авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Совершенствование технологии изготовления деревянных конструкций с термоупрочнением краевых зон

На правах рукописи

СЕРГЕЕВ Михаил Сергеевич СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ДЕРЕВЯННЫХ КОНСТРУКЦИЙ С ТЕРМОУПРОЧНЕНИЕМ КРАЕВЫХ ЗОН Специальность 05.21.05 – Древесиноведение, технология и оборудование деревопереработки

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Архангельск 2013 2

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых» доктор технических наук, профессор Научные руководители:

Рощина Светлана Ивановна доктор технических наук, профессор Лабудин Борис Васильевич доктор технических наук, профессор

Официальные оппоненты:

Морозов Владимир Станиславович (ФГАОУ ВПО «Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В.Ломоносова») кандидат технических наук, доцент Каратаев Сергей Григорьевич (главный специалист ООО «ДСК «Славянский») Санкт-Петербургский ФГБОУ ВПО

Ведущая организация: государственный лесотехнический университет им. С. М. Кирова (194021, Санкт-Петербург, Институтский пер.,д.5 )

Защита состоится «13» июня 2013 г. в 9-30 на заседании диссертационного совета Д 212.008.01 при ФГАОУ ВПО «Северный Арктический федеральный университет им. М.В.Ломоносова» (САФУ) по адресу: 163002, г. Архангельск, наб. Сев. Двины, 17, главный корпус, ауд.

1220.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке САФУ.

Просим Ваши отзывы на автореферат с заверенными подписями направлять в двух экземплярах по адресу: 163002, г. Архангельск, наб.

Северной Двины, 17, ФГАОУ ВПО «Северный (Арктический) федеральный университет им. М.В.Ломоносова», ученому секретарю диссертационного Совета Д 212.008.01.

Тел./факс (8-8182) 28-75-67, e-mail: alz@atnet.ru

Автореферат разослан «25» апреля 2013 г.

Учёный секретарь диссертационного совета кандидат технических наук, доцент А.Е.Земцовский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы: рациональное использование древесины при изготовлении новых видов конструкций и их элементов предусматривает усиление узлов и сопряжений с применением новых материалов и технических решений на основе последних достижений наноиндустрии. Такие решения позволяют создать конструкции с повышенными прочностными и жесткостными характеристиками и способствуют снижению расхода древесины при обеспечении эксплуатационной надежности конструкций.

Предлагаемые деревокомпозитные конструкции с применением модифицированных углеродных нанотрубок (УНТ) эпоксидных матриц и термической обработки конструкций существенно повышает их несущую способность и расширяет область применения. Поэтому проведение исследований в этом направлении является актуальным.

Объект исследования – симметрично армированные деревокомпозитные балки с включением УНТ в клеевую композицию.

Предмет исследования – технология изготовления деревокомпозитных балок с определением границы эффективного термовоздействия для достижения их наибольшей прочности.

Цель исследований - совершенствование технологии изготовления деревокомпозитных конструкций термической обработкой эпоксидной матрицы с включением УНТ. Для достижения поставленной цели определены задачи:

1. Разработать технические и технологические решения симметрично армированных деревокомпозитных конструкций с использованием полимерных клеев с включением в их состав УНТ при температурном воздействии.

2. Провести теоретические исследования работы симметричных деревокомпозитных конструкций с оценкой влияния включения УНТ в состав полимерных клеев на напряженно-деформированное состояние элементов из древесины.

3. Выполнить экспериментальные исследования и дать сравнительную оценку прочности и деформативности разработанных симметричных деревокомпозитных балок.

4. Разработать технологию изготовления деревокомпозитных балок с варьированием режимов прогрева полимерного клея содержащего углеродные нанотрубки.

5. Разработать рекомендации по совершенствованию технологии изготовления деревокомпозитных балок в условиях температурного воздействия.

Научная новизна результатов исследований:

новые результаты экспериментально-теоретических -получены исследований, отражающие особенности работы деревокомпозитных конструкций c симметричным армированием на эпоксидной матрице с включением УНТ;

-обоснована и разработана технология изготовления симметрично армированных деревокомпозитных балок с включением в состав клеевой композиции УНТ и с использованием прогрева конструкций при изготовлении;

-экспериментально доказана возможность повышения прочности и жесткости симметричной деревокомпозитной конструкции с применением модифицированного с помощью УНТ клеевого состава;

-установлена степень влияния углеродных нанотрубок в клеевой композиции на НДС конструкции балки.

На защиту выносятся:

-результаты теоретических и экспериментальных исследований симметрично армированных деревокомпозитных балочных конструкций;

исследований качественной и количественной -результаты характеристики прочности и деформативности композитных балок с применением УТН в составе клея;

-уточненная методика инженерного расчета для симметричных деревокомпозитных балочных конструкций;

-рекомендации по совершенствованию технологии изготовления деревокомпозитных балок с УНТ.



