WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

На правах рукописи

ШОХИН Павел Борисович

ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ ДЕРЕВОКОМПОЗИТНЫХ БАЛОЧНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

Специальность 05.21.05 – Древесиноведение, технология и оборудование деревопереработки

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Архангельск 2012

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Владимирский государственный университет имени А.Г. и Н.Г. Столетовых»

Научный консультант: доктор технических наук Рощина Светлана Ивановна

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Лабудин Борис Васильевич (ФГАОУ ВПО «Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В.Ломоносова») Кандидат технических наук, доцент Коноплев Сергей Петрович (ФГОБУ ВПО «Финансовый университет при Правительстве РФ», Архангельский филиал)

Ведущая организация: ОАО «Архгипродрев» (163061, г. Архангельск, пр. Троицкий, 106)

Защита состоится « 19 » декабря 2012 г. в 10 часов 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 « » ноября 2012 г.

Учёный секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент А.Е.Земцовский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы Древесина обладает целым рядом свойств, которые позволяют широко использовать ее в различных отраслях: деревообрабатывающей, деревянном домостроении, транспорте, энергетике и др. Одной из важнейших технических задач является повышение эффективности использования древесины за счет применения конструкций и изделий с малой материалоемкостью и высокими эксплуатационными параметрами.

Для рационального использования древесины при изготовлении новых видов деревянных конструкций, усиления узлов и сопряжений в настоящее время целесообразно применение новых материалов и технических решений с использованием наноклеевых композиций.

Такие решения позволяют создать конструкции с высокими прочностными и жесткостными характеристиками и могут способствовать снижению расхода древесины и повышению эксплуатационной надежности деревянных конструкций.

Наибольший интерес представляют элементы конструкций и технологии изготовления деревянных конструкций с применением современных композиционных полимерных материалов с включением в их состав углеродных нанотрубок, что существенно повышает их несущую способность. Поэтому проведение исследований в этом направлении является актуальным.

Цель исследований - совершенствование деревокомпозитных конструкций на основе эпоксидной матрицы с включением углеродных нанотрубок и стеклоткани, научно обоснованное увеличение прочностных и жесткостных характеристик, повышающих эксплуатационную надежность.

Для достижения поставленной цели определены задачи:

1. Провести системный анализ решения вопросов повышения прочности, долговечности, эффективного использования древесины в композитных конструкциях.

2. Разработать технические и технологические решения деревокомпозитных конструкций с использованием полимерных клеевых композиций с применением углеродных нанотрубок.

3. Провести теоретические исследования деревокомпозитных конструкций с оценкой влияния включения углеродных нанотрубок в состав полимерных клеев на напряженно-деформированное состояние (НДС) древесины.

4. Выполнить экспериментальные исследования по оценке прочности и деформативности деревокомпозитных балок.

5. Усовершенствовать технологию изготовления деревокомпозитных балок с применением наноклеевых композиций.

6. Разработать рекомендации по совершенствованию методик расчета и технологии изготовления деревокомпозитных балок.

Научная новизна результатов исследований:

- получены новые результаты экспериментально-теоретических исследований, отражающие особенности работы деревокомпозитных конструкций с включением в клеевую композицию углеродных нанотрубок;

- теоретически определены параметры НДС деревокомпозитной конструкции с применением сертифицированного программного комплекса «Лира 9.2»;

- разработана новая конструкция балки из древесины с включением наноткани в краевые зоны;

- обоснована и разработана технология изготовления деревокомпозитных балок с включением в состав клеевой композиции углеродных нанотрубок;

- экспериментально доказана возможность повышения прочности и жесткости деревокомпозитной конструкции с использованием наноклеевых композиций;

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

- научно обоснованы направления практического использования деревокомпозитных балочных конструкций.

На защиту выносятся:

- результаты теоретических и экспериментальных исследований деревокомпозитных балочных конструкций;

- результаты исследований качественной и количественной характеристики прочности и деформативности композитных балок;

- уточненная методика инженерного расчета деревокомпозитных балочных конструкций;

- научно обоснованные рекомендации по совершенствованию технологии изготовления и предложения по повышению эксплуатационной надежности деревокомпозитных конструкций;

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 усиления междуэтажных перекрытий деревянных жилых домов (г. Владимир).

