CC BY
1 Ю. Б. Левинский,
доктор технических наук, профессор Р. И. Агафонова, ассистент
ОСОБЕННОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ СОСТАВА КЛЕЕНЫХ БАЛОК НА ОСНОВЕ СТРУКТУРНОЙ МОДЕЛИ ДРЕВЕСИНЫ
В настоящее время в России интенсивно развивается малоэтажное деревянное домостроение. В связи с этим для обеспечения успешной реализации национального проекта «Доступное жилье» требуется уделить особое внимание качеству и эксплуатационной надежности зданий, повышению эффективности производства и использования строительных материалов, конструкций и изделий из древесины.
Рост эффективности использования лесосырьевой базы страны в настоящее время достигается путем совершенствования деревянных конструкций, комплексностью использования сырья, вовлечением в переработку низкокачественной древесины лиственных пород, к которым относятся береза и осина. Полноценно решать данную задачу пока не позволяет применяемый на практике методологический аппарат проектирования деревянных клееных конструкций. Имеющиеся сведения о прочности пиломатериалов, которые используются в несущих деревянных конструкциях, являются исключительно важными в поиске новых подходов к оптимизации состава и конфигурации клееных балок для домостроения.
В разное время проблемами повышения прочности конструкций, определения внутренних напряжений в древесине при различных ее состояниях, а также вопросами рационального использования древесного сырья занимались такие известные исследователи, как: Уголев Б. Н., Волынский В. Н., Ковальчук Л. М., Савков Е. И., Леонтьев Н. Л., Ашкенази Е. К., Глухих В. Н., Карлсен Г. Г., Фрейдин А. С., Вуба К. Т., Пластинин С. Н., Калугин А. В. и многие другие.
Анализ путей повышения качества и эксплуатационной надежности клееных деревянных конструкций позволил сделать следующие выводы:
1. Исходные пиломатериалы должны быть распределены по специальным категориям качества, причем не только с позиции регистрации пороков древесины и дефектов обработки, но также и с учетом физикомеханических показателей заготовок будущих конструкций.
2. Взаимосвязи показателей древесины могут служить основой для прогнозирования прочности клееных конструкций и в значительной степени позволяют упростить процесс комплектования заготовок.
3. Анизотропия механических свойств древесины имеет существенное значение для формирования оптимального состава клееных балок по сечению.
4. Сбалансированное использование древесины разных пород в составе клееных строительных конструкций технически возможно и способствует повышению рациональности использования сырья.
Основываясь на анализе научной информации, были выявлены главные направления проводимых нами экспериментально-теоретических исследований, которые позволили смоделировать структуру древесины по характеру проявления в ней напряженно-деформационного состояния в зависимости от различных факторов. Древесина, в том числе сборноклееные блоки из нее представляются в виде многослойной конструкции. За основу принимается система, состоящая из годовых колец с различным позиционированием их относительно силовых воздействий. Такая модель годичного слоя характеризуется как двухслойная структура, в составе которой компоненты первого приближения, различающиеся по ранней и поздней древесине. Модель предполагает, что размеры структурных групп могут быть различными. Единственная характеристика, вводимая системой, пористость древесины, определяется соотношением площадей внешнего контура клетки и ее полости. Модель первого приближения -модель клетки древесины, представлена на рис. 1. Данная модель позволяет прогнозировать значение относительной величины результирующей реакции стержней.
Рис. 1. Схема расчетной стержневой системы для анизотропного тела
Данная расчетная схема определяет свойства древесины как совокупность свойств ее единиц.
Для наглядности работы модели рассмотрим напряженное состояние балки с согласованным расположением тангетальных слоев (рис. 2). Для описания возникающих в ней напряжений рассмотрим состояние балки в трех точках, взятых в различных зонах (сжатия, нейтральной, растяжения) элемента.
