Результаты исследований внедрены:

- ГУП «Моспроект-3» при разработке проекта и выполнении реставрационных работ на памятнике архитектуры по адресу: г. Москва, 4-й Сыромятнический пер., д.1 для усиления и сохранения подлинных деревянных конструкций постройки 1-й четверти XIX-го века;

- при разработке проекта и выполнении реконструкции покрытия над зданием ФГУК «Российская историческая библиотека» по адресу: г. Москва, Старосадский пер., д.9, стр. 1 для усиления деревянных стропильных конструкций постройки 30-х годов XX-го века;

- институтом ОАО «СахаПроект» при разработке проекта реставрации деревянных конструкций объекта исторического наследия «Дом Громова» по адресу: Республика Саха (Якутия), пос. Витим, ул. Ленина, д.8 и д.10;

- строительным концерном «КРОСТ» при разработке проекта реконструкции здания по адресу: г. Москва, Походный проезд, д. 8 для несущих продольных ребер каркаса клеефанерных плит покрытия пролетом 6 м в виде деревянных балок составного сечения.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались:

- на научно-технических конференциях профессорско- преподавательского состава ИСА МГСУ, Москва (2008 г., 2010 г.);

- на VI Международной научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов Донбасской НАСА, Макеевка, 2007 г.;

- на международных межвузовских научно-практических конференциях молодых ученых, докторантов и аспирантов «Строительство – формирование среды жизнедеятельности», Москва (2007 г., 2008 г., 2009 г., 2010 г.);

- на Международном симпозиуме «Современные металлические и деревянные конструкции. Нормирование, проектирование и строительство», Брест, 2009.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из 2-х томов. Том 1 включает введение, шесть глав, основные выводы и приложение 1. Объем тома 1 диссертации: 186 страниц текста, в т.ч. 65 рисунков, 30 таблиц и список литературы из 133 наименований. Том 2 включает Приложения 2/5. Объем тома 2 диссертации: 59 страниц текста, в т.ч. 33 рисунка и 20

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновываются актуальность и направленность работы, определяется цель и устанавливаются задачи исследований.

В первой главе дается краткий обзор состояния исследований соединений деревянных конструкций на механических связях, соединений с применением клея и композиционных материалов. Исследования проводили Ю.М.Иванов, В.Н.Быковский, Ю.В.Слицкоухов, В.М.Хрулев, А.М.Иванов, Л.М.Ковальчук, И.Г.Овчинникова, Е.И.Светозарова, Е.Н.Серов, Э.В.Филимонов, С.Б.Турковский, А.А.Погорельцев, А.С.Фрейдин, К.Т.Вуба, В.Ю.Щуко, В.Д.Попов, С.В.Колпаков, П.А.Дмитриев, В.С.Шейнкман, Ж.Н.Оспанова, Е.И.Лукьянов и др. Рассмотрены методы усиления строительных конструкций полимерными растворами и композиционными материалами – работы И.М.Гуськова, В.Г.Микульского, В.В.Козлова, А.А.Шилина, В.А.Пшеничного

На основании анализа опыта применения клеевых соединений и композиционных материалов (КМ) в строительных конструкциях предложены два вида соединений деревянных элементов композиционным материалом на основе эпоксидной матрицы и стеклоткани (рис. 1) – «КМ-обклейка» в виде внешней обклейки соединяемых деревянных элементов и «КМ-вкладыш» в виде адгезионной прокладки между смежными плоскостями соединяемых деревянных элементов.

Область применения соединений: деревянные элементы составного сечения, усиление существующих деревянных конструкций. Определены соотношения основных компонентов композиционного материала: матрица на основе эпоксидной смолы ЭД-20 (ГОСТ 10587-84*), отверждение которой происходит при добавлении отвердителя ПЭПА (полиэтилен-полиамин) в пропорции смола-отвердитель 100:15; армирующий наполнитель стеклоткань Т-13 (ГОСТ 19170-2001). КМ формируют на деревянной конструкции послойной выкладкой стеклоткани, пропитанной полимерным составом. Адгезионная связь КМ с деревянными элементами создается в процессе отверждения матрицы одновременно с формированием композиционного материала.