Апробация работы Основные положения работы и результаты исследований доложены на Международном симпозиуме «Современные строительные конструкции из дерева и пластмасс» (г. Одесса, 2012 г); международной научнотехнической конференции «Строительная наука 2010» (г. Владимир, 20г.); научной конференции «Проблемы устойчивости и безопасности систем жизнеобеспечения городов и сферы жилищно-коммунального хозяйства» (г. Москва, 2011 г.); международной научно-практической конференции «Перспективные разработки науки и техники» (г. Пшемысль, Польша, 2011 г.); международной научно-практической конференции «Дни науки – 2012» (г. Прага, Чехия, 2012 г.), научно-технический семинар лесотехнического института САФУ (г. Архангельск, 2012 г.), участие в гранте «Разработка образовательной программы повышения квалификации и учебно-методического комплекса в сфере производства наномодифицированного ПЭТ-волокна и нетканых материалов на его основе»(г.Владимир, 2012 г.) Публикации. По результатам научных исследований опубликовано 9 печатных работ, в том числе одна в издании по перечню ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, библиографического списка включающего 135 наименований. Изложена на 157 страницах и содержит 70 рисунков, 5 таблиц, приложение.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, обозначено направление исследований.

В первой главе приведены результаты анализа современного состояния и перспективы развития композитных конструкций на основе древесины, полимерных клеевых композиций с применением углеродных нанотрубок, определены направления повышения эффективности их применения.

В разное время проблемами прочности, долговечности и устойчивости деревянных конструкций, оценкой технических возможностей древесины при их производстве, повышением эффективности использования ресурсов древесины в нашей стране занимались Арленинов Д.К., Ашкенази Е.К., Белянкин Ф.П., Глухих В.Н., Дмитриев П.А., Жаданов В.И., Знаменский Е.М., Иванов А.М., Иванов Ю.М., Инжутов И.С., Карлсен Г.Г., Квасников Е.Н., Лабудин Б.В., Левинский Ю.Б., Леонтьев Н.Л., Линьков В.И., Мажара П.И., Манжос Ф.М., Мелехов В.И., Митинский А.Н., Михайлов Б.К., Найчук А.Я., Онегин В.И., Орлович Р.Б., Павлов А.П., Пятикрестовский К.П., Рощина С.И., Савков В.И., Светозарова Е.И., Серов Е.Н., Славик Ю.Ю., Травуш В.И., Турков А.В., Турковский С.Б., Уголев Б.Н., Фурсов В.В., Щуко В.Ю., за рубежом – Bauman R., Haring H., Kollmann F., Larsen H., Lyon D.E., Mielczarek Z., Norris H. и др.

Исследованиями процессов механической обработки и склеивания древесины, качества соединений клееных деревянных конструкций занимались известные ученые: Аксенов П.П., Баженов В.А., Боровиков А.М., Вуба К.Т., Губенко А.Б., Исаев С.П., Ковальчук Л.М., Копейкин А.М., Куликов В.А., Михайлов В.Н., Огурцов В.В., Пластинин С.Н., ТурушевВ.Г., Фрейдин А.С., Хрулев В.М. и др.

Углеродные нанотрубки в настоящее время находят применение при создании новых конструкций из древесины и других материалов. Они обладают уникальными механическими, электрическими и термическими свойствами, пригодными для широкого спектра применения. Высокая прочность углеродных нанотрубок позволяет применять их для создания различных видов композитных материалов из углеродных волокон и эпоксидных смол. Предложенные в работе технические решения с использованием углеродных нанотрубок на армированном волокнами композиционном материале позволяет увеличить прочность конструкции от 10 до 50%. Такой уровень упрочнения конструкции может иметь существенное значение для рассматриваемого композиционного материала, обычно ограниченного свойствами клеевой композиции.

Таким образом, композитные конструкции позволяют рационально использовать древесину, снизить себестоимость продукции, способствуя ресурсосбережению, что является актуальной задачей исследований.

Во второй главе содержатся результаты системного анализа современных деревоклееных конструкций и рассмотрены вопросы теоретической оценки прочности и деформативности композитных балок для деревянного домостроения.

Исследования проведены на 4-х вариантах композитных балок, для сравнения полученных показателей исследования производились на цельной деревянной балке, которая служила эталоном (рис.1).