Практическая значимость работы Результаты исследования расширяют область применения деревокомпозитных конструкций, повышают эффективность применения древесины в композитных конструкциях и их эксплуатационную надежность.

Достоверность полученных результатов обеспечивается корректностью поставленных задач, использованием принятых в строительной механике гипотез и допущений;

современными средствами исследования с применением сертифицированной инструментальной базы;

методикой проведения численных экспериментов с использованием вычислительных программ;

приемлемой сходимостью результатов экспериментальных и теоретических исследований.

Реализация результатов работы Результаты исследований использованы при разработке совместно с ГУ «Промстройпроект» альбома рабочих чертежей «Композитные балки междуэтажных перекрытий пролетом 6 м», в ТУ на изготовление балок, в учебном процессе, внедрены при проектировании междуэтажных перекрытий деревянных жилых домов (г. Владимир). Получен Грант администрации Владимирской области по теме: Применение наноматериалов для ресурсосбережения древесины в композитных конструкциях.

Апробация работы: Основные положения работы и результаты исследований доложены на: международной научно-технической конференции «Строительная наука 2010» (г. Владимир, 2010 г.);

Международной научно практической конференции «Современные направления теоретических и прикладных исследований» (г. Одесса, 2010 г);

Международном симпозиуме «Современные строительные конструкции из металла и древесины» (г. Одесса, 2012 г);

VII Международной научно-практическая конференции «Дни науки 2012». (Чехия, г. Прага, 2012 г.);

VIII Международной научно-практической конференции «Научный потенциал мира-2012» (Болгария, г. София, 2012 г.);

научно-техническом семинаре лесотехнического института С(А)ФУ (г.

Архангельск, 2012 г.), международной научной конференции «Развитие Северо Арктического региона: проблемы и решения» (г. Архангельск, С(А)ФУ, 2013 г.).

Публикации. По результатам научных исследований опубликовано печатных работ, в т.ч. две в изданиях по перечню ВАК.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, библиографического списка включающего 143 наименований.

Изложена на 173 страницах и содержит 81 рисунок, 12 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении отражены актуальность темы, задачи и новизна исследований, общая характеристика работы и положения выносимые на защиту.

В первой главе рассмотрены современное состояние производства, применения, и перспективы развития композитных конструкций на основе древесины. Дан анализ развития и применения эпоксидных смол, стеклоткани и углеродных нанотрубок. Определенны направления для совершенствования технологии и повышения эффективности деревокомпозитных конструкций.

Проблемами связанными с повышением эффективности использования ресурсов древесины в разное время занимались Ашкенази Е.К., Белянкин Ф.П., Глухих В.Н., Дмитриев П.А., Жаданов В.И., Знаменский Е.М., Иванов В.Ф., Иванов А.М., Иванов Ю.М., Карлсен Г.Г., Клименко В.З., Копейкин А.М., Лабудин Б.В., Леонтьев Н.Л., Мелехов В.И., Митинский А.Н., Найчук А.Я., Онегин В.И., Орлович Р.Б., Погорельцев А.А., Пятикрестовский К.П., Рощина С.И., Рыкунин С.Н., Савков В.И., Светозарова Е.И., Серов Е.Н., Стоянов В.В., Турковский С.Б., Уголев Б.Н., Фурсов В.В., Щуко В.Ю. и др. Исследованиями процессов механической обработки и склеивания древесины, качества соединений клееных деревянных конструкций занимались известные ученые:

Аксенов П.П., Баженов В.А., Боровиков А.М., Вуба К.Т., Губенко А.Б., Исаев С.П., Каратаев С.Г., Ковальчук Л.М., Куликов В.А., Леонович А.А., Михайлов В.Н., Огурцов В.В., Пластинин С.Н., Турушев В.Г., Фрейдин А.С., Хрулев В.М., Чубинский А.Н. и др. Исследованием углеродных нанотрубок и их интеграцией с эпоксидными смолами занимались учёные: Акатенков Р.В., Алексашин В.М., Аношкин И.В., Бабин А.Н., Богатов В.А., Бузько В.Ю., Грачев В.П., Кондрашов С.В., Минаков В.Т., Мищенко С.В., Раков Э.Г., Ткачёв А.Г. и др.





Анализ современных тенденций внедрения новых строительных технологий и материалов позволяет утверждать, что основой динамичного внедрения в практику станут материалы и технологии, полученные на основе достижений и разработок в области нанотехнологий. Углердные нанотрубки благодаря высоким механическим характеристикам, а также широким возможностям функционализации поверхности, обеспечивающей ковалентное взаимодействие с полимерной матрицей могут рассматриваться как один из наиболее перспективных видов модификаторов клеевых составов. За счет высокой удельной поверхности повышение механических свойств композитов достигается уже при малых концентрациях УНТ при одновременном улучшении тепло и электро-проводных свойств материала. Предложенные в работе технические решения с использованием эпоксидных клеёв модифицированных углеродными нанотрубоками позволяет увеличить прочность деревокомпозитной конструкции от 15 до 60%.

