4241

29

от нормативной нагрузки; Мц — изгибающий момент, воспринимаемый расчетным сечением; fu - предельно допустимый прогиб; Мсгс - изгибающий момент, воспринимаемый расчетным сечением при образовании трещин в материале растянутой зоны.

Условие (37) обусловлено тем, что, как показали данные натурных обследований зданий, образование трещин с последующим увлажнением арболита приводит к его поражению дереворазрушающими грибами и химической деструкции древесины заполнителя.

Входящие в расчетные формулы геометрические характеристики плит и прочность материалов являются случайными величинами. Следовательно, и предельный изгибающий момент, воспринимаемый сечением, также является случайной величиной. В диссертации на основании статистического анализа определены дисперсии всех перечисленных случайных величин, коэффициенты изменчивости предельного изгибающего момента и эксплуатационных нагрузок, которые использовались для определения коэффициента запаса плит покрытия для шести снеговых районов страны.

При феноменологическом описании длительного разрушения древесноцементных материалов оно может интерпретироваться как процесс накопления повреждений. Между тем, известные критерии прочности анизотропных тел (К. Норриса, К. В. Захарова, Е. К. Ашкенази и других) разработаны для статического кратковременного загружения и не учитывают накопления повреждений в материале задолго до выполнения соответствующих условий. Поэтому при критериальной оценке длительной прочности сжато-изгибаемых и изгибаемых элементов при плоском напряженном состоянии автором использовался операторный критерий вида

(38)

представляющий собой обобщение критериев кратковременной прочности на длительную прочность, в котором ЛЛ> RUO» и ал , атп - соответственно компоненты тензоров прочности и-напряжений (i,k,m,n = l,2), a f(r,W,T)

30

монотонно затухающая функция времени при определенных значениях влажности и температуры материала, полученная после преобразования зависимости (5).

Для практического применения критерий (38) удобнее трансформировать, представив его в виде

с использованием компонентов тензоров прочности R(t, W, Т)^ и R(i, W, 7),ь,„, определенных через характеристики длительной прочности при одноосном нагружении.

Расчет несущих элементов для заданного срока службы зданий выполнялся с использованием расчетных сопротивлением материалов и

коэффициентов условий работы, учитывающих особенности их эксплуатации.

Проведенными автором исследованиями установлена ярко выраженная анизотропия прочности древесно-цементных материалов растяжению под углом а к направлению слоев укладки смеси при формовании конструкций. Следовательно, растягивающие напряжения CTmt, действующие под углом а* могут ранее других выйти за пределы расчетного сопротивления материала растяжению, подготавливая разрушение конструкции. Для этого случая

условие (39) может быть представлено в виде

а расчетное сопротивление материала растяжению - по формуле (25). В выражении (41) <зх, GJ, т^ — напряжения, действующие относительно главных осей анизотропии X и Y.

Из всех существующих критериев прочности анизотропных материалов

31

критерий Е.К. Ашкенази на наш взгляд является наиболее универсальным, поскольку позволяет выполнить оценку прочности во всех четырех октантах пространства напряжений. Все параметрические точки, необходимые для построения поверхностей прочности в четырех октантах пространства напряжений определены для древесно-цементных материалов автором на базе данных экспериментально-теоретических исследований.

Для плоского напряженного состояния условие (39) с использованием критерия прочности Е.К. Ашкенази и с учетом используемых в диссертации обозначений примет следующий вид:

(42)

где RJ и Ry -расчетные сопротивления материала сжатию или растяжению соответственно вдоль слоев укладки смеси (/?* или RI,,) и поперек слоев (Rb.vo

или Кы.яа); Rb,sh ~ расчетное сопротивление срезу. Параметр Sxy определяется с

использованием параметрических точек в зависимости от октанта пространства напряжений.

Критериальная оценка длительной прочности выполнялась с учетом анизотропии упругих свойств материалов. При этом связь между относительными деформациями и напряжениями в направлении главных осей анизотропии Xи Yпредставлена в следующей тензорной форме:

(43)

где £(vf,t) и Угу, Е (W,T.) и Vy, — длительные модули деформаций и коэффициенты поперечной деформации при напряжениях, направленных соответственно вдоль и поперек укладки смеси при формовании конструкций.