При данной комплектации балки угол наклона волокон во всех точках контроля стремится к 90°, т. е. суммарный вектор внутренних напряжений мало отличается по оцениваемым зонам. Векторы напряжений, обусловленные внешней нагрузкой, согласно траектории значительно изменяются. Из этого следует, что общий суммарный вектор достигает значительных величин в зонах растяжения и сжатия, причем в зоне сжатия он обра-
Рис. 2. Векторное представление напряжений в клееной конструкции
зует существенные напряжения сдвига, которые являются наиболее опасными. Следовательно, необходимо в этих поясах напряженности использовать заготовки (ламели) с полурадиальным или радиальным расположением годичных слоев древесины. Вектор суммарного напряжения изменит свое направление и значительно сократится вследствие компенсации естественных напряжений в древесине и напряжений от приложенного усилия. Несмотря на различия в строении древесины лиственных и хвойных пород, направленность векторов напряжений практически не меняется. Величины показателей напряжения будут зависеть лишь от особенностей геометрических характеристик несущих клеток. Об этом свидетельствуют многочисленные исследования по выявлению характера напряжений, которые возникают при сушке основных пород древесины России [1; 2; 3]. Деформирование клееной балки из древесины разных пород происходит по той же схеме, что и балки, изготовленной из одной породы. Полученные нами зависимости доказывают, что благодаря свойствам, обусловленным строением клеток, заготовки (ламели) из древесины осины, например, придают балке большую эластичность. Однако следует учитывать, что качество склеивания и прочность клеевого соединения при использовании осины может быть намного ниже, что в конечном итоге скажется на эксплуатационной надежности комбинированных балок. Ис-
следования также показывают, что доля осиновых заготовок в клееной конструкции не должна превышать 50 %.
В производстве клееных балок применяют пиломатериалы и заготовки относительно большого сечения. Однако здесь имеются определенные технологические проблемы, связанные с рациональностью использования сырьевых ресурсов и организационно-техническим обеспечением индивидуальной распиловки. Одним из решений, которое позволяет изменить картину напряженного состояния самих балок и более полно использовать древесное сырье, является применение схемы комплектования блоков для склеивания с вертикальным расположением клеевых прослоек, по крайней мере, в центральной зоне сечения конструкции. Такой подход вполне согласуется с разработанной теорией напряженно-деформированного состояния древесины в композитных балках. При этом ламели могут быть получены как из радиальной, так и из тангентальной древесины.
Из рис. 3 видно, что даже у балки, склеенной из радиальных пиломатериалов, напряжения, возникшие в ответственной зоне, выше, чем у вертикально ориентированной конструкции. Кроме того, напряжения, связанные с изменением влажности в плоскости действия нагрузки, будут меньше, чем в балке с вертикальным расположением ламелей.
Рис. 3. Направленность структурных и влажностных напряжений, возникающих в балках
При решении поставленной задачи существенное значение имеют напряжения, возникающие в клеевой прослойке. Подробное изучение данного вопроса [4; 5] показало, что в клеевом слое могут возникать локально концентрированные внутренние напряжения, максимальная величина которых проявляется именно в краевых зонах и значительно превышает средний уровень показателя.
Рис. 4. Концентрация касательных напряжений по длине клеевой прослойки стандартного образца при модулях сдвига клея:
1 - 550 МПа; 2 - 1200 МПа; 3 - 3000 МПа
Эти напряжения могут разрушить соединение прежде, чем к нему будут приложены какие-либо внешние нагрузки. Их присутствие особенно опасно при эксплуатационных температурах ниже 0 °С.
Внутренние напряжения тем больше, чем больше различия в эластичности или коэффициентах термического расширения между отвержденным клеем и склеиваемыми материалами. Поэтому при выборе клея необходимо отдавать предпочтение таким клеевым продуктам, которые имеют близкие к древесине реологические свойства. Анизотропия древесины также влияет на распределение напряжений в конструкции. Установлено, что концентрация напряжений в соединениях возрастает по сравнению с той, которая отмечается в цельной древесине. Поскольку скалывание имеет большое сходство со схемой, иллюстрирующей срез [6], то важное значение при прогнозировании прочности клеевых соединений приобретает результирующая напряжений. Очевидно, чем меньше сумма величин результирующих у смежных слоев и выше по значению приведенный модуль упругости, тем прочнее соединение. Номограмма (рис. 5) позволяет дать сравнительную оценку внутренних напряжений в клееной конструкции, а значит, и напряжения, возникающего при работе данного соединения.