Композитные конструкции позволяют рационально использовать древесину, снижать стоимость конструкций за счёт значительного повышения прочностных характеристик, способствуют рациональному расходованию древесных ресурсов, поэтому проведение исследований в этом направлении является актуальными.

Во второй главе содержится обзор современных деревоклееных конструкций и рассмотрены вопросы экспериментальной оценки прочности и деформативности композитных балок для деревянного домостроения.

В ходе экспериментальных исследований было испытанно 4 серии балок, по 3 образца в каждой серии. Первая серия состояла из простых деревянных балок пролётом 2,25 м и принималась в качестве эталона для следующих серий композитных балок. (рис.1).

Основными элементами композитной балки являются древесина, стеклоткань на основе базальтового волокна и модифицированная углеродными нанотрубками эпоксидная матрица. Сечение исследуемых моделей балок принято 70х100(h) мм. Стеклоткань приклеивалась в растянутой и сжатой зонах деревянной заготовки на эпоксидной матрице.

Рис.1. Конструктивные решения экспериментальных дерево-композитных балок четырех сечений: а – общий вид (схема);

б – цельное сечение, серия БД;

в – то же, серия БК;

г – то же, серия БКунт;

д – то же, серия БКунт+t Существующие в настоящее время методы расчета деревянных конструкций позволяют с достаточной точностью оценивать их несущую способность и деформативность для любых сечений и на любой стадии работы.

С точки зрения проектирования прикладным является инженерный метод расчета деревянных конструкций по приведенным геометрическим характеристикам.

При проведении расчета определяли несущую способность и деформативность деревокомпозитных балок.

На начальном этапе расчета определены приведенные геометрические характеристики сечения деревоклееной композитной балки, необходимые для расчета конструкции. Это:

- площадь приведенного сечения:

Fпр b h 1 n ;

(1) - момент инерции:

h 2 h12 2hh b h 3 b h 2b h n ;

(2) I пр 12 - момент сопротивления для сжатой и растянутой зон:

I пр с р Wпр Wпр ;

(3) h/ Fа F а - коэффициент армирования. Fа - площадь армирующего слоя;

Fдр b h Eа n - коэффициент приведения;

h1 - толщина армирующего слоя;

Eдр h - высота сечения.

Расчет выполняется по двум группам предельных состояний. Расчет по первой группе предельных состояний на действие максимального изгибающего момента. Изгибающий момент для шарнирно опертой балки на двух опорах при загружении ее точечной нагрузкой определяется по принятым формулам сопротивления материалов с учетом граничных условий и схем загружения.

Максимальные краевые напряжения в древесине растянутой и сжатой зон не должны превышать расчетного сопротивления древесины на растяжение и сжатие, соответственно:

М М р с Rр m, Rс m. (4) р с Wпр k уп Wпр k уп Расчет на устойчивость плоской формы деформирования выполняется на действие максимального изгибающего момента:

М b ;

где м и kф. (5) м Wпр k yп lр h Расчет по второй группе предельных состояний заключается в определении максимального вертикального перемещения и сравнение его с предельным. На начальном этапе вычисляется прогиб балки без учета деформаций сдвига на действие распределенной нагрузки:

Pн l f0 kt ;

(6) 384 E I пр k yж qt - коэффициент учитывающий длительность действия нагрузки.

k t 1 0. q Наибольший прогиб в середине пролета балки не должен превышать предельно допустимого прогиба:

1 c h0 f пр, f f 0 (7) l k где k - коэффициент, учитывающий влияние переменности высоты сечения;

с - коэффициент, учитывающий влияние деформаций сдвига от поперечной силы, f пр - нормируемое значение вертикального перемещения;

kуп и kуж – коэффициенты повышения прочности и жёсткости, которые определяются экспериментальным путем.

Вместе с тем, расчет композитных конструкций и элементов как правило ведется лишь в предположении упругой работы материалов, что не соответст вует действительной работе элементов за пределом упругости и не выявляет действительных значений силового сопротивления материала конструкций.

При нагружении композитных конструкций внешней нагрузкой до разрушения отчетливо проявляются три характерные и последовательные стадии напряженно-деформированного состояния: условно-упругая, упруго пластическая и разрушения.

Действительные диаграммы работы древесины на сжатие и растяжение имеют нелинейные зависимости, и могут быть использованы в расчетах за пределами упругости. В диссертации выполнен детальный анализ напряженно деформированного состояния (НДС) конструкций на всех стадиях работы с использованием метода конечных элементов в программном комплексе Lira 9.2.

Расчет производился с учетом действительной работы в статической постановке с учетом физической нелинейности материала древесины. Работа древесины описывалась диаграммами, построенными на основании экспериментальных исследований стандартных образцов на сжатие и растяжение. Расчетная схема конструкции принята в виде балки на двух опорах, загруженная точечной нагрузкой по схеме чистого изгиба. По результатам исследований построены диаграммы краевых напряжений и общих деформаций конструкции в зависимости от действующей нагрузки (рис.2…5).