32

При решении плоской задачи поле напряжений и деформаций определяется численным методом - методом конечных элементов. При этом за основу брались четырехугольные плоские конечные элементы. Все вычисления выполнялись на ЭВМ по специальной программе. В каждом элементе в центре его тяжести вычисляются напряжения ал о,, t^, главные растягивающие и сжимающие напряжения, расчетные сопротивления материала растяжению Кы а- и интенсивность напряжений. В диссертации приводятся результаты исследований напряженно-деформированного состояния изгибаемых и сжатоизгибаемых элементов для реальных условий их эксплуатации. Анализ результатов численных исследований показывает, что наиболее опасными сечениями являются те, в которых растягивающие напряжения действуют поперек направления слоев укладки смеси (четвертый октант пространства

напряжений), когда прочность материала растяжению минимальна. Так для стеновых элементов запредельное состояние по условию (39) появляется в опорном сечении со стороны эксцентриситета. Этот вывод наших численных исследований подтверждается результатами натурных испытаний

крупноформатных стеновых панелей из поризованного арболита на внецентренное сжатие, проведенных в НИИЖБ В. И. Савиным, Г. Е. Колосовым и Б. А. Соколовым. Все опытные образцы панелей разрушались после образования трещин в опорном сечении со стороны эксцентриситета. Это обстоятельство может иметь решающее значение для долговечности стеновых конструкций зданий из древесно-цементных материалов, работающих в условиях сложного напряженного состояния.

С целью экспериментального подтверждения теоретических разработок в области расчета несущих элементов зданий из древесно-цементных материалов проводились длительные испытания стеновых элементов на внецентренное сжатие и статический изгиб под расчетной нагрузкой. Для повышения достоверности результатов сравнения все характеристики материала, используемые в расчетах, определялись на образцах, отобранных

33

непосредственно из каждого подготовленного для испытания элемента. Апробация результатов теоретических исследований заключалась в сопоставлении вычисленных значений деформаций, перемещений и нормальных напряжений, распределенных по высоте сечения элементов, с опытными на всем протяжении времени испытаний. Из приведенных в диссертации графиков видно, что аналитические кривые незначительно отличаются от экспериментальных, некоторое различие в которых может быть объяснено статистическим разбросом механических свойств материала по объему испытываемого элемента.

В седьмом разделе рассмотрены вопросы оценки качества и надежности древесно-цементных конструкций, приводятся сведения об экономической эффективности их применения в строительстве.

Задача расчета конструктивных элементов зданий, прочность и деформативность которых зависят от величины и продолжительности действия нагрузки, заключается в том, чтобы гарантировать их надежную работу в течение заданного срока службы. Однако действительная несущая способность каждой изготовленной на предприятии конструкции имеет отклонение от проектной величины Nn из-за колебаний качества реального материала и неточностей изготовления. Для оценки качества изготовленной на предприятиях строительной продукции из материалов на основе отходов древесины необходимо проводить контрольные испытания нескольких опытных образцов. Методика оценки надежности конструкций по результатам контрольных испытаний содержится в работах В. А. Громацкого и В. Д. Райзера. Непосредственное использование полученных ими результатов для конструкций из древесно-цементных материалов не всегда возможно. Это связано с тем, что в предлагаемых решениях не отражен весь диапазон специфических свойств этих материалов.

Опытные конструкции должны загружаться согласно расчетной схеме ступенчато-возрастающей нагрузкой до появления отказа. Партия строительной

34

продукции признается годной, если значения испытательной нагрузки Л' в и испытаниях больше контрольной нагрузки NK , которую предлагается определять с использованием некоторого коэффициента безопасности Ке , т. е.

