автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.05, диссертация на тему: Совершенствование технологии восстановления деструктированной древесины в элементах деревянных конструкций
Автореферат диссертации по теме "Совершенствование технологии восстановления деструктированной древесины в элементах деревянных конструкций"
На правах рукописи
ЛУКИНА Анастасия Васильевна
Совершенствование технологии восстановления деструктированной древесины в элементах деревянных конструкций
05.21.05 - древесиноведение, технология и оборудование деревопереработки
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования
«Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых»
доктор технических наук, профессор
Рощина Светлана Ивановна
Ковальчук Леонид Михайлович
доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки РФ, ЦНИИСК имени В.А. Кучеренко, советник ЦНИИСК имени В.А. Кучеренко Бызов Виктор Евгеньевич кандидат технических наук, ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет», доцент кафедры «Конструкции из дерева и пластмасс»
ФГБОУ ВПО «Московский государственный университет леса»
Защита состоится 24 декабря 2014 года в 12:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.008.01 на базе ФГАОУ ВПО «Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова» по адресу: 163002, г. Архангельск, набережная Северной Двины, 17, ауд. 1220.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГАОУ ВПО «Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова» и на сайте www.narfu.ru.
Автореферат разослан « 3/ » октября 2014 года.
Ученый секретарь диссер- Земцовский Алексей
тационного Совета Екимович
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Древесина, применяемая в конструкциях деревянного домостроения, часто подвергается неблагоприятным эксплуатационным воздействиям. В изменяющихся условиях температурно-влажностного режима происходит биопоражение микроорганизмами органического материала, появление гнили и деструкция древесины, что приводит к потере эксплуатационной надежности элементов деревянных конструкций в целом.
В настоящее время применяют различные способы восстановления и усиления деревянных конструкций, базирующиеся в основном на выборочной замене пораженных участков конструкций цельной древесиной или металлом.
С появлением высокопрочных полимерных материалов стало возможным восстанавливать пораженные участки несущих деревянных конструкций. Такие полимеры позволяют обеспечивать достаточную термо-, огне- и морозостойкость усиливаемых элементов из древесины, повышают их биостойкость.
Предлагаемый метод ремонта и восстановления деструктированных опорных зон элементов в деревянных конструкциях, рассматриваемый в диссертации, заключается в импрегнировании в дефектную часть элементов деревянных конструкций полимерной композиции и создании полимер-древесной композиции в деструктированной зоне. Такой подход к восстановлению, является наиболее эффективным и перспективным, при этом необходимо провести дополнительные исследования разработки технологии восстановления деревянных конструкций.
Поэтому развитие направления восстановления деревянных элементов с разработкой рекомендаций по технологии импрегнирования деревянных элементов, ослабленных деструкцией древесины, является актуальной задачей, что определило тему диссертационного исследования.
Объект и предмет исследования. Объектом исследования являются деревянные балочные конструкции с деструктированными зонами древесины. Предмет исследования - технология восстановления несущей способности деструктированных деревянных элементов путем применения композитных полимерных составов.
Цель диссертационной работы - исследование и разработка технологии восстановления участков деревянных конструкций с зонами локально деструктированной древесины.
Для достижения поставленной цели определены задачи:
- выполнить комплексный анализ методов ремонта, восстановления и усиления элементов деревянных конструкций;
- обосновать выбор физической и математической модели древесно-полимерной композиции;
- разработать компонентный состав полимерной композиции для восстановления деструктированных зон элементов деревянных конструкций;
- провести численные эксперименты для оценки НДС в деревянных балках с восстановленными опорными зонами;
- выполнить лабораторно-натурные исследования и дать оценку прочностным и технологическим свойствам полимерной композиции;
- разработать технические решения и технологию восстановления деревянных конструкций с локальными повреждениями.
Методы исследования. В процессе исследования использованы методы математического моделирования, натурного эксперимента, планирования экспериментальных исследований, теория вероятностей и математической статистики, методы тензометрирования с применением информационно-измерительной системы, современные вычислительные комплексы.
Достоверность результатов основывается на достаточном объеме теоретических и экспериментальных исследований с применением методов математического моделирования, теории планирования факторных экспериментов и статистической обработки результатов экспериментальных исследований, хорошей сходимостью результатов эксперимента с теоретическими предпосылками.
Научная новизна результатов исследований:
- представлено научно-обоснованное решение задачи восстановления деревянных конструкций с локально деструктированными зонами;
- предложена расчетная математическая модель полимердревесной композиции, адекватно отражающая физико-механические свойства композитного материала;
- предложена методика прочностного расчета восстановления работоспособности элементов деревянных конструкций с зонами локально им-прегнированной древесины.
На защиту выносятся следующие положения и результаты:
- результаты теоретических и экспериментальных исследований прочности полимерной композиции;
- результаты теоретических и экспериментальных исследований опорных зон элементов деревянных конструкций, импрегнированных полимерной композицией;
- методика расчета деревянных балок с учетом особенностей расположения древесно-полимерной композиции в опорных зонах;
- практические рекомендации по восстановлению и усилению деструк-тированных участков опорных зон деревянных балочных конструкций.