Основными элементами деревоклееной композитной балки являются древесина, стеклоткань на основе базальтового волокна и эпоксидная матрица, с включенными в ее состав углеродными нанотрубками. Сечение исследуемых балок 100х70 мм. Стеклоткань приклеивалась в растянутой зоне деревянной балки на эпоксидной матрице смолой ЭД-20.

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. Этот метод, базирующийся на работах В.М.Коченова, А.Р. Ржаницина и др., с достаточной точностью позволяет оценить несущую способность и деформативность балок в упругой стадии работы.

При проведении расчета определяли несущую способность и деформативность деревокомпозитных балок, подбор количества слоев стеклоткани в растянутой зоне.

Рис.1. Варианты композитных балок перекрытия На начальном этапе расчета определены приведенные геометрические характеристики сечения деревоклееной композитной балки, необходимые для расчета конструкции. Это - площадь приведенного сечения:

Fпр bh1n; (1) - статический момент инерции:

1 n Sпр b h2 h1 ; (2) 2 h - момент инерции:

b с I yc 3 hc 3 I b h n hc h1 ; (3) me пр - моменты сопротивления соответственно для сжатой и растянутой зон:

Iпр Iпр Wпрс ; Wпр р ; (4) hс yс Fа Fа - коэффициент армирования.

Fдр b h F - площадь армирующего слоя;

а Eа n - коэффициент приведения.

Eдр h1- толщина армирующего слоя;

h - высота сечения;

hc h0 yc - высота сжатой зоны сечения 1 n 1 n Sпр b h2 2 h1 h h1 h 2 h yc - положение центра тяжести F b h 1 n 1 n пр сечения.

Расчет произведен по двум группам предельных состояний по известным формулам сопротивления материалов.

Расчет по первой группе предельных состояний на действие максимального изгибающего момента выполнен для опасных сечений, которые находятся в середине пролета балки.

Изгибающий момент для шарнирно опертой балки на двух опорах при загружении ее точечной нагрузкой определяется по принятым формулам сопромата с учетом граничных условий.

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

М М R m, R m. (5) р р с с Wпр р Wпр с Расчет на устойчивость плоской формы деформирования выполнен на действие максимального изгибающего момента:

М ; (6) и м Wпр k yw bгде м 140 kф. (7) lр h Для второй группы предельных состояний определяли максимальный прогиб и сравнивали его с предельным.

На начальном этапе вычислялся прогиб балки пролетом l постоянного сечения высотой h без учета деформаций сдвига на действие распределенной нагрузки P:

5 Pн l f0 kt ; (8) 384 E Iпр k yж Наибольший прогиб в середине пролета балки не должен превышать предельно допустимого прогиба:

f0 h0 1 f c fпр, (9) k l где k - коэффициент, учитывающий влияние переменности высоты сечения; с - коэффициент, учитывающий влияние деформаций сдвига от поперечной силы, fпр - нормируемое значение вертикального перемещения; kуw и kуж – коэффициенты упрочнения, которые необходимо определить 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 действительной несущей способности, деформативности и живучести древесины при запредельных нагрузках.

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 по Белянкину – Прагеру на сжатие и растяжение имеют нелинейные зависимости, приведены на рис.2 и могут быть использованы в расчетах за пределами упругости.

Рис.2. Приведенные диаграммы работы древесины (сосна):

1 – при растяжении, 2 – при сжатии С учетом зависимостей =f() в диссертации выполнен детальный анализ напряженно деформированного состояния конструкций на всех стадиях работы с использованием метода конечных элементов в программном комплексе Lira 9.2. ( рис. 3).

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.4,5,6).

а -89,905 -77,70,60,2 в -276,99 -78,657,089 93,8б Рис.3. Напряженно-деформированное состояние деревокомпозитной балки с применением наноткани:

(а) – расчетная схема; (б) - эпюры нормальных напряжений в опорной части;

(в) - эпюры нормальных напряжений в середине пролета;

_ _ _ эпюры напряжений в цельной балке.

Рис.4. Диаграмма нагрузка – прогибы Рис.5. Диаграмма нагрузка – сжимающие напряжения в древесине Рис.6. Диаграмма нагрузка – растягивающие напряжения в древесине В расчеты численным методом введены графики действительной работы древесины, учитывающие нелинейность, анизотропию и ползучесть древесины. Точность полученных результатов выше, чем результатов инженерного метода расчета. Нами рекомендуется учитывать ползучесть и анизотропию интегрально, используя методику В.Ю. Щуко и С.И.Рощиной.

