автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.05, диссертация на тему:Влияние анизотропии строения арболита на прочность стеновых конструкций

На правах рукописи

ОДИН АНТОН ИЛЬИЧ

ВЛИЯНИЕ АНИЗОТРОПИИ СТРОЕНИЯ АРБОЛИТА НА ПРОЧНОСТЬ СТЕНОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ

05.21.05 - "Древесиноведение, технология и оборудование деревообработки"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Москва - 2009

003464609

Работа выполнена в ГОУ ВПО "Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет".

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Цепаев Валерий Александрович.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Запруднов Вячеслав Ильич;

кандидат физико-математических наук, доцент Лихачева Светлана Юрьевна.

Ведущая организация Муниципальное предприятие

Институт развития города "НижегородгражданНИИпроект".

Защита состоится "17" апреля 2009 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д.212.146.03 при Московском государственном университете леса по адресу: 141005, Московская область, г. Мытищи-5, ул. 1-я Институтская, д. 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО "Московский государственный университет леса".

Автореферат разослан "12" марта 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор ^ Б.М. Рыбин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Одним из наиболее рентабельных и эффективных способов использования древесных отходов является производство конструкционных деревобетонов, например, арболита. Эффективность применения арболита в строительстве и практически неограниченная сырьевая база позволяют рассматривать его производство как одно из важнейших направлений в освоении местного древесного сырья. Применение арболита особенно эффективно в малоэтажном домостроении в качестве наружных и внутренних несущих стеновых конструкций.

Полное решение проблемы рационального использования отходов древесины для производства арболита и конструкций зданий на его основе может быть осуществлено только при одновременном обеспечении их долговечности. Между тем, натурные обследования здания с применением арболитовых конструкций, выполненные под руководством A.C. Щербакова, показали, что не во всех случаях они имели достаточную надежность и долговечность. Так, например, в условиях длительной эксплуатации наблюдалось развитие дефектов стеновых конструкций отдельных зданий, что, в конечном счете, приводило к их аварийному состоянию. Среди различных факторов, влияющих на показатели долговечности арболитовых конструкций, изменчивость прочности материала, обусловленная анизотропией его строения и зависимостью от длительности действия нагрузки, играет определяющую роль.

Следовательно, эффективность применения арболита в строительстве зависит также от того, насколько его анизотропия соответствует задачам обеспечения прочности и долговечности конструкций зданий. Оптимальное проектирование конструкций и изделий из арболита на заданный срок службы зданий требует полной информации об анизотропии прочности материала для разных видов напряжённого состояния при кратковременном и длительном действии нагрузок.

Целью диссертационной работы является исследование анизотропии кратковременной и длительной прочности арболита и прочности стеновых конструкций с учётом влияния анизотропии механических свойств материала и фактора времени.

В соответствии с поставленной целью в представленной диссертационной работе решаются следующие основные задачи:

• экспериментальные исследования кратковременной прочности арболита при сжатии и растяжении под углом к главным осям анизотропии;

• экспериментальные исследования прочности арболита на срез;

• экспериментальные исследования длительной прочности арболита при растяжении под углами 45 и 90° к направлению слоев формования конструкций;

• определение влияния режима и длительности эксплуатационных нагрузок на долговечность арболита с учётом анизотропии строения;

• нормирование прочностных характеристик арболита с учётом анизотропии строения и эксплуатационного режима загружения конструкций;

• теоретическое обоснование прочности стеновых конструкций с учётом анизотропии механических свойств арболита и фактора времени;

• натурные испытания внецентренно-сжатых стеновых арболитовых конструкций и их численный анализ;

• апробация результатов теоретических исследований на основе данных натурных испытаний стеновых конструкций;

• внедрение результатов исследований в производственную практику и в учебный процесс.

Научная новизна работы:

• на основании комплексных экспериментальных исследований впервые установлена зависимость временного сопротивления арболита при сжатии и растяжении от угла к направлению главных осей анизотропии;

• получена эмпирическая формула для определения прочности арболита на срез;

• впервые установлены закономерности снижения прочности арболита при длительном растяжении под углами 45 и 90° к направлению слоев укладки смеси при формовании конструкций;

• определена вероятность неразрушения арболита при длительном действии растягивающих напряжений относительно главных осей анизотропии и в диагональном направлении;

• впервые определены значения нормируемых характеристик прочности арболита при разных видах напряжённого состояния с учётом анизотропии строения, режима и длительности загружения;

• выполнена теоретическая оценка прочности стеновых конструкций с учётом анизотропии механических свойств арболита и фактора времени;

• анализ результатов численных исследований стеновых простенков зданий от действия эксплуатационных нагрузок показал, что анизотропия механических свойств арболита оказывает определяющее влияние на их долговечность в опорных сечениях, где растягивающие напряжения действуют поперёк направления слоёв формования.

Практическая значимость работы. Показана необходимость оценки прочности стеновых конструкций зданий из арболита с учётом взаимосвязанного влияния анизотропии строения материала и фактора времени. Реализация результатов работы позволит обеспечить необходимую долговечность зданий со стенами из арболита на стадии проектирования при полном и рациональном использовании свойств материала и одновременном решении проблемы применения отходов древесины.

Результаты диссертационной работы внедрены:

• при выборе оптимальных ограждающих конструкций жилых домов по системе "Термопрофиль" в ООО "Евродом-холдинг";

• при оценке технического состояния стеновых конструкций зданий из арболитовых изделий в ООО "Стройсервис-2";

• приняты к реализации в ООО "Инженерный консалтинговый центр "Пром-техбезопасность" при разработке вариантов усиления стеновых конструкций зданий и сооружений из арболита;

• в учебный процесс Нижегородского государственного архитектурно-строительного университета.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены на научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, аспирантов и студентов Нижегородского государственного архитектурно-строительного университета (2004 г.); международной научно-практической конференции "Актуальные проблемы строительного и дорожного комплексов" в г. Йошкар-Оле (2004 г.); международной научно-технической конференции "Итоги строительной науки" в г. Владимире (2005 г.); научной конференции "Современные строительные конструкции из металла и древесины" в г. Одессе (2005 г.); XI Нижегородской сессии молодых учёных в г. Нижнем Новгороде (2006 г.); научных конференциях аспирантов и магистрантов Нижегородского государственного архитектурно-строительного университета (2004,2005,2006, 2007 гг.). На защиту выносятся:

• результаты экспериментальных исследований кратковременной прочности арболита при сжатии и растяжении под углом к главным осям анизотропии;

• результаты длительных испытаний арболита при растяжении под углом 45 и 90° к направлению слоёв формования;

• теоретическая оценка влияния на долговечность арболита режима и длительности загружения конструкций, а также вероятности неразрушения арболита при длительном действии растягивающих напряжений;

• теоретическое обоснование прочности стеновых конструкций с учётом анизотропии механических свойств и фактора времени;

• результаты натурных испытаний внецентренно-сжатых стеновых конструкций из арболита.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 работ. Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, библиографического списка и двух приложений. Общий объём работы составляет 184 страниц, в том числе 40 рисунков в виде схем, графиков и фотографий, 30 таблиц, библиографический список, включающий 107 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении определена актуальность проблемы, сформулирована цель исследований, отмечена научная новизна и практическая значимость работы.

В первой главе приводятся основные сведения об арболите и эффективности его применения в строительстве, выполнено обоснование выбранного направления и сформулированы задачи исследований.

Выполнен анализ состояния проблемы прочности арболита. Прочность арболита исследовалась в работах Г.А. Бужевича, В.Г. Разумовского, С.Г. Сви-

ридова, Б.Н. Смирнова, В.Н. Бухаркина, Ю.С. Беленького и A.A. Кудрявцева, И.Х. Наназашвили, В.И. Савина и Н.И. Абраменкова, A.C. Щербакова, Л.П. Хорошун, B.C. Подчуфарова, Б.П. Маслова, В.И. Запруднова, J1.H. Мельнико-вай, А.К. Яворского и многих других. Анализируя результаты проведённых исследований, можно сделать вывод о том, что основной целью этих исследований являлось создание теории формования оптимальной структуры арболита, повышение временного сопротивления и начального модуля упругости, а также обеспечение долговечности строительных конструкций на стадии изготовления. Важнейшей отличительной особенностью структуры арболита является то, что в общем объёме арболитовой массы органический заполнитель занимает 80...90 % и обладает анизотропными свойствами, присущими древесине. В процессе формования конструкций из арболитовой смеси древесные частицы ориентируются своим продольным направлением в плоскости, перпендикулярной направлению усилия прессования. Установлено, что арболит имеет лучшие показатели прочности в направлении, перпендикулярном усилию уплотнения (параллельно направлению слоев укладки смеси). Эта закономерность имеет место при всех известных способах формования арболитовых конструкций. Таким образом, основными направлениями арболита являются направления вдоль и поперёк слоев укладки смеси при формовании конструкций, расположенные под прямым углом друг к другу. Эти направления являются характеристическими осями арболита (главные оси анизотропии). В отмеченных работах поведение арболита рассматривалось при напряжениях, направленных вдоль слоев укладки смеси. Именно в этом направлении определены прочностные характеристики арболита, приведённые в нормативной и справочной литературе, которые используются при расчёте конструкций.

