CC BY
1
Влияние отрицательных температур на несущую способность деревянных конструкций с вклеенными стержнями
С.И. Миронова, И.А Кудрявцев Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет
Аннотация: В работе описана модель поведения соединения деревянных конструкций с вклеенными стержнями при воздействии отрицательных температур. Приведены результаты по определению сопротивления древесины продавливанию вклеенного стержня армированных соединений деревянных конструкций при температурах - 30°С, -70°С и +22°С. Выявлены характерные особенности разрушения арматурного стержня и соединения в целом.
Ключевые слова: древесина, вклеенные стержни, экстремальные температурно-влажностные условия, прочность клеевого соединения на вдавливание металлических стержней.
Особенностью арктического российского региона, по сравнению с арктическими регионами других стран, является то, что в России на подобных территориях проживает гораздо больше людей (численность составляет 2,6 млн. человек) [1]. С учетом повышенных темпов развития строительной отрасли в районах Крайнего Севера, большое значение обретает вопрос исследований влияния экстремальных климатических условий на прочность и долговечность строительных конструкций. Кроме того, остаются не рассмотренными возможности использования новых конструкционных материалов, обладающих повышенными физико-механическими характеристиками [2], клеевых систем [3-5] а также особенностей функционирования металлических стержней [6, 7]. В данной работе, приведен анализ исследований по влиянию отрицательных температур на элементы клеевого соединения древесины и металла. Дана адаптивная методика на основе действующих нормативных документов для испытаний по определению сопротивления древесины продавливанию вклеенного стержня при отрицательных температурах.
Испытания проводились в лаборатории механических испытаний строительных конструкции СПбГАСУ - Центре механических испытаний
строительных конструкций (ЦМИСК). Процесс охлаждения образцов протекал в испытательной камере тепла холода влажности КТХВ-300 (способна обеспечить стабильной минусовой температурный режим в диапазоне от -150°С до +350°С). Для испытаний на сжатие при дополнительном воздействии окружающей среды применялась электромеханическая испытательная машина 1шйоп 5982 с использованием жидкого азота, которая обеспечивает нагрузку в диапазоне до 100кН с точностью измерений ±0,5%. Процесс испытания на вдавливание металлических стержней контролировался программным обеспечением для испытаний материалов, разработанным специально для данной испытательной машины. Приложенная к каждому образцу нагрузка и деформации измерялись непосредственно системой нагружения установки. Для анализа и описания особенности работы рассматриваемого типа соединения при воздействии отрицательных температур возникла необходимость в адаптации существующего метода проведения испытаний, представленного в ГОСТ Р 58558-2019 и ГОСТ Р 56710-2015. Температура контролировалась встроенным в климатическую камеру датчиком. Образцы изготавливались из соснового клееного бруса. Соединение формировалось на эпоксидном клее ЭД-20 [8]. Первая партия образцов испытывалась при температуре - 30°С, вторая при -70°С, третья +22°С (контрольные образцы). На рис. 1 представлен образец в испытательной температурной камере.
При проведении испытаний с достижением нагрузки 0,4^Ытах начиналось разрушение древесины (был слышен звук растрескивания). В процессе разрушения, наблюдалось деформационное смятие арматурного стержня в верхней части отверстия (рис. 2).
На рис. 3 предоставлены графические зависимости при определении сопротивления древесины продавливанию вклеенного стержня.
Рис. 2. Смятие арматурного стержня в верхней зоне отверстия - видимое изменение в образце после разрушения
а)
б)
60000
50000-
40000
т 30000 о.
X 20000
10000 -
/ V ч \
/ /
м/
3 4 5 6 7 Перемещение [тт]
10
в)
Рис. 3. Графики испытания образцов по определению сопротивления продавливанию вклеенного стержня древесины при температуре: а) +22°С; б) -30°С; в) -70°
На основании полученных данных видно, что с уменьшением температуры, прочность соединений на вклеенных стержнях увеличивается. По сравнению со значениями, полученными при нормальных температурных условиях (+22° ) прочность соединения при -30° увеличилась на 9,1%, а при -70° увеличилась на 24,5%. Подобный характер работы может быть вызван кристаллизацией влаги в лед в теле материалов и увеличением модуля упругости древесины и клеевого компонента [9, 10]. Возможно, столь резкое увеличение прочности в диапазоне от -30° до -70° вызвано характерной работой именно клеевой системы. При анализе распилов разрушенных образцов было выявлено, что при нормальных условиях разрушение материала происходило при исчерпании адгезионной прочности - на границе клей/древесина; при температуре -70° происходило когезионное разрушение древесины (рис. 4).
Согласно проведенным испытаниям, несущая способность соединения продавливанию возрастает с уменьшением температуры: на 9,1% при -30° и на 34,5% при -70% относительно начальных значений.
Визуальный анализ разрушенных образцов, при нормальных температурно-влажностных условиях показал, что разрушение происходило при исчерпании адгезионной прочности - на границе клей/древесина; при пониженных температурах - исчерпывалась прочность древесины (исчерпание когезионной прочности), что ярче заметно при испытаниях при -70°
По сравнению со значениями, полученными при нормальных температурных условиях (+22°) прочность соединения при -30° увеличилась на 9,1%, а при -70° увеличилась на 24,5%. Подобный характер30° до -70°
М Инженерный вестник Дона, №10 (2023) ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/nl0y2023/8698
вызвано характерной работой именно клеевой системы. При анализе распилов разрушенных образцов было выявлено, что при нормальных условиях разрушение материала происходило при исчерпании работы может быть вызван, кристаллизацией влаги в лед в теле.