(44)

До последнего времени отсутствовал научно обоснованный подход к назначению коэффициента безопасности конструкций с органическими заполнителями. Между тем, вопрос о назначении величины К$ имеет существенное значение для обеспечения долговечности зданий из конструкций заводского изготовления. В основу определения коэффициента безопасности положены результаты изучения длительной прочности материалов и конструктивных элементов на древесных заполнителях, а также вероятностный анализ натурных испытаний конструкций. Для оценки вероятностной составляющей коэффициента безопасности автором проведены кратковременные испытания на внецентренное сжатие 25 стеновых элементов и на статический изгиб по двухточечной схеме шести плит из арболита марок Ml 5 и М25. Опытные образцы изготавливались из пористого арболита на низкочастотной резонансной виброплощадке К-1554 способом вертикального формования. Для обеспечения представительности натурных испытаний дополнительно рассматривались результаты экспериментальных исследований конструкций, изготовленных при различныхрежимах формования:

-семи стеновых панелей по серии I-335AK-II (альбом III-9), изготовленных из поризованного арболита марки М50 на виброплощадке с вертикально направленными колебаниями. Панели испытывались на внецентренное сжатие;

-пяти стеновых панелей, изготовленных из пористого арболита марки М25 способом силового вибропроката в цехе Гузерипльского леспромхоза. Испытания панелей проводились на внецентреиное сжатие;

гшести панелей из арболита марки М25, изготовленных с заполнителями из дробленых стеблей хлопчатника и рисовой лузги. Формование панелей

35

осуществлялось на виброплощадке СМЖ-187А с одновременным прессованием под давлением. Испытания проводились на изгиб от равномернораспределенной нагрузки.

Все результаты испытаний рассматривались как малые выборки из генеральных совокупностей значений разрушающих нагрузок для конструкций, изготовленных по разной технологии. Для каждой выборки определялись средние значения разрушающих нагрузок, эмпирические дисперсии и относительные дисперсии. С помощью критерия Бартлета было доказано, что все рассматриваемые выборки принадлежат генеральным совокупностям с равными относительными дисперсиями. В этом случае оценкой генеральной дисперсии о2,», служит относительная выборочная дисперсия 5"'„„. Выборочная дисперсия является точечной оценкой дисперсии генеральной совокупности. Поэтому с целью повышения надежности оценки генеральной дисперсии строились границы доверительного интервала для <siom с использованием S*om и

распределения «хи-квадрат». В результате выполненного интервального оценивания параметра о2,», были установлены границы доверительного интервала для генерального коэффициента вариации, среднее значение которого ()7 = 17%) использовалось при определении вероятностной составляющей коэффициента безопасности. Для определения К^ автором получена зависимость вида

(45) В данном виде коэффициент безопасности учитывает временной режим проведения испытаний, статистический разброс нагрузок при отказах и эксплуатационные условия загружения конструктивных элементов зданий. Здесь t=0.017tj+t2 - приведенное время испытаний; tt - время доведения испытательной нагрузки до разрушающей, с.; tj - время, в течение которого

конструкция выдерживала разрушающую нагрузку, с.

Несущая способность конструкции R* определяется величиной испытательной нагрузки при отказе. Надежность конструкций характеризуете;

36

вероятностью их безотказной работы при испытаниях P(Nn) для заданных значений нагрузки Nn • Партия конструкций считается пригодной при выполнениинеравенства

где FR- (Nfj) - вид функции распределения несущей способности; Рт -

требуемый уровень надежности.

Для оценки вида функции распределения необходимо проведение испытаний большого числа однотипных конструкций. Поэтому вопрос о надежности конструкций из древесно-цементных материалов рассматривался для непараметрического случая, без заранее принятого допущения о виде функции FK. (N11), с использованием результатов теоретических исследований В.А. Громацкого. Из практики проведения натурных испытаний конструкций и изделий на основе органических заполнителей, обобщенных и обработанных автором, известно, что отказы при N< Nn практически отсутствуют. Поэтому с целью увеличения числа отказов и повышения точности оценки P(Nn)

