CC BY
13УДК 694.14:536.255
С.В. ФЕДОСОВ1, д-р техн. наук, академик РААСН, президент (prezident@ivgpu.com); В.Г. КОТЛОВ2, канд. техн. наук, советник РААСН (KotlovVG@volgatech.net); Р.М. АЛОЯН1, д-р техн. наук, чл.-кор. РААСН, ректор,
М.В. БОЧКОВ1, инженер, Р.А. МАКАРОВ1, инженер (MakarovRA1@gmail.com)
1 Ивановский государственный политехнический университет (153037, г. Иваново, ул. 8 Марта, 20)
2 Поволжский государственный технологический университет (424000, Республика Марий Эл, г. Йошкар-Ола, пл. Ленина, 3)
Экспериментальное исследование процессов теплопереноса в болтовом нагельном соединении
Изложена методология исследования процессов теплопереноса в нагельных соединениях стропильных конструкций, основанная на мониторинге динамики тепловых полей в древесине с помощью тепловизора. Приведены результаты экспериментальных исследований в процессах нагревания и охлаждения нагеля в форме болтового соединения. Цветовая гамма температурных полей иллюстрирует и подтверждает изложенные ранее физические представления об особенностях механизма теплопереноса в системе металлический нагель - древесина при изменении температурно-влажностных параметров среды эксплуатации. Приведена математическая модель в форме краевой задачи теплопроводности; показаны результаты расчетов, свидетельствующие об адекватности математической модели экспериментальным данным.
Ключевые слова: нагель, древесина, тепломассоперенос, метод микропроцессов, краевая задача теплопроводности.
S.V. FEDOSOV1, Doctor of Sciences (Engineering), Academician of RAACS, President (prezident@ivgpu.com); V.G. KOTLOV2, Candidate of Sciences (Engineering), Counsellor of RAACS (KotlovVG@volgatech.net); R.M. ALOYAN1, Doctor of Sciences (Engineering), Corresponding Member of RAACS, Rector, M.V. BOCHKOV1, Engineer, R.A. MAKAROV1, Post-graduate student (MakarovRA1@gmail.com)
1 Ivanovo State Polytechnical University (20, Mart 8th Street, Ivanovo, 153037, Russian Federation)
2 Volga State University of Technology (3, Lenin Square, Yoshkar-Ola, Republic of Mari El, 424000, Russian Federation)
Experimental Study of Heat Transfer Processes in a Bolt Dowel Joints
Methods for the study of heat transfer processes in dowel joints of roof frameworks, which is based on the monitoring of the dynamic of thermal fields in timber with the help of a ther-movisor, are outlined. Results of experimental research in heating and cooling processes of a dowel in the form of bolt junction are presented. The color array of temperature fields illustrates and confirms outlined earlier physical representations about features of the heat transfer mechanism in the system "metallic dowel - timber" when changing temperature-humidity parameters of the operation environment. The mathematical model in the form of an end problem of heat conductivity is presented; results of the calculation, which testify the adequacy of the mathematical model to the experimental data, are shown.
Keywords: dowel, timber, heat and mass transfer, micro-processes method, end problem of heat conductivity.
С началом промышленного производства металла соединения элементов деревянных стропильных конструкций стали выполняться с использованием механических связей (МЗП, стальные болты, скобы и т. д.) [1].
На холодных чердаках элементы стропильной системы располагаются в непосредственной близости к кровельному покрытию (от 20 до 70 мм), которое часто выполняется из стальных листов. В летний период из-за низкой тепловой инерции кровельного покрытия тем-пературно-влажностный режим в чердачном помещении изменяется по циклическому закону: днем температура воздуха повышается, а относительная влажность понижается, ночью наоборот — температура воздуха понижается, относительная влажность повышается.
При таком режиме эксплуатации на поверхности болтовых соединений стропильных конструкций конденсируется влага, которая диффундирует в прилегающие слои древесины. Вследствие коррозионных процессов сечение болта уменьшается, а прилегающие слои древесины подвергаются гниению, что приводит к снижению несущей способности соединения и всей стропильной конструкции в целом (рис. 1). Обработка стропильных конструкций огне- и биозащитными пропитками повышает скорость коррозии стальных крепежных изделий. В зависимости от состава пропитки скорость коррозии может возрасти в 3—7 раз [2]. Отмечается, что даже оцинкованные стальные болты подвергаются коррозии уже через 2—3 года эксплуатации [3].
Несмотря на то что нормативный срок эксплуатации стропильных деревянных конструкций составляет не более 50—60 лет, фактически большинство таких
конструкций эксплуатируется дольше этого срока. Актуальной является задача теоретического изучения процессов, которые происходят в системе металл — древесина при циклически изменяющихся режимах эксплуатации в течение продолжительного периода.
Характер взаимодействия нагельного соединения с воздушной окружающей средой можно представить в виде графиков изменения температуры болта и прилегающего к нему слоя древесины по времени (рис. 2—4). Процесс этого взаимодействия подробно описан в работе [4].
