Прочность и долговечность клеедеревянных балок с учетом влажности, температуры и времени эксплуатации Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

Материаловедение. Нанотехнологии

УДК 624.011.1(075)

ПРОЧНОСТЬ И ДОЛГОВЕЧНОСТЬ КЛЕЕДЕРЕВЯННЫХ БАЛОК С УЧЕТОМ ВЛАЖНОСТИ, ТЕМПЕРАТУРЫ И ВРЕМЕНИ ЭКСПЛУАТАЦИИ В.П. Ярцев, Д.В. Антипов

Кафедра «Конструкции зданий и сооружений», ФГБОУ ВПО «ТГТУ»;

kzis@nnn.tstu.ru

Представлена членом редколлегии профессором В.И. Коноваловым

Ключевые слова и фразы: долговечность; клееные деревянные балки; напряженно-деформированное состояние; термофлуктуационная теория прочности.

Аннотация: Длительная прочность и долговечность клееных деревянных балок с учетом действия внешних факторов описана с позиций термофлуктуаци-онной концепции. Получены зависимости, описывающие деформирование клеедеревянных элементов в широком интервале температур и напряжений и учитывающие время эксплуатации. Приведены результаты исследований изменения напряженно-деформированного состояния клеедеревянных балок при повышении температуры и изменении времени нагружения.

За последние несколько лет объем вводимых в эксплуатацию зданий и сооружений с применением клееных деревянных конструкций (КДК) увеличился более чем в 10 раз.

Конструкции из клееной древесины в процессе эксплуатации могут подвергаться действию повышенной и пониженной температур, влаги, солнечной радиации, агрессивных сред. Влияние повышенной и пониженной температур, а также влияние неблагоприятных внешних факторов на кратковременную прочность клеедеревянных элементов широко исследовано отечественными и зарубежными учеными. Известно, что эти воздействия изменяют механические и физические свойства древесины [1]. В нормативной литературе [2] воздействие неблагоприятных физических факторов, а также слоистость конструкций учитывается снижающими коэффициентами. Длительные механические характеристики клееной древесины изучены недостаточно.

Из вышесказанного следует, что существует необходимость исследовать изменение длительной прочности, долговечности и деформативности в реальных условиях эксплуатации.

В качестве объекта исследований были приняты клееные балки, так как они являются одним из наиболее освоенных типов КДК. Они применяются в зданиях и сооружениях различного назначения, а также в пешеходных и автодорожных мостах.

Исходя из особенностей работы балок и анализа условий их эксплуатации были выбраны виды исследований (поперечный изгиб, скалывание, деформирование изгибом и сжатием поперек волокон) и неблагоприятные воздействия окружающей среды (повышенная температура и влажность, УФ-облучение, циклические температурно-влажностные воздействия, длительное термостарение, агрессивные жидкие среды).

Для проведения исследований были изготовлены образцы, модели и крупномасштабные конструкции из цельной и клееной древесины. Их изготовили с применением мочевиноформальдегидного клея (ММФ) производства Ак2о№Ъе1. Этот клей широко применяется в отечественной промышленности для производства КДК. Клей ММФ и конструкции, изготовленные на его основе, сертифицированы отечественными и зарубежными исследовательскими институтами.

Проведено сравнение кратковременной прочности при поперечном изгибе образцов, изготовленных с применением этого клея, с образцами на основе кар-бамидоформальдегидного клея марки КФ-Ж, акрилового и казеинового клеев. Испытания проводили на цельных, двух- и четырехслойных образцах с размерами 300x10x20 (И) мм.

Результаты испытаний показали, что прочность изгибаемых образцов из клееной древесины меняется непрерывно при изменении температуры. Строительные нормы проектирования [2] учитывают падение прочности деревянных конструкций от повышенной температуры при ее значении выше 35 °С. Следует заметить, что уже при 30 °С падение прочности достигает 25 %.

По прочности и требованию равнопрочности клеевого шва и древесины и разрушающей нагрузке клей ММФ не уступает результатам клея КФ-Ж, рекомендуемого строительными нормами. Дальнейшие исследования проводили на образцах и конструкциях, изготовленных с применением клея ММФ.

По результатам испытаний при поперечном изгибе было подобрано оптимальное давление прессования образцов и толщина клеевого шва.

За основу для описания закономерностей изменения прочности и долговечности нагруженных элементов была принята термофлуктуационная концепция разрушения твердого тела [3].

