Бесплатный автореферат и диссертация по географии на тему

Повышение эксплуатационной надежности и снижение материалоемкости деревянных пространственных конструкций

ВАК РФ 11.00.11, Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

Автореферат диссертации по теме "Повышение эксплуатационной надежности и снижение материалоемкости деревянных пространственных конструкций"

На правах рукописи

РГБ од

ВЕШНЯКОВ Александр Викторович - ~

* «с

ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ И СНИЖЕНИЕ МАТЕРИАЛОЕМКОСТИ ДЕРЕВЯННЫХ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ КОНСТРУКЦИЙ

11.00.11. Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Архапгельск-2000

Работа выполнена в Архангельском государственном техническом университете у Лаборатории защиты древесины Центрального научно-исследовательского института механической обработки древесины

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ:

заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Варфоломеев Ю. А.

НАУЧНЫЙ КОНСУЛЬТАНТ:

кандидат технических наук, доцент Лабудин Б

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

заслуженный деятель 1иуки и техники РФ, доктор техшческих наук, профессор, действительный член РИА, Морозов С.И.

кандидат технических наук, Конюхов А.В,

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ:

Архангельский институт по проектированию лесопильных и деревообрабатывающих предприятий «Архгипродрев», г. Архангельск

У » июнл

Защита диссертации состоится « заседании диссертационного Совета Д 064.60.01

2000 г. в

40

в Архангельском государствен I ю 5 техническом университете по адресу: 163007, г. Архангельск, наб. Сев. Двины, 17.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке АГТУ.

Автореферат разослан « _»_МЛЯ_2000 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д. с.-х. н., проф.

А.И. Барабин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТАЛ.

Актуальность темы. Современное строительство является наиболее крутой отраслью потребления лесоматериалов. Древесина используется для изготовления несущих и ограждающих конструкций, отделочных и облицовочных материалов при возведен™ новых объектов, а так же и при выполнении ремоптно-восстаповителыгых работ.

Значительная доля потребления древесины в строительных объектах приходится на несущие конструкции, которые имеют развитые сечения и по характеру своей работы могут быть плоскими (воспринимают внешние' воздействия в одной плоскости), или прострапствеш.тами (обеспечивают совместную работу составляющих их элементов в двух или более плоскостях). Современные простраиствешше деревятшые конструкции (ДК) и деревянные клееные конструкции (ДКК) характеризуются многообразием форм, размеров, узлов сопряжения составных элементов.

Опыт применения ДК показывает, что в случае нерационального их конструктивного решения необоснованно повышается расход материалов, снижается их долговечность и надежность. Использование в современных соединениях деревянных элементов металлических деталей с зубьями при запрессовке часто влечет раскалывание древесины и ослабление сечения. Кроме того, наличие металла на открытых поверхностях деревянных элементов малых сечений снижает огнестойкость сооружений, что резко ограничивает область их применения. При эксплуатации ДК часто подвергаются разрушению не только от внешних силовых воздействий, но и вследствие биоповреждения, что значительно уменьшает срок службы зданий и сооружений. Указанные причины приводят к повышению расхода древесины в строительстве и неоправданному увеличению объемов лесозаготовок. Это наносит значительный ущерб природе, поскольку лес является не только важнейшим источником сырья, но и обеспечивает экологическое равновесие.

Для повышения эффективности использования древесины в строительстве необходимо проведение системного анализа и разработка конструкций с меньшим расходом материалов. Повышение долговечности древесины также позволяет снизить потребление лесоматериалов. Однако, это требует осуществления дополнительных мероприятий по обеспечению эффективной и надежной зашиты древесины с соблюдением современных норм экологической безопасности.

Поэтому решение проблемы снижения материалоемкости ДК, повыпкмшя их надежности и долговечности при эксплуатации с помощью конструктивных методов в сочетании с рациональным применением экологически безопасных защитно-декоративных составов (ЗДС), позволяет сократить потребление древесины и снизить объемы лесозаготовок, что является актуальной природоохранной задачей.

Цель исследований обеспечить рациональное использование древесины в строительстве и снизить объемы лесозаготовок за счет использования несущих пространственных конструкций меньшей материалоемкости, повышенной долговечности и надежности благодаря примеиеншо новых конструктивных решений и экологически безопасных ЗДС при эксплуатации в сложных климатических условиях.

Для достижения указашюй цели были решены следующие задачи:

1. Разработана методика численных исследований тпряженно-деформировапного состояния (НДС) пространственных ДК, которая апробирована па примере математической модели ребристых и ребристо-кольцевых куполов с различными статико-геометрическими параметрами.

2. На основании анализа результатов исследований разработанной математической модели предложены конструктивные решения ребристых и ребристо-кольцевых куполов минимальной материалоемкости. . .

3. На основе анализа опыта применения соединений ДК, разработана новая конструкция их узлового соединения, обеспечивающая снижение деформативности, повьпнепие несущей способности, огнестойкости и эксплуатационной надежное™.

4. Разработана математическая модель работы ДКК, позволяющая оценить в количественных показателях влияние на их НДС различных видов защитных и декоративных покрытий при неременных температурпо -влажиостных условиях эксплуатации.

5. На основании результатов теоретических и экспериментальных исследований установлены причины возникновения и развития дефектов в защитных покрытиях и самих ДКК. Разработаны рекомендации по использованию ЗДС для цельных и клееных ДК, эксплуатируемых в сложных климатических условиях севера.

6. Определен природоохранный эффект (выражен в виде площади сохраняемых от вырубания лесов) за счет рационального конструирования ДК и увеличения их долговечности.

Научная новизна работы.

• На основе системного анализа результатов численных исследований по разработанной методике, разработаны принципиальные конструктивные решения ребристых и ребристо-кольцевых куполов, отвечающие критерию минимизации материалоемкости.

• Разработана новая конструкция узловою соединения деревянных элементов (A.C. №1807185), имеющая пониженную деформативность, повышенную огнестойкость и эксплуатационную надежность.

• Разработана и реализована математическая модель для определения влияния переменных температурпо влажиостных условий эксплуатации на НДС элементов ДКК с различными видами защитных и декоративных покрытий и без них.

• Результаты математического моделирования позволили определить физическую сущность явлений, происходящих в поверхностной зоне ДКК, эксплуатируемых в сложных температурно-влажностных условиях, оценив их не только качественно, но и в количественных показателях, на основе чего разработаны рекомендации по использованию защитных и декоративных составов для древесины.

Практическое значение результатов работы:

• разработанная автором методика компьютерных численных исследований позволяет оперативно оценивать при проектировании влияние изменения статико-геометричеешх параметров куполов па их НДС. Эта методика может быть использовала и для других видов пространственных и плоских конструкций;

• полученные автором зависимости НДС ребристых и ребристо-кольцевых куполов от основных видов силовых воздействий позволяют на начальной стадии проектирования выбрать рационалыгьш вариант конструкции, отвечающий критерию минимизации материалоемкости;

• разработанная новая конструкция и методика расчета узлового соединения (A.C. №1807185) перспективны для использования при проектировании различных видов ДК;

• результаты математического моделировании позволяют без проведения длительных и дорогостоящих экспериментальных исследований прогнозировать поведение и эксплуатационную надежность различных видов защитных и декоративных покрытий ДК при переменных температурно-влажностных воздействиях;

• рациональный выбор вида ЗДС с учетом его поведения в сложных условиях ссплуатации позволяет решить проблему повышения долговечности древесины в -роительстве;

» рез)'льтаты выполненных исследований использовагш в практике разработки эрмативно-техиической документации, проектирования строительных объектов, яггаврации и экспериментального строительства, а также в учебном процессе гроительного факультета ЛГТУ.

Апробация работы. Основные результаты работы были доложены:

- на Российско-Финском научно-техническом семинаре «Малоэтажное домостроение с римепйшем древесины в жилищном строительстве» (г. Архангельск, 1996 г.);

- на международной научно-технической конференции «Проблемы развития гроительного комплекса в условиях становления рыночных отношений» (г. Архангельск, ?97г.);

- на международной научно-техшиеской конферогции «Реконструкция и ремонт ¡алий и сооружении в климатических условиях Севера» (г. Архангельск, 1999 г.);

-на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ГТУ (г. Архангельск, 1991-1999 г.г.)

Публикации. По теме диссертации опубликовано 12 научных статей, включая 1 зторскос свидетельство на изобретение.

Структура и объем диссертации. Работа изложена па 188 страницах, включая 21 1блицу, 39 рисунков; состоит из введения, шести глав, основных выводов, заключения, тиска использованпых источников из 115 наименований, 6-ти приложений.

Леторзандацает:

Методику численных исследований НДС ребристых и ребристо-кольцевых куполов при зменении статико-геометрических параметров и их конструктивные решения минимальной атериалоемкости.

Новую конструкцию узлового соединения пониженной деформативности, повышенной есусцей способности, огнестойкости и эксплуатационной надежности.

Результаты экспериментальных и теоретических исследований по определению влияния зменения температурно- влажностных условий эксплуатации на состояние деревянных цементов с различными видами защитных и декоративных покрытий и без них.

Рекомендации по использованию защитных и декоративных составов для древесины онструкционного назначения, эксплуатируемой в сложных климатических условиях.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы исследований и оценено практическое иачение работы.

В первой главе изучено состояние вопроса в области обеспечения снижения йтериалоемкости и повышения долговечности и надежности ДК и ДКК в строительстве.

Результаты анализа показателей эксплуатируемых несущих ДКК (табл. 1) видетельствуют о том, что применение в строительстве пространственных конструкций замен плоских обеспечивает снижение расхода древесины для покрытий на 20-36%, а тали-до 50%.

Таблица 1

Технико-экономические показатели плоских и пространственных ДК пролетом 18 м.

Показатели Тип конструкции покрытия

Стержневой геодезический купол. Арки трехшарнирные кругового очертания. Рамы трехшарнирные гнугоклееные.

Материал несущих элементов. Клееная древесина Клееная древесина Клееная древесина

Вес покрытия, т 6.58 8.42 10.45

Перехрываемая площадь, м2 254 254 254

Вес 100 м2 покрытия, кг. 2590 3314 4114

Время на монтаж - бригада 5 чел, автокран АК-7Б, дн. 4,3 3,2 4,1 :

Трудоемкость монтажа 100 м: покрытия, чел/час. 76 51 64 -

Себестоимость монтажа 100 м2 покрытия, руб. 5669,3 2699 ■ 3458;3

Примечание: Показатели определены по СНиП №5-82, сб. ЕРЕР, сб. 10., индексов удорожания цен в строительстве на 1999 г.

Наибольшее распространите из пространственных ДК в современном строительств получили купола. Oini более экономичны и архитектурно выразительны. Применение клееной древесины позволило значительно увеличить типы и размеры конструкций. За счет применения ДКК высокой заводской готовности сокращаются сроки строительства. Использование клееной древесины позволяет значительно сократить потребление бетона, металла и других иезозобновляемых природных материалов. Древесина является едипствишым, сравнительно быстро возобновляемым п природе материалом, являющимся важным источником сырья для строительства и других отраслей.

Совершенствованием конструктивных решений ДК и теории расчета занимались такие отечественные исследователи, как Власов В.З., Лебедев В.Л., Липтшцкий М.Е., Лубо Л.Н., Пшеничнов Г.И., Ржаницин Л.Р., Сегаль Л И., Чудновский В.Г., Травуш В.И,, Заполь М.Ю., Ковальчук Л.М., Иванов Ю.М., Турковский С.Б. и др.

Исследованиям пространствешшх ДК й ДКК, в том числе с учетом особенностей работы их составных элементов и узлов соединений, посвящены работы Пятикрестовского К.П., Святозаровой Е.И., Орловича Р.Б., Серова E.H., Лившица Е.И., Лабудина Б.В., Щепетнпюй E.H., Гурьева АЛО. и других авторов.

