CC BY
57
СТРОИТЕЛЬНОЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ
УДК 624.011.1
Н.В. Линьков
ФГБОУВПО «МГСУ»
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТОЛЩИНЫ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА В СОЕДИНЕНИИ ДЕРЕВЯННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ «КМ-ОБКЛЕЙКА»
По результатам испытаний образцов соединения деревянных элементов внешней об-клейкой композиционным материалом на основе эпоксидной матрицы и стеклоткани проведен анализ несущей способности и деформативности соединения «КМ-обклейка» в зависимости от толщины композиционного материала. Для проектирования соединения «КМ-обклейка» определено соотношение между шириной обклеиваемой поверхности соединяемых элементов и толщиной композиционного материала.
Ключевые слова: соединения деревянных конструкций, композиционный материал, несущая способность, деформативность, верхняя граница области упругой работы, разрушающая нагрузка, адгезионные связи, коэффициент надежности, расчетная несущая способность.
Соединение деревянных элементов композиционным материалом (КМ) на основе эпоксидной матрицы, армированной стеклотканью, может применяться для усиления существующих и создания новых деревянных конструкций составного сечения [1]. Соединение выполняется нанесением композиционного материала на боковые поверхности деревянных элементов и называется «КМ-обклейка». Подобные соединения с применением композиционных материалов используются в качестве внешнего армирования и при усилении железобетонных конструкций [2— 5], которое производится в основном на основе углепластиков. В то же время для соединений деревянных конструкций более эффективным является применение композиционных материалов на основе стекловолокна — стеклопластиков, физико-механические характеристики которых близки к характеристикам древесины, что позволяет обеспечить стабильные адгезионные связи композита с древесиной [6].
Для оценки несущей способности и деформативности соединения «КМ-обклейка» были проведены испытания двух серий симметричных двухсрезных образцов, в которых композиционный материал нанесен на боковые поверхности соединяемых элементов в один слой (тип 1), в два слоя (тип 2) ив 3 слоя (тип 3). В каждой серии на каждый тип соединения было испытано по три образца, т.е. шесть образцов на каждый тип соединения, всего 18 образцов. Конструкция образцов представлена на рис. 1. Образец состоял из трех деревянных элементов размерами 40*90*200 мм каждый, из древесины сосны 2-го сорта влажностью 10 ± 2 %. Габаритные размеры образца 120*90*250 мм. Толщина «КМ-обклейки» составила: в образцах типа 1 , = 0,45 мм, типа 2 — „ = 0,8 мм, типа 3 — , = 1,2 мм.
КМ1 ' ' КМ2 ' ' КМ3 '
Экспериментальные исследования соединений проводили в соответствии с рекомендациями ЦНИИСК [7]. Испытания соединений «КМ-обклейка» проводили по сжатой схеме на машине Р-5 нагружением ступенями по 3 кН с постоянной скоростью без разгрузки. На всех образцах измеряли деформации взаимного сдвига соединяемых элементов двумя индикаторами часового типа с ценой деления 0,001 мм.
© Линьков Н.В., 2012
125
ВЕСТНИК
8/2012
¡Л
Ш2
Г
40 L 40
40
122
¡
/ 3 £
/ 0 in
90
Рис. 1. Конструкция и размеры образца для сравнительных испытаний соединения «КМ-обклейка»: 1 — деревянные элементы 40x90x200 мм; 2 — шов сплачивания t = 1 мм; 3 — зона обклейки в соединении, выполняется в 1, 2 и 3 слоя
¡
¡
Разрушение образцов сопровождалось интенсивным ростом деформаций на стадии, предшествующей разрушению. При этом мгновенного и хрупкого разрушения, характерного для соединений деревянных элементов с применением клея, при испытаниях соединений «КМ-обклейка» не наблюдалось. Разрушение происходило в результате совместного проявления двух факторов: в результате нарушения адгезионных связей между композиционным материалом и боковой поверхностью соединяемых деревянных элементов, что проявлялось в постепенном отрыве композиционного материала от основы, и в результате среза композиционного материала по швам образца. Разрушений деревянных элементов в составе образцов при разрушении соединений «КМ-обклейка» не происходило.