При длительных механических испытаниях поперечным изгибом получена зависимость долговечности т образцов из клееной древесины от напряжения с и температуры Т (рис. 1). Она описывается обобщенным уравнением С.Н. Журкова [3]

г = гт ехр

и0 - уст

ЯТ

Т

т )

(1)

где тт - период колебаний кинетических единиц, с; Тт - предельная температура существования материала, К; и0 -максимальная энергия активации разрушения, кДж/моль; у - структурно-механическая константа,

кДж/(моль-МПа); Я - универсальная газовая постоянная, кДж/(моль-К).

Из экспериментальных зависимостей определили термофлуктуаци-онные константы, значения которых приведены в табл. 1.

Соответствие температуры полюса температуре разложения полимерной клеевой прослойки, а также близость значений максимальной энергии активации трехслойных образцов к энергии активации разрушения целлюлозы указывает на влияние клеевой прослойки на прочность и долговечность клеедеревянных образцов.

Рис. 1. Зависимости долговечности от напряжения при поперечном изгибе для двухслойных клееных образцов при температуре, °С:

1 - 20; 2 - 50; 3 - 80

Эмпирические и физические термофлуктуационные константы образцов из древесины при разрушении поперечным изгибом

Вид древесины Количество слоев т (т *) с T (T *) ± mv-* т )•> K идах кДж/моль Y(Y*), кДж/(МПа-моль)

Цельная - 107 160 -131 -1,7

Клееная 2 9,46-10-5 - 100,5 1,1

3 2,51-10 3 437,6 301,3 4,38

Таблица 2

Коэффициенты линейного термического расширения древесины а, Х10-6 1/°С

Скорость нагрева, °С/мин(а) Цельная Клееная двухслойная Клееная четырехслойная

1,65 2,83 — -

1,875 - 1,84 1,78

При исследовании влияния повышенной температуры на термическое расширение клееной древесины были построены дилатометрические кривые. Рассчитанные значения коэффициентов линейного термического расширения представлены в табл. 2.

Коэффициент температурного расширения клееной древесины меньше, чем для цельной. Это вызвано взаимным сдерживанием деформаций различными слоями дерева и клея, что создает дополнительные напряжения в материале (на границе клей-древесина) и должно влиять на несущую способностью. Это подтверждают экспериментальные результаты при поперечном изгибе - при температуре 80 °С до 50 % образцов разрушались по клеевому шву.

Зависимость долговечности от напряжения и температуры при скалывании стандартных образцов [4] представлена на рис. 2. Она имеет линейный характер и

образует так называемый «обратный пучок», который описывается уравнением [3]

(

т = тт exp

7-7* *

U о - Y

RT

T

\\

(2)

5 с, МПа

Рис. 2. Зависимость долговечности от напряжения при скалывании двухслойных клееных образцов при температуре, °С:

1 - 18; 2 - 40; 3 - 60; 4 - 80

* „ * Т ,* *

где тт , 1т , и 0, у - эмпирические константы.

Значения полученных констант представлены в табл. 3.

Трансформация экспериментальной зависимости при изменении вида нагрузки, по-видимому, связана с особенностями микро- и макроструктуры древесины. Следует отметить, что при температуре выше 40 °С до 50 % образцов разрушались по клею.

0

1

2

3

4

Значения эмпирических констант клееных образцов при скалывании

Вид образцов к1 к2 к3 к4 к5 к6 к7 к8

Цельные Клееные -6,39-10-4 -1,39-10-3 3,59-10-4 4,45-10-4 Про 2,95-10-5 5,43-10-5 гибы 10-4 10-3 1,88 -0,98 3,54 10-2 8,97-10-2 2 ■ 10-2 4,46-10-2 -0,08 -0,034

1-слойные 4-слойные -7,16 -3,26 2,14 1,79 а 7 7 О о о ' П 00 ,1 ,4 9, 5, ітие 1,13 2,95 -0,14 -0,74 -3,93-10-2 -6,3-10-2 1,86-10-2 2,35-10-2

Результаты определения модуля упругости и времени достижения заданного прогиба образцов из цельной и клееной древесины при поперечном изгибе указывают на повышенную деформативность клееных элементов.

