Содержание к диссертации
Введение
Глава I.Существо проблемы, цель и задачи исследований 16
1.1. Применение деревянных конструкций в строительстве 16
1.2. Анализ состояния деревянных конструкций в процессе эксплуатации 31
1.3. Анализ исследований по оценке прочности деревянных конструкций 38
1.4. Цель и задачи исследований 43
Выводы по первой главе 45
Глава 2. Теоретические предпосылки оценки прочности элементов деревянных конструкций методами механики разрушения 46
2.1. Основные виды разрушения цельной древесины и особенности разрушения клееной 46
2.2. Обоснование применения принципов линейной механики разрушения изотропных тел к разрушению древесины 51
2.3. Моделирование сингулярности поля напряжений и деформаций вблизи трещины 58
2.4. Разработка алгоритма расчета элементов деревянных конструкций со сквозными трещинами 63
2.5. Влияние выбора сетки конечных элементов и контуров интегрирования на вычисление J-интеграла и коэффициентов интенсивности напряжений 72
Выводы по второй главе 79
Глава 3. Методика экспериментального определения трещиностойкости древесины при действии статической нагрузки 81
3.1. Диаграммы деформирования древесины у вершины трещины при нормальном отрыве поперек и скалывании вдоль волокон 82
3.2. Обоснование формы и размеров образцов по определению характеристик разрушения древесины 88
3.3. Выбор и обоснование методов экспериментального определения
характеристик трещиностойкости древесины 108
Выводы по третьей главе 118
Глава 4. Определение трещиностойкости древесины при действии статической нагрузки 119
4.1. Определение вязкости разрушения с и скорости освобождения энергии Gic при кратковременном действии нагрузки 119
4.2. Определение вязкости разрушения Кцс и скорости освобождения энергии Gnc при кратковременном действии нагрузки 148
4.3. Определение коэффициентов интенсивности напряжений К' и К*ц,
вызывающих продвижение трещины в древесине при совместном дейст
вии нормального отрыва и поперечного сдвига 156
4.4. Обоснование критерия разрушения элементов деревянных конст
рукций со сквозными трещинами 180
Выводы по четвертой главе 185
Глава 5. Оценка прочности элементов деревянных конструкций со сквозными трещинами и узлов, работающих в условиях сложного неоднородного напряженного состояния 187
5.1. Общие закономерности изменения несущей способности деревянных балок со сквозными трещинами 187
5.2. Общие закономерности изменения несущей способности узлов трехшарнирных арок 214
5.3. Общие закономерности изменения несущей способности узлов арок, усиленных наклонно вклеенными стержнями 237
5.4. Общие закономерности изменения несущей способности опорных узлов деревянных клееных балок с подрезками 250
Выводы по пятой главе 263
Глава 6. Рекомендации по расчету элементов деревянных конструкций со сквозными трещинами и узлов, работающих в условиях сложного неоднородного напряженного состояния. внедрение результатов работы ...265
6.1. Нормативные и расчетные значения вязкости разрушения древесины сосны 265
6.2. Рекомендации по расчету деревянных балок со сквозными трещинами 268
6.3. Рекомендации по расчету и проектированию опорных и коньковых узлов арок с металлическими башмаками 270
6.4. Рекомендации по расчету опорных узлов деревянных клееных балок с подрезками 275
6.5. Внедрение результатов работы 276
Выводы по шестой главе 277
Заключение 278
Список использованной литературы
- Применение деревянных конструкций в строительстве
- Основные виды разрушения цельной древесины и особенности разрушения клееной
- Диаграммы деформирования древесины у вершины трещины при нормальном отрыве поперек и скалывании вдоль волокон
- Определение вязкости разрушения с и скорости освобождения энергии Gic при кратковременном действии нагрузки
Введение к работе
Зарубежный и отечественный опыт проектирования и эксплуатации деревянных конструкций показывает целесообразность их широкого использования в зданиях и сооружениях различного назначения [5, 45, 52, 57, 68, 69, 74, 76, 77, 81 87, 177]. В большинстве случаев проявляются такие их достоинства, как сокращение материалоемкости и стоимости зданий, уменьшение массы и сроков строительства.
Повышение эффективности использования деревянных конструкций тесным образом связано с такими понятиями, как надежность и долговечность. Эти два понятия обеспечиваются на стадии проектирования, изготовления, монтажа и эксплуатации. Однако, несмотря на массовость применения деревянных конструкций, они не всегда удовлетворяют требованиям прочности и долговечности из-за образования в процессе эксплуатации повреждений в виде параллельных волокнам трещин и расслоений. Геометрические параметры таких повреждений, в зависимости от вида конструкции, срока ее службы и условий эксплуатации, колеблются в широких пределах, как по глубине сечения, так и длине конструкции. Свидетельством тому являются результаты обследований целого ряда объектов в странах СНГ и за рубежом.
Основными причинами возникновения трещин являются: а) недостаточно полный учет свойств древесины как анизотропного материала при проектировании соединений элементов деревянных конструкций; б) наличие естественных пороков и концентрации напряжений в узловых сопряжениях; в) нарушения, вызванные температурно-влажностными условиями эксплуатации и монтажа; г) несовершенство расчетных предпосылок при оценке прочности элементов деревянных конструкций и их узлов в условиях сложного неоднородного напряженного состояния [1, 2, 62, 63, 68, 86, 98,114, 117, 118,121, 123,125 -127,130,148,149,160, 161, 165, 167,168].