Значения характеристики ползучести ( ) можно определить по данным краевых деформаций древесины сжатой и растянутой зон и максимальным вертикальным перемещениям балки:

, (10) где, - соответственно конечные и начальные (упругие) деформации сжатой и растянутой зоны;, - конечные и начальные значения прогибов.

Тогда значение напряжения в древесине в текущий момент времени t:

t t е.

(11) д д Рис. 7. Зависимость характеристики Рис. 8. Зависимость изменения скорости ползучести от уровня нагружения для (v=t/сут) и характеристики ползучести древесины балок пролетом 2,25 м.

во времени в зависимости от уровня загружения (=М/Мразр).

В третьей главе разработаны программы планирования и методики испытания деревокомпозитных балочных конструкций.

Программа испытаний содержит: выбор экспериментального метода; определение количества испытываемых моделей и их назначение;

чертежи испытываемой конструкции с фактическими геометрическими размерами, жесткостными характеристиками, ведомостями дефектов и повреждений; результаты предварительного расчета конструкций на испытательные нагрузки с учетом фактических размеров элементов. Ожидаемые величины перемещений, усилий, деформаций и напряжений в точках их измерений; установление элементов, сечений и конкретных точек в которых будут осуществляться измерения; установление количества ступеней нагружения, приращение нагрузки и временной интервал; определение требуемой точности измерения и подбор аппаратуры с необходимыми параметрами точности и диапазона.

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,с точностью показаний до 0,05 было принято для испытания количество моделей конструкций равное трем для каждой из пяти серий.

Разработанная программа испытаний позволила: получить картину напряженно-деформированного состояния конструкций при действии сосредоточенных 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 напряженно-деформированного состояния конструкции.

Известными методами исследования напряженнодеформированного состояния конструкций являются: метод тензометрии, метод фотоупругости, метод муаровых полос и метод голографической интерферометрии.

Эти методы позволяют в наглядной форме получить общую картину деформирования элемента. Соответствующая обработка ее с привлечением уравнений теории упругости позволяет исследовать напряжения и деформации с необходимой детализацией в отдельных областях элемента.

Для проведения экспериментальных исследований моделей балок выбран метод тензометрии, который позволяет получить значения перемещений и напряжений.

Решение поставленных задач осуществлял на масштабных моделях деревокомпозитных балок, запроектированных и изготовленных по принципу полного физического и геометрического подобия. Материалы моделей и реальных конструкций приняты одинаковыми, что позволило обеспечить физическое и геометрическое подобие в композитных деревянных балках, а принятый метод подобия дал возможность сохранить в модели физические явления, происходящие в натурных конструкциях при действии внешних нагрузок. На основании результатов исследования моделей определены характер разрушения, прочность и деформативность натурных конструкций.

Экспериментальные исследования конструкций пролетом 2,25 м проводились на испытательном стенде (рис.9,10). Изучение работы балок выполнялось в два этапа.

На первом этапе определялся интегральный модуль упругости деревянной балки, который в отличие от расчетного модуля упругости учитывает неоднородность древесины, пороки и т.д.

На втором этапе исследовалось напряженно-деформированное состояние композитных балок, определялся характер разрушения в зависимости от конструктивных параметров и влияние наличия в эпоксидной матрице углеродных нанотрубок на прочность и деформативность конструкций.

Расчетная нагрузка определялась в зависимости от геометрических размеров балок и расчетного сопротивления древесины на изгиб. Нагружение заготовок балок на первом этапе осуществлялось до 0,8 нормативной нагрузки, ступенями по 0,1 от верхнего предела. На втором этапе нагружение деревянных балок осуществлялось до разрушения ступенями, равными 0,25 расчетной нагрузки. На обоих этапах исследования время выдерживания под нагрузкой на каждой ступени принято 5 минут.

Рис.9. Схема экспериментальной устаРис.10. Схема нагружения и расстановновки для испытания балок пролетом ки приборов для испытания балок про2,25 м: 1 – армированная деревянная летом 2,25 м: П1- прогибомер марки балка; 2 – реактивная балка [ №14; 3 – ПАО-6, Т1, Т2 – тензометры Гугенберраспределительная траверса №10; 4 – гера, И1, И2 – индикаторы часового гидравлический пресс.

