубчатый шип».

В СССР первые клееные конструкции появились в 30-х годах в результате работ Г.Г. Карлсена и А.Б. Губенко.

После второй мировой войны наша страна в области строительства стала отдавать приоритет сборному железобетону, в то время как в США деревянные конструкции в это время использовались очень интенсивно.

В СССР первые значительные сооружения были построены в 1960 году (стрельчатые арки пролетом 45 м для складов минеральных удобрений).

В 1960 году в США для изучения опыта изготовления и сооружения деревянных конструкций была направлена специальная комиссия от ряда европейских стран. После этого производство клееных деревянных конструкций в Европе, особенно в Германии, Франции, скандинавских странах, сильно возрастает и в настоящее время производство стабильно и достигло высокого уровня технологического развития.

Древесина становится более технологичным материалом, с началом применения клеёного массива стало возможным использование более мягких и быстрорастущих пород дерева, которые являются легко возобновляемыми. В наше время стала актуальной проблема экологичности строительных материалов. Дерево, к примеру, удерживает углерод, а при производстве бетона осуществляются значительные выбросы углекислого газа в атмосферу.

В разное время проблемами прочности, долговечности и устойчивости деревянных конструкций, оценки технических возможностей древесины при их производстве, а также повышения эффективности использования сырьевых ресурсов занимались такие исследователи как Арленинов Д.К., Ашкенази Е.К., Белянкин Ф.П., Глухих В.Н., Знаменский Е.М., Иванов Ю.М., Инжутов И.С., Карлсен Г.Г., Ковальчук JIM., Лабудин Б.В., Левинский Ю.Б., Леонтьев Н.Л., Мажара П.И., Манжос Ф.М.. Мелехов В.И., Митинский А.Н., Михайлов Б.К., Онегин В.И., Пластинин С.Н., Савков В.И., Светозарова Е.И., Серов E.H., Травуш В.И., Турушев В.Г., Уголев Б.Н., Фурсов В.В., Хрулев В.М. , за рубежом - Bauman R.,

Gatz К., Haring H., Kollmann F., Larsen H., Lyon D.E., Mielczarek Z., Norris H. и др.

Развитие композитных конструкций шло по двум основным направлениям:

- развитие производства деревоклеенных конструкций (ДКК);

- армированных деревянных конструкций (АДК).

С развитием промышленного производства древесина применялась в качестве одного из основных конструкционных материалов во многих отраслях машиностроения, особенно транспортного. Древесина широко применяется в строительстве, вагоностроении, судостроении, автомобилестроении и авиастроении.

В современной деревообрабатывающей промышленности производство строительных изделий занимает одно из ведущих мест. Среди всех производств, занятых механической и химико-механической обработкой древесины (лесопиление, производство стружечных и волокнистых плит, фанеры, строитель