Деревокомпозитная балка с модификацией древесины

Полезная модель относится к строительным конструкциям, в частности к цельнодеревянным балкам перекрытия и покрытия.
Известна конструкция металлодеревянного строительного элемента, включающего деревянные обкладки, между которыми смонтирована металлическая часть двутаврового сечения с полками и стенкой, соединенные в единую конструкцию крепежными деталями. Полки двутавровой металлической части выполнены в зоне растяжения в виде жестко закрепленных на стенке горизонтальных утолщений; в зоне сжатия - в виде полосовых накладок, также жестко закрепленных на стенке. Высота металлической части меньше высоты деревянных обкладок и его части закрыты и обжаты с боков этими обкладками посредством крепежных деталей, расположенных горизонтально и пропущенных сквозь деревянные обкладки и металлическую часть (пат. РФ №2109893, кл. Е04С 3/292, публ. 27.04.1998 г.).
Недостатком данной конструкции являются высокие требования к точности формируемых пазов и высокая трудоемкость работ по их фрезеровке. Механические связи крепления деревянных обшивок к металлическому сердечнику ввиду их податливости не позволяют обеспечить совместную работу составных элементов и, как следствие, максимально использовать прочностные характеристики используемых материалов, а также требуют введения коэффициентов Kw и Кж (согласно СП 64.13330.2017 «Деревянные конструкции»), снижающих при расчете несущую способность конструкции.
Известна конструкция изгибаемых деревянных конструкций, выполненных в виде пакета клееных досок, к боковым поверхностям которого при помощи С-образных зубчатых полос прикреплены парные каркасы, включающие в свой состав продольные верхние стержни, продольные нижние стержни и наклонные стержни. С-образные зубчатые полосы имеют зубья в зоне их крепления к боковым поверхностям пакета клееных досок и отверстия на их горизонтальных гранях для крепления нагелями к пакету клееных досок (пат. РФ №263372, кл. Е04С 3/18, Е04В 1/26, публ. 24.08.2016 г.).
Применение металлических зубчатых пластин (МЗП) в качестве механических связей, включающих в работу продольные стержневые элементы, обуславливает недостаток данного технического решения, ввиду их податливости. Кроме того, необходимость обеспечения устойчивости сжатых стержней приводит к увеличению количества С-образных зубчатых пластин, что увеличивает трудоемкость монтажа элементов усиления. Использование МЗП не допускает их монтаж ударным способом и требует наличия специального монтажного оборудования (пресс-скоб, стационарных запрессовочных устройств и др.), что ограничивает область применения данных конструкций в условиях строительной площадки.
Известна конструкция деревометаллической балки, основными элементами которой служат цельнодеревянный брус, прокат в виде металлического швеллера, наклонные и вертикальные арматурные стержни. Швеллер устанавливается в верхней (сжатой) зоне балки, номер проката выбирается по ширине сечения бруса. Крепление швеллера к телу балки выполняется при помощи наклонно вклеенных арматурных стержней класса А-400 периодического профиля. Расположение их принимается по главным растягивающим, либо сжимающим напряжениям под углом 45° с шагом 1/16 от пролета балки (пат. РФ №118333, кл. Е04С 3/14, публ. 24.01.2012 г.).
Высокая материалоемкость конструкции, трудоемкость производства работ по вклеиванию стальных стержней под различными углами к горизонтальной оси балки обуславливают недостатки данных конструктивных решений. Кроме того, необходима дополнительная защита открытых участков металлического элемента с целью повышения огнестойкости конструкции в целом.
Известна конструкция деревянной балки в виде пакета клееных досок, опирающаяся по концам на опоры, снабженной нижними и верхними пазами, выбранными со стороны боковых граней балки пакета клееных досок, в которые на клеящем компаунде запрессованы гибкие жгуты и стальные стержни соответственно. Нижние и верхние пазы снаружи заклеены деревянными планками. При этом нижние пазы имеют по своей длине очертание, близкое по конфигурации к очертанию эпюры главных растягивающих напряжений, возникающих в деревянной балке от действия расчетной нагрузки, а верхние пазы имеют ориентацию, совпадающую с продольной осью деревянной балки. На приопорных участках деревянной балки через сквозные отверстия, расположенные наклонно к продольной оси деревянной балки с уклоном в сторону середины балки, пропущены гибкие жгуты из композиционной ткани с разрезанными на полосы концами, которые приклеены к нижней и верхней граням пакета клееных досок веерообразно (пат. РФ №168412, кл. Е04С 3/12, публ. 23.08.2016 г.).