типа Вертикальные перемещения исследуемых балок измеряли прогибомерами ПАО6, осадка опор индикаторами часового типа с ценой деления 0,01 мм (рис.10). В зоне действия максимального изгибающего момента по ширине сечения наклеивались тензорезисторы с базой 20 мм, информация с которых обрабатывалась на цифровом тензометрическом комплексе СИИТ3М.

В процессе исследований обеспечивали климат-контроль, влажность древесины, физико-механические свойства конструкционных материалов.

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований деревоклеенных композитных балок при кратковременном действии нагрузки. Эксперименты проводили в лаборатории кафедры строительных конструкций Владимирского государственного университета. Испытано 3 цельнодеревянных (контрольных) и 12 композитных балок пролетом 2,25м. Расчетная сосредоточенная нагрузка определялась из условия прочности нормальных сечений и составила 1040 кг/м – для деревянных балок, и 1400 кг/м для деревоклеенных композитных балок (табл. 1, 2).

Маркировка балок сечением 100х70 мм, пролетом 2250 мм:

Серия БД-1 – деревянные балки без армирования;

Серия БК-1 – то же, с армированием растянутой зоны стеклотканью в 2 слоя, проклеенной эпоксидной смолой ЭД-20;

Серия БК-2 – то же, с армированием растянутой зоны стеклотканью в 4 слоя, проклеенной эпоксидной смолой ЭД-20;

Серия БКУНТ-1 – то же, с армированием растянутой зоны стеклотканью в 2 слоя, приклеенной эпоксидной смолой ЭД20 с включением в ее состав углеродных нанотрубок концентрацией 0.3%;

Серия БКУНТ-2 – то же, с армированием растянутой зоны стеклотканью в 4 слоя, приклеенной эпоксидной смолой ЭД20 с включением в ее состав углеродных нанотрубок концентрацией 0.3%.

Разрушение балок серии БД произошло при нагрузке в среднем 1180 кг и начиналось в растянутой зоне в месте расположения пороков в виде сучка, после чего сжатые волокна древесины теряли устойчивость с образованием пластической складки. В опорной зоне балок деформаций отмечено не было.

Разрушение балок серии БК-1 и БК-2 происходило при нагрузке 1800 кг и 2100 кг, соответственно, вследствие разрушения растянутых волокон в зоне расположения пороков в виде сучка.

Разрушение балок серии БКУНТ-1 и БКУНТ-2 происходило при нагрузке 2400 кг и 2700 кг из-за потери устойчивости сжатых волокон с образованием пластической складки. Результаты испытания композитных балок приведены в таблице 1. Сравнительный анализ исследований приведен в таблице 2.

Расхождения теоретических расчетов с экспериментальными данными (табл.2) составляет: по несущей способности – 11…15%, по деформативности – 14…17%. Разница численного и экспериментального исследования составила 3…6% и 4…6% соответственно.

На основе расчетов и полученных экспериментально результатов для инженерных расчетов предлагается ввести новые безразмерные коэффициенты упрочнения балок с помощью нанотрубок: kуw=1,2…1,kуж= 1,25…1,3.

Таблица 1.

