This article considers anisotropic composite materials which are modern and progressive materials widely used in different spheres of engineering. These materials have some important peculiarities of their physical and mechanical properties (for example, anisotropy of strength and elasticity) which should be taken into account in the course of designing for constructive elements made of anisotropic composites. It is recommended to use some of numerous failure phenomenological criteria for calculations constructive elements made of these materials under the combined stresses.
Похожие темы научных работ по технологиям материалов , автор научной работы — Шамбина С.Л.
Учет физико-механических характеристик композиционных углепластиков, влияющих на процессы разрушения при реализации технологического процесса механической обработки и экстремальных условиях эксплуатации
Anisotropic Composite Materials and Peculiarities of Calculations for Constructions Made of these Materials
This article considers anisotropic composite materials which are modern and progressive materials widely used in different spheres of engineering. These materials have some important peculiarities of their physical and mechanical properties (for example, anisotropy of strength and elasticity) which should be taken into account in the course of designing for constructive elements made of anisotropic composites. It is recommended to use some of numerous failure phenomenological criteria for calculations constructive elements made of these materials under the combined stresses.
Искусственная анизотропия — эффект Keppa
Текст научной работы на тему «Анизотропные композитные материалы и особенности расчета конструкций из них»
АНИЗОТРОПНЫЕ КОМПОЗИЦИОННЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ОСОБЕННОСТИ РАСЧЕТА КОНСТРУКЦИЙ ИЗ НИХ
С.Л. ШАМБИНА, канд. технических наук, доцент Российский университет дружбы народов
В последнее время в различных областях техники находят широкое применение композиционные материалы, имеющие целый ряд особенностей физико-механических свойств, что выгодно отличает их от других материалов. Важной задачей является совершенствование существующих и создание новых методов расчета элементов конструкций из этих материалов с учетом специфики их свойств.
Композиционные материалы (композиты) представляют собой искусственное объединение двух или нескольких материалов с целью получения материала с качественно новыми свойствами. Современные композиты не только имеют широкий спектр физических и механических свойств, но и предоставляют возможность направленного изменения этих свойств в соответствии в назначением проектируемой конструкции, а также реализации принципиально новых конструктивных решений и повышения эффективности разрабатываемых конструкций [1].
Композиты являются неоднородными сплошными материалами, состоящими из наполнителя (армирующих элементов) и связующего (матрицы) [2]. Наполнитель является основным несущим элементом конструкций из композитов. В качестве наполнителя используются волокна, нити, ленты, ткани из высокопрочных материалов (бор, углерод, полимеры и т.д.).
Анизотропия (Что это такое и чем интересно)
Стеклопластики, например, на 65 — 80% состоят из наполнителя — стекловолокна. Прочность современного стекловолокна достигает 2,4 ГПа (для сравнения — прочность конструкционных сталей составляет 1,5 ГПа). Связующее (например, различного рода смолы) обеспечивает совместную работу армирующих элементов, более равномерное распределение нагрузки между элементами наполнителя, защищает волокна наполнителя от воздействия внешней среды.
При изготовлении композитов могут использоваться различные технологии (прессование, контактное формование, экструзия, литье, намотка). Так листовые материалы изготавливаются методом прессования, некоторые сложные детали — при помощи формования, а оболочки — методом намотки пропитанного связующим наполнителя на специальную оправку. Меняя чередование слоев и укладку нитей в слое, можно оптимально использовать материал в конструкции. Наиболее прочны материалы, которые армированы прямолинейными нитями, уложенными с предварительным натяжением. В зависимости от вида и расположения волокна, существуют различные типы армированных пластиков:
а) ориентированные пластики, армированные прямолинейными волокнами;
б) композиты, армированные тканями, или текстолита;
в) материалы, хаотически армированные непрерывными или дискретными волокнами;
г) пространственно армированные системы.
