Повышение несущей способности деревянных изгибаемых элементов

УДК

624.011

DOI:

10.17238/issn0536-1036.2016.1.115

Аннотация

В работе показана возможность повышения несущей способности изгибаемых деревянных конструкций за счет использования особенных приемов модификации древесины или новых методов послойного армирования. Известно, что древесина как природный полимер состоит из целлюлозы в виде системы трубчатых волокон. Целлюлозные цепочки в стенках трубчатых волокон частично группируются в виде кристаллических областей мицелл, где цепи параллельно ориентированы и прочно удерживаются межмолекулярными силами. Остальная часть так называемой аморфной целлюлозы состоит из неориентированных областей, где нет полной взаимонасыщаемости цепей и где довольно легко может происходить взаимодействие целлюлозы с другими веществами. Очевидно, что в части пластического характера работы древесины на сжатие, когда потеря устойчивости одного волокна вызывает догружение рядом расположенных волокон, далее этот процесс увеличивает сжатую зону по высоте сечения. Резюмируя физику этого процесса, необходимо отметить, что аморфная часть целлюлозы, обеспечивая пластический характер деформаций сжатия, является причиной уменьшения не только зоны деформаций сжатия, но и растяжения. Это приводит к перегрузке критических растянутых волокон и их разрыву. Такова схема развития нормальных напряжений сжатия и растяжения в деревянной балке при поперечном изгибе. В случае усиления только сжатой зоны древесины путем модификации аморфной части целлюлозы происходит заполнение объема между пучками фибрилл и вовлечение ее в механическую работу. Способов модификации древесины много, они отработаны и используются для повышения прочности и жесткости древесины. Известно, что модифицированная фенолоспиртами древесина сосны при сжатии набирает прочность, близкую к пределу прочности на растяжение немодифицированной древесины сосны. Это означает, что их условные пределы пропорциональности почти совпадают, существенно нарастают нормальные напряжения в балке с модифицированной сжатым слоем. Другим способом является послойное армирование. Однако существующий известный способ армирования древесины отдельными стержнями эффективен с технологической точки зрения, но весьма затратен с экономической. В процессе изготовления клеедощатых балок послойного армирования между слоями досок устанавливают металлические сетки или углепластиковые холсты из высокомодульных материалов. Для того, чтобы повысить изгибную прочность и жесткость рассматриваемой балки, необходимо увеличить ее геометрические характеристики. В этой связи модуль упругости высокомодульных материалов (металла
и углепластика) должен быть не менее чем в 21 раз больше модуля упругости древесины. Металлическая сетка весьма удобна для применения. Основное требование, предъявляемое к ней: толщина сетки должна находится в пределах 1 мм, что обеспечивает вдавливание сетки в склеиваемые между собой доски при минимальном давлении.

Сведения об авторах

© В.В.Стоянов, д-р техн. наук, проф..

Ш. Жгалли, .асп.

Одесская государственная академия строительства и архитектуры, ул. Дитрихсона, 4, г. Одесса, Украина, 65029; е-mail: mdipk@yandex.ru 

Ключевые слова

деревянные конструкции, модификация древесины, поперечные трещины, высокомодульные материалы

Литература

1. Современные пространственные конструкции. Оболочки в виде гиперболи-ческого параболоида. М.: Высш. шк., 1991. 540 с.

2. Стоянов В.В. Клеефанерная оболочка типа гиперболического параболоида// Общие вопросы строительства. Отечественный опыт. М.: ЦНИИСК, 1974. Вып. 10.

3. Стоянов В.В. Сборные клеефанерные гиперболические оболочки. К.: Штице, 1981. 78 с.

4. Стоянов В.В. Конструирование сборных гиперболических покрытий. Одесса: ОГАСА, 2000. 164 с.

5. Стоянов В.В. Термовлажностные воздействия в пространственных покрытиях. Одесса: ВРС, 2004. 87 с.

6. Стоянов В.В. Особенность деревянных изгибаемых элементов // Современные строительные конструкции из металла и древесины. Одесса: ОГАСА, 2006. 183 с.

7. Стоянов В.В. и др. Деревянная балка: пат. на изобретение UA №87286. Опубл. 10. 07. 2007. Бюл. №13.

