CC BY
0Напряженность и деформативность деревянного соединения усилинного тканью из углеволокна
со см о см
Бажин Григорий Михайлович
старший преподаватель кафедры Металлические и деревянные конструкции, НИУ МГСУ, gmbajin@gmail.com
Хобот Эдуард Игоревич
аспирант кафедры «Металлические и деревянные конструкции», НИУ МГСУ, eduard_khobot@mail.ru
В статье подробно рассматривается вопрос напряженности и дефор-мативности деревянных соединений, которые были усилены с использованием ткани из углеволокна. Представлен исторический обзор использования древесины и композитных материалов на ее основе в строительной отрасли, подчеркивается их долговечность и надежность при правильном проектировании и обслуживании. Особое внимание уделяется современным методам усиления деревянных конструкций, в частности, армированию углеволокном. Армирование может быть как глобальным, когда углеволокно накладывается на всю поверхность деревянного элемента, так и локальным, когда усиление происходит только в определенных участках. В статье основное внимание уделяется локальному усилению, в частности, поверхностному армированию деревянного соединения пластинами на основе углеволокна. Это позволяет контролировать напряжения в местах передачи усилий нагельного соединения. Для анализа деформаций и напряжений в статье использовался программный комплекс Ansys. Комплекс позволяет провести детальный анализ разрушающих эффектов, трещин и деформаций. Результаты исследования демонстрируют различия в деформациях и внутренних напряжениях при использовании разных материалов, а также преимущества усиления углеволокном. В частности, усиленные стержни показали высокую устойчивость к нагрузке и меньшую деформацию по сравнению с обычными.
Ключевые слова: древесина, углеволокно, деформация, напряженность, соединение, армирование древесины, композитные материалы, усиление конструкции, устойчивость, строительство, инновации.
О Ш
т х
Древесина и композитные материалы на основе древесины веками использовались в качестве основного конструктивного строительного материала, и бесчисленные примеры демонстрируют его долговечность при правильном проектировании, строительстве, обслуживании и оценке [1]. Недавняя разработка новых изделий из композитных материалов на основе древесины, соединительных систем и растущая осведомленность об устойчивости в строительном (инженерном) секторе привели к законодательным изменениям в строительной индустрии и, как следствие, к значительному расширению спектра использования в строительстве древесины.
Для реализации программы рационального использования древесины в строительных конструкциях требуются эффективные соединения и современные материалы. Разработка нового типа соединения деревянных элементов, повышение несущей способности существующих деревянных конструкций, восстановление деревянных конструкций, получивших повреждения в процессе эксплуатации, разработка новых деревянных конструкций составного сечения с применением композиционных материалов является задачей важной и актуальной [2,3].
Общие сведения. Структурное усиление деревянных конструкций можно разделить на две основные категории: добавление новых элементов для поддержки существующей конструкции и включение усилений в существующие элементы и соединения [4].
Древесина является высокоанизотропным материалом, характеризующимся низкой прочностью при растяжении и сжатии перпендикулярно волокон древесины, а также при сдвиге [5]. В статье будет рассмотрен вариант локального усиления деревянного соединения.
Армированный волокном полимер (FRP), использовались в качестве армирования деревянных конструкционных элементов для увеличения жесткости и/или прочности, а также для контроля возникновения и развития трещин.
Армирование древесины углеволокном осуществляется либо глобально, либо локально [5]. Глобальное армирование обычно выполняется в виде композитной ткани, расположенной на поверхности деревянного элемента. Местное армирование применяется для повышения устойчивости древесного материала к локально сосредоточенным напряжениям (или для контроля чрезмерных деформаций); оно может применяться либо в виде текстильной арматуры (поверхностной), либо в виде вклеенных стержней или труб.
В нашем случае мы рассмотрим поверхностное армирование деревянного соединение пластинами на основе углево-локна, для контроля напряжений в местах передачи усилий нагельного соединения.
<
т о х
X
Численный эксперимент. Процесс расчета был задействован в комплексе Ansys 18.2. Основным критерием при выборе ПО был просмотр разрушающего эффекта, получение трещин и подробных деформаций [6].
Таблица 1
Характеристики Материал
Углеволокно Сталь Древесина
Плотность (кг/м3) 3400 7850 936
Коэффициент теплового раширения (С-1) 5е-07 1,2е-05 4,69е-06
Модуль Юнга (Па) 8,3е+11 2е+11 2,28е+10
Коэффициент Пуассона 0,15 0,3 0,374
Модуль объемной упругости (Па) 3,952е+11 1,66е+11 3,015е+10
Модуль сдвига (Па) 3,6087е+11 7,69е+10 8,296е+09
Предел текучести при растяжении (Па) 4е+09 2,5е+08 4,78е+07
Предельная прочность при растяжении (Па) 6е+09 2,5е+08 1,47е+08
Рис. 1 Конечно-элементная модель узла деревянных конструкций
стью подтверждения расчетов натурными испытаниями. Соединительные элементы - стальные болты [1] диаметром 12 мм из стали С255-4. Нагрузка принята величиной в 10 кН.
