CC BY
72
Деревопереработка. Химические технологии
Сведения об авторах
Земцовский Алексей Екимович - профессор кафедры древесиноведения и тепловой обработки древесины, ФГАОУ ВПО «Северный (Арктический) федеральный университет им. М.В. Ломоносова», кандидат технических наук, доцент, г. Архангельск, Российская Федерация; e-mail: [email protected].
Мануковский Андрей Юрьевич - профессор кафедры промышленного транспорта, строительства и геодезии, ФГЪОУ ВО «Воронежский государственный лесотехнический университет имени Г.Ф. Морозова», доктор технических наук, доцент, г. Воронеж, Российская Федерация; e-mail: [email protected].
Information about authors
Zemtsovsky Alexey Ecimovic - Professor of Wood science and heat treatment of wood, Federal state Autonomous educational institution of higher professional education «Northern (Arctic) Federal University n.a. M.V. Lomonosov», PhD in Engineering, Associate Professor, Arkhangelsk, Russian Federation; e-mail: [email protected].
Manukovsky Audrey Yurievich - Professor of the Department of Industrial transport, construction and geodesy, Federal State Budget Education Institution of Higher Education «Voronezh State University of Forestry and Technologies named after G.F. Morozov», DSc in Engineering, Associate Professor, Voronezh, Russian Federation; e-mail: [email protected]
DOI: 10.12737/111988 УДК 624.072.221
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕРЕВОКЛЕЕНЫХ КОНСТРУКЦИЙ С УСИЛЕНИЕМ ПРИОПОРНЫХ ЗОН
М. С. Лисятников
ФГБОУ ВПО «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых», г. Владимир, Российская Федерация
Статья посвящена конструкции и технологии изготовления высоких деревоклееных балок с определением границ усиления предельно-напряженных зон клеевым олигомером на основе углеродных нанотрубок (УНТ). Применение высоких деревянных клееных балок с соотношением h/b>6 в строительстве в районах с большими снеговыми и технологическими нагрузками получило новое развитие, связанное с освоением северных территорий. Одним из направлений повышения эксплуатационной надежности деревоклееных балочных конструкций является усиление опорных участков, что обеспечивает повышение прочностных показателей и сопротивления скалывающим и растягивающим напряжениям. Статья написана по результатам диссертационного исследования на соискание ученой степени кандидата технических наук, в рамках которого: разработана расчетная математическая модель усиленного олигомером приопорного участка балки, адекватно отражающая транс-
Лесотехнический журнал 2/2015
137
Деревопереработка. Химические технологии
версально изотропные физические свойства клееной древесины и наномодифицированного материала на основе стеклоткани, эпоксидной диановой смолы и углеродных нанотрубок; предложены уточненные методики инженерного и численного расчетов деревоклееных балочных конструкций с усиленными опорными участками; доказана экспериментально возможность повышения прочности деревокомпозитных балок с усилением приопорных участков олигомером на основе УНТ. Результаты исследования, описанные в статье, позволяют расширить область применения высоких деревоклееных балочных конструкций, снижают запредельные напряжения в приопорных участках балок и повышают эксплуатационную надежность конструкций. Приведенные технологические и технические решения по изготовлению высоких деревоклееных балочных конструкций с усилением приопорных зон олигомером на основе УНТ рекомендуется применять при изготовлении, реконструкции и ремонте деревянных клееных балок.
Ключевые слова: технология, клееные деревянные конструкции, олигомер на основе углеродных нанотрубок, приопорная зона, латинский квадрат, вакуумная инфузия.
