CC BY
68
Машиностроение. Строительство. Материаловедение. Металлообработка
УДК 624.078
НЕСУЩАЯ И ДЕФОРМАЦИОННАЯ СПОСОБНОСТЬ СТЕКЛОПЛАСТИКОВЫХ НАГЕЛЬНЫХ СОЕДИНЕНИЙ В ДЕРЕВЯННЫХ КОНСТРУКЦИЯХ С УЧЕТОМ ВРЕМЕНИ И ТЕМПЕРАТУРЫ ЭКСПЛУАТАЦИИ*
О.В. Умнова, В.П. Ярцев
Кафедра «Конструкции зданий и сооружений», ГОУ ВПО «ТГТУ»
Представлена членом редколлегии профессором В.И. Коноваловым
Ключевые слова и фразы: изгиб нагеля; коэффициент длительного сопротивления; коэффициент условий работы; нагельные соединения; напряженное состояние; смятие вокруг отверстия нагельного гнезда; стеклопластик; термоак-тивационная концепция деформирования и разрушения твердого тела.
Аннотация: Установлены закономерности деформирования и разрушения нагельных соединений деревянных конструкций в условиях термомеханического нагружения. Предложены эмпирические уравнения зависимости несущей и деформационной способности нагельных соединений на стеклопластиковых нагелях от температуры. Получены уравнения долговечности нагельных соединений на стеклопластиковых нагелях в зависимости от уровня напряжений в нормальных температурно-влажностых условиях с позиции термоактивационной концепции деформирования и разрушения твердого тела. Разработана методика расчета нагельных соединений деревянных конструкций с учетом влияния повышенных температур и времени эксплуатации.
Обозначения
й?н , ¿ш - диаметр нагеля и жесткого штампа, мм; Л, Евр , Едл - временный и длительный модуль упругости стеклопластика, МПа;
ЕС
е:
сжт
-д , -^д90 - модуль упругости древесины при сжатии вдоль и поперек волокон, МПа;
Л1-П - несущая способность (разрушающее усилие) и деформационная способность (верхняя граница упругой работы) нагельного соединения, кН; Я - универсальная газовая постоянная, кДж/(моль-К);
коэффициенты длительного
¿дл , кдл
сопротивления древесины и нагеля;
RT RT
дл.см > и
длительные расчетные
сопротивления древесины смятию и нагеля изгибу при температуре Т, МПа;
T
„20
„20
тТ - коэффициенты условий работы Як.см, Яи - кратковременные р^тетньш
сопротивления древесины смятию и АГ-4НС изгибу при 20 °С, МПа; Т - температура, К;
древесины при смятии в отверстии и нагеля из стеклопластика АГ-4НС при изгибе в зависимости от температуры;
Принято к печати 11.12.2006 г.
Тт - предельная температура существования твердого тела, при которой материал разрушается или размягчается, К; и0 - максимальная энергия активации разрушения, кДж/моль;
у - структурно-механическая константа, кДж/(моль-МПа);
8 - толщина деревянного элемента, см; 8 - относительная деформация, %; х, t - время до разрушения, долговечность соответственно, с;
Ф0, ф - максимальный угол распределения
давления и определения напряжений (постановки тензодатчиков) по направлению к волокнам древесины, град.;
о, опч - напряжение и осредненный предел прочности при разрушении, МПа; ог - радиальные напряжения вокруг отверстия нагельного гнезда, МПа;
Т
осм, ои - прочность при смятии
древесины нагельного гнезда и при изгибе нагеля при температуре Т, МПа.
Аббревиатуры
АГ-4НС - стеклопластик на фенолоформальдегидном связующем; ССЦО - стеклопластик на эпоксидно-диановом связующем.
На основании изложенного в статье [1] при разработке методики прогнозирования длительной прочности нагельных соединений с учетом температуры эксплуатации использовали термофлуктуационную теорию прочности твердого тела и обобщенную формулу долговечности, полученную С.Б. Ратнером и В.П. Ярцевым [2],
Т Тту
Uo _Y°
R
(1)
При проведении экспериментов в качестве нагелей использовали термореактивные стеклопластики марок АГ-4НС и ССЦО; для соединяемых элементов использовали древесину сосны II сорта. Размеры деревянных элементов двухсрезно-го симметричного нагельного соединения принимали из условия размещения нагелей. Отношение толщины крайних элементов к толщине средних принято для большинства образцов а/с = 0,5.
