Лекция №2 Материалы для армированных деревянных конструкций

Древесина - основной материал армированных деревянных конструк­ций. Для несущих конструкций применяется преимущественно древесина хвойных пород, обладающая достаточно высокими и стабильными механическими свойствами, стойкая к эксплуатационным воздействиям.

Для обеспечения необходимых технологических параметров и долговечности при эксплуатации влажность древесины армированных конструкций не должна превышать 15% при нормальном значении 10±2%. Для армированных конструкций допускается применять древесину 2-го - 3-го сорта по ГОСТ 8486-86* для цельных и клеёных сечений [3, 19].

Арматура для деревянных конструкций применяется как металлическая, так и пластмассовая. При выборе необходимо учитывать не только ее прочностные, но и упругие характеристики, поскольку соотношение нормальных напряжений в арматуре и древесине при их нормальной совместной работе зависит от величины отношения их модулей упругости, т.е. при e_a=e_д; s_a=s_дЕ_а/E_д, где e_a и e_д - относительные деформации арматуры и древесины; s_a и s_д, - нормальные напряжения в арматуре и древесине: Е_а и E_д - модули упругости арматуры и древесины.

Из металлов, используемых в строительстве, таким требованиям отвечают стальные и алюминиевые сплавы, причем более эффективно и целесообразно применение стальной арматуры. Наиболее рациональное армирование стальными стержнями периодического профиля. Такая арматура имеет развитую поверхность (площадь) сцепления с древесиной по сравнению с гладкой, что обеспечивает более высокую прочность и надёжность соединения.

Прочностные свойства арматуры влияют на несущую способность конструкции и также должны учитываться при проектировании.

Рассматривая армированные деревянные конструкции как комплексные, следует выбирать арматуру с учётом полного использования её свойств в зависимости от механических свойств древесины. Учитывая, что предельные деформации волокон древесины при механических испытаниях на растяжение и сжатие в среднем составляют 1.15 и 0,84% , а у арматуры 6-16% (при деформациях, соответствующих пределу текучести, равны 0,15-0,35%) (рис. 2.1, 2.2), придём к выводу, что во всех случаях при совместной работе арматуры с древесиной несущая способность арматуры будет использована, т.е. напряжения в арматуре достигнут предела текучести прежде, чем будет исчерпана прочность древесины.

В тоже время арматура предотвратит хрупкое разрушение конструкции вследствие того, что даже после полного разрушения древесины в растянутой зоне арматура частично сохраняет несущую способность, хотя и будет работать за пределами текучести, т.е. создается эффект подпружной тяги или шпренгеля. Экспериментальные исследования полностью подтверждают этот вывод и показывают, что после разрушения древесины растянутой зоны балки выдерживают нагрузку, составляющую 60 – 75% величины разрушающей нагрузки [23, 24, 25]. В целом для армирования деревянным конструкций (без предварительного напряжения) могут быть использованы, стали, прочностные и упругие свойства которых наиболее полно соответствуют свойствам древесины, т.е. стали класса А-II и А-III по ГОСТ 5781-82 [4].

Армирование деревянных конструкций может выполняться как отдельными стержнями, так и полу каркасами, представляющими собой продольные стержни рабочей арматуры с приваренными к ним под углом 45 или 90° стержнями поперечной арматуры, диаметр которым не превышает 0.4 - 0.6 диаметра рабочей арматуры. Поперечные стержни (не менее 2 - 3 с каждой стороны) в полу каркасах располагаются на концевых участках рабочей арматуры с шагом, равным 20 - 25 диаметрам. Поперечные стержни повышают надежность сцепления арматуры с древесиной, исключают возможность хрупкого разрушения конструкции от скалывания клеевого шва или древесины в зоне расположения арматуры. Длина поперечным стержней (глубина заделки) должна быть не менее 0,55 h или 20 - 25 d.

В ряде случаев ("высокие" балки с h/L = 1/12 - 1/15, или при больших значениях поперечных усилий и т.п.) поперечное армирование может выполняться в виде вертикально вклеенных стальных пластин толщиной 2 - 5 мм, которые соединяются сваркой с рабочей арматурой после вклеивания стержней. Длина пластин принимается равной 15 - 20 диаметрам рабочей арматуры, но не более 0.5¸1.0 h. С целью облегчения конструкции, снижения расхода металла и повышения качества склеивания пластины могут иметь сквозную перфорацию.

Соединение арматуры с древесиной в конструкциях.

Прочность, надежность и долговечность армированных деревянных конструкций в значительной мере зависит от клеевых соединений, используемых для склеивания древесины с арматурой.