Работа балки БД в статическом нелинейном расчете:

Работа балки БКунт+t в статическом нелинейном расчете:

Рис.2. Распределение нормальных напряжений при нагрузке 10,4 кН а) б) в) г) Рис.3. Сравнение эпюр напряжений балок при сосредоточенной нагрузке 10,4 кН:

(значения на эпюрах приведены в МПа) а – балки серии БКунт+t с деревянной балкой серии БД (- - - - -) на опоре;

б – то же, в середине пролёте;

в – балки серии БКунт+t с деревокомпозитной балкой армированной в растянутой зоне (- - - - -) на опоре;

г – то же, в середине пролёта.

По представленным эпюрам видно, что напряжения на опорном участке уменьшаются на 35…40% по сравнению с простой балкой, и на 2..6% по сравнению с балкой армированной в растянутой зоне. Напряжения в пролёте уменьшаются на 48…54% по сравнению с деревянной балкой. По сравнению с балкой армированной в растянутой зоне напряжения сжатия уменьшаются на 32…38%, а напряжения растяжения возрастают на 10…15%.

Рис.4. Диаграмма «нагрузка – деформации» Из рисунка 4 видно, что деформативность деревокомпозитных балок с симметричным армированием снижается на 4…6 % по сравнению с балками армированными только в растянутой зоне, при изготовлении на ЭД-20. При изготовлении на ЭД-20+УНТ деформативность снижается на 5…8%. При термоупрочнении краевых зон на 12…16 %.

Рис.5. Диаграмма разрушающих нагрузок Из диаграммы можно сделать вывод, что прочность деревокомпозитных балок с симметричным армированием повышается на 7…10 % по сравнению с балками армированными только в растянутой зоне, при изготовлении на ЭД-20.

При изготовлении на ЭД-20+УНТ прочность возрастает на 8…12%. При термоупрочнении краевых зон на 15…19 %.

В третьей главе разработана программа методики испытания эпоксидных олигомеров и симметрично армированных деревокомпозитных балок.

Программа испытаний содержит: выбор экспериментального метода;

проведение многофакторного эксперимента для определения количества испытываемых моделей;

чертежи испытываемой конструкции с фактическими геометрическими размерами, жесткостными характеристиками, ведомостями дефектов и повреждений;

результаты инженерного расчета конструкций на испытательные нагрузки с учетом фактических размеров элементов. Ожидаемые величины перемещений, усилий, деформаций и напряжений в точках их измерений;

выбор элементов, сечений и конкретных точек в которых будут осуществляться измерения;

установление количества ступеней нагружения, значения приращение нагрузки и временных интервалов;

определение требуемой точности измерения и подбор аппаратуры с необходимыми параметрами точности и диапазона.

Изучение влияния углеродных нанотрубок на прочность эпоксидной смолы ЭД-20 целесообразно проводить на стандартных образцах, размером 20х20х20 мм. Значения весовых долей тех или иных составляющих смолы могут меняться, что влечёт за собой изменения характеристик отверждённого состава. Для данных исследований был принят следующий состав композиций:

100 вес ч. ЭД-20, 15 вес ч. ПЭПА, УНТ 0,3 вес ч. Степень варьирования УНТ на данный момент слабо изучена, однако согласно ряду работ весовые части принимались в диапазоне от 0,1 до 0,5, что вело за собой заметные изменения физических характеристик полученных композиций.

В результате планирования эксперимента определено оптимальное количество испытываемых конструкций и требуемое число образцов для установления статических характеристик материала моделей. Для обеспечения достоверности показаний 0,95 при коэффициенте вариации 0,15 с точностью показаний до 0,05 было принято для испытания количество моделей конструкций равное трем для каждой из четырёх серий.

Разработанная программа испытаний позволила: получить картину напряженно-деформированного состояния конструкций при действии нагрузок;

подтвердить достоверность теоретических исследований по предлагаемой методике расчета сравнением результатов эксперимента и расчета натурных конструкций;

определить несущую способность конструкций и получить характер их разрушения;

выполнить анализ НДС конструкции.

Экспериментальные исследования конструкций пролетом 2,25 м проводились на испытательном стенде. Схема нагружения представлена на рис.6, 7. Изучение работы балок выполнялось в два этапа.

На первом этапе определялся интегральный модуль упругости деревокомпозитной балки учитывающий неоднородность древесины, пороки, которые не учитываются расчётным модулем.

На втором этапе исследовалось напряженно-деформированное состояние симметричных деревокомпозитных балок, определялся характер разрушения в зависимости от конструктивных параметров, от типа используемого эпоксидного клея и влияния тепловой обработки на прочность и деформативность конструкций.