Анизотропные пластики, в частности стеклопластики, являются характерными представителями композитов. Эти современные материалы находят широкое применение при изготовлении элементов конструкций в различных отраслях техники: в самолетостроении, в космической и ракетной технике, в судостроении, строительстве, химической промышленности, машиностроении и т.д. [3], что обусловлено их многочисленными достоинствами.
Среди этих достоинств: низкая теплопроводность, высокая химическая стойкостью и демпфирующая способность, способность кратковременно выдерживать высокие температуры, высокая технологичность, относительно низкая масса, высокая усталостная прочность и высокая удельная прочность. Стеклопластики не подвергаются коррозии и загниванию, не требуют покраски, некоторые из них пропускают до 90% световых и 70% ультрафиолетовых лучей.
По удельной прочности некоторые стеклопластики превосходят лучшие конструкционные стали и алюминиевые сплавы, не говоря уже о бетоне и железобетоне. Эффективно использование стеклопластиков в различных видах строительных конструкций: плит покрытий, оболочек, куполов, в светопрозрачных конструкциях, в облегченных большепролетных конструкциях, в специальных радиопрозрачных сооружениях, а также при строительстве на просадочных фунтах или в сейсмических районах.
В пространственных конструкциях относительно низкий модуль упругости стеклопластиков компенсируется повышенной жесткостью и устойчивостью пространственных систем, а также применением рациональных сечений. Пролеты пространственных конструкций из стеклопластиков могут достигать 50 метров при небольшом расходе материалов и малом весе конструкций. Перспективно использование стеклотекстолитов для сильнонапряженных элементов, а также конструкций, работающих на ударные нагрузки. Из стеклопластиков также изготавливаются трубы, основными преимуществами которых по сравнению с металлическими трубами, являются их высокая прочность, устойчивость к коррозии от действия газов, растворов солей, кислот и щелочей. Такие трубы имеют малый вес (в 4 — 5 раз меньше, чем у аналогичных стальных труб), низкую теплопроводность и применяются в сантехнике, в нефтедобывающей промышленности, в качестве шахтной крепи, для изготовления стержневых систем строительных конструкций.
Важным достоинством стеклопластиков является возможность создания с их применением эффективных многослойных конструкций типа трехслойных пластин и оболочек. В таких конструкциях внешние слои
изготавливаются из стеклопластиков, а внутренние слои — пенопластовые, сотопластовые, гофрированные или трубчатые заполнители. Сочетание слоев с различными свойствами дает возможность обеспечить надежную работу конструкции в неблагоприятных условиях окружающей среды, создавать конструкции с относительно малой массой, а также хорошими теплоизоляционными, электроизоляционными и звукоизоляционными свойствами.
Многослойные конструкции обеспечивают снижение массы конструкции на 12 — 40% при заданных ограничениях на прочность и жесткость. При одинаковой несущей способности масса панелей с обшивками из композитов на 10 — 65 % ниже, чем у панелей с металлическими обшивками [4].
Применение таких панелей, например, дает возможность снизить нагрузку на несущие конструкции и, следовательно, уменьшить вес ферм, колонн и фундаментов, что дает дополнительную экономию. Механическое поведение трехслойных панелей аналогично поведению балки двутаврового сечения. Облицовки панелей, подобно полкам двутавра, противостоят растягивающим и сжимающим напряжениям, возникающим при изгибе. Заполнитель трехслойной панели действует подобно ребру двутавра, которое противостоит сдвиговым напряжениям, препятствует искривлению и короблению обшивок панели.
Кроме многочисленных достоинств стеклопластиков, о чем говорилось выше, у этих материалов есть отдельные недостатки, которые также необходимо учитывать. Это их малая жесткость, относительно высокая стоимость, невысокая жаропрочность, значительное деформирование при длительном действии силовых и тепловых нагрузок, трудности комбинирования стеклопластика с металлом, слабое сопротивление межслойному отрыву и низкая сопротивляемость межслойному сдвигу. Однако, несмотря на отдельные недостатки, можно с уверенностью отнести стеклопластики к наиболее перспективным конструкционным материалам.