Между тем, для арболитовых конструкций, работающих в условиях сложного напряжённого состояния, известны случаи их отказа от действия главных напряжений, направленных под углом к слоям укладки смеси. Следует отметить, что для такого сильно анизотропного материала, как арболит, само понятие "характеристики прочности" отличается многозначностью и неопределённостью в связи с полиморфизмом поведения этого материала под нагрузкой. Увеличение напряжения в анизотропном материале может в зависимости от ориентации и других факторов привести либо к образованию трещин при отсутствии заметных деформаций - хрупкое разрушение, либо к появлению значительных деформаций, недопустимых в конструкциях. Все эти механические состояния относятся к предельным или опасным.

Предельное состояние анизотропных тел может иметь различную физическую природу в зависимости от ориентации усилия, вида напряжённого состояния (растяжение и сжатие) и других факторов. Зависимость физической природы предельных состояний от ориентации обнаруживается при изучении экспериментальных данных. Однако до последнего времени для арболита отсутствовали экспериментальные данные о зависимости призменной прочности от угла к направлению слоев формования, а сведения о сопротивлении арболита растяжению под углом к слоям (В.А. Цепаев и др.) носят ограниченный характер.

Известно, что влияние анизотропии заметно сказывается на длительной прочности композиционного материала. Для арболита более детально изучена длительная прочность при одноосном сжатии в направлении характеристических осей и при одноосном растяжении только вдоль направления слоев формования. Экспериментальные данные о длительной прочности арболита при растяжении поперёк направления слоёв формования и в диагональном направлении отсутствуют. В то же время, Ю.М. Ивановым и Ю.Ю.Славиком установлен факт интенсивного снижения длительной прочности для такого анизотропного материала, как древесина при растяжении поперёк волокон, а Р.Б. Орлови-чем и А.Я. Найчуком - при растяжении клеёной древесины под углом 45°. Наличие трех прямых длительной прочности в главных осях анизотропии и в диагональном направлении коренным образом влияет на методику нормирования расчётных сопротивлений материала и на расчёт конструкций с учётом фактора времени и анизотропии строения.

Отсутствие сведений об анизотропии прочности арболита, которые в ряде случаев являются ограниченными или неполными, может негативно отразиться на точности расчёта конструкций, работающих в условиях сложного напряжённого состояния, когда нормируемые расчётные характеристики материала должны гарантировать безопасность конструкций на стадии проектирования.

Во второй главе приводятся результаты экспериментальных исследований анизотропии кратковременной прочности арболита при сжатии и растяжении.

Для определения призменной прочности и прочности арболита при осевом растяжении под разными углами к направлению слоёв укладки смеси проведены испытания образцов, отобранных непосредственно из отформованных стеновых конструкций. Стеновые панели длиной 1500, шириной 600 и толщиной 80 мм изготавливались на низкочастотной резонансной виброплощадке, расположенной на полигоне КТБ НИИЖБа.

Призменная прочность арболита определялась на образцах размером 80x80x300 мм под углами а к направлению слоев формования, равными 0, 10, 20, 30, 40, 45, 60, 75 и 90°. При углах сжатия от 0 до 40° разрушение образцов-призм сопровождалось появлением либо одной косой складки, либо двух встречных косых складок, образующих клиновидный участок. При этом после начала разрушения роста нагрузки не происходило, а за сопротивление арболита сжатию принималось напряжение, соответствующее остановке цифрового табло силоизмерителя пресса (пресс марки ИП-100). При углах сжатия 45...90° разрушение образцов наступало от смятия торцов, постепенного спрессовывания арболита и, в конечном счёте, выпучивания образца. При этих углах сжатия после первого спада нагрузки от разрушения наиболее слабых мест наступало дальнейшее увеличение нагрузки. Наиболее объективным показателем, характеризующим сопротивление арболита при этих углах сжатия, является величина напряжения , соответствующего границе двух областей деформирования арболита (Ю.М. Иванов, В.А. Цепаев). Напряжение ст,_2 определяется графиче-

ски как ордината точки перелома диаграммы разностей полных деформаций а(Де„).

Прочность арболита при осевом растяжении определялась на образцах размером 40x80x300 мм под углом а к направлению слоев формования равными 0,15, 30, 45, 60, 75 и 90°. Разрушение образцов при направлении растягивающего усилия вдоль (а = 0°) и поперёк (а = 90°) направления слоев укладки смеси происходило по сечению, нормальному к усилию, а для промежуточных углов - по наклонному сечению.

Анализ результатов кратковременных испытаний показал, что для аппроксимации значений предела прочности арболита при сжатии и растяжении под углом а может быть использована тензориальная формула Е.К. Ашкенази

а0

=-4-» ..... . 2 „-~Г~> (!)

eos а + b-sin 2a + c-sin а

где

с = b = -^-0,25-(l + c). (2)

а90 а45

В формулах (1) и (2) ст 0, a 90, a 45 - сопротивление арболита сжатию или растяжению соответственно вдоль слоев укладки смеси (ab или стЬ(), поперёк слоев (сгь90 или стЫ 90) и под углом 45° (ab45 или 0bt45).

Для оценки зависимости (1) проводились дополнительные испытания образцов из пористого и поризованного арболита, изготовленных в лабораторных условиях, при растяжении. Установлено, что результаты испытаний образцов арболита лабораторной партии на растяжение могут быть описаны формулой (1) с использованием вычисленных значений отношений abt0)/abt9Q и

abt,o/abM5 ■

В растянутом образце поле напряжений обычно более однородно, чем в сжатом. Для определения сопротивления арболита срезу вдоль направления слоев формования использовалась методика, предложенная Е.К. Ашкенази, основанная на построении предельной кривой по результатам испытаний на одноосное растяжение. При растяжении образцов арболита, ось которых составляет угол a с направлением слоев укладки смеси (рис. 1,а), разрушение происходит по площадкам параллельным слоям. По таким слабым площадкам одновременно действуют нормальные оу и касательные тху напряжения, которые определяются по формулам:

<^=<Wsin2a> (3)

<jht „ ■ sin 2a

Ч»-5^-' <4>

Кривая тху(ау) взаимной зависимости ay и тху называется предельной,

по которой можно оценить, какое из этих напряжений явилось преимущественной причиной разрушения материала.

На рис. 1,6 представлена кривая тху (оу), построенная по результатам

испытаний арболита на растяжение с использованием зависимостей (1), (3) и (4). В результате анализа данных проведенных исследований получена эмпирическая зависимость для определения временного сопротивления материала на срез Яь^ь»которая с использованием общепринятых для арболита обозначений может быть представлена в виде

(5)

где Кь - призменная прочность (временное сопротивление осевому сжатию призм); Яы - временное сопротивление арболита при одноосном растяжении. а)

0,0« 0,01 0,02 0,01 0,04 0,09 0,06 0,07 0,08

Нормальное напряжение, МПа

Рисунок 1 - Напряжённое состояние в растянутом образце (а) и предельная кривая для растяжения арболита (б) В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований длительной прочности арболита при растяжении.

Образцы для испытаний отбирались из стеновых конструкций, изготовленных на полигоне КТБ НИИЖБа. Установлено, что экспериментальные данные о зависимости времени т до разрушения арболита от уровня неизменного напряжения Ст( при постоянной температуре для углов к направлению слоев формования а = 0, 45, 90° описываются уравнением долговечности вида

^ =1§А-а1 -а,/2,3, (6)

где А и а; - постоянные, определяемые из опытов.

Оценка параметров уравнения (6) выполнялась на основании линейного регрессионного анализа для независимой детерминированной величины о1 и нормально распределенной величины ^т-. Уравнение (6) может быть представлено в виде эмпирической линии регрессии

Igtj =a + b-(xj -x), (7)

параметры которой связаны с прямой (6) известными соотношениями.

В результате выполненных исследований установлено снижение длительной прочности или сокращение времени до разрушения арболита в зависимости от ориентации компонент тензора напряжений относительно главных осей анизотропии. Интенсивное снижение сопротивления арболита во времени наблюдается при растяжении под углами 45 и 90° (рис. 2).

Таким образом, все три прямые длительной прочности арболита при растяжении выходят из одного полюса, равного о0 = 1,02-ствр, где а0 - напряжение разрушения при времени действия х = 1 с (lgx = 0); ствр - разрушающее напряжение при испытании с постоянной скоростью, приравниваемое к временным сопротивлениям арболита Rt>t; Rbt,45 и Rt>t,90. Следовательно, длительная прочность арболита при растяжении относительно главных осей анизотропии и в диагональном направлении может быть определена по формулам:

Igt

о0(т) = 1,02 о45(Т) = М>2|1-O90(T) = 1,02-|i-

25,5 Igt 22,9 igt 18,4

Для количественной оценки снижения прочности арболита во времени под действием длительной нагрузки используется коэффициент длительного сопротивления

Г|(т) = 0(1)^/0^ . Для базового режима нагружения конструкций (совместное действие постоянной и длительной временной нагрузок) и срока службы т = 50 лет (1,58-109 с), ^т = 9,2 значения коэффициента •П(т) составили: при одноосном сжатии и растяжении вдоль слоев формования (а = 0°) т|о(т) = 0,65; при растяжении под углом а = 45° т^ (т) = 0,61 и при растяжении под

углом а = 90° т)9о(г) = 0,51.

