Научная статья на тему 'Натурное и численное моделирование НДС кладок на древесных заполнителях'

Натурное и численное моделирование НДС кладок на древесных заполнителях Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

CC BY
103
27
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Журнал
Вестник МГСУ
ВАК
RSCI
Ключевые слова
ИСПЫТАНИЯ / TESTS / ОПИЛКОБЕТОННЫЕ КАМНИ / КЛАДКА ИЗ ГИПСООПИЛОЧНЫХ КАМНЕЙ / ОПИЛКОБЕТОННЫЕ КИРПИЧИ / КРАТКОВРЕМЕННАЯ ПРОЧНОСТЬ / SHORT-TERM STRENGTH / ДЛИТЕЛЬНАЯ ПРОЧНОСТЬ / ПОЛЗУЧЕСТЬ / CREEP / МЕТОД КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ / FINITE ELEMENT METHOD / ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ / NUMERICAL SIMULATION / WOOD CONCRETE BLOCKS / WOOD-GYPSUM CONCRETE BLOCK WORK / WOOD-CONCRETE BRICK / STRENGTH UNDER SUSTAINED LOAD

Аннотация научной статьи по технологиям материалов, автор научной работы — Лихачева С. Ю., Лебедев М. А.

В статье представлены результаты экспериментальных исследований столбов, выполненных из опилкобетонной и гипсоопилочных кладок, при кратковременном и длительном сжатии, а также численных исследований этих столбов на основе МКЭ.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

NATURAL AND NUMERICAL SIMULATION OF STRESS- STRAIN STATE OF BLOCKWORK WITH WOOD FILLERS

The results of the tests of the columns executed from wood-concrete and wood-gypsum concrete block work at short-term and long compression are given in the paper. Also some results of numerical researches of these columns on the basis of МКЭ are given.

Текст научной работы на тему «Натурное и численное моделирование НДС кладок на древесных заполнителях»

НАТУРНОЕ И ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ НДС КЛАДОК НА ДРЕВЕСНЫХ ЗАПОЛНИТЕЛЯХ

NATURAL AND NUMERICAL SIMULATION OF STRESSSTRAIN STATE OF BLOCKWORK WITH WOOD FILLERS

С.Ю.Лихачева, М.А.Лебедев

S. Yu.Likhacheva, M.A. Lebedev

ННГАСУ

В статье представлены результаты экспериментальных исследований столбов, выполненных из опилкобетонной и гипсоопилочных кладок, при кратковременном и длительном сжатии, а также численных исследований этих столбов на основе МКЭ.

The results of the tests of the columns executed from wood-concrete and wood-gypsum concrete block work at short-term and long compression are given in the paper. Also some results of numerical researches of these columns on the basis of МКЭ are given.

История применения в строительной индустрии деревобетонов насчитывает более 50 лет, но если ранее использовались плиты из этого композиционного материала, то на данный момент все большое распространение в малоэтажном строительстве получают кладки из камней и кирпичей на древесных заполнителях. Такое строительство ориентировано главным образом на частных застройщиков, предъявляющих повышенные требования к эксплуатационным свойствам здания (экологическая чистота материалов, комфортность проживания) и к экономичности (меньшая стоимость процесса возведения, низкие затраты на обогрев здания).

Опилкобетонные камни и кирпичи представляют собой искусственный безобжиговый стеновой строительный материал, изготовленный методом вибропрессования из легкого бетона, песка, модифицирующих добавок и опилок хвойных пород крупностью 2 - 5 мм, и отвердевший в естественных условиях или в условиях тепловлажно-стной обработки при атмосферном давлении.

При изготовлении опилкобетонных камней и кирпичей старые, долго пролежавшие опилки и те, которые во время эксплуатации могут быть подвергнуты действию влаги, следует подвергать специальной обработке. Но в тоже время практика применения опилкобетона в нашей стране показывает, что в присутствии цемента свежие опилки не подвержены гниению, и их обработка необязательна. Это обстоятельство подтверждается и собственным опытом - при исследовании технического состояния стен здания в Нижнем Новгороде, эксплуатируемого в течение 9 лет без наружной отделки, проведенного специалистами кафедры конструкций из дерева, древесных композитов и пластмасс ННГАСУ, не было выявлено признаков гниения опилок в структуре опилкобетонных кирпичей, изготовленных без минерализации опилок.

1/2011

ВЕСТНИК _МГСУ

Гипсоопилочные камни отличаются от опилкобетонных тем, что в их состав помимо бетона входит еще и строительный гипс с различными замедлителями схватывания.

