4241

Направахрукописи

Цепаев Валерий Александрович

ДЛИТЕЛЬНАЯ ПРОЧНОСТЬ И ДЕФОРМАТИВНОСТЬ КОНСТРУКЦИОННЫХ ДРЕВЕСНО-ЦЕМЕНТНЫХ МАТЕРИАЛОВ

ИНЕСУЩИХ ЭЛЕМЕНТОВ НА ИХ ОСНОВЕ

05.23.01- Строительные конструкции, здания и сооружения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Нижний Новгород - 2001

I'AEOTAВЫПОЛНЕНАВНИЖЕГОРОДСКОМГОСУДАРСТВЕННОМАРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНОМУНИВЕРСИТЕТЕ

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Б.К. Михайлов, доктор технических наук, профессор Д.К. Арленинов, доктор технических наук, профессор И.Л. Кузнецов

Ведущая организация

ЗАКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО

«Центральный научно-исследовательский институт экспериментального проектирования

им. Б.С. Мезенцева»

(ЦНИИЭП им. Б.С. Мезенцева, г. Москва)

Защита состоится 2001 г., в 15 часов на заседании диссертационного совета Д 212.162.03 в Нижегородском государственном архитектурно-строительном университете по адресу: 603600, г. Нижний Новгород, ул. Ильинская, 65, корп. 5, аудитория 202.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородского государственного архитектурно-строительного университета.

Автореферат разослан «

1

1.ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

1.1.Актуальност ь работы

Основным потребителем лесоматериалов в народном хозяйстве является строительство. Несмотря на большие объемы передаваемой в строительную отрасль древесины она остается одним из наиболее дефицитных материалов. Интенсивная вырубка деревьев с целью пополнения запасов деловой древесины истощает запасы леса в традиционных лесозаготовительных районах, приводит к снижению площадей лесных насаждений и нарушению экологического равновесия. В настоящее время имеются реальные возможности исключить дефицит древесины на стройках, благодаря более полному использованию отходов лесозаготовок, лесопиления и деревообработки для изготовления конструкционных строительных материалов и изделий предприятиями строительной индустрии, лесной и деревообрабатывающей промышленности. Неполное использование отходов древесины - это большая экономическая потеря для государства. Как известно, коэффициент выхода продукции при переработке древесины весьма низок. Так, например, для изготовления 1 м клееных деревянных конструкций расходуется 2,6-2,8 м3 бревен. В то же время из 1 м3 древесных отходов можно получить более 2 м3 таких материалов как арболит, фибролит и опилкобетон.

Современный технический уровень промышленности позволяет обеспечить рациональное использование древесного сырья, включающее утилизацию отходов для получения конструкционных строительных материалов на цементном вяжущем и изготовление несущих элементов зданий на их основе. Такая возможность позволит снизить потребление традиционных лесных ресурсов и уменьшить нагрузки на экосистемы. Полное решение проблемы рационального использования отходов древесины для производства древесно-цементных материалов и несущих элементов зданий может быть осуществлено только при одновременном обеспечении их долговечности.

Предшествующийопыт эксплуатации зданий с конструкциями из

древесно-цементных материалов в разнообразных условиях показал, что не во

всех случаях они имели достаточную надежность и долговечность. Так, например, в условиях длительной эксплуатации наблюдалось развитие деформаций и перемещений стен отдельных зданий, сопровождавшееся появлением трещин в стыках, прониканием в них холодного воздуха и появлением конденсата на внутренних поверхностях стен. Все это в конечном счете приводило к аварийному состоянию зданий, вследствие того, что при проектировании конструкций не было учтено влияние фактора времени на механические свойства материала, прочность и деформативность конструкций

в целом. Среди различных факторов, влияющих на показатели до -.ечности конструкций из древесных композитов, изменчивость прочности и деформативности материалов, обусловленная их зависимостью от длительности действия нагрузки, играет определяющую роль.

Следовательно, задача исследования работы конструкционных древесноцементных материалов и несущих элементов зданий на их основе для реальных условий длительной эксплуатации представляется весьма актуальной и

своевременной.

Исследования, положенные в основу диссертации, выполнялись автором в соответствии с планом госбюджетной работы "Исследование легких бетонов на

государственной научно-технической программой "Стройпрогресс-2000" (договор АСП-0066-91 от 03.01.91 г.), а также хозяйственными договорами "Исследование и внедрение эффективных ограждающих конструкций из мелкоштучных блоков на цементном вяжущем и древесных заполнителях из отходов Лапшангского ОЛПХ" (№. г.р. 01880034800) и "Длительные испытания фрагментов гибких стеновых элементов из арболита (№ г.р. 01900016887).

