CC BY
80
УДК 678.076.5
ПРОЧНОСТЬ И ДЕФОРМАТИВНОСТЬ ТЕРМОРЕАКТИВНЫХ
СТЕКЛОПЛАСТИКОВ В НАГЕЛЬНЫХ СОЕДИНЕНИЯХ ДЕРЕВЯННЫХ КОНСТРУКЦИЙ С УЧЕТОМ ВРЕМЕНИ И ТЕМПЕРАТУРЫ ЭКСПЛУАТАЦИИ
О.В. Умнова, В.П. Ярцев
Кафедра «Конструкции зданий и сооружений», ТГТУ Представлена членом редколлегии профессором В.И. Коноваловым
Ключевые слова и фразы: нагельное соединение; напряженное состояние; стеклопластик; температура эксплуатации; термоактивационная концепция деформирования и разрушения твердого тела.
Аннотация: Рассмотрены вопросы влияния температуры на прочность и деформативность однонаправленных стеклопластиков на фенолоформальдегид-ном и эпоксидно-диановом связующих в условиях кратковременного и длительного нагружений, как материалов для нагельных соединений деревянных конструкций. Установлены закономерности деформирования и разрушения стеклопластиков в условиях термомеханического нагружения. Предложены эмпирические уравнения зависимости кратковременной и длительной прочности, а также деформационных характеристик стеклопластиков.
Обозначения
Евр , Едл - временный и длительный модуль
упругости стеклопластика, МПа;
Я - универсальная газовая постоянная, кДж/(моль-К);
Т - температура, К;
Тт - предельная температура существования твердого тела, при которой материал разрушается или размягчается, К; и0 - максимальная энергия активации разрушения, кДж/моль;
е - относительная деформация, %;
у - структурно-механическая константа,
кДж/(моль-МПа);
О, Опч - напряжение и осредненный предел прочности при разрушении, МПа; х - долговечность, с;
АГ-4НС - стеклопластик на фенолофор-мальдегидном связующем;
ССЦО - стеклопластик на эпоксидно-диановом связующем.
Прогнозируемый специалистами в XXI веке рост применения конструкций из древесины остро ставит вопрос о повышении их надежности и долговечности при эксплуатации в различных температурно-влажностных условиях. Решение этой задачи тесно связано с дальнейшим совершенствованием методов расчета.
Невозможно запроектировать прочную и эксплуатационно-надежную конструкцию без эксплуатационно-надежных соединений.
Развитие способов соединения деревянных конструкций в нашей стране и за рубежом, в основном, происходит в направлении совершенствования соединений нагельного типа, использование которых открывает возможность повышения производительности труда путем внедрения механизации в технологию изготовления конструкций.
Деревянные конструкции со стеклопластиковыми нагельными соединениями применяются в ответственных несущих конструкциях зданий и сооружений с химически агрессивными средами - складах минеральных удобрений и ядохимикатов, зернохранилищах, птицеводческих и животноводческих фермах, в элементах конструкций градирен и т.д., а также в специальных зданиях и сооружениях, к которым предъявляются требования немагнитности и «радиопрозрачности».
Применение армированных пластиков (среди которых стеклопластики АГ-4НС и ССЦО) в деревянных конструкциях обусловлено целым рядом ценных свойств этих материалов: сопоставимый с древесиной модуль упругости, легкость, значительная механическая прочность, термостойкость, высокая коррозионная стойкость к воздействиям кислот и органических растворителей. Технология получения стеклопластиков и переработки их в изделия не требует трудоемкой механической обработки, приводящей к большим отходам, они поддаются прессованию и формованию при сравнительно низких давлениях и температурах. К недостаткам стеклопластиков следует отнести: низкий модуль упругости, что при конструировании выдвигает часто на первый план проблему деформативно-сти; ползучесть под нагрузкой; относительно высокую стоимость.
Влияние температуры на работу нагельных соединений деревянных конструкций изучено недостаточно; не рассмотрен характер влияния температуры на прочность и деформативность соединений во времени. Известные экспериментальные исследования отечественных и зарубежных ученых касались лишь отдельных сторон задачи при небольших интервалах изменения указанных параметров.
В связи с этим экспериментально-теоретические исследования по вышеперечисленным вопросам актуальны и позволят расширить знания о работе, как древесины, так и стеклопластика в соединениях деревянных конструкций, что обеспечит более высокий уровень расчетного анализа нагельных соединений, и позволит решить задачи их рационального проектирования.