Из испытаний определяли прочностные и деформационные характеристики образцов соединений: разрушающую нагрузку Nt, кН; деформации полные Бп, мм, и разности полных деформаций &Бп, мм, образцов соединений на каждой ступени на-гружения; по графику «N - д-0п» определяли нагрузку N , кН, соответствующую верхней границе области упругой работы образцов соединений. Для вычисления нагрузки N^ кН, соответствующей расчетной несущей способности образцов, определяли так называемый [7] требуемый коэффициент надежности Ктреб к величине разрушающего усилия Nt при хрупком разрушении Кхр = 1,64 (1,94...0,ll6lgt), где t = t1/38,2 — время, приведенное к неизменному действию усилия Nt на образец, t1 — общая продолжительность испытания, с. Из эксперимента получали два значения расчетной несущей способности образца: по разрушающему усилию N^ < Nt /Кхр; по усилию, соответствующему верхней границе области упругой работы N^ < NI /1,3. Из двух полученных значений в качестве расчетной несущей способности образца соединения принимали наименьшее: ^ = min (N^, Nüi-ii}.
Расчетную несущую способность соединений «КМ-обклейка» определяли в виде двух характеристик: как погонную несущую способность соединения на 1 см длины шва ТКМ = ^ / (иср£шва), где ^ — усилие на образец, кН, соответствующее его расчетной несущей способности; n = 4 — количество срезов КМ в образце; L = 15 см —
J 7 ср А А 7 шва
длина шва в образце; как сопротивление соединения сдвигающему усилию ^КМ = Nп / [пср^шв/КМ)], где ^шв/КМ) — рабочая площадь поперечного сечения композиционного материала на 1 срез КМ в образце. Результаты испытаний образцов первой и второй серии, средние по трем образцам каждого типа соединения «КМ-обклейка», приведены в табл.
Строительное материаловедение
Несущая способность образцов соединения «КМ-обклейка» 1-й и 2-й серии
Серия обр. Тип соединения Nt, кН Nuv кН Nn . , min' кН Сопротивление соединения «КМ-обклейка» сдвигу
По площади среза КМ, МПа Погонное, кН/см
1 1 25,67 17 8,47 31,35 0,141
2 32,70 20,00 10,79 22,49 0,180
3 39,60 23,00 13,18 18,30 0,220
2 1 26,23 16,50 9,06 33,55 0,151
2 34,33 20,00 12,03 25,07 0,201
3 45,87 25,00 16,16 22,44 0,269
Погонная несущая способность соединения типа 1, приходящаяся на 1 см длины шва, составила для образцов 1-й и 2-й серии ТКМ 1 = 0,141 и 0,151 кН/см соответственно; то же для соединения типа 2 — ТКМ-2= 0,18 и 0,201 кН/см; то же для соединения типа 3 — ТКМ 3 = 0,22 и 0,269 кН/см. Видим, что с увеличением толщины обклейки на 1 и на 2 слоя КМ погонная несущая способность соединений типов 2 и 3 возрастает по сравнению с эталонным типом 1 — в 1,28 и в 1,56 раза для 1-й серии образцов, в 1,33 ив 1,78 раза для 2-й серии образцов. Экспериментальные данные показывают, что увеличение несущей способности соединения «КМ-обклейка» происходит не пропорционально количеству слоев или толщине композиционного материала. Это объясняется тем, что разрушение соединений вызвано как срезом композиционного материала по швам сплачивания, так и разрушением клеевой прослойки между композиционным материалом и контактной поверхностью соединяемых элементов, т.е. носит смешанный характер. Похожий характер разрушения наблюдался при испытаниях железобетонных элементов [8], имеющих внешнее армирование композиционным материалом, где происходило отслоение полосы композита от поверхности бетона. Подобный характер разрушения соединения получен автором при математическом моделировании работы соединений «КМ-обклейка» средствами программного комплекса SCAD [9] и ABAQUS. Очевидно, что увеличение количества слоев стеклоткани в составе композиционного материала в два раза (в соединении типа 2) ив 3 раза (в соединении типа 3), а толщины композиционного материала соответственно в 1,8 раза (в соединении типа 2) и в 2,7 раза (в соединении типа 3) не влечет за собой пропорционального увеличения погонной несущей способности соединения на 1 см длины шва.
Сопротивление соединения сдвигу ЯКМ = Жп/[исрЕ(£шва/КМ)] учитывает толщину композиционного материала / в соединении. Наибольшая величина сопротивления сдвигу ЯКМ получена в образцах соединения типа 1 — ЯКМ-1 = 31,35 и 33,55 МПа в образцах 1-й и 2-й серии соответственно; то же в образцах соединения типа 2 ЯКМ-2= 22,49 и 25,1 МПа; то же в образцах соединения типа 3 ЯКМ-3 = 18,3 и 22,4 МПа. С увеличением толщины обклейки на 1 слой и на 2 слоя КМ сопротивление соединения сдвигающему усилию уменьшается по сравнению с эталонным типом 1 — в 1,39 и в 1,71 раза для 1-й серии образцов, в 1,34 и 1,5 раза для 2-й серии образцов. Здесь также проявляется смешанный характер разрушения соединения. Очевидно, что увеличение толщины и, соответственно, несущей способности «на срез» композиционного материала [10] приводит к усложнению характера разрушения соединения, когда нарушение адгезионных связей между композиционным материалом и контактной поверхностью соединяемых деревянных элементов проявляется раньше, чем наступает разрушение композиционного материала обклейки. Зависимости несущей способности соединений «КМ-обклейка» от толщины композиционного материала на образцах 1-й и 2-й серии приведены на графике на рис. 2.