IMPROVING THE TECHNOLOGY OF GLUED WOODEN STRUCTURES WITH
INCREASED SUPPORT ZONES M. S. Lisyatnikov
Federal State Budget Education Institution of Higher Professional Education «Vladimir State
University named after Alexander and Nikolay Stoletovs», Vladimir, Russian Federation
Abstract
Article is devoted to the design and manufacturing of high laminated wooden beams with the definition of the boundaries of the gain maximum stressed zones adhesive oligomer based on carbon nanotubes (CNT). The use of high glulam beams with a ratio h/b>6 construction in areas with large and technologically snow-loads of a new development related to the development of the northern territories. One of the ways to increase the operational reliability of glulam beam structures is to enhance support areas, which increases the strength characteristics and resistance to shearing and tensile stresses. The article is written based on the results of dissertation for the degree of candidate of technical sciences, in which: a mathematical model developed by the estimated power oligomer support portion of the beam, adequately reflects the transversely isotropic physical properties of laminated wood and nanomodified material based on fiberglass, epoxy resin and bisphenol-walled carbon nanotubes; a refined technique of engineering and numerical calculations glulam beam structures with enhanced support areas; proved experimentally the possibility of increasing the strength of wood composite beams with increased support areas oligomer based on CNTs. Results of the research described in this paper, can extend the use of high maple wooden beam structures, reduce exorbitant voltage reference sections of beams and increase the operational reliability of structures. These technological and technical solutions for the manufacture of high-glued wooden beam structures with increased support zones oligomer CNT-based recommended in the manufacture, reconstruction and repair of glulam beams.
Keywords: technology, glued wooden structures, the oligomer is based on carbon nanotubes support zone, latin square, vacuum infusion.
138
Лесотехнический журнал 2/2015
Деревопереработка. Химические технологии
Актуальность исследования
Применение высоких деревянных клееных балок с соотношением h/b>6 в строительстве в районах с большими снеговыми и технологическими нагрузками [10] получило новое развитие, связанное с освоением северных территорий. Результаты проведенных технических обследований деревоклееных балочных конструкций позволили установить, что отказ несущих элементов происходит в результате недостаточной сдвиговой прочности в нейтральной зоне сечения или из-за образования наклонных трещин в материале, вызванного растяжением в древесине под углом к волокнам. [1, 9] Одним из направлений повышения эксплуатационной надежности [7] деревоклееных конструкций является усиление опорных участков, что обеспечивает повышение прочностных показателей и сопротивления скалывающим и растягивающим напряжениям.
Отдельные исследования в этом направлении посвящены применению для решения таких задач при изготовлении, монтаже и в эксплуатируемых конструкциях вклеенных стержней и накладок, которые имеют свои преимущества и недостатки [2]. Использование в усилении при-опорных зон деревоклееных балочных конструкций клеевых композиций на основе стеклоткани и нанотехнологий является новым направлением и требует проведения специальных исследований.
Таким образом, направление диссертационной работы, связанное с усилением предельно-напряженных опорных зон деревоклееных высоких балочных конструкций в виде клеевого олигомера на основе углеродных нанотрубок (УНТ), является
актуальной задачей.
Методики инженерного и численного расчетов
Исследовали высокую клееную деревянную балку без усиления и с усилением приопорной зоны. Рассматривалась балочная конструкция сечением 0,24x1,8 м и длиной 18 м.
Опорный участок клееной балки был усилен препрегом на основе стеклоткани и наномодифицированногографитовыми трубками клеевого состава, включающего эпоксидно-диановую смолу ЭД-20 и от-вердитель полиэтиленполиамин (ПЭПА).
Предложен метод инженерного расчета усиленных балок по приведенным геометрическим характеристикам. Приведенная площадь поперечного сечения балки
Апр = Адр-(1+ii-n). (1)
Статический момент инерции приведенного сечения балки с усилением
Snp =Sdp-(l+n-p). (2)
Момент инерции приведенного сечения балки с усилением
1пр = hP • (1 + п • М)- (3)
где Адр - площадь балки без усиления;
ц - коэффициент армирования;
"Д^тН^т)-1- <4>
где п - отношение модулей упругости;
S/jp - статический момент инерции балки без усиления;
х - толщина усиливаемого слоя;
/ф - момент инерции балки без усиления;
hub- высота и ширина сечения балки без усиления.
Обозначение балок, принятое в работе: ДКБ - деревоклееная балка; ДКБУ1,3’5 -
Лесотехнический журнал 2/2015
139
Деревопереработка. Химические технологии
деревоклееная балка с усиленной опорной зоной клеевым олигомером в один, три и пять слоев соответственно.