1.2. Цель и задачи работы Целью диссертационной работы является создание и реализация научно

обоснованного подхода к оценке длительной прочности и деформативности

древесно-цементных материалов и несущих элементов зданий с учетом

влияния реологии и анизотропии материалов, вида напряженного состояния, температуры и влажности.

Реализация полученных результатов позволит решить проблему рационального использования древесных отходов в производстве конструкционных строительных материалов и изделий при одновременном решении современных экологических проблем охраны окружающей среды.

Для достижения поставленной цели в процессе проведения научноисследовательских работ решаются следующие основные задачи:

-исследование работы древесно-цементных материалов и несущих элементов на их основе при различных режимах кратковременного и длительного нагружения, а также переменного влажностного режима ;

-исследование структурных изменений, происходящих в материалах на всем протяжении нагружения;

-определение влияния характера и длительности действия эксплуатационных нагрузок на долговечность древесно-цементных материалов;

-.нормирование расчетных характеристик исследуемых материалов с учетом их статистического разброса в отформованных конструкциях и эксплуатационных факторов;

-разработка методики теоретической оценки совместного влияния длительного силового и температурно-влажностного воздействий на прочность и деформативность конструктивных элементов зданий;

-обоснование достоверности теоретических расчетов результатами экспериментальных исследований;

-оценка надежности конструкций из древесно-цементных материалов на базе

данных статических испытаний и разработка рекомендаций по

производственному контролю качества конструкций; внедрение результатов исследований в нормативную литературу, проектную

ипроизводственную практику, а также в учебный процесс. 1.3.Научная новизна

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем :

на основании комплексных исследований впервые установлены общие закономерности процессов сопротивления и деформирования конструкционных древесно-цементных материалов при различных режимах длительных силовых и температурно-влажностных воздействий. Для описания указанных процессов использованы классические уравнения теории вязкоупругости и кинетической концепции прочности. Разработан алгоритм и программа прогнозирования длительной прочности этих материалов при совместном силовом и температурно-влажностном воздействиях; изучены особенности работы несущих элементов зданий из древесно-

цементных материалов в условиях кратковременного и длительного нагружения, а также переменного влажностного режима длительной эксплуатации;

изучена анизотропия прочности древесно-цементных материалов при сжатии и растяжении под углом к направлению формования конструкций, а также анизотропия ползучести и изменения во времени коэффициентов поперечной деформации; выполнен вероятностный анализ статистического распределения прочности

и плотности исследуемых материалов непосредственно в отформованных по разной технологии конструкциях с использованием кривых Пирсона; впервые определены значения нормируемых характеристик прочности и деформативности конструкционных деревобетонов с учетом характера и длительности действия эксплуатационных нагрузок, фактического закона их статистического распределения в готовых конструкциях, температуры и

влажности;

-выполнена теоретическая оценка напряженно-деформированного состояния несущих элементов зданий на основе отходов древесины при длительном силовом и температурно-влажностном воздействиях. Разработан алгоритм и программа расчета несущих элементов. Показано, что для стеновых элементов зданий определяющее влияние на их долговечность оказывает анизотропия механических свойств материала в опорных сечениях, где растягивающие напряжения действуют поперек направления формования конструкций (четвертый октант пространства напряжений);

-в результате вероятностного расчета впервые установлены требуемые значения коэффициента запаса сжато-изгибаемых и изгибаемых элементов с учетом изменчивости резерва прочности, нагрузок и прочностных свойств используемых материалов, а также геометрических размеров конструктивных элементов зданий;

-выполнен анализ коэффициента безопасности конструкций на древесных заполнителях и оценена их надежность по результатам контрольных испытаний опытных образцов готовой продукции.

1.4.Практическая значимость и внедрение результатов

работы Обоснована экологическая и экономическая целесообразность

комплексного использования отходов древесины в производстве древесноцементных материалов и конструкций зданий. Доказана необходимость оценки длительной прочности и деформативности конструкций на основе отходов древесины с учетом взаимосвязанного влияния свойств материала, вида напряженного состояния и условий эксплуатации. Разработаны рекомендации по производственному контролю качества строительной продукции на основе древесных заполнителей, позволяющие повысить ее надежность на стадии изготовления. Реализация результатов работы позволит обеспечить необходимую долговечность зданий различного назначения при полном и

рациональном использовании свойств конструкционных древесно-цементных материалов.