Для определения зависимости материалоемкости от форм и размеров куполов различных конструкций был выполнен анализ отечествешюго н зарубежного опыта их проектирования и строительства. При этом установлена, что в большинстве случаев конструкции куполов имеют не самые рациональные решения с точки зрения материалоемкости. Это можно объяснить' тем, что при проектировании было рассмотрено ограниченное число вариантов, что экономически оправдано только в редких случаях строительства уникальных объектов. При серийном использовании куполов базовым показателем является низкая материалоемкость, которую можно достигнуть только в случае рассмотрения большого количества вариантов конструкций данного типа. Для этого требуется методика комплексного расчета и скстс-\шьгй анализ пространственных конструкций из древесины с целью минимизации их материалоемкости.

Узлы сопряжения являются важнейшими элементами пространственных ДК и определяют их эксплуатационную надежность. Изготовление большинства таких соединений основано на отверстиях и врезках, которые с^абля'от сучения повышают деформативность и инициируют разрушение.

В настоящее время достаточно широкое применение находят соединения на вклеенных стержнях, нагельных группах, металлических зубчатых пластинах (МЗП) и металлических круглых петровых шайбах (их изучали Слицкоухов Ю.В., Турковский С.Б., Миронов В.Г., Пискунов Ю.В. и др.). Анализ используемых конструктивных решений соединений деревянных элементов показал, что многие из них имеют такие недостатки, как низкая огнестойкость, высокая деформативпость. Поэтом)' необходимо совершенствовать конструктивные решения узлов сопряжения ДК.

Повышение сроков службы древесины п строительстве является важнейшей задачей. Недооценка роли мероприятий по защите древесины от биопоражения приводит к тому, что сроки службы объектов могут снизиться в 2-5 и более раз. С давних времен известны конструктивные методы повышения долговечности ДК, которые основаны на исключении увлажнения, обеспечении проветривания, благодаря чему некоторые памятники деревянного зодчества сохранились в течении сотен лет.

Однако, в условиях массового строительства без тщательного отбора древесины одних конструкционных мер для повышения долговечности ДК часто недостаточно. В этом случае

для защиты древесины от биолоражения широко используют специальные химически« препараты, которые наиболее эффективны в сочетании с конструктивными методами.

Наиболее сложно решать проблему' защиты ДК, к которым предъявляются повышенные требования с точки зрения эстетической выразительности. 'Градационно е качестве покрытий, выполняющих защитные и декоративные функции, используют такие лакокрасочные материалы (ЛКМ), как олифы, краски, иентафталевые лаки и т.п. При этом обеспечивается получите однородной, высокоукрывистой поверхности с равномерным опенком, обладающей требуемой гидрофобностыо, механической прочностью, а также определен!!!)!? стойкостью к действию ультрафиолетового облучения (УФО).

Для достижения высокой укрывистости необходимо, чтобы толщина пленки на поверхности древесины была достаточно большой, что обеспечиваем определенную защиту от действия атмосферных осадков (капельной влаги, паров), биологической инфекции и т.д. Толщина таких пленок достигает 80-100 мкм. Многие однослойные высокопигментированные покрытия из ЛКМ имеют поры диаметром ЮЛ.,10"" мм, что не ограничивает полноетыо миграцию газов и паров через покрытие в процессе эксплуатации. ' Полностью беспористое покрытие обычно достигается нанесением нескольких слоев ЛКМ.

Под слоем сплошного лакокрасочного покрытия (ЛКП) даже при небольшом нагревании поверхности изделий происходит значительное объемное расширение паров воды, содержащейся в норах древесины. Возникающее при этом давление может во много раз превысить атмосферное и привести к развитию разрушения покрытия с образованием мякротрещип и локальных деформаций. Через эти микротрещины происходит неравномерное увлажнение, вызывающее деформации древесины, вследствие чего интенсивность разрушения такого покрытия резко возрастает (Варфоломеев Ю.А.).

На основе анализа литературных данных и имеющегося опыта эксплуатации можно сделать вывод о том. что защитные покрытия на основе традиционных высокоукрывистых ЛКМ для древесины, эксплуатируемой в сложных температурно-влажностных условиях, являются недолговечными и недостаточно эффективными.

В настоящее время для древесины разработаны специальные ЗДС комплексного действия, отвечающие требованиям эстетичности, гидрофобности, стойкости к бкоразрушнтелям и УФО. ЗДС не образуют сплошной пленки на поверхности, а впитываются в древесину на глубину 1 ...4 мм, этим обеспечивается снижение интенсивности миграции водяных ларов, не исключая ее полностью. При этом поры древесины остаются преимущественно открытыми, что позволяет мигрировать водяным парам, без ущерба для защитных функций. При впитывании компонентов этих составов на поверхности ДК формируется оболочка в виде модифицированной древесины, обладающая высокой б.чостойкостыо, гидрофобностыо, повышенной прочностью и эластичностью.

В отличие от традиционно применяемых красок, при использовшщи ЗДС между волокнами древесины и связующими компонентами возникают связи, прочность которых обусловлена не только силами адгезия и когезяи, но и устойчивыми химическими свяхтми.

Рецептура, составы, технология применения и свойства ЗДС и их составных компонентов изложены в работах Варфодомеева Ю.Л., Щеголева Л.Т., Уханова А.Я., Чащиной Л.М., Поромовой 'Г.М. Однако, специфика работа ДК с таким!! покрытиями при переменных температурно влажностных условиях эксплуатации изучена недостаточно. Имеющиеся сведения по этому вопросу обычно получены экспериментально. Как правило, они описывают качественные изменения защитно-декоративных покрытий без их оцешш в

количестве! шых показателях. Это значительно затрудняет объективную оценку и прогнозировать свойств таких покрытий.

Во второй главе приведены методика и результаты численных исследований НДС ребристых и ребристо-кольцевых куполов при изменении основных статико-геометрических параметров. В соответствии с разработанной методикой определены: основные статико-геометрические параметры и виды нагрузок, влияющие па НДС, расчетные схемы, система подготовки данных с минимальным временем для большого 'тела расчетов, анализ результатов исследований. Численные исследования выполнены с использованием вычислительных комплексов «Лира» и «Мираж», базирующихся на методе конечных элементов (МКЭ). На основании анализа полученных результатов численных исследований предложены конструктивные решения ребристых и ребристо-кольцевых куполов, имеющие минимальный расход материалов.

Для сравнения при анализе результатов расчетов, исследовались купола с постоянным диаметром основания £>=!8 м, количество меридианальных ребер N=12. В данной работе исследовали изменение НДС для 3-х видов .куполов: ребристого (К=0), ребристо-кольцевого с одним поясом кольцевых элементов (К=1) й с двумя поясами (К=2) в зависимости от:

а) относительного размера верхнего кольца <Ю для ребристого и ребристо-кольцевых куполов;

б) относительной высоты купола НО для ребристого и ребристо-кольцевых куполов;

в) геометрии меридиональных ребер (71„ (отношение стрелы подъема меридианального ребра к его длине) для ребристого и ребристо-кольцевых куполов;

г) типа связей (треуголыго-подкосиых и крестовых) для ребристо-кольцевого купола;

д) количества связевых блоков Б для ребристо-кольцевого купола.

Для всех куполов исследования выполняли при следующих видах нагрузки:

а) равномерно-распрсдслснной нагрузке, интенсивностью КН/мг .по всей поверхности купола, характерной для постоянной и распределенной по поверхности снеговой нагрузки;

б) равномерно-распределенном нагрузке, интенсивностью с] 1 КН/м" на половине поверхности купола, характерной для длительно-действующей и снеговой нагрузки;

в) для нагрузки Р-Ю КН, сосредоточенной в вершине купола и распределенной по фонарному кольцу, характерной для постоянной нагрузки от фонаря верхнего света и длительно-действующей от осветительного или иного оборудования.

Всего было рассчитано более 100 вариантов куполов па все три вида нагрузки. Для отдельных куполов в некоторых случаях (при определении деформативности) принимали фактические нагрузки, соответствующие условиям г. Архангельска. Меридианальные ребра и кольцевые элементы выполнены из древесины, верхнее кольцо - из стального проката. Характеристики материалов приняты по нормам (СНиП).

В результате выполненных расчетов получены зависимости расчетных усилий и деформаций основных элементов куполов при изменении рассмотренных статико геометрических параметров и видов нагрузок. Отдельные результаты чнслсшгых исследований приведены па рис. 1-4.

Анализ результатов численных исследований показал:

„Не учет размеров верхнего кольца в расчете куполов приводит к серьезным погрешностям в определении усилий и допустим при отношении <Ю < 1/20, главным образом при выполнении приближенных расчетоз, а также на стадии выбора вариантов для проектирования.

^ шах ,

КН А

30

25

20

15 10

0 1/20 1/10

1/5

К-2 К = 1 k-.il

1/3 <Ш

шах

КН А

30

25

20

15 10

О 1/20 1/10 1/5

1/3 Л

а) б)

Рис. !. Максимальные продольные силы в меридиапалышх ребрах Кр,™у. при

изменении (Ш ребристых (КМ)) и ребристо-кольцевых (К=1; К-2) куполов с отношением Ш£)=Ш.

а) полное загружен! ¡с, б) загружение на половине купола.

а) б)

Рис. 2. Максимальные изгибающие моменты в меридиональных ребрах в плоскости ребра М^пшх ребристых (К = 0) и ребристо-кольцевых (К=1;К=2) и из плоскости М' при изменении <1/0 куполов с отношением Н/0=Ш. а) полное загружение; б) загружение на половине купола.

Рис. 3. Перемещения меридианальных ребер (ось У) по вертикали при крестовых и треуголыго-подкосных связях в трех секторах от фактической снеговой нагрузки ка половине купола.

Рис. 4. Перемещения меридианальных ребер по вертикали \Ух при изменении

количества свАзевЫх секторов Б от 0 до 12 от фактической снеговой нагрузки на половине купола

При увеличении относительных размеров верхнего кольца (Ю, загружение равномерно-распределенной нагрузкой на половине поверхности ребристых и ребристо-кольцевых куполов является расчетным для большинства вариантов. Относительный размер верхнего кольца сШ - 1/10 в этом случае будет рациональным.

" ' Увеличение относительной высоты ребристых и ребристо-кольцевых куполов обеспечивает снижение расчетных усилий в меридианальных ребрах и кольцевых элементах при вертикальных нагрузках, но при этом увеличиваются горизонтальные нагрузки

(ветровые) и усилия от их воздействия. Рациональным при этом следует считать отношение №¿>=1/4-1/3. . .

Изменение геометрических параметров меридиапалышх ребер приводит к изменению НДС куполов. По сравнению с куполами из прямолинейных элементов для ребристо-кольцевых куполов расчетные усилия снижаются незначительно при увеличении f/ln до 0.07. С учетом технологических возможностей рекомендуется относительная стрела подъема меридианальных ребер С1а = 0.05 - 0.01 или использование прямолинейных элементов.

Не учет связевых конструкций и их типа приводит к значительным погрешностям в оценке усилий и деформаций (вертикальных и горизонтальных). При этом наличие 3-4 связевых блоков с крестовыми связями является наиболее рациональным.

Установка поясов кольцевых элементов переводит ребристые купола в ребристо-кольцевые и, в основном, снижает расчетные усилия в элементах.

В третьей главе приведены новая конструкция соединения деревянных элементов и методика ее расчета.

Новая конструкция соединения элементов ДК и ДКК (A.C. Из 1807185) позволяет избежать основных недостатков, сохранив все ценное, что накоплено опытом проектирования узловых соединений. Основными элементам! ее являются стальные волнистые зубчатые шайбы (КСВЗШ), приклеиваемые к поверхности деревшшых соединяемых элементов. Размещение металлических деталей в деревянных элементах повышает огнестойкость соединения (рис. 5.).