Вопросам оценки прочности как естественных, так и искусственных конструкционных материалов посвящено большое количество исследований отече- ственных и зарубежных ученых. При большом многообразии материалов естественно и большое число критериев прочности. Для изотропных материалов такими критериями являются: критерии наибольших нормальных напряжений и удлинений; критерий наибольших касательных напряжений; критерии Мора, Шлейхера-Надаи, Давиденкова-Фридмана [73, 88, 116] для анизотропных - By [19, 205], Г.А.Гениева [27, 28], Е.К.Ашкенази [6 - 8], И.И.Гольденблата -В.А.Копнова [29, 30] и другие. Что же касается оценки прочности элементов деревянных конструкций, то здесь можно выделить работы Ю.М. Иванова [59 -61, 64 - 67], Е.М. Знаменского [54], Р.Б. Орловича [118 - 120, 128], Е.Н. Серова [148, 150], А.С. Фрейдина [166], СБ. Турковского [162], Баретта и Фоши [180], Мэдсена [187] и другие.
Общеизвестно, что прочность элементов деревянных конструкций, в ряде случаев, определяется прочностью участков, работающих в условиях как сложного однородного, так и неоднородного напряженного состояния. В первом случае оценка прочности, как при кратковременном, так и длительном действии нагрузки, осуществляется по известным критериям прочности анизотропных тел Е.К.Ашкенази [6 - 8] или Г.А. Гениева [27, 28] и удовлетворительно согласуется с экспериментальными данными. При этом считается, что разрушение элемента в локальной зоне приводит к его полному разрушению, что не всегда соответствует действительности. Для случаев сложного неоднородного напряженного состояния (врубки, сопряжения деревянных элементов посредством металлических стержней, подрезки опорных участков балок, опорные и коньковые узлы арок и рам, наличие сквозных трещин) применение указанных критериев неприемлемо, поскольку приводит к значительному расхождению с экспериментальными данными [98, 129]. Здесь должны быть использованы такие параметры механики разрушения, как коэффициенты интенсивности напряжений К,и К,], интенсивности освобождения энергии G, и G„, компоненты потока энергии Jx и Jy, позволяющие учитывать нарушения сплошности среды и концентрацию напряжений в вершине трещины. Отметим, что обоснованных данных по предельным значениям коэффициентов интенсивности напряжений
7 (КИН) К, и К„ для древесины, позволяющих учитывать геометрические параметры элементов деревянных конструкций, ориентации плоскости трещины по отношению к годичным кольцам древесины, длительность действия нагрузки, в настоящее время не имеется. Поэтому использование указанных параметров для оценки прочности элементов деревянных конструкций ставит на первый план задачу проведения комплексных исследований по определению характеристик трещиностойкости древесины в случае нормального отрыва (растяжение поперек волокон) К1С и поперечного сдвига (скалывание вдоль волокон) К11С [99 - 101, 103, 105 - 111, 138, 172, 173], а также разработку критериальной зависимости для случаев комбинированного нагружения [178].
Таким образом, оценка прочности элементов деревянных конструкций в условиях сложного неоднородного напряженного состояния является актуальной и включает в себя две неразрывно связанные задачи - оценку прочности элементов деревянных конструкций в условиях большой концентрации напряжений (узловые сопряжения) и оценку прочности в условиях нарушения сплошности сечения (дефекты и повреждения в виде трещин).
Учитывая вышеизложенное, можно сделать вывод о необходимости совершенствования методики расчета элементов деревянных конструкций на основе комплексного исследования механических характеристик и особенностей деформирования древесины в зонах концентрации напряжений и разработки теории расчета элементов деревянных конструкций с повреждениями в виде трещин.
Основой выполненных исследований является анализ мирового опыта в области изучения процессов разрушения изотропных и анизотропных материалов, а также результаты проведенных экспериментально-теоретических исследований, на базе которых разработана теория расчета элементов деревянных конструкций, работающих в условиях сложного неоднородного напряженно-деформированного состояния. Теоретической базой данных исследований являются труды видных ученых в области механики разрушения: Г.П.Черепанова, А.А.Каминского, Х.Т.Кортена, В.В.Болотина, Ю.Н.Работнова, Н.А.Махутова,
8 Е.М.Морозова, Г.П. Никишкова, Л.И.Слепяна, В.В.Панасюка, В.ПТрощенко,
К.А.Пирадова, Е.А.Гузеева, Ю.В.Зайцева, М.М.Гаппоева, Г.ПБаренблатта,
В.ЗЛартона, Раиса, Ирвина, By [10, 13 - 15, 23 - 26, 42, 43, 50, 51, 70 - 72, 90,
93-97,133-137,142,159, 172,173, 183,190, 201 -206] и др.
Решение поставленной задачи актуально еще и потому, что позволяет осуществлять прогнозирование остаточного ресурса элементов деревянных конструкций по известным геометрическим параметрам трещин, обосновано назначать те или иные конструктивные мероприятия по восстановлению несущей способности деревянных конструкций.
Целью работы является разработка научно обоснованного метода оценки прочности элементов деревянных конструкций при сложном неоднородном напряженно-деформированном состоянии с привлечением параметров механики разрушения и методик расчета элементов деревянных конструкций с повреждениями в виде сквозных трещин.