Поступила 22.05.15

Ссылка на английскую версию:

Load Bearing Capacity of Wooden Bending Elements

UDK 624.011

DOI: 10.17238/issn0536-1036.2016.1.115

Load Bearing Capacity of Wooden Bending Elements

V.V. Stoyanov, Doctor of Engineering Sciences, Professor

Sh. Zhgalli, Postgraduate Student

Odessa State Academy of Civil Engineering and Architecture, Didrihsona str., 4, Odessa, 65029, Ukraine; е-mail: mdipk@yandex.ru

The paper presents the increasing possibility of load bearing capacity of bending wood structures through some special methods of wood modification or stratified reinforcement. Wood as a natural polymer is composed of cellulose in the form of hollow fibers. The cellulose chains in the walls of hollow fibers are grouped in the form of crystalline particles of micelles, where the chains are oriented parallel and held firmly by intermolecular forces. The rest of the so-called amorphous cellulose is composed of the unoriented regions. There is no complete chain intersaturability, and the interaction of cellulose with other materials can easily occur. As for the plastic nature of timber behavior in compression the loss of stability of one fiber causes the additional loading of adjacent fibers, and this process increases the compressed zone cross-sectional height along. The amorphous part of cellulose provides the plastic nature of deformation of compression, and causes the decrease the deformation zone of compression and the tensile deformation. This leads to the overloading of extended fibers and their rupture. This is the scheme of normal stresses of compression and tensile in a wooden beam under transverse bending. In case of reinforcement of only compressed timber zone by modifying the amorphous part of cellulose there occurs the volume filling between the bundles of fibrils and engaging it into the mechanical work. There are a lot of methods of wood modification. They are used to increase the wood strength and stiffness. Pine wood modified by phenolic alcohols in compression strengthens at close range to the tensile strength of unmodified pine wood. This means that their proportional limits are almost identical; the normal stresses in a beam with a modified compressed layer increase essentially. Another method is a stratified reinforcement. However, the known method of wood reinforcing by the separate rods is efficient from a technological point of view, but rather cost-based. In the process of manufacturing of glued board beams of stratified reinforcement the metal meshes or carbon fiber webs of high modulus materials are installed between the layers of boards. In order to increase the bending strength and rigidity of a beam, it is necessary to increase its geometrical characteristics. In this regard, the modulus of elasticity of high modulus materials (metal or CFRP) should be not less than 21 times greater than the modulus of wood elasticity. The metal mesh is very convenient to use. Its thickness should be in the range of 1 mm, which provides the indentation of the mesh into the adherend boards with minimal pressure.

Keywords: wood structure, wood modification, transverse crack, high modulus materials.

REFERENCES

1. Sovremennye prostranstvennye konstruktsii. Obolochki v vide giperbolicheskogo paraboloida [The Modern Space Structures. Hypar Shells]. Moscow, 1991. 540 p.

2. Stoyanov V.V. Kleefanernaya obolochka tipa giperbolicheskogo paraboloida
[A Glued Plywood Shell of the Hyperbolic Paraboloid Type]. Obshchie voprosy stroitel'stva. Otechestvennyy opyt [General Construction Issues. Domestic Experience]. Moscow, 1974, iss. 10.

3. Stoyanov V.V. Sbornye kleefanernye giperbolicheskie obolochki [Precast Glued Plywood Hyperbolic Shells]. Kishinev, 1981. 78 p.

4. Stoyanov V.V. Konstruirovanie sbornykh giperbolicheskikh pokrytiy [Construction of the Precast Hyperbolic Panels]. Odessa, 2000. 164 p.

5. Stoyanov V.V. Termovlazhnostnye vozdeystviya v prostranstvennykh pokrytiyakh [Hydrothermal Effects in the Space Panels]. Odessa, 2004. 87 p.

6. Stoyanov V.V. Osobennost' derevyannykh izgibaemykh elementov [Features of the Wooden Bending Elements]. Sovremennye stroitel'nye konstruktsii iz metalla i drevesiny [Modern Constructions of Metal and Wood]. Odessa, 2006. 183 р.

7. Stoyanov V.V., et al. Derevyannaya balka [A Wooden Beam]. Patent of Ukraine, no. UA 87286, 2007.

Received on May 22, 2015