«Разработка конструктивных и технологических решений деревянных балок с криволинейным тросовым армированием»

Во введении отражены актуальность темы диссертационной работы, цель и
задачи исследования, научная новизна, приведена общая характеристика работы и
основные положения диссертации, выносимые на защиту.
В первой главе выполнен анализ конструкционных свойств древесины,
показавший высокую востребованность данного материала при строительстве
зданий и сооружений из-за сочетания прочности, упругости, жесткости, малого
веса, наряду с высокими характеристиками в области химической стойкости,
легкости обработки и наличия радиопрозрачных свойств.
Систематизированы работы по увеличению прочности и жесткости
деревянных балок, показавшие, что наиболее эффективными направлениями
усиления деревянных конструкций являются: применение стержневого
армирования стальной и стеклопластиковой арматурой, ленточного и тканевого
усиления, создание составных балок из древесины и металла, применение в
качестве армирующих элементов пластин и преднапряженной арматуры.
Исследованием, изучением физико-механических, химических свойств
древесины, ее строения, занимались Ашкенази Е.К., Белянкин Ф.П., Бурмистрова
О.Н., Иванов Ю.М., Каратаев С.Г., Карлсен Г.Г., Леонтьев Н.Л., Мелехов В.И.,
Митинский А.Н., Нагрузова Л.П., Найчук А.Я., Савков Е.И., Санжаровский Р.С.,
Слицкоухов Ю.В.
Совершенствованием конструктивных решений несущих и ограждающих
деревянных элементов зданий, изучением технологий их усиления занимались
Арленинов Д.К., Бузало Н.А., Вдовин В.М., Деордиев С.В., Дмитриев П.А.,
Жаданов В.И., Журавлев Д.А., Журавлев А.А., Знаменский Е.М., Иванов В.Ф.,
Инжутов И.С., Котлов В.Г., Колчунов В.И., Лабудин Б.В., Маилян Л.Р., Миронов
В.Г., Михайлов Б.К., Орлович Р.Б., Отрешко А.И., Погорельцев А.А.,
Пятикрестовский К.П., Римшин В.И., Рощина С.И., Светозарова Е.И., Серов Е.Н.,
Стоянов В.В., Травуш В.И., Турковский С.Б., Турков А.В., Федоров В.С., Фурсов
В.В., Хлебной Я.Ф., Хухрянский П.Н., Шмидт А.Б., Шухов В.Г., Щуко В.Ю.
Разработкой технологий модификации, сушки древесины, вопросами
сопротивления деревянных констркций воздействию факторов внешней среды
занимались Бирман А.Р., Глухих В.Н., Косиченко Н.Е., Левинский Ю.Б., Мажара
П.И., Платонов А.Д., Санаев В.Г., Черных А.Г.
Разработкой технологий заготовки, транспортировки, хранения, обработки
древесины, вопросами получения из нее различных функциональных и
композиционных материалов, вопросами производства деревянных конструкций
занимались Алексеев А.Е., Бызов В.Е., Григорьев И.В., Камусин А.А., Ковальчук
Л.М., Малыгин В.И., Манжос Ф.М., Мануковский А.Ю., Мюллер О.Д., Мясищев
Д.Г., Онегин В.И., Пластинин С.Н., Турушев В.Г., Уголев Б.Н., Хрулев В.М.,
Черных А.С.
Среди зарубежных исследователей свойств деревянных конструкций следует
выделить Bauman R., Gatz K.-H., Haring H., Hettzer O., Kollmann F., Larsen H., Lyon
D.E., Mielczarek Z., Norris H.
Проведен анализ истории развития технологий производства деревянных
армированных конструкций, позволяющий сделать выводы о возможности
адаптации большинства существующих технологических операций для
исследуемой задачи – изготовления деревянных балок с криволинейным тросовым
армированием.
В рамках разрабатываемой технологии усиления предполагается в качестве
основной несущей арматуры в деревянных балках использовать стальной трос
двойной свивки типа ТК с цинковым покрытием конструкции 6х19 диаметрами 6.5;
8,2; 9.7 мм (в зависимости от сечения и пролета балок), маркировочной группы 180
кгс/мм2 согласно ГОСТ 3070-88, который будет расположен в растянутой зоне
деревянной балки. Применение стального троса обусловлено в 3 раза более
высокими показателями прочности на разрыв в сравнении со стальной
горячекатаной арматурой марки А 400 и в 1.47 раза в сравнении с композитной
арматурой сопоставимого диаметра. Использование данного запаса прочности
может быть реализовано через изменение прямолинейной формы траектории
армирования на криволинейную S-образную в приопорных зонах балки.
Во второй главе выполнено исследование напряженно-деформированного
состояния деревянных балок с криволинейным тросовым S-образным
армированием длиной 6 метров, сечением 100х200 мм (рисунки 1,2) и образцов
локального армирования различного вида с помощью инженерных и численных
расчетов.