Для композиционных материалов характерен большой разброс механических и теплофизических характеристик, значительно больший, чем в традиционных материалах, например, в металлах. Необходимо также упомянуть о масштабном эффекте, который проявляется в том, что свойства образца, вырезанного из композиционного материала, отличны от свойств, присущих цельной конструкции из этого же материала.
Нарушение прочности конструкции из анизотропных композитов может происходить по разным причинам: от изменения структуры материала и появления микротрещин, от потери устойчивости, от усталости материала при переменных нагрузках, от ползучести, от химической деструкции и некоторых других причин.
Еще одним важным свойством армированных пластиков является различие между собой пределов прочности на растяжение и сжатие по каждому направлению. Это связано с тем, что при растяжении основную
нагрузку несет наполнитель, а при сжатии в работе материала активно участвует и связующее.
Очень важной особенностью стеклопластиков, изготовленных на основе стеклотканей (стеклотекстолиты), направленных стеклонитей (стек-ловолокниты) и некоторых других типов стеклопластиков является ярко выраженная анизотропия их физико-механических свойств [5]. Как известно, анизотропия — это зависимость характеристик материала от угла между направлением армирования и направлениями действующих напряжений при различных напряженных состояниях.
Анизотропией обладают упругие и прочностные свойства стеклопластиков, в том числе их длительная прочность, ползучесть и др. При изучении анизотропии удобно использовать методы тензорного исчисления [6]. Исследование анизотропии упругих и прочностных свойств стеклопластиков представляет большой теоретический и практический интерес.
При помощи правильного выбора характера анизотропии стеклопластиков появляется возможность создания равнопрочных и легких конструкций, оптимальных при заданных условиях нагружения. Это является очень важным преимуществом стеклопластиков по сравнению со многими другими конструкционными материалами. Анизотропия прочности означает, что сопротивление стеклопластиков растяжению, сжатию или сдвигу зависит от ориентации стекловолокон в образце. Другими словами, анизотропия означает различие пределов прочности на растяжение, сжатие и сдвиг по разным направлениям.
Следствием анизотропии и разносопротивляемости растяжению и сжатию, является такая особенность армированных пластиков, как зависимость пределов прочности на сдвиг от направления касательных напряжений.
Таким образом, при расчете элементов конструкций из анизотропных композитов необходимо учитывать все указанные выше особенности их физико-механических свойств. Так как реальная физическая модель работы композита в конструкции сложна, то необходимо выбрать некоторую аппроксимирующую модель, которая облегчила бы практические расчеты конструкции на прочность и устойчивость. В настоящее время в механике композитов наиболее распространенным является феноменологический подход, когда композиционный материал рассматривается как сплошная и однородная анизотропная среда, макронапряжения и деформации в которой осредняются. Хотя этот подход и противоречит реальной структуре материала, он позволяет использовать более простые аналитические зависимости, чем при структурном подходе, рассматривающем анизотропный материал как неоднородную армированную среду.
Одним из основных вопросов, возникающих при проектировании конструкций из анизотропных композиционных материалов, является вопрос о расчете на прочность элементов конструкций при сложном напряженном состоянии. В таких случаях следует применять для расчетов ка-
кой-либо критерий прочности анизотропных материалов [7], [8], [9]. Базисные характеристики материала, входящие в критерии прочности, получают из опытов при простых видах напряженного состояния.
Критерий прочности — это условие прочности для малого элемента материала конструкции. Говоря иными словами, критерий прочности или поверхность разрушения является «аналитической интерпретацией в пространстве напряжений границы допустимых напряженных состояний, в пределах которых материал может работать при данных условиях без разрушения» [10].