Несущая способность соединения определяется по несущей способности одного "среза":

(1)

где: То, - несущая способность одного "среза", КН, (!„, - диаметр шайбы, см;

кг- коэффициент, учитывающий кривизну поверхности шайбы:

Ч1 * (тг-) (2)

здесь: п - коли честно волн в КСВЗШ;

Г- стрела полуволны, см;

к,. - коэффициент, учитывающий эксцентриситет:

(3)

здесь: с - эксцентриситет между внешним усилием и КСВЗШ, см.

ка - коэффициент, учитывающий а - угол между направлением вектора внешних усилий но отношению к волокнам древесины:

___ (4)

О + о зз 'а)

Проверка на смятие по металлу выполняется в соответствии с действующими нормами. Проверку болта на изгиб, а также на сжатие древесины в гнезде выполнять не следует. Разработанное узловое соединение имеет несущую способность на 33-43% больше, чем у наиболее распространенных соединений с шайбами такого же назначения и диаметра и повышенную огнестойкость, а следовательно и более высокую надежность.

Рис. 5. Общий вид новой конструкции соединения деревянных элементов.

1 пояс 2 раскос 3-пласти элементов 4-стальной сердечник 5-стяжпой болт 6-шпонка (КСВЗШ) 7-гофры (КСВЗШ) 8-отверстие под болт 9-желоб на пласти 10-прижимные шайбы 11 -внутренняя шайба.

Четвертая глава посвящена исследованию эксплуатационных свойств защитных и декоративных покрытой ДК.

Оценка эксплуатационных свойств защитных и декоративных покрытий включает в себя оценку их биоактивнсстн, которая производится по результатам испытаний на действие плесневых, деревоокрашивающих и дереворазрушающих грибов, а так же комплексную оценку состояния поверхности после длительной эксплуатации при непосредственном воздействии окружающей среды. Методика комплексной оценки разработала «Лабораторией защиты древесины ЦНИИМОД». По данной методике состояние поверхности обсбщешю оценивают по декоративным и защитным показателям обобщенной оценки "Д" и "3" соответственно.

Результаты выполненных лабораторных и полигонных исследований свидетельствуют о том, что через 30 суток выдержки во влажных условиях стойкость древесины, обработанной ЗДС, к одновременному воздействию нескольких различных видов плесневых и деревоокрашивающих грибов, наиболее распространенных в нашей стране, в 10-11 раза выше по сравнению с необработанной поверхностью древесины, а через 50 суток выше в 12 раз. Стойкость древесины, обработанной ЗДС, к воздействию дереворазрушающих грибов через 150 суток выдержки во влажных условиях в 8-12 раза выше по сравнению с необработанной поверхностью древесины.

По результатам экспериментальных исследований можно сделать вывод:

Отечественные и зарубежные защитные составы обеспечивают на требуемом, для надежной эксплуатации, уровне защиту по отношению к наиболее распространенным в природе на севере европейской части России грибам. Эффективность применения того или иного покрытия при практически одинаковых защитных свойствах будет в конечном итоге определяться сохранением во времени этих свойств при различных температурно-влажиостных условиях эксплуатации и их изменениях. Дня этого требуется проводить лабораторные и натурные исследования, требующее длительного времени, являющиеся достаточно трудоемким и дорогостоящими.

Использование современной вычислительной техники и программных средств позволяет создать математическую модель деревянных элементов, в том числе и клееных, с различными типами защитных покрытий. Оценка влияния изменения условий эксплуатации и надежность покрытий определяется по НДС древесины, клеевых прослоек и самих покрытий при различных внешних воздействиях. Результаты математического моделирования позволяют без проведения длительных экспериментальных исследований прогнозировать поведение и эксплуатационную надежность различных видов защитных и декоративных покрытий при переменных температурно-влажностных воздействиях.

Математическая модель реализована с использованием вычислительного комплекса «Мираж». Использование функции повторов во много раз (в 10 25 раз) снижают объем вводимых исходных данных. Для исследований НДС деревянных клееных элементов с различными видами защитных покрытий при изменении температурно-влажностных условий эксплуатации были разработаны три варианта математической модели.

Модель Г - сечение без покрытия -" Блок - 0 " '

Модель 11 - сечение с ЛКП - "Блок - ЛКП"

Модель Ш - сечение с поверхностью, обработанной ЗДС - "Блок - ЗДС".

Все варианты имеют регулярные структуры.

Модель 1 является базовым вариантом для других, т.к. размеры всего сечения, координаты узлов, положите и количество конечных элементов (КЭ), описывающих древесину и клеевые прослойки, а также деформативные характеристики древесины и клеевых прослоек одинаковы для всех вариантов. Это позволяет производить сравнение НДС при одинаковых внешних воздействиях и значительно уменьшает трудоемкость при подготовке и вводе исходных данных для расчетов.

Для устранения масштабного фактора размеры сечения приняты реальные, которые характерны для несущих элементов пространственных конструкций, - высота h=240 мм, ширина b '120 мм, толщина склеенных слоев 5 -30 мм.

Модель II и Модель III имеют дополнительное количество КЭ, которые описывают защитное покрытие, расположенное но контуру сечения элемента.

Описанные варианты математической модели отличаются друг от друга деформативными характеристиками КЭ покрытий и влиянием на них изменения температурно-влажностных условий эксплуатации. В задаваемых диапазонах температуры и влажности значения модулей упругости приняты постоянными в связи с тем, что влияние указанных факторов незначительно. Внешние воздействия, вызванные неблагоприятными изменениями условий эксплуатации, задаются соответствующими видами загружений, учитывающими свойства сечения из клееной древесины, в том числе и анизотропию.

Загружепие 1. Для всех вариантов модели предусмотрено увеличение влажности окружающей среды, вызывающей увеличение влажности незащищенной поверхности древесины, на 20%.

Экспериментально установлено, что при начальной влажности 10% влажность поверхностного слоя открытой древесины при увлажнении достигает 30%, увлажнение поверхности древесины, обработанной ЗДС, происходит в среднем па 8%, а поверхности, обработанной ЛКМ, - на 0 - 2%, с учетом неоднородности покрытия, различной влажности древесины, миграции водяных паров (хотя и достаточно малой по величине). Изменение влажности древесипы по сечению принято линейным па глубину 30 мм от поверхности и уменьшается к его средней части, где влажность остается неизменной, что учтено соответствующими размерами Ю. Влияние защитных покрытой выражается в том, что поверхностный слой древесины при тех же условиях эксплуатации имеет меньшую влажность.

Изменение влажности в использованном вычислительном комплексе не предусмотрено и для данной модели учитывается введением величины эквивалентного изменения температуры ДТГ для КЭ горизонтального направления (в глубину сечения) и вдоль поверхности АТ„.

Рассмотренные варианты математической модели позволяют учесть различные величины коэффициентов разбухания и усушки древесины в радиальном и тангенциальном направлениях путем задания соответствующей откорректированной эквивалентной АТ.

По ориентации годовых колец древесины в слоях в принятой расчетной схеме вертикальное направление считается тангенциальным, а горизонтальное - радиальным.

Коэффициент разбухания в тангенциальном направлении - Кр'~0,31%, радиальном -Крг=0Л8% для сосны обыкновенной приняты до справочным данным. Соответственно определены эквивалентные ДТ: >

ДТ=Д\У- (К„- 10 "2) / (12-10"6) (5)

Клеевые прослойки и покрытие при расчетном диапазоне изменения влажности (увлажнении) не разбухают.

Загружст1е_2. Для всех вариантов математической модели предусмотрено уменьшение влажности, вызывающее усушку древесины по незащищенной поверхности на 5%. Закономерность изменения влажности по сечению принята так же прямолинейной, на глубину 30 мм. Согласно экспериментальным данным уменьшение влажности древесины в поверхностной зоне, обработанной ЗСД, происходит па 2%, а обработанной ЛКМ - па 0.5% (что обусловлено практически полным отсутствием миграции влажности через ЛКП). Коэффициенты усушки определяют по коэффициенту разбухания (принимая предел насыщения волокон \¥т=30%):

Ку-100-КД100+30-Кр) (6)

Тогда коэффициент усушки определяют:

в тангенциальном направлен™ - К/ = 100 0.31/(100+30 0.31) 0.28%; в радиальном направлении - К/ = 100 0.18/( 100+30-0.18)=0.17%. По ДУ/ и Ку определяются вводимые в расчет эквивалентные ДТ. Клеевые прослойки и защитное покрытие при этом не усы хают.

3§ШШё[Шв.З. Для всех вариантов модели предусмотрено увеличение температуры по поверхности на 30 °С с одной стороны. Изменение температуры по сечению принято на глубину 30 мм, кратную размеру Ю. Коэффициенты температурного расширения в задаваемом интервале изменения температуры приняты постоянными: для древесины в

тангенциальном направлении - ая'~31,3-*10 ~6, в радиальном - а,'=31.3-*10 Коэффициент температурного расширения клеевой прослойки а/=7-* 10"5. Для слоя древесины по поверхности, пропитанной ЗДС, - аз=35-*10 а для слоя ЛКП - ал=7.24-*10 "5

Загружешге 4. Для всех моделей аналогично загружению 1, но увеличешге влажности происходит с одной стороны.

Загружение 5 - только для модели 2 ("Блок - ЛКП"). Моделируется местное увлажнение поверхности в зоне локального повреждения покрытия (трещины в слое ЛКП) на глубину 30 мм и в стороны на 30 мм от точки проникновения влаги. Локальное распределение увлажнения по сечению в зоне трещины принято с максимальным увеличением влажности Д\У=20% у поверхности в точке проникновения влаги. Величины эквивалентной нагрузки для местного увлажнения в тангенциальном и радиальном направлениях принимаются в соответствии с данными для загружепия 1 модели 1. * " '!

За1.руже.1 гис.6 . только для модели 2. Моделируется увеличение внутреннего давления водяных паров внутри конструкции при условии отсутствия их миграции через ЛКП. Превышение внутреннего давления водяных паров в древесине, например, при увеличении температуры в рассмотренном диапазоне, принято равным 0,1 МПа, давление передается на покрытие, соединенное с древесиной и клеевыми прослойками.

В результате исследований математической модели определены наибольшие по величине нормальные напряжешь при всех заданных загружениях в КЭ клеевых прослоек и в элементах защитных покрытий (ЛКП и поверхностной зоны древесины, обработанной ЗДС). При этом рассмотрены крайние и средняя зоны сечения. Разбивка на зоны выполнена с учетом рекомендаций СНиП по размещению древесины разного качества по сечению элементов, работающих с изгибом. Отдельные результаты математического моделирования при рассмотренных воздействиях приведены на рис.6-7.

Как видно из рис. 6-7, наличие защитных покрытий существешю снижает величины максимальных напряжений, возникающих в клеевых прослойках при изменении температуры и влажности. В элементах, обработанных ЗДС, внутрешше напряжения в клеевых прослойках в 1,5-2 раза ниже, чем в элементах без покрытий, а суммарные напряжения от неблагоприятного сочетания воздействий непосредственно в поверхностных зонах покрытий - в 1,3-5 раз ниже, чем р традиционных ЛКП с учетом загружений 5 и 6.

Напряжения сжатия в клеевых прослойках отрицательного, знака при загружении 3 (одностороннее повышение температуры) объясняются более высоким (примерно, в 1 раза) коэффициентом температурного расширения клеевых прослоек по сравнению с древесиной.