Основная причина, препятствующая широкому внедрению таких камней в массовое строительство, - полное отсутствие сведений о механических и прочностных характеристиках кладок на их основе.

В лабораториях деревянных конструкций Нижегородского архитектурно-строительного университета были проведены масштабные натурные экспериментальные исследования кратковременной и длительной прочности кладок из опилкобетонных и гипсоопилочных камней, сплошных и пустотелых, а также столбов из опилкобетонных кирпичей [2, 4, 6].

При исследованиях кратковременной прочности было испытано 36 опытных образцов кладки из опилкобетонных камней типа «Крестьянин», 44 - из таких же гипсоопилочных и 40 - из опилкобетонных кирпичей. Испытания проводились сериями, в которых менялась прочность камней и растворов, высота столбов и размеры поперечных сечений. В каждой серии испытывалось по 4 столба.

По результатам проведенных испытаний в каждой серии были определены средние значения предела прочности камня, раствора и кладки, также начального модуля деформаций, а для некоторых серий - коэффициента поперечного расширения. Все результаты кратковременных и длительных испытаний подвергались тщательному статистическому анализу.

Разрушение образцов из всех исследуемых видов кладок начиналось с появления вертикальных трещин в отдельных камнях над горизонтальными швами (рис. 1). Нагрузка, при которой появлялись первые трещины Лр находилась в пределах 0,68.. .0,78 от разрушающей Лр ив среднем составила Лр = 0.75 Лр.

В)

Рис.1. Фотографии разрушения столбов из опилкобетонных (а) и гипсоопилочных (б) камней и из опилкобетонных кирпичей (в) при кратковременном сжатии

Для расчетной оценки предела прочности кладок на древесных заполнителях согласно была использована формула Л.И. Онищика. Определяющие коэффициенты, входящие в эту формулу, до описываемых исследований для всех видов кладок были не определены. На основе результатов испытаний методом последовательных приближений они были получены и представлены в табл.1.

Таблица 1

Вид кладки а Ь т п

Гипсоопилоч- из сплош- 0,1 0,3 1,0 1,5

ная ных камней

из пусто- 0,15 0,3 1,5 2,5

телых камней

Опилкобетон- из пусто- 0,08 0,3 1,0 1,95

ная телых камней

из кирпи- 0,2 0,3 1,0 2,0

чеи

Проведенное для всех 20 серий сравнение экспериментальных значений пределов прочности кладки при сжатии с расчетным , вычисленными по формуле Л.И. Онищика, показало хорошее совпадение. Максимальное отличие экспериментального значения предела прочности кладки от расчетного составило 11%.

Из анализа кривых деформирования всех изученных кладок из опилкосодержа-щих камней и кирпичей был сделан вывод, что при величине напряжения а > ст1.2 = 0,65Яи происходит интенсивное развитие продольных и особенно поперечных деформаций кладки. Предлагается считать значение ст1.2 = 0,65Яи пределом конструктивной прочности любой кладки из камней и кирпичей на древесных заполнителях.

Для получения экспериментальных данных о характере изменения деформаций ползучести кладки также были проведены длительные испытания образцов - столбов из сплошных гипсоопилочных камней и пустотных опилкобетонных, а также - из опилкобетонных кирпичей. Результаты анализа полученных экспериментальных данных подробно описаны в работах [3, 5, 7]. Для всех проведенных исследований выявлены следующие закономерности:

а) линейная зависимость между относительными деформациями ползучести и начальным относительным уровнем напряжений;

б) процесс ползучести каждой кладки в отдельности может быть описан одной кривой - графиком зависимости характеристики ползучести от времени измерения деформаций.

Проведенные исследования позволили определить предельно низкое критическое напряжение сжатых элементов с учетом влияния фактора времени, а также получить зависимость для определения граничного значения гибкости столбов изучаемых кладок в любой момент времени.

Появление мощных ЭВМ сделало возможным проведение расчетов элементов строительных конструкций, в том числе и каменных, на основе использования современных математических моделей. Среди различных численных методов, реализующих эти модели, особое место занимает метод конечных элементов (МКЭ), благодаря своей универсальности в программной реализации и естественности механической природы.

В численных исследованиях кладок на древесных заполнителях были использованы: программный комплексы УПАКС [2] (созданный в НИИ механики при Нижегородском Государственном университете им. Н.И.Лобачевского) и АКБУБ версия 11.0

1/2011

ВЕСТНИК МГСУ

(работа проводилась совместно с кафедрой кафедры информатики и прикладной математики МГСУ)[1].

Некоторые результаты численного моделирования представлены на рис.2, 3.