Изополя напряжений и перемещений
деревоклееных балок представлены на рис. 1 и 2. Графическая интерпретация результатов расчета деревоклееных балок приведена на рис. 3, 4, 5.
14) i t' «41 0 >45 IP 14 5
.uumiiillSliilinilSilll
.15 415 40 -3J2 5.01 151 -0 0O295 0 00295 019?
Рис. 1. Изополя нормальных и касательных напряжений, МПа. Изополя перемещений по оси
Z деревоклееной балки, мм (ДКБ)
509 Ж’ HI Х4 102 40 01 102 XI КО СГ 44
-119 44S Л || 44 -237 4 01212 0 00X2 с .4.
Рис. 2. Изополя нормальных и касательных напряжений, МПа. Изополя перемещений по оси
Z деревоклееной балки, мм (ДКБУ1,3,5)
140
Лесотехнический журнал 2/2015
Деревопереработка. Химические технологии
а) б)
—а—ДКБ —в— ДКБу1 —ДКБуЗ —*—ДКБуБ-----------R------Rep
Рис. 3. Зависимости «нагрузка - касательные напряжения» для деревоклееной балки: а) инженерный расчет; б) численные исследования
а) б)
—•—ДКБ ■ ДКБу1 —W— ДКБуЗ —i—ДКБуБ-------R------Rep
Рис. 4. Зависимости «нагрузка - сжимающие напряжения поперек волокон» для деревоклееной балки: а) инженерный расчет; б) численные исследования
Лесотехнический журнал 2/2015
141
Деревопереработка. Химические технологии
а) б)
180 160 140 120 т' 100 лэ 2С & 80 го X 60 40 20
у = 27. 55бх V = 25.9 22х
М ¥ = 23.9 7бх
1 у = 21.: (6х
/У WA
£ У 1
//У 1 1
1 • у /// 1 1
/ 1 1
1 1
0 2 4 6 8 Напряжения, МПа
—•—ДКБ —■—ДКБу1 —ДКБуЗ ---------ДКБуБ-----R------Rep
Рис. 5. Зависимости «нагрузка - растягивающие напряжения под углом к волокнам» для деревоклееной балки (угол а*24°-25°): а) инженерный расчет; б) численные исследования
При нагружении элементов деревоклееных конструкций до разрушения отчетливо проявляются три характерные и последовательные стадии напряженнодеформированного состояния: условно-
упругая, упругопластическая, разрушение. Численные исследования выполнены с учетом анизотропных свойств древесины и ползучести (рис. 6) [3, 4].
Методика планирования экспериментального исследования
Планирование эксперимента выполнено методом «латинского квадрата». Постоянным фактором выбрана эпоксиднодиановая смола ЭД-20. Коэффициент армирования «а», концентрация УНТ «и», температура отверждения олигомера«Ъ> -варьируемые факторы.
В результате планирования эксперимента построены графики влияния каждого фактора на прочность (рис. 7).
Получены эмпирические зависимости / (а) = 0,506 • 1па+ 0,949; (5)
/(и) = -0,0087 • и2 + 0,0731 • и+ 0,8827; (6) /(t) = 0,0061 • t2 + 0,0186 • t + 0,9889. (7) По найденным частным уравнениям каждой переменной получена эмпирическая зависимость, учитывающая влияние каждого фактора на прочность опытных образцов:
Р = КР' /(а) • /(и) • /(t). (8)
где Дср- средняя теоретическая прочность. Экспериментальные исследования Исследовали образцы древесины с усилением (У) и стандартные деревянные
142
Лесотехнический журнал 2/2015
Деревопереработка. Химические технологии
ДКБ
ДКБУ5
-О дней
-120 дней
-240 дней
— 360 дней
— 480 дней
-730 дней
Рис. 6. Зависимости «нагрузка - перемещения» во времени (ДКБ; ДКБу*)
образцы (Д) при действии кратковременной нагрузки.
Испытания опытных образцов проводили для оценки физико-механических характеристик усиленной клеевым олигомером древесины при различном напряженном состоянии, возникающем в опорных участках балочных конструкций.