В течение всего срока службы конструкции зданий не подвергаются

•Rbt; Rbt,4s; Rbt,90-

0,%

(8) (9) (Ю)

Рисунок 2 - Графики длительной прочности арболита при одноосном растяжении:

1 - при одноосном растяжении вдоль слоев укладки смеси (по данным В.А. Цепаева);

2 — при одноосном растяжении под углом 45° к направлению слоев (по данным автора);

3 - при одноосном растяжении поперёк слоев укладки смеси (по данным автора)

непрерывному действию полной расчётной нагрузки, которая назначается исходя из определённой вероятности её появления один раз в течение целого ряда лет. Следовательно, при определении ^(т) следует вместо общего срока службы вводить приведённое расчётное время тпр, эквивалентное времени действия некоторой неизменной нагрузки, заменяющей по эффекту влияния на конструкции эксплуатационные нагрузки. В диссертации выполнен анализ эксплуатационного режима нагружения стен зданий из арболита с учётом вероятности появления временных нагрузок для срока службы т=50 лет. Для эксплуатационного режима определены значения приведённого времени тпр и коэффициент

условий работы ш = "п(тПр)/"п(т) Д-™ разных видов напряженного состояния,

средние значения которого составили: =1,16, =1,18 и =1,25.

Дня описания процесса разрушения арболита воспользуемся общепринятым в расчётах на длительную прочность безразмерным коэффициентом - мерой поврежденности П(т) [0<П(т)<1]. Текущее значение П(т) является

функцией времени, а условие разрушения при ступенчатом изменении напряжений может быть представлено в виде (принцип Бейли)

, х (П)

¡=1

где т1 - время действия напряжения с;; т(о;) — длительность сопротивления (долговечность).

Задача обеспечения долговечности формулируется в виде вероятности неразрушения

~1-П(т)"

Рп =Р[п(т)-1<0] = Ф

= Ф(г),

(12)

где П(т) и 5П - соответственно математическое ожидание и среднее квадрата-ческое отклонение меры поврежденности, Ф(г) - функция Лапласа.

Для определения П(т) и дисперсии для неизменного напряжения а(тпр) в течение приведенного времени тпр (т = 1) использовался метод линейной линеаризации. Тогда, с учётом уравнения долговечности (7), получим:

П(т) = тпр-10

-р+Ь.(х,-х)]

2 •82 + 2

1 За ; °а т а,Ь ^ зь j а,Ь

•Б*.

(13)

(14)

С учётом вычисленных значений всех параметров уравнения регрессии (7), дисперсий и и частных производных уравнения (14) получим в окончательном виде: • для а = 45°

П(т) = т • 1о~[3'69"22'49(1'_0'85)]) (15)

Б2 =5,3-П(т)2-[0,0075 + (л1-0,85)2-0,62]; (16) • для а = 90°

П(т) = т.10^38,-,8-1(^°'825)1 (17)

=5,3-П(т)2 • [о,00687 + (п; - 0,825)2 • 0,347]. (18)

С учётом вычисленных значений П(т) и Бр из выражения (12) определяется вероятность неразрушения для относительного напряжения г|| = ст(/авр и времени тпр, которая, как и для случая сжатия и растяжения под углом а = 0° (В.А. Цепаев), при действии эксплуатационных нагрузок составила Рп = 0,99.

Четвертая глава посвящена нормированию расчётных сопротивлений арболита с учётом анизотропии строения, характера и длительности действия эксплуатационных нагрузок.

При расчёте стеновых конструкций по предельному состоянию первой группы используются расчётные сопротивления, которые определяются по формуле

К"

К =--л(т)-т-шк(ю,8), (19)

Уьс

где К" - нормативное сопротивление материала; уЬс - коэффициент надёжности по материалу; Г((т) и ш - соответственно коэффициент длительного сопротивления и коэффициент условий работы, учитывающий режим нагруже-ния, отличный от базового; тк(со,0) - коэффициент, учитывающий темпера-турно-влажностные условия эксплуатации, значения которого приведены в диссертации в табличной форме.

Нормативными сопротивлениями арболита являются: класс по прочности на сжатие В (кубиковая прочность); временное сопротивление осевому сжатию в главных осях анизотропии и в диагональном направлении (а = 45°) (11Ьп; ЯЬп и ЯЬп 45); временное сопротивление осевому растяжению в главных осях

анизотропии и под углом а = 45° (ЯЫп; КЫп 90 и ЯЫп 45); временное сопротивление срезу ЯЬп ^. На базе данных выполненных автором исследований определены значения перечисленных нормативных сопротивлений и соответствующие значения расчётных сопротивлений (II ь; 11Ь90; ЯЬ45; IIы; Яы_90; 11Ь( 45 и

Яь для стандартной влажности арболита о) = 16 % и температуры 20°С для

срока службы т=50 лет.

Значения расчётных сопротивлений арболита для промежуточных углов а определяются по формуле (1), в которой значения коэффициентов Ь и с составляют: при сжатии Ь = 0,8 и с = 3,1; при растяжении Ь = 0,46 и с = 3,9.

В пятой главе приводятся результаты теоретического обоснования прочности стеновых конструкций с учётом анизотропии механических свойств арболита и фактора времени.

Для учёта влияния фактора времени при расчёте стеновых конструкций использовались спрямлённые предельно низкие диаграммы сжатия и растяжения арболита. С использованием длительного модуля деформаций , . Еь(со)

Е(Т'Ю)=1+(9,45/(2,6-0, .-со)) (20)

определены граничные значения гибкости Хгр для стеновых конструкций жилых и общественных зданий с нормальными температурно-влажностными условиями эксплуатации при среднем значении относительной влажности воздуха (р=70 % и температуры 20°С (со=7 %; шк (со, 6) = 0,85). В (20) Еь (со) - начальный модуль деформаций арболита с влажностью со (%).

Для внецентренно-сжатых стеновых конструкций с высокой жесткостью (Х,<Хгр) расчёт выполняется по недеформированной схеме, а условие прочности представлено в виде

Н<°'85-Аь-Кь. (21)

1 + ш * -к *

Для гибких сжато-изгибаемых конструкций (X > Хгр) расчёт выполняется

по деформированной схеме, а условие прочности выглядит следующим образом:

0,85-Аь-Яь

N <---2-2—. (22)

1 + ш * -е * -р * -к * к '

В формулах (21) и (22) N - расчётная продольная сила в сечении площадью Аь; т * - относительный эксцентриситет приложения сжимающей силы N; к* = Яь/(1,5 • Яы ) = 2,2 - переходный коэффициент (для двузначной эпюры нормальных напряжений в сечении конструкции); е* > 1 - коэффициент, учитывающий дополнительный изгибающий момент от продольной сжимающей силы N; (3 * - коэффициент, учитывающий форму эпюры изгибающих моментов.

При феноменологическом описании длительного разрушения арболита оценка прочности в случае плоского напряжённого состояния осуществляется с использованием операторного критерия вида

^■¡ктп " °|'к ' сттп' —) ^(■0. (23)

где Я1к, 11|ктп и а!к, сттп - соответственно компоненты тензоров прочности и напряжённого состояния (для плоского напряжённого состояния ¡, к, т, п = 1,2); Г(т) - монотонно затухающая функция времени.

Если среди и отп отсутствуют растягивающие напряжения, то в правой части (23) используется временна'я функция

ф) = 1,02{1-!1). (24)

При этом в левую часть (23) подставляется один из известных критериев кратковременной прочности (К. Норриса, К.В. Захарова, Е.К. Ашкенази и др.).

Если среди С|к и атп имеются растягивающие напряжения, то в выражении (23) следует принять Г (т) = 1, а в его левой части вместо компонент тензора кратковременной прочности подставить их соответствующие временны'е функции. Так, при использовании первой теории прочности критерий (23) запишется в виде

(25)

где ат1 - главное растягивающее напряжение; (т) — длительное сопротивление арболита при растяжении под углом а, определяемое по формуле (1), в которой компоненты тензора прочности вычисляются с использованием зависимостей (8)...(10).

Аналогичный подход можно распространить и на другие критерии. На взгляд автора, критерий прочности анизотропных тел Е.К. Ашкенази является наиболее универсальным, поскольку позволяет выполнить оценку прочности во всех четырёх октантах пространства напряжений, который с учётом фактора времени запишется в виде

а2 а2 т2

п к»(т) МО МО у уК1п (26)

д _ __ ,

Vах + сту + ах • ау + тху где стх, сгу, тху - напряжения, действующие относительно главных осей анизотропии X и У; Ях (т) и Иу (т) - длительные сопротивления арболита сжатию или растяжению соответственно вдоль слоёв укладки смеси (Яь (х) или Яы(т)) и поперёк слоёв (Яь>90(т) или Яы.9о(х))'' МО^мД'О - Длительное сопротивление срезу. Параметр 8ху(т) определяется в зависимости от октанта пространства напряжений.