ВЕСТНИК
8/2012
а б
Рис. 2. Сопротивление сдвигу соединения «КМ-обклейка» при толщине композиционного материала t = 0,45, 0,8 и 1,2 мм по результатам испытаний образцов: а — 1-й серии; б — 2-й серии
Из рассмотрения графиков на рис. 2 видим, что эффективная толщина композиционного материала в соединении «КМ-обклейка» по результатам испытаний образцов 1-й и 2-й серии оказывается в пределах t ~ 1 мм. Однако нами было установлено, что с увеличением толщины композиционного материала меняется характер разрушения образцов: в работе соединения начинает проявляться не только срез композиционного материала, но и отрыв КМ от поверхности соединяемых деревянных элементов. В этом случае несущая способность соединения зависит от ширины площадок обклейки на соединяемых деревянных элементах, которые составляют в испытанных образцах Ьо6кл = 40 мм. При эффективной толщине КМ в соединении «КМ-обклейка» t = 1 мм получаем соотношение между шириной обклеиваемых поверхностей Ьо6кл деревянных элементов и толщиной композиционного материала t / Ьо6кл = 1 / 40.
На основании проведенных испытаний и выполненных расчетов установлено, что для соединения «КМ-обклейка» соотношение между шириной обклеиваемых поверхностей Ьо6кл деревянных элементов и требуемой толщиной композиционного материала составляет t = 1 / 40 b .
КМ обкл
Библиографический список
1. Линьков Н.В. Несущая способность деревянных балок составного сечения на соединении «КМ-Вкладыш» // Вестник МГСУ. 2011. № 1. Т. 2. М. : МГСУ, 2011. С. 161—167.
2. Шилин А.А., Пшеничный В.А., Картузов Д.В. Усиление железобетонных конструкций композиционными материалами. М. : Стройиздат, 2004.
3. Шилин А.А., Пшеничный В.А., Картузов Д.В. Внешнее армирование железобетонных конструкций композиционными материалами. М. : Стройиздат, 2007.
4. BlaschkoM. and Zilch K. Rehabilitation of concrety structures whith CFRP strips glued into slits. In Proceeding of the 12-th International Conference on Composite Materials, Paris, 1999. July 5-9.
5. Arduini M., Nanni A., Romagnolo M. Performance of Decommissioned Reinforced Concrete Girders Strengthened with Fiber- Reinforced Polimer Laminates. ACI Structural Journal / September-October, 2002, pp. 652—659.
6. Композиционные материалы / В.В. Васильев, В.Д. Протасов, В.В. Болотин и др. ; под общ. ред. В.В. Васильева, Ю.М. Тарнопольского. М. : Машиностроение, 1990.
7. Рекомендации по испытанию соединений деревянных конструкций / ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко. М. : Стройиздат, 1980.
Строительное материаловедение
8. Blaschko M., Niedermeier R., Zilch K. Bond failure modes of flexural members strengthened with FRP. In Proceeding of Second International Conference on Composites in Infrastructures, Saadatmanesh, H. and Ehsani, M.R., eds., Tucson, Arizona, 1998, pp. 315—327.
9. Линьков Н.В., Филимонов Э.В. Моделирование средствами ПК SCAD соединения деревянных элементов композиционным материалом на основе эпоксидной матрицы и стеклоткани // Вестник МГСУ. 2009. Спецвып. № 1. М. : МГСУ, 2009. С. 50—53.
10. Линьков Н.В., Филимонов Э.В. Прочность и деформативность композиционного материала на основе эпоксидной матрицы и стеклоткани // Вестник МГСУ 2010. № 1. М. : МГСУ, 2010. С. 235—243.
Поступила в редакцию в июне 2012 г.
Об авторах: Линьков Николай Владимирович — кандидат технических наук, доцент кафедры конструкций из дерева и пластмасс, ФГБОУ ВПО «Московский государственный строительный университет (ФГБОУ ВПО «МГСУ»), 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, д. 26, 8 (495) 287-49-14 (31-11), [email protected].