Так как такая аналитическая интерпретация экспериментальных данных может быть осуществлена неоднозначно, то существует множество различных критериев прочности, которым в пространстве напряжений соответствуют как регулярные, так и сингулярные предельные поверхности. Правильно выбранный критерий прочности позволяет определить момент разрушения материала при различных напряженных состояниях, а также оценить предельное напряженное состояние в наиболее нагруженных точках конструкции. Критерий прочности считается экспериментально обоснованным, если опытные точки в пространстве напряжений располагаются достаточно близко к предельной поверхности. Так как единого подхода к описанию поверхности прочности не существует, поэтому выбор того или иного критерия всегда относительно субъективен.
При одинаковых напряженных состояниях различные материалы в стадии разрушения ведут себя по-разному. Поэтому одна и та же теория прочности может удовлетворительно описывать поведение одних материалов, но не подтверждаться экспериментальными данными для других материалов.
Для большинства материалов данные, полученные из экспериментов на плоское напряженное состояние, лучше всего описываются критериями прочности Захарова — Малмейстера и Гольденблата — Копно-ва. Использование многих известных критериев прочности анизотропных материалов ограничено и сопряжено с рядом трудностей.
Во-первых, все эти критерии применимы только к определенному классу материалов. Во-вторых, аналитические выражения некоторых критериев прочности громоздки и содержат целый ряд базисных прочностных характеристик материала (пределов прочности на растяжение, сжатие и сдвиг). В-третьих, технически затруднено экспериментальное определение некоторых пределов прочности, используемых в критериях, в частности, пределов прочности на сдвиг по направлениям, составляющим угол 45° по отношению к осям анизотропии. Таким образом, создание и внедрение в расчетную практику новых феноменологических критериев прочности анизотропных материалов, а также усовершенствование уже существующих критериев является одним из сложных и недостаточно разработанных вопросов.
1. Васильев В. В. Механика конструкций из композиционных материалов. -М.: 1988.-272 с.
2. Карпинос Д.М., ред. Композиционные материалы. Справочник. — Киев: Наукова думка, 1985. —
3. Нотон Б. Применение композиционных материалов в технике. / В кн.: Композиционные материалы. Т. 3. / Под ред. Л. Браутмана и Р. Крока. -М.: Машиностроение, 1978. -С. 260 — 307.
4. Гуняев Г.М. Структура и свойства полимерных волокнистых композитов. — М.: Химия, 1981.-232 с.
5. Ашкенази Е.К., Ганов Э.В. Анизотропия конструкционных материалов. Справочник. — Л.: Машиностроение, 1980. -248 с.
6. Котов В.А., Шамбина С.Л. Различные представления компонентов тензоров прочности анизотропных материалов. // Прикладная механика и математика: Междувед. сб. науч. трудов. — М.: МФТИ, 1992. -С.76-80.
7. Гольденблат ИИ. , ред. Пластинки и оболочки из стеклопластиков. -М.: Высшая школа, 1970. -407с.
8. Ву Э.М. Феноменологические критерии разрушения анизотропных сред. // В кн.: Механика композиционных материалов. Т.2 / Под. Ред. Дж.
Сендецки. Пер. с англ.. -М.: Мир, 1978. -568 с.
9. Викарио А., Толанд Р. Критерии прочности и анализ разрушения конструкций из анизотропных материалов. В кн. «Композиционные материалы». Т. 7. Анализ и проектирование конструкций. — М., 1978. -С. 62 -107.
10. Гольденблат И.И., Копнов В.А. Критерии прочности и пластичности конструкционных материалов. — М.: Машиностроение, 1968. -192 с.
ANISOTROPIC COMPOSITE MATERIALS AND PECULIARITIES OF CALCULATIONS FOR CONSTRUCTIONS MADE OF THESE MATERIALS
This article considers anisotropic composite materials which are modern and progressive materials widely used in different spheres of engineering. These materials have some important peculiarities of their physical and mechanical properties (for example, anisotropy of strength and elasticity) which should be taken into account in the course of designing for constructive elements made of anisotropic composites. It is recommended to use some of numerous failure phenomenological criteria for calculations constructive elements made of these materials under the combined stresses.