Полученные результаты математического моделирования подтверждаются опытом эксплуатации ДК с различными видами защитных и декоративных покрытий. Экспериментальные исследования ЗДС при длительной эксплуатации ДК выполняли на опытной конструкции стержневого сферического купола диаметром 18 м, расположенного на территории Соломбальского района в г. Архангельске. Купол построен в 1989 г и эксплуатируется в качестве складского помещения в неотапливаемом варианте. Температурно-влажностный режим эксплуатации деревянных элементов, размещенных внутри купола, контролировали в разное время года в течение 10 лет. Наибольшие контролируемые изменения температуры составили от -25°С до +35°, влажности - от 60% до 85%., что вызывало увеличение влажности поверхностного слоя незащищенных деревянных элементов до 29%, а элементов, покрытых ЗДС, - до 17%. Начальная влажность деревянных элементов составляла 10-12%.

□ 0 (без обработай)

ИЛКП

□ ЗДС

II М а П п а Р

я ж е н и

3 4

I Точера загружена

Рис.6 Максимальные нормальные напряжения в клеевых прослойках (средняя зона).

ИЛКП

□ ЗДС

И М а П

п а

Р я ж

2 3 4

Номера загружений

Рис.7. Максимальные нормальные напряжения в элементах защитных покрытий (средняя зона сечения).

Анализ результатов длительных исследований показал, что после !0 лет эксплуатации внутри неотапливаемого здания состояние древесины, обработанной ЗДС, по всем

показателям классифицируется, как хорошее. Показатели "Д" и "3" незащищенной древесины ниже в 1,7 - 1,77 и в 1,14 - 1,28 раза соответственно, а состояние поверхности оценивается, как удовлетворительное.

Результаты выполненных исследований свидетельствует об эффективности применения ЗДС в тех случаях, когда эксплуатирующиеся конструкции непосредствешю подвержены воздействию атмосферных осадков, а при этом надо обеспечить устойчивость от увлажнения и сохранение красивого внешнего вида на длительный период времени.

Пятая глава посвящена внедрению результатов выполненных исследований.

- Результаты экспериментальных и теоретических исследований эксплуатационных свойств защитно-декоративных покрытий при изменении влажности и температуры использованы «Лабораторией защиты древесины ЦНИИМОД» при разработке «Инструкции по применению защитно-декоративных препаратов для древесины», которая согласована с ЦНИИСК им. В.А.Кучсренко, ОАО "Ссверолесоэкспорт".

- Архангельский институт по проектированию лесопильных и деревообрабатывающих предприятий «Архгипродрев» использовал разработанную методику численных исследований НДС 1гростраиственпы.х конструкций при выборе вариантов проектных решений несущих ДК. При обосновании выбора вида защитных покрытий ДК в сложных климатических условиях «Архгипродрев» использует результаты математического моделирования для определения влияния изменения температурно-влажностных условий эксплуатации строительного объекта на состояние деревянных элементов с различными видами покрытий. Федеральное государственное унитарное предприятие по капитальному строительству и проектированию «Инвсстстройлроекг» использовал методику численных исследований для определения НДС пространственных конструкций при выборе проектных peineiniii несущих конструкций для объектов Архангельской области.

- Апробация в экспериментальном строительстве и реставрации. Отдельно стоящее здание площадью 256 м2 с экспериментальным купольным покрытием из ДКК с гарантированным уровнем долговечности за счет применения ЗДС на алкидной основе успешно эксплуатируется в г. Архангельске для хранения оборудования и материалов. По результатам длительных наблюдений в течении 10 лет состояние несущих ДК и ДКК, обработанных ЗДС, классифицируется как хорошее, конструкции не имеют повреждений и дефектов, приобретенных в результате эксплуатации.

- Методика и исходные данные математического моделирования для определения влияния изменения температурно-влажностных условий эксплуатации на деформации ДК прошли апробацию в практике реставрации. Этот опыт освещен в научно-исследовательской работе но хозяйственно-договорной теме «Инженерная реставрация Почезерского ансамбля в д. Филиповская КГ1Щ» (научно-технический отчет по теме № 726, Гос. Per. № 01.960.009287,1996 г.) ,

- В практике дипломного проектирования строительного факультета АГГУ используется разработанная методика численных исследований НДС пространствештых конструкций при выборе вариантов несущих конструкций и конструктивные решети ребристых и ребристо-кольцевых куполов минимальной материалоемкости.

В шестой главе приведены расчеты экономической эффективности и природоохранного эффекта от реализации результатов выполиешюй работы.

Экономический эффект от применения конструкций меньшей материалоемкости, повышенной долговечности и улучшенных эксплуатационных качеств без изменения прочностных свойств материалов рассчитывали по методике, изложенной в «Инструкции по

определению экономической эффективности в строительстве новой техники, изобретений и рационализаторских предложений». Расчет годового экономического эффекта при этом в общем виде производится по выражению:

Х(3,+ Зс1)*ф+-Э,-(32+Зс2))*Лг ,. (7)

Где: 3] , Зт приведенные затраты на изготовление, или заводская отпускная стоимость единицы измерения базовой и новой продукции,

Зси, 3,2 - приведенные затраты на возведение или стоимость возведения единицы измерения базовой и повой продукции,

Ф - коэффициент изменения срока службы новой конструкции по сравнению с базовым вариантом, определяется по выражению:

фКР.+Е^ТРг+Н,,) (8)

где Р) и 1'2 - доли в сметной стоимости конструкций по сравниваемым вариантам в зависимости от срока службы конструкций, Е„ - - нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений о расчете па 1 год их службы. Перечисленные показатели принимаются по данным Приложения 2, указанной инструкции.

Э., - экономия в сфере эксплуатации конструкций, определяется по выражению: Э.Н№гИ2)-ШгК'0У(Рг4Е*) (9)

где И; и И? - годовые издержки, К% и - сопутствующие капитальные вложения в сфере эксплуатации по сравниваемым вариантам в расчете па 1 год их эксплуатации.

А2 годовой объем работ с применением новых конструкций в натуральном виде. Расчет экономической эффективности от внедрения результатов исследований с использованием приведенной методики производили при А;=1, т. е. на 100 м2 перекрываемой площади здания для условий г. Архангельска. Среднестатистическая рыночная стоимость 1 м" несущих ДКК высотой сечения до 50 см составляет 6750 руб. ( в ценах 1999 г.).

Экономический эффект от применения прострзпствеммх купольных конструкций. Использование пространственных несудак ДКК, по сравнению с плоскими, позволят снизить расход древесины да 20-36% или на 1,6-2,9 м3, что в среднем составляет 2,25 м3 на 100 м" перекрываемой площади. Для сравнения использовали технико-экономическим показатели купола и плоских конструкций пролетами 18 м, приведенные в табл. 1. Приняв для данного расчета:

9=1 срок службы новой пространственной конструкции по сравпениго с базовым плоским вариантом ие изменяется;

Э.,~ 0 эксплуатационные затраты одинаковы и в расчете не учитываются; 3„1=(2699+3458,3)/2=3078,7 руб., 3,.,-5669,3 руб. - средняя стоимость возведения единицы измерения (100 м2) базовой и новой конструкции соответственно (табл. ?.). С учетом всех показателей:

Э-'((3,+ 3С,)>+Э,-(32+ Зс2))*Л2-12596,9 руб. на 100 м2

Экономический эффект от совершенствования конструкций купольных покрытий. Разработанные в настоящей работе конструктивные решения купольных покрытий обеспечивают снижение общего расхода ДКК на 12-28% (или в средней на 1,0 м3) из расчета на 100 м2 перекрываемой площади.

Используя приведенную методику (выражение 7) и приняв для рассматриваемых куполов:

ср=1 - срок службы ие изменяется,

Э,-0 -эксплуатационные затраты одинаковы и в расчете не учитываются.

¿ стоимость возведения при одинаковом количестве и трудоемкости элементов несущих конструкций не изменяется,

С учетом всех показателей:

3=1(3,+ 3„1)*ф+Ээ-(32+ Зс2))*А2=6750 руб. на 100 м2 "

Экономический эффект от увеличения долговечности при использовании ЗЯС.

Использование ЗДС взамен традиционных ЛКМ повышает долговечность ДК, эксплуатирующихся в сложных темнературно-влажностных условиях с 50 до 80- лет. Расход клееной древесины на изготовление несущих конструкций составляет 4,31-5,18 м3 из расчета та 100 м2 перекрываемой площади. Экономия клееной древесины при увеличении срока службы несущих конструкций на 100 м2 перекрываемой плошади из расчета на 1 год составит в среднем - ((4,31+5,18)/2)4((80-50)/'80)=1,78 м3.

При использовании ЗДС сштжаются эксплуатационные расходы на восстановление защитных покрытий и выполнение ремонта. Взамен 16 технологических операций, практикуемых при улучшенной отделке строительных ДК с помощью традиционных Л КМ,- в случае применения ЗДС остается только 6. При выполнении ремонта после продолжительной эксплуатации не требуются трудоемкие и дорогостоящие операции по механическому удалению отслоившихся покрытий из традиционных ЛКМ с поверхности конструкций.

Периодичность' ремонта улучшенных покрытий, эксплуатируемых при пепосредствешюм воздействии УФО, переменных температурио-влажностпых условий, в т.ч. капельной влаги, из традиционных красок, лаков, - один раз в 3 года, а ЗДС в 8 лет.

Приведенные затраты на материалы и выполнение работ для ! М2 улучшенного покрытия составляют 35,2 и 26,4 руб. для традиционного лака и ЗДС соответственно. При расходе клееной древесины 4,3 ¡-5,18 м! на ¡00 м для несущих элементов пространственных ДКК с размерами сечения 0,36X0,12 м, обрабатываемая площадь поверхности этих элементов в среднем составляет 105,7 м2 на 100 м2 перекрываемой плошади.

Используя так же приведенную методику (выражение 7) и приняв для рассматриваемых куполов:

3, -35 2*105,7-3720,6 руб., 32=26,4*105,7=2790.5 руб.;

Ч>=(Р 1+Е„У(Р2+Е11'Н), 15086/0,15=1,007 - при сроках службы Ть.,=50 лет и Trt=S0 лет для базовой и новой конструкций соответственно;

Э,=((И|-И3)-Е„(К'2-К' |))/(Р>!-Е,,=5912,7 руб.; " где: И,=3,./т,=3720,6/3=1240,2 руб. и И2=3,/т2-2790,5/8=348,8 руб. при межремонтных сроках t¡=3 года и т2=& лет, К'2-К'г - сопутствующие капитальные вложения в сфере эксплуатации по сравниваемым вариантам в расчете на 1 год их эксплуатации не изменяется;

стоимость возведения при одинаковом количестве и трудоемкости монтажа элементов несущих конструкций не изменяется.

С учетом всех показателей:

3=((3¡ f 3С1)*Ч'+Э1-(32 f Зг2))*А2=6898,8 руб. па 100 м3 перекрываемой площади.

Природоохранный эффект от внедрения результатов исследований.

Экономию хвойного пиловочного сырья при изготовлении ДКК определяли из выражения;

Эл=К)*Кг*Эл (10)

где: ЭА - объем экономии ДКК, м3,

К) - коэффициент, учитывающий выход обрезных пиломатериалов из хвойного пиловочного сырья;

К2 - коэффициент, учитывающий выход ДКК из обрезных пиломатериалов.

Расчет площади сохраняемых лесов выполняли из условия экономии хвойного пиловочного сырья при изготовлении конструкций и их эксплуатации, используя выражение:

П=(К,*К4*Эп)/Д (11)

где: Д — общий объем древесины с 1 га леса, м3;

1С3 - коэффициент, учитывающий выход деловой древесины из общего ее объема;

К4 - коэффициент, учитывающий выход пиловочника из деловой древесины.