Рис. 1. Болтовое соединение составной деревянной балки стропильной конструкции здания учебного корпуса № 2 Поволжского государственного технологического университета после 60 лет эксплуатации
■ J'.■ : ^ i Г;-' научно-технический и производственный журнал ® декабрь 2016
Результаты научных исследований
Ь
(1) (2) Ьтах (1) (2)
4
4 Ь3
Ь4
2/
Ьо
1
Яб г Яб г
(1) 4 (2)
5 6
.Яб. г
Рис. 2. График изменения температуры в толще древесины (2) при росте температуры металла (1); Яб - радиус болта; 1-4 - температурные кривые за период т1-т4 (тэх>2>^>^,
Т4>Тз>Т2>Т,)
Рис. 3. График изменения температуры в древесине (2) на стадии малоинтенсивного охлаждения металла; 4-6 - температурные кривые за период т4-т6 ^тах>3>4>^, Т4<Т5<Т6)
Рис. 4. График изменения температуры в древесине (2) на стадии высокоинтенсивного охлаждения металла; 4-6 - температурные кривые за период т4-т6 ^тах>3>^>^, Т4<Т5<Т6)
В работе [4] сформулирована физико-математическая краевая задача переноса теплоты и массы вещества (влаги) в системе металл — древесина в воздушной среде с переменными температурой и влажностью при испарении и конденсации влаги (1)—(5):
^ = Лю{кдгси1(и)) + с1ю(к6тдгш1(1:)))
(1)
t (х, у, г, т) и (х, у, г, т)
=о = % (х, у, г); =о = ио (х, у, г).
а[^(т) - t (х, у, г, т)] = №t (х, у, г, т) + дт (т)г*
Ят(т) = Р[и„с(т) - ис(т)]рг = = -kpо [Чи (х, у, г, т) + 8Тvt (х, у, г, т)].
ЭРо
Ъг
Ро> 0; 0<г<1:
ТА'М- =0;
1г=1
ЭТ2(г,Ро) _ Э%{г,Ро)
Ро> 0; 0<г<-
дТ(г,Ро)
= -Кй;
(6)
(7)
(8) (9)
(10) (11) (12) (13)
Э г
и их решения (10)—(11):
Г1(г,Л»)=Г„[(1-г)-|£^шп(яяг) - ехр(- к2п2Ро)\ +
+2У вЦяиг)/^ 0(£)8т(ли£)<Й; • ехр(-я 2и2.Ро); (14)
яЧ о '
• ехр
- ^(2я - 1)2Л>1}+2}Г2,0©^+2|со8[|(2Я -1)^
ехр
^{Тп-ф^о (15)
(2)
(3)
(4)
(5)
В приведенных выражениях обозначения величин такие же, как в [4, 5].
В работе [5] представлены математические модели теплопереноса в прилегающем к болту (6)-(9) и следующем за ним (10)-(13) слоях древесины:
В результате получены кривые, иллюстрирующие изменение безразмерной температуры по безразмерной координате в зависимости от безразмерного времени процесса (рис. 5).
Расчет проводился по методу «микропроцессов», в основу которого положено представление всего процесса теплопереноса цепью последовательных процессов, в пределах которых определяемые параметры считаются постоянными, но скачкообразно меняющимися при переходе от одного процесса к другому [6].
Для подтверждения решений (14)—(15) был проведен эксперимент, моделирующий процесс нагрева болта при повышении температуры в чердачном помещении. В предварительно высверленное отверстие в деревянном бруске из сосны плотностью р = 550 кг/м3, теплоемкостью с = 2510 Дж/(кг-К), теплопроводностью X = 0,17 Вт/(м-К) помещался нагретый стальной болт, и через равные промежутки времени фиксировалось распределение температуры в древесине около болта с помощью тепловизора. Схема и фотография установки представлены на рис. 6.
ГЛг, Ро)
0,08
0,06
0,04
0,02
0,8 0,9
0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7
Рис. 5. Иллюстрация расчетов по выражению (10) : 1 - 0,001; 2 - 0,01; 3 - 0,05; 4 - 0,1
Ь
тах
тах
Г
научно-технический и производственный журнал ^^(д
декабрь 2016
A-
,[ЛТТТ1
Рис. 6. Экспериментальная установка: 1 - тепловизор; 2 - болт М16; 3 - брусок 150x150x50 мм из сосны; 4 - опоры
t, оС
46 -1-1-1-1-г-1—:—■-1-1—Г
44 42 40 38 36 34
32 5 30 28
Рис. 7. Инфракрасные изображения нагельного соединения после нагрева болта: 1 - 5 мин; 2 - 10 мин; 3 - 20 мин; 4 - 30 мин
1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31
r, мм 33
Рис. 8. Кривые нагрева древесины по направлению волокон: 1 - 5 мин; 2 - 10 мин; 3 - 20 мин; 4 - 30 мин; 5 - 60 мин
t, °C
20,5
18,4
16,3
14,2 "
12,1
10 r, м
0 0,01 0,02 0,03
Рис. 9. Результаты расчетов теплопереноса в нагельном соединении в физических переменных
Измерения проводились при температуре 26оС и относительной влажности воздуха 65%, шаг измерений 5 мин. В результате были получены данные о распределении температуры по поверхности древесины (рис. 7) и построены кривые нагрева древесины (рис. 8).