Во второй главе представлена методика проведения испытаний образцов соединений деревянных элементов «КМ-обклейка» и «КМ-вкладыш», моделей балок составного сечения с соединениями «КМ-вкладыш» и «КМ-обклейка», балок натурных размеров составного сечения с соединениями «КМ-вкладыш» кратковременной и длительно действующей нагрузками (рис.2). Исследования и оценку несущей способности соединений и конструкций проводили в соответствии с Рекомендациями ЦНИИСК им. В.А.Ку-черенко по испытанию соединений деревянных элементов и деревянных конструкций. При обработке результатов испытаний вычисляли деформации (для конструкций – прогибы) полные Dп и разность полных дDп, по графикам «Нагрузка N-деформация дDп» определяли верхнюю границу области упругой работы образцов соединений (конструкций) и соответствующее усилие NI-II. По величине усилий NI-II и разрушающей нагрузки Nt, требуемых коэффициентов надежности КХР=1,64*(1,94-0,116*lg t), где t– время, приведенное к неизменному действию усилия Nt на образец, для конструкций – коэффициентов безопасности Кпл = 1,25*(1,88-0,106 lg t), оценивали несущую способность составных элементов и соединений «КМ-вкладыш» Nt /Nп ?КХР , NI-II / Nп ? 1.3, и определяли несущую способность составных элементов и соединений «КМ-обклейка» Nп ? Nt / КХР , Nп ? N I-II

Определены прочностные и упругие характеристики КМ при сжатии, растяжении, изгибе и скалывании, проведена оценка характера набора во времени прочности композиционным материалом при сжатии, изгибе и скалывании: прочностные характеристики, сопоставимые по величине с соответствующими нормативными сопротивлениями древесины сосны 2-го сорта, достигнуты композиционным материалом через 44-100 часов после начала

отверждения, прочность КМ стабилизировались через 60 суток после начала холодного отверждения эпоксидной матрицы. При этом временные сопротивления КМ сжатию, растяжению, изгибу и скалыванию составили Rвр СЖ = 78,4 МПа, Rвр Р =181,4 МПа, RврИ =178,9 МПа, Rвр СК =14,85 МПа, модуль упругости Есж=12737 МПа, Ер=12785 МПа, Еи=12460 МПа. Нормативные RН кратковременные сопротивления КМ сжатию, растяжению, изгибу и скалыванию RНСЖ=63,8 МПа, RНР=145,3 МПа; RНИ=155,4 МПа; RНСК=11,65 МПа.

В третьей главе представлены результаты исследований экспериментальными и численными методами образцов соединений «КМ-обклейка» и «КМ-вкладыш». Проведен анализ и сравнительная оценка несущей способности шести различных типов соединения «КМ-обклейка»: тип 1 – сплошная «КМ-обклейка» в 1 слой композиционного материала при толщине КМ-обклейки tКМ1=0,45 мм; тип 2 – сплошная «КМ-обклейка» в 2 слоя композиционного материала при tКМ2=0,8 мм; тип 3 – сплошная «КМ-обклейка» в 3 слоя композиционного материала при tКМ3=1,2 мм; Тип 4 – комбинированная «КМ-обклейка» в 1 слой КМ с дополнительным размещением поперек каждого шва сплачивания по две полосы КМ шириной b=30мм с каждой стороны образца; Тип 5 – комбинированная «КМ-обклейка» в 1 слой КМ с дополнительным размещением под углом 40-450 к шву сплачивания по две полосы КМ шириной b=30мм с каждой стороны образца; Тип 6 – «КМ-обклейка» в 1 слой КМ, где в качестве связующего применили клеевой состав ЭПЦ-1. Были испытаны две серии образцов соединения «КМ-обклейка». В каждой серии на каждый тип соединения было испытано по 3 образца. Результаты испытаний двух серий образцов соединений «КМ-обклейка» представлены в таблице 1, графики деформаций и напряжений 2-й серии образцов – на рис. 3. Установлено, что все рассмотренные типы соединений «КМ-обклейка» обладают достаточной несущей способностью для применения в несущих деревянных конструкциях. По методике ЦНИИСК на основании коэффициентов надежности требуемых, которые составили КХР=3.01/3.06, были определены для каждого рассмотренного типа соединения «КМ-обклейка» величины расчетной несущей

ности образцов соединений Nп ? Nt / КХР, а так же сопротивление соединений «КМ-обклейка» сдвигу: как погонную несущую способность соединения на 1 см длины шва TКМ=Nп/(nСР*LШВА), и как сопротивление соединения сдвигающему усилию RКМ=Nп/[nСР *(LШВА*tКМ)], где nср = 4 – количество срезов КМ в образце, Lшва =15 см – длина шва в образце; tКМ – толщина композиционного материала в соединении.