Данные по результатам испытаний сведены в табл. 1. Полученные результаты представлены зависимостями «нагрузка -относительная деформация» (рис. 8, 9, 10) для каждого вида испытаний.
Технология усиления приопорного участка деревоклееной балки
Усиление опорных зон деревоклееной балки выполняется в условиях цеха. Весь процесс разделен на 4 этапа.
На первом этапе при механической обработке кромки приопорных участков выполняют с фаской 10 мм, или округлением радиусом 10-20 мм. Это позволяет
исключить излом ткани и непроклеи.
На втором этапе производят раскрой стеклоткани и готовят клеевую нанокомпозицию [6]. Процесс приготовления включает несколько стадий:
1. Ультразвуковое диспергирование нанотрубок в стеариновой кислоте в течение 30 мин при температуре 70 °С.
2. Раствор, содержащий УНТ, смешивается с эпоксидной смолой до создания однородной по структуре и цвету композиции.
3. Эпоксидная нанодисперсия проходит термообработку в печи при температуре 120 °С в течение двух часов с последующим охлаждением.
4. В полученный эпоксидный состав добавляется отвердитель.
В результате создается адгезив:
о Эпоксидно-диановая неотвержденная смола марки ЭД-20 - 100 вес. ч.;
о Отвердитель - полиэтиленполиа-
Лесотехнический журнал 2/2015
143
Слияние на прочность Слияние на Прочность Влипни* на прочность
Деревопереработка. Химические технологии
Р[а)
104
Количество слоев композита, итт
Р(и)
1.04
P[t]
*С
Рис. 7. Влияние факторов «а, u, t» на прочность опытных образцов
о
Относительная деоопмания
----Д -------У1------УЗ ------У5
Ри
с. 8. Зависимость «нагрузка - относительная деформация» при испытаниях на скалывание вдоль волокон
---Д ---У1 ---УЗ ---¥5
Рис. 9. Зависимость «нагрузка - относительная деформация» при испытаниях на сжатие поперек волокон
144
Лесотехнический журнал 2/2015
Деревопереработка. Химические технологии
Таблица 1
Результаты испытаний опытных образцов
Обозначение Разрушающая Передел Увеличение
образца нагрузка, кН прочности, МПа прочности, %
Скалывание вдоль волокон
д 2,78 13,33 100
У1 4,16 16,15 121
УЗ 4,99 17,98 135
У5 6,01 19,8 149
Сжатие поперек волокон
д 2,09 3,93 100
У1 2,52 4,31 110
УЗ 3,29 5,07 129
У5 3,9 5,49 139
Растяжение под углом к волокнам
д 0,84 2,79 100
У1 1,56 4,74 170
УЗ 2,18 5,56 199
У5 2,47 5,88 207
* Цифры 1, 3, 5 в обозначении усиленных образцов указывают количество слоев поверхностного усиления.
-----Д ------У1 -------УЗ ------V5
Рис. 10. Зависимость «нагрузка - относительная деформация» при растяжении под углом к волокнам
мин (ПЭПА) - 10-15 вес. ч.;
о Растворитель - стеариновая кислота - 0,5-2,0 вес. ч.;
о УНТ «Таунит» М» - 0,3 вес. ч.
На третьем этапе проводят контактное соединение композита с приопорной зоной деревоклееной балки. Процесс состоит их четырех стадий.
1. Нанесение слоя адгезива на поверхность приопорной зоны деревоклееной балки из расчета 0,7-1,0 кг/м2.
2. Наклеивание обоймы из полимерного композита на опорный участок балки [8]. Первый слой (нечетный) укладывают от основания поперечного сечения деревоклееной балки. Перед укладкой второго слоя (при многослойной конструкции усиления) на прикатанный слой наносят нанокомпозицию
Лесотехнический журнал 2/2015
145
Деревопереработка. Химические технологии
из расчета 0,5-0,6 кг/м2. Второй слой (четный) начинают приклеивать от верхней грани поперечного сечения. При этом обеспечивается перекрытие швов. После укладки последнего слоя обоймы на поверхность ткани наносится финишный слой адгезива из расчета 0,5 кг/м2.