Результаты диссертационной работы внедрены:

- при статистическом контроле прочности и плотности арболита крупноформатных арболитовых блоков, изготавливаемых на временном полигоне ЗСМ Каменской МПМК -1 Ростовагропромстроя;

- при разработке рекомендаций по оценке длительной прочности и жесткости тонкостенных элементов из арболита, которые являются составной частью комплекса работ по созданию конструкций, технологий и оборудования для

изготовления тонкостенных арболитовых элементов, выполненных в рамках программы"Стройпрогресс-2000";

- при проектировании жилых домов и хозяйственных построек различного назначения со стенами из арболита в НПО "Научстандартдом";

-при определении расчетных сопротивлений кладки из опилкобетонных камней, изготовленных в АО "КАЛДЕВО";

-при разработке рекомендаций по оценке качества конструкций из древесноцементных материалов, которые служат основой для проведения

производственных испытаний готовой продукции на предприятиях лесной и деревообрабатывающей промышленности;

- при строительстве жилых домов в г. Нижнем Новгороде по технологии фирмы "Велокс";

- в учебный процесс Нижегородского государственного архитектурностроительного университета.

1.5. Апробация работы Основные положения работы доложены на семинаре общества "Знание"

"Диагностика, обследование и оценка качества конструкций и систем промышленных и гражданских объектов при их реконструкции и эксплуатации" в г. Ленинграде (апрель 1989 г.); на Всесоюзной научнотехнической конференции "Повышение долговечности сельскохозяйственных

зданий и сооружений" в г. Челябинске (март 1990 г.); на научно-технической конференции "Использование промышленных отходов, вторичного сырья и местных материалов в строительстве" Брянского союза научных и инженерных организаций (май 1991 г.); на V и VI научно-технических конференциях "Научно-технические и социально-экономические проблемы охраны окружающей среды" Горьковского областного Совета НТО (октябрь 1988 г., ноябрь 1990 г.); на научных конференциях Северо-Кавказского горнометаллургического института (1985, 1991г.); Горьковского инженерностроительного института (1985...1988 г. г); Нижегородской архитектурностроительной академии (1992...1998 г.г.); Санкт-Петербургского архитектурностроительного университета (1994, 1995 г.г.); на заседаниях научнотехнического совета НПО "Научстандартдом" в г. Москва; на международном симпозиуме " Расчет и оптимальное проектирование строительных конструкций" в г. Владимире (май 1996 г.).

1.6.На защиту выносятся:

-обоснование необходимости в новом подходе к оценке длительной прочности и долговечности конструкционных древесно-цементных материалов;

-результаты экспериментально-теоретических исследований закономерностей сопротивления и деформирования древесно-цементных материалов при длительных силовых и температурно-влажностных воздействиях, а также несущих элементов на их основе;

-определение прочностных и деформационных характеристик конструкционных древесно-цементных материалов с учетом их статистического разброса в отформованных конструкциях, режима и длительности нагружения, анизотропии, температуры и влажности;

-теоретическое обоснование прочности и жесткости несущих элементов зданий из древесно-цементных материалов при основных эксплуатационных воздействиях;

-оценка надежности и методика производственного контроля качества конструкций на основе древесных заполнителей по результатам контрольных испытаний;

-внедрение результатов исследований.

1.7. П у б л и к а ц и и По материалам диссертации опубликованы 53 работы.

2.СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ

Диссертация состоит из введения, семи разделов, общих выводов, списка литературы, включающего 241 наименование работ и 8 приложений. Работа содержит 256 страниц машинописного текста, 120 рисунков, 59 таблиц.

3. СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении определена актуальность проблемы, сформулирована цель исследований, отмечена научная новизна и практическая значимость работы.

В первом разделе дается экологическая оценка древесных отходов. Показано, что накопление отходов древесины приводит к нарушению экологического равновесия в экосистеме и снижению ее устойчивости. Доказана объективная целесообразность использования древесных заполнителей в производстве строительных материалов, изделий и конструкций с экологической и экономической точек зрения.

Рассмотрены основные виды конструкционных древесно-цементных материалов, применяемых в отечественной практике строительства (опилкобетон, арболит, стружкобетон) и за рубежом (дюризол, велокс, пилинобетон, эксельсиор и др.).

Выполнен анализ проблемы долговечности древесно-цементных материалов. Отмечаются достижения отечественных ученых в развитии этого направления (Г. Я. Куннос, О. А. Мадатова, А. Я. Гружанс, Г. А. Бужевич, А. С. Щербаков, В. Г. Разумовский, Б. Н. Смирнов, В. Н. Бухаркин, И. X.