Основными задачами исследования являются : обобщение результатов исследований по оценке прочности элементов и узлов деревянных конструкций, работающих в условиях сложного неоднородного напряженного состояния; выбор и обоснование модели разрушения древесины; разработка алгоритма и программы численного расчета силовых и энергетических параметров разрушения элементов деревянных конструкций таких, как коэффициенты интенсивности напряжений Ki и Кц, интенсивности освобождения энергии Gi и Gn и компоненты потока энергии JX И J у', разработка методики по экспериментальному определению вязкости разрушения древесины Кю и Кис при статическом воздействии нагрузки и их определение; оценка влияния плотности, влажности древесины, ориентации плоскости трещины по отношению к годичным кольцам и толщины элементов при определении вязкости разрушения древесины; - определение коэффициентов интенсивности напряжений древесины, вызывающих продвижение трещины при совместном действии нормального отрыва и поперечного сдвига; разработка и обоснование критерия разрушения элементов деревянных конструкций, работающих в условиях сложного неоднородного напряженного состояния; определение закономерностей изменения несущей способности опорных и коньковых узлов арок, а также опорных узлов деревянных балок с подрезками; определение закономерностей изменения несущей способности деревянных балок со сквозными трещинами; разработка метода расчета узлов деревянных конструкций, работающих в условиях сложного неоднородного напряженного состояния и элементов деревянных конструкций с повреждениями в виде трещин; разработка рекомендаций по определению нормативных и расчетных значений вязкости разрушения древесины; разработка рекомендаций по расчету опорных и коньковых узлов арок, опорных узлов деревянных балок с подрезками, деревянных балок со сквозными трещинами.
Предметом исследования является прочность элементов деревянных конструкций со сквозными трещинами и узлов, работающих в условиях сложного неоднородного напряженного состояния, с использованием методов механики разрушения.
Объектом исследования являются цельная и клееная древесина, а также узлы и элементы деревянных конструкций, работающие в условиях сложного неоднородного напряженного состояния.
Научная новизна полученных результатов состоит в следующем: - впервые выявлены и определены зависимости вязкостей разрушения для цельной и клееной древесины сосны Кіс и Кцс от ее плотности, влажности и толщины испытываемых элементов, а также ориентации
10 плоскости трещины по отношению к годичным кольцам; впервые для цельной и клееной древесины сосны определены зависимости между коэффициентами интенсивности напряжений К] и К'ц, вызывающими быстрое продвижение трещины при совместном действии в ее вершине нормального отрыва и поперечного сдвига; впервые определены нормативные и расчетные значения вязкости разрушения для цельной и клееной древесины сосны; разработан и экспериментально подтвержден метод оценки прочности элементов деревянных конструкций с использованием параметров механики разрушения; впервые для хрупкого разрушения цельной и клееной древесины, работающей в условиях сложного неоднородного напряженного состояния, обосновано применение силового критерия разрушения; впервые выявлены и определены закономерности изменения несущей способности деревянных балок со сквозными трещинами, опорных и коньковых узлов трехшарнирных арок с вклеенными металлическими стержнями и опорных узлов деревянных балок с подрезками.
Практическая значимость работы заключается в определении зависимостей вязкости разрушения цельной и клееной древесины сосны Кіс и Кцс от ее плотности, влажности и толщины элемента; разработке методов расчета узлов и элементов деревянных конструкций, работающих в условиях сложного неоднородного напряженного состояния; разработке алгоритма по определению силовых и энергетических параметров разрушения элементов деревянных конструкций и его реализации в виде программных продуктов; разработке рекомендаций по определению нормативных и расчетных значений вязкости разрушения древесины сосны Л/с и Кцс', разработке рекомендаций по расчету опорных и коньковых узлов арок, опорных узлов деревянных балок с подрезками и деревянных балок со сквозными трещинами.
Внедрение результатов исследований. Результаты исследований вошли в СНБ (строительные нормы Беларуси) 5.05.01-2000 «Деревянные конструкции» в части требований по обеспечению долговечности деревянных конструкций и расчету узлов арок. По предложенной методике оценки прочности элементов деревянных конструкций, работающих в условиях сложного неоднородного напряженного состояния, осуществлены расчеты опорных узлов деревянных клееных балок с подрезками для покрытия школы в Топарево-Никулино (г. Москва), а также при разработке проектов усиления деревянных клееных арок Дворца легкой атлетики в г. Гомеле, спортивного комплекса «Трудовые резервы» в г. Минске, пассажирского павильона «Минск-2», деревянных конструкций покрытия здания ТТП «Лукойл-Усинскнефтегаз».
Личный вклад соискателя. Все материалы и результаты исследований, алгоритм и программа, которые вошли в диссертацию, получены лично соискателем. Соавторы совместно опубликованных работ выполняли под руководством соискателя или независимо исследования на смежные темы, не рассматриваемые в данной диссертации.
Апробаиия работы. Основные результаты диссертации доложены, обсуждены и опубликованы в материалах следующих республиканских и международных конференций, конгрессов и семинаров: V Научно-практическая конференция молодых ученых и специалистов ЦНИИПромзданий (г. Москва, февраль, 1986 г.);
Областная научно-техническая конференция «Молодежь и научно-технический прогресс в строительстве» (г. Новосибирск, апрель 1987 г.);
Научно-технический семинар НТО стройиндустрии (г. Ленинград, март 1988 г.);
Республиканский научно-технический семинар «Эксплуатационная надежность зданий и сооружений» (г. Минск, ноябрь, 1995 г.); X научно -техническая конференция Брестского политехнического института «Новые технологии в машиностроении и вычислительной технике» (г. Брест, март, 1998 г.)
