Восстановление деревянной балки импрегнированием полимерной композицией на основе эпоксидной смолы

Деревопереработка. Химические технологии

DOI: 10.12737/14167 УДК 624.075

ВОССТАНОВЛЕНИЕ ДЕРЕВЯННОЙ БАЛКИ ИМПРЕГНИРОВАНИЕМ ПОЛИМЕРНОЙ КОМПОЗИЦИЕЙ НА ОСНОВЕ ЭПОКСИДНОЙ СМОЛЫ

доктор технических наук, профессор С. И. Рощина1 кандидат технических наук, доцент М. В. Лукин1 кандидат технических наук А. В. Лукина1

М. С. Лисятников1

1 - ФГБОУ ВПО «Владимирский государственный университет имени Александра Г ригорьевича и Николая Г ригорьевича Столетовых», г. Владимир, Российская Федерация

С конца XIX века в центре внимания конструкторов и проектировщиков находится проблема усиления и восстановления несущих строительных конструкций и элементов. Широкое производство полимерных материалов позволило применять их для ремонта строительных конструкций. В последние годы полимеры находят широкое использование при ремонте деревянных конструкций, как в России, так и за рубежом. Использование полимеров является перспективным направлением в области ремонта деревянных строительных конструкций. В статье предложен метод восстановления деревянные строительных конструкции импрегнированием полимерной композицией на основе эпоксидной смолы, локально ослабленных деструкцией. Цель работы - исследование и разработка технологии восстановления участков деревянных конструкций с зонами локально деструктированной древесины. Проанализированы причины возникновения деструкции в деревянных строительных конструкциях. В статье изложена методика инженерного и расчета на примере деревянной балки, локально ослабленной деструкцией в опорной зоне. Инженерные расчеты были подтверждены численным экспериментом, выполненные в программном комплексе «Лира 9.6». Изучены стадии напряженно-деформированного состояния древесины при нагружении внешней нагрузкой до разрушения. Исследованы физико-механические свойства полимерной композиции для восстановления деревянных конструкций. Приведен численный и инженерный методы расчета восстановленных деревянных конструкций, результаты экспериментальных исследований полимерных композиций и образцов древесины при кратковременном действии нагрузки. Разработана технология ремонта и восстановления работоспособности деревянных элементов конструкций путем импрегнирования ослабленных зон деревянных элементов конструкции. Даны рекомендации по практическому применению полимерных композиций при восстановлении деревянных конструкций. Доказана возможность восстановления работоспособности деревянной балки, ослабленной деструкцией путем использования полимерной композиции. Полученные результаты могут быть использованы в проектах реконструкции, ремонта, реставрации деревянных зданий и сооружений.

Ключевые слова: древесина, импрегнирование, эпоксидная смола, восстановление несущей способности, численные исследования.

Лесотехнический журнал 3/2015

183

Деревопереработка. Химические технологии

RECOVERY WOODEN BEAMS IMPREGNATING POLYMER COMPOSITION BASED

ON EPOXY RESINS

DSc in Engineering, Professor S. I. Roschina1 PhD in Engineering, Associate Professor M. V. Lukin1 PhD in Engineering A. V. Lukina1 M. S. Lisyatnikov1

1 - Federal State Budget Education Institution of Higher Professional Education «Vladimir State University named after Alexander and Nikolay Stoletovs», Vladimir, Russian Federation