Для изучения закономерностей деформирования цельных и клееных образцов были построены кинетические кривые прогибов и деформаций сжатия поперек волокон в координатах - относительная деформация от времени (е-т). Функции, описывающие экспериментальные кривые, имеют следующий вид:

- при изгибе

е = (к + к^з + кТ)- к4(к5 + к6ст + к7Т)ек§х; (3)

- при сжатии

е = к + к^р1 + кзТ + (к4 + кзст+ кбТ + кустТ )1п т, (4)

где к1, ..., к8 - коэффициенты (табл. 4); Т - температура, °С; с - напряжения, МПа;

т - время, мин.

По уравнениям (3) и (4) можно прогнозировать прогибы и деформации сжатия поперек волокон клееных деревянных элементов.

По результатам определения линейного термического расширения при повышенной влажности и линейного набухания установлено, что взаимодействие влаги с водой приводит к сложным деформационным процессам в клееных образцах, что должно вызывать появление дополнительных напряжений.

В связи с этим, было изучено влияние температурно-влажностных воздействий на прочность образцов при поперечном изгибе: повышенная влажность, длительное воздействие пресной и соленой воды, циклические температурно-влажностные воздействия (замачивание-высушивание и замораживание-оттаивание).

Экспериментальные зависимости для клееной древесины не описываются теоретической формулой. Прямолинейные линии падения расчетных значений кратковременной прочности с можно задать функциями

= °12аг , (5)

Таблица 4

Значения коэффициентов для функций относительных прогибов и деформаций сжатия поперек волокон деревянных элементов

тЛ с Ж ^ и0*, кДж/моль у*, кДж/(МПа-моль)

3,63-1010 274 -100,8 -175

где коэффициент влияния для клееных образцов:

- при повышенной влажности:

2-слойные аф = -0,011Ф +1,134; (6)

4-слойные = -0,012Ф +1,141; (7)

- при циклическом замачивании-высушивании:

2-слойные ап = -0,021п +1; (8)

4-слойные а п =-0,038п +1; (9)

- при циклическом замораживании-оттаивании:

ап = -0,014п +1. (10)

Установлено, что кратковременная прочность клееных образцов, подверженных УФ-облучению и термостарению, меняется. Для описания изменения прочности клееных элементов после старения с позиций термофлуктуационной концепции были проведены длительные механические испытания образцов при поперечном изгибе (рис. 3) и получены термофлуктуационные константы, приведенные в табл. 5 [4].

По результатам испытаний поперечным изгибом образцов, подверженных действию агрессивных органических и неорганических растворов, были определены поправки в виде функциональных зависимостей (табл. 6).

^т, с 1ях, с

а) б)

Рис. 3. Зависимости логарифма долговечности от напряжений при длительных испытаниях двухслойных образцов из клееной древесины изгибом при температуре, °С:

а - после УФ-облучения; б - после термостарения; 1 - 20; 2 - 50; 3 - 80

Таблица 5

Значения физических термофлуктуационных констант состаренной древесины при поперечном изгибе

Вид воздействия Т, °С Тт С Тт, К и0, кДж/моль у, кДж/(МПа-моль)

УФ-облучение - 3,72-10-4 427 533 7,25

Термостарение 2 О 5 О 4,07-10-2 332 3297 50,55

5 о 8 о 480 309 6,49

Влияние длительного действия агрессивных сред на прочность двухслойных образцов из клееной древесины

Жидкая среда Функциональные зависимости отношения остаточной к первоначальной прочности от длительности действия активных сред, аа.с

Каустическая сода (концентрация 10 %) 1,0276т-0,319

Азотная кислота (концентрация 10 %) 0,5056т-0,0241

Серная кислота (концентрация 10 %) 0,6588т-0,0318

Соляная кислота (концентрация 10 %) 0,4997т-0,0585

Уксусная кислота 0,5142т-0,0298

Чтобы учитывать воздействие агрессивных сред следует умножать уравнение (1) на поправки, представленные в табл. 6.

Полученные результаты являются основой для прогнозирования длительной прочности, долговечности и деформативности клееных деревянных балок. Применение термофлуктуационного подхода позволяет учитывать значения температуры, напряжений и времени без громоздких вычислений.

Коэффициент у в уравнении (1) при расчете долговечности и длительной прочности клеедеревянных балок отражает чувствительность материала к нагрузке и, как было показано в [3], для поперечного изгиба определяется зависимостью

Y = dY d =

Jd_

2

(11)

где ё = 0,5 - при изгибе; уё - компонента, описывающая изменение формы тела при нагружении.

