Технология изготовления составных деревянных конструкций с металлическими зубчатыми пластинами

• Автор: Карельский, Александр Викторович
• Шифр специальности: 05.21.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2015
• Место защиты: Архангельск
• Количество страниц: 138 с. : ил.

Оглавление
Введение

1. Состояние вопроса и задачи исследований

1.1. Древесина, как конструкционный материал

1.2. Анализ основных дефектов и повреждений деревянных конструкций

1.3. Металлические зубчатые пластины и их применение в деревянных конструкциях

2. Численные исследования прочностных и деформационных характеристик составных

деревянных балок

2.1. Основные направления численных исследований

2.2. Шарнирно-стержневая схема в моделировании составных деревянных балок

2.3. Влияние трещин на напряженно-деформированное состояние клееных деревянных

балок
2.4. Алгоритм уточненного расчета соединений составных деревянных балок с МЗП
2.5. Алгоритм уточненного расчета усиления клееных балок МЗП
3. Методические положения проведения исследований
3.1. Программа экспериментальных исследований
3.2. Определение характеристик соединяемых элементов конструкции
3.3. Методика исследований соединения МЗП с древесиной
3.4. Методика исследований клеевого соединения МЗП с древесиной
3.5. Методика экспериментальных исследований составной деревянной балки с МЗП
4. Результаты экспериментальных исследований
4.1. Результаты определения прочностных и деформационных характеристик древесины
4.2. Экспериментальные исследования соединения МЗП с древесиной
4.3. Экспериментальные исследования соединения «МЗП-клей-древесина»
4.4. Экспериментальные исследования составных деревянных балок с МЗП на изгиб
4.5. Определение коэффициентов составное
5. Технология изготовления и усиления составных деревянных балок с МЗП
5.1. Технология изготовления составных деревянных балок с МЗП
5.2. Технология усиления деревянных балок с применением МЗП
Выводы и рекомендации
Список использованных источников
Приложение 1. Документирование характера разрушения составных деревянных балок при
испытании на изгиб
Приложение 2. Конструктивные решения составных деревянных балок на МЗП

Введение
Актуальность темы.
Древесина - самовозобновляемый природный материал, обладает высокими физико-механическими и конструкционно-технологическими свойствами и используется во многих отраслях промышленности.
Технологии изготовления деталей, изделий и конструкций из древесины постоянно развиваются и применяются в промышленном производстве.
Одним из направлений совершенствования технологий является применение составных деревянных конструкций (СДК) и деревоклееных конструкций (КДК), выполненных на основе конструкционных пиломатериалов
Для обеспечения составности применяются различные соединения: клей, нагели, шпонки, нагельные группы, нагельные пластины и др [156]. Многообразие соединений обуславливается особенностями анизотропного строения древесины. В разное время исследованиями соединений деревянных конструкций занимались П.А. Дмитриев, В.М. Коченов, B.C. Деревягин, Г.В.Никитин, Г.Г. Карлсен, М.Е. Каган, С.И. Песельник, А.Б. Губенко, Иванов Ю.М, Знаменский Е.М, Ковальчук JT.M, С.Б. Турковский, А.А. Погорельцев, К.П. Пятикрестовский, Е.К. Ашкенази, Е.И. Светозарова, Е.Н. Серов, А.А. Найчук, Ю.В. Пискунов, Б.В. Ла-будин, И.Г. Шухов, Р.Б. Орлович, В.Г. Миронов, В.Г. Леннов, Д.К. Арленинов, Ю.Ю. Славик, А.Н. Дурновский, А.К. Наумов, В.А. Цепаев, В.Г. Котлов, Malinowski С, J.Kangas, M.Leivo, L.Ozola и др. [3, 16, 40, 102, 99, 115, 117, 124, 128, 126]. Для наиболее распространенных соединений (клеевых, на цилиндрических и пластинчатых нагелях, гвоздях и шурупах, на вклеенных стальных стержнях) разработаны инженерные расчеты и правила конструирования, которые отображены в нормах [120, 121, 122].
Однако для некоторых конструкций работа соединений в составе изделия, конструктивные решения и технологии изготовления недостаточно изучены. В клееных деревянных конструкциях (КДК) выявляются недостатки: продольные трещины, искривления, биопоражения и т.п, снижающие их прочностные и жест-костные характеристики, и сводящиеся к необходимости ремонта и восстановле-

ния. Существующие методы и способы усиления КДК являются трудоемкими и технологически сложными задачами. Одной из проблем при восстановлении поврежденных КДК является поиск простых и надежных решений.
Представляет интерес технология усиления КДК с применением металлических зубчатых пластин (МЗП). В основном исследования соединений с МЗП проводились применительно к стержневым системам. В то же время вопросы взаимодействия МЗП с древесиной в изгибаемых составных элементах исследованы недостаточно.
Поэтому целенаправленное исследование, разработка и совершенствование технологии изготовления составных деревянных балочных конструкций с МЗП является актуальным.
Объект и предмет исследования.
Объектом исследований являются составные деревянные и деревоклееные балки с дефектами и повреждениями. Предмет исследования - технологические и конструктивные решения по изготовлению СДК и усилению КДК.
Область исследования соответствует требованию паспорта научной специальности ВАК РФ 05.21.05 — «Древесиноведение, технология и оборудование деревопереработки» п. 1,2 и 4.
Цель работы - исследование прочностных и деформационных характеристик соединений древесины с МЗП и разработка конструктивных и технологических решений изготовления составных деревянных и деревоклееных конструкций с МЗП.
Для достижения поставленной цели определены задачи:
- выполнить анализ развития конструктивных и технологических решений по усилению деревянных конструкций;
- разработать классификацию дефектов и повреждений составных деревянных конструкций и провести анализ методов и способов усиления;
- обосновать выбор физической и математической модели составных деревянных конструкций с учетом анизотропных свойств материалов;

Расчет на ЭВМ с использованием метода конечных элементов
Одним из популярных в последнее время способов численных исследований является моделирование объекта исследований на ЭВМ в конечно-элементной постановке. Для построения используется конечный элемент «оболочка» (например, в программе SCAD Office элемент №44), на которые разбивается вся конструкция. Оболочкам задаются величины жесткости: размеры, модули упругости и коэффициенты Пуассона. Результатом расчета являются мозаики напряжений и деформаций. Создавая разрывы между соседними конечными элементами, учитывают не-проклей. Моделирование непроклея в клееной деревянной балке выполнено А.Б. Шмидтом в работе [145].
2.2. Шарнирно-стержневая схема в моделировании составных деревянных балок
Метод расчета составных стержней, как шарнирно-стержневой системы, детально разработан профессором А.Р. Ржаницыным [110]. Основные положения расчета приводятся в разделе 2.1. Теория А.Р.Ржаницына для моделирования непроклея в КДК применена в работе М.Л. Биричевского [9]. Моделирование нек-проклея в КДК является сложной инженерной задачей с системой дифференциальных уравнений, решение которой возможно только на ЭВМ.
Нами предложено рассмотреть расчет составной деревянной балки как шарнирно-стержневой конечно-элементной модели, реализуемой в программных продуктах SCAD Office, Lira Windows, Ansys и т.п.
Характер расчетной схемы принят в соответствии с исходными данными и допущениями, предложенными в [110] и [9]:
• Под составным стержнем для КДК без дефекта понимаем стержень, состоящий из двух или нескольких ветвей, упруго соединенных между собой путем склеивания.
• Под швом понимаем промежуток между составными стержнями (клеевой шов). Толщина шва принимается бесконечно малой.