Abstract

Since the end of XIX century in the center of attention of designers and planners to be a problem and gain recovery bearing structures and elements. Extensive production of polymeric materials made it possible to use them for the repair of building structures. In recent years, polymers find extensive use in the repair of wooden structures, both in Russia and abroad. The use of polymers is a promising direction in the repair of wooden structures. This paper proposes a method of restoration of wooden structures by impregnating polymer composition based on epoxy resin, locally weakened destruction. Objective - research and development of technology for site remediation of wooden structures with areas of locally degraded wood. We analyzed the causes of the destruction of wooden building structures. The paper sets out the methodology and the engineering based on the example of a wooden beam, the destruction of locally weakened in the core zone. Engineering calculations were confirmed by numerical experiments carried out in the program complex "Lira 9.6". Studied stage of stress-strain state of the timber during loading external load to fracture. The physical and mechanical properties of the polymer composition for the restoration of wooden structures. The numerical and engineering methods for calculating the restored wooden structures, the results of experimental studies of polymer compositions and wood samples with short-term load. The technology of repair and restoration of health of wooden structural elements by impregnating weakened zones of wooden structural elements. The recommendations on the practical application of polymer compositions when restoring wooden constructions. The possibility of disaster recovery wooden beams weakened by the destruction by the use of the polymer composition. The results can be used in projects of reconstruction, renovation, restoration of wooden buildings.

Keywords: wood, impregnation, epoxy, restoration of the bearing capacity, numerical study.

Актуальность исследования Древесина, применяемая в конструкциях деревянного домостроения, часто подвергается неблагоприятным эксплуатационным воздействиям. В изменяющихся условиях температурно-влажностного режима происходит биопоражение микроорганизмами органического материала, появление гнили и

деструкция древесины, что приводит к потере эксплуатационной надежности элементов деревянных конструкций в целом.

В настоящее время применяют различные способы восстановления и усиления деревянных конструкций, базирующиеся в основном на выборочной замене пораженных участков конструкций цельной древесиной

184

Лесотехнический журнал 3/2015

Деревопереработка. Химические технологии

или металлом [2].

Деревянные балки широко распространены в строительстве. Они нашли применение при строительстве общественных, производственных, сельскохозяйственных, складских зданий [3]. К основным факторам, снижающим эксплуатационную надежность деревянных балок относятся: несвоевременность проведения текущих и капитальных ремонтов, действие агрессивных сред, несоблюдение температурно-влажностного режима. Наиболее уязвимыми зонами деструкции деревянных конструкций являются опорные участки.

Основным критерием ослабления сечения является степень деструкции древесины в элементах конструкций в процентах. Характерные типы сечений показан на рис. 1.

С появлением высокопрочных полимерных материалов стало возможным восстанавливать пораженные участки несущих деревянных конструкций. Такие полимеры

Рис. 1. Характерные деструктивные повреждения опорных зон деревянных балок: а) 0-50 %; б) 0-25 %; в) 0-25 %; г) 0-20 %; д) 0-25 %.

позволяют обеспечивать достаточную термоогне- и морозостойкость усиливаемых элементов из древесины, повышают их биостойкость [4].

Предлагаемый метод ремонта и восстановления деструктированных опорных зон элементов в деревянных конструкциях заключается в импрегнировании в дефектную часть элементов деревянных конструкций полимерной композиции и создании поли-мер-древесной композиции [9] в деструкти-рованной зоне. Такой подход к восстановлению является наиболее эффективным и перспективным.

Расчет импрегнированных балок Восстановление деструктированных участков опорных зон деревянных балочных конструкций предполагается импрегнировать полимерной композицией [10] локальные участки деструктированной древесины [5]. Исследовали: «здоровую», деструктирован-ную древесину и импрегнированную древесину полимерной композицией. В численном эксперименте рассматривались балки с типовыми размерами: длиной 4800 мм сечением 100х240 мм (рис. 2).

Предложен инженерный метод расчета деревянных конструкций по приведенным геометрическим характеристикам, что позволяет оценивать несущую способность и де-формативность в упругой стадии работы в соответствии с действующими нормами проектирования деревянных конструкций. Геометрические характеристики сечения с полимер-композитным включением принимают вид: Площадь приведенного сечения балки: Fnp Fgp + FKn • п b-(h x) •

-

185

Лесотехнический журнал 3/2015

Деревопереработка. Химические технологии

Рис. 2. Общий вид балки, ослабленной деструкцией: а) восстановление деструктированного участка опорной зоны деревянной балки; б) импрегнированный участок

где Fgp - площадь древесины:

Fgp = Ь • h,

FM- площадь усиления:

FKn Ъ • х,

п - коэффициент приведения:

Р

•-чс п

п _

"ДР

где £кл - модуль упругости полимера;

Fgp - модуль упругости древесины; b - ширина сечения балки; х - высота усиления; д - коэффициент армирования:

И ^кл X

F„p~ h-X'

-'пр

Статический момент инерции сечения: №-*Т(ус-^) + ^ + *-

•n-

где: ус - положение центра тяжести сечения:

f(F-x)2+x-n-(2-F-F)l Ус - --------------------1

2-

Момент инерции сечения относительно нейтральной оси:

/пр _ Ь • + (h - х) • (ус -

-^)2+lf! + —

Инженерный метод можно рекомендовать для расчетов в упругой стадии работы древесины по I и II предельному состоянию. Для восприятия сдвигающих усилий в пограничной зоне соединения здоровой древесины с полимердревесной композицией рекомендуется установка дополнительных стальных стержней периодического профиля класса не ниже А300 (клеёных или ввинченных и прочих).

186

Лесотехнический журнал 3/2015

Деревопереработка. Химические технологии

Соединения на наклонно вклеенных стержнях, работающих на совместное действие «растяжение с изгибом», должны удовле-

творять условию:

^<1,

где Np - составляющая расчетного усилия на один стержень Тс, взывающая в наклонных стержнях напряжения растяжения:

Np = Tc • cos а,

где Та - расчетная несущая способность одного стержня по условию прочности на растяжение:

Та = R-a'

где Ra - расчетное сопротивление арматуры;

Fa - площадь арматуры;

Q - составляющая расчетного усилия на один стержень Тс, взывающая в наклонных стержнях напряжения изгиба:

Q = Т • sin а,

где Тн - расчетная несущая способность стержня на один шов из условия его работы на изгиб (при шарнирном соединении):

Тн = 50 • d2,

где d - диаметр арматуры.

Условные обозначения балок на диаграммах приведены на рис. 3.

По результатам расчета построены диаграммы «нагрузка - касательные напряжения» (рис. 4 и рис. 5). При помощи про-

Рис. 3. Б-1 - элемент деревянной конструкции со «здоровой» опорной зоной; Б-2 - элемент деревянной конструкции с деструкти-рованной частью в опорной зоне; Б-2у - элемент деревянной конструкции с восстановленной (импрегнированной) опорной зоной

Рис. 4. Диаграмма «нагрузка-касательные напряжения»

Рис. 5. Диаграмма «нагрузка - касательные напряжения»

граммного комплекса «Lira» получены мозаики распределения касательных напряжений на опорах деревянных элементов (рис. 6).

При нагружении деревянных элементов внешней нагрузкой до разрушения отчетливо проявляются три характерные и последовательные стадии напряженнодеформированного состояния: условно-

упругая, упруго-пластическая, разрушение [6, 8]. Численный эксперимент выполнен с учетом действительной работы древесины [1] и длительности действия нагрузки с использованием диаграмм о-s работы на «сжатие - растяжение», полученной при

Лесотехнический журнал 3/2015

187

Деревопереработка. Химические технологии

Рис. 6. Мозаика и эпюра касательных напряжений Txz на опоре: а) для балки Б-1; б) для балки Б-2; в) для балки Б-2у; г) эпюры касательных напряжений (txz х3) в опорном сечении балок Б-1, Б-2, Б-2у

испытаниях стандартных образцов. Это позволило учесть в расчетах анизотропию, ползучесть и изменение модуля упругости древесины на этапах проектирования (рис. 7).

В численном эксперименте установ-

Рис. 7. Диаграмма «нагрузка - деформации» во времени

лено, что касательные напряжения в опорной части балки, ослабленной (деструкти-рованной) возрастают на 22-27 %, по сравнению с балкой из древесины без повреждений. Касательные напряжения в деревянной балке с импрегнированными зонами полимерной композицией, сопоставимы с напряжениями, возникающими в балке из неповрежденной древесины. На основе численного эксперимента сделано заключение, что при длительном действии эксплуатационной нагрузки [7] приращение деформации в усиленной балке увеличиваются до 47 % и стабилизируются в течение года.