Коэффициент ё был вычислен теоретически [3], исходя из постоянства объема тела при малых нагрузках. Компонента у ё будет отражать нестабильность линейных перемещений под нагрузкой во времени и при изменении температуры.

Для изучения влияния температуры при воздействии нагрузки на распределение деформаций нормальных поперечному сечению были проведены испытания на моделях клееных восьмислойных деревянных балок пролетом 1000 мм с размерами поперечного сечения Ь*к = 80*40 мм. Продольные деформации по высоте сечения в середине пролета балки определяли с помощью тензометрии [5-7]. Экспериментальные результаты представлены на рис. 4.

Из рисунка видно, что с повышением температуры и нагрузки значения фактических деформаций не совпадают с расчетными, а эпюры деформаций в крайних зонах меняют наклон.

При повышении температуры нейтральный слой смещается к нижней зоне, а при фиксированной - с увеличением нагрузки меняется незначительно.

Зависимость превышения фактическими деформациями £ф расчетных £р в относительных единицах £ф/£р для сжатой части сечения можно описать аналитически функцией

ют =-^ = 0,0014T 2 + 0,0052T + 0,4402,

(12)

где Т - температура, °С.

р

0.8 0.6 0.4 0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

а) б)

Рис. 4. Эпюры относительных деформаций по высоте моделей клееных деревянных балок в интервале расчетных максимальных напряжениях 3...15 МПа:

кр - расстояние от наиболее растянутого волокна до тензорезистора; к - высота модели балки

Эти зависимости также были проверены на дощатоклееной балке пролетом 2,6 м и сечением 135*210 мм (рис. 5) [8].

При длительных интервалах времени действия нагрузки (рис. 6) происходит перераспределение деформаций по сечению клееной балки. Максимальные деформации сжатия уменьшаются, а растягивающие увеличиваются. При этом положение нейтрального слоя перемещается к верхним слоям модели балки.

Осредненную кривую для отношения фактических деформаций £ф к расчетным £р во времени можно описать функцией

ют = ^ = 0,0003т2 + 0,0089т + 0,9798. єр

(13)

где т - время, сутки.

Рис. 5. Стенд для испытания клееной деревянной балки:

1 - натяжные винты; 2 - тяги; 3 - стойки; 4 - опорный уголок; 5 - испытываемая конструкция; 6 - динамометр; 7 - рама; 8 - двухопорные силовые балки;

9 - индикаторы часового типа; 10 - тензорезисторы

Рис. 6. Эпюра относительного изменения во времени продольных деформаций по высоте сечения модели клееной балки:

кр - расстояние от наиболее растянутого волокна до тензорезистора; к - высота модели балки

Полученные зависимости (12), (13) необходимо использовать для введения поправок к структурно-механическому фактору при вычислении долговечности и длительной прочности клееных деревянных балок.

Для различных изделий и конструкций из органических материалов было установлено [3], что при изменении напряженно-деформированного состояния и габаритов меняется только у. При этом должны выполняться соотношения:

Y м =

tgP»

tgPc

^о = км y о;

tgp6 к

Y б = —^ Y о = кб Y о ; ^Ро

(14)

где рм, Рб - угол наклона прямой долговечности модели или балки; ро - угол наклона прямой долговечности образцов из материала исследуемого изделия или конструкции; ум, уб - структурно-механический фактор для модели или балки; уо - структурно-механический фактор образцов; км - коэффициент к структурномеханическому фактору для модели; ^, с

кб - коэффициент реальной конструкции клеедеревянной балки.

Для учета влияния масштабного фактора на прогнозируемую долговечность клеедеревянных балок при поперечном изгибе получены экспериментальные зависимости долговечности моделей клееных деревянных балок и образцов от напряжений при температуре 20 °С (рис. 7). На рис. 6 также приведена аналогичная зависимость для клееной балки пролетом 2,6 м и сечением 135x210 мм. Рис. 7 Зримость далговетгоста

„ от действующей нагрузки:

Она построена исходя из величины , , _

^ 1 - образцов из клеенои древесины;

разрушающего напряжения при 2 - моделей клееных деревянных балок; стандартных испытаниях. з - клееных деревянных балок

Применение этой поправки позволяет использовать полученные ранее тер-мофлуктуационные константы для расчета крупномасштабных балок с различным количеством слоев.