Источник: cyberleninka.ru
VII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум — 2015
К современным строительным конструкциям предъявляют повышенные требования по качеству бетона. Особенно это актуально при сооружении крупных гидротехнических сооружений, где нужна повышенная прочность бетона на сжатие и особенно на растяжение. Одним из способов достижения необходимых характеристик является создание анизотропных бетонов, т.е материал имеющий направленную структуру, что может гарантировать повышенную прочность в определенных направлениях
Анизотропи́я (от др. греч. ἄνισος — неравный и τρόπος — направление) — различие свойств среды (например, физических: упругости , электропроводности, теплопроводности , показателя преломления , скорости звука или света и др.) в различных направлениях внутри этой среды; в противоположность изотропии.В отношении одних свойств среда может быть изотропна, а в отношении других — анизотропна; степень анизотропии также может различаться.
Анизотропия является характерным свойством кристаллических тел -кристаллическая решетка которых не обладает высшей — кубической симметрией Причиной анизотропности кристаллов является то, что при упорядоченном расположении атомов, молекул или ионов силы взаимодействия между ними и межатомные расстояния оказываются неодинаковыми по различным направлениям. Причиной анизотропии молекулярного кристалла может быть также асимметрия его молекул.
Помимо кристаллов, естественная анизотропия — характерная особенность многих материалов биологического происхождения, например, деревянных брусков.
Анизотропия свойственна жидким кристаллам , движущимся жидкостям (неньютоновским — особенно).
Анизотропией особого рода в масштабах всего кристалла или его областей обладают ферромагнетики и сегноэлектрики.
Во многих случаях анизотропия может быть следствием внешнего воздействия (например, механической деформации, воздействия электрического или магнитного поля и т.д.). В ряде случаев анизотропия среды может в какой-то степени (а в некоторой слабой степени — часто) сохраняться после исчезновения вызвавшего ее внешнего воздействия.
Известно, что в процессе изготовления изделий из плотного или ячеистого бетона возникает анизотропия его свойств, в том числе и прочности. Причина возникновения анизотропии в материалах преимущественная ориентация их структурных элементов. Объяснить возникновение анизотропия бетона можно ориентирующим действием.
В вибрационном или звуковом поле суспензии частицы некруглой формы ориентируются по их наибольшей оси перпендикулярно направлению распространения колебания или вибрации. Ориентация пемзомерной частицы происходит под действием момента вращения от -пары сил, образующейся в результате обтекания частицы потоком окружающей ее жидкости. Ориентация свободно суспензированных частиц имеет место лишь при условии, если плотность частиц отличается от плотности жидкости. Процесс ориентирования частиц происходит до тех пор, пока их размер остается меньше длины звуковой волны.
Механизм ориентации может быть рассмотрен на примере поведения пластинки при непрерывном обтекании ее потоком идеальной жидкости. Струйки потока при обтекании пластинки будут иметь, примерно такой вид, как показано на рисунке.
Рис 1 Ориентации пластинки в потоке жидкости
Статическое давление потока жидкости на пластинку в равных точках ее поверхности зависит от скорости, которую в этих точках имеет жидкость. Наибольшее давление будет в тех точках пластинки, где течение прекращается. Этим, так называемым критическим, точкам соответствуют точки А и В на передней и поверхности пластин. В этих точках появляется пара сил, момент которой поворачивает пластинку.
На рисунке 1 видно, что изменение направления потока на обратное благодаря симметрии картины не изменит направления момента вращения.
Поэтому пластинка, находящаяся в переменном потоке жидкости, направление которого периодически «изменяется, как это имеет «место при вибрационном воздействии, будет — поворачиваться в том же направлении, как и в постоянном потоке, устанавливаясь поперек потока.
При прочих равных условиях, чем крупнее частицы суспензии и больше интенсивность вибрации, тем больше момент вращения и быстрее — частицы ориентируются.
Микроскопические исследования дробленных частичек извести, песка, цемента в других компонентов ячеистобетонной смеси, а также компонентов смеси для плотного «бетона показывают, что основная масса их неизомерна. Центры кристаллизации и кристаллические частицы, образующиеся в результате гидратации вяжущего в процессе виброформования изделий из бетона.