В работе [5] приведены результаты численного расчета полей температуры в прилегающих к болту слоям древесины при повышении температуры болта на 1,5 К/час (рис. 8).
На основании полученных данных можно сделать следующие выводы:
• общий вид температурных кривых соответствует процессу теплопереноса в системе нагель — древесина при малоинтенсивном охлаждении металла;
• максимальное изменение температуры древесины происходит в слое на расстоянии не более 15 мм от поверхности нагеля;
• к равновесному температурному состоянию система нагель — древесина приходит примерно через 60 мин. Экспериментальные исследования проводились в
условиях, приближенным к реальным, поэтому полученные выводы можно считать справедливыми и для
процессов теплопереноса, происходящих в эксплуатируемых стропильных конструкциях.
За рубежом проводились эксперименты по изучению температур-но-влажностного режима чердачных помещений [7—8]. В отечественной научной литературе таких экспериментальных данных не представлено, поэтому для изучения влияния материла кровельного покрытия и типа чердачного помещения на долговечность болтовых соединений
стропильных конструкций необходимо проведение дополнительных экспериментальных исследований.
Список литературы / References
1. Халтурин Ю.В., Пантюшина Л.Н., Пантюшина Е.В. Конструкции из дерева и пластмасс: Монография. Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2010. 163 с.
1. Khalturin Yu.V., Pantyushina L.N., Pantyushina E.V. Konstruktsii iz dereva i plastmass: monografiya [Constructions of wood and plastics: a monograph]. Barnaul: AltGTU. 2010. 163 p.
2. Li Z., Marston N., Jones M. Corrosion of fasteners in treated timber field exposure testing. International Conference on Durability of Building Materials and Components. Porto. PORTUGAL. April 12-15, 2011.
3. Zelinka S.L., Rammer D.R. Modeling the effect of nail corrosion on the lateral strength of joints. Forest Products Journal. 2012. Vol. 62 (3), pp. 160-166.
4. Федосов С.В., Котлов В.Г., Алоян Р.М., Ясинский Ф.Н., Бочков М.В. Моделирование тепломассо-переноса в системе газ — твердое при нагельном соединении элементов деревянных конструкций. Ч. 1. Общая физико-математическая постановка задачи // Строительные материалы. 2014. № 7. С. 86—91.
4. Fedosov S.V., Kotlov V.G., Aloyan R.M., Yasinskii F.N., Bochkov M.V. Simulation of heat-and-mass transfer in gas-solid system at nailed connection of timber structures elements. Part 1. General physical-mathematical statement ofproblem. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2014. No. 7, pp. 86—91. (In Russian).
5. Федосов С.В., Котлов В.Г., Алоян Р.М., Ясинский Ф.Н., Бочков М.В. Моделирование тепломас-сопереноса в системе газ — твердое при нагельном соединении элементов деревянных конструкций. Ч. 2. Динамика полей температуры при произвольном законе изменения температуры воздушной среды // Строительные материалы. 2014. № 8. С. 73—79.
5. Fedosov S.V., Kotlov V.G., Aloyan R.M., Yasinskii F.N., Bochkov M.V. Simulation of heat-mass transfer in the gas-solid system at dowel joints of timber structures elements. Part 2. Dynamics of temperature fields at arbitrary law of changes of air environment temperature. Stroitel'nye Materialy [Construction Materials]. 2014. No. 8, pp. 73—79. (In Russian).
6. Федосов С.В. Тепломассоперенос в технологических процессах строительной индустрии. Иваново: ПресСто, 2010. 364 с.
6. Fedosov S.V. Teplomassoperenos v tekhnologicheskikh protsessakh stroitel'noi industrii [Heat and mass transfer in technological processes in construction industry]. Ivanovo: PresSto. 2010. 364 p.
7. Prahl D., Shaffer M. Moisture risk in unvented attics due to air leakage paths. D0E/G0-102013-3828. November, 2014. http://www.nrel.gov/docs/fy15osti/63048.pdf.
8. Roppel P., Lawton M. Attic ventilation and moisture research study. Homeowner Protection Office, Burnaby, BC, Canada. 2014. https://hpo.bc.ca/files/download/ Report/Attic-Research-Study-Final.pdf.
■ ■■■','J'.- : i ^ ■ i Г;-' научно-технический и производственный журнал
® декабрь 2016 85