Критериальная оценка длительной прочности выполнялась с учётом анизотропии упругих свойств арболита. Тензор связи напряжений и деформаций для анизотропного материала, находящегося в условиях плоского напряжённого состояния, имеет вид

У*

Е(т) Е»(т)

Ех V 1

БУ Е9°(т) Е9°(т)

Уху

0 0

"ху

слоев укладки СУХ=Е90

Оух(х)

Здесь Е(т) и Е90(т) - длительные модули деформаций арболита при напряжениях, направленных соответственно вдоль (ось X) и поперёк (ось У) смеси; и^ - коэффициент поперечной деформации;

(+ (1 + - модуль сдвига.

При решении плоской задачи поле напряжений и деформаций определяется численным методом - методом конечных элементов. Все вычисления выполнялись на компьютере. Анализ результатов численных исследований стеновых простенков зданий от действия эксплуатационных нагрузок показывает, что запредельное состояние по условию (26) появляется в опорном сечении со стороны эксцентриситета, где растягивающие напряжения действуют поперёк направления слоев формования.

С целью экспериментального подтверждения теоретических разработок в области расчёта стеновых конструкций проводились статические испытания стеновых арболитовых панелей на внецентренное сжатие.

Для повышения достоверности результатов сравнения механические характеристики арболита, используемые в расчетах, определялись на образцах, отобранных непосредственно из каждой испытанной конструкции после разрушения. Испытания опытных образцов конструкций проводились ступенчато-возрастающей нагрузкой с равными ступенями, составляющими 10% от ожидаемой разрушающей нагрузки. Под каждой ступенью нагружения опытные образцы выдерживались по десять минут. Испытания проводились с постоянным по всей длине конструкции начальным эксцентриситетом е. Три стеновые конструкции испытывались с эксцентриситетом е = 0,5см (серия СЭ-1), три конструкции - с е = 1,25 см (серия СЭ-2) и три - с е = 2 см (серия СЭ-3). Продолжительность испытаний, приведённая к неизменному действию разрушающей нагрузки Мэ (1), определялась по формуле

г = 0,02-1, +12, (28)

где ^ - время доведения нагрузки до разрушающей, с; \г ~ время, в течение которого стеновая конструкция выдерживала разрушающую нагрузку, с.

С использованием приведённого времени г определялся коэффициент длительного сопротивления тд (г) и сопротивление арболита при сжатии К(1)ь = Кь -г](г), используемое при вычислении теоретических значений раз-

рушающей нагрузки (1) на конструкцию из условия прочности по нормальным напряжениям.

В результате проведённых экспериментальных исследований установлено, что разрушение всех стеновых конструкций серий СЭ-1 (е= 0,5 см) и СЭ-2 (е = 1,25 см) происходило от двух изломов в третях длины, когда полное краевое напряжение а в сжатой зоне превышало значение К.(Ч)Ь. При этом относительная разница между экспериментальными Ыэ (I) и теоретическими (I) значениями разрушающей нагрузки на конструкцию находится в пределах 6,49... 13,35%, причём для всех конструкций Ыэ(Ч)>МТ(1). Разрушение всех опытных образцов серии СЭ-3 (е = 2 см) происходило от раздробления арболита в опорном сечении со стороны эксцентриситета после образования трещин, когда прочность арболита сжатию была недоиспользованной, т.е. 0< .

Для аналитического описания процесса разрушения опытных образцов серии СЭ-3 использовался критерий прочности Е.К. Ашкенази (26). При этом значения компонент тензора прочности определялись с помощью коэффициента 11(1), вычисленного для одноосного сжатия и растяжения арболита в главных осях анизотропии и в диагональном направлении. Результаты численных исследований показали, что для конструкций серии СЭ-3 запредельное состояние по условию (26) наступает именно в опорном сечении со стороны эксцентриситета.

В диссертации приводятся рекомендации по усилению опорных частей стеновых конструкций с помощью наклонно вклеенных металлических стержней и технологические особенности их выполнения.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Результаты натурных обследований зданий с конструкциями из арболита свидетельствуют, что не во всех случаях они имели достаточную надёжность и долговечность. Аварийное состояние стеновых конструкций таких зданий обусловлено ошибками, допущенными при проектировании, так как при расчёте не учитывались анизотропия строения арболита и влияние фактора времени на механические свойства этого материала.

2. Оптимальное проектирование конструкций и изделий из арболита на заданный срок службы зданий требует полной информации об анизотропии прочности материала при разных видах напряжённого состояния.

3. Проведёнными экспериментальными исследованиями установлена ярко выраженная анизотропия кратковременной прочности арболита при сжатии и растяжении. Для аналитического описания прочности арболита под углом к направлению слоёв укладки смеси при формовании конструкций может быть использована тензориальная формула Е.К. Ашкенази. Получена эмпирическая формула для определения временного сопротивления арболита на срез.

4. Установлена существенная зависимость времени до разрушения от ориентации компонент тензора напряжений относительно главных осей анизо-

тропии арболита. При длительных воздействиях наиболее интенсивное снижение сопротивления арболита во времени наблюдается при растяжении под углами а > 45° и особенно а = 90° к направлению слоев формования.

5. При вероятностной оценке времени разрушения в условиях длительного загружения конструкций установлено, что при действии эксплуатационных нагрузок условие неразрушения выполняется с обеспеченностью Р = 0,99.

6. Установлены нормируемые характеристики прочности арболита (класс по прочности, нормативные и расчётные сопротивления для разных видов напряжённого состояния) с учётом анизотропии строения материала, характера и длительности действия эксплуатационных нагрузок.

7. Выполнен расчёт стеновых конструкций на прочность по нормальным напряжениям с учётом их жесткости, как по недеформированной, так и по деформированной схеме. В результате получены расчётные формулы для оценки прочности стеновых арболитовых конструкций с учётом влияния фактора времени.

Использование критерия прочности анизотропных тел Е.К. Ашкенази позволяет выполнить критериальную оценку прочности стеновых конструкций из арболита во всех четырёх октантах пространства напряжений.

8. Результаты выполненных расчётов апробированы натурными испытаниями стеновых конструкций из арболита. Анализ данных экспериментальных исследований стеновых конструкций на внецентренное сжатие свидетельствует о достоверности полученных расчётных зависимостей оценки прочности стеновых конструкций.

Установлено, что при величине начального эксцентриситета нагрузки еп > к!4 разрушение стеновых конструкций происходит в опорных сечениях со стороны эксцентриситета. Для усиления опорных частей конструкций рекомендуется использовать наклонно вклеенные металлические стержни.

9. Реализация результатов выполненных исследований позволит решить проблему обеспечения долговечности стеновых конструкций зданий на стадии проектирования при одновременном решении проблемы рационального использования отходов древесины.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

1. Один А.И. Результаты длительных испытаний образцов арболита на растяжение поперёк направления слоев формования / А.И. Один // Науч.-техн. конф. проф.-преп. состава, докторантов, аспирантов, магистрантов и студентов "Архитектура и строительство - 2003": тез. докладов: Экспериментальные и теоретические исследования строительных конструкций. - Н. Новгород: ННГАСУ, 2004. - Ч. 3. - С. 39-40.

2. Один А.И. Анализ результатов экспериментальных исследований анизотропии кратковременной прочности арболита при растяжении / А.И. Один // Сб. тр. аспирантов и магистрантов. Техн. науки. - Н. Новгород. - 2004. - С. 4448.

3. Один А.И. Анизотропия длительной прочности арболита растяжению поперёк слоев укладки смеси при формовании конструкций / В.А. Цепаев, А.И. Один // Материалы международной научно-практической конференции "Актуальные проблемы строительного и дорожного комплексов". - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2004. - Ч. 2. - С. 95-101.

4. Один А.И. Вероятностная оценка времени разрушения арболита при растяжении поперёк слоев укладки смеси в условиях длительного нагружения конструкций / В.А. Цепаев, А.И. Один // Современные технологии в машиностроении: сборник статей VIII Всероссийской научно-практической конференции. - Пенза, 2004. - С. 258-262.

5*. Один А.И. Экспериментальные исследования анизотропии длительной прочности арболита при растяжении поперёк слоев укладки смеси при формовании конструкций / В.А. Цепаев, А.И. Один И Известия вузов. Строительство. - 2005. - №3. - С. 124-128.

6. Один А.И. Исследование прочности арболита при кратковременном растяжении под углом к направлению слоёв укладки смеси при формовании конструкций / В.А. Цепаев, А.И. Один // Вестник РААСН. Волж. регион, отделение. -Н. Новгород, 2005. - Вып. 8. - С. 156-162.

7. Один А.И. О виде функции распределения времени до разрушения образцов арболита при растяжении поперёк слоёв формования при длительном действии нагрузок / А.И. Один // Сб. тр. аспирантов и магистрантов. Техн. науки. - Н. Новгород. - 2005. - С. 32-36.

8. Один А.И. Сопротивление арболита сжатию под разными углами к направлению слоёв укладки смеси при формовании конструкций / В.А. Цепаев,

A.И. Один // Сб. науч. тр. "Современные строительные конструкции из металла и древесины". - Одесса, 2005. - С. 271-280.