Бетон является высоконцентрированной суспензией, поэтому в процессе формования под действием направленной вибрации неизомерные частицы ориентируются. Наименьшая длина волны — в ячеистобетонной смеси, она равна 0.4-0,5 м.
При твердении бетона, особенно ячеистого, в процессе вызревания частицы бетона и вновь образованные кристаллы фиксируются о ориентированном состоянии, образуя так называемую строчечную структуру. Для строчечной структуры характерно, что пределы прочности и направлении волокон компонентов бетона наибольшие.
Для качественной и количественной оценки эффекта ориентации анизотропию прочности были отформованы изделия из тяжелых и легких бетонов различных размеров на виброплощадках плотный силикатный бетон на молотой извести и молотом песке; плотный бетон на цементе и немолотом речном песке. [1]
Результаты испытаний контрольных образцов размером 10х10 см выпиленных изделий, прошедших автоклавную обработку доказали, что предел прочности при сжатии во всех случаях больше направлении, перпендикулярном направлению вибрации, т. е. «вдоль волокон». Величина превышения прочности составляет 9-20%. Предварительно для более объективной оценки полученных данных все контрольные образцы были подвергнуты неразрушающим испытаниям на приборе «Бетон-ЗМ». Во всех случаях импульсная скорость ультразвука, характеризующая прочность изделий при сжатии, имела большее значение в направлении, перпендикулярном направлению вибрации.
Направленная вибрация в процессе формования ориентирует неизоморфные частицы бетона, что является причиной анизотропии его свойств. Вибрацию можно использовать для управления анизотропией многих изделий и материалов, в сырьевом составе которых имеются не изомерные компоненты. Существуют также способы использовать ориентирующее действие магнитного поля на физические свойства цемента.[2]
Также вызывает большой интерес влияние анизотрапии бетона на его выносливость и виброползучесть. При нагрузке, расположенной перпендикулярно слоям бетонирования, виброползучесть бетона примерно в 1,7 раза больше, чем при нагрузке, расположенной параллельно.
При нагрузке, расположенной параллельно слоям бетонирования, предел прочности в 1,1 — 1,15 раза выше, чем при нагрузке, расположенной перпендикулярно; относительные пределы выносливости в направлении параллельно и перпендикулярно слоям бетонирования практически одинаковы. Таким образом, можно считать, что относительный предел выносливости практически не зависит от ориентации сжимающей силы к слоям бетонирования.
А если остановиться на анизотропии ячеистого бетона то можно констатировать что в идеале свойства ячеистого бетона во всех направлениях должны быть одинаковыми, что обусловлено сферической формой макропор. Однако при вспучивании ячеистобетонной смеси газовые пузырьки ( ячейки), как правило имеют большую ось (диаметр) в направлении вспучивания и меньшую ось в направлении перпендикулярно вспучиванию и поэтому прочность бетона, как правило, больше направлении перпендикулярно вспучиванию смеси.
При правильном использовании анизотропности бетонов, можно в достаточной степени улучшить некоторые свойства, как бетона, так и конструкции в целом.
Библиографический список.
1.М. ХАНИН, К. ШАЛЬНЕВ, И. ШАЛОБАЕВ. Изменение прочностных свойств цементного камня под действием постоянного магнитного поля. «Доклады Академии наук СССР, техническая физика», том 224, № 6, 1975. (Наука и жизнь. №3, 1976г.)
2. КлюевС.В., Лесовик Р.В. Дисперсно-армированный мелкозернистый бетон с использованием полипропиленового волокна//Бетон железобетон.2011.№ 3. С 7-8
Источник: scienceforum.ru
Анизотропия древесины и ее влияние на прочность узловых соединений ферм из клееных элементов
Бызов, В. Е. Анизотропия древесины и ее влияние на прочность узловых соединений ферм из клееных элементов / В. Е. Бызов, В. В. Рыжов. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2020. — № 52 (342). — С. 101-103. — URL: https://moluch.ru/archive/342/77138/ (дата обращения: 07.10.2022).