рекомендуется проводить испытания по схеме Бернулли на контрольную нагрузку NK>N/] и по оценке Р(Ык) интерполировать оценку P(Nfj). По результатам испытаний на контрольную нагрузку необходимо проверить справедливость неравенства (46) , т. е. требуется установить с доверительной вероятностью у , что квантильное значение разрушающей нагрузки N > Nn,

где q-[ = 1- РТ • Планы испытаний по схеме Бернулли могут быть получены на основе интервального оценивания параметра P(NK, Nn) с помощью уравнения КлоппераПирсона. Для случая безотказных испытаний на интервале нагрузок [0; NK] (как и принимается при испытаниях рассматриваемых конструкций) получено выражение для определения необходимого объема выборки

(47)

Стандартное значение доверительной вероятности у**составляет 0,9, а выбор требуемого уровня надежности Рт не является математической задачей и

37

определяется степенью ответственности, капитальности и сроков службы здания.

При появлении одного отказала интервале изменения нагрузок [0; NK], когда NU<NI<NK , возможна дополнительная проверка неравенства N4r > Nn no распределению выборочного интервала [N/; AfcJ. Чем меньше разность между порядковыми членами вариационного ряда значений NI и N2, тем меньше справедливость неравенства N^ > Nn. Этот критерий основан на том, что полученные из выборочного приемочного контроля качества строительной продукции порядковые значений N/; N& ..., Nn образуют цепной процесс Маркова и объем выборки назначается в зависимости от результатов предшествующей серии испытаний. Установлено, что при неравенстве

(48)

партия продукции или отклоняется от приемки, или проводятся дополнительные испытания числа конструкций пд на контрольную нагрузкуIIIJT

(49) где NI - нагрузка, соответствующая отказу конструкции на интервале [0; N/J.

В этом случае общий объем и0 = п+пд для тех же значений /V и у" определяется по формуле

(50)

Если при дополнительных испытаниях на интервале изменения нагрузки [0; N'K] не будет отказов, то партия изготовленной продукции признается годной. Применение рассмотренного метода для оценки качества продукции массового изготовления позволит обосновать объем выборки для проведения приемочных испытаний с учетом величин контрольных нагрузок, заданной доверительной вероятности и требуемого уровня надежности.

Надежная работа конструктивных элементов зданий из древесноцементных материалов зависит также от того, находятся ли напряжения от действия эксплуатационных нагрузок в пределах первой области упругого деформирования. Поэтому при оценке их качества обязательна дополнительная

деформирования; На основе изложенного подхода к оценке надежности изготовленной на

предприятиях строительной продукции из древесно-цементных материалов разработаны рекомендации по проведению приемочных испытаний и оценке полученных результатов.

Экономическая эффективность строительства зданий из материалов на основе отходов древесины исследовалась в различных научных и проектных организациях страны, а также автором. Анализ технико-экономических показателей, полученных в НИИЖБ, ЦНИИПромзданий и ВНИИДРеве, показывает следующее. Расчетная себестоимость производства и применения стеновых конструкций из арболита на 24...33% ниже себестоимости легкобетонных панелей из ячеистого и газосиликатного бетонов, на 34...62% - по сравнению с утепленными железобетонными и керамзитобетонными панелями, на 41...48% - по сравнению с утепленными асбестоцементными панелями. Трудоемкость возведения стен из арболитовых панелей с учетом их изготовления и монтажа на 35...50% ниже, чем для стен из легкобетонных конструкций. Проведенными в НИИЭС Госстроя СССР исследованиями установлено, что основные статьи затрат при производстве арболита составляют: сырье и материалы - 26...45%, заработная плата - 20...43%, цеховые расходы, с учетом амортизационных отчислений, - 12...42%, общезаводские расходы - 7...9%, электроэнергия и топливо - 5...6%. Следовательно, затраты на сырье и материалы, заработную плату и цеховые расходы, имеющие наибольший удельный вес, являются источником снижения себестоимости древесно-цементных материалов. Рентабельность производства изделий и конструкций из арболита на предприятиях лесной промышленности, приблизившихся к освоению проектной мощности, составляет 31,4...97,3%, а