Основные выводы

1. Теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность восстановления работоспособности древесины, ослабленной деструкцией путем использования полимерной композиции.

2. Выполнен численный эксперимент силового сопротивления с восстановленными опорными зонами деревянной балки путем импрегнирования полимерной композицией локально деструктированного участка. Установлено, что расхождение инженерного метода с результатами численного эксперимента по прочности составляет 5-7 %, по жесткости 8-12 %.

3. Разработанные технические решения восстановления деревянных балок с ослабленными деструкцией зонами древесины, рекомендованы для использования в гражданском малоэтажном строительстве, а также для восстановления памятников архитектуры. Результаты исследований рекомендованы для внесения в нормы проектирования деревянных конструкций.

188

Лесотехнический журнал 3/2015

Деревопереработка. Химические технологии

Библиографический список

1. Ашкенази, Е.К. Анизотропия древесины и древесных материалов [Текст] / Е.К. Ашкенази. - М. : Лесная промышленность, 1978. - 224 с.

2. Гроздов, В.Т. Усиление строительных конструкций при реставрации зданий и сооружений [Текст] / В.Т. Гроздов. - Спб., 2005. - 114 с.

3. Ковальчук, Л.М. Производство деревянных клееных конструкций [Текст] / Л.М. Ковальчук. - 3-е изд. перераб. и доп.: ООО РИФ «Стройматериалы», 2005. - 336 с.

4. Кононов, Г.Н. Химия древесины и ее основных компонентов [Текст] : учебник для вузов / Г. Н. Кононов. - М. : МГУЛ, 1999. - 247 с.

5. Лукина, А.В. Совершенствование технологии восстановления деструктированной древесины в элементах деревянных конструкций [Текст] : дис. ... канд. техн. наук: 05.21.05. / А.В. Лукина. - Архангельск, 2014.

6. Ратнер, С.Б. Физическая механика пластмасс. Как прогнозируют работоспособность? [Текст] / С.Б. Ратнер, В.П. Ярцев. - М.: Химия, 1992. - 320 с.

7. Roshchina, S.I. Allowance for creepin the study of the reinforced wood-based constructions [Text] / S. I. Roshchina, M.V. Lukin, P.B. Shokhin, M.S. Sergeev, M.S. Lisyatnikov // Life Science Journal. - 2014. - no. 11 (9s). - pp. 192-195.

8. Самуль, В.И. Основы теории упругости и пластичности [Текст] : учеб. пособие для студентов вузов / В.И. Самуль. - 2-е изд. перераб. - М.: Высш. Школа, 1982. - 264 с.

9. Nadir, Ayrilmis Potential use of decayed wood in production of wood plastic composite [Text] / Nadir Ayrilmis, Alperen Kaymakci, Turker Gule9 // Industrial Crops and Products. - 2015. - no. 15. - pp. 279-284.

10. Rahul, Kumar Study of Mechanical Properties of Wood Dust Reinforced Epoxy Composite [Text] / Rahul Kumar, Kausik Kumar, PrasantaSahoo, SumitBhowmik // Procedia Materials Science. - 2014. - no. 6. - pp. 551-556.

References

1. Ashkenazi E.K. Anizotropija drevesiny i drevesnyh materialov [Anisotropy of wood and wood materials]. Moscow, 1978, 224 p. (In Russian).

2. Grozdov V.T. Usilenie stroitel'nyh konstrukcijpri restavracii zdanij i sooruzhenij [Strengthening of building structures in the restoration of buildings and structures]. Saint Petersburg, 2005, 114 p. (In Russian).

3. Kovalchuk L.M. Proizvodstvo derevjannyh kleenyh konstrukcij [Glulam production structure]. OOO RIF "Strojmaterialy", 2005, 336 p. (In Russian).