II Белорусский конгресс по теоретической и прикладной механике
12 «МЕХАНИКА-99» (г. Минск, июнь, 1999 г.);
6-ой Международный научно-методический семинар «Перспективы развития новых технологий в строительстве и подготовке инженерных кадров Республики Беларусь» (г. Минск, октябрь, 2000 г.);
Международная научно-практическая конференция «Проблемы безопасности на транспорте» (г. Гомель, сентябрь, 2002 г.); X Международный научно-методический межвузовский семинар «Перспективы развития новых технологий в строительстве и подготовке инженерных кадров Республики Беларусь» (г. Гомель, сентябрь, 2003 г.); XI Международный научно-методический семинар «Перспективы развития новых технологий в строительстве и подготовке инженерных кадров Республики Беларусь» (г. Брест, ноябрь, 2004 г.);
По теме диссертации опубликовано 27 научных работ. На защиту выносятся: разработанный алгоритм по определению параметров разрушения древесины узлов и элементов деревянных конструкций со сквозными трещинами; разработанная методика определения вязкостей разрушения древесины Кіс и Кис при действии статической нагрузки; результаты исследований трещиностойкости цельной и клееной древесины, зависимости вязкостей разрушения Кю и Кцс от плотности и влажности древесины, толщины испытываемых образцов, ориентации плоскости трещины по отношению к годичным кольцам; новые научные представления о закономерностях сопротивления развитию трещин в древесине при совместном действии в ее вершине нормального отрыва и поперечного сдвига; разработанная методика расчета узлов и элементов деревянных конструкций, работающих в условиях сложного неоднородного напряженного состояния; - результаты исследований несущей способности опорных и коньковых узлов деревянных клееных арок, опорных узлов деревянных балок с подрезками, деревянных балок со сквозными трещинами; - рекомендации по определению нормативных К"с, К"с и расчетных
КР1С, Крисзначений вязкости разрушения древесины; - рекомендации по расчету опорных и коньковых узлов деревянных клееных арок, опорных узлов деревянных балок с подрезками, дере вянных балок со сквозными трещинами.
Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка использованных источников, содержащего 206 наименований и 2 приложений, включающих текст разработанной программы и материалы о внедрении. Общий объем текста включает 278 страниц, в том числе 129 рисунков и 56 таблиц.
В первой главе выполнен анализ применения деревянных конструкций в строительстве и их состояния в процессе эксплуатации; выполнена классификация дефектов; установлены причины, обуславливающие возникновение дефектов, и факторы, влияющие на характер разрушения конструкций; а также дан анализ исследований по оценке прочности элементов деревянных конструкций; сформулированы цель и задачи исследований.
Вторая глава посвящена классификации основных видов хрупкого разрушения древесины. В ней выполнено обоснование выбора модели разрушения древесины и применения принципов линейной механики разрушения к оценке прочности элементов деревянных конструкций, работающих в условиях сложного неоднородного напряженного состояния; разработан и реализован в виде программного продукта алгоритм численного моделирования сингулярности поля напряжений вблизи трещины и расчету параметров разрушения; а также разработана методика оценки прочности элементов деревянных конструкций, работающих в условиях сложного неоднородного напряженного состояния.
Третья глава посвящена разработке методики экспериментального определения вязкостей разрушения древесины Кк и Кцс (предельные значения коэффициентов интенсивности напряжений) и скорости освобождения энергии G]C и
14 Guc- Дано обоснование форм и размеров образцов, а также ориентации трещин и схем нагружения. Численным методом получены относительные значения коэффициентов интенсивности напряжений Kjc и Кцс и вычислены, на их основе, величины К-тарировок для ДКБ-образцов и плоских образцов с центральной трещиной, плоских образцов с двумя коллинеарными краевыми трещинами при нормальном отрыве, а также призматических образцов с боковыми трещинами поперечного сдвига и балочных образцов с трещиной по нейтральной оси. Выполнено сопоставление значений Кю и Кис, полученных численным методом (методом конечных элементов) по программе, разработанной в главе 2, с экспериментальными.
В четвертой главе определены предельные значения коэффициентов интенсивности напряжений Kjc при нормальном отрыве и поперечном сдвиге Кцс для цельной и клееной древесины из сосны при статическом нагружении в зависимости от плотности, влажности древесины и толщины испытываемых образцов. Определены закономерности изменения коэффициентов интенсивности напряжений К] и К * в момент старта трещины при совместном действии в ее вершине нормального отрыва и поперечного сдвига; обоснован критерий разрушения древесины, работающей в условиях сложного неоднородного напряженного состояния.
В пятой главе приводятся результаты экспериментально-теоретических исследований по определению закономерностей изменения несущей способности опорных и коньковых узлов арок, опорных узлов балок с подрезками, деревянных клееных балок со сквозными трещинами.
В шестой главе разработаны рекомендации по расчету узлов деревянных конструкций, работающих в условиях сложного неоднородного напряженного состояния и элементов деревянных конструкций со сквозными трещинами; а также по определению нормативных К"с, К"си расчетных Крю, Крпсзначений вязкости разрушения для цельной и клееной древесины из сосны, расчету опорных и коньковых узлов арок, опорных узлов балок с подрезками, деревянных балок со сквозными трещинами, приведены результаты внедрения научных
15 разработок в практику проектирования и строительства.