При испытаниях от кратковременного действия нагрузки с вариацией температуры использовали универсальную разрывную машину ИР 5057-50. Для поддержания заданной температуры использовали накладную печь, контактный термометр, реле для регулирования температуры.
Для проведения длительных испытаний использовали пружинные установки с усилием до 50 кН.
Общий вид образца показан на рис. 1.
Образцы соединений, согласно [3], испытывали ступенчато-возрастающей нагрузкой при температуре от 20 до 100 °С. Ступень нагружения Ы' назначали равной (0,08...0,1)Ы Кратковременные испытания проводили с периодической разгрузкой для Ыщ. Длительные сопротивления и деформации ползучести нагельных соединений определяли путем испытания трех серий образцов под длительно действующими статическими нагрузками 0,85; 0,9; 0,95 от Ы^ определенной по результатам кратковременных испытаний.
После испытаний образцы, распиленные по оси нагеля, фотографировали для фиксирования истинной картины результатов. Всего испытано 194 нагельных соединений.
Исследования работы соединений деревянных элементов при кратковременном нагружении в условиях повышенных температур проводили на нагелях диаметром 10, 12, 14 и 16 мм из АГ-4НС; 12, 16 и 20 мм из ССЦО при температурах
t = tT exp
20, 40, 60, 80 и 100 °С. По результатам испытаний получены зависимости действующей нагрузки и ступени нагружении от полной деформации (Ж - Бп{; п - -Опг). Диаметр нагеля и температура оказывают влияние как на несущую способность, так и на величину полной деформации нагельного соединения. С увеличением диаметра нагеля несущая способность соединения возросла на 203 % для АГ-4НС и 173 % для ССЦО. Повышение температуры для каждого диаметра нагеля вызывает снижение несущей способности и увеличение деформации.
Для диаметров 16 и 20 мм из ССЦО с повышением температуры с 20 до 60 °С наблюдается увеличение сдвига средней части нагеля по отношению к крайним, а при температуре 80 и 100 °С происходит существенное расслаивание наполнителя и матрицы материала нагеля, в отличие от нагелей из АГ-4НС, где происходит вырывание волокон.
При температуре 80 °С отмечено понижение деформативности соединений с нагелями из АГ-4НС для всех диаметров и из ССЦО для диаметров 12 и 16 мм при нагрузках N < Жщ (зона условной упругой работы соединения).
По результатам статистической обработки экспериментальных данных получены эмпирические уравнения зависимости несущей и деформационной способности соединений от температуры для различных диаметров нагелей (табл. 1).
Для сравнения и выявления влияния температуры на древесину при ее работе в нагельном соединении исследованы несущая способность и деформативность соединений деревянных элементов на металлических нагелях диаметром 10 и 12 мм в том же диапазоне температур.
Отмечено также понижение деформативности соединений при нагрузках N < N¡^1 и температуре 80 °С, что говорит об упрочнении древесины.
Анализ полученных экспериментальных данных позволяет сделать вывод, что на схему разрушения оказывает влияние не только отношение а/с и диаметр нагеля, но и температура.