Недостатком данного технического решения является необходимость в формировании пазов криволинейного очертания, что ограничивает область применения данных решений при усилении существующих конструкций. Требуется дополнительный контроль качества для участков анкеровки наклонных композитных жгутов ввиду малой площади контакта последних с древесиной, а также низкой формостабильностью поперечных сечений деревянных балок в условиях переменного температурно-влажностного режима.
Известна конструкция деревокомпозитной балки, основными элементами которой служат цельнодеревянный брус, стеклоткань на основе базальтового волокна и эпоксидная матрица, с включенными в ее состав углеродными нанотрубками (УНТ). Стеклоткань приклеивается в нижней (растянутой) зоне балки, ширина отреза выбирается по ширине сечения бруса. Крепление стеклоткани к телу балки выполняется при помощи эпоксидной матрицы, с включением в ее состав УНТ.
К основным недостаткам конструкции можно отнести необходимость обрезки армирующего материала, выступающих за габариты боковых кромок поперечного сечения элемента, что приводит к неконтролируемому перерезанию отдельных армирующих волокон вблизи кромок, а также невозможность охвата армирующим материалом наиболее опасных пороков древесины в виде сучков по кромке с выходом на ребро, значительно снижающих несущую способность деревянных элементов. Кроме того, применение одиночного армирования растянутой зоны изгибаемого деревянного элемента недостаточно эффективно, ввиду малого прироста жесткости конструктивного элемента, а также обеспечении прочности сжатой зоны при смятии древесины вдоль волокон.
Наиболее близким техническим решением, принятым в качестве прототипа, является клееная деревянная балка с межслойным армированием клееного пакета композитным материалом в растянутой зоне и использовании в сжатой зоне ламелей из модифицированной древесины (Стоянов В.В. Повышение несущей способности деревянных изгибаемых элементов [Текст]/ Стоянов В.В., Жгалли Ш. // Лесной журнал №1 (349) - ИВУЗ, 2016. - С. 115-121.).
К основным недостаткам стоит отнести необходимость в использовании ламелей из модифицированной древесины, получаемых методом автоклавной пропитки. Что в свою очередь сопровождается большими расходами материалов и энергии, а также требует специализированного производства с соответствующим оборудованием (автоклавами и сушильными камерами).
Техническая задача полезной модели - повышение несущей способности, снижение трудоемкости производства новых и усиления существующих изгибаемых цельнодеревянных элементов.
На фиг. 1 изображена деревокомпозитная балка с модификацией древесины. Основными элементами разработанной балочной конструкции являются цельнодеревянная балка (поз. 1), расположенная на опорах (поз. 2), однонаправленная углеродная лента (поз. 3), участок модифицированной древесины (поз. 4), полученный путем ипрегнирования полимерной композиции в краевую предельно напряженную сжатую зону поперечного сечения.
1
2
Поставленная задача достигается тем, что изгибаемые цельнодеревянные элементы армируются в растянутой зоне на части пролета композитным материалом из углеволокна с заведением последнего на боковые кромки поперечного сечения для снижения влияния и охвата армирующим материалом наиболее опасных пороков древесины. Ширина ленты композитного материала принимается исходя из размеров продукции, выпускаемой заводом производителем, что исключает раскрой армирующего материала. Граница обрыва композитного армирующего материала должна располагаться на расстоянии X=0,2…0,3L, где L - пролет балочной конструкции. Для повышения эффективности одиночного армирования выполняется локальная модификация краевой предельно напряженной сжатой зоны поперечного сечения балочной конструкции импрегнированием низковязкой полимерной композиции. Граница вертикального раздела обычной и модифицированной древесины должна располагаться на расстоянии Х=0,25…0,30L от опоры, где L - пролет балочной конструкции. Локальная модификация сжатой зоны позволяет исключить необходимость в сплошной модификации заготовки, не требует специализированного габаритного оборудования и может применяться в условиях строительной площадки, что позволяет снизить расходы полимерной композиции и энергии на ее импрегнирование, исключает необходимость в дорогостоящем габаритном специализированном оборудовании. Отверждение модификатора осуществляется холодным способом и не требует наличия сушильных камер. Модифицированная полимерными составами древесина обладает повышенной прочностью при сжатии вдоль волокон, причем предел прочности в зависимости от модификатора может превышать прочность цельной древесины в 1,5-2 раза. Применяемые материалы обладают, в отличие от металла, коррозионной стойкостью, что позволяет распространить предлагаемые конструктивные решения для балочных конструкций, эксплуатируемых в условиях агрессивного воздействия внешней среды.