Вопросы склеивания древесины достаточно изучены и подробно изложены в соответствующей нормативной литературе [2, 10, 11, 18]. Поэтому рассмотрим лишь вопрос, касающийся склеивания древесины с арматурой.

При склеивании арматуры с древесиной клей переходит в твердое состояние с последующим по мере отвердения увеличением механической прочности клеевого слоя и сцеплением его со склеиваемыми материалами. При этом качество склеивания определяет прочность и долговечность соединения.

Клеевой шов принято рассматривать как единую композицию из клеевого слоя и двух прилегающих материалов. При этом прочность соединения зависит от механических свойств, как клея, так и наиболее слабого из склеиваемых материалов, в данном случае - древесины.

Следовательно, необходимо, чтобы при склеивании древесины с арматурой прочность соединения превышала прочность основного материала конструкции - древесины. Тогда разрушение такого соединения будет происходить от скалывания древесины вдоль волокон.

Клеевые соединения арматуры с древесиной должны отвечать следующим требованиям: высокая механическая прочность и достаточная жесткость; стойкость к циклическим температурно-влажностным воздействиям: долговечность; малая ползучесть при длительном действии нагрузки; технологичность. Из довольно широкого ассортимента клеев, выпускаемых промышленностью, таким требованиям удовлетворяют только эпоксидные, фенолоформальдегидные и полиуретановые. Однако фенолоформальдегидные клеи, содержащие кислотные отвердители, обладая низкой стоимостью и доступностью, вызывают коррозию стальной арматуры, что требует специальных мероприятий по её защите, следовательно, усложняет технологический процесс, и повышает стоимость изделия. Полиуретановые клеи пока недостаточно изучены и дефицитны.

В полной мере отвечают предъявляемым требованиям клеи на основе эпоксидных смол, которые в большинстве случаев используются в виде многокомпонентных клеевых композиций. Применяя для наполнения и отвердения эпоксидных клеёв различные наполнители и отвердители, удается получить клеевые соединения, удовлетворяющие не только перечисленным выше требованиям, но и обладающие высокой теплостойкостью и относительно низкой стоимостью [1, 2, 12, 19]. Последнее достигается за счёт введения в композицию на 100 массовых частей смолы 200 - 500 массовых частей наполнителей, что приводит к снижению содержания смолы (наиболее дорогого компонента) в клее до 10 - 20%. Например, при стоимости 1 кг смолы ЭД-20, равной 4.0 усл. ед., стоимость 1 кг клеевой композиции составит при этом 0,62 - 1,0 усл. ед.

Для клеевых соединений арматуры с древесиной наиболее технологичными являются композиции, приготовленные из эпоксидных смол марок ЭД-20, ЭИС-1 и др. Их жизнеспособность зависит от вида и количества отердителя, и после введения отвердителя составляет 45 - 120 мин. Основные составы клеевых композиций, рекомендуемых для применения в армированных деревянных конструкциях, приведены в табл. 1. Расход клеевой композиции в зависимости от профиля паза и диаметра арматуры определяется зависимостью на рис. 2.3.

При выборе клеевой композиции для соединений в армированных конструкциях следует учитывать, что некоторые традиционные компоненты в названных составах далеко не лучшие, поэтому взамен их приведены новые, свойства которых повышают технологичность и качества клеевых соединений. Например, полиэтиленполиамин, наиболее распространенный аминный отвердитедь, весьма гигроскопичен, чувствителен к температурному режиму отвердения, к рецептурному составу, токсичен.

Поэтому разработаны оксиэтилированные аминные отвердители, которые отличаются меньшей токсичностью и летучестью, более низкой стоимостью и доступностью.

Взамен дибутилфталата, который испаряется из эпоксидных композиций, растворяется в воде, тем самым, снижая качество и стойкость клеевых соединений, целесообразно применять сланцевый модификатор (сламор). Сламор - поверхностно активное вещество - повышает смачивающие свойства эпоксидных композиций, снижает расход отвердителя на 15 – 20%,. упрощает составление композиций с высоким содержанием наполнителя и служит катализатором при отвердении. Являясь продуктом недорогим и доступным, сламор снижает не только начальную вязкость клеевой композиции, но и существенно - её стоимость.

В качестве наполнителя наиболее эффективен песок, (доступен и имеет низкую стоимость), тогда как цемент отрицательно взаимодействует с аминными отвердителями, а его частицы, присоединяя воду, увеличиваются в объёме (набухают), вследствие этого в клеевом шве в процессе эксплуатации возникают внутренние раскалывающие напряжения, которые снижают долговечность и надежность соединения.