В заключении приведены основные выводы и научно обоснованные рекомендации по вопросам определения вязкости разрушения древесины, оценки прочности элементов и узлов деревянных конструкций, работающих в условиях сложного неоднородного напряженного состояния и наличии сквозных трещин.
В приложениях приводится текст программы и справки о внедрении результатов исследований.
Применение деревянных конструкций в строительстве
Древесина является самым современным сырьем и одним из наиболее важных природных материалов. Ее широко используют в производстве пиломатериалов, фанеры, древесностружечных и древесноволокнистых плит, деревянных конструкций, клееного бруса, а также для производства целлюлозы, бумаги, волокон, пленок, вспомогательных веществ и многих других ценных продуктов.
Около третьей части поверхности земной суши покрыто лесами с общим запасом древесины около 300000 млн. м3 [195], а в России, по состоянию на 1 января 2002 года, запасы древесины составляли 82000 млн. м , что больше четверти мировых запасов. Ежегодно в мире заготавливают 2600 млн. м3, или 1300 млн. т древесины, что, примерно, равно мировому производству зерна (1500 млн. т), вдвое превосходит производство стали и цемента (по 700 млн. т) и в 27 раз - производство пластиков (48 млн. т) [194]. Ежегодный прирост древесины составляет примерно 7000 - 9000 млн. м3 [182,195].
В бывшем СССР в течение года на все виды строительства и капитального ремонта выделялось свыше 20 млн. м3 круглого леса, 40 млн. м3 пиломате риалов, 120 тыс. м фанеры, 700 тыс. м ДСП и 130 млн. м ДВП, что составляло более 27% всех ресурсов лесоматериалов. Из всего объема используемой древесины 43,6% расходовалось на деревянные конструкции [80,177].
Применение древесины как конструкционного материала в строительстве известно с древних времен. Еще до начала второго тысячелетия до нашей эры возводились постройки на деревянных сваях. Этому способствовало наличие сырьевой базы, легкость заготовки и обработки древесины, небольшая масса элементов деревянных конструкций, высокая прочность при сравнительно небольшой плотности. Так, удельная прочность древесины - отношение расчетного сопротивления древесины сжатию и изгибу, выраженного в МПа, к плот ности, выраженной в т/м , составляет, в среднем, 2600 м, в то время как для бетона на сжатие - от 400 до 900 м, а для стали - 3000 м. Приведенные данные указывают на то обстоятельство, что наиболее выгодным является применение древесины в сжатых и изгибаемых элементах конструкций. Таким образом, деревянные конструкции по своей массе могут быть сопоставимы с аналогичными конструкциями, выполненными в металле и в 5 - 7 раз легче бетонных и железобетонных.
Древесине, как и любому строительному материалу, характерны свои достоинства и недостатки. К недостаткам древесины относятся способность к загниванию и возгоранию, усушка, разбухание, коробление и растрескивание, наличие пороков и неоднородность структуры. К положительным свойствам древесины, кроме высокой удельной прочности, можно отнести и сравнительно небольшой период возобновляемое запасов, внесезонность применения, химическую стойкость, диэлектрические качества и простоту утилизации.
Развитие и совершенствование деревянных конструкций непосредственно связано с развитием самого общества. Большим импульсом в развитии и расширении области применения деревянных конструкций явилось производство клееной древесины. Это способствовало разработке конструкций нового типа клееных и клеефанерных.
Для производства клееных деревянных конструкций (КДК) в бывшем СССР в 70-е годы было построено, в основном, в Европейской части страны и введено в эксплуатацию около 20 предприятий на импортном оборудовании общей производительностью около 100 тыс. м КДК в год. На данных предприятиях технологическое оборудование, в своем большинстве, позволяет изготавливать трехслойные панели длиной от 3 до 6 м, балки пролетом до 18м, стропильные фермы треугольного и трапециевидного очертания пролетом 12 -24 м, арки пролетом от 15 до 60 м и рамы - 12 - 24 м.
Деревянные конструкции, по способу изготовления подразделяются на построечные, которые выполняются непосредственно на строительной площадке из бревен, брусьев и досок с гвоздевыми или болтовыми соединениями и индустриальные, изготавливаемые на специализированных заводах. К инду стриальным конструкциям относятся все виды клееных балок, составные балки на пластинчатых нагелях, рамы, арки, фермы, своды и купола, плиты покрытий и панели стен. Конструкции построечного изготовления применяются во вспомогательных зданиях и некоторых сельскохозяйственных постройках. Конструкции индустриального изготовления - в сельскохозяйственных и складских постройках, промышленных и общественных зданиях и сооружениях (бассейны, стадионы, спортивные залы, крытые рынки, теннисные корты и выставочные павильоны), жилых малоэтажных домах, сборно-разборных зданиях и автодорожных мостах.