Расчетная нагрузка определялась в зависимости от геометрических размеров балок и расчетного сопротивления древесины на изгиб. Нагружение композитных балок на первом этапе осуществлялось до 0,8 нормативной нагрузки, ступенями по 0,1 от верхнего предела. На втором этапе нагружение балок осуществлялось до разрушения ступенями, равными 0,25 расчетной нагрузки. На обоих этапах исследования время выдерживания под нагрузкой на каждой ступени принято 5 минут.

Рис.6. Схема двухточечного нагружения Рис.7. Схема расстановки приборов: П1 балок с зоной «чистого» изгиба прогибомер, Т1, Т2 – тензометры, И1, И2 – индикаторы Вертикальные перемещения исследуемых балок измеряли прогибомерами ПАО6, осадка опор индикаторами часового типа с ценой деления 0,01 мм. В зоне действия максимального изгибающего момента по ширине сечения наклеивались тензорезисторы с базой 20 мм, информация с которых обрабатывалась на цифровом тензометрическом комплексе СИИТ3М.

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований эпоксидных смол и деревокомпозитных конструкций с их включением. Испытания проводились в лаборатории строительных конструкций имени Щуко В.Ю. на базе Владимирского государственного университета. Всего было проведено 8 серий испытаний эпоксидных смол по 9 образцов в каждом.

Серии эпоксидных образцов:

ЭД-2020С – Образцы из эпоксидной смолы ЭД-20 холодного отверждения;

ЭД-20унт20С – То же ЭД-20 с УНТ (0,3%);

ЭД-2050С – Образцы из эпоксидной смолы ЭД-20 горячего отверждения (при t=500С);

ЭД-20унт50С – То же ЭД-20 с УНТ (0,3%);

ЭД-2060С – Образцы из эпоксидной смолы ЭД-20 горячего отверждения (при t=600С);

ЭД-20унт60С – То же ЭД-20 с УНТ (0,3%);

ЭД-2070С – Образцы из эпоксидной смолы ЭД-20 горячего отверждения (при t=700С);

ЭД-20унт70С – То же ЭД-20 с УНТ (0,3%);

В качестве отвердителя для эпоксидного состава был выбран полиэтиленпполиамин (ПЭПА). Принятый состав композиций: 100 вес ч. ЭД-20, 15 вес ч. ПЭПА, УНТ 0,3 вес ч. Составляющие тщательно перемешивали и разливали в квадратные формы (20х20х20 мм).

Композиции подвергали холодному и двухстадийному отверждению.

Холодное отверждение проводилось при температуре 200С, образцы выдерживались в форме с течении 14 суток. Двухстадийное отверждение проводилось с температурой первой стадии 200С в течение 48 часов, а температура второй стадии варьировалась, значения составляли 50, 60 и 700С, в течение 6 часов, изъятие образцов из форм производилось через 7 суток с начала отверждения. Результаты механических испытаний приведены в таблице 1 и на рисунке 8.

Таблица 1.

Результаты испытания образцов эпоксидной смолы Вид Холодное Двухстадийное отверждение при температуре испытываемой отверждение, второй стадии, МПа:

смолы МПа t=200 C t=500 C t=600 C t=700 C 97,5 102,3 108,6 114, 104,9 104,9 111,3 116, 98,6 104,6 111,1 118, 102,3 103,2 112,9 114, Эпоксидная 101,4 105,7 112,8 116, смола 98,1 108,6 109,8 113, (100%) (104%) (111%) (114%) ЭД-20 101,0 106,4 116,5 118, 108,1 109,4 114,8 117, 98,4 106,7 116,2 116, 103,6 105,6 114,6 116, 112,4 116,3 125,6 129, 108,6 114,9 128,3 128, 106,5 120,4 122,4 134, Эпоксидная 112,4 116,4 124,3 132, смола 109,1 117,3 126,5 130, ЭД-20 с 106,9 118,3 126,2 129, (107%) (115%) (125%) (129%) включением 107,5 120,5 129,7 132, УНТ 111,5 116,4 127,2 132, 106,0 115,3 125,1 128, 109,7 117,5 129,6 130, Можно сделать вывод о том что наличие в системе УНТ позволяет достичь более высокой конверсии, а следовательно получить более регулярную и частую сетку химических сшивок, чем в исходных системах. Очевидно, что такие, доотвержденные, композиции будут обладать более высокой температурой стеклования, более высоким модулем упругости, большей разрывной деформацией и как следствие более высоким пределом прочности.

Прочность эпоксидной матрицы ЭД-20 имеющей в своём составе углеродные нанотрубки повышается на 6-8% при холодном отверждении и на 12-18 % при горячем отверждении.

Кроме того, эпоксидные смолы отверждённые холодным способом теряют свои свойства при нагревании до 80оС, и после уменьшения температуры уже не восстанавливаются. При горячем отверждении рабочая температура, достигает 300-315оС, что является важным фактором положительно влияющим на предел огнестойкости.