Для количественной оценки напряжений, возникающих при смятии древесины нагельного гнезда, использовали проволочные тензорезисторы с базой 10 мм, наклеенные в зоне напряженного состояния с обеих сторон образца. Теоретический расчет перемещений и напряжений проводили методом конечных элементов с использованием программы БЬСИТ 5.1. Влияние температуры оценивали путем изменения модуля упругости:
Еджа =(1,1 -0,00166Т)-104, Едж?=(0,062-0,0001Г)104 . (2)
Таблица 1
Зависимости несущей и деформационной способности соединений от температуры
dH, мм Материал нагеля
АГ-4НС ССЦО
N, кН
12 Y(x) = 10,66 exp(-0,005x) Y(x) = 16,24 exp(-0,01 x)
14 Y(x) = 1,0 exp(-0,0047x) -
16 Y(x) = 9,5 exp(-0,0044x) Y(x) = 29,4 exp(-0,0069x)
20 Ni-II Y(x) , кН = 45,78 exp(-0,01x)
12 Y(x) = 10,4 exp(-0,016x) Y(x) = 13,9 exp(-0,0105x)
14 Y(x) = 11,4 exp(-0,0084x) -
16 Y(x) = 17,1 exp(-0,0054x) Y(x) = 22,53 exp(-0,011x)
20 - Y(x) = 46,15 exp(-0,016x)
Распределение напряжений в зоне нагельного гнезда (нагружение модели) принимали по формуле (3), считая радиус отверстия и штампа условно одинаковыми,
S = коф ^cos j- cos j cos j, k = 1 (1 - cos j0/2)2 ; оСр =drj~, (3)
где N = Ж1-П - действующая на образец нагрузка, равная условному пределу пропорциональности смятия древесины нагельного гнезда, определенному с использованием графопостроителя из испытаний пробных образцов (не менее 3-5) с постоянно возрастающей нагрузкой, кН.
Типичный вид распределения экспериментальных и теоретических радиальных напряжений сг вокруг отверстия для диаметра штампа 20 мм при заданной вариации температур показан на рис. 2.
Форма распределения теоретических радиальных напряжений вокруг отверстия совпадает с экспериментальными. Теоретические значения несколько больше экспериментальных, что объясняется характером приложения нагрузки к образцам (ступенчато возрастающая с разгрузкой). Увеличение диаметра штампа при 20 °С приводит к уменьшению радиальных и тангенциальных напряжений, определенных при условном пределе пропорциональности.
Наименьшие теоретические и экспериментальные значения сг во всем исследуемом диапазоне температур получены при диаметре штампа 14 мм, что говорит о неэффективности данного диаметра.
Т=20 °С; Т=40 °С;
Р=^1_п=20 кН P=NI_II=20 кН
-0,0604Г \-0,082 -0,056 f~~\-0,077
-0,224 \JyJ '
Т=60 °С; P=NI_II=20 кН
Т = 80 °С;
P=NI_II=20 кН
-1,743 -0,741
Qf !
0,142 -0,10
0,066
043
1,56 _
-0,615
-1,77
-11,01
6,68
-1,585
0,76
Рис. 2. Распределение теоретических и экспериментальных (пунктир), радиальных напряжений о г, МПа, вокруг отверстия нагельного гнезда
при вариации температуры испытания для = 20 мм
Коэффициент к = отеор / оэксп находится в пределах ~ 1,5... 3 (для dш = 14 мм к » 4) и уменьшается с увеличением диаметра штампа. Независимо от температуры испытания коэффициент концентрации напряжений у контура отверстия равен 5,5.6, глубина зоны деформирования древесины равна 2-3 диаметрам штампа.
Для оценки долговечности нагельного соединения проведены испытания на пружинных установках при вариации постоянных нагрузок в нормальных темпе-ратурно-влажностных условиях.
По результатам испытаний получены зависимости логарифма времени до разрушения ^т от уровня действующего на соединение напряжения о/опч, %. Зависимости носят линейный характер как для соединений на нагелях из стеклопластика АГ-4НС, так и из стеклопластика ССЦО (табл. 2).