9. Один А.И. Экспериментальные исследования анизотропии длительной прочности арболита при растяжении под углом 45° к направлению слоёв укладки смеси при формовании конструкций / В.А. Цепаев, А.И. Один // Итоги строительной науки: материалы IV научно-технической конференции. - Владимир, 2005.-С. 40-43.

10. Один А.И. Определение прочности арболита на срез вдоль направления слоёв укладки смеси при формовании конструкций / А.И. Один // Техн. науки: тез. докладов XI Нижегор. сессии молодых учёных, "Татинец", февраль 2006 г. - Н. Новгород, 2006. - С. 73-75.

11. Один А.И. Исследования характера и длительности действия нагрузок на долговечность арболита при растяжении с учётом анизотропии строения /

B.А. Цепаев, А.И. Один // Вестник РААСН. Волж. регион, отделение. - Н. Новгород, 2006. - Вып. 9. - С. 189-201.

12. Один А.И. О виде функции распределения времени до разрушения и вероятностная оценка неразрушимости арболита при длительном растяжении под углом 45° к направлению слоёв формования / А.И. Один // Сб. тр. аспирантов и магистрантов. Техн. науки. - Н. Новгород. - 2006. - С. 54-58.

13*. Один А.И. Прочностные свойства арболита с учётом анизотропии строения / В.А. Цепаев, А.И. Один // Жилищное строительство. - 2006. - №12. -С. 18-20.

14. Один А.И. Экспериментально-теоретические исследования внецен-тренно-сжатых стеновых элементов из арболита с учётом анизотропии механических свойств материала / В.А. Цепаев, М.Ф. Сухов, А.И. Один // Сб. науч. тр. "Современные строительные конструкции из металла и древесины". - Одесса, 2006.-С. 263-270.

15. Один А.И. Длительная прочность арболита с учётом анизотропии строения / В.А. Цепаев, А.И. Один // Приволжский научный журнал / ННГАСУ. - Н. Новгород, 2007. - № 1. - С. 51 -56.

16. Один А.И. О критериальной оценке прочности арболитовых конструкций с учётом анизотропии механических свойств материала / В.А. Цепаев, А.И. Один, М.Ф. Сухов // Вестник РААСН. Волж. регион, отделение. -Н.Новгород, 2007.-Вып. 10.-С. 185-190.

17. Один А.И. Эффективность производства и применения арболита в строительстве / А.И. Один, Е.В. Артюшина // Сб. тр. аспирантов и магистрантов. Техн. науки. - Н. Новгород. - 2007. - С. 54-58.

* - статья опубликована в издании, включённом в Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, рекомендуемых ВАК Российской Федерации.

Подписано в печать 06.02.09. Формат 60x90 1/16. Бумага газетная. Печать трафаретная. Объем 1 п.л. Тираж 100 экз._Заказ № 7$ .

Отпечатано в полиграфическом центре Нижегородского государственного архитектурно-строительного университета. 603950, г. Нижний Новгород, ул. Ильинская, д. 65.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Арболит - эффективный конструкционный строительный материал.

1.2. Анализ состояния проблемы прочности арболита. Обоснование выбранного направления и задачи исследования.

ГЛАВА 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ АНИЗОТРОПИИ КРАТКОВРЕМЕННОЙ ПРОЧНОСТИ АРБОЛИТА.

2.1. Прочность арболита при сжатии под различными углами к направлению слоев укладки смеси при формовании конструкций .;.

2.2. Прочность арболита при растяжении под различными углами к направлению слоёв укладки смеси при формовании конструкций

2.3. Определение прочности на срез по результатам испытаний арболита на растяжение.

2.4. Выводы по главе.

ГЛАВА 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ АНИЗОТРОПИИ ДЛИТЕЛЬНОЙ ПРОЧНОСТИ АРБОЛИТА ПРИ РАСТЯЖЕНИИ

3.1. Длительная прочность арболита при растяжении под углами 0, 45 и 90° к направлению слоёв укладки смеси при формовании конструкций.

3.2. Исследования характера и длительности действия нагрузок на долговечность арболита при растяжении с учётом анизотропии строения.

3.3. Вероятностная оценка неразрушимости арболита при длительном растяжении под углом 45 и 90° к направлению слоёв формования.

3.4. Выводы по главе.

ГЛАВА 4. НОРМИРОВАНИЕ РАСЧЕТНЫХ СОПРОТИВЛЕНИЙ АРБОЛИТА С УЧЕТОМ АНИЗОТРОПИИ СТРОЕНИЯ, ХАРАКТЕРА И ДЛИТЕЛЬНОСТИ ДЕЙСТВИЯ ЭКСПЛУТАЦИОННЫХ НАГРУЗОК.

4.1. Основные положения.

4.2. Прочностные свойства арболита.

4.3. Выводы по главе.

ГЛАВА 5. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРОЧНОСТИ СТЕНОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ С УЧЕТОМ АНИЗОТРОПИИ МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ АРБОЛИТА И ФАКТОРА ВРЕМЕНИ.

5.1. Расчёт внецентренно-сжатых и сжато-изгибаемых конструкций на прочность по нормальным напряжениям.

5.2. Критериальная оценка прочности арболитовых конструкций

5.2.1. Общие понятия о феноменологических критериях прочности анизотропных материалов.

5.2.2. Учет длительности загружения конструкции при критериальной оценке прочности.

5.3. Апробация результатов теоретических исследований.

5.4. Рекомендации по усилению опорных частей стен зданий и технологические особенности их выполнения.

5.5. Выводы по главе.

Лес - это единственный возобновляемый природный ресурс, который не только обеспечивает экологическое равновесие, но и является важным источником сырья. Это неоспоримое преимущество древесного сырья перед ископаемыми ресурсами. Россия - крупнейшая лесная держава, её лесопокрытая площадь составляет 774 млн. га, а запас древесины - 82 о млрд. м [31,53].

Большой спрос на древесину в настоящее время и расширение её потребления в будущем с особой остротой ставят вопрос о рациональном использовании лесных ресурсов как о важной части общей проблемы охраны окружающей среды.

Основным потребителем древесины в народном хозяйстве является строительство. Однако, несмотря на большие объёмы передаваемой на строительство древесины, она является одним из наиболее дефицитных материалов. Интенсивная вырубка деревьев с целью пополнения запасов деловой древесины приводит к снижению площадей лесных насаждений и нарушению экологического равновесия. В тоже время, анализ потребления древесины в народном хозяйстве показывает, что заготовка и переработка её сопровождается огромными потерями. По данным института ВНИИИЭИлеспром ежегодно образуется более 200 млн. м отходов от лесопильного и деревообрабатывающего производств, а также от лесозаготовки [2]. Одним из наиболее рентабельных и эффективных способов использования древесных отходов является производство конструкционных деревобетонов, например, арболита. Эффективность применения арболита [30] и практически неограниченная сырьевая база позволяют рассматривать его производство как одно из важнейших направлений в освоении местного древесного сырья. Лёгкий древесный заполнитель улучшает гигиенические свойства арболита, который, обладая крупнопористой структурой, обеспечивает хороший воздухообмен в помещениях, благодаря чему снижаются расходы на вентиляцию [46]. Здания из арболита имеют зимой и летом хороший микроклимат, а также высокие звукоизоляционные качества конструкций.

Следует отметить, что национальным проектом "Комфортное и доступное жильё" предусматривается решение жилищной проблемы страны за счёт существенного увеличения объёмов малоэтажного строительства на основе применения эффективных строительных материалов, позволяющих экономить материальные и топливно-энергетические ресурсы, максимально использовать местное сырьё и отходы различных производств. Такие материалы должны обеспечить зданиям высокие эстетические и архитектурные требования, а также повышенные требования по теплотехническим, акустическим и экологическим свойствам. К таким материалам можно отнести арболит. Учитывая невысокую прочность арболита, низкий модуль упругости и повышенную ползучесть, применение этого материала особенно эффективно в малоэтажном домостроении в качестве наружных и внутренних несущих стеновых элементов [46].

Полное решение проблемы рационального использования отходов древесины для производства арболита и конструкций зданий на его основе может быть осуществлено только при одновременном обеспечении их долговечности. Между тем, предшествующий опыт эксплуатации зданий с конструкциями из арболита показал, что не во всех случаях они имели достаточную надёжность и долговечность [82]. В условиях длительной эксплуатации наблюдалось развитие деформаций и перемещений стен отдельных зданий, что, в конечном счете, приводило к их аварийному состоянию.

