Повышение эффективности использования древесины в композитных деревоклееных балках Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

ДЕРЕВООБРАБОТКА И ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДРЕВЕСИНЫ В КОМПОЗИТНЫХ ДЕРЕВОКЛЕЕНЫХ БАЛКАХ

М.В. ЛУКИН, асс. каф. строительных конструкций Владимирского ГУ им. А.Г. и Н.Г. Столетовых

lukin_mihail_22@mail. ru

Древесина обладает целым рядом ценных физико-механических и эстетических свойств, которые позволяют широко использовать ее в строительстве. Кроме того, древесина является уникальным природным материалом, важными особенностями которого являются его возобновляемость и экологическая чистота. Одной из важнейших проблем современного общества является повышение эффективности ее использования за счет применения конструкций и изделий с малой материалоемкостью и разработки новых ресурсосберегающих технологий.

Разработка композитных конструкций шла по двум основным направлениям: развитие производства деревоклееных конструкций (ДКК) и армированных деревянных конструкций (АДК).

В настоящее время перед отечественным производством композиционных конструкций стоят задачи по восстановлению и увеличению объемов производства, повышению качества и конкурентоспособности выпускаемой продукции, снижению токсичности и материалоемкости производства продукции с применением древесины. Решение этих задач основано на разработке новых конструкций и совершенствовании имеющихся технологий современного производства. Поэтому развитие теории композитных конструкций в данном направлении с разработкой рекомендаций по технологии изготовления и совершенствованию технологических процессов является актуальной научной задачей.

Основными элементами разработанной деревоклееной композитной балки служат древесина, прокат в виде металлического швеллера и арматурные стержни. Деревянное сечение исследуемых балок составляет 100x240 мм. Длина составляет 4,8 м, расчетный пролет 4,5 м. Швеллер устанавливается

или в верхней (сжатой) или в нижней (растянутой) зоне балки, номер проката выбирается по ширине сечения балки (№ 12). Крепление швеллера к телу балки выполняется при помощи наклонно вклеенных арматурных стержней класса А-400 периодического профиля диаметром 10 мм. Расположение их принимается по главным растягивающим либо сжимающим напряжениям под углом 45° с шагом 300 мм по длине балки. Исследования проведены на 4-х вариантах деревоклееных композитных балок (рисунок).

С целью изучения работы деревоклееной композитной балки под нагрузкой были проведены теоретические и экспериментальные исследования. Исследования существующих методов расчета композитных конструкций показали, что с точки зрения проектирования прикладным является инженерный метод расчета композитных конструкций по приведенным геометрическим характеристикам. Этот метод с достаточной точностью позволяет оценивать их несущую способность и деформативность в упругой стадии работы, опираясь на действующие нормы проектирования деревянных конструкций.

С целью учета определенной податливости соединения деревянной балки и швеллера и значительного расхождения результатов с экспериментальными данными, составляющего в процентном соотношении 11...17 % , в известные формулы строительной механики введены коэффициенты kw=0,65 и kx=0,85, полученные опытным путем и позволяющие повысить точность определения напряжений и прогибов в конструкции соответственно.

По результатам исследования определены значения несущей способности и де-формативности композитных балок, а также выполнен подбор диаметра, угла наклона и шага расположения арматурных стержней.

148

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 5/2010

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 5/2010

чо

Вариант 1. Композитная балка перекрытия, армированая сверху по главным сжимающим напряжениям

зо ~И~ до

ж

Вариант 2. Композитная балка перекрытия, армированая снизу по главным растягивающим напряжениям

J5Q 1901-2QQ--Jflfi--Ж-----200----200--------------_______________ зпп зоо зоо зпп

Ч—А

150 I 250

зоо — зоо зоо

300

30Q

1000

I

зоо - зоо зоо - зоо

4800

Вариант 3. Композитная балка перекрытия, армированая сверху по главным растягивающим напряжениям

Ж

А50 1 Ш Т 1 Ш i т 1 222 f 222 f Ш00 2Q0__ . 300 . 300 300 ЗОО 350 . 150

1 А А а А А А 2 2 2 2 2

—I \\ ^ 77 7 7 7 7 7

ч ч ч / / / / / /

150 410 300 — зоо зоо аоо зоо 680 300 зоо

4800

_LiiL

ЛЖ.