Рисунок 1 – модель балки сРисунок 2 – Поперечное сечение
криволинейным армированиемармированной балки
Для изучаемых балок свойственно сложное НДС в местах искривления
траектории армирования. В связи с этим, была сформирована следующая
последовательность проведения инженерных и численных исследований:
1.Выполнение инженерных расчетов исследуемых конструкций по
приведенным геометрическим характеристикам.
2.Выполнение тестовых численных расчетов в ПК «SCAD» для выявления
проблемных зон в геометрии S-образного армирования. Численное моделирование
в ПК «Lira 10.10» испытаний локальных образцов армирования по выявлению
степени влияния формы, длины и амплитуды траектории S-образного армирования
на прочностные характеристики деревянной армированной балки.
3.Численное моделирование испытаний полноразмерных деревянных балок
длиной 6 метров, направленных на выбор оптимальных геометрических
параметров траектории армирования и определения коэффициентов, учитывающих
пластические деформации древесины в инженерных расчетах.
В рамках разработки способа инженерного расчета произведен выбор
транстропной физической модели для древесины как конструкционного материала.
Для армирующих элементов в виде стальных тросов выбрана ортотропная
стержневая физическая модель. Разработана методика инженерного расчета по
приведенным геометрическим характеристикам и определены граничные условия
для численных расчетов.
Приведенная площадь поперечного сечения армированной балки:
пр = др + троса ∙ (1)
где др = ∙ ℎ – площадь древесины; троса = тр 1 ∙ 3- площадь троса,
др
определяется по ГОСТ 3070-88; =– коэффициент приведения.
троса
Статический момент инерции приведенного сечения армированной балки
относительно центральной оси:
1 ∙
пр = др + тр = ∙ ℎ2 ( +∙ ℎ1 )(2)
2ℎ
тр тр
где ==- является коэффициентом армирования; ℎ1 – расстояние от
др ∙ℎ
центра сечения троса до нижней грани балки.
Момент инерции приведенного сечения армированной балки:

пр =
∙ ( 3 + ℎ 3 ) + тр + ∙ ℎ ∙ ∙ ∙ (ℎ + ℎ1 )2(3)
1 ∙
прℎ( +∙ℎ1)
где: ==2 ℎ
– положение центра тяжести сечения; ℎ = ℎ − .
пр1+ ∙
Приведенный момент сопротивления для растянутой и сжатой зон
деревянной армированной балки в данном случае будет вычисляться следующим
образом:
р прс пр
пр =; пр =(4)
ℎ
Для отражения изменения прочности древесины растянутой зоны в упруго-
пластической и пластической стадии работы конструкции в рамках расчета по I
группе предельных состояния введен коэффициент уп , получаемый
экспериментально. В этом случае основные положения расчета примут вид:
2MизгMизгMизг
Mизг =; р = ∙ уп ≤ р ; с =с≤ с ; =∙ уп ≤ (5)
8 пр пр м ∗ пр