За последние три десятилетия клееные деревянные конструкции получили широкое развитие во многих странах, особенно в США, Германии, Франции, Швейцарии, Японии, скандинавских странах. Мировой выпуск клееной древесины за 2002 год составил 3400 тыс. м3. Из них 730 тыс. м3 приходилось на США, 500 тыс. м3 - на Японию и 2 млн. 200 тыс. м3 - на страны Европы. При-чем, Япония импортирует ежегодно еще 500 тыс. м клееной древесины. Динамика роста производства и потребления клееной древесины в Европе харак-теризуется следующими цифрами. Так, начав с производства 895 тыс. м клееной древесины в 1995 году и, увеличив ее выпуск до 1 млн. 590 тыс. м3 в 2000 году, в 2002 году производство составило уже 2 млн. 200 тысяч м3. В то же время потребление КДК в России за 2002 год составило около 28 тыс. м .
Клееная древесина благодаря многим своим достоинствам, позволяющим ей успешно конкурировать со стальными и железобетонными конструкциями, применяется в зданиях и сооружениях различного назначения, возводимых как по типовым, так и индивидуальным проектам. Технико-экономические расчеты [177] показывают, что применение клееных деревянных конструкций взамен железобетонных в покрытиях пролетом 12-24 м дает снижение расхода стали на 20-24 кг/м2, цемента на 30-35 кг/м2 и массы конструкции в 4-5 раз. Применение 1 м клееной древесины в конструкциях заменяет 0,5-1,0 т стали. При увеличении пролета покрытий эти показатели еще более улучшаются в пользу клееных деревянных конструкций. Характерно то, что даже в бедных лесом странах, таких как Япония, считают эффективным производство клееных конструкций с использованием привозной древесины.
Создание межгосударственных объединений, например, Европейское межнациональное объединение с центром в ФРГ, и создание мощными фирмами своих отделений в различных странах, а также Ассоциации производителей и потребителей клееных деревянных конструкций в России, способствует тому, что КДК используются не только в странах, имеющих собственную сырьевую базу, но и в государствах, импортирующих значительный объем пиломатериалов, таких, как Япония, Франция, Англия, Швейцария и др. Таким образом, масштабы применения деревянных конструкций в строительстве с каждым годом имеют тенденцию к возрастанию.
Перечень несущих и ограждающих конструкций из клееной древесины, их габаритные размеры и объем производства в различных странах колеблются в широких пределах. Так, только в промышленном строительстве, КДК в ряде стран (США, Канада, Франция, Финляндия и др.) составляют 30-40% от общего объема их производства.
Основные виды разрушения цельной древесины и особенности разрушения клееной
Древесина - это природный полимерный материал, представляющий собой многолетнюю ткань, образующуюся в результате вторичного прироста в стволе, ветвях и корнях деревьев, а также кустарников. Древесная ткань представляет собой множество клеток и межклеточного вещества, объединенных общими функциями.
По своему анатомическому строению древесина хвойных отличается от древесины лиственных пород, кроме того существуют различия между отдельными видами и даже в пределах ствола дерева. Древесная ткань создается природой для естественных потребностей самого дерева и поэтому содержит механические клетки для восприятия внешних воздействий, действующих на дерево, проводящие - выполняющие функции снабжения питательными веществами и запасающие - для хранения питательных веществ. Древесину хвойных и лиственных пород можно подразделить как по типам, так и их функциям (табл. 2.1).
Направление и расположение клеток хорошо просматривается на трех основных разрезах ствола дерева, используемых для анатомической характеристики древесины: поперечном, тангентальном и радиальном (рис.2.1).
Древесина хвойных пород, которая чаще всего применяется в деревянных конструкциях, на 90-95% состоит из трахеид, представляющих собой длинные тонкие клетки с плоскими или веретенообразными закрытыми концами. Клетки трахеид направлены вдоль ствола дерева, причем, при переходе от ранней древесины к поздней их диаметр уменьшается, а стенки становятся толще. В древесине ели минимальный радиальный разрез самых поздних трахеид 7 мкм, а у самых ранних трахеид - 32 мкм [58, 82]. Такое различие наблюдается невооруженным глазом на поперечном разрезе ствола дерева в виде годичных колец, или колец прироста (рис. 2.2).
Механическую прочность древесины обеспечивают толстостенные поздние трахеиды, а тонкостенные ранние - выполняют проводящую функцию, по которым поступают вода и минеральные вещества. Древесина таких хвойных пород, как лиственница, ель, сосна и дугласова пихта, содержит также радиально расположенные трахеиды и лучевые паренхимные клетки. В паренхимных клетках осуществляется хранение продуктов ассимиляции (рис.2.1).
В древесине хвойных пород паренхимные клетки образуют радиально идущие лучи. Выделительную функцию выполняют эпительные клетки, окружающие смоляные каналы, представляющие собой вертикальные и радиальные межклеточные пространства в ткани большинства хвойных пород.
Плотность древесины определяется числом и диаметром сосудов, числом паренхимных клеток, а также толщиной стенок волокон либриформа или тра-хеид. Следует отметить, что плотность древесины меняется не только по высоте ствола, но и по радиусу и подчиняется законам оптимизации сопротивления растущего дерева внешним нагрузкам при изгибе и сжатии. Увеличение плотности по радиусу ствола от середины к коре характерно в комлевой части древесины ствола большинства пород. Увеличение плотности от вершины к комлю особенно сильно проявляется у такой породы, как сосна, для которой характерна высоко поднятая крона, воспринимающая ветровую нагрузку. Плотность древесины сосны увеличивается от вершины к комлю почти на 30%, а плот ность древесины для такой породы как ель сравнительно мало меняется по высоте ствола.
