CC BY
55
Армирование деревянных конструкций
А. С. Кавелин, А.Д. Тютина, В.Э. Нуриев, В.А. Колтакова Донской государственный технический университет
Аннотация: В данной статье проведен анализ технико-экономических показателей и приведены результаты исследований, подтверждающие востребованность армированных деревянных конструкций в современном строительстве. Данный материал наиболее конкурентоспособен благодаря своим уникальным свойствам: экологичность, экономичность, простой монтаж и транспортировка, уменьшенная масса конструкций и их объем. Приведённые в данной статье факты могут и должны быть рассмотрены в качестве рекомендаций для проектирования.
Ключевые слова: армирование, конструкции, древесина, АДК, строительство, проектирование, арматура, экологичность, монтаж, испытания, нагрузка, деформативность.
В России сохранилась положительная тенденция развития строительной отрасли, отвечающая современным критериям экономичности и модернизации. Поэтому исследования и анализ эффективности проведенные в данной статье как никогда актуальны. Деревянные конструкции занимают лидирующие позиции в условиях рыночной конкуренции, благодаря своей экологичности, высоким конструктивным свойствам и диверсификации области их применения.
За устранение минусов отвечает армирование деревянных конструкций-АДК. Именно оно помогает снизить эффект ползучести, сократить влияние пороков и т.д. Также повышается сборность, упрощает монтаж, реконструкцию и транспортировку конструкций с помощью компоновки узловых соединений [1]. Появление АДК стало возможным благодаря появлению новых синтетических клеев, обеспечивающих надежность соединения разнородных материалов. В армировании применяют как предварительно напряженную, так и обычную арматуру. Отличительной особенностью применения обычной арматуры являются экономичность и низкие трудозатраты без потери качества [2].
В ходе экспериментов было выявлено, что несущая способность АДК в 2-3,5 раза выше, чем у прочих неармированных конструкций. Экономичность
применения армированных конструкций обусловлена уменьшением монтажного веса на 15-20% и сокращением расхода древесины на 35-45% [3].
В дальнейшем испытания помогли определить, что прочность АДК подчинена общепринятым временным закономерностям при продолжительной нагрузке. Диапазон подобной нагрузки в 0,4 - 0,7 от предела временной прочности имеет две области затухающей и не затухающей ползучести. При нагрузке в данных областях предел длительной прочности имеет значение 0,5 - 0,75 от предела временной прочности. Сохранение сцепления арматуры с древесиной по всей площади, возможно даже при разрушении АДКД. Деревянная неразрушенная часть сечения и поддержание влияния арматуры обеспечивает показатели нагрузки в 0,5-0,75 от разрушающей [4].
Процесс перераспределения усилий, происходящий в АДК из разнородных материалов, возникает при длительной нагрузке. Уменьшение нормального напряжения в древесине и его увеличение в арматуре, происходит при распределении их усилий за счет разной степени ползучести материалов АДК [5]. Данный эффект является положительным, потому что при эксплуатации армированных деревянных конструкций осуществляется догружение арматуры и разгрузка древесины. В ходе экспериментов было выявлено, что характер загружения имеет наибольшее значение при последующих деформациях. Рассмотрение древесины как упруго-вязкого материала, связано с изменением ее деформативности при долговременной нагрузке, может быть трактовано как линейная ползучесть [6].
Деревянная балка является нововведением в области армированных деревянных конструкций, с применением наклонно вклеенных стержней и внешнего армирования [7]. Древесина и стальной прокат (арматурные стержни, швеллера) приходятся основными элементами этих балок. Установка швеллера осуществляется либо в растянутой, либо в сжатой зоне
балки. Наклонно вклеенные арматурные стержни класса А-400 с периодическим профилем d=10мм служат для крепления швеллера к балке. Их расположение по балке происходит по растягивающим либо сжимающим напряжениям с шагом 300мм и под углом 450 градусов. Повышение несущей способности и уменьшение деформативности композитных балок в сравнении с деревянными достигается путем их армирования. Что в свою очередь повышает их конкурентоспособность и экономичность [8].
Рис. 1. - Особенности технологии изготовления армированных деревянных
Сейчас активно разрабатываются углеродные нановолокна для применения их в различных областях в том числе и АДК [9]. Их широкая область применения обусловлена термическими, механическими и электрическими свойствами. Стеклоткань из базальтового волокна, древесина и эпоксидная матрица являются основополагающими элементами деревоклееной композитной балки. Они обеспечивают повышенную прочность, сниженную деформативность и снижение поперечного сечения.
Рис. 2. - Внешнее армирование несущих деревянных конструкций
углеродной лентой.
Для повышения химической и огнестойкости древесины используется стеклоткань из базальтового волокна, а сама конструкция также радиопрозрачна и немагнитна аналогично древесине. Использование нанотрубок в армированных композитных конструкциях обеспечивает пластичность при их разрушении. Подобные конструкции широко используются в гражданском и транспортном строительстве [10].