а)
и
Рис. 4. Характер разрушения соединения при температуре: а) +22°С; б) -30°С; в)-70°
материалов и увеличением модуля упругости древесины и клеевого компонента. Возможно, столь резкое увеличение прочности в диапазоне от -адгезионной прочности - на границе клей/древесина; при температуре -70°С происходило когезионное разрушение древесины.
Литература
1. Самарина, В. П. Изменение численности населения российских северных регионов: причины и последствия. АРКТИКА: инновационные технологии, кадры, туризм: Материалы международной научно-практической конференции, Воронеж, 19-21 ноября 2018 года / под общ. ред. В. И. Прядкина. - Воронеж: Воронежский государственный лесотехнический университет им. Г.Ф. Морозова, 2018. - С. 156-160. - EDN ZBTKIH.
2. Мамедов, Ш. М., Нижегородцев Д. В., Симахин А. Ю. Представление феноменологической модели поведения конструкций из LVL в условиях низких отрицательных температур //Актуальные научные исследования в современном мире. 2020. № 6-1(62). С. 224-233.
3. Коваль П. С., Черных А. Г., Данилов Е. В., Клёван В.И., Белов В.В. О работе составных двутавровых балок со стенкой из профилированного стального листа и поясами из однонаправленного клееного шпона / Вестник гражданских инженеров. 2022. № 6(95). С. 5-9.
4. Турковский С. Б., Погорельцев А. А., Преображенская И. П. Клееные деревянные конструкции с узлами на вклеенных стержнях в современном строительстве (система ЦНИИСК). Москва: риф стр, 2013. 308 с.
5. Винокуров, А. А., Докторов, И. А., Лавров, М. Ф. Влияние отрицательной температуры и влаги на прочность цельной и клееной древесины. Вестник Северо-Восточного федерального университета им. М.К. Аммосова. 2006. №3 (3). 71-77.
М Инженерный вестник Дона, №10 (2023) ivdon.ru/ru/magazine/arcliive/nl0y2023/8698
6. Filiatrault A. and Holleran M. Stress-strain behavior of reinforcing steel and concrete under seismic strain rates and low temperature. Materials and Structures/ Materiaux et Construction, vol. 34, no. 4, 2001, - pp. 235-239.
7. Yan J. B., Xie J. Experimental studies on mechanical properties of steel reinforcement under cryogenic temperatures. Construction and Building Materials, vol. 151, - Oct. 2017. Pp 661-672,
8. Варламов, А. А. Гаврилов В. Б., Морозов М. С. Перспективы развития клеевых соединений // Актуальные проблемы современной науки, техники и образования. - 2021. - Т. 12, № 2. - С. 3-7.
9. Буслаев Ю.Н. Исследование влияние отрицательных температур и влажности на долговечность клееных элементов деревянных конструкций (на примере Центральной Якутии): Дис..канд. техн. Наук. Л.: ЛИСИ, 1982. 225с
10. Крестьянинова, В. Ф. Особенности работы соединений деревянных конструкций на вклеенных стержнях в условиях отрицательных температур. Тенденции развития науки и образования. - 2021. - № 72-2. - С. 147-151.
References
1. Samarina, V. P. ARKTIKA: innovacionny'e texnologii, kadry\ turizm: Materialy' mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii, Voronezh, 19-21 noyabrya 2018 goda pod obshh. red. V. I. Pryadkina. Voronezh: Voronezhskij gosudarstvenny'j lesotexnicheskij universitet im. G.F. Morozova, 2018. pp. 156160.
2. Mamedov, Sh. M., Nizhegorodcev D. V., Simaxin A. Yu. AktuaTny'e nauchny'e issledovaniya v sovremennom mire. 2020. № 6-1(62). pp. 224-233.
3. KovaT P. S., Cherny x A. G., Danilov E. V., Klyovan V.I., Belov V.V. Vestnik grazhdanskix inzhenerov. 2022. № 6(95). pp. 5-9.
4. Turkovskij S. B., Pogorefcev A. A., Preobrazhenskaya I. P. Kleeny'e derevyanny'e konstrukcii s uzlami na vkleenny'x sterzhnyax v sovremennom
stroiterstve (sistema CzNIISK). [Glued wooden structures with knots on glued rods in modern construction (TsNIISK system)] Moskva: rif str, 2013. 308 p.
5. Vinokurov, A. A., Doktorov, I. A., Lavrov, M. F. Vestnik Severo-Vostochnogo federaFnogo universiteta im. M.K. Ammosova. 2006. №3 (3). 71-77.
6. Filiatrault A. and Holleran M. Materials and Structures/ Materiaux et Construction, vol. 34, no. 4, 2001, pp. 235-239.
7. Yan J. B., Xie J. Construction and Building Materials, vol. 151, Oct. 2017. Pp 661-672.
8. Varlamov, A. A. Gavrilov V. B., Morozov M. S. Aktual'ny'e problemy' sovremennoj nauki, texniki i obrazovaniya. 2021. T. 12, № 2. pp. 3-7.
9. Buslaev Yu.N. Issledovanie vliyanie otriczatel'ny'x temperatur i vlazhnosti na dolgovechnosf kleeny'x e'lementov derevyanny'x konstrukcij (na primere CentraTnoj Yakutii)[ Study of the influence of negative temperatures and humidity on the durability of glued elements of wooden structures (on the example of Central Yakutia)]: Dis..kand. texn. Nauk. L.: LISI, 1982. 225p.
10. Kresfyaninova, V. F. Tendencii razvitiya nauki i obrazovaniya. 2021. № 722. pp. 147-151.