Для удобства, за единицу принято значение суммы результирующей при изготовлении клееной конструкции из тангентальных заготовок (угол наклона 90°). При прогнозировании прочности детали, склеенной из заготовок разной толщины, необходимо применять итерационный метод.
Рис. 5. Номограмма для определения рациональных схем комплектования смежных слоев клееной конструкции
При проектировании клееных балок сложно назначать вариативные нагрузки, но значительно проще принимать в расчетной схеме послойные элементы (ламели) с заданным углом наклона волокон древесины. Поэтому был проведен ряд экспериментальных исследований позволивший установить влияние на прочность конструкции углов наклона волокон смежных слоев и их согласованность. Получено следующее выражение функции отклика для прочности клееной конструкции при изгибе:
{ EMBED Equation.3 }
где хі - фактор, характеризующий углы наклона смежных слоев; х2 - фактор, характеризующий согласованность смежных слоев.
Рис. 6. График зависимости прочности клееной балки при изгибе в сочетании пород древесины сосны и осины - 5050 % от направления годичных слоев смежных ламелей
Полученная зависимость подтверждает гипотезу о существенном влиянии наклона волокон на характер напряженно-деформированного состояния конструкции, а, значит, и
необходимости учета строения древесины при расчете прочностных показателей. Использование зависимости распределения угла наклона волокон (t) древесины по высоте сечения балки (Y(t)) от нагрузки и номограммы для определения рационального комплектования смежных слоев клееной балки позволит успешно формировать конструкцию при известных условиях ее эксплуатации.
Расчетным путем на основе модели древесины была выделена зависимость угла наклона волокон по высоте сечения от способа нагружения и других внешних факторов. С помощью встроенных функций среды Mathcad произведен расчет оптимального сечения конструкции. Графическая иллюстрация решения для схемы с равномерно распределенной нагрузкой по всей длине балки (рис. 7) показана на рис. 8.
Исследования показали, что чем выше нагрузка, тем круче кривая угла наклона по высоте сечения. Это, в свою очередь, способствует выработке дифференцированных требований по комплектованию сечения конструкции и определению оптимального состава заготовок для склеивания. Полученная методика позволяет координировать сборку клееных
балок с учетом строения древесины, воздействующих нагрузок и других г внешних факторов.
Используя зависимости распределения угла наклона волокон и рекомендации по обеспечению менее напряженного клеевого соединения, были определены наиболее рациональные схемы сечения балок (рис. 9). Градация по прочности, соРис. 7. Схема распределения нагрузки гласно разработанной методике, ве-
и расчетных слоев клееной балки ДОТСЯ слева ШПДОЮ.
'ίΊιίίί'ί’ίΐΤΙ
2...........I
Рис. 8. Распределение угла наклона волокон (t) древесины по высоте сечения балки (Y(t)) при нагружении по ее всей длине распределенной нагрузкой:
1 - нагрузка qı близка к разрушающей; 2 - нагрузка q2 = 0,95 qı 3 - нагрузка q3 = 0,8 q1; 4 - нагрузка q4 = 0,6 q1
{ SHAPE \* MERGEFORMAT }
Рис. 9. Схемы расчетных сечений клееных композитных балок
Опытным путем доказано, что предлагаемая методика позволяет прогнозировать прочность деревянной конструкции и в некоторой степени изменение этой прочности. Кроме того, видно, что тенденция сохраняется и при комплектации заготовок, получаемых из древесины разных пород (в случае комплектования «сосна - осина» осиновые заготовки помещали в средние слои). Поэтому можно сделать вывод о том, что выдвинутая гипотеза и теоретические выкладки, на основании которых спланирован эксперимент, действительно справедливы. Отмечается, что изменение предела текучести имеет тот же графический характер, что и распределе-{ EMBED Excel.Chart.8 \s } { EMBED Excel.Chart.8 \s }
Рис. 10. Зависимость предела текучести Рис. 11. Зависимость предела прочности
от вида поперечного сечения от вида сечения
ние предела прочности для исследуемых видов сечений. Вероятно, это обусловлено однородностью причин потери устойчивости элементарной системы и ее разрушения.