Прогнозирование прочности и долговечности клееных деревянных балок с применением кинетической концепции позволяет использовать постоянные величины, полученные экспериментально, с вариацией переменных эксплуатационных параметров (температура, напряжение, время).

Список литературы

1. Стрельцов, Д.Ю. Исследование несущей способности длительно эксплуатируемых деревянных конструкций : дис. ... канд. техн. наук : 05.23.01 / Стрельцов Денис Юрьевич. - Москва, 2003. - 168 с.

2. Деревянные конструкции : СНиП 11-25-80. Утв. Госстроем РФ 18.12.80. -Изд. офиц. - М. : ГУП ЦПП, 2002. - 30 с.

3. Ратнер, С.Б. Физическая механика пластмасс. Как прогнозируют работоспособность? / С.Б. Ратнер, В.П. Ярцев. - М. : Химия, 1992 - 320 с.

4. ГОСТ 16483.5-73. Древесина. Методы определения предела прочности при скалывании вдоль волокон. - Введ. 1974-07-01. - М. : Изд-во стандартов, 1999. - 7 с.

5. Глаговский, Б.А. Электротензометры сопротивления / Б.А. Глаговский, И. Д. Пивен. - М.-Л. : Энергия, 1964. - 72 с.

6. Клокова, Н.П. Тензорезисторы: теория, методики расчета, разработки / Н.П. Клокова. - М. : Машиностроение, 1990. - 224 с.

7. Машиностроение. Энциклопедический справочник. Разд. II. / под ред. Е.А. Чудакова. - М. : Гос. науч.-техн. изд-во машиностроит. лит., 1947. - Т. 3. -712 с.

8. Антипов, Д.В. Прочность и деформативность клеедеревянной балки с учетом времени, влажности и температуры эксплуатации : автореф. дис. . канд. техн. наук : 05.23.01 / Д.В. Антипов. - Воронеж, 2010. - 18 с.

Strength and Durability of Laminated Glued Timbers with Allowance for Humidity, Temperature and In-Service Time

V.P. Yartsev, D.V. Antipov

Department “Construction of Buildings and Structures”, TSTU; kzis@nnn.tstu.ru

Key words and phrases: durability; laminated glued timber; mode of deformation; thermal fluctuation strength theory.

Abstract: The paper describes the long-term strength and durability of laminated glued timber taking into account the influence of external factors from the positions of thermal fluctuation concept. Dependences which describe the deformation of glued wooden elements in a wide interval of temperatures and the pressure, considering the inservice time are received. The results of the research on the change of mode of deformation of laminated timber are resulted under the rise in temperature and changing the loading time.

Festigkeit und Haltbarkeit der Leimholzbalken mit Berticksichtigung der Feuchtigkeit, der Temperatur und der Ausnutzungszeit

Zusammenfassung: Lange Festigkeit und die Haltbarkeit der Leimholzbalken sind mit Berucksichtigung der AuBenfaktoren von den Positionen der thermofluktuationalen Konzeption beschrieben. Es sind die Anhangigkeiten, die die Deformierung der Leimholzelementen im breiten Intervall der Temperaturen und der Spannungen beschrieben und die Ausnutzungszeit berucksichtigen, erhalten. Es werden die Resultate der Untersuchungen der Veranderung des gespannt-deformierten Zustandes der Leimholzbalken bei der Erhohung der Temperatur und bei der Veranderung der Belastungszeit angefuhrt.

Solidite et durabilite des poutres de colle et de bois compte tenue de l’humidite, de la temperature et du temps de l’expoitation

Resume: Une longue solidite et durabilite des poutres de colle et de bois compte tenue de Faction des facteurs exterieures est decrite des positions de la conception thermofluctuationnelle. Sont regues les dependences decrivant la deformation des elements de colle et de bois dans un vaste intervalle des temperatures et tensions et compte tenue du temps de l’expoitation. Sont cites les resultats des etudes du changement de l’etat de tension et de deformation des poutres de colle et de bois lors de l’augmetation de la temperature et du changement du temps de la charge.

Авторы: Ярцев Виктор Петрович - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Конструкции зданий и сооружений»; Антипов Денис Вячеславович - аспирант кафедры «Конструкции зданий и сооружений», ФГБОУ ВПО «ТГТУ».

Рецензент: Монастырев Павел Владиславович - доктор технических наук, профессор кафедры «Городское строительство и автомобильные дороги», декан архитектурно-строительного факультета, ФГБОУ ВПО «ТГТУ».