employee
employee
student
student
VAC 05.17.00 Химическая технология
VAC 05.23.00 Строительство и архитектура
UDK 69 Строительство. Строительные материалы. Строительно-монтажные работы
Currently, reinforced concrete and metal structures are used in different sectors of the construction. However, wooden structures are still widespread. The advent of high-strength polymer materials made possible their application in beam constructions. Wood composite beams have a higher strength and fracture toughness. A significant part in improving the appearance of composite structures made of carbon nanotubes. The article shows the research wood composite beams with symmetrical reinforcement stretched and compressed zones. The study was conducted as a numerically and experimentally on models of solid wood beams. Numerical study carried out in the software package «Lira». This software package allows you to reflect the real work of wooden structures at all stages of the work and significantly improves the accuracy of the calculation. Article conclusions on further development of previously developed solid wood beams reinforced with glass fiber reinforcement symmetrical with CNTs.
Wood composite beam, application of carbon nanotubes, a numerical calculation, structural analysis, symmetrical fiberglass reinforcement
Введение. На протяжении истории деревянные конструкции всё время развивались, вбирая в себя новые элементы. Значительную роль в совершенствование деревянных конструкций внесло появление и развитие эпоксидных смол. В наше время стремительно развиваются нанотехнологии, в том числе они находят своё применение и в строительстве. Однако, исследований в этом направлении пока проведено очень мало, в частности представляет интерес использование возможностей наноиндустрии для совершенствования деревянных конструкций.
Основная часть. Ранее были проведены исследования деревокомпозитных балок с армированием стеклотканью в начале в растянутой зоне, а потом с симметричным усилением растянутой и сжатой зон [1, 2, 7, 8]. При этом в качестве клеевого состава применялась модифицированная углеродными нанотрубками смола ЭД-20. Исследование проведено как численным методом, так и экспериментально на моделях цельнодеревянных балок.
Разрушение композитных балок носило пластический характер, разрушение начиналось со смятия в сжатой зоне, после чего в растянутой зоне образовывалась трещина в месте расположения пороков в виде сучка. Отрыва стеклоткани от древесины и её разрыва не происходило. Экспериментально подтверждено, что разрушение композитных балок происходит только по нормальным сечениям. Это исключает возможность разрушения усиленных балок от скалывания и раскалывания в приопорных участках, т.е. обеспечивает надежность работы конструкций на действие сдвигающих усилий в опорных сечениях, тем самым, повышая надежность конструкции против обрушения.
Так как в проведённой работе были исследованы только цельнодеревянные балки, то это накладывает ограничения по пролёту конструкций. В качестве развития данной темы подготавливается проведение эксперимента с клеёными деревянными балками. В предварительном численном исследовании была принята схема послойного армирования клеёной конструкции, когда стеклоткань на модифицированном УНТ олигомере вклеивается между каждой пластью набираемой деревянной балки.
Для удобства сравнения результатов с уже полученными данными по цельнодеревянным балкам модель сечения балки и коэффициент армирования приняты аналогичными. Расчёты проведены методом конечных элементов в программном комплексе «Лира». Для получения наиболее достоверных результатов, а так же для оценки напряжённо деформированного состояния конструкций расчёты проведены как в стадии линейной работы, так и физической нелинейной работы древесины. Тем не менее результаты, полученные при использовании МКЭ, должны оцениваться с учетом данных полученных опытным путём.
Рис. 1. Эпюра распределения нормальных напряжений при нагрузке 10,4 кН для цельнодеревянной балки
Рис. 2. Эпюра распределения касательных напряжений при нагрузке 10,4 кН для цельнодеревянной балки
Рис. 3. Эпюра распределения нормальных напряжений при нагрузке 10,4 кН для клеёной балки
Рис. 4. Эпюра распределения касательных напряжений при нагрузке 10,4 кН для клеёной балки
По результатам предварительных исследований можно наблюдать увеличение прочности и жёсткости моделей клеёных балок на 3…7 % по сравнению с цельнодеревянными. Полученные значения достаточно малы и учитывая погрешность результатов которые даёт численный метод реальное изготовление описанных конструкций представляется не целесообразным, т.к. увеличивая трудоёмкость при изготовлении конструкции не получаем экономической отдачи.
Выводы. Наиболее рациональным представляется изготовка «классической» клеёной балки и дальнейшее её симметричное армирование стекловолокном в сжатой и растянутой зонах. В этом случае из-за увеличения сечения балки необходимо и большее количество слоёв стеклоткани, чтобы обеспечить необходимый коэффициент армирования конструкции и возможно необходимо будет перераспределение слоёв между краевой зоной и крайнем клеевым швом балки, но это уже вопрос дальнейших исследований. Так же представляет интерес развития темы в формате исследований проведённых в [1, 4, 6].