где Mизг – изгибающий момент в середине пролета деревянной балки; р –
максимальные нормальные напряжения в растянутой зоне; с – максимальные
нормальные напряжения в сжатой зоне; – напряжения в древесине при расчете
на устойчивость плоской формы деформирования балки; р , с , –
2
соответствующиерасчетныесопростивления; м = 140 ∙∙ ф ; ф–
∗ℎ
коэффициент, зависящий от формы эпюры изгибающих моментов.
Для отражения изменения жесткости балки в результате действия
пластических деформаций в рамках расчета по II группе предельных состояния
введен коэффициент уж , получаемый экспериментально. Формула вычисления
прогиба балки в этом случае примет вид:
5 н ∙ 4 0ℎ2
=∙∙ уж ∙ ≤ 0 =∙ (1 + ( 0) ) ≤ пр(6)
384 ∙ пр
р
вр
где = 1 + 0.67 ∙р; – коэффициент, учитывающий влияние временной
общ

нагрузки на перекрытие; 0 – предельно допустимый прогиб; = 0.15 + 0.85 ∙ –
коэффициент, учитывающий влияние на прогиб переменности поперечного
сечения балки; с = 15.4 + 3.8 ∙ – коэффициент, учитывающий влияние на прогиб
сдвиговых деформаций от поперечной силы.
Тестовыми расчетами в ПК «SCAD» в условиях упругой стадии работы
древесины выявлено прямое влияние формы траектории армирования на
прочностные показатели деревянных балок. При расчетах с различными
комбинациями коэффициента армирования и формы траектории выявлено
увеличение жесткости балок от 13 до 78% в сравнении с неармированными
конструкциями. Численные исследования локальных образцов армирования в ПК
«Лира 10.10» позволили выявить зависимость степени включения в работу
армирующих элементов по их длине от амплитуды траектории армирования.
Для упрощенной идентификации образцов введены следующие условные
обозначения: БД – Балка деревянная без армирования; БДПА – Балка деревянная с
прямолинейным армированием; БДКА – Балка деревянная с криволинейным S-
образным тросовым армированием.
Геометрические параметры балок, изополя перемещений и напряжений в
исследуемых балках и армирующих элементах из стального троса представлены в
таблице 1 и на рисунках 3-5.
Таблица 1 – Геометрические параметры моделей численного эксперимента
Марка
№Схема армированияГеометрические параметрыАрмирование
модели
1БД100х200х6000нет

100х200х6000Прямое,
2БДПА
Армирование по нижней грани3 стержня 8 мм

100х200х6000Криволинейное,
3БДКА
Армирование по нижней грани3 стержня 8 мм
Рисунок 3 – Нормальные напряжения вдоль оси Y, в балке серии БД при действии
разрушающей нагрузки 2200 кгс

Рисунок 4 – Нормальные напряжения вдоль оси Y и продольные усилия в
армировании, в балке серии БДПА при действии разрушающей нагрузки 3200 кгс

Рисунок 5 – Нормальные напряжения вдоль оси Y и продольные усилия в
армировании в балке серии БДКА при действии разрушающей нагрузки 4400 кгс
Численное моделирование деревянных балок с криволинейным
армированием длиной 6 метров с шарнирным опиранием на равномерно –
распределенную нагрузку выявили увеличение прочности балок с прямолинейным
тросовым армированием на 43-48%, криволинейным S-образным армированием –
на 95-110%. Снижение деформативности составило соответственно 33.8% и 43.7%.
Сходимость результатов инженерного и численного расчетов составила 2-4% по
прочности и 1-3% по жесткости.
В третьей главе приведена методика и планирование экспериментальных
исследований. В качестве основного экспериментального метода выбран метод
тензометрии.
Разработана и изготовлена экспериментальная установка для испытания
балочных элементов повышенной прочности длиной до 6 метров (рисунок 6).

Рисунок 6 – 3D модель испытательного стенда
Описана технология изготовления экспериментальных образцов деревянных
армированных балок. Рассмотрены процессы выдержки, строгания, фрезерования
исходных заготовок, этапы приготовления клеевой композиции, состоящей из 100
весовых частей эпоксидной смолы ЭД-20, 150 весовых частей кварцевого песка и
10 весовых частей отвердителя полиэтиленполиамина (ПЭПА), процесс вклейки
армирующих элементов в массив древесины и этап полимеризации клевой
прослойки (рисунок 7).