Существует прямая зависимость между плотностью древесины и ее прочностью на сжатие и изгиб. Чем больше плотность древесины при одинаковой влажности, тем больше ее прочность. Так, при изменении плотности от 600 до 400 кг/м , прочность при сжатии и изгибе снижается более чем в 1,5 раза. Кроме того на прочность древесины существенное влияние оказывает соотношение между ранней и поздней древесиной, а также наличие пороков и дефектов в виде усушечных трещин образующихся ввиду значительных различий в величинах коэффициентов усушки в тангенциальном и радиальном направлениях по отношению к годовым слоям. Немаловажными факторами, оказывающими влияние на прочность древесины, являются влажность, продолжительность и направление действия нагрузки по отношению к волокнам.
Таким образом, совершенно очевидно, что изменение свойств древесины в различных направлениях обусловлено ее анатомическим строением, что должно быть учтено при изучении процессов разрушения, где древесина должна рассматриваться как анизотропный материал.
В отличие от изотропных материалов в древесине возможны шесть направлений распространения трещины (РТ, ТР, РП, ПР, ТП, ПТ), где первая буква показывает направление, нормальное к поверхности трещины, вторая - направление ее развития (Т- тангенциальное, Р - радиальное, П - продольное) (рис. 2.3).
Анализируя возможные направления распространения трещины (рис. 2.3), можно отметить, что для цельной древесины чаще всего характерны случаи РП, ТП, которые являются результатом силового воздействия. Как правило, такие трещины сквозные, пересекающие всю толщину элемента конструкции. Для случая ТР появление и распространение трещины чаще всего является результатом неравномерности усушки в тангенциальном и радиальном направлениях. Такие трещины характерны для бревен и брусьев и, как правило, они являются глухими.
Диаграммы деформирования древесины у вершины трещины при нормальном отрыве поперек и скалывании вдоль волокон
Наиболее достоверными методами изучения процессов разрушения древесины, как и любого конструкционного материала, являются прямые методы, т.е. методы, основанные на непосредственном измерении перемещений и деформаций.
Изучению свойств древесины, так необходимых для проектирования разного вида конструкций, посвящен целый ряд исследований [59 - 67]. Большинство выполненных исследований базируется на кратковременных и длительных статических испытаниях «чистых» (без дефектов) образцов из древесины на растяжение и сжатие вдоль и поперек волокон, поперечный изгиб и сдвиг вдоль волокон. Вместе с тем, к вопросам изучения процессов разрушения и сопротивления древесины распространению трещин можно отнести лишь работы [23 -26,68,175,185,186,199,200].
Как уже отмечалось в главах 1 и 2, распространение трещин в древесине происходит вдоль волокон, и обусловлено поперечным сдвигом или растяжением поперек волокон. Поэтому для изучения процессов разрушения и подтверждения, принятой в главе 2 модели разрушения , необходимо полное представление диаграммы деформирования образца с заранее созданной вдоль волокон древесины трещиной при монотонном возрастании нагрузки на него для случая растяжения поперек и скалывания вдоль волокон. Отметим, что в исследованиях [59] при испытаниях образцов без дефектов на действие кратковременных статических нагрузок, такие диаграммы имели линейный характер, а разрушение носило хрупкий характер. В нашем случае диаграммы должны базироваться на измерениях перемещений и деформаций вблизи трещины, а не всего образца вцелом, поскольку их вклад в общие характеристики деформирования образца может составлять незначительную часть.
Для получения диаграмм деформирования при растяжении древесины поперек волокон было испытано 6 одинаковых по размерам и форме образцов, представляющих собой прямоугольные пластинки с односторонней краевой трещиной (рис. 3.1).
Образцы выпиливались из клееной древесины, изготовленной из сосновых досок 11-го сорта, толщиной 40 мм, преимущественно тангентальной распиловки. Влажность древесины составляла 9%, а ее плотность равнялась 500 +20 кг/м3. Испытание образцов осуществлялось в испытательной машине УМЭ-10 ТМ, позволяющей регулировать скорость перемещения активного захвата. Скорость нагружения образцов принималась трех уровней: 0,5; 1 и 5мм/мин. На каждый уровень скорости нагружения было испытано по два образца. В процессе испытаний на двухкоординатном самописце регистрировалась величина нагрузки и раскрытие берегов трещины на расстоянии 2 мм от ее вершины. Раскрытие берегов трещины «и » в направлении нормали к плоскости трещины определялось специальными датчиками раскрытия, измеряющими абсолютную величину расхождения берегов трещины. Диаграммы нагрузка - перемещение берегов трещины приведены на рис.3.2.
, что при больших скоростях нагружения кривая раскрытия имеет прямолинейный характер вплоть до разрушения. При малых скоростях нагружения наблюдается небольшой участок нелинейности раскрытия берегов трещины, что свидетельствует о появлении в вершине трещины вынужденных высокоэластических деформаций (ранее называемых пластическими). Поскольку нелинейная зона раскрытия берегов трещины незначительна, то можно считать, что и зона высокоэластических деформаций в вершине трещины сильно локализована. Полученные результаты проведенного эксперимента являются подтверждением принятой в разделе 2.2 модели разрушения древесины в случае нормального отрыва.
Таким образом, для описания процесса разрушения древесины от действия кратковременной статической нагрузки в случае нормального отрыва приемлемы принципы линейной механики разрушения.