Следует отметить, что применение углеродных нанотрубок в составе клеевой композиции увеличивает трещиностойкость древесины, повышаются адгезионно-когезионные характеристики соединения, поэтому вопрос дальнейшего развития метода на клеёные конструкции является актуальным. Это позволит создавать принципиально новые конструкции, обладающие повышенными прочностными, жесткостными характеристиками и имеющими широкий спектр применения в современном строительстве.
1. Lisyatnikov M.S. Sovershenstvovanie tehnologii izgotovleniya derevokleenyh konstrukciy s usileniem priopornyh zon: dissertaciya kandidata tehnicheskih nauk. Vladimir, 2015.
2. Roschina S.V., Lukin M.V., Lisyatnikov M.S., Markov S.V., Sinyutin A.V., Golubko A.I. Sovershenstvovanie derevokompozitnyh balochnyh konstrukciy. // Estestvennye i tehnicheskie nauki. 2014. № 9-10 (77). S. 376-377.
3. Patent RUS 117474 19.12.2011 Roschina S.I., Smirnov E.A., Repin V.A., Lukin M.V. Derevyannaya balka.
4. Kiselev S.I., Roschina S.I., Smirnov E.A. Povyshenie nadezhnosti bol'sheproletnyh dvuskatnyh balok, obosnovanie primeneniya racional'nogo armirovaniya. stroitel'stvo-2014: sovremennye problemy promyshlennogo i grazhdanskogo stroitel'stva. Materialy mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferencii // Institut promyshlennogo i grazhdanskogo stroitel'stva. 2014. S. 47-50.
5. Roschina S.I. Prochnost' i deformativnost' kleenyh armirovannyh derevyannyh konstrukciy pri dlitel'nom deystvii nagruzki: dissertaciya na soiskanie uchenoy stepeni doktora tehnicheskih nauk GOUVPO "Moskovskiy institut kommunal'nogo hozyaystva i stroitel'stva". M.. 2009.
6. Bondarenko V.M., Rimshin V.I., Roschina S.I., Shohin P.B. Eksperimental'noe issledovanie harakteristiki i mery polzuchesti drevesiny. Innovacii v otraslyah narodnogo hozyaystva, kak faktor resheniya social'no-ekonomicheskih problem sovremennosti. Sbornik dokladov i materialov Mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferencii // Institut nepreryvnogo obrazovaniya, Moskovskaya gosudarstvennaya akademiya kommunal'nogo hozyaystva i stroitel'stva. Moskva, 2011. S. 13-16.
7. Roschina S.I., Lukin M.V., Labudin B.V., Melehov V.I. Raschet kompozitnyh derevokleenyh balok na osnove primeneniya inzhenernogo metoda // Izvestiya vysshih uchebnyh zavedeniy. Lesnoy zhurnal. 2012. № 3. S. 90-94.
8. Roschina S.I., Lukin M.V., Lukina A.V., Lisyatnikov M.S. Povyshenie ekspluatacionnyh svoystv drevesiny, oslablennoy biopovrezhdeniem, putem modifikacii kleevoy kompoziciey na osnove epoksidnoy smoly // Nauchno-tehnicheskiy vestnik Povolzh'ya. 2014. № 4. S. 182-184.
9. Roschina S.I., Lukin M.V., Sergeeva A.N., Narmaniya N.E. Proektirovaniya vstavok pri suschestvuyuschey zastroyke zdaniy. Bezopasnost' stroitel'nogo fonda Rossii. Problemy i resheniya. Materialy Mezhdunarodnyh akademicheskih chteniy // Kurskiy gosudarstvennyy universitet. Kursk, 2015. S. 33-41.
10. Mihaylov V.V., Roschina S.I., Shohin P.B. Eksperimental'noe opredelenie mery polzuchesti drevesiny // Nauchno-tehnicheskiy vestnik Povolzh'ya. 2011. № 5. S. 219-221.
11. Roschina S.I., Lukin M.V., Sergeeva A.N., Narmaniya N.E. Osobennosti obsledovaniya zdaniy na predmet vozvedeniya zhilyh vstavok. Bezopasnost' stroitel'nogo fonda Rossii. Problemy i resheniya Materialy Mezhdunarodnyh akademicheskih chteniy // Kurskiy gosudarstvennyy universitet. Kursk, 2015. S. 333-337.
12. 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 // Life Science Journal. 2014. №. 11 (9s). Pp. 192-195.