Результаты испытаний композитных балок пролетом 2,25 м Деформации РазруСечение На- Прогибы, Серии 10-4 шающая грузка мм балок нагрузb, Древесина Р, кг h, мм ка, кг мм сжат раст 100,0 70,1 1040 19,63 21,62 7,47 11БД-БД-2 100,2 69,0 ” 19,60 21,75 7,52 12БД-99,8 70,0 ” 19,57 21,72 7,45 11101,1 60,8 1250 15,94 13,48 8,88 17БК-1-БК-1-2 100,8 70,0 ” 15,88 13,59 8,92 18БК-1-101,0 70,3 ” 15,88 13,44 8,90 18101,9 70,0 1400 20,48 14,54 9,09 21БК-2-БК-2-2 102,3 70,1 ” 20,48 14,46 9,22 21БК-2-102,1 70,0 ” 20,53 14,50 9,25 20101,2 69,7 1250 15,31 10,95 7,95 24БКУНТ-1-БКУНТ-1-2 101,0 69,9 ” 15,26 10,90 7,90 24БКУНТ-1-101,2 69,9 ” 15,32 10,87 7,93 24102,4 70,0 1400 20,50 11,00 8,0 26БКУНТ-2-БКУНТ-2-2 102,4 70,2 ” 20,53 10,98 7,98 26БКУНТ-2-102,2 69,8 ” 20,44 11,02 8,02 27Таблица Сравнение результатов исследования композитных балок перекрытия Показатели Нормальные напря- Относительные дежения, кг/смформации 10-Прим древесина древесина сжат раст сжат раст Деревянная балка БД-Tпом=20±2 °С Теория 250 250 21,3 21,пом=60±10% ПК Lira 9.2 220 241 18,8 20,др=12±2% Эксперимент 230 254 19,6 21,Композитная балка БК-Tпом=20±2 °С Теория 168 138 14,3 11,пом=60±10% ПК Lira 9.2 180 153 15,4 13,др=12±2% Эксперимент 187 158 15,9 13,Композитная балка БК-Tпом=20±2 °С Теория 223 152 19,1 13,пом=60±10% ПК Lira 9.2 236 162 20,1 13,др=12±2% Эксперимент 240 170 20,5 14,Композитная балка БКУНТ-Tпом=20±2 °С Теория 162 112 13,8 9,пом=60±10% ПК Lira 9.2 168 120 14,3 10,др=12±2% Эксперимент 179 127 15,3 10,Композитная балка БКУНТ-Tпом=20±2 °С Теория 210 114 17,9 9,пом=60±10% ПК Lira 9.2 233 123 19,9 10,др=12±2% Эксперимент 240 129 20,5 11,В пятой главе представлена технология изготовления деревокомпозитных конструкций с применением в составе клеевой композиции углеродных нанотрубок.

Технологический процесс изготовления деревокомпозитных балок с упрочнением краевых зон разделен на 5 стадий.

На первой - выполняется механическая обработка древесины, включающая: распиловку круглых сортиментов; сушку пиломатериалов до влажности древесины 10…12%; фрезерование деревянных заготовок;

разметку сечения с нанесением схемы упрочнения. Грань деревянной заготовки, к которой планируется приклеивать стеклоткань необходимо обработать до шероховатости класса 4 по ГОСТ 7016-82.

На второй - производят подготовку усиливаемого элемента - стеклоткани на основе базальтового волокна. Рулонная ткань нарезается на полосы требуемых размеров. При изготовлении композитных балок наиболее сложный процесс – приклеивание стеклоткани, который включает операции приготовления клеевой композиции, укладку стеклоткани с обеспечением контактности не более 0,3…0,5 МПа.

На третьей - выполняются работы, включающие приготовление эпоксидной матрицы, обезжиривание поверхности заготовки, нанесение компаунда на заготовку толщиной 0,3…0,5 мм. Температура окружающей среды должна быть 10…20 °С, влажность – 50…80%.

На четвертой - выполняются процесс склеивания деревянной заготовки и стеклоткани. Склейка выполняется по методу вакуумной инфузии. По длине бруска укладывается герметизирующий шнур. Наносится клеевая композиция на склеиваемые поверхности и укладывается стеклоткань. Изделия сверху покрывается пленкой, которая прикрепляется к герметизирующему шнуру и из полости откачивается воздух. Пленка прилегает к свободной поверхности и придавливает стеклоткань. Полимеризация происходит в течении 4-6 часов при стандартных условиях выдержки балок.

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

Таким образом, совершенствование технологии процессов изготовления композитных балок может быть достигнуто путем рационального раскроя, снижения простоев оборудования, снижения потерь материалов и выполнения пооперационного контроля качества на всех стадиях изготовления деревокомпозитных конструкций.

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ 1. На основе проведенных исследований доказана возможность совершенствования деревокомпозитных балочных конструкций с повышением прочностных и жесткостных характеристик, что обеспечивает высокую эксплуатационную надежность конструкций.

2. Разработаны технические решения композитных балочных конструкций на основе древесины и стеклоткани с включением в состав эпоксидной матрицы углеродных нанотрубок.

3. Разработана методика экспериментальных исследований. Получены теоретически и подтверждены экспериментально количественные значения прочностных и деформационных показателей деревокомпозитных балок, с учетом физической нелинейности и ползучести.