Для цитирования: Линьков Н.В. Определение толщины композиционного материала в соединении деревянных элементов «КМ-обклейка» // Вестник МГСУ 2012. № 8. С. 125—130.
N.V. Lin'kov
IDENTIFICATION OF THICKNESS OF A COMPOSITE MATERIAL AS PART OF THE "QM GLUED" CONNECTION OF WOODEN ELEMENTS
The principal objective of the research project is to identify the thickness of an advanced composite adhesive material used as part of a glued connection of wooden surfaces. The active ingredients of the proposed adhesive material include an epoxy matrix and a glass fiber fabric. The author has analyzed the bearing capacity and deformability of the proposed connection in relation to the thickness of the composite material. The author used the methodology of assessment of the bearing capacity of wooden structures developed by professor Yu.M. Ivanov. For the purposes of development of optimal parameters of the "QM Glued" connection, the author identified the optimal ratio of b, or width of the surface of connected elements, and the thickness of the composite material: t = 1/40 b.
Key words: timber connection, composite material, bearing capacity, deformability, adhesion, diffusion, safety factor, estimated bearing capacity.
References
1. Lin'kov N.V. Nesushchaya sposobnost' derevyannykh balok sostavnogo secheniya na soedinenii «KM-Vkladysh» [Bearing Capacity of Composite Sections of Wooden Beams If Connected Using the "CM-Liner" Method]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2011, no. 1, pp.161—167.
2. Shilin A.A., Pshenichnyy V.A., Kartuzov D.V. Usilenie zhelezobetonnykh konstruktsiy kompozitsi-onnymi materialami [Strengthening of Reinforced Concrete Structures by Composite Materials]. Moscow, Stroyizdat Publ., 2004.
3. Shilin A.A., Pshenichnyy V.A., Kartuzov D.V. Vneshnee armirovanie zhelezobetonnykh konstruktsiy kompozitsionnymi materialami [Outside Reinforcement of Reinforced Structures by Composite Materials]. Moscow, Stroyizdat Publ., 2007.
4. Blaschko M. and Zilch K. Rehabilitation of Concrete Structures with CFRP Strips Glued into Slits. Proceedings of the 12th International Conference on Composite Materials. Paris, 1999, July 5-9.
5. Arduini M., Nanni A., Romagnolo M. Performance of Decommissioned Reinforced Concrete Girders Strengthened with Fiber-reinforced Polymer Laminates. ACI Structural Journal. September-October, 2002, pp. 652—659.
6. Vasil'ev V.V., Protasov V.D., Bolotin. Vasil'ev V.V., Tarnopol'skiy Yu.M., editors. Kompozitsionnie materialy [Composite Materials]. Moscow, Mashinostroenie Publ., 1990.
7. Rekomendatsii po ispytaniyu soedineniy derevyannykh konstruktsiy [Recommendations for the Testing of Connections of Wooden Structures]. Moscow, Stroyizdat Publ., 1980.
8. Blaschko M., Niedermeier R., Zilch K. Saadatmanesh H. and Ehsani, M.R., editors. Bond Failure Modes of Flexural Members Strengthened with FRP. Proceedings of Second International Conference on Composites in Infrastructures, Tucson, Arizona, 1998, pp. 315—327.
ВЕСТНИК 8/2012
9. Lin'kov, N.V., Filimonov E.V. Modelirovanie sredstvami PK SCAD soedineniya derevyannykh el-ementov kompozitsionnym materialom na osnove epoksidnoy matritsy i steklotkani [Modeling of Wooden Elements Connected by a Composite Material Based on Epoxy Matrix and Fiberglass Using PC SCAD Software]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2009, Special Issue no. 1, pp. 50—53.
10. Lin'kov N.V., Filimonov E.V. Prochnost' i deformativnost' kompozitsionnogo materiala na osnove epoksidnoy matritsy i steklotkani [Strength and Deformability of the Composite Material Based on the Epoxy Matrix and Fiberglass]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2010, no. 1, pp. 235—243.
About the author: Lin'kov Nikolay Vladimirovich — Candidate of Technical Sciences, Department of Timber and Plastic Structures, Moscow State University of Civil Engineering (MGSU), 26
Yaroslavskoe shosse, Moscow, 129337, Russian Federation; [email protected]; +7 (495) 287-49-14, ext. 31-11.
For citation: Lin'kov N.V. Opredelenie tolshchiny kompozitsionnogo materiala v soedinenii derevyannykh elementov «KM-obkleyka» [Identification of Thickness of a Composite Material as Part of the "QM Glued" Connection of Wooden Elements]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2012, no. 8, pp. 125—130.