Рисунок 7 – Изготовление образцов балок
Приведена схема расположения, процесс фиксации на заготовках и тип
подключения тензодатчиков фольгового типа PFL-20-11 (рисунок 8).

Рисунок 8 – Расположение тензодатчиков на балках
В четвертой главе приводятся обобщенные результаты серий
экспериментальных исследований и выполняется их анализ с помощью методов
статистической обработки данных (рисунки 9,10).

Рисунок 9 – Процесс деформации образцов с амплитудой вклейки троса 35 мм

Рисунок 10 – Процесс деформации образцов с амплитудой вклейки троса 15 мм
Основными результатами последовательных стадий эксперимента на
образцах локального армирования деревянных балок являются зависимости
разрушающего усилия от параметров геометрии армирования (рисунок 11).
2030
Усилие Fp, кН
Усилие Fp, кН
Усилие Fp, кН

2015
151015
1010
00
002040600204060
051015
Глубина врезкиАмплитуда траектории
Диаметр троса Dтр, мм
арматуры Sврезки, ммармирования Аарм, мм

Рисунок 11 – Диаграммы зависимостей разрушающей нагрузки от исследуемых
факторов
Результаты серии последовательных экспериментов легли в основу
трехфакторного эксперимента, позволяющего найти точные значения наиболее
оптимальных с точки зрения прочности и деформативности параметров
армирования. Оптимальными для криволинейной вклейки являются следующие
параметры траектории армирования (рисунок 12):
1. Диаметр стального троса – 8 мм.
2. Глубина паза под размещение армирующего элемента в древесине – 15 мм.
3. Амплитуда траектории армирования – 20 мм с устройством зоны перехода
траектории в прямую линию для исключения концентраторов напряжений.
Рисунок 12 – Оптимальные геометрические параметры армирования
Проведен итоговый эксперимент на полноразмерных армированных балках
длиной 6 метров, сечением 100х200 мм (таблица 2). Отмечен хрупкий характер
разрушения по растянутой зоне в середине пролета неармированных балок. Балки
серии БДПА и БДКА разрушались по сжатой зоне в середине пролета с
образованием пластического шарнира (рисунок 13). Растянутая зона армированных
балок в момент разрушения оставалась в работоспособном состоянии.

А)Б)В)
Рисунок 13 – Разрушение балок серии А) БД; Б) БДПА; В) БДКА
Таблица 2 – Сравнение результатов инженерных, численных и
экспериментальных исследований
НормальныеНорм.
напряжения внапр. вПрогибы
ПоказателиРазруш.
древесинеарматуре
нагрузка
Сжатие, Раст.,Раст.
МПаМПаусилие, тс
Балки серии БД
Инженерный расчет с проверкой в ПК
20,38419,3-9,315
Лира 10.10 в линейной постановке
2200
ПК Лира 10.10. Нелинейный расчет21,23720,67-10,79
Эксперимент20,520-9,936
Балки серии БДПА
Инженерный расчет с проверкой в ПК
25,9814,061,159,46
Лира 10.10 в линейной постановке
3200
ПК Лира 10.10. Нелинейный расчет34,38819,841,2111,96
Эксперимент31,1521,071,3512,639
Балки серии БДКА
Инженерный расчет с проверкой в ПК
22,10921,122,2510,56
Лира 10.10 в линейной постановке
4400
ПК Лира 10.10. Нелинейный расчет30,53226,82,4612,388
Эксперимент25,51125,722,8612,242
В пятой главе рассмотрены предложения по технологии производства балок
с криволинейным армированием. Весь процесс производства разделен на 7 стадий
– сортировка и раскрой исходного сырья, сушка древесины, первичная
механическая обработка, вторичная механическая обработка, нарезка и подготовка
армирующих элементов, опрессовка частей балок и нанесение защитных составов.
Отличительной особенностью предложенной технологии производства является
автоматизация стадии вторичной механической обработки заготовок – выполнения
криволинейных пазов в массиве древесины для вклейки армирующих элементов.
Предложена концепция автоматического фрезерного станка с числовым
программным управлением новой конструкции (рисунок 14), которая представляет
собой гибридную установку, состоящую из шпиндельного модуля с подвижным
фрезерным элементом и рабочего стола.