3. Вакуумная инфузия [5]. Устанавливают вакуумный канал, герметизирующий жгут и жертвенную ткань. Затем на композицию укладывают вакуумный мешок и фиксируют по периметру клейким жгутом. Далее проверяют герметичность системы и подключают вакуумную помпу. Из системы откачивают воздух, и под действием внешнего давления нанокомпозиция равномерно пропитывает стеклоткань, а покрытие плотно прижимается к поверхности участка. После отверждения связующего проводят удаление вакуумной оболочки.
4. Термообработка усиленного участка конструкции в диэлектрической сушильной камере сверхвысокой частоты (СВЧ). При финишной механической обработке удаляют остатки жертвенной ткани, свесы и неровности.
На четвертом этапе осуществляют контроль качества, маркировку, паспортизацию, упаковку и транспортировку, складирование продукции.
Основные выводы
1. Разработана технология изготовления высоких деревоклееных балок с усилением предельно напряженных зон оли-
гомером на основе УНТ.
2. Разработана методика расчета усиленных высоких балочных деревокомпозитных конструкций.
3. Выполнены численные исследования балочных деревоклееных конструкций в программном комплексе «ЛИРА 9.6». Установлено, что расхождение инженерного метода расчета с численным экспериментом составляет по прочности 4-8 %, по жесткости 7-12 %.
4. Выполнены экспериментальные исследования прочности и деформативно-сти стандартных образцов и образцов с поверхностным усилением на основе методической сетки опытов.
5. Установлено, что предел прочности деревокомпозитных образцов увеличивается при скалывании до 49 %, сжатии поперек волокон - 39 %, растяжении под углом к волокнам - в 2 раза.
6. Выявлено, что характер разрушения усиленных композитом опытных образцов имеет пластический характер в отличие от цельнодеревянных образцов, что позволяет повысить эксплуатационную надежность конструкций.
Разработанные технологические и технические решения по изготовлению высоких деревоклееных балочных конструкций с усилением приопорных зон олигомером на основе УНТ рекомендуется применять при изготовлении, реконструкции и ремонте деревянных клееных балок.
Библиографический список
1. Лабудин, Б. В. Совершенствование клееных деревянных конструкций с пространственно-регулярной структурой [Текст] : моногр. / Б. В. Лабудин. - Архангельск : Изд-во АГ-ТУ, 2007. - 267 с.
146
Лесотехнический журнал 2/2015
Деревопереработка. Химические технологии
2. Лабудин, Б.В. Клееные деревянные конструкции: состояние и проблемы развития [Текст] / Лабудин, Б.В., Серов Е.Н. // ИВУЗ. «Лесной журнал». - 2013. - № 2. - 6 с.
3. Рощина, С. И. Прочность и деформативность клееных армированных деревянных конструкций при длительном действии нагрузки [Текст] : дне. ... докт. техн. наук: 05.23.01 /
С. И. Рощина. - М. : МГАКХиС, 2009. - 324 с.
4. Roshhina, S. I. Allowance for creep in the study of the reinforced wood-based constructions [Text] / S. I. Roshhina, M. V. Lukin, P. B. Shohin, M. S. Sergeev, M. S. Lisyatnikov // Life Science Journal. - 2014. - no. 11 (9s). - pp. 192-195.
5. Сергеев, M. С. Совершенствование технологии изготовления деревянных конструкций с термоупрочнением краевых зон [Текст] : дне. ... канд. техн. наук: 05.21.05 / М. С. Сергеев. - Архангельск, 2013. - 173 с.
6. Шилин, А. А. Внешнее армирование железобетонных конструкций композиционными материалами [Текст] / А. А. Шилин, В. А. Пшеничный, Д. В. Картузов. - М. : ОАО «Издательство «Стройиздат», 2007. - 184 с.
7. Шохин, П. Б. Повышение эксплуатационной надежности деревокомпозитных балочных конструкций [Текст] : дне. ... канд. техн. наук: 05.21.05 / П. Б. Шохин. - Архангельск,
2012. - 163 с.