Экономия ДКК из расчета на 100 м2 перекрываемой площади за 1 расчетный год в среднем составляет 5,03 и3, в том числе:

- За счет применения пространственных купольных покрытий взамен плоских - 2,25м3;

- За счет совершенствования конструкций купольных покрытий - 1,0м3;

- За счет увеличения долговечности конструкций - 1,7а м".

Анализ результатов производственной деятельности лесопильно-деревообрабатывающих предприятий г. Архангельска (ЛДК-4, Лесозавод-12, ЛДК-3 Лесозавод-2) за 1997-1998 г.г. показал, что фактический суммарный выход всех обрезных пиломатериалов из пиловочника составляет .50%, а на 1 м3 ДКК средний расход пиломатериалов составил 1,68 м3.

С учетом приведенных данных: К[—1/0,5=2; Кг=1,б8

Экономию хвойного пиловочного сырья при экономии 1 м3 ДКК определили из выражения: . ■>.

. Эп=К,*К2*Эл= 2*1,68*1=3,36 м3. (12)

С 1 га леса в Архангельской области получают в среднем 110 м3 древесины, а из нее деловой - 80-85%, что составляет в среднем 82,5%. Из деловой древесины получают 50% пиловочника.

С учетом этого: Д=110 м3; К3=1/0,852=1,17; КА=1/0,5=2.

Расчет площади сохраняемых лесов выполнили по экономии пиловочного сырья при изго товлении и эксплуатации 1 м'ДКК из выражения:

ГИК3*К4*Эп)/Д = 0,071 га.

Экономия 1000 м3 клееной древесины в строительстве позволяет сохранить в среднем от вырубания 71 га леса.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Применение в строительстве пространственных конструкций взамен плоских обеспечивает снижение расхода древесины для покрытий на 20-36% (1,6-2,9 м3 на 100 м2 перекрываемой площади).

2. Исследования разработанной математической модели куполов показали, что минимальную материалоемкость имеют ребристые и ребристо-кольцевые купола из элементов прямолинейных, или имеющих стрелу выгиба меридианальных ребер 6'10^0.07, при высоте купола Н=(1/4-1/3)0 и диаметре верхнего кольца (1^(1/10)15. Благодаря этому достигается уменьшение расхода цельной и клееной древесины на 8-21% - для меридианальных ребер и па 25-280% - для кольцевых элементов, а общий расход - па 1228%, что составляет 0,6-1,4 м3 на 100 м2 перекрываемой площади.

3. Крестовый связи достаточно установить в трех или четырех секторах куполов. Это обеспечивает требуемую пространственную жесткость ребристых и ребристо-кольцевых куполов, а также снижение расхода древесины и крепежа на связи и их монтаж по сравнению С ТреуГШГЬНО-ГГОД1СОС7ГЫМИ связями.

4. Изобретенная конструкция соединения деревянных элементов на основе использования коннекторов со специальными зубьями, типами и прижимной шайбой

(A.C¡. .№1807185) обеспечивает повышение огнестойкости и несущей способности (на 3343%) по сравнению с традиционными соединениями на основе шайб аналогичного назначения и диаметра. Благодаря этому снижается вероятность отказа соединений, повышается долговечность и надежность деревянных пространственных покрытий.

5. Экспериментально установлено, что при обработке древесины специальным! экологически безопасными ЗДС многофункционального назначения на поверхности образуется пигментированный шм бесцветный слой модифицированной древесины толщиной 2-4 мм с повышенной прочностью, устойчивостью к УФО, который ограничивает миграцию водных паров в древесине, но не исключает ее полностью. Гидрофобность древесины, обработанной ЗДС, в 1,34-1^87 раза выше, чем необработанной, а биостойкость -соответственно в 2,7-32,4 раза выше. После 10 лет эксплуатации внутри неотапливаемого здания состояние древесины, обработашюй, ЗДС, по всем интаральным показателям классифицируется, как хорошее, а необработшшой удовлетворительное, при этом декоративные и защитные показатели ниже в 1,7 - 1,77 и в 1,14 - 1,28 раза соответственно.

6. При использовании ЗДС напряжения в клеевых швах ДКК снижаются в 1,5-2 раза по сравнению с аналогичными незащищенными конструкциями, а напряжения непосредственно в поверхностном слое древесины, пропитанной ЗДС, в 1,3-5 раз 1шже, чем в слое традиционного ЛКП, который не впитывается в древесину, а образует жесткий слой на поверхности, полностью исключающий миграцию паров. Это обеспечивает сохранение целостности чащитно-дскоративного покрытия и повышает эксплуатационную надежность конструкций.

7. Результаты исследований использованы в «Инструкции по применению защитно-декоративных препаратов для древесины», в практике проектирования «Дрхгипродрев» и «Инвестстройпроект», при экспериментальном строительстве в Соломбальском районе г. Архангельска здания с куполом из ДКК площадью 256 и" , при реставрации Почезерского ансамбля в д. Филиповская КП U Í, в учебном процессе строительного факультета АГТУ при дипломном проектировании.

8. Экономический эффект от применения исследований формируется за счет снижения материалоемкости и повышения долговечности несущих ДКК. Расчетный годовой эффект на 100 м2 перекрываемой площади в среднем составляет.

- от применения пространственных конструкций взамен плоских - ¡2596,9 руб.,

- от совершенствования конструкций куТюлов-6750 руб., ¿

от увеличения долговечности древесины при использовании экологически безопасных ЗДС-6898,8 руб.

9. Общая удельная годовая экономия клееной древесины за счет совершенствования пространственных конструкций купольных покрытий с повышенной долговечностью составляет 5,03 м3 при расчете на 100 м2 перекрываемой площади, что сохраняет от вырубания 0,36 га леса в год.

Основные наложения диссертации опубликованы:

1. Лабудин Б.В., Вешняков А.В. Влияние статико-геометрических параметров на материалоемкость пространственных деревянных копструкций.Шроблемы развития строительного комплекса в условиях становления рыночных отношений: Тр. межд. науч,-техн. копф. 26-27 июня 1997 г. - Архангельск, 1997. - с.32-34.

2. Варфоломеев Ю.А., Вешняков А.В. Совсршенствовшше конструктивных решений деревянпых клееных элементов для пространственных конструкций. Архангельск, 1996. - Зс. - (Информ. листок/ЦНТИ; № 155-96).

3. Вешняков A.B. Оптимизации материалоемкости деревянных пространственных конструкций методом вариантного проектирования. Архангельск, 1996. -Зс. - (Ипформ. листок /ЦНТИ; № 207-96).

4. Варфоломеев Ю.А., Вешняков A.B. Математическое моделирование эксплуатационных воздействий на элементы деревяпных пространственных конструкций с защитными и декоративными покрытиями различных типов.Шроблемы развития строительного комплекса в условиях становления рыночных отношений: Тр. межд. науч-техп. конф. 26-27 июня 1997г. - Архангельск, 1997. - с.9-11.

5. Варфоломеев Ю.А., Вешняков A.B. Математическое моделирование эксплуатационных воздействий на защитно-декоративные покрытия деревянных клееных конструкций. Архангельск, 1997. -Зс. (Ипформ. листок /ЦНТИ; № 37-97).

6. Шаповалова Л.Г., Лабудип Б.В., Вешняков A.B. Деформация деревянных срубпых сооружений при зксплуатации/УМежвуз. темат. сб. тр./СПбГАСУ. - СПб, 1994. -Совершенствование и расчет строит. Конструкций из дерева и пластмасс. - с.56-61.

7. Деформации высоких деревянных сооружений при изменении влажности. /Л.Г. Шаповалова, Ю.А. Варфоломеев, В.В. Лабудин, A.B. Вешняков //Изв. вузов. Лесп. журп. -1994. -№ 5-6 -с.165-171.

8. Шаповалова Л.Г., Вешняков A.B. Дощатая обшивка - фактор длительной сохранности объектов деревянного зодчества. // Межвуз. сб. науч. тр./ПГУ. - Петрозаводск, 1998. - Народное зодчество - с.273-279.

9. Вешняков Л.В., Шаповалова Л.Г. Математическое моделирование в практике ремопта и реставрации деревянных сооружений. //Реконструкция и ремонт зданий и сооружений в климатических условиях Севера: Тр. междун. науч.-техн. конф. 24-25 июня 1999 г. Архангельск, 1999. - с. 111-115.

Ю.Варфоломеев Ю.А., Вешняков A.B. Эксплуатационные свойства защитных и декоративных покрытий деревянных конструкций. Архангельск, 1996. - 2с. - (Ипформ. листок ЛЦ ГГИ; № 156-96).

11. Новое узловое соединение стержней для деревянных песущих конструкций. / Б.В. Лабудин, A.B. Вешняков, В.Д. Попов, В.В. Яковлев //Изв. вузов. Леси. жури. - 1992. - Лга4 -с. 108-112.

12.Л.С. 1807185, МКИ Е 04 В 1/38. Узловое соединение стержней деревянных несущих конструкций. /Б.В. Лабудин, В.Д. Попов, В.В. Яковлев, A.B. Вешняков. -№4930924/33; Заявл. 23.04.91; Опубл. 07.04.1993, Бюл. № 13.

Отзывы на автореферат в 2-х экземплярах с подписями, заверенными гербовой печатью, направлять по адресу: 163007, г. Архангельск, наб. Сев. Двины, 17, АГТУ, диссертационный Совет Д 064.60.01.

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Вешняков, Александр Викторович

ВВЕДЕНИЕ.

1.СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ.

1. 1.Деревянные пространственные конструкции. .13 1. 2.Соединения элементов деревянных конструкций.

1.3.Опыт применения защитных и декоративных покрытий.

1. 4.Цель и задачи исследований.

2.СНИЖЕНИЕ МАТЕРИАЛОЕМКОСТИ РЕБРИСТЫХ И РЕБРИСТО-КОЛЬЦЕВЫХ КУПОЛОВ.

2.1.Направление численных исследований ребристых и ребристо-кольцевых куполов.

2.2.Влияние относительных размеров на распределение максимальных усилий в элементах.*.

2.2.1.Влияние верхнего кольца.

2 .2 .2. Влияние относительной высоты.

2.3.Влияние геометрических параметров меридиональных ребер на распределение максимальных усилий в элементах.

2.3.1. Исходные данные.

2.3.2.Купол с двумя гранями меридионального ребра.

2.3.3.Купол с тремя гранями меридионального ребра.

2.4.Влияние типа связей и количества связевых блоков на распределение усилий и общие деформации.

2.4.1.Значение связей для пространственных конструкций.

2.4.2.Влияние различных типов связей на распределение усилий и общие деформации.

2.4.3. Влияние количества связевых блоков на НДС ребристого купола.

2.5. Выводы.

3.СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ РЕШЕНИЙ СОЕДИНЕНИЙ ДЕРЕВЯННЫХ НЕСУЩИХ КОНСТРУКЦИЙ.

3.1. Основные предпосылки.

3.2.Новое узловое соединение деревянных несущих конструкций.

3.3 .Выводы.

4.ИССЛЕДОВАНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ ЗАЩИТНЫХ И ДЕКОРАТИВНЫХ ПОКРЫТИЙ ДЕРЕВЯННЫХ КОНСТРУКЦИЙ.

4.1.Биоактивность и защитные свойства защитно-декоративных покрытий.

4.1.1.Испытания по определению стойкости к деревоокрашивающим и плесневым грибам.

4.1.2.Испытания по определению стойкости к дере в ©разрушающим грибам.

4.1. 3. Испытания на гидрофобность.

4.1.4.Комплексная оценка состояния поверхности после длительной эксплуатации.

4.2.Математическое моделирование напряженно-деформированного состояния древесины с различными видами защитных покрытий при изменении температурно-влажностных условий эксплуатации.

4.2.1-Задачи моделирования.

4.2.2 .Основные положения и допущения.

4.2.3.Описание математический модели.

4.2.4. Деформативные характеристики.