Для анализа процессов разрушения древесины при поперечном сдвиге было изготовлено и испытано 6 балочных образцов со сквозной трещиной, расположенной вдоль волокон по нейтральной оси (рис. 3.3). Все образцы были одинаковые по форме и размерам и, как в случае нормального отрыва, изготавливались из клееной древесины.
Определение вязкости разрушения с и скорости освобождения энергии Gic при кратковременном действии нагрузки
В соответствии с методикой, приведенной в главе 3, нами были изготовлены и испытаны как из цельной, так и из клееной древесины сосны образцы для экспериментального определения вязкости разрушения древесины К1Си скорости освобождения энергии GIC. Все образцы подразделялись на серии и группы. Подразделение образцов на серии осуществлялось в зависимости от формы образца. Всего было изготовлено три серии образцов: первая - образцы типа двухконсольных балочек с обозначением ДКБ; вторая - ПК - в виде прямоугольных пластин с двусторонней трещиной; третья - ПЦ - в виде прямоугольных пластин с центральной трещиной. Каждая серия образцов подразделялась на группы в зависимости от толщины образца Ь. Общий вид и схема испытаний образцов приведены на рис. 4.1.
Образцы серии ДКБ в зависимости от толщины 6 подразделялись на семь групп. Первая группа ДКБ-образцов соответствовала толщине 6=10 мм, вторая- 6=14.5 мм, третья - 6=20 мм, четвертая - 6=30 мм, пятая - 6=40 мм, шестая - 6=60 мм и седьмая - 6=90 мм. Маркировка образцов осуществлялась следующим образом - ДКБ-І-І-ТП, где первая цифра I - соответствовала толщине образца 6= 10 мм, вторая - порядковый номер образца в группе, а буквы - систему трещины, т.е. ориентацию ее плоскости по отношению к годичным кольцам и направлению волокон в соответствии с принятым в главе 2 направлением распространения трещины. Если направление годичных слоев в перпендикулярном к плоскости трещины сечении составляло 90, то это соответствовало трещине ТП, а если - 0 - трещине РП. Во всех остальных случаях указывался угол наклона годичных колец Р по отношению к плоскости трещины (рис. 4.2). Для клееной древесины шириной поперечного сечения более 60 мм чаще всего характерны трещины системы РП, поскольку очень редко в клееном пакете встречаются доски радиальной распиловки. При ширине поперечного сечения клееного пакета менее 60 мм, а также выпиливании образцов для испытаний из клееного пакета возможны различные системы трещин.
Следует отметить, что ДКБ-образцы седьмой группы (ДКБ-VTI), т.е. толщиной 6 =90 мм, изготавливались из клееной древесины, все остальные образцы были изготовлены из цельной древесины. Породой древесины для всех образцов являлась сосна. Всего было изготовлено и испытано 83 ДКБ-образца, в том числе образцов группы ДКБ-І - 13 штук; ДКБ-П - 8 штук; ДКБ-Ш - 12 штук; ДКБ-IV - 17 штук; ДКБ-V - 10 штук; ДКБ-VI -8 штук и ДКБ-VII -15 штук. Влажность древесины образцов составляла 10% ± 1%. Для каждого испытываемого образца, в соответствии с [31], определялась плотность.
Испытание всех образцов осуществлялось в испытательной машине механического типа марки ИР-5145-500-11 при скорости перемещения активного захвата 0,5 мм/мин. Перемещения берегов трещины и по линии действия силы измерялись в соответствии с методикой, приведенной в разделе 3.3. Скорость освобождения энергии G1C, соответствующая старту трещины, определялась по методу податливости из выражения (3.23) с предварительной аппроксимацией Х- IVLF-1 для каждого испытанного образца, а вязкость разрушения К1С - по формуле (3.24). Отметим, что в формулах (3.23) и (3.24) для каждого образца принимались свои аппроксимированные значения F и X при заданной длине трещин.
Результаты испытаний ДКБ-образцов приведены в таблицах 4.1 - 4.8.
С целью выявления степени влияния на определяемые характеристики тре-щиностойкости древесины скорости нагружения были проведены испытания 5 ДКБ-образцов толщиной 30 мм со скоростью перемещения активного захвата 5 мм/мин. Результаты данных испытаний приведены в табл.4.5.
Для оценки степени влияния влажности древесины на характеристики тре-щиностойкости К1С и GIC дополнительно было изготовлено и испытано 9 ДКБ-образцов толщиной 30 мм с влажностью древесины W = 18%. Испытание образцов проводилось при скорости перемещения активного захвата 0,5 мм/мин. Результаты испытаний данных образцов приведены в табл. 4.9.
Анализируя диаграммы F- и, можно отметить, что для всех групп образцов древесина работала линейно вплоть до старта трещины (рис. 4.3). Появление горизонтальных пилообразных участков на диаграммах F - и при испытании образцов ДКБ-І-ТП объясняется тем, что толщина образца была недостаточной. Здесь при разрушении очень сильно сказывалась неоднородность древесины по толщине образца (разрыв волокон поздней древесины по годичным кольцам при тангенциальной распиловке происходил не одновременно), что порождает небольшие приросты трещины при нагрузках, близких к максимальным значениям. При толщине образцов 14,5 мм и более влияние структуры материала по толщине образца на характере диаграмм в ее верхней части не сказывалось.
В качестве примера на рис.4.4 и 4.5 приведены аппроксимирующие зависимости податливости Хи ш от длины трещины / для ДКБ-образцов различной толщины.