Эгшры плрАмстрк ^алщисчии лс гцнипцхн г/х

¿Б9 -и 55А0 45!) гв :Г!В Л ¿59-в

15В-В

„¡п - ЩГ1Е>Я1Г, № =

ч

и.н 1ВВ.в \>т ъ №(1 и Бю.е ьва в

Рис. 2. Эпюры поврежденности участка с трещиной столба, представленного на рис.1, б, полученные с использованием ПК УПАКС

а)

б)

Рис. 3. Моделирование поведения столба, представленного на рис. 1 в, выполненного с использованием ПК АЫБУБ а) конечно-элементное разбиение столба и плиты; б) распределение продольных перемещений

Работа выполнена в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 - 2013 годы, финансируемых за счет средств федерального бюджета, выделяемых по направлению расходов «НИ-ОКР», мероприятию 1.3 «Проведение научных исследований молодыми учеными -

кандидатами наук и целевыми аспирантами в научно-образовательных центрах» (ГК № П1186 от 27.08.09) .

Литература

1. Дубинский С.И. Лихачева С.Ю., Численное моделирование разрушения кладки из опилкобетонных кирпичей с использованием программного комплекса ЛЫ8У8//Приволжский научный журнал. 2010. №2. с.7-10.

2. Лихачева С.Ю., Кондрашкин О.Б. Численные исследования деформационно-прочностных свойств кладки из гипсоопилочных камней // Приволжский научный журнал. 2007. №3. с.68-75.

3. Цепаев В.А., Лебедев М.А., Лихачева С.Ю. Ползучесть кладки из опилкобетона // Жилищное строительство.2010, № 3, С.25-27.

4. Цепаев В.А., Лебедев М.А., Лихачева С.Ю. Экспериментальные исследования прочности и деформативности кладки из опилкобетонных кирпичей при кратковременном сжатии// Вестник РААСН Волжского регионального отделения.2009. Вып.12. с.203 - 210.

5. Цепаев В. А., Лихачева С.Ю., Кондрашкин О.Б. Длительная прочность кладки из гипсоопилочных камней// Приволжский научный журнал. 2009. №4. с.39-42.

6. Цепаев В. А., Лихачева С.Ю., Шурышев И. Н. Кратковременная прочность кладки из опилкобетонных камней при одноосном сжатии //Приволжский научный журнал. 2009. №4, с.13-18.

7. Цепаев В. А., Лихачева С.Ю., Шурышев И. Н. Длительная прочность кладки из опилкобетонных камней при одноосном сжатии //Приволжский научный журнал. 2010. №2, с.19-26.

The literature

1. Dubinsky S. I., Likhacheva S. Yu. Numerical modelling of wood-concrete brick work destruction using ANSYS// Volga scientific journal. 2010. №2.p.7-10.

2. Likhacheva S. Yu., Kondrashkin O.B. Numerical investigations of the deformation-strength properties of wood-gypsum concrete block work // Volga scientific journal. 2007. №3. p.68-75

3. Tsepaev V.A, Lebedev M.A. , Likhacheva S. Yu. Creep of the wood concrete// Housing bilding.2010, № 3, p.25-27

4. Tsepaev V.A, Lebedev M.A. , Likhacheva S. Yu. Experimental tests of the strength and deformability of wood-concrete masonry for short compression//Bulletin of the Russian Academy of Architecture and Building Sciences of the Volga regional office.2009. №.12. p.203 - 210.

5. Tsepaev V.A, Likhacheva S. Yu., Kondrashkin O.B. Durability of wood-gypsum concrete block work// Volga scientific journal. 2009. №3, p.39-42.

6. Tsepaev V.A, Likhacheva S. Yu., Shuryshev I.N.Short-term strength of sawdust concrete block work under uniaxial compression// Volga scientific journal. 2009. №4, p.13-18.

7. Tsepaev V.A, Likhacheva S. Yu., Shuryshev I.N. Durability of sawdust concrete block work under uniaxial compression// Volga scientific journal. 2010. №2, p.19-26.

Ключевые слова: испытания, опилкобетонные камни, кладка из гипсоопилочных камней, опил-кобетонные кирпичи, кратковременная прочность, длительная прочность, ползучесть, метод конечных элементов, численное моделирование.

Key words: tests, wood concrete blocks, wood-gypsum concrete block work, wood-concrete brick, short-term strength, strength under sustained load, creep, the finite element method, numerical simulation.

E-mail авторов: lihsvetlana@yandex.ru

Рецензенты: А.К.Ломутов доктор физико-математических наук ведущий научный сотрудник НИИМ ННГАСУ, С.В.Зефиров кандидат технических наук ведущий научный сотрудник НИИМ ННГАСУ

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.