Рисунок 14 – Концептуальная 3D модель станка
Обработка одновременно 3-х балочных заготовок в предложенном станке
осуществляется следующим образом:
Осуществляется подача одновременно трех заготовок в зону движения
фрезерного электро-шпинделя (рисунок 15). Вальцы подачи останавливаются и
осуществляется фиксация заготовок в нужном для фрезерования положении по
двум плоскостям (рисунок 16).

Рисунок 15 – Подача заготовокРисунок 16 – Фиксация заготовок
На третьей стадии производится выборка паза нужной формы в несколько
проходов за счет движения фрезерного шпинделя.Движение шпинделя
осуществляется с помощью шаговых электродвигателей осевого перемещения.
Таким образом может быть выполнено фрезерование любой формы и глубины паза.
На четвертой стадии автоматически снимаются электромеханические упоры,
и заготовка с помощью вальцевой линии перемещается в следующую
производственную зону.
Вклейка армирующих элементов, ввиду сложности процесса, выполняется
вручную. На плоскость армирования наклеивается защитный слой древесины
толщиной 20 мм. Защита изготавливаемых балок от биоразрушения
обеспечивается нанесением трудновымываемого антисептического состава с
комплексными соединениями меди, ПАВ и функциональными добавками.
Противопожарная защита изготавливаемых балок производится с помощью
нанесения огнезащитных покрытий.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ
1.Анализ отечественных и зарубежных исследований выявил
востребованность разработки способов повышения прочности, жесткости и
эксплуатационных характеристик деревянных балок с помощью криволинейного
армирования.
2.Выполнены исследования напряженно – деформированного состояния
и разработана методика инженерного расчета по деревянных балок приведенным
геометрическим характеристикам. Получены значения коэффициентов учета
изменения прочности kуп=1.26 и коэффициента изменения жесткости балки
kуж=1.17 в упруго пластической и пластической стадии работы конструкции,
позволяющие увеличить сходимость численных расчетов и экспериментальных
исследований до 3-7 %.
3.Установлены оптимальные геометрические параметры S-образного
армирования: диаметр троса – 8 мм; глубина паза под размещение армирующих
элементов в древесине – 15 мм; оптимальная амплитуда траектории армирования –
20 мм. Численное моделирование испытания деревянных балок с криволинейным
армированием длиной 6 метров с шарнирным опиранием на равномерно –
распределенную нагрузку выявили увеличение прочности балок с прямолинейным
тросовым армированием на 43-48%, криволинейным S-образным армированием –
на 95-110%. Снижение деформативности составило соответственно 33.8% и 43.7%.
Сходимость результатов инженерного и численного расчетов составила 2-3% по
прочности и 1-3% по жесткости.
4.Испытанияполноразмерныхбалокспрямолинейными
криволинейным тросовым армирования показали возрастание прочности образцов
на 45.4% в случае применения прямолинейного тросового армирования и
возрастание на 100% в случае применения криволинейного тросового армирования
в сравнении с цельнодеревянными неармированными балками. Данные результаты
соотносятся с результатами инженерного и численного расчетов с расхождениями
в 2-4%. Наблюдалось уменьшение прогиба балок, и увеличение жесткости на 28,7%
для прямолинейно армированных образцов и на 40,9% для образцов с
армированием по криволинейной S-образной траектории в сравнении с
неармированными деревянными балками.
5.Разработаны рекомендации по организации технологии производства
балок с криволинейным тросовым армированием, направленные на оптимизацию
ресурсных и экономических показателей эффективности производства.
Предложена концептуальная модель фрезерного станка, позволяющая
автоматизировать процесс изготовления криволинейных пазов в массиве
древесины для вклейки армирующих элементов.