Рис. 8. Зависимость прочности эпоксидной смолы от температуры отверждения В ходе экспериментальных исследований конструкций было испытанно серии балок, по 3 образца в каждой серии. Первая серия состояла из простых деревянных балок пролётом 2,25 м и принималась в качестве эталона для следующих серий композитных балок.

Серии балок:

Серия БД – балка деревянная (без армирующих слоёв);

Серия БК – балки композитные с симметричным армированием 2 слоями стеклоткани в растянутой и сжатой зоне на матрице ЭД-20;

Серия БКунт – то же, на матрице ЭД 20 модифицированной УНТ;

Серия БКунт+t°– то же, с горячим отверждением ЭД-20+УНТ.

Разрушающая нагрузка определялась из условия прочности нормальных сечений с использованием результатов численных исследований и составила 10,4 кН для деревянных балок и 14,0 кН – для композитных балок.

Разрушение деревянных балок серии БД начиналось со смятия в крайних волокнах сжатой зоны с образованием характерных складок, затем разрывались нижние растянутые волокна. Разрушение происходило в середине пролёта и носило хрупкий характер. В опорной зоне балок деформаций отмечено не было.

Разрушение композитных балок серий БК носило пластичный характер, разрушение начиналось со смятия в сжатой зоне, после чего в растянутой зоне образовывалась трещина в месте расположения порока в виде сучка. Отрыва стеклоткани от древесины и её разрыва в сериях БКунт и БКунт+t° не происходило.

Результаты испытания композитных балок приведены в таблице 2.

Сравнительный анализ результатов исследований приведен в таблице 3.

Таблица 2.

Результаты испытаний симметричных деревокомпозитных балок Деформации 10- Разрушаю Сечение Нагруз Серии Прогиб щая ка Р, балок ы, мм нагрузка, Древесина кН h, мм b, мм кН сжат раст БД-1 99,0 70,0 10,4 19,63 21,62 8,87 12, ” БД-2 100,0 68,0 19,60 21,75 8,72 11, БД-3 ” 100,0 70,0 19,57 21,72 8,85 11, 8, 102,0 69,0 14,0 8,94 9,48 22,6 (21,2) (9,09) БК- 8, ” БК-2 101,0 71,0 8,87 9,57 22,3 (21,5) (9,22) БК- 8, ” 103,0 70,0 8,88 9,43 22,4 (20,3) (9,25) 7, 103,0 69,0 14,0 7,88 8,64 30,1 (26,8) (8,00) БКунт- 7, ” БКунт-2 99,0 68,0 7,96 8,66 30,4 (26,9) (7,98) БКунт- 7, ” 102,0 70,0 7,83 8,60 29,6 (27,3) (8,02) БКунт+to -1 101,0 69,0 14,0 7,44 7,89 7,09 31, ” БКунт+to -2 99,0 71,0 7,43 7,96 7,21 31, БКунт+to -3 ” 103,0 70,0 7,54 7,93 7,15 31, *Примечание: В скобках представлены значения в балках с одиночным армированием предложенных Шохиным П.Б. (при одинаковых коэффициентах армирования).

В пятой главе представлена технология изготовления симметричных деревокомпозитных балок с применением модифицированных эпоксидных смол.

Технологический процесс изготовления разделён на 6 этапов.

На первом – выполняется механическая обработка древесины, включающая: распиловку круглых сортиментов;

сушку пиломатериалов до влажности древесины 12±2%;

фрезерование деревянных заготовок;

разметку сечения с нанесением схемы упрочнения. Грани деревянной заготовки, к которой планируется приклеивать стеклоткань необходимо обработать до шероховатости класса 4 по ГОСТ 7016-82.

Таблица Сравнение результатов исследования композитных балок перекрытия Показатели Нормальные напряжения, Относительные деформации 10- Примечание МПа древесина древесина сжат раст сжат раст Деревянная балка БД Теория 25,0 25,0 21,3 21, ПК Lira 9.2 22,0 24,1 19,0 20, Эксперимент 22,8 24,6 19,6 21, Композитная балка БК Теория 10,6 (22,3) 12,6 (15,2) 8,0 8, ПК Lira 9.2 Tпом=20±2 °С 10,7 (23,6) 12,9 (16,2) 8,1 8, Эксперимент 11,2 (24,0) 13,3 (17,0) 8,8 9,5 пом=60±10% Композитная балка БКунт др=12±2% Теория 9,5 (21,0) 9,9 (11,4) 7,3 8, ПК Lira 9.2 9,6 (23,3) 10,2 (12,3) 7,4 8, Эксперимент 10,0 (24,0) 10,9 (12,9) 7,9 8, o Композитная балка БКунт+t Теория 8,9 9,1 7,0 7, ПК Lira 9.2 9,1 9,3 7,1 7, Эксперимент 9,6 10,0 7,4 7, *Примечание: В скобках представлены значения напряжений в балках с одиночным армированием предложенных Шохиным П.Б. (при одинаковых коэффициентах армирования).

На втором – производится подготовка усиливающего элемента стеклоткани на основе базальтового волокна. Рулонная ткань нарезается на полосы требуемых размеров.