Практическая ценность работы
Научно-обоснованные технические и технологические решения по восстановлению локальных зон деструктированных деревянных конструкций могут быть использованы в проектах реконструкции, ремонта, реставрации деревянных зданий и сооружений.
Реализация результатов работы
Результаты работы использованы при разработке проекта реконструкции «Основного здания усадьбы Грузинских (Шорыгиных)» в ООО «Стройэкспертиза», г.Владимир.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научных конференциях ФГБОУ ВПО «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых» в 2012. 14 гг.; Международном симпозиуме «Современные строительные конструкции из дерева и пластмасс» (г. Одесса, 2013г); Всероссийском жилищном конгрессе «Гражданский жилищный форум» (г. Санкт - Петербург, 2013г); Научно-практическом семинаре «Деревянное домостроение в условиях Европейского Севера» (г.Архангельск, 2013г.); Международной научно-технической конференции «Строительная наука-2014: теория, практика, инновации северо-арктическому региону» (г. Архангельск, 2014г.); «Молодежная научная школа- 2014» (г. Владимир, 2014г.)
Публикации. По результатам исследований опубликовано 14 работ, в том числе три в изданиях по перечню ВАК.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, библиографического списка включающего 183 наименования, изложена на 152 страницах, содержит 21 рисунков и 23 таблицы.
Во введении отражена актуальность темы исследования, цель и задачи исследования, оценивается научная новизна исследований, приведена общая характеристика работы.
В первой главе приведен анализ факторов разрушения деревянных конструкций, виды усиления и восстановления деструктированных участков опорных зон деревянных балочных конструкций в отечественной и зарубежной практике, изложены общие принципы определения работоспособности нагруженных элементов при деструктивных процессах в древесине. Дается история развития производства полимерных материалов, их виды и использование при восстановлении и ремонте деревянных строительных конструкций.
В разное время проблемами прочности, долговечности и устойчивости деревянных конструкций, оценки технических возможностей древесины при их производстве, а также повышения эффективности использования сырьевых ресурсов занимались Арленинов Д.К., Ашкенази Е.К., Белянкин Ф.П., Вызов В.Е., Глухих В.Н., Знаменский Е.М., Иванов Ю.М., Инжутов И.С., Карлсен Г.Г., Ковальчук JI.M., Лабудин Б.В., Левинский Ю.Б., Леонтьев Н.Л., Мажара П.И., Манжос Ф.М.. Мелехов В.И., Митинский А.Н., Михайлов Б.К., Найчук А.Я., Онегин В.И., Пластинин С.Н., Погорельцев A.A., Пятикрестовский К.П., Рощина С.И., Савков В.И., Светозарова Е.И., Серов E.H., Санжаровский P.C., Стоянов В.В.,Травуш В.И., Турковский С.Б., Турушев В .Г., Турков A.B., Уголев Б.Н., Хрулев В.М., Щуко В.Ю., Фурсов В.В., и др.
Среди зарубежных следует выделить работы — Bauman R., Gatz К., Haring Н., Kollmann F., Larsen H., Lyon D.E., Mielczarek Z., Norris H. и др. др.
Деревянные балки широко распространены в строительстве. Они нашли применение при строительстве общественных, производственных, сельскохозяйственных, складских зданий. К основным факторам, снижающим эксплуатационную надежность деревянных балок относятся: несвоевременность проведения текущих и капитальных ремонтов, действие агрессивных сред, несоблюдение температурно-влажностного режима. Наиболее уязвимыми зонами деструкции деревянных конструкций являются опорные участки.
Рассмотрены физико-механические и технологические свойства различных клеевых композиций на основе резорцинформальдегидных, фенолоре-зорциноформапьдегидных, меламиноформальдегодных, мочевиномелами-ноформальдегидных, полиуретановых, поливинолацетатных, дисперсии полимерной эмульсионной с изоционатным отвердителем, эпоксидных
клеев. Исследованию древесно-эпоксидных композиций уделяется особое внимание.
Эпоксидные смолы в отличие от многих других полимерных материалов отверждаются с минимальной усадкой без выделения побочных продуктов. Отмечается, что отвержденные эпоксидные смолы обладают хорошими эксплуатационными свойствами и высокими физико-механическими показателями: высокая прочность, нетоксичность, хорошая адгезия к различным материалам, высокая стойкость к действию агрессивных сред и т.д. При анализе усиления и восстановления деревянных элементов конструкций отмечается, что одним из перспективных направлений является использование древесно-полимерных композиций при восстановлении работоспособности эксплуатируемых деревянных элементов конструкций.
Во второй главе рассмотрена физическая и математическая модель древесно-полимерной композиции в составе балочных конструкций с локальным повреждением отдельных участков. Приводится классификация повреждений на основе топографии и степени деструкции древесины. Учтены механические характеристики древесно-композитного анизотропного материала, приведен расчет изгибаемых балочных элементов. Изучены стадии напряженно-деформированного состояния древесины при нагружении внешней нагрузкой до разрушения. Приведен численный и инженерный методы расчета восстановленных деревянных конструкций.