Выводы
1. Микростроение древесины оказывает существенное влияние на прочность клеевых соединений, их долговечность и прочность клееной конструкции в целом.
2. Механические показатели древесины, которые служат основой для расчета несущих конструкций, необходимо связывать с ее анатомическими особенностями, учитывая при этом структуру материала по внешним, визуально определяемым признакам.
3. Экспериментальные исследования показали, что предложенные методы теоретического расчета напряжений в анизотропном материале, каковым является древесина, позволяют получить вполне достоверные значения напряжений, в том числе и для комбинированных или сборноклееных несущих конструкций.
4. Предложенная схема комплектации конструкции по высоте блока позволяет достичь хороших и стабильных результатов независимо от породного состава, а значит, может быть рекомендована для внедрения в практику проектирования и изготовления клееных балок.
5. Зависимость угла наклона волокон по высоте сечения от действующих нагрузок позволит координировать не только комплектацию клееных балок и оптимизировать их состав по структурным показателям заготовок, но также планировать раскрой пиловочника по наиболее эффективным схемам.
Библиографический список
1. Уголев, Б. Н. Внутренние напряжения в древесине при ее сушке [Текст] / Б. Н. Уголев. - М.: Гослесбумиздат, 1959.
2. Глухих, В. Н. Упругая деформативность поперек волокон с учетом анизотропии древесины [Текст] / В. Н. Глухих // Деревообработка. II международный евразийский симпозиум, 2-5 окт. 2007. - СПб.: СПбГЛТА. - С. 111-115.
3. Руководство по изготовлению и контролю качества деревянных клееных конструкций [Текст]. - М., 1982. -79 с.
4. Хрулев, В. М. Долговечность клееной древесины [Текст] / В. М. Хрулев. -М.: Лесн. пром-сть, 1971. - 160 с.
5. Иванов, Ю. М. Длительное сопротивление древесины [Текст] / Ю. М. Иванов. - М.: Госстройиздат, 1941.
6. Фрейдин, А. С. Прогнозирование свойств клеевых соединений древесины [Текст] / А. С. Фрейдин, К. Т. Вуба. - М.: Лесн. пром-сть, 1980. - 224 с.
Интенсивное развитие малоэтажного деревянного домостроения в России требует уделить внимание качеству и повышению эффективности производства конструкции и изделий из древесины. Анализ путей повышения качества и эксплуатационной надежности деревянных балок позволил сделать вывод, что при их проектировании нужно учитывать физико-механические показатели заготовок, анизотропность свойств древесины и сбалансированность конструкции в целом. В этой связи, была разработана модель структуры древесины. Использование данной модели позволяет прогнозировать развитие напряжений в конструкции при воздействии на нее внешних нагрузок. Кроме того, ее использование позволяет определять наиболее рациональные схемы поперечного сечения балки, в зависимости от нагружения.
* * *
Intensive development of low-rise wooden homebuilding In Russia requires to give attention to quality and increase of efficiency of production of design and products from wood. Also analysis of ways of improvement in quality let to working reliability of laminated timbers do finding that at their designing it is necessary to take into account physicomechanical parameters of preparations, anisotropism of properties of wood and equation of design at large. In connection with this, model of structure of wood was developed. Use allows to given model to predict development of pressures in designs at influence on her external loadings. Besides, its use allows to determine most rational schemes of cross beam section, subject to loading.
Файл: левинский
Каталог: C:\Documents and Settings\User\MoH документы\выпуски\185\ворды-185
Шаблон: C:\Documents and Settings\user.LAUTNER\Application
Data\Microsoft\Шаблоны\NormaLdot Заголовок: Х
Содержание:
Автор: Лена
Ключевые слова:
Заметки:
Дата создания: 02.11.2010 11:14:00
Число сохранений: 2
Дата сохранения: 02.11.2010 11:14:00
Сохранил: user
Полное время правки: 2 мин.
Дата печати: 02.11.2010 12:07:00
При последней печати
страниц: 11
слов: 2 437 (прибл.)
знаков: 13 896 (прибл.)