4. Разработаны научно обоснованные предложения по совершенствованию конструкций и технологии изготовления деревокомпозитных балок. В предложенной конструкции деревокомпозитных балок обеспечивается уменьшение поперечного сечения на 20…25%, повышение прочности на 34…56%, уменьшение деформативности на 24…42% по сравнению с обычными деревянными балками.

5. Установлено в процессе сравнительного анализа, что расхождение результатов инженерного метода расчета с экспериментальными данными составляет: по несущей способности – 11…15%, по деформативности – 14…17%. Различие «точного» численного расчета и экспериментальных результатов составило 3…6%.

6. Скорректирована методика инженерного расчета деревокомпозитных балок. Полученные экспериментальным путем коэффициенты упрочнения kyw=1,2…1,25 kуж=1,25…1,3 имеют физическую ясность, позволяют повысить точность определения величин краевых напряжений и вертикальных перемещений в деревокомпозитных конструкциях.

7. Разработана технология изготовления деревокомпозитных конструкций, позволяющая существенно снизить материалоемкость изделий. Совершенствование технологического процесса предусматривает совмещение отдельных видов работ, применения современного технологичного оборудования и новых наноклеевых композиций. Применение углеродных нанотрубок в составе клеевой композиции увеличивает трещиностойкость древесины, повышается адгезионно-когезионная характеристика соединения.

8. Определена область применения и теплофизические границы разработанных конструкций. Разрушение деревокомпозитных балок с применением углеродных нанотрубок, в отличие от цельнодеревянных, носит пластичный характер. Предлагаемые конструкции в целом не магнитны и радиопрозрачны.

9. Разработанные технические решения рекомендованы для усиления деревянных конструкций 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. Шохин П.Б. Экспериментальное определение меры ползучести древесины [Текст] / С.И. Рощина, В.В. Михайлов, П.Б. Шохин // Научный журнал «Научно-технический вестник Поволжья», 2011, №5, с. 219-222.

Прочие 2. Шохин П.Б. Методика и планирование экспериментального исследования композитных балок [Текст] / С.И. Рощина, Е.А. Смирнов, П.Б. Шохин// Материалы научно-практической конференции «Дни науки - 2012», Чехия, Прага, 2012 г., с. 57…59.

3. Шохин П.Б. Экспериментальное исследование характеристики и меры ползучести древесины [Текст] / С.И. Рощина, В.И. Римшин, В.М. Бондаренко, П.Б.

Шохин //Материалы межд. науч.-технич. конф. «Инновации в отраслях народного хозяйства, как фактор решения социально-экономических проблем современности», МГАКХиС, Москва, 5-6 декабря 2011 г., с.13…16.

4. Шохин П.Б. 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…212.

5. Шохин П.Б. Повышение технико-экономической эффективности деревянных конструкций [Текст] / С.И. Рощина, Е.А. Смирнов, П.Б. Шохин //Материалы межд. науч.-технич. конф. «Перспективные разработки науки и техники», Польша, Пшемысль, 2012 г., с.110.

6. Шохин П.Б. 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.

7. Шохин П.Б. Расчет армированных деревянных конструкций с использованием теории упруго-ползучего тела [Текст] / С.И. Рощина, М.В. Лукин, П.Б. Шохин // Материалы межд. науч.-технич. конф. «Строительная наука 2010», ВлГУ, Владимир, 2010 г., с.61…65.

8. Шохин П.Б. Усиление деревянной балки перекрытия [Текст] / М.В. Лукин, И.И. Шишов, П.Б. Шохин // Материалы межд. науч.-технич. конф. «Строительная наука 2010», ВлГУ, Владимир, 2010 г., с.36…37.

9. Шохин П.Б. Учет ползучести при расчете композитных конструкций [Текст] / С.И. Рощина, М.В. Грязнов, М.В. Лукин, П.Б. Шохин // Проблемы и достижения строительного комплекса. Труды Международной научно – технической конференции «Стройкомплекс – 2010», г. Ижевск, 2010 г., с.30-33.

Подписано в печать 9.11.2012.

Формат 6084/16. Усл. печ. л. 1,25. Тираж 100 экз.

Заказ № Издательство Владимирского государственного университета 600000, Владимир, ул. Горького, 87.






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.