Целью статьи является анализ изучения влияния анизотропии древесины на прочность узловых соединений ферм из клееных элементов. Особое внимание уделяется анизотропии древесины, как одной из главных проблем, влияющих на проектирование конструкций. Обосновывается идея о том, что при правильном расположении волокон можно добиться высокой прочности соединений.
Ключевые слова : анизотропия, древесина, конструкций, материалов, соединений, прочность.
Древесина, как и любой строительный материал, имеет ряд недостатков, не позволяющих полноценно и долговечно служить, если не соблюдать требования по качественной сушке древесины, склеиванию материалов, рациональному использованию и подбору дополнительных крепежных элементов, повышающих прочность конструкции и возможность ее дальнейшего использования.
В последнее время роль древесины, как основного конструкционного материала, заметно возросла. По своим прочностным характеристикам, коррозионной стойкости и, что не менее важно, по стоимости и возможности постоянного возобновления древесина может превосходить металл и железобетон.
Склеивание древесины, в свою очередь, открыло новые возможности для создания необычных, современных и креативных формообразований конструкций, как по очертанию, так и по геометрическим характеристикам поперечных сечений. Однако, в настоящее время, не существует единых общепризнанных критериев оценки несущей способности КДК.
При правильной оценке работы древесины в том или ином направлении расположения волокон (поперечном, радиальном или тангенциальном) подбираются соответствующие размеры, сечения материалов, стыковка под определенным углом для узловых соединений. Ввиду особенностей строения, древесина является анизотропным материалом, ее механические свойства различны в различных направлениях и зависят от угла между направлением действующего усилия и направлением волокон. При совпадении направления силы и волокон прочность древесины достигает максимального значения, в то же время она будет в несколько раз меньше, если сила действует под большим углом к волокнам.
Таким образом, соблюдение необходимых правил конструирования позволит добиться повышения эффективности строительных конструкций и применять новые, более усовершенствованные, формы строения и методы расчета.
В настоящей работе рассмотрены и проанализированы ранее выполненные исследования по особенностям и работе конструкций узловых соединений ферм из клееных элементов и влияние анизотропии на прочность этих соединений.
Целью настоящей работы является исследование влияния анизотропии древесины на прочность узловых соединений ферм из клееных элементов.
Влияние анизотропии на свойства древесины
На всех стадиях строения древесины обнаруживается анизотропия ее механических свойств. Под анизотропией механических свойств материалов подразумевается изменчивость прочностных, упругих и других характеристик в зависимости от направления воздействия по отношению к направлениям экстремальных величин прочности.
Исследования показывают, что зона влияния местных напряжений для древесины имеет большую напряженность в продольном направлении и меньшую — поперек волокон.
Анизотропия прочности при растяжении материала выражена значительно сильнее, чем при сжатии.
Прочность цельной древесины как исходного материала при растяжении в 20–25 раз больше, чем клееной.
Механические характеристики клееной древесины вдоль волокон заметно выше, чем цельной. Напротив, поперек волокон материал КДК приобретает недостатки.
При склеивании отдельных слоев неизбежно наличие кососрезных волокон в пиломатериалах, а в зоне сучков и присучкового косослоя клеевой шов прилегает практически к торцам перерезанных трахеид. Следовательно, прочность клееной древесины в поперечном направлении относительно клеевых швов ниже, чем цельной [1].
На повышенную степень анизотропии клееной древесины с современных КДК накладываются особенности, присущие им. Прежде всего, это увеличенные параметры самих конструкций: пролетов и геометрических размеров элементов КДК, их поперечных сечений и новые соотношения этих размеров, возможные только в КДК. Эти конструкции имеют и новые формы поперечных сечений, в том числе тонкостенные, где хорошо реализуется закон концентрации материалов. Отношение общей ширины элементов клеедощатых конструкций к толщине стенок достигает двух, а в клеефанерных 8–10 [2].