На третьем – выполняется подготовка эпоксидного состава. Эпоксидная смола, прекурсор и отвердитель тщательно перемешиваются в дегазирующем миксере, при этом смесь подогревается до температуры 25…30 оС. При повышении температуры смола повышает свою текучесть и снижает вязкость, что позволяет получить высокую степень гомогенности обрабатываемого вязкого продукта.

На четвертом – выполняются процесс склеивания деревянной заготовки и стеклоткани. Перед склеиванием поверхности обезжириваются, затем наносится клей толщиной 0,4…0,5 мм. Температура окружающей среды должна быть 15…25 °С, влажность – 50…80%. Склейка выполняется по методу вакуумной инфузии. После того, как армирующий материал уложен, прокладываются вакуумный канал, герметизирующий жгут и жертвенная ткань. Затем, на композицию укладывается вакуумный мешок и фиксируется по периметру клейким жгутом. Далее, проверяется герметичность системы и подключается вакуумная помпа. Из системы откачивается воздух, и за счёт давления смола равномерно пропитывает армирующий материал а сам материал плотно прижимается к балке. После отверждения связующего проводится удаление плёнки и расформовка изделия.

На пятом – конструкция подвергается тепловой обработке в сушильной камере. Для соблюдения технологического процесса композитная конструкция прогревается до температуры 60…70оС и выдерживается в течении шести часов.

При этом влажность воздуха в камере поддерживают 70…80%, что бы не происходило дальнейшего высыхания древесины конструкции.

На заключительной стадии выполняется обработка поверхностей композитной балки;

обрезка излишков стеклоткани, маркировка, оформление паспорта продукции.

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ В результате проведенных исследований доказана возможность 1.

изготовления деревокомпозитных балочных конструкций с симметричным усилением стеклотканью, применением модифицированного эпоксидного состава и тепловой обработкой, что обеспечивает повышение прочностных и жесткостных характеристик конструкций.

На основе экспериментальных исследований подтверждены 2.

качественные и количественные теоретические значения прочностных и деформационных показателей симметрично армированных деревокомпозитных балок, в том числе за пределами упругости.

Разработаны предложения по совершенствованию конструкций и 3.

технологии изготовления деревокомпозитных балок. В предложенной конструкции симметрично армированных деревокомпозитных балок обеспечивается уменьшение поперечного сечения на 18…24%, повышение прочности на 58…68%, уменьшение деформативности на 46…52% по сравнению с обычными деревянными балками. Повышение прочности достигается на 15…19 %, и уменьшение деформативности на 12…16% по сравнению с деревокомпозитными балками с одиночным армированием.

Установлено в процессе сравнительного анализа, что расхождение 4.

инженерного метода расчёта с экспериментальными данными составляет: по несущей способности – 10…14%, по деформативности – 15…18%. Разница численного и экспериментального исследования составила 4…7% и 4…8% соответственно.

На основе расчетов и полученных экспериментальных результатов 5.

предлагается для инженерных расчетов ввести новые безразмерные коэффициенты упрочнения симметричных деревокомпозитных балок с применением модифицированного состава ЭД-20+УНТ: kуп=1,45…1,5 и kуж= 1,4…1,45.

Разрушение балок усиленных стеклотканью с включением в состав 6.

клеевой композиции углеродных нанотрубок носит пластичный характер в отличии от цельнодеревянных балок. При доведении до предельного состояния древесины разрыва стеклоткани пропитанной модифицированной смолой не происходит. Применение углеродных нанотрубок в составе клеевой композиции увеличивает трещиностойкость древесины, повышаются адгезионно-когезионные характеристики соединения и эксплуатационная надежность конструкций.

Разработанная технология изготовления деревокомпозитных 7.

конструкций с симметричным армированием, позволяет существенно снизить материалоемкость изделий. Совершенствование технологического процесса предусматривает термоупрочнение армирующего материала краевых зон, совмещение отдельных видов работ, применения эпоксидных композиций модифицированных УНТ, современного технологичного оборудования.

Разработанные технические решения усиленных деревокомпозитных 8.

балок рекомендованы для использования в промышленном, гражданском и транспортном строительстве, в специальных сооружениях. Результаты исследований рекомендованы для внесения в действующие нормы проектирования ДК и КДК.

Основное содержание диссертации опубликовано в работах по перечню ВАК 1. Сергеев М.С. Исследование деревокомпозитных конструкций с применением эпоксидных олигомеров модифицированных углеродными нанотрубками [Текст] / С.И. Рощина, М.С. Сергеев, А.В. Лукина, М.С. Лисятников // «Научно-технический вестник Поволжья», 2013, №2, с. 189…192.

2. Сергеев М.С. Исследование деревокомпозитных конструкций с применением углеродных нанотрубок [Текст] / С.И. Рощина, П.Б. Шохин, М.С. Сергеев, // ИВУЗ «Лесной журнал», 2013, №3, с. 103…107.