На наш взгляд аварийное состояние конструкций было обусловлено ошибками, допущенными при проектировании, так как при расчёте не учитывалась анизотропия строения арболита и влияние фактора времени на механические свойства материала. Арболит относится к композиционным строительным материалам, состоящим из древесного заполнителя (дисперсной фазы) и связующего в виде цементного камня (матрицы). При рассмотрении арболита с точки зрения механики разрушения следует иметь в виду, что свойства дисперсной и матричной фаз различаются. Поэтому в строгой постановке нельзя считать, что арболит является однородным материалом. Однако при равномерном распределении дисперсной фазы и проведении макроанализа можно полагать, что арболит как композит является однородным и ортотропным [55]. В этом случае основными направлениями арболита являются направления вдоль и поперёк слоёв укладки смеси при формовании конструкций, расположенные под прямым углом друг к другу. Эти направления служат характеристическими осями арболита (главные оси анизотропии). Эффективность применения арболита в строительстве зависит также от того, насколько его анизотропия соответствует задачам обеспечения прочности и долговечности конструкций зданий. Оптимальное проектирование конструкций и изделий из арболита на заданный срок службы зданий требует полной информации об анизотропии прочности материала для разных видов напряженного состояния при кратковременном и длительном действии нагрузок.

Влияние анизотропии заметно сказывается и на длительной прочности композиционных материалов [26, 34, 41, 42, 47]. В общей постановке вопрос о накоплении повреждений в анизотропном материале сложен и малоизучен [26]. Для арболита более детально изучена длительная прочность при одноосном сжатии в направлении характеристических осей и при одноосном растяжении вдоль направления слоёв формования [60, 61, 62, 65, 66, 67, 69, 76].

Целью диссертационной работы является исследование анизотропии кратковременной и длительной прочности арболита и прочности стеновых конструкций с учетом влияния анизотропии механических свойств материала и фактора времени.

Научная новизна работы:

• на основании комплексных экспериментальных исследований впервые установлена зависимость временного сопротивления арболита при сжатии и растяжении от угла к направлению главных осей анизотропии;

• получена эмпирическая формула для определения прочности арболита на срез;

• впервые установлены закономерности снижения прочности арболита при длительном растяжении под углами 45 и 90° к направлению слоев укладки смеси при формовании конструкций;

• определена вероятность неразрушения арболита при длительном действии растягивающих напряжений относительно главных осей анизотропии и в диагональном направлении;

• впервые определены значения нормируемых характеристик прочности-арболита при разных видах напряжённого состояния с учётом анизотропии строения, режима и длительности загружения;

• выполнена теоретическая оценка прочности стеновых конструкций с учётом анизотропии механических свойств арболита и фактора времени;

• анализ результатов численных исследований стеновых простенков зданий от действия эксплуатационных нагрузок показывает, что анизотропия механических свойств арболита оказывает определяющее влияние на их долговечность в опорных сечениях, где растягивающие напряжения действуют поперек направления слоев формования.

Практическая значимость диссертации

Показана необходимость оценки прочности стеновых конструкций зданий из арболита с учётом взаимосвязанного влияния анизотропии строения материала и фактора времени. Реализация результатов работы позволит обеспечить необходимую долговечность зданий со стенами из арболита на стадии проектирования при полном и рациональном использовании свойств материала и одновременном решении проблемы рационального применения отходов древесины. Результаты работы внедрены:

• при выборе оптимальных ограждающих конструкций жилых домов по системе "Термопрофиль" в ООО "Евродом-холдинг";

• при оценке технического состояния стеновых конструкций зданий из арболитовых изделий в ООО "Стройсервис-2";

• приняты к реализации в ООО "Инженерный консалтинговый центр "Промтехбезопасность" при разработке вариантов усиления стеновых конструкций зданий и сооружений из арболита;

• в учебный процесс Нижегородского государственного архитектурно-строительного университета.

Апробация работы

Основные положения диссертационной работы доложены на научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, аспирантов и студентов Нижегородского государственного архитектурно-строительного университета (2004 г.); на международной научно-практической конференции "Актуальные проблемы строительного и дорожного комплексов" в г. Йошкар-Оле (2004 г.); на международной научно-технической конференции "Итоги строительной науки" в г. Владимире (2005 г.); на научной конференции "Современные строительные конструкции из металла и древесины" в г. Одессе (2005 г.); на XI Нижегородской сессии молодых учёных в г. Нижнем Новгороде (2006 г.); на научных конференциях аспирантов и магистрантов Нижегородского государственного архитектурно-строительного университета (2004, 2005, 2006, 2007 г.г.). По материалам диссертации опубликовано 17 работ. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, библиографического списка и двух приложений. Общий объём работы составляет 184 страницы, в том числе 40 рисунков в виде схем, графиков и

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Результаты натурных обследований зданий с конструкциями из арболита свидетельствуют, что не во всех случаях они имели достаточную надежность и долговечность. Аварийное состояние стеновых конструкций таких зданий обусловлено ошибками, допущенными при проектировании, так как при расчете не учитывалась анизотропия строения арболита и влияние фактора времени на механические свойства этого материала.

2. Оптимальное проектирование конструкций и изделий из арболита на заданный срок службы зданий требует полной информации об анизотропии прочности материала при разных видах напряженного состояния.

3. Проведенными экспериментальными исследованиями установлена ярко выраженная анизотропия кратковременной прочности арболита при сжатии и растяжении. Для аналитического описания прочности арболита под углом к направлению слоев укладки смеси при формовании конструкций может быть использована тензориальная формула Е.К. Ашкенази. Получена эмпирическая формула для определения временного сопротивления арболита на срез.

4. Установлена существенная зависимость времени до разрушения от ориентации компонент тензора напряжений относительно главных осей анизотропии арболита. При длительных воздействиях наиболее интенсивное снижение сопротивления арболита во времени наблюдается при растяжении под углами а > 45° и особенно а = 90° к направлению слоев формования.

5. При вероятностной оценке времени разрушения в условиях длительного загружения конструкций установлено, что при действии эксплуатационных нагрузок условие неразрушения выполняется с обеспеченностью Р = 0,99.

6. Установлены нормируемые характеристики прочности арболита класс по прочности, нормативные и расчетные сопротивления для разных видов напряженного состояния) с учетом анизотропии строения материала, характера и длительности действия эксплуатационных нагрузок.

7. Расчет стеновых конструкций на прочность по нормальным напряжениям выполнялся с учетом их жесткости, как по недеформирован-ной, так и по деформированной схеме. В результате получены расчетные формулы для оценки прочности стеновых арболитовых конструкций с учетом влияния фактора времени.

Использование критерия прочности анизотропных тел Е.К. Ашкена-зи позволяет выполнить критериальную оценку прочности стеновых конструкций из арболита во всех четырех октантах пространства напряжений.

8. Результаты выполненных расчетов апробированы натурными испытаниями стеновых конструкций из арболита. Анализ данных экспериментальных исследований стеновых конструкций на внецентренное сжатие свидетельствуют о достоверности полученных расчетных зависимостей оценки прочности стеновых конструкций.

Установлено, что при величине начального эксцентриситета нагрузки е0 >/г/4 разрушение стеновых конструкций происходит в опорных сечениях со стороны эксцентриситета. Для усиления опорных частей конструкций рекомендуется использовать наклонно вклеенные металлические стержни.

9. Реализация результатов выполненных исследований позволит решить проблему обеспечения долговечности стеновых конструкций зданий на стадии проектирования при одновременном решении проблемы рационального использования отходов древесины.

1. Абраменков И.И. Поризованный цементный арболит на древесных заполнителях: Автореф. дис. . канд. техн. наук / И.И. Абраменков; НИИЖБ. М., 1980. - 22 с.

2. Алёхин Ю.А. Экономическая эффективность использования вторичных ресурсов в производстве строительных материалов / Ю.А. Алёхин, А.Н. Люсов. М.: Стойиздат, 1988. - 344 с.

3. Ашкенази Е.К. Анизотропия конструкционных материалов: Справочник / Е.К. Ашкенази, Э.В. Ганов. Л.: Машиностроение, 1980. -240 с.

4. Ашкенази Е.К. Еще раз про геометрию прочности анизотропных материалов / Е.К. Ашкенази, О.С. Мыльникова, P.C. Райхельгауз // Механика полимеров. 1976. -№2. - С. 269-278.

5. Ашкенази Е.К. К вопросу о геометрии теории прочности / Е.К. Ашкенази // Механика полимеров. 1967. - №4. - С. 703-707.

6. Ашкенази Е.К. Прочность анизотропных древесных и синтетических материалов / Е.К. Ашкенази. М.: Лесная промышленность, 1966. -166 с.

7. Бажанов В.Л. Пластинки и оболочки из стеклопластиков / В.Л. Бажа-нов. -М.: Высшая школа, 1970. 405 с.

8. Беленький Ю.С. Конструктивные свойства арболита / Ю.С. Беленький // Арболит. Производство и применение. М.: Стройиздат, 1977. -С. 178-187.

9. Беленький Ю.С. Свойства вибропрокатного арболита / Ю.С. Беленький, A.A. Кудрявцев // Бетон и железобетон. 1975. -№3. - С. 21-22.

10. Белянкин Ф.П. Прочность и деформативность стеклопластиков при двухосном сжатии / Ф.П. Белянкин, В.Ф. Яценко, Г.Г. Марголин. -Киев: Наукова думка, 1971. 150 с.

11. Болотин В.В. Методы теории вероятностей и теории надежности в расчетах сооружений / В.В. Болотин. -М.: Стройиздат, 1982. -351 с.

12. Бужевич Г.А. Арболит / Г.А. Бужевич. М.: Стройиздат, 1982. — 244 с.