В результатах поверочных расчетов видна разница в схеме деформации болтов, а также во внутренних напряжениях разных материалов. Деформации в стальных болтах обусловлены выбором стали, за счет пластичности материала возникает эффект текучести, что свойственно для сталей до С285 (рис. 2). Стержни усиленные углеволокном остаются упругими за счет своей высокой прочности в направлении давления нагрузки (рис.3).
В древесине из-за специфики материала возникает эффект смятия в отверстиях от воздействия нагрузки. Это не позволяет применять данный материал для использования в обширных областях промышленности. Однако одним из возможных решений этой проблемы является усиление области отверстий углеволокном (рис.4).
В: $1«1к 51»и»1ш«1
к
Рис. 2 Распределение эквивалентных напряжений по Мизесу в
стальных болтах, МПа
Рис. 4 Распределение эквивалентных напряжений по Мизесу возникающих в области отверстий, МПа
к
II: МаЫ М|иНии1
(чилч!«1* (*ел-М.1«1> ЙК11 IV* МР»
Я.« М*1
»'«
Н.М П.1*
14»
1*11 I'«
ми
Рис. 3 Распределение эквивалентных напряжений по Мизесу в стальных болтах, усиленных углеволокном, МПа
Размеры брусов в КЭМ составляют 135*140*50 мм (Рис.1). Выбор данных размеров был обусловлен необходимо-
Рис. 5 Распределение эквивалентных напряжений по Мизесу возникающие в болтах и углепластиковых наклейках в области усиления отверстий, МПа
X X О го А С.
X
го т
о
м о м
Сл>
На рис. 5 можно отметить возникающее перераспределение напряжений с болтов на углепластиковые наклейки, усиливающие область отверстий. Это позволяет снизить деформации области отверстий, избегая смятия.
< CÛ
о
Рис. б График сравнения эквивалентных напряжений по Мизесу образцов с усилением углеволокном и без усиления
Из результатов поверочных расчетов видно, как равномерно перераспределяются усилия в болтах и на гранях отверстий за счет восприятия напряжений армирующими наклейками на основе углеволокна.
Заключение и обсуждение. При использовании углеволо-конного армирования в деревянных конструкциях наблюдается эффективное перераспределение напряжений. Это особенно заметно в точках, где традиционно деревянные элементы подвергаются максимальным нагрузкам, таким как места смятия от болтов на краях элементов.
Аналитические данные, представленные в статье, наглядно демонстрируют различия в напряжениях и деформациях между деревянными элементами с усилением и без него. Это подтверждает преимущества углеволоконного армирования в плане повышения прочности и устойчивости деревянных конструкций [7,8].
Усиление деревянных конструкций углеволоконными пластинами и стержнями предоставляет новые возможности для расширения областей применения древесины в строительстве. Это может привести к созданию более долговечных, устойчивых и экологически чистых зданий и сооружений [9,10].
Несмотря на положительные результаты, представленные в статье, необходимы дополнительные исследования для определения оптимальных методов армирования, а также для изучения долгосрочного воздействия различных факторов на усиленные углеволокном деревянные конструкции.
Литература
1. Линьков В.И., Линьков Н.В., Хобот Э.И. Усиление изгибаемых элементов из клееной древесины композиционными материалами на основе стекловолокна и углепластика // Конференция актуальные проблемы строительной отрасли и образования, 2021
2. Линьков Н.В. Усиление деревянных конструкций с применением соединений «КМ-Обклейка» // Промышленное и гражданское строительство, 2019. № 3. С. 42-47.
3. Линьков Н.В. Применение стеклоткани полотняного переплетения в композиционном материале для усиления деревянных конструкций // Известия высших учебных заведений. Технология текстильной промышленности. 2018. № 3 (375). С. 75-80.
4. Branco, J. Dietsch Р. Tannert, T. Reinforcement of timber Elements in Existing Structures // State-of-the-art Report of the RILEM TC 245-RTE - Springer, 2021. - 13 с.
5. Abdulaziz I. Al-Negheimish, Ahmed K. El-Sayed, Mohammed A, Al-Saawani and Abdulrahman M. Alhozaimy. Effect of stiruups on plate end debonding in reinforced concrete beams strengthened with fiber reinforced polymers // Polymers MDPI 2021. 13.
6. Kawecki, B. Podgorski, J. The effect of glue cohesive stiffness on the elastic performance of bent wood-CFRP Beams //Materials MDPI. 2020. 256 c.