4.2. 5. Виды и величины воздействий.

4. 2. б. Анализ результатов исследований.

4.3.Экспериментальные исследования защитно-декоративных покрытий деревянных элементов при длительной эксплуатации.

4.3.1.Общие сведения об экспериментальных исследованиях.

4.3.2. Результаты исследований.

4 .4 .Выводы.

5.ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ.

6.ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ. ПРИРОДООХРАННЫЙ ЭФФЕКТ.

Введение Диссертация по географии, на тему "Повышение эксплуатационной надежности и снижение материалоемкости деревянных пространственных конструкций"

Настоящая диссертационная работа посвящена снижению объемов потребления лесоматериалов в строительстве и сокращению объемов лесозаготовок за счет рационального использования древесины в несущих конструкциях, повышения их долговечности и надежности при эксплуатации с помощью конструкционных методов в сочетании с применением экологически безопасных защитно-декоративных составов (ЗДС) для древесины.

Поставленная задача решена на примере современных пространственных деревянных конструкций (ДК) покрытий зданий, к которым предъявляются повышенные требования с точки зрения их эстетичности и архитектурной выразительности. Предложен комплексный метод снижения их материалоемкости за счет выбора рациональных статико-геометрических параметров пространственных ДК, совершенствования узлов сопряжения элементов и увеличения сроков эксплуатации, что в значительной мере определяет долговечность и надежность всего сооружения.

На основе имеющихся сведений о прочностных и деформативных свойствах древесины и эксплуатационных воздействиях разработана математическая модель пространственных несущих конструкций в виде ребристых и ребристо-кольцевых куполов, что позволило определить зависимость их материалоемкости от конструктивных форм и относительных размеров. В результате исследования математической модели оценено влияние на напряженно-деформированное состояние (НДС) куполов таких параметров, как высота купола, размеры верхнего кольца, формы несущих ребер, тип связей и количество связевых блоков.

Пространственные конструкции менее материалоемки по сравнению с традиционными плоскостными (плоскими), однако, их эксплуатационная надежность в значительной степени определяется узловыми соединениями элементов.

На основе результатов натурных обследований эксплуатируемых конструкций, анализа литературных данных об узловых соединениях и теоретических исследований их НДС разработана новая конструкция сборно-разборного узлового соединения, обеспечивающая повышение несущей способности и огнестойкости, снижение деформативности и возможность текущего ремонта (A.C. №1807185).

Для обеспечения долговечности и эстетической выразительности пространственных ДК оригинальной формы, эксплуатируемых в суровых климатических условиях Севера, предложено использовать экологически безопасные многокомпонентные ЗДС, которые предохраняют древесину от поражения плесневыми, деревоокрашивающими и дереворазрушающими грибами и насекомыми, снижают гидрофобность, предотвращают депигментацию от ультрафиолетового облучения (УФО) и придают поверхности красивый внешний вид с требуемым цветовым оттенком.

Покрытия на основе ЗДС снижают вероятность образования микротрещин в поверхностной зоне конструкций при жестких температурно-влажностных воздействиях и в отличие от традиционных ЛКП не требуют полного их удаления при ремонте и реставрации.

В лабораторных условиях исследованы гидрофобность и биоактивность этих препаратов по отношению к наиболее распространенным на Севере плесневым, деревоокрашивающим и дереворазрушающим грибам. Выполнена комплексная оценка состояния защитно-декоративных покрытий в течение 10 лет их эксплуатации в строительном объекте в г. Архангельске.

На основе экспериментальных данных о свойствах древесины, в том числе пропитанной клеем, с покрытием традиционными лакокрасочными и новыми защитно-декоративными препаратами, разработана математическая модель клееных деревянных элементов с различными видами покрытий, позволяющая определить их НДС при переменных температурно-влажностных воздействиях и оценить эксплуатационную надежность.

В главе 5 описано внедрение результатов исследований на практике, в главе 6 выполнен технико-экономический анализ предложенных решений и оценена природоохранная эффективность выполненной работы.

Вплоть до конца XIX века древесина играла роль основного материала в строительстве, особенно в северных регионах, и в настоящее время наиболее крупной отраслью потребления лесоматериалов является строительство. В то же время лес является не только важным источником сырья, но и обеспечивает экологическое равновесие в природе.

Деревянные элементы используются в строительстве в качестве несущих и ограждающих конструкций, отделочных материалов, архитектурных композиций, а так же при разных сочетаниях их использования.

Наиболее ответственными являются несущие конструкции, к которым в зданиях и сооружениях крепятся все остальные. Несущие конструкции могут быть плоскостными {плоскими}, воспринимающими внешние воздействия в одной плоскости, или пространственными, обеспечивающими совместную работу составляющих их элементов в двух или более плоскостях.

Пространственные конструкции являются наиболее рациональными, с точки зрения материалоемкости, часто не требуют обязательной установки дополнительных элементов связей/ обладают большей надежностью, а часто и большей технологичностью, чем плоские.

Пространственные ДК применяются достаточно давно. Например, срубы деревянных зданий и шатровые завершения являлись пространственными конструкциями, надежность и долговечность которых при правильном исполнении и эксплуатации доказаны веками.

Современные пространственные конструкции характеризуются разнообразием геометрических форм и размеров. Габариты и формы сечений отдельных элементов конструкций также многообразны. Однако уровень их эффективного использования на практике еще нельзя признать удовлетворительным.

Негативными факторами, сдерживающими более широкое применение пространственных ДК, являются встречающиеся случаи неправильного их решения, в результате чего необоснованно повышается расход материалов, снижается их надежность и долговечность. Причинами этого являлись, в основном, отсутствие системного анализа рациональных конструктивных решений, обеспечивающих снижение материалоемкости, а также ряд необоснованных допущений и упрощений, традиционно принимаемых в расчетах. К ним можно отнести, например, допущение о независимости влияния на прочность и надежность древесины, обладающей ярко выраженной анизотропией (как цельной, так и клееной), изменения температуры и влажности среды и неучет влияния указанных эксплуатационных факторов на различные конструкции во времени и их взаимосвязи с силовыми воздействиями.

Кроме этого, в процессе эксплуатации ДК подвергаются разрушению не только от внешних силовых нагрузок, но и от повреждения различного вида биовредителями, что вызывает необходимость эффективной и надежной защиты.

Создание новых конструкций и технологий, связанное с развитием научно-технического прогресса, увеличило интенсивность влияние деятельности человека на окружающую среду. В некоторых случаях это негативно сказывается на здоровье людей. В связи с этим в настоящее время остро стоит задача экологической безопасности и бережного отношения к природе, и в первую очередь к лесным ресурсам, имеющим огромное значение в системе жизнеобеспечения нашей планеты.

Эти задачи имеют важнейшее государственное значение, отражены в Конституции (Основном Законе) Российской Федерации [1] и конкретизируются в нескольких федеральных законах. Наиболее подробно это предусмотрено в Законе «Об охране окружающей природной среды» [2] . Необходимость охраны окружающей среды и последствия ее загрязнения достаточно полно представлены в различных источниках и включены в программы учебных заведений [3].

Решение проблемы эффективного применения ДК должно осуществляться в первую очередь на стадии проектирования конструкций с учетом вопросов рационального использования природных ресурсов и охраны окружающей среды.

Актуальность темы определяется решением важнейших задач природопользования - снижение материалоемкости ДК конструктивными методами за счет выбора рациональной их формы. Повышение эксплуатационной надежности новых соединений деревянных элементов и использование современных экологически безопасных методов химической защиты от биологических вредителей, являющихся высоко эффективными, технологичными и долговечными при различных условиях эксплуатации, также обеспечивает рациональное использование высококачественной древесины конструкционного назначения в строительстве и снижение объемов лесозаготовок.

Научная новизна работы заключается в следующем: разработана и реализована методика численных исследований НДС при изменении статико-геометрических параметров пространственных ДК;

- на основе системного анализа результатов численных исследований, разработаны принципиальные конструктивные решения пространственных ДК, отвечающие критерию минимизации материалоемкости, что позволяет сократить объемы лесозаготовок;

- разработана новая конструкция узлового соединения деревянных элементов (A.C. №1807185), имеющего пониженную деформативность, повышенную огнестойкость и эксплуатационную надежность;

- разработаны и реализованы математические модели для определения влияния переменных температурно-влажностных условий эксплуатации на НДС деревянных элементов с различными видами защитных и декоративных покрытий и без них;

- результаты математического моделирования позволили определить физическую сущность явлений, происходящих в поверхностной зоне деревянных клееных конструкций (ДКК), эксплуатируемых в сложных температурно-влажностных условиях, оценив их не только качественно, но и в количественных показателях;

- полученные результаты математического моделирования подтверждены опытом эксплуатации экспериментальных i объектов в г. Архангельске, на основе чего разработаны рекомендации по использованию защитных и декоративных составов в строительстве.

Практическую ценность работы составляют:

- разработанная автором методика компьютерных численных исследований позволяет оперативно оценить при проектировании влияние изменения статико-геометрических параметров куполов на их НДС, эта методика может быть использована и для других видов пространственных и плоских конструкций;

- полученные автором зависимости НДС ребристых и ребристо-кольцевых куполов от основных видов силовых воздействий позволяют на начальной стадии выбрать для заданной перекрываемой площади вариант решения конструкции, отвечающий критерию минимизации материалоемкости;

- разработанная новая конструкция (A.C. №1807185).и методика расчета узлового соединения перспективны для использования при проектировании различных видов сборно-разборных деревянных сооружений;

- результаты математического моделирования позволяют без проведения длительных и дорогостоящих экспериментальных исследований прогнозировать поведение и эксплуатационную надежность различных видов защитных и декоративных покрытий при переменных температурно-влажностных воздействиях;

12

-рациональный выбор вида ЗДС с учетом его поведения в сложных условиях эксплуатации позволяет решить проблему повышения долговечности древесины в строительстве, что обеспечивает сокращение объемов лесозаготовок.

Заключение Диссертация по теме "Охрана окружающей среды и рациональное использование природных ресурсов", Вешняков, Александр Викторович

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

1.Применение в строительстве пространственных конструкций взамен плоских обеспечивает снижение расхода древесины для покрытий на 20-36% (1,6-2/9 м3 на 100 м2 перекрываемой площади).

2.Исследования разработанной математической модели куполов с определением их НДС при изменении статико-геометрических параметров и схем загружений показали, что минимальную материалоемкость имеют ребристые и ребристо-кольцевые купола из элементов прямолинейных или имеющих стрелу выгиба меридиональных ребер £/10 £ 0.07 при высоте купола Н = (1/4-1/3)0 и диаметре верхнего кольца (5 ^ (1/10)Б.

Благодаря этому достигается уменьшение расхода цельной и клееной древесины на 8-21% - для меридиональных ребер и на 25-280% - для кольцевых элементов, общий расход - на 12-28% или 0,6-1,4 м3 на 100 м2 перекрываемой площади.

3.Исследования математической модели купола показали, что замена традиционных треугольно-подкосных связей, устанавливаемых в каждом секторе или через сектор, на крестовые, установленные не более, чем в четырех секторах, обеспечивает требуемую пространственную жесткость ребристых и ребристо-кольцевых куполов, а также снижение расхода древесины и крепежа на связи и их монтаж.

4.Изобретенная конструкция соединения деревянных элементов на основе использования коннекторов со специальными зубьями, щипами и прижимной шайбой (А.С.№1807185) обеспечивает повышение огнестойкости и несущей способности (на 33-43%) по сравнению с традиционными соединениями на основе шайб аналогичного назначения и диаметра, благодаря чему снижается вероятность отказа соединений, повышается долговечность и надежность деревянных покрытий.