13. Ву Э.М. Феноменологические критерии разрушения анизотропных сред / Э.М. Ву // Механика композиционных материалов. Т.2. М.: Мир, 1978-563 С.

14. Гил яров В Л. Уравнение предельных состояний анизотропных тел / B.JI. Гиляров, JI.H. Тер-Мкртичьян // Технология и оборудование деревообрабатывающих производств. Л., 1976. - Вып. V. - С. 52-56.

15. Гольденблат И.И. Длительная прочность в машиностроении / И.И. Гольденблат, В.Л. Бажанов, В.А. Копнов. М.: Машиностроение, 1977.-204 с.

16. Гуревич A.A. Прогнозирование прочности и деформативности арболита / A.A. Гуревич, A.C. Щербаков, Б.П. Маслов, Л.П. Хорошун // Комплексное использование древесины при производстве арболита: науч. тр. МЛТИ.-М., 1982.-Вып. 121.-С. 77-81.

17. Журков С.Н. Кинетическая концепция прочности твердых тел / С.Н. Журков // Вестник АН СССР. 1968. - №3. - С. 46-52.

18. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике / О. Зенкевич. -М.: Мир, 1975.

19. Знаменский Е.М. Об учете характера и длительности действия нагрузок при нормировании расчетных сопротивлений древесины / Е.М. Знаменский // Несущие деревянные конструкции: тр. ЦНИКСК им. В.А. Кучеренко. М., 1981. - С. 5-21.

20. Иванов Ю.М. Длительная прочность древесины / Ю.М. Иванов // Изв. вузов. Лесной журнал. 1972. -№4. - С. 76-82.

21. Иванов Ю.М. Длительная прочность древесины при растяжении поперёк волокон / Ю.М. Иванов, Ю.Ю. Славик // Изв. вузов. Строительство и архитектура. 1986. - №10. - С. 22-26.

22. Иванов Ю.М. О методике оценки длительной прочности древесины и фанеры / Ю.М. Иванов, Ю.А. Лобанов // Изв. вузов. Строительство иархитектура. 1977. - №9. - С. 25-30.

23. Иванов Ю.М. Предел пластического течения древесины / Ю.М. Иванов. -М.: Госстройиздат, 1949. 199 с.

24. Иванов Ю.М. Рекомендации по испытанию деревянных конструкций / Ю.М. Иванов. М.: Стройиздат, 1976. - 28 с.

25. Иванов Ю.М. Сопротивление древесины сосны сжатию под разными углами к волокнам / Ю.М. Иванов // Тр. института леса академии наук СССР. Т. IX. Вопросы древесиноведения. М., 1953. - С. 347-370. 2.3.

26. Качанов Л.М. Основы механики разрушения / Л.М. Качанов. М.: Наука, 1974.-312 с.

27. Коротаев Э.И. Производство строительных материалов из древесных отходов / Э.И. Коротаев, М.И. Клименко. М.: Лесная промышленность, 1977. - 163 с.

28. Коченов В.М. Несущая способность элементов и соединений деревянных конструкций / В.М. Коченов. М.: Госстройиздат, 1953. - 320 с.

29. Крутов П.И. Справочник по производству и применению арболита / П.И. Крутов, И.Х. Наназашвили, Н.И. Склизков и др. М.: Стройиздат, 1987.-208 с.

30. Лесной фонд России (по сост. на 01.01.98): Справочник. М.: ВНИ-ИЦлесресурс, 1999. - 650 с.

31. Лехницкнй С.Г. Анизотропные пластинки / С.Г. Лехницкий. М-Л.: Гостехиздат, 1947.

32. Малмейстер А.К. Геометрия теорий прочности / А.К. Малмейстер // Механика полимеров. 1966. -№4. - С. 519-527.

33. Мальмейстер A.K. Сопротивление полимерных и композиционных материалов / А.К. Мальмейстер, В.П. Тамуш, Г.А. Тетере. Рига: Зи-натне, 1982.-572 с.

34. Маслов Б.П. Методы теории случайных функций в исследованиях механических свойств арболита / Б.П. Маслов, Л.П. Хорошун, A.C. Щербаков // Комплексное использование древесины при производстве арболита: науч. тр. МЛТИ. -М., 1982.-Вып. 121.-С. 46-56.

35. Мизина И.Н. Новый строительный материал из отходов древесины / И.Н. Мизина // Механическая обработка древесины: Экспресс-информация. Зарубежный опыт. М.: ВНИПИЭИлеспром, 1987. -Вып. 1.-С. 2-4.

36. Наназашвили И.Х. Арболит эффективный строительный материал. -М.: Стройиздат, 1984. - 125 с.

37. Наназашвили И.Х. Повышение качества арболита с учётом особенностей древесного заполнителя / И.Х. Наназашвили // Строительные материалы и конструкции, здания и сооружения: Экспресс-информация / ЦНИИЭПсельстрой. М., 1986. - Вып. 6. - С. 22-25.

38. Орлович Р.Б. О применении критериев длительной прочности в расчетах деревянных конструкций / Р.Б. Орлович, А .Я. Найчук // Изв. вузов. Строительство и архитектура. 1989. — №5. - С. 15-19.

39. Отставнов В.А. Особенности расчета легких трехслойных панелей покрытия / В.А. Отставнов, Ю.Ц. Гохберг // Промышленное строительство. 1970. - №9. - С. 24-28.

40. Павлов П.А. Длительное разрушение частично-кристаллических полимеров при плоском напряжённом состоянии и нестационарном на-гружении / П.А. Павлов, В.И. Щербаков, Л.И. Огородов // Механика композиционных материалов. 1981. -№6. - С. 963-969.

41. Павлов П.А. Основы инженерных расчётов элементов машин на усталость и длительную прочность / П.А. Павлов. Л.: Машиностроение, 1988.-252 с.

42. Подчуфаров B.C. Долговечность арболита / B.C. Подчуфаров, В.И. Запруднов // Науч. тр. МЛТИ. М., 1991. - Вып. 242. - С. 164-174.

43. Попов H.H. Проектирование и расчёт железобетонных и каменных конструкций: Учеб. для строит, спец. вузов / H.H. Попов, A.B. Забега-ев. М.: Высшая школа, 1989. - 400 с.

44. Пособие по проектированию бетонных и железобетонных конструкций из тяжёлых и лёгких бетонов без предварительного напряжения арматуры (к СНиП 2.03.01-84): Утв. ЦНИИпромзданий, НИИЖБ. -М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1989. 192 с.

45. Разумовский В.Г. Производство и применение арболита / В.Г. Разумовский, С.Г. Свиридов, Б.Н. Смирнов и др. М.: Лесная промышленность, 1981. - 216 с.

46. Регель В.Р. Кинетическая природа прочности твёрдых тел / В.Р. Ре-гель, А.И. Слуцкер, Э.Е. Томашевский. М.: Наука, 1975. - 560 с.

47. Ржаницын А.Р. Теория расчёта строительных конструкций на надёжность / А.Р. Ржаницын. М.: Стройиздат, 1978. - 239 с.

48. Савин В.И. Поризованный арболит / В.И. Савин, И.И. Абраменков // Комплексное использование древесины при производстве арболита: науч. тр. МЛТИ.-М., 1982.-Вып. 121. С. 11-16.

49. Савин В.И. Стеновые панели из поризованного арболита / В.И. Савин, Г.Е. Колосов, В.А. Соколов // Лёгкие бетоны на основе отходов промышленности и конструкции из них / Тр. НИИЖБ. М., 1983. - С. 8-14.

50. СН 549-82. Инструкция по проектированию, изготовлению и применению конструкций из арболита. -М.: Стройиздат, 1983. -41 с.

51. Степнов М.Н. Статистические методы обработки результатов механических испытаний: Справочник / М.Н. Степанов. М.: Машиностроение, 1985.-231 с.

52. Уголев Б.Н. Древесиноведение с основами лесного товароведения: учебник для лесотехнических вузов. Изд. 3-е, перераб. и доп. / Б.Н. Уголев. М.: МГУЛ, 2001. - 340 с.

53. Флаксерман А.Н. Влияние наклона волокон на механические свойства древесины сосны / А.Н. Флаксерман. -М.: ГИТИ. 1931. - 48 с.

54. Фудзии Т. Механика разрушения композиционных материалов / Т. Фудзии, М. Дзако: Пер. с японского. -М.: Мир, 1982. -232 с.

55. Хилл Р. Упругие свойства составных сред, некоторые теоретические принципы / Р. Хилл // Механика. №5. -М.: Мир, 1984.-210 с.

56. Хорошун Л.П. О принципах построения теории механической прочности арболита / Л.П. Хорошун, A.C. Щербаков // Комплексное использование древесины при производстве арболита: науч. тр. МЛТИ. -М., 1982.-Вып. 121.-С. 36-40.

57. Цепаев В.А. Вероятностная оценка неразрушимости сжатых элементов из деревобетонов при длительном нагружении / В.А. Цепаев, В.П. Важдаев // Изв. вузов. Строительство и архитектура. 1991. - №4. - С. 16-19.