Анализ конструкций узловых соединений из клееной древесины
Склеивание тонкомерных досок привело к увеличению прочности и однородности материала в направлении волокон наружных слоев. В перпендикулярном направлении к волокнам этих слоев характеристики меньше, поскольку промежуточные слои уступают по качеству двум наружным.
В качестве узловых вставок при соединении клееных элементов в единую конструкцию чаще всего применяют пластинки из стали и фанеры.
Пластинки могут располагаться снаружи, присоединяться к древесине соединяемых элементов с помощью односрезных нагелей или располагаться внутри деревянного элемента в специальных разрезах, чтобы рабочие связи могли работать как многосрезные нагели.
Рассмотрим ряд узловых соединений и проанализируем каждый из них.
Соединение на вклеенных стержнях из арматуры периодического профиля является универсальным видом соединений. Для работы соединений характерна их малая деформативность, связанная с наличием клеевой прослойки, являющейся неподатливым соединением.
Главным достоинством данного соединения является то, что вклеивание арматурных стержней, ориентированных вдоль и поперек волокон, позволяет избежать разрушения сдвигом.
Однако данное расположение стержней имеет и свои минусы: возможность совпадения связей с торцевыми трещинами, концентрация напряжений именно в слоях с арматурой. Решением этой проблемы послужило армирование стержнями под наклоном 45 градусов, что позволяет получить равнопрочные узлы и стыки за счет армирования зоны стыков. [3]
Вопрос равнопрочности соединения при вклеивании гладкой арматуры по сравнению с арматурой периодического профиля был исследован Ю. Б. Вылегжаниным. Исследования показали, что прочность соединения при помощи рифленой арматуры в 1,5–2 раза выше, чем гладкой.
Более прочным и усовершенствованным методом является соединение на вклеенных стальных пластинах, работающее на растяжение-продавливание. Данный вид соединения позволяет избежать податливости и получать практически жесткие стыки.
В Пензенском государственном университете архитектуры и строительства под руководством профессора В. М. Вдовина ведутся работы по повышению несущей способности и жесткости узлов соединения деревянных элементов за счет применения вклеенных стальных шайб, посредством которых напряжения от соединительных болтов передаются древесине. Несущая способность узла увеличивается за счет снижения локальных напряжений смятия и скалывания.
Не менее интересным способом узловых соединений является разновидность соединения на вклеенных стержнях из предварительно напряженной арматуры, при котором деформативность конструкции снижается в разы.
Выводы:
Проанализировав данную тему, приходим к выводам о том, что при проектировании КДК накладываются дополнительные условия для повышения прочности и надежности.
Следует придерживаться закона рационального проектирования — концентрация материала, упрощение конструктивной формы с минимальным числом монтажных стыков, совмещение функций работы элементов, которые позволят повысить эффективность конструкции. Однако, поскольку древесина имеет свой основной недостаток — анизотропию свойств, возникают дополнительные ограничения при конструировании. Необходимо разработать правильную форму расположения слоев древесины при склеивании, при которой конструкция будет достигать наибольшей прочности.
Рациональное использование древесины позволит достичь создания новых форм конструкций, с одной стороны, прочных при эксплуатации, с другой стороны, наиболее экономичных.
- Калугин А. В. Деревянные конструкции: учебное пособие. М.: АСВ, 2003. 223 с.
- Серов Е. Н., Санников Ю. Д., Серов А. Е. Проектирование деревянных конструкций. М.: АСВ, 2011. 536 с.
- Щуко В. Ю., Рощина С. И. Клееные армированные деревянные конструкции. Учеб. пособие к курсовому и дипломному проектированию. Владимир: Посад, 2008. 288 с.
Основные термины (генерируются автоматически): клееная древесина, волокно, древесина, соединение, узловое соединение ферм, влияние анизотропии, конструкция, несущая способность, периодический профиль, прочность.
Источник: moluch.ru