Прочие 3. Патент на полезную модель №118333 – «Деревометаллическая балка» Рос.

Федерация: МПК Е04С 3/14 / С.И. Рощина, Е.А. Смирнов, М.С.Сергеев, М.В.

Лукин, П.Б. Шохин;

патентообладатель ВлГУ, № 2012102344/03 ;

заявл.

24.01.2012 г. ;

опубл. 20.07.2012 г., Бюл. № 20.

4. Сергеев М.С. Методика экспериментального исследования эпоксидной смолы ЭД-20 с включением УНТ [Текст] / С.И. Рощина, М.С. Сергеев, М.С.

Лисятников// Материалы VIII научно-практической конференции «Научный потенциал мира-2012», Болгария, София, 2012 г., с. 37…39.

5. Сергеев М.С. Совершенствование конструкций и технологии производства деревоклееных композитных балок [Текст] / С.И. Рощина, М.В. Лукин, М.С.Сергеев, П.Б. Шохин, М.С. Лисятников //Монография «Инновации в строительстве и архитектуре», ВлГУ, Владимир, 2012 г., с.55…93.

6. Сергеев М.С. Методика и планирование экспериментального исследования композитных трёхпролётных балок [Текст] / С.И. Рощина, Е.А. Смирнов, М.С.Сергеев //Материалы VII межд. науч.-практ. конф. «Дни науки - 2012», Чехия, Прага, 2012 г., с. 54…56.

7. Сергеев М.С. Экспериментально-теоретическое исследование армированных деревянных конструкций с учетом ползучести [Текст] / С.И. Рощина, М.В.Лукин, П.Б. Шохин, М.С.Сергеев //Материалы межд. науч.-технич. конф.

«Современные строительные конструкции из металла и древесины», ОГАСА, Одесса, 2012 г., с.207…211.

8. Сергеев М.С. Планирование экспериментального исследования трехпролетных армированных балок [Текст] / С.И. Рощина, Е.А. Смирнов, М.С.Сергеев, М.С.

Лисятников //Материалы межд. науч.-технич. конф. «Современные строительные конструкции из металла и древесины», ОГАСА, Одесса, 2012 г., с.212…215.

9. Сергеев М.С. Экспериментальные исследования комплексных конструкций [Текст] / С.И. Рощина, М.В.Лукин, М.С.Сергеев //Материалы межд. науч. практическая. конф. «Современные направления теоретических и прикладных исследований», Одесса, 2010 г., с.7…9.

10. Сергеев М.С. Расчёт треугольных деревянных арок с повышенной затяжкой [Текст] / В.В. Михайлов, С.И. Рощина, М.С.Сергеев //Материалы межд. науч. практическая. конф. «Современные направления теоретических и прикладных исследований», Одесса, 2010 г., с. 32…34.

11. Сергеев М.С. Расчёт треугольных деревянных арок с повышенной затяжкой и пятами на разных уровнях [Текст] / В.В. Михайлов, С.И. Рощина, М.С. Сергеев // Материалы VI межд. науч.-технич. конф. «Итоги строительной науки 2010», ВлГУ, Владимир, 2010 г., с. 138…141.

12. Сергеев М.С. Равнопрочные клееные армированные балки [Текст] / В.В.

Михайлов, С.И. Рощина, П.Б. Шохин, М.С. Сергеев // Материалы межд. науч. технич. конф. «Строительная наука 2010», ВлГУ, Владимир, 2010 г., с.55…57.

13. Сергеев М.С. Оболочки покрытий и большепролётные конструкции из клеёной древесины [Текст] / В.И. Воронов, М.В. Лукин, М.С. Сергеев // Материалы межд. науч.-технич. конф. «Строительная наука 2010», ВлГУ, Владимир, г., с. 27…31.

14. Сергеев М.С. Экспериментальные исследования комплексных сжато изгибаемых конструкций [Текст] / С.И. Рощина, В.И. Воронов, М.С. Сергеев // Материалы межд. науч.-технич. конф. «Строительная наука 2010», ВлГУ, Владимир, 2010 г., с. 100…101.

15. Сергеев М.С. Учёт податливости узловых соединений деревянных конструкций [Текст] / Т.Н. Яшкова, М.С. Сергеев, И.Ю. Куликова // Материалы межд. науч. технич. конф. «Строительная наука 2010», ВлГУ, Владимир, 2010 г., с.101…103.

16. Сергеев М.С. К вопросу реконструкции зданий культурного наследия [Текст] / М.С. Сергеев, И.Ю. Куликова // Материалы межд. науч.-технич. конф.

«Строительная наука 2010», ВлГУ, Владимир, 2010 г., с. 202…205.

Подписано в печать 24.04.2013.

Формат 6084/16. Усл. печ. л. 1,25. Тираж 100 экз.

Заказ № Издательство Владимирского государственного университета Имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых 600000, Владимир, ул. Горького, 87.



 

Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.