8. Charleta, К. Improvement of wood polymer composite mechanical properties by direct fluorina-tion [Text] / K. Charleta, F. Saulniera, M. Duboisb, A. Beakoua // Materials & Design, 2015. - pp. 61-66.
9. Youngquis, J. A. Solid wood products [Text] / J. A. Youngquis, //Encyclopedia of Forest Sciences, 2004. - pp. 1331-1338.
10. Yue-Jun Yin Probabilistic loss assessment of light-frame wood construction subjected to combined seismic and snow loads [Text] / Yue-Jun Yin, Yue Li // Engineering Structures, 2011. -pp. 380-390.
References
1. Labudin B.V. Sovershenstvovanie kleenyh derevjannyh konstrukcij s prostranstvenno-reguljarnoj strukturoj [Improvement of glued wooden structures with spatially regular structure], Arkhangelsk, 2007, 267 p. (In Russian).
2. Labudin B.V., Serov E.N. Kleenye derevjannye konstrukcii: sostojanie i problem razvitija [Glued wooden structures: status and problems of development], Lesnoj zhurnal [Forest Journal],
2013. no 2, 6 p. (In Russian).
3. Roshhina S.I. Prochnost' i deformativnost' kleenyh armirovannyh derevjannyh konstrukcijpri dli-tel'nom dejstvii nagruzki dis. doct. tehn. nauk [Strength and deformability of reinforced glued wooden structures under long-term stress Dis. Doc. Techn. Sciences], Moscow, 2009, 324 p. (In Russian).
4. Roshhina S.I., Lukin M.V., Shohin P.B., Sergeev M.S., Lisyatnikov M.S. Allowance for creep in the study of the reinforced wood-based constructions. LifeScienceJournal, 2014, no. 11 (9s), pp. 192-195.
5. Sergeev M.S. Sovershenstvovanie tehnologii izgotovlemja derevjannyh konst-rukcij s termou-
Лесотехнический журнал 2/2015
147
Деревопереработка. Химические технологии
prochneniem kraevyh zon dis. kand. tehn. nauk [Improving the technology of wooden structures with thermo-hardening edge zones Dis. Cand. Techn. Sciences] Arkhangelsk, 2013, 173 s. (In Russian).
6. Shilin A. A., Pshenichnyj V. A., Kartuzov D.V. Vneshnee armirovanie zhelezobetonnyh kon-strukcij kompozicionnymi materialami [External reinforcement of concrete composites], Moscow, 2007, 184 p. (In Russian).
7. Shohin P.B. Povyshenie'jekspluatacionndj nadezhnosti derevokompozitnyh ba-lochnyh kon-strukcij dis. kand. tehn. nauk [Increasing the operational reliability of composite wood joist construction Dis. Cand. Techn. Sciences], Arkhangelsk, 2012, 163 s. (In Russian).
8. Charleta K.,Saulniera F., Duboisb M., Beakoua A.Improvement of wood polymer composite mechanical properties by direct fluorination Materials & Design, 2015, pp. 61-66.
9. Youngquis J.A. Solid wood products Encyclopedia of Forest Sciences, 2004, pp. 13311338.
10. Yue-Jun Yin, Yue Li.Probabilistic loss assessment of light-frame wood construction subjected to combined seismic and snow loads. Engineering Structures, 2011, pp. 380-390.
Сведения об авторе
Лисятников Михаил Сергеевич - аспирант кафедры «Строительные конструкции», ФЕБОУ ВПО «Владимирский государственный университет имени Александра Еригорьеви-ча и Николая Еригорьевича Столетовых», г. Владимир, Российская Федерация; e-mail: mli-sy atnikov@mail. ru.
Information about author
Lisyatnikov Mikhad Sergeevich - post-graduate of the Department «Building Structures», Federal State Budget Education Institution of Higher Professional Education «Vladimir State University named after Alexander and Nikolay Stoletovs», Vladimir, Russian Federation; email: [email protected].
148
Лесотехнический журнал 2/2015