5.Экспериментально установлено, что при обработке древесины специальными экологически безопасными ЗДС многофункционального назначения на поверхности образуется пигментированный или бесцветный слой модифицированной древесины толщиной 2-4 мм с повышенной прочностью, устойчивостью к УФО, который ограничивает миграцию водных паров в древесине, но не исключает ее полностью. Гидрофобность древесины, обработанной ЗДС, выше в 1,341,87 раза, чем необработанной, а биостойкость - в 2,732,4 раза выше. После 10 лет эксплуатации внутри неотапливаемого здания состояние древесины с защитно-декоративными покрытиями по всем интегральным показателям классифицируется, как хорошее, а необработанной удовлетворительное, при этом декоративные и защитные показатели ниже в 1,7 - 1,77 и в 1,14 - 1,28 раза соответственно. б.Исследования поведения поверхности ДКК при изменении температурно-влажностных условий эксплуатации с помощью разработанной математической модели показали, что благодаря поверхностному слою модифицированной древесины при использовании ЗДС внутренние напряжения в клеевых швах снижаются в 1,5-2 раза по сравнению с аналогичными незащищенными конструкциями, а напряжения непосредственно в поверхностном слое древесины, пропитанной ЗДС, в 1,3-5 раз ниже, чем в слое традиционного ЛКП, который не впитывается в древесину, а образует жесткий слой на поверхности, полностью исключающий миграцию паров. Это обеспечивает сохранение целостности защитно-декоративного покрытия и повышает эксплуатационную надежность конструкций.

7.Результаты исследований использованы в «Инструкции по применению защитно-декоративных препаратов для древесины», в практике проектирования «Архгипродрев» и Федерального государственного унитарного предприятия по капитальному строительству и проектированию

Инвестстройпроект», при эксплуатации экспериментального объекта в Соломбальском районе г. Архангельска - здания с куполом из ДКК площадью 256 м2 , при реставрации Почезерского ансамбля в д. Филипповская КГНП, в учебном процессе Строительного факультета АГТУ при дипломном проектировании.

8.Экономический эффект от применения исследований в практике формируется за счет снижения материалоемкости и повышения долговечности несущих конструкций из древесины. Расчетный годовой эффект на 100 м2 перекрываемой площади в среднем составляет: от применения пространственных конструкций взамен плоских - 12596,9 руб., от совершенствования конструкций куполов-6750 руб., - от увеличения долговечности древесины при использовании экологически безопасных ЗДС - 6898,8 руб. 9.При расчете на 100 м2 перекрываемой куполом площади общая удельная годовая экономия клееной древесины составляет 5,03 м3 , что сохраняет от вырубания 0,36 га леса.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

Диссертационная работа «Повышение эксплуатационной надежности и снижение материалоемкости деревянных пространственных конструкций» выполнена в соответствии с поставленной целью - снижение потребления лесоматериалов в строительстве и сокращение объемов лесозаготовок за счет рационального использования древесины в несущих конструкциях и повышения их долговечности и надежности при эксплуатации с помощью конструкционных методов в сочетании с применением экологически безопасных ЗДС, удовлетворяющих потребительским требованиям при эксплуатации в сложных температурно-влажностных условиях севера.

Для достижения указанной цели решены следующие задачи:

Разработана методика численных исследований НДС при изменении основных статико-геометрических параметров для ребристых и ребристо-кольцевых куполов.

На основании анализа полученных результатов численных исследований предложены конструктивные решения ребристых и ребристо-кольцевых куполов, имеющие минимальный расход материалов.

На основе анализа опыта применения соединений ДК, разработана новая конструкция узлового соединения, имеющая пониженную деформативность, повышенную несущую способность, огнестойкость и эксплуатационную надежность.

Разработана математическая модель для определения влияния изменения температурно-влажностных условий эксплуатации на НДС деревянных элементов без покрытия и с различными видами защитных и декоративных покрытий.

168

На основании результатов теоретических и экспериментальных исследований установлены причины возникновения и развития дефектов в защитных покрытиях и элементах самих ДК и ДКК, разработаны рекомендации по использованию защитных и декоративных составов для деревянных цельных и клееных элементов, эксплуатируемых в сложных климатических условиях севера.

Рассчитана экономическая эффективность от внедрения результатов проведенных исследований.

Определен природоохранный эффект, выраженный в площади сохраняемых от вырубания лесов благодаря рациональному конструированию и увеличению долговечности ДК.

Библиография Диссертация по географии, кандидата технических наук, Вешняков, Александр Викторович, Архангельск

1. Комментарий к Конституции Российской Федерации. Изд. 2-е, доп. и перераб. М.: Издательство БЕК, 1996. - 664с.

2. Закон Российской Федерации «Об охране окружающей среды» от 19 декабря 1991 г. /Ведомости Верховного Совета. 1992. - №10 - с.457.

3. Охрана окружающей среды: Учеб. для вузов. /C.B. Белов, Ф.А. Барбинов, А.Ф. Козьяков и др. М. : Высш. шк., 1991. - 317с.

4. Снижение материалоемкости деревянных конструкций./Под ред. И.М. Линькова. М. : Стройиздат, 1974. 48с.

5. Травуш В.И., Заполь М.Ю. Деревянные конструкции в общественном строительстве //Эффективное использование древесины и древесных материалов в современном строительстве М.: 1980.-с.46-51.

6. Ковальчук JI.M. Производство деревянных клееных конструкций. Изд. 2-е, перераб. и доп. М.: Лесная пром-сть, 1987. - 248с.

7. Карлсен Г.Г., Большаков В.В., Каган М.Е. и др. Конструкции из дерева и пластмасс. М.: Стройиздат, 1975. -68 бс.

8. Конструкции из дерева и пластмасс: Учеб. для вузов /Ю.В. Слицкоухов, В.Д. Будаков, М.М. Гаппоев и др.; Под ред. Г.Г. Карлсена и Ю.В. Слицкоухова. 5-е изд., лере-раб. и доп. - М.: Стройиздат, 1986. - 543с.

9. Зубарев Г.Н. Конструкции из дерева и пластмасс: Учеб. пособие для вузов. М.: Высш. шк., 1990.-287с.

10. Современные пространственные конструкции (железобетон, металл, дерево, пластмассы): Справочник / Ю.А. Дыхо-вичный, Э.З. Жуковский, В.В. Ермолов и др.; Под ред. Ю.А. Дыховичного, Э.З. Жуковского. М. : Высш. шк. , 1991. 543с.

11. Ашкенази Е.К. Анизотропия древесины и древесных материалов. М.: Лесная пром-сть, 1978. - 223с.

12. Власов В.З. Общая теория оболочек и ее приложения в технике. М.- Л.: Ростехиздат, 1949. - 784с.

13. Лебедев В.А. Основы практической теории расчета циклически симметричных систем ребристо-кольцевой структуры //Изв. вузов. Строительство и архитектура. 1968. Вып.З, - с.95-102.

14. Липницкий М.Е. Купола расчет и проектирование.-Л.: Стройиздат, 1973. - 129с.

15. Лебедев В.А., Лубо Л.Н. Сетчатые оболочки в гражданском строительстве на Севере. Л.: Стройиздат, 1982. - 136с.

16. Липницкий М,Е. Купольные покрытия для строительства в условиях сурового климата. Л.: Стройиздат, 1981. -136с.

17. Лубо Л.Н. Руководство по проектированию и расчету покрытий нового типа сетчатых оболочек. - Л.: ЛенЗНИИЭП, 1971.- 63с.

18. Пшеничнов Г. И. Теория тонких упругих сетчатых оболочек. М.: Наука, 1982 - 352с.

19. Ржаницин А.Р. Строительная механика: Учеб. пособие. М.: Высш. шк., 1982. - 400с.

20. Сегаль А.И. Высотные сооружения. Расчет на прочность, жесткость и устойчивость. М. : Стройиздат, 1945. - 240с.

21. Сегаль А.И. Некоторые итоги решения циклических задач //Расчет пространственных конструкций. М. : Госстройиздат, 1952. - вып.11. - с.161-185.

22. Лебедев В.А. Инженерная теория расчета на прочность циклически симметричных систем ребристо-кольцевой структуры: Дисс. . докт. техн. наук. Л., 1969.- 333с.

23. Вайнберг Д.В., Чудновский В.Г. Пространственные рамные каркасы инженерных сооружений. Киев - Львов: Гостехиздат УССР, 1948. - 298с.

24. Пятикрестовский К. П. Пространственные деревянные конструкции //Состояние и перспективы исследований в области деревянных конструкций. М.: ЦНИИСК, 1983.с.49-65.

25. Светозарова В.И., Орлович Р.Б., Турков A.B. Особенности работы ребристо-кольцевых куполов из деревянных клееных элементов // Изв. вузов. Строительство и архитектура. 1990. - Вып.4. - с.16-19.

26. Турков A.B. Разработка и исследование ребристого купола из деревянных клееных элементов при статических и сейсмических нагрузках: Автореф. дисс. . канд. техн. наук М., 1989. - 19 с.

27. Серов E.H. Клееные деревянные элементы массового изготовления в каркасах сельских общественных и производственных зданий //Экспресс-информ.: Строительные материалы и конструкции, здания и сооружения. М.: Стройиздат,-1986. - Вып.9. - с.8-13.

28. Лившиц И.Е. Особенности расчета симметричных пространственных стержневых сооружений //Расчет пространственных конструкций. М. : Стройиздат, 1975. - Вып.10. -с.29-37.

29. Лабудин Б.В. Конструирование и расчет современных пространственных ДКК. Перекрестные балки и купола: Учебное пособие.- Л.: Изд. ЛТА, 1984. 64с,

30. Гурьев А.Ю. Особенности напряженно-деформированного состояния конструкций стержневого купола из клееной древесины с учетом деформативности узловых соединений: Автореф. Дисс. . канд. техн. наук. Л., 1991. - 26с.

31. Гурьев А.Ю., Лабудин Б.В., Лебедев В.А. Купольное покрытие диаметром восемнадцать метров //Научно-технические достижения и изобретения, рекомендуемые дляиспользовании в строительстве: Информ. Сб. 1990. Вып.1. - с.36-41.

32. ЗБ.Лубо Л.Н. Руководство по проектированию и расчету покрытий нового типа сетчатых оболочек. - Л.: ЛенЗНИИЭП, 1971. - 63с.

33. Шапин В.М. Расчет стержневых куполов на произвольные нагрузки.//Техника, технология , организация и экономика строительсва. Минск, 1980. вып.6 - с.121-127.

34. Барашков Ю.А. Конструкции деревянных куполов //Архитектура СССР. 1975. - № 3. - с.45-46.

35. Haring Ch. Grosskuppelbauen als Holznetzschalten // Bauen mit Holz. 1983. - N 3. - s.55-56.

36. K.-H. Götz, D. Hoor, K. Möhler, J. Natterer. Holzbau Atlas. München.: Institut für internationale Architektur - Dokumentation, 1982. - s.153.

37. Monitoimihallt//Suomen Lbmapuuyhdistys Liimapun-кду^ц suurten hallien kantavissa rakenteissa. Rakentajain Kustannus Oy. 1988. - s.109.

38. Пространственные конструкции из клееной древесины в покрытиях общественных зданий: Обзорн. информ. М, : 1986. Вып.13. - с.2 6-28.

39. Lichte constructie voor grote overspanningen//Bouw wereld. 1987. - N 23. - s.31-42.

40. Клятис Г.А. Современное состояние и перспективы развития строительных конструкций за рубежом. М. : ЦНИИСК Госстроя СССР, 1969.-85с.47100 Meter - Kuppel als Kohlemischhalle // Bauen mit Holz. - 1988. - N 1. - s.6-7.

41. Коченов В.М. Несущая способность элементов и соединений деревянных конструкций М. : Стройиздат, 1953. 142с.