Из рассмотренных типов соединений «КМ-обклейка» наибольшими прочностными характеристиками обладают соединения тип 1, тип 2 и тип 3 с обклейкой в 1, 2 и 3 слоя КМ соответственно. На второй серии образцов исследовали напряженное состояние КМ-обклейки на соединениях тип 1, тип 2 и тип 3. Установлены характер распределения и величина напряжений в продольном ?1 и в поперечном ?2 направлениях КМ-обклейки при толщине композиционного материала в 1, 2 и 3 слоя. Средние значения напряжений на уровне расчетной несущей способности Nп образцов соединений составили: ?1=(-5.5)/(-8.0) МПа, ?2=1.8/4 МПа; при этом максимальные значения напряжений ?1 составили 25.4/34.8%, напряжений ?2 – 4,2/7,8% от нормативных сопротивлений КМ. Установлено рекомендуемое соотношение между шириной обклеиваемых поверхностей bОБКЛ деревянных элементов и толщиной композиционного материала в КМ-обклейке tКМ = 1 /40 bОБКЛ.

Выполнены расчеты конечно-элементных моделей образцов соединений «КМ-обклейка» тип 1, тип 2 и тип 3 в линейной постановке в ПК SCAD и в нелинейной постановке в ПК ABAQUS. Сравнительная оценка результатов расчета с фактическими деформациями соединений и напряжениями в КМ-обклейке показала, что расчетные деформации конечно-элементных моделей и напряжения в КМ-обклейке, полученные в ПК SCAD, больше фактических в среднем на 10/11,4% и на 10,8/20,5%, в ПК ABAQUS – на 2,5/3,6% и на 1,5/9,1% соответственно. Расчетом в ПК ABAQUS конечно-элементных моделей соединения при толщине КМ-обклейки 5 слоев (2 мм), 10 слоев (4 мм) и 15 слоев (6 мм) определены теоретические значения деформаций соединений (см. рис.3), нагрузок NI-II = 36,6 кН, 58,6 кН, 74,6 кН, сопротивлений соединения сдвигу RКМтеор = 23.5 МПа, 18.8 МПа и 16 МПа соответственно.

Статистической обработкой результатов испытаний 2-х серий по 12 образцов соединения «КМ-вкладыш» при толщине композиционного материала в соединении tКМ.1=0,3 мм и tКМ.3=0,9 мм установлены прочностные и деформационные характеристики соединения «КМ-вкладыш»: нормативное с обеспеченностью по минимуму 0,95 сопротивление соединения сдвигу Rн=4.14/4.52 МПа; деформативность соединения «КМ-вкладыш» (интенсивность роста деформаций в пределах упругой работы соединения) с обеспеченностью по максимуму 0,95 Dп /N=0,001375 мм/кН. При этом коэффициенты надежности фактические больше требуемых в среднем в 1,22/1,3 раза.

ного сечения из двух слоев на соединениях «КМ-вкладыш» и «КМ-обклейка» при работе конструкций на поперечный изгиб. Соединения размещали в опорных зонах составных элементов на участках протяженностью ? L и 1/4 L симметрично с противоположных сторон конструкций, нагрузку прикладывали в виде двух сосредоточенных сил в ? и в 1/4 пролета конструкций в соответствии со схемой расположения КМ-соединений. В моделях балок на соединении «КМ-обклейка» выполняли обклейку в один, в два и в три слоя композиционного материала. Результаты испытаний представлены в таблице 2.

Соединение «КМ-вкладыш» обеспечивает совместную работу отдельных слоев составного сечения без потерь на податливость соединения: коэффициенты КW и КЖ, учитывающие снижение несущей способности балок за счет податливости связей сдвига, имеют по результатам испытаний значения Кw=1, Кж=1. Характер эпюр нормальных напряжений по высоте поперечного сечения в зоне чистого изгиба конструкций, значения фактических нормальных напряжений ?ФАКТ и фактических прогибов в середине пролета балок fфакт, которые были в среднем на 2/8% меньше расчетных значений ? и f, определенных как для конструкций цельного сечения, характеризуют работу на поперечный изгиб составных балок на соединении «КМ-вкладыш», как работу элементов цельного сечения.