Таблица 2
Значения коэффициентов уравнения долговечности для соединений на нагелях
Материал нагеля dH, мм Igt, с lg А а, с/МПа Уравнение долговечности
0,95 4,03
АГ-4НС 0,90 0,85 10 6,30 6,73 30,00 -0,270 ^Т = 30,0 - 0,27 о/опч
0,95 3,73
0,90 12 6,02 31,50 -0,289 ¡ЯХ = 31,5 - 0,289 о/опч
0,85 6,62
0,95 2,954
ССЦО 0,90 0,85 16 3,819 5,282 29,62 -0,283 ¡ЯТ = 29,62 - 0,283 о/опч
0,95 3,494
0,90 20 4,872 32,08 -0,300 ¡ЯТ = 32,08 - 0,3 о/опч
0,85 6,493
Полученные зависимости дают возможность более точно прогнозировать длительную прочность соединений деревянных элементов на нагелях из стеклопластика при нормальных температурно-влажностных условиях работы. Чем выше уровень нагрузки, тем более существенно с течением времени проявляются деформации сдвига в нагелях по плоскостям сплачивания, а для нагелей диаметром 10 мм из АГ-4НС наблюдали «срез» (вырывание волокон) по плоскостям сплачивания для уровня нагрузки 0,95 и 0,9 N
Для прогнозирования работоспособности нагельного соединения при эксплуатации в условиях повышенных температур по формулам СНиП 11-25-80 [4] необходимо определить влияние температуры на прочностные характеристики материалов Ясм, Яи. Это возможно путем введения в формулы коэффициентов условий работы материалов нагельного соединения при повышенной температуре.
По результатам экспериментальных исследований, полученным П. А. Дмитриевым [5] для сопротивления древесины смятию в нагельном гнезде при нормальной температуре, определены постоянные уравнения (4).
Из уравнения (4) получим выражение для определения сопротивления смятию древесины нагельного гнезда в зависимости от температуры и продолжительности нагружения
sCM =К -2,3RTlg- I/g
(5)
Влияние повышенной температуры на сопротивление древесины смятию буТ Т / 20
дем учитывать коэффициентом условий работы тд =асм/ осм .
Т
Получены значения коэффициента тд в зависимости от срока эксплуатации
и суммарной продолжительности воздействия температуры.
Учитывая формулу (5), коэффициент условий работы древесины нагельного гнезда смятию при продолжительности действия температуры Т
a20
T
тд =
д t
(lg AT - lg t) aT (lg A20 - lg t) ■
(6)
Полученные результаты показаны на рис. 3.
16
12
8
4 0
у3
.4
5
2 / ^.WV7 WW ш -2
5
10
15
20
а, МПа
Рис. 3. Зависимости времени до разрушения древесины от напряжения смятия вдоль (-) и поперек (__, — -) волокон:
1 - Т = 293 К; 2 - Т = 313 К; 3 - Т = 333 К; 4 - Т = 353 К; 5 - Т = 373 К
0
Таблица 3
Значения коэффициентов длительного сопротивления
Срок эксплуатации, лет i н
5 0,55 0,44
10 0,53 0,41
20 0,52 0,39
50 0,49 0,36
На основании полученных зависимостей времени до разрушения при изгибе стеклопластика АГ-4НС от нагрузки и температуры, аналогично древесине рассчитан коэффициент условий работы нагеля из стеклопластика АГ-4НС при изгибе -
(ои определяют из формул
T T тп =ои
3d!
25
2d
15
10
d
№
Ч \ N
\ Ч
S. ч ч
ч i1 \ \
ч <2 % \
ул ч ч
2d 4d 6d 80
100 о/от, %
Рис. 4. Зависимости логарифма долговечности от отношения о/опч:
1 - экспериментальная; 2 - расчетная
(1) и (4)).
С учетом длительности нагружения расчетные сопротивления древесины смятию и АГ-4НС изгибу можно определить по следующим формулам:
RT = mTk r20 .
"дл.см '"д "да^к.см ■
RT = mTkн r20
Ru - тн kдл Ru
5
^дл ^дл.см/°к.см ; ^дл °дл.и/°к.и• (8)
Значения полученных коэффициентов длительного сопротивления древесины и нагеля приведены в табл. 3.
Для сравнения экспериментальных данных с теоретическими произведен расчет соединения с нагелем из АГ-4НС йн = 1° мм по приведенной выше методике. Результаты расчета и эксперимента для наглядности представлены в виде зависимости логарифма долговечности от отношения о/опч на рис. 4.
Получена хорошая сходимость результатов расчета и эксперимента.
В качестве примера расчета по предложенной методике и по СНиП 11-25-8° (для сравнения) была рассчитана безметальная ферма пролетом 12 м на нагелях из стеклопластика АГ-4НС.