При разработке методики расчета нагельных соединений с учетом времени и температуры эксплуатации была использована одна из наиболее современных теорий прочности - термодинамическая. Рассматривая разрушение как процесс термодинамически необратимых явлений накопления повреждений, а также изменения формы материала в процессе его деформирования, термодинамическая теория является более строгой по сравнению со статической.
Основы кинетической концепции прочности твердых тел разработаны школой академика С.Н. Журкова. Исследования зависимости долговечности (времени до разрушения) от напряжений и температуры подтвердили справедливость тер-мофлуктуационного механизма разрушения твердых тел [1].
Более поздние исследования показали, что формула С.Н. Журкова не отвечает реальным процессам, происходящим при разрушении твердых тел, и имеется некоторая предельная температура, выше которой материал не работает. С.Б. Рат-нером и В.П. Ярцевым обоснована с физической точки зрения и экспериментально подтверждена обобщенная формула долговечности [2]
t = tm exp
Uo -jc
( ТТ Jc ( 1 1 ЛЛ
T T
.*■ 1m J
R
(1)
Процесс разрушения полимерных материалов имеет свои особенности, обусловленные высокими гомологическими температурами этих материалов. Вязкоупругие деформации полимеров перед их разрушением носят явно нелинейный характер и могут достигать весьма больших величин. В результате несущая способность полимерных конструкций, работающих в течение длительного времени,
может определяться не первым предельным состоянием (разрушением), а вторым (чрезмерными деформациями).
Древесина, как и пластмассы, является полимерным композитом. Ю.М. Ивановым была получена суммарная прямая прочности древесины, что подтверждено испытаниями образцов древесины длительной нагрузкой продолжительностью 5 лет и более [3].
Поэтому при разработке методики прогнозирования длительной прочности материалов, составляющих нагельные соединения, и самих соединений с учетом температуры эксплуатации использовали термофлуктуационную теорию.
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 и рычажные установки с соотношением плеч 1:10, 1:15.
Стеклопластиковый нагель в соединении работает на изгиб и условный срез. На рис. 1 показаны возможные схемы разрушения симметричного двухсрезного нагельного соединения.
В связи с этим испытания образцов из стеклопластиков АГ-4НС и ССЦО проводили по стандартным методикам на срез и поперечный изгиб при температурах 20... 100 °С. Всего проведено 141 кратковременное и 165 длительных испытаний.
Для определения прочностных и деформационных характеристик стеклопластиков АГ-4НС и ССЦО при изгибе проведены кратковременные испытания стандартных образцов при вариации температур: ССЦО и АГ-4НС по трехточечной схеме в плоскости перпендикулярной прессованию; АГ-4НС по четырехточечной схеме приложения нагрузки в плоскости прессования. С увеличением температуры с 20 до 100 °С отмечено уменьшение предела прочности при изгибе
Рис. 1. Схемы разрушения двухсрезных симметричных нагельных соединений:
а - от смятия нагельного гнезда в крайнем и среднем элементах; б, в - от образования одного или нескольких пластических шарниров в нагеле
Деформационно-прочностные характеристики стеклопластика АГ -4НС при изгибе в зависимости от температуры и плоскости прессования при машинных испытаниях
Т, °С В плоскости прессования Перпендикулярно плоскости прессования
апч, МПа е, % Е -10-4, МПа вр 7 Опч , МПа е, % Е -10-4, МПа вр ^
20 569(479,1) 1,400 3,24(2,88) 660(569,1) 1,748 3,61(2,93)
40 536,1(364) 1,180 3,60(3,31) 594(490,4) 1,654 3,73(2,8)
60 448(289,8) 1,220 3,25(2,38) 554(450,2) 1,591 3,63(2,65)
80 456(422) 1,290 2,91(2,55) 543(440,8) 1,621 3,77(3,45)
100 298(242,7) 0,855 2,88(2,13) 222(155,1) 1,609 1,39(1,32)
Примечание. В скобках приведены результаты с учетом коэффициента однородности.
на 49,3 % в плоскости прессования и на 72,8 % перпендикулярно плоскости прессования (табл. 1).