Несущая способность деревянных балок-моделей составного сечения на соединении «КМ-обклейка» зависит от толщины КМ-обклейки (см. рис. 4), и расчет деревянных конструкций составного сечения на соединении «КМ-обклейка» следует выполнять с учетом коэффициентов КW и КЖ, величина которых зависит от толщины и жесткости КМ-обклейки EКМIКМ. Было исследовано влияние податливости соединения «КМ-обклейка» на

способность деревянных балок составного сечения, определены значения коэффициентов КW и КЖ при различной жесткости КМ-обклейки EКМIКМ, которую выразили через жесткость создаваемого деревянного элемента ЕДРIБР: при жесткости композиционного материала 2,25% от жесткости балки, т.е. EКМIКМ =0,0225*ЕДРIБР, коэффициенты составили КW=0.739/0.769, КЖ=0.644/0.65, при EКМIКМ =0,04 ЕДРIБР – КW=0.956/0.969, КЖ=0.854/0.891, при EКМIКМ=0,06*ЕДРIБР – КW=0.974/1, КЖ=0.878/0.89.

В пятой главе рассматриваются результаты экспериментальных и теоретических исследований несущей способности деревянных балок составного сечения длиной 3 м на соединении «КМ-вкладыш» при испытаниях кратковременной и длительно действующей нагрузками. Расчетная несущая способность балок из условия действия нормальных напряжений и без учета податливости КМ-соединений составила Nп=17,88 кН. Результаты испытаний трех балок кратковременной нагрузкой представлены в таблице 3.

Оценка несущей способности балок, выполненная по методике ЦНИИСК показала, что коэффициенты безопасности фактические для балок составили КБ= Nt /Nп =2,85/3.18, что больше коэффициентов безопасности требуемых Кпл = 2.05/2.07. В соответствии с методикой ЦНИИСК по оценке работы соединений получено отношение NI-II / Nп =1,34, 1.34 и 1,51 > 1.3, что подтверждает работоспособность соединения «КМ-вкладыш» при обеспечении совместной работы отдельных ветвей в деревянных изгибаемых элементах составного сечения. В пределах упругой работы конструкций интенсивность роста нормальных напряжений и прогибов в середине пролета составили в среднем ?/N =0,724 МПа/кН, f /N=0,576 мм/кН, где N - нагрузка на балку в соответствии со схемой испытания. Установлен показатель деформативности соединения «КМ-вкладыш» в составных деревянных балках DпI-II/ТсдвI-II = =0,000283 мм/кН суммарного сдвигающего усилия в шве сплачивания. Экспериментально установлены значения коэффициентов Kw и Кж, учитывающих влияние податливости соединения «КМ-вкладыш» на несущую способность деревянных изгибаемых элементов составного сечения: для уровней нагружения в пределах N I-II определяющие величину коэффициента Kw отношения ?факт/?расч составили 0,962/1,032, в среднем коэффициент Kw=1; определяющие величину коэффициента Kж отношения fфакт/fрасч составили 0,938/0,981, в среднем Кж =0,967.

Для анализа результатов испытаний использовали теорию составных стержней А.Р.Ржаницына, согласно которой рассматривали балку как составной стержень, состоящий из двух отдельных стержней (ветвей), соединенных между собой связями сдвига.

Для стержня, состоящего из двух брусьев сечением bxh каждый, дифференциальное уравнение для одного шва двухслойной балки:

где ? – коэффициент жесткости связей сдвига, определявшийся из эксперимента;

h – расстояние между центрами тяжести сечений смежных стержней; Мо – изгибающий момент в монолитной балке; ?EI – суммарная жесткость стержня.

где I – момент инерции одного бруса, F – площадь одного бруса.

, тогда уравнение ( 1 ) для определения усилия в шве составного

Решение уравнения ( 2 ) имеет вид:

, где l – длина балки. Опуская промежуточные вычисления и преобразования получим решение для определения Т(х) и ?(х):

Для определения нормальных напряжений в произвольной точке Y поперечного сечения составного стержня, где в сечении балки действует изгибающий момент М0, рассмотрим напряжения в балке цельного сечения ?Ц и в балке составного сечения без связей сдвига ?ОТД :

?Ц = М0 ymax / Iцельн , ?ОТД = М0 y0 max / ?I0 ,