-ЛЮ

300

-300

Вариант 4. Композитная балка перекрытия, армированая снизу по главным сжимающим напряжениям

лоо___т_____зоо зоо зоо

ш.

зоо

зоо

зоо

wo

250 1 зоо" Т ~ J ~зоо~ I зоо Г" зоо"

—1Q0Q

200 зоо зоо ч зоо ч —- зоо

_li£L

Ш

30 я 30

тт

I I

I I

11 1

Рисунок. Варианты дерево клееных композитных балок перекрытия

ДЕРЕВООБРАБОТКА И ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОЕИИ

ДЕРЕВООБРАБОТКА И ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

Численный эксперимент выполнен с учетом действительной работы древесины, с использованием диаграммы работы «сжатие-растяжение», полученной при испытании стандартных образцов древесины. Так как в расчеты численным методом вводятся графики действительной работы древесины, учитывающие нелинейность, разномодульность, анизотропию и ползучесть древесины, то точность полученных результатов значительно выше, чем результатов инженерного метода расчета. В процентном соотношении разница численного с экспериментальным исследованием составила всего 3-6 %. Численный расчет, выполненный с учетом особенностей свойств древесины, дает возможность более экономичного проектирования и применим для расчета конструкции на всех стадиях работы.

Для проведения экспериментальных исследований балок выбран метод тензометрии, поскольку из всех существующих методов он один дает количественную картину перемещений и напряжений, а не качественную. Качественная картина распределения напряжений получена с помощью МКЭ.

Испытанию подвергалась натурная конструкция, что давало возможность сохранить все физические явления, происходящие в ней при нагружении. На основании результатов исследования получены необходимые знания о характере разрушения, прочности и де-формативности реальных композитных балок.

По результатам исследования выявлено, что армирование, предложенное для создания композитных балок, повышает их несущую способность на 47-66 % и уменьшает деформа-тивность на 54-62 % по сравнению с обычными деревянными балками. Это позволяет использовать их под повышенные нагрузки, расширяет область применения и дает экономию древесины при производстве конструкций.

Технологический процесс производства деревоклееной композитной балки может быть разделен на 5 стадий.

На первой стадии предполагается механическая обработка древесины, включающая:

1. Распиловку круглого леса с использованием стационарных лесопильных рам с целью получения заготовок прямоугольного сечения.

2. Сушку пиломатериалов в сушильных камерах, при этом влажность высушенной древесины не должна превышать 12 %.

3. Строжку деревянной заготовки на заданную толщину только по трем сторонам с применением рейсмусного станка. Четвертая сторона, которая будет соприкасаться со швеллером, обработке не подвергалась.

4. Разметку согласно рабочим чертежам с нанесением схемы армирования мелом на боковой поверхности для упрощения контроля размещения стержней.

5. Сверление круглых отверстий в древесине с использованием сверлильно-долбежного станка попарно с шагом 300 мм, режущим инструментом которого является сверло, перемещающееся по отношению к детали в глубину. Диаметр отверстия, как рекомендуют нормы, превышал на 5 мм диаметр вклеиваемого стержня и составлял 15 мм. Процесс удаления стружки сжатым воздухом из отверстий происходил параллельно сверлению отверстий. В деревянной заготовке в местах расположения стержней по высоте заготовки должны быть предусмотрены боковые отверстия диаметром 3-5 мм для выдавливания избытка клея.

На второй стадии предполагается изготовление изделий из арматуры и проката, включающее:

1. Раскрой арматурных изделий и проката по длине. Указание мест отгибов концов стержней, на расстоянии 50 мм от края, и разметка на стенке проката мест под сверление предполагаемых отверстий.

2. Резание по заданным размерам после раскроя изделий из хлыстов при помощи углошлифовальных машин.

3. Г нутье стержней по шаблону с отгибом конца на 45° на прессовом оборудовании.

4. Устройство отверстий в швеллере для пропуска арматуры под углом 45е при помощи фрезерного станка. Диаметр отверстия составлял 15 мм. Расстояние между отверстиями по ширине принималось равным 40 мм, что составляет 1/3 от ширины полки швеллера, по длине шаг составил 300 мм.