АДК имеют не только положительные стороны, описанные выше, но также сохраняют существенные недостатки деревянных конструкций, такие как: возгораемость, подверженность гниению. Для того, чтобы минимизировать данные отрицательные факторы, необходимо обрабатывать деревянные конструкции защитными покрытиями против гниения и огня.
Обобщая вышесказанное и основываясь на технико-экономических показателях, можно утверждать, что использование АДК в сравнении с неармированными конструкциями на 20-25% снижает издержки, а также уменьшает массу конструкций на 25%, сокращая при этом расход древесины
на 1,5-2 раза - тем самым оптимизируя затраты на монтаж, транспортировку. А путем уменьшения объема здания сокращаются издержки на отопление и ограждающие конструкции. Приведённые в данной статье факты могут и должны быть рассмотрены в качестве рекомендаций для проектирования.
Литература
1. Карлсен Г.Г., Большаков В.В., Каган М.Е., Александровский К.В., Бочкарев И.В., Фоломин А.И. Деревянные конструкции. 1998. 39с.
2. Башкова Ю.Б., Шкуркина А.И., Вшивков Е.П. Технические науки - от теории к практике: сб. ст. по матер. XLV междунар. науч. практ. конф. № 4(41). Новосибирск: СибАК, 2015. 72с.
3. Орлович Р.Б. Длительная прочность и деформативность конструкций из современных древесных материалов при основных эксплуатационных воздействиях: Автореф. дис.д-ра техн. наук. Л.: ЛИСИ, 1991. 51с.
4. Каган М.Е. Сопряжения элементов деревянных конструкций на нагелях. Изд-во Военно-инженерной академии Красной Армии им. В.В. Куйбышева, М. 1940. С. 43-56.
5. Шеина С.Г., Чулкова Е. В. Анализ эффективности энергосберегающих мероприятий, 2011. 56 с.
6. Гуськов И.М. Эксплуатация деревянных конструкций. М.: МИСИ им. В.В. Куйбышева, 1982. 101с.
7. Коченов В.М. Несущая способность элементов и соединений деревянных конструкций. М.: Госстройиздат, 1963. 320 с.
8. Guyer E.C. Handbook of Applied Thermal Design. USA: CRC Press, 1999. С. 75-76.
9. Herschel W. The Scientific Papers of Sir William Herschel. USA: Cambridge University Press, 2013. С. 25-26.
10. Зильберова И.Ю., Петров К.С., Зильберов Р.Д. Разработка предложений по повышению энергоэффективности многоквартирных жилых домов массовой застройки // Инженерный вестник Дона, 2012, №4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4p1y2012/1080.
References
1. Karlsen G. G., Bol'shakov V. V., Kagan M. E., Aleksandrovskij K. V., Bochkarev I. V., Folomin A. I. Derevjannye konstrukcii [Wooden structure], 1998. 39 p.
2. Bashkova Ju.B., Shkurkina A.I., Vshivkov E.P. Tehnicheskie nauki ot teorii k praktike, 2015, № 4(41).72 p.
3. Orlovich P.B. Dlitel'naja prochnost' i deformativnost' konstrukcij iz sovremennyh drevesnyh materialov pri osnovnyh jekspluatacionnyh vozdejstvijah [Long-term strength and deformability of structures from modern wood materials under the main operational impacts] Avtoref. dis. d-ra tehn. nauk. L. LISI, 1991. 51 p.
4. Kagan M.E. Soprjazhenija jelementov derevjannyh konstrukcij na nageljah [Conjugation of elements of wooden structures on nagels]. Izd-vo Voenno-inzhenernoj akademii Krasnoj Armii im. V.V. Kujbysheva, M.1940. pp. 43-56.
5. Sheina S.G., Chulkova E. V. Inzenernyj vestnik Dona, 2011, №4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2011/707.
6. Gus'kov I.M. Jekspluatacija derevjannyh konstrukcij [Bearing capacity of elements and joints of wooden structures]. M.: MISI im. V.V. Kujbysheva, 1982, 101 p.
7. Kochenov V.M. Nesushchaya sposobnost' elementov i soedinenij derevyannyh konstrukcij [Bearing capacity of elements and joints of wooden structures]. M.: Gosstrojizdat, 1963, 320 p.
8. Guyer E.C. Handbook of Applied Thermal Design. USA: CRC Press, 1999, pp. 75-76.
9. Herschel W. The Scientific Papers of Sir William Herschel. USA: Cambridge University Press, 2013, pp. 25-26.
10. Zil'berova I.YU, Petrov K.S., Zil'berov R.D. Inzenernyj vestnik Dona, 2012, №4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4p1y2012/1080.