42. Туровский Л.М. К динамическому расчету плоких и пространственных рам с податливыми узлами //Расчет пространственных конструкций. М. : Стройиздат, 1970. Вып.13. - с.54-62.

43. Лабудин В.В. Экспериментально-теоретические исследования перекрестных балок из клееных деревянных элементов: Дисс. . канд. техн. наук. Л., 1978. - 155с.

44. Гаппоев М.М., Базенков Т.Н. Исследование работы нагельных соединений с металлическими прокладками //Науч. Тр./МИСИ. 1987. - Исследование прочности и эффективности современных конструкций из древесины и пластмасс. - с. 2330.

45. Пискунов Ю.В., Исупов С.А. Выбор конструктивных параметров и изготовление нагельных пластин //Науч. Тр./ЦНИИСК. 1988. - Новые исследования в области технологии изготовления деревянных конструкций. - с.63-73.

46. Деревянные конструкции в строительстве /Л.М. Ко-вальчук, C.B. Турковский, Ю.В. Пискунов и др. М. : Стройиздат, 1995. - 248с.

47. Слицкоухов Ю.В., Буров Е.В., Зворыгин A.B. Расчет многорядовых нагельных соединений с учетом переменного коэффициента постели //Науч. Тр./МИСИ. 1987. - Исследование прочности и эффективности современных конструкций из древесины и пластмасс. - с.50-54.

48. Шенгелия А.К. Исследование клеештыревых соединений деревянных конструкций //Науч. тр./ЦНИИСК. 1981. - Несущие деревянные конструкции. - с.60-70.

49. Турковский С.Б. Узловые соединения элементов деревянных клееных конструкций на вклеенных стержнях //Науч. тр./ЦНИИСК. 1988. - Новые исследования в области технологии изготовления деревянных конструкций. - с.4 6-55.

50. Зубарев Г.Н., Логинова М.П., Головина В.М. Испытания и расчет соединений деревянных конструкций на вклеенных стержнях //Науч. Тр./ЦНИИСК. 1981. - Несущие деревянные конструкции. - с.83-92.

51. Турковский С.Б., Саяпин В.В. Исследование монтажных узловых соединений клееных деревянных конструкций //Науч. Тр./ЦНИИСК. 1981. - Несущие, деревянные конструкции.с.92-105.

52. СНиП 11-25-80. Деревянные конструкции /Госстрой СССР. Взамен главы СНиП 11-В.4-71; Введ. с 01.01.82. М. : Стройиздат, 1982. - 66с. (Строит, нормы и правила).

53. Иванов В.Ф. Конструкции из дерева и пластмасс. Учебник для вузов. М.-Л.: Стройиздат, 1966.- 258с.

54. Прокофьев A.C. Конструкции из дерева и пластмасс: Общий курс: Учебник. М.: Стройиздат, 1996 - 218с.

55. Bauen mit Holz. 1989. - N 11. - s.776-779; № 12. - s.872-877.

56. Пособие по проектированию деревянных конструкций (к СНиП 11-25-80 Деревянные конструкции)/ЦНИИСК им. Кучеренко. М.: Стройиздат, 198 6. - 216с.

57. СНиП 11-23-81.* Стальные конструкции /Госстрой СССР. С изменениями на 01.01.87 и 01.07.90: Взамен СНиП

58. В.З-72; Введ. с 01.01.82. М. : ЦИТП Госстроя СССР, 1990. - 96с.

59. Коченов В.М. Несущая способность элементов и соединений деревянных конструкций. М.: Стройиздат, 1953. 130с.

60. Деревянные конструкции. Справочник проектировщика промышленных сооружений. /Под ред. Кузнецова Г.Ф. М.-Л.: 1937. - с.86.

61. Чащина Л.М. Разработка многокомпонентных препаратов для антисептирования пиломатериалов //Науч. тр./ЦНИИМОД. -1985. Сушка и защита древесины. - с.113-120.

62. Ломакин А.Д. Защита древесины и древесных материалов. М.: Лесная пром-сть, 1990.-256с.

63. Чащина Л.М., Поромова Т.М. Методика испытаний защитных средств против деревоокрашивающих и плесневых грибов //Науч. тр./ЦНИИМОД. 1985. - Сушка и защита древесины. - с.120-128.

64. Голеншцев А.Н., Варфоломеев Ю.А. , Хвиюзов А.Н. Станки для накалывания древесины перед пропиткой защитными средствами.//Мех. Обраб. древесины: Науч.-техн. рефер. сб./ВНИПИЭИлеспром. 1987. - вып.2. - с.6-7.

65. Варфоломеев Ю.А., Потуткин Г.Ф., Шаповалова Л. Г. Изменение свойств древесины при длительной эксплуатации //Деревообр. пром-сть. 1990.-№10. - с.28-30.

66. Варфоломеев Ю.А. Антисептики нового поколения //Деревообр. пром-сть. 1991. -№6. - с.10-11.

67. Варфоломеев Ю.А., Щеголев А.Т. Зарубежный опыт производства защитно-декоративных составов для древесины //Деревообработка. 1991.-Вып.3. - с.3-7.

68. Варфоломеев Ю.А., Поромова Т.М., Лебедева Л.К. Защищающая способность французских антисептиков нового поколения //Деревообр. пром-сть. 1991. -№4. - с.12-13.

69. Варфоломеев Ю.А. Обеспечение долговечности изделий из древесины. М.: ИЧП фирма «Ассоль», 1992. - 288с.

70. Архитектурные конструкции гражданских зданий: Расчет конструкций./А.П. Ковальский, A.C. Дехтярь, А.Н. Пече-нов. 2-е изд., перераб. и доп. - Киев: Будивэльник, 1989. - 136с.

71. Г.Б. Колчин. Расчет прочности и надежности строительных сооружений. Кишинев: Картя Молдовеняскэ, -1976. - 88с.

72. Гитберг В.Д. Системное проектирование в строительстве. JT. : Стройиздат, 1987. - 160с.

73. Дэннис Дж.,мл., Шнабель Р. Численные методы безусловной оптимизации и решения нелинейных уравнений: Пер. с англ. М.: Мир, 1988. - 440с.

74. JI. Сегерлинд. Применение метода конечных элементов: Пер. с англ. М.: Мир, 1979. - 392с.

75. Метод конечных элементов в статике сооружений / Я. Шмельтер, М. Дацко, С. Доброчинский, М. Вечорек; Пер. с пол. М.В. Предтеченского. М.: Стройиздат, 1986. - 220с.

76. Городецкий, A.C. Горбовец A.B., Павловский В.Э., Задоренко B.C., Стрелецкий Е.Б. и др. Лира-ЕС программный комплекс для расчета и проектирования конструкций на ЕС ЭВМ. - Киев: НИИАСС. - 1976. - 89с.

77. Городецкий A.C., Горбовец A.B., Павловский В.Э., и др. Мираж программный комплекс для расчета и проектирования конструкций на персональных компьютерах. - Киев: НИИАСС. - 1991.-102с.

78. Варфоломеев Ю.А., Вешняков A.B. Совершенствование конструктивных решений деревянных клееных элементов для пространственных конструкций. Архангельск, 1996. Зс. -(Информ. листок /ЦНТИ; № 155-96).

79. Вешняков A.B., Лабудин Б. В. Влияние изменения статико-геометрических характеристик на материалоемкость пространственных деревянных конструкций. Архангельск, 1996. 4с. - (Информ. листок /ЦНТИ; № 206-96).

80. Вешняков A.B. Оптимизация материалоемкости деревянных пространственных конструкций методом вариантного проектирования. Архангельск, 1996. -Зс. -(Информ. листок /ЦНТИ; № 207-96).

81. Новое узловое соединение стержней для деревянных несущих конструкций / Б.В. Лабудин, A.B. Вешняков, В. Д. Попов, В.В. Яковлев //Изв. вузов. Лесн. журн. 1992. - №4 - с.108-112.

82. А.С. 1807185, МКИ Е 04 В 1/38. Узловое соединение стержней деревянных несущих конструкций /Б.В. Лабудин, В.Д. Попов, В.В. Яковлев, A.B. Вешняков. №4930924/33; Заявл. 23.04.91; Опубл. 07.04.1993, Бюл. № 13.

83. Варфоломеев Ю.А., Уханов А.Я. Оценка эксплуатационных свойств защитно-декоративных составов для древесины.//Деревообр. пром-сть.- 1989. №4. - с.5-6.

84. Варфоломеев Ю.А., Сычева Т.Н. Расчет напряженно-деформированного состояния деревянных элементов при изменении температуры и влажности // Науч. тр./ЦНИИМОД. 1985. Сушка и защита древесины - с.48-54.

85. ЮО.Орлович Р.Б., Добродеев H.A., Орлович С. П. О напряженно-деформированном состоянии увлажненных деревянныхэлементов при длительном нагружении. //Изв. вузов. Строительство и архитектура. 1984. - №2. - с.15-19.

86. Иванов A.M., Бай A.B. Кинетика разрушения клееных деревянных балок // Межвуз. темат. сб. тр./ЛИСИ. 1987. -Повышение долговечности и надежности строительных конструкций из дерева и пластмасс, -с.55-5 8.

87. Варфоломеев Ю.А., Вешняков A.B. Математическое моделирование эксплуатационных воздействий на защитно-декоративные покрытия деревянных клееных конструкций. Архангельск, 1997. -Зс. (Информ. листок /ЦНТИ; № 37-97).

88. Шаповалова Л.Г., Лабудин Б.В., Вешняков A.B. Деформация деревянных срубных сооружений при эксплуатации //Межвуз. темат. сб. тр./СПбГАСУ. СПб, 1994. - Совершенствование и расчет строит. Конструкций из дерева и пластмасс, - с.56-61.

89. Деформации высоких деревянных сооружений при изменении влажности /Л.Г. Шаповалова, Ю.А. Варфоломеев, Б. В. Лабудин, A.B. Вешняков //Изв. вузов. Лесн. журн. 1994. -№ 5-6 - с.165-171.

90. Шаповалова Л.Г., Вешняков A.B. Дощатая обшивка -фактор длительной сохранности объектов деревянного зодчества // Межвуз. сб. науч. тр./ПГУ. Петрозаводск, 1998. -Народное зодчество - с.273-279.

91. Кречетов И.В. Сушка древесины. М. : Лесн. пром-сть, 1980. - 432с.

92. Справочник по сушке древесины. /Е.С. Богданов, В.А. Козлов, В.Б. Кунтыш, В.И.Мелехов / Под редакцией Е.С. Богданова М.: Лесн. пром-сть, 1990.-304с.

93. Шолохова A.B. Исследование синтетических клеев для склеивания асбестоцемента и бетона между собой и с другими материалами: Дисс. . . . канд. техн. наук. М.: 1966. 192с.

94. Ш.Варфоломеев Ю.А., Вешняков A.B. Эксплуатационные свойства защитных и декоративных покрытий деревянных конструкций Архангельск, 1996. 2с. - (Информ. листок /ЦНТИ; № 156-96).

95. Толковый словарь по метрологии, измерительной технике и управлению качеством. Основные термины: около 7 000 терминов М.: Рус. Яз., 1990. - 464с.

96. ГОСТ 27751-88 (CT СЭВ 384-87) Надежность строительных конструкций и оснований. Введ. впервые с 01.07.88. М.: Изд-во стандартов, 1988. - 9с. - (Гос. Стандарты).

97. Инструкции по определению экономической эффективности в строительстве новой техники, изобретений и рационализаторских предложений (СН 509-78). М.: Стройиздат, 1979. - 64с.

98. Справочник по лесопилению/Ю.А. Варфоломеев, И. С. Дружин, Ю.А. Ячков и др. Под ред. A.M. Копейкина.-2е изд. Перераб. и доп. М.: «Экология», 1991. - 496с.