58. Цепаев В.А. Две области деформирования деревобетонов / В.А. Цепаев // Изв. вузов. Строительство и архитектура. 1990. - №10. - С. 1518.

59. Цепаев В.А. Длительная прочность и деформативность конструкционных древесно-цементных материалов и несущих элементов на их основе: Дис. . д-ра тех. наук / В.А. Цепаев; Нижегор. арх.-строит. университет. Н. Новгород, 2001. - 473 с.

60. Цепаев В.А. Длительная прочность легких бетонов на древесных заполнителях / В.А. Цепаев // Изв. вузов. Строительство и архитектура.- 1989.-№ 1.-С. 59-61.

61. Цепаев В.А. Долговечность деревобетонов / В.А. Цепаев // Механическая обработка древесины: Экспресс-информация. Отеч. произв. опыт.- М.: ВНИПИЭИлеспром, 1988. Вып. 8. - С. 30-32.

62. Цепаев В.А. Использование кривых Пирсона при анализе распределения прочности арболита в отформованных конструкциях / В.А. Цепаев, В.П. Важдаев // Изв. вузов. Строительство. 1992. - № 7-8. — С. 38-43.

63. Цепаев В.А. Исследование влияния влажности цементного арболита на развитие деформаций ползучести / В.А. Цепаев // Изв. вузов. Строительство. 1996. - №4. - С. 119-124.

64. Цепаев В.А. Исследование длительной прочности и деформативности арболита при ступенчато-возрастающих напряжениях сжатия / В.А. Цепаев // Изв. вузов. Строительство и архитектура. — 1989. № 8. — С. 116-119.

65. Цепаев В.А. Исследование длительной прочности и деформативности опилкобетона при ступенчато-возрастающих напряжениях сжатия / В.А. Цепаев// Изв. вузов. Строительство и архитектура. 1991. — № 2. - С. 47-50.

66. Цепаев В.А. Исследование длительной прочности опилкобетона при одноосном сжатии / В.А. Цепаев // Изв. вузов. Строительство и архитектура. 1987. - №2. - С. 3-6.

67. Цепаев В.А. Исследования анизотропии прочности арболита растяжению / В.А. Цепаев, Р.И. Молева, A.B. Колесов // Экспериментальные и теоретические исследования строительных конструкций: Тез. докл. научн.-техн. конф. Н. Новгород, 1995. - ч.З. - С. 38.

68. Цепаев В.А. Кинетическое уравнение поврежденности деревобетонов / В.А. Цепаев // Изв. вузов. Строительство и архитектура. 1990. - № 11.-С. 11-14.

69. Цепаев В.А. Критериальная оценка длительной прочности арболито-вых конструкций при совместном силовом и температурно-влажностном воздействиях / В.А. Цепаев, М.Ф. Сухов // Изв. вузов. Строительство. 1998. - №8. - С. 12-17.

70. Цепаев В.А. Лёгкие конструкционные бетоны на древесных заполнителях / В.А. Цепаев, А.К. Яворский, Ф.И. Хадонова. — Орджоникидзе: Ир, 1990.-134 с.

71. Цепаев В.А. Нормирование расчетных характеристик конструкционного арболита / В.А. Цепаев // Совершенствование и расчет строительных конструкций из дерева и пластмасс: Межвуз. темат. сб. тр. — С. Петербург, 1994. С. 50-57.

72. Цепаев В.А. Нормирование расчётных характеристик опилкобетона / В.А. Цепаев // Изв. вузов. Строительство. 1998. - №11-12. - С. 50-54.

73. Цепаев В.А. Особенности деформирования арболита при одноосном сжатии и растяжении / В.А. Цепаев // Лесная и деревообрабатывающая промышленность: Информ. сб. М.: ВНИПИЭИлеспром, 1990. -Вып. 10. — С. 27-28.

74. Цепаев В.А. Оценка безопасности арболитовых конструкций с учетом длительности действия нагрузки / В.А. Цепаев // Изв. вузов. Строительство и архитектура. 1989. - №10. - С. 13-17.

75. Цепаев В.А. Оценка долговечности опилкобетона / В.А. Цепаев // Механическая обработка древесины: Науч.-техн. реф. сб. М.: ВНИПИЭИлеспром, 1986. - Вып. 3.-С. 10-11.

76. Цепаев В.А. Статистическая оценка нормируемых характеристик прочности конструкционного арболита / В.А. Цепаев, В.П. Важдаев // Строительная механика и расчет сооружений. 1991. - №3. - С. 7781.

77. Цепаев В.А. Теоретические основы инженерного метода расчёта сжато-изгибаемых элементов из конструкционных древесно-цементныхматериалов с учётом фактора времени / В.А. Цепаев // Изв. вузов. Строительство. 1992. -№1. - С. 28-33.

78. Щербаков A.C. Арболит. Повышение качества и долговечности / A.C. Щербаков, А.П. Хорошун, B.C. Подчуфаров. М.: Лесная промышленность, 1979. - 160 с.

79. Щербаков A.C. Основы повышения качества арболита на древесных заполнителях: Автореф. дис. . докт. техн. наук / МЛТИ. М., 1981. — 37 с.

80. Щербаков A.C. Повышение качества и долговечности конструкций из арболита / A.C. Щербаков, B.C. Подчуфаров, В.М. Бутерин // Арболит. Производство и применение. М.: Стройиздат, 1977. - С. 166178.

81. Arbolite lightweight precast concrete // Indian concrete. 1963. - Vol. 37. -#7.-P. 27-38.

82. Dali D. Durisol lightweight precast concrete // Paper trade. 1950. - Vol. 130.-#23.-P. 79-91.

83. Hurg M.K. Home built with wood fiber concrete panels / M.K. Hurg // Concrete constructions. 1989. -V. 34. -#1. -P. 703-707.

84. Kollmann F. Die Abhaangigkait der Festigkeit und der Dehnungszahl der Hoolzer vom Faserverlauf / F. Kollmann // Bauingenieur. 1934.19/20.

85. Kollmann F. Technologie des Holzes und der Holzwerkstoffe / F. Kollmann. Berlin, 1955. -B. 1. - 1050 S.

86. Norris Ch.B. Strength of orthotropic materials, subjected to combined stresses / Ch.B. Norris // Forest prod. zab. USA. 1962. - #1816. - 23 p.

87. СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

88. Один А.И. Анализ результатов экспериментальных исследований анизотропии кратковременной прочности арболита при растяжении / А.И. Один // Сб. тр. аспирантов и магистрантов. Техн. науки. Н. Новгород. -2004. - С. 44-48.

89. Один А.И. Экспериментальные исследования анизотропии длительной прочности арболита при растяжении поперек слоев укладки смеси при формовании конструкций / В.А. Цепаев, А.И. Один // Изв. вузов. Строительство. 2005. -№3. - С. 124-128.

90. Один А.И. Исследование прочности арболита при кратковременном растяжении под углом к направлению слоев укладки смеси при формовании конструкций / В.А. Цепаев, А.И. Один // Вестник РААСН. Волж. регион, отд-ние. -Н. Новгород, 2005. Вып. 8. - С. 156-162.

91. Один А.И. О виде функции распределения времени до разрушенияобразцов арболита при растяжении поперек слоев формования при длительном действии нагрузок / А.И. Один // Сб. тр. аспирантов и магистрантов. Техн. науки. Н. Новгород. - 2005. - С. 32-36.

92. Один А.И. Сопротивление арболита сжатию под различными углами к направлению слоев укладки смеси при формовании конструкций /

93. B.А. Цепаев, А.И. Один // Сб. науч. тр. "Современные строительные конструкции из металла и древесины". Одесса, 2005. - С. 271-280.

94. Один А.И. Определение прочности арболита на срез вдоль направления слоев укладки смеси при формовании конструкций / А.И. Один // Техн. науки: тез. докл. XI Нижегор. сес. молодых учён., "Татинец", февраль 2006 г. Н. Новгород, 2006. - С. 73-75.

95. Один А.И. Исследования характера и длительности действия нагрузок на долговечность арболита при растяжении с учетом анизотропии строения / В.А. Цепаев, А.И. Один // Вестник РААСН. Волж. регион, отд-ние. Н. Новгород, 2006. - Вып. 9. - С. 189-201.

96. Один А.И. Прочностные свойства арболита с учетом анизотропии строения / В.А. Цепаев, А.И. Один // Жилищ, стр-во. 2006. - №12.1. C. 18-20.

97. Один А.И. Длительная прочность арболита с учётом анизотропии строения / В.А. Цепаев, А.И. Один // Приволжский научный журнал / ННГАСУ. Н. Новгород, 2007. - №1. - С. 51 -56.

98. Один А.И. О критериальной оценке прочности арболитовых конструкций с учетом анизотропии механических свойств материала / В.А. Цепаев, А.И. Один, М.Ф. Сухов // Вестник РААСН. Волж. регион, отд-ние. Н.Новгород, 2007. - Вып. 10. - С. 185-190.

99. Один А.И. Эффективность производства и применения арболита в строительстве / А.И. Один, Е.В. Артюшина // Сб. тр. аспирантов и магистрантов. Техн. науки. Н. Новгород. - 2007. - С. 54-58.170