Список литературы
1. Умнова, О.В. Прочность и деформативность термореактивных стеклопластиков в нагельных соединениях деревянных конструкций с учетом времени и температуры эксплуатации / О.В. Умнова, В.П. Ярцев // Вестн. Тамб. гос. техн. ун-та. - 2006. - Т. 12, № 4Б. - С. 1122-1129.
2. Ратнер, С.Б. Прочность, долговечность и надежность конструкционных пластмасс / С.Б. Ратнер, В.П. Ярцев. - М. : НИИТЭХИМ, 1983. - Вып. 12. -76 с.
3. Рекомендации по испытанию соединений деревянных конструкций / Центр. науч.-исслед. ин-т строит. конструкций им. В.А. Кучеренко. - М. : Строй-издат, 1980. - 40 с.
4. СНиП 11-25-80. Деревянные конструкции. - Утв. Госстроем РФ 18.11.80 : ввод в действие с 01.01.82. - М. : Стройиздат, 1982. - 66 с.
5. Дмитриев, П.А. Экспериментальные исследования соединений элементов деревянных конструкций на металлических и пластмассовых нагелях и теория их расчета с учетом упруго-вязких и пластических деформаций : автореф. дис. ... д-ра техн. наук : 05.23.01 / П. А. Дмитриев. - Новосибирск, 1975. - 32 с.
Load-Carrying and Deformation Ability of Glass Plastic Dowel Joints in Wood Structures with Regard for Time and Temperature of Operation
O.V. Umnova, V.P. Yartsev
Department "Construction of Buildings and Structures ", TSTU
Key words and phrases: dowel curve; dowel joints; glass plastic; long-term resistance coefficient; operation mode coefficient; pinhole bearing; stressed state; thermo-activation concept of deformation and destruction of solid body.
Abstract: Mechanisms of deformation and destruction of dowel joints in wooden structures under thermo-mechanical load are identified. Empirical equations of dependence of load-carrying and deformation ability of glass plastic dowel joints on temperature are proposed. The equations of durability of glass plastic dowel joints depending on the level of stress in regular temperature and humidity conditions from the point of thermo-activation concept of deformation and destruction of solid body are produced. The method of calculation of dowel joints in wooden structures with regard for increased temperature and time of operation effect is developed.
Tragend- und Deformationsfähigkeit der nagelichen Glasplastikverbindungen in den hölzernen Konstruktionen unter Berücksichtigung der Zeit und der Temperatur der Ausnutzung
Zusammenfassung: Es sind die Gesetzmäßigkeiten des Deformierens und der Zerstörungen der Nagelverbindungen der hölzernen Konstruktionen unter den Bedingungen der thermomechanischen Belastung festgestellt. Es sind die empirischen Gleichungen der Abhängigkeit der Tragen- und Deformationsfähigkeit der Nagelverbindungen auf den Glasplastiknageln von der Temperatur angeboten. Es sind die Gleichungen der Haltbarkeit der Nagelverbindungen auf den Glasplastiknageln je nach dem Niveau der Spannungen in den normalen temperaturfeuchtigen Bedingungen von der Position der thermoaktiwen Konzeption des Deformierens und der Zerstörung des festen Körpers erhalten. Es ist die Methodik der Berechnung der Nagelverbindungen der hölzernen Konstruktionen unter Berücksichtigung des Einflusses der erhöhten Temperaturen und der Zeit der Ausbeutung entwickelt.
Capacité porteuse et celle de déformation des assemblages de goujon de plastique verre-résine dans les constructions de bois compte tenu du temps et de température de l'exploitation
Résumé: Sont établies les régularités de déformation et de destruction des assemblages de goujon des constructions de bois dans les conditions du chargement thermomécanique. Sont proposées les équations empiriques des dépendances des capacités de déformation des assemblages de goujon de plastique verre-résine de la température. Sont reçues les équations de la longévité des assemblages de goujon de plastique verre-résine en fonction du niveau de tension dans les conditions normales de température et d'humidité du point de vue de la conception de déformation thermoactive et du démolissement du corps solide. Est élaborée la méthode du calcul des assemblages de goujon de plastique verre-résine compte tenu de l'influence des hautes températures et du temps de l'exploitation.