При повышении температуры до 100 °С наряду с падением происходит также уменьшение модуля упругости и предельных деформаций. При Т = 80 °С деформационные характеристики материала АГ-4НС восстанавливаются, и их величины становятся сопоставимы со значениями при Т = 20 °С (рис. 2).
Во всем диапазоне температур разрушение образцов из стеклопластика АГ-4НС при приложении нагрузки перпендикулярно плоскости прессования происходит в виде разрыва волокон в средней части балочки, в отличие от образцов, испытанных в плоскости прессования по четырехточечной схеме. Здесь при температурах 20 и 40 °С разрушение происходит в виде расслаивания средней части балочки, а при увеличении температуры с 60 до 100 °С - разрушение происходит от скалывания по линии максимальных касательных напряжений.
Влияние температуры на характер разрушения образцов из стеклопластика ССЦО не проявляется. С увеличением температуры для всех диаметров стержней ССЦО опч плавно снижается (рис. 3). На основании регрессионного анализа получены формулы:
О = 2,824 - 0,003ГГ; ^ Е = 4,44 - 0,0029Г .
Для определения прочностных и деформационных характеристик стеклопластика АГ-4НС в условиях длительного нагружения проведены испытания образцов на изгиб по трехточечной схеме в плоскости перпендикулярной прессованию (20, 40, 60, 80, 100 °С) и срез в плоскости прессования (20, 40, 60 °С) при заданных постоянных напряжениях и вариации температур. По результатам испытаний определены средние величины (для испытанного количества образцов) т, Едл и е материала при изгибе. Основные результаты экспериментов представлены в табл. 2.
Исходя из результатов статистической обработки, для оценки работы материала с позиции термоактивационной теории прочности в полулогарифмических координатах построены графики (рис. 4).
от уровня напряжений при постоянных температурах °С:
1 - 20; 2 - 80; 3 - 60; 4 - 40; 5 - 100
прочности от температуры для ССЦО при разных диаметрах нагеля, мм:
1 - 12; 2 - 16; 3 - 20
Т аблица 2
Результаты испытаний стеклопластика АГ-4НС в условиях длительного нагружения при изгибе и срезе
Т, оС При изгибе в плоскости, перпендикулярной прессованию При срезе в плоскости прессования
О, МПа t, с ЕдЛ, МПа е, % О, МПа t, с
20 525,5 72 32424,4 1,589 185 57017
502,5 486 200 160
471 2505 202 72
205 20
40 486,8 24 31599,3 1,455 160 158855
458,16 104 165 12331
429,6 245 170 175
175 22
60 440,92 33 33628 1,236 150 462381
414,98 172 155 25293
389,05 4046 160 38
161 10
410,27 15
80 386,14 172 27561 1,419
361,7 9333
100 410 (188,65) 38
391,1 (177,5) 157 26942 1,453
361,5 (166,5) 12023
Примечание. В скобках указаны значения кратковременной прочности материала при заданной температуре.
1б
12
“ lgT
0l
* / /
У У / f
/ 02 с
°1 ! Г
! к
! ■ /
‘ 2/\ f 4
W СТз/Д/ г
J 04
а) б)
Рис. 4. Зависимость логарифма долговечности стеклопластика
АГ-4НС при срезе (------) и изгибе (----) в плоскости прессования
от нагрузки (а) и от величины обратной температуре (б):
о -20 °С; а - 40 °С; • - 60 °С; ° - 80 °С; - - 100 °С
Ю7Т,
К-1
Установлено, что зависимости в диапазоне температур 60_____________100 °С
(см. рис. 4) имеют вид обратного пучка и не описываются формулой (1). При температуре 100 °С при изгибе наблюдали упрочнение материала по сравнению с кратковременными испытаниями более чем на 100 % (см. табл. 2). Аналогичное упрочнение однонаправленнного стеклопластика АГ-4С наблюдал Н.Н. Малинин [4] при испытаниях на растяжение при 30 и 100 °С.
Для описания зависимостей в виде обратного пучка использовали эмпирическую формулу, предложенную В.П. Ярцевым
, U*-g*o f T*
Т = Т* exp I --------------I-1
1 RT { T
(2)
Значения всех полученных констант приведены в табл. 3.
В результате длительных испытаний также получены зависимости длительного модуля упругости и относительной деформации от температуры.