7. Lobov, E.; Dobrydneva, A.; Vindokurov, I.; Tashkinov, M. Effect of Short Carbon Fiber Reinforcement on Mechanical Properties of 3D-Printed Acrylonitrile Butadiene Styrene. Polymers 2023, 15, 2011. https://doi.org/10.3390/ polym15092011
8. V. Chawla, D. Penumadu The combined effect of temperature and seawater on the compression properties of carbon fiber vinyl ester composites for sandwich structures //Sandwich Structures & Materials, 2023
9. S. Chandra, Amit Amulani, Shweta B. Thomas, S. Soni, B. Thomas Influence of CNT volume fractions on static and dynamic behavior of aluminum honeycomb-cored carbon-fiber-reinforced honeycomb sandwich structure // Mechanical Sciences and Engineering, 507 (2022)
10. Huang X.., Birman V., Nanni A., Tunis G. Properties and Potential for Application of Steel Reinforced Polymer (SRP) and Steel Reinforced Grout (SRG) Composites. Internet. University, of Missouri-Rolla, 2003, 27 p.
Stress and deformation of wooden joint reinforced with carbon fiber fabric Bazhin G.M., Khobot E.I.
Moscow State University of Civil Engineering (National Research University) (MGSU) JEL classification: L61, L74, R53
The article discusses in detail the issue of tension and deformability of wooden joints, which were reinforced using carbon fiber fabric. A historical overview of the use of wood and composite materials based on it in the construction industry is presented, their durability and reliability with proper design and maintenance are emphasized. Special attention is paid to modern methods of strengthening wooden structures, in particular, carbon fiber reinforcement. Reinforcement can be either global, when carbon fiber is applied to the entire surface of the wooden element, or local, when reinforcement occurs only in certain areas. The article focuses on local reinforcement, in particular, the surface reinforcement of the wooden joint with carbon fiber-based plates. This allows you to control the stresses at the points of transmission of the forces of the nagel connection. To analyze deformations and stresses, the article used the Ansys software package. The complex allows for a detailed analysis of destructive effects, cracks and deformations. The results of the study demonstrate differences in deformations and internal stresses when using different materials, as well as the advantages of carbon fiber reinforcement. In particular, reinforced rods showed high load resistance and less deformation compared to conventional ones. Keywords: wood, carbon fiber, deformation, tension, connection, wood reinforcement, composite materials, structural reinforcement, stability, construction, innovation. References
1. Linkov V.I., Linkov N.V., Khobot E.I. Strengthening bending elements made of
laminated wood with composite materials based on fiberglass and carbon fiber // Conference on current problems of the construction industry and education, 2021
2. Linkov N.V. Strengthening wooden structures using KM-Bluing joints // Industrial
and Civil Construction, 2019. No. 3. P. 42-47.
3. Linkov N.V. The use of plain weave fiberglass in a composite material for
strengthening wooden structures // News of higher educational institutions. Textile industry technology. 2018. No. 3 (375). pp. 75-80.
4. Branco, J. Dietsch R. Tannert, T. Reinforcement of timber Elements in Existing Structures
// State-of-the-art Report of the RILEM TC 245-RTE - Springer, 2021. - 13 p.
5. Abdulaziz I. Al-Negheimish, Ahmed K. El-Sayed, Mohammed A, Al-Saawani and
Abdulrahman M. Alhozaimy. Effect of stiruups on plate end debonding in reinforced concrete beams strengthened with fiber reinforced polymers // Polymers MDPI 2021. 13.
6. Kawecki, B. Podgorski, J. The effect of glue cohesive stiffness on the elastic
performance of bent wood-CFRP Beams // Materials MDPI. 2020. 256 p.
7. Lobov, E.; Dobrydneva, A.; Vindokurov, I.; Tashkinov, M. Effect of Short Carbon
Fiber Reinforcement on Mechanical Properties of 3D-Printed Acrylonitrile Butadiene Styrene. Polymers 2023, 15, 2011. https://doi.org/10.3390/polym15092011
8. V. Chawla, D. Penumadu The combined effect of temperature and seawater on the
compression properties of carbon fiber vinyl ester composites for sandwich structures //Sandwich Structures & Materials, 2023
9. S. Chandra, Amit Amulani, Shweta B. Thomas, S. Soni, B. Thomas Influence of
CNT volume fractions on static and dynamic behavior of aluminum honeycomb-cored carbon-fiber-reinforced honeycomb sandwich structure // Mechanical Sciences and Engineering , 507 (2022)
10. Huang X., Birman V., Nanni A., Tunis G. Properties and Potential for Application
of Steel Reinforced Polymer (SRP) and Steel Reinforced Grout (SRG) Composites. Internet. University, of Missouri-Rolla, 2003, 27 p.