4. Kononov G.N. Himija drevesiny i ee osnovnyh komponentov [Wood Chemistry and its main components]. Moscow, 1999, 247 p. (In Russian).

5. Lukina A.V. Sovershenstvovanie tehnologii vosstanovlenija destruktirovannoj drevesiny v jele-mentah derevjannyh konstrukcij kand. tehn. nauk dis. [Improving the recovery of degraded wood technology in the elements of wooden structures PhD in Engineering dis.]. Arkhangelsk, 2014. (In Russian).

6. Ratner S.B., Yartsev V.P. Fizicheskaja mehanika plastmass. Kak prognozirujut rabotosposob-nost? [Physical mechanics plastics. How to predict Rabotiveness?]. Moscow, 1992, 320 p. (In Russian).

Лесотехнический журнал 3/2015

189

Деревопереработка. Химические технологии

7. Roshhina S.I., Lukin M.V., Shohin P.B., Sergeev M.S., Lisyatnikov M.S. Allowance for creep in the study of the reinforced wood-based constructions. Life Science Journal, 2014, no. 11 (9s). pp. 192-195.

8. Samuli V.I. Osnovy teorii uprugosti iplastichnosti [Fundamentals of the theory of elasticity and plasticity]. Moscow, 1982, 264p. (In Russian).

9. Nadir Ayrilmis, AlperenKaymakci, Turker Gule9. Potential use of decayed wood in production of wood plastic composite. Industrial Crops and Products, 2015, no. 15, pp. 279-284.

10. Rahul Kumar, Kausik Kumar, PrasantaSahoo, SumitBhowmik. Study of Mechanical Properties of Wood Dust Reinforced Epoxy Composite. Procedia Materials Science, 2014, no. 6, pp. 551-556.

Сведения об авторах

Рощина Светлана Ивановна - член-корреспондент Международной академии инвестиций и экономики строительства, руководитель школы армированных деревянных конструкций, заведующая кафедрой «Строительные конструкции» Владимирского государственного университета имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых, доктор технических наук, профессор, г. Владимир, Российская Федерация; e-mail: rsi3@mail.ru.

Лукин Михаил Владимирович - доцент кафедры «Строительные конструкции» Владимирского государственного университета имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых, кандидат технических наук, доцент, г. Владимир, Российская Федерация; e-mail: lukin_mihail_22@mail.ru.

Лукина Анастасия Васильевна - старший преподаватель кафедры «Строительные конструкции» Владимирского государственного университета имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых, кандидат технических наук, г. Владимир, Российская Федерация; e-mail: pismo.33@yandex.ru.

Лисятников Михаил Сергеевич - аспирант кафедры «Строительные конструкции» Владимирского государственного университета имени Александра Григорьевича и Николая Григорьевича Столетовых, г. Владимир, Российская Федерация; e-mail: mlisyatnikov@mail.ru.

Information about authors

Roshhina Svetlana Ivanovna - Corresponding Member of the International Academy of Investments and Construction Economics, Head of the School of reinforced wooden structures, Head of department «Building Structures», Vladimir State University named after Alexander and Nikolay Stoletovs, DSc in Engineering, Professor, Vladimir, Russian Federation; e-mail: rsi3@mail.ru.

Lukin Mikhail Vladimirovich - Associate professor of department «Building Structures», Vladimir State University named after Alexander and Nikolay Stoletovs, PhD in Engineering, Associate Professor, Vladimir, Russian Federation; e-mail: lukin_mihail_22@mail.ru.

Lukina Anastasiya Vasilyevna - Senior lecturer of department «Building Structures», Vladimir State University named after Alexander and Nikolay Stoletovs, PhD in Engineering, Vladimir, Russian Federation; e-mail: pismo.33@yandex.ru.

Lisyatnikov Mikhail Sergeevich - Post-graduate of the Department «Building Structures», Vladimir State University named after Alexander and Nikolay Stoletovs, Vladimir, Russian Federation; e-mail: mlisyatnikov@mail.ru.

190

Лесотехнический журнал 3/2015