Т аблица 3
Константы уравнения долговечности стеклопластика АГ-4НС
8
4
G
4
Вид нагрузки Тту с 1G3/Tm , 1G3/T,, К-1 Ug, U„ кДж/моль g, g* кДж/(молыМПа)
Поперечный изгиб: Т = 293...313 К 1G-8,18 1,87 2б5 0,2б1
Т = 343...373 К 1G7,21 4,G4 - 212,4 - G,7G8
Срез 1G14 3,бб - 328 - 2,54
Выводы
1. Получены значения прочностных и деформационных характеристик стеклопластиков АГ-4НС и ССЦО при воздействии температур от 20 до 100 °С в условиях кратковременного нагружения.
2. Получены значения прочностных и деформационных характеристик стеклопластика АГ-4НС при изгибе в плоскости, перпендикулярной прессованию, при воздействии температур от 20 до 100 °С в условиях длительного нагружения. Обоснована возможность применения обобщенной формулы С.Н. Журкова для прогнозирования долговечности стеклопластика АГ-4НС в условиях термомеханического нагружения при изгибе и срезе. Получены константы уравнений долговечности при срезе и изгибе. Уравнения позволяют прогнозировать прочность и термостойкость изделий из данного стеклопластика при заданных условиях эксплуатации.
Список литературы
1. Журков, С.Н. Временная зависимость прочности твердых тел / С.Н. Жур-ков, Б.Н. Нарзулаев // Журнал технической физики. - 1953. - Т. 23, вып. 10. -С. 1678.
2. Ратнер, С.Б. Прочность, долговечность и надежность конструкционных пластмасс / С.Б. Ратнер, В.П. Ярцев. - М. : НИИТЭХИМ, 1983. - Вып. 12. -76 с.
3. Иванов, Ю.М. О точности определения параметров длительной проч-ости древесины / Ю.М. Иванов // Изв. вузов. Лесной журнал. - 1984. - № 4. -С. 62-66.
Durability and Deformability of Thermosetting Glass-Reinforced Plastics in Nagel Compounds of Wooden Structures with Regard for Operating Time and Temperature
O.V. Umnova, V.P. Yartsev
Department “Construction of Buildings and Structures ”, TSTU
Key words and phrases: glass-reinforced plastics; operating temperature; stressed condition; thermosetting concept of deformation and destruction of solid body; Nagel compound.
Abstract: Matters of the effect of temperature on the durability and deformability of glass-reinforced plastics AT-4HC and ССЦО in terms of short and long loading as materials for nagel compounds of wooden structures are studied. Regularities of deformation and destruction of glass-reinforced plastics in condition of thermomechanical loading are identified. Empirical equations of dependence of short- and long-term duration as well as deformation characteristics of glass-reinforces plastics are proposed.
Haltbarkeit und Deformierung der duroplastischen Glasfaserkunststoffe in
den Nagelverbindungen der Holzkonstruktionen unter Berticksichtigung der Zeit und der Temperatur der Ausnutzung
Zusammenfassung: Es sind die Fragen des Einflusses der Temperatur auf die Haltbarkeit und Deformierung der АГ-4НС und ССЦО Glasfaserkunststoffe unter den Bedingungen des kurzzeitigen und langwierigen Aufladens als die Stoffe fur die Nagelverbindungen der Holzkonstruktionen untersucht. Es sind die Gesetzmafligkeiten des Deformierens und der Zerstorung der Glasfaserkunststoffe unter den Bedingungen des thermomechanischen Aufladens festgestellt. Es sind die empirischen Gleichungen der Abhangigkeit der kurzzeitigen und langwierigen Haltbarkeit, als auch der Deformationscharakteristiken der Glasfaserkunststoffe angeboten.
Solidite et deformabilite des plastiques renforces a la fibre de verre dans les assemblages a goujon des constructions de bois compte tenu du temps et de la tempterature de l’exploitation
Resume: Sont examinees les questions de l’influence de la tempterature sur la solidite et la deformabilite des plastiques renforces a la fibre de verre dans les conditions du chargement court et long comme materiaux pour les assemblages a goujon des constructions de bois. Sont etablies les regularites de la deformation et de la destruction des plastiques renforces a la fibre de verre dans les conditions des chargements thermomecaniques. Sont proposees les equations empiriques de dependance de la stabilite courte et longue ainsi que des caracteristiques de la deformation des plastiques renforces a la fibre de verre.