5. Очистка изделий от пыли и грязи.

При изготовлении композитных балок наиболее трудоемок процесс вклеивания арматуры, который включает: операции при-

150

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 5/2010

ДЕРЕВООБРАБОТКА И ХИМИЧЕСКИЕ ТЕХНОЛОГИИ

готовления клеевой композиции для склеивания арматуры, укладку и запрессовку стержней арматуры, который можно объединить в третью стадию.

На третьей стадии выполняются работы, включающие:

1. Приготовление эпоксидно-песчаного клея холодного твердения порциями, необходимыми для вклеивания группы стержней арматуры одной балки. Состав клея ЭПП-1: на 100 в.ч. смолы ЭД-20, 100 в.ч. речного песка, 15 в.ч. пластификатора, 12 в.ч. отвердителя ПЭПА. Песок предварительно просеивался через сито 0,25 мм и прокаливался на плите.

2. Заполнение отверстий эпоксидными составами с помощью специального устройства - шприца с диаметром сопла не менее 12 мм.

3. Погружение предварительно очищенных, обезжиренных и смазанных клеем стержней виброинструментом. При производстве композитной конструкции применен нагрев в камере аэродинамического прогрева до 50-60°, при котором разборная прочность достигается через 2-3 ч, что значительно снижает трудоемкость изготовления.

4. Выдержка после вклеивания стержней, которая составляла в среднем 12-15 дней.

5. Контроль соединения арматуры с древесиной, осуществляемый косвенным методом, то есть определялась кубиковая прочность компаунда.

На четвертой стадии выполняются сварочные работы, целью которых является жесткое крепление отгибов арматурных стержней со стенкой швеллера. Для сварки используется аппарат с переменным током. Швы выполняются сплошными двухсторонними. Работы производятся с технологическими перерывами для охлаждения металла и контроля качества шва с удалением шлака.

На пятой стадии выполняется защита открытых металлических элементов противокоррозионными составами и деревянных элементов составами биозащиты.

Совершенствование технологических процессов производства композитных балок может быть достигнуто за счет:

- параллельного производства работ на 1 стадии технологического процесса (механическая обработка древесины) и на 2

стадии (изготовление изделий из арматуры и швеллера);

- строжки лишь 3-х сторон деревянной заготовки с применением рейсмусных станков;

- применением сверлильно-долбежного станка с отклонением шпинделя на 45°.

- нагрева в камере аэродинамического прогрева до 50-60°, при котором разборная прочность достигается через 2-3 ч;

- применением специальных шприцов для закачивания в отверстия эпоксидно-песчаного клея.

При организации производства новых видов композитных балок экономится экологически чистый природный материал - древесина, происходит увеличение занятости населения и развитие инфраструктуры. Разработанная технология производства композитных балок позволяет выпускать конкурентоспособные конструкции при снижении производственных затрат. Так как высота сечений композитных конструкций меньше на 20-30 %, а монтажная масса на 30-40 % меньше, чем у обычных деревянных конструкций, то это приводит к снижению трудозатрат на изготовление заготовок, позволяет увеличить оборачиваваемость и производительность применяемого оборудования.

Общая концепция повышения эффективности использования древесины на примере деревоклееных композитных балок сводится к применению их при реконструкции ветхого жилья, а также новом малоэтажном строительстве. Это является важной задачей, непосредственно связанной с реализацией федеральных целевых программ: «Развитие производств по глубокой переработке древесины», а также «Доступное и комфортное жилье - гражданам России».

Библиографический список

1. Щуко, В.Ю. Армированные деревянные конструкции в строительстве: учеб. пособие / В.Ю. Щуко, С.И. Рощина. - ВлГУ, 2002. - 68 с.

2. Карлсен, Г.Г. Конструкции из дерева и пластмасс / Г.Г. Карлсен, Ю.В. Слицкоухов. - М.: Стройиздат, 1986. - 543 с.

3. ЦНИИСК им. Кучеренко. Пособие по проектированию деревянных конструкций (к СНиП II-25-80). -М.: Стройиздат, 1986.

ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 5/2010

151