Длительная прочность древесины и деревянных конструкций с учетом волновой составляющей напряжений

DOI: 10.37153/2618-9283-2025-5-106-120

Авторы:  
Рубрики:    Теоретические и экспериментальные исследования, научно-технические разработки   
Ключевые слова: деревянные конструкции, длительная прочность древесины, кинетическая теория прочности, прочность межатомных связей, древесина как природный полимер
Аннотация:

Введение. Модели сопротивления древесины, сформулированные на начальных этапах разработки теории предельных состояний строительных конструкций и основанные на принятых в классической механике деформируемого твердого тела постулатах, со временем претерпели изменения, продиктованные результатами, полученными в современных исследованиях в области кинетической теории прочности, мезомеханики твердых тел и в других направлениях исследований прочности материалов и конструкций. Уточнение реологической модели древесины оценивается в рамках сопоставления возможностей теорий предельных состояний и кинетической теории разрушения в области длительного сопротивления.

Цель. Обоснование длительной прочности древесины и деревянных конструкций на основе кинетической теории прочности, с учетом волнового воздействия напряжений на прочность межатомных связей элементов структуры древесины как природного полимера.

Материалы и методы. Выполнен анализ исследований (Черных А.Г., Журкова С.Н., Иванова Ю.М., Славика Ю.Ю., Найчука А.Я. и других), посвященных особенностям длительного сопротивления древесины и деревянных конструкций, накопления повреждений, усталостных процессов с точки зрения кинетической теории прочности. Предложена гипотеза о влиянии волнового распространения деформаций на длительную прочность. Теоретически обосновано снижение эффекта сокращения длительной прочности из-за того, что кинетика роста трещин сопровождается встречной кинетикой залечивания трещин, ограничиваемой энергетическим дисбалансом, за пределами которого разорванные межатомные связи не могут восстановиться. Дополнительным фактором снижения эффекта является разнообразие показателей прочности необходимой потенциальной энергии разрыва межатомных связей – высокоориентированной целлюлозы, – определяющей прочность древесного вещества и как природного полимера, и как по-разному сопротивляющейся развитию микротрещин в древесине деревянной конструкции из-за анизотропии свойств, особенно важного для перекрестно-склеенной деревянной конструкции.

Результаты. Расчетным путем показано сокращение длительной прочности на 100 лет, при превышении на 10 % напряжения в состоянии покоя нагруженного элемента во временном периоде от 0 до 120 лет. Предложенная гипотеза подтверждена численными экспериментами, установлено, что волновая составляющая напряжений в деревянных элементах превышает напряжение покоя во время эксплуатации до 40 процентов и более.

Выводы. Механизм сокращения длительной прочности древесины при волновом воздействии напряжений возможно объяснить предложенной гипотезой. Бурное развитие численного моделирования, разработка новых гипотез в прочности материалов в широком интервале внешних воздействий и условий внешних сред позволяют взаимно дополнить теории предельных состояний и кинетическую теорию прочности твердых тел.

Список литературы:

1.         Сосновский Л.А., Щербаков С.С. Обобщенная теория предельных состояний силовых систем //Весцi нацiянальной акадэмii навук Беларусi. Серыя фiзiка-тэхнiчных навук. 2008. № 4. С. 43–49.

2.         Смирнов А.Ф. Сопротивление материалов. М.: Высшая школа. Издание 3-е, перераб. и доп. 1975. 480 с.

3.         Кольский Г. Волны напряжений в твердых телах: пер. с англ. В.С. Ленского. М.: Изд-во иностр. лит-ры. 1955. 194 с.

4.         Дейвис Р.М. Волны напряжений в твердых телах: пер. с англ. М.И. Гусейн-заде. Под. ред. Г.С. Шапиро. М.: Изд-во иностр. лит-ры. 1961. 104 с.

5.         Работнов Ю. Н. Механика деформируемого твердого тела. М.: Наука. 1988. 712 с.

6.         Работнов Ю. Н. Сопротивление материалов. М.: Физматгиз. 1962. 456 с.

7.         Добролюбов А.И. Бегущие волны деформации. 2-е изд, испр. М.: Едиториал УРСС. 2003. 144 с.

8.         Иванов Ю.М. Предел пластического течения древесины. М.: Стройиздат. 1948. 198 с.

9.         Иванов Ю.М. О длительной прочности древесины по результатам испытаний образцов крупного размера // Известия высших учебных заведений. Лесной журнал. 1978. № 1. С. 77–83.

10.       Иванов Ю.М., Славик Ю.Ю. Длительная прочность древесины при растяжении поперек волокон // Известия высших учебных заведений. Строительство и архитектура. 1986. № 10. С. 22–26.

11.       Рекомендации по испытанию соединений деревянных конструкций / ЦНИИСК им В.А. Кучеренко. Стройиздат. 1980. 40 с.

12.       Ярцев В.П., Киселева О.А. Метод прогноза долговечности и длительной прочности древесины в строительных конструкциях // Промышленное и гражданское строительство. 2006. № 6. С. 39–41.

13.       Тюленева Е.М. Уточнение реологической модели древесины // Хвойные бореальной зоны. 2008. № 1–2. С. 179–183.

14.       Журков С.Н. Проблема прочности твердых тел // Вестник АН СССР. 1957. № 11. С. 78–82.

15.       Петров М.Г. Реологические свойства материалов с позиций физической кинетики // Прикладная механика и техническая физика. 1988. Т. 39. № 1. С. 119–128.

16.       Петров М.Г., Равикович А.И. Кинетический подход к определению долговечности алюминиевых сплавов при различных температурно-временных условиях нагружений // Прикладная механика и техническая физика. 2001. Т. 42. № 4. С. 190–196.

17.       Панин В.Е. Основы физической мезомеханики // Физическая мезомеханика. 1988. № 1. С. 5–22.

18.       Найчук А.Я. Оценка прочности узлов деревянных клееных трехшарнирных арок методами механики разрушения // Промышленное и гражданское строительство. 2006. № 6. С. 34–35.

19.       Славик Ю.Ю. Исследование и разработка способов обеспечения заданной прочности зубчатых клеевых соединений в изгибаемых элементах деревянных конструкций: диссертация кандидата технических наук: специальность 05.21.01 «Строительные конструкции, здания и сооружения». Москва. 1978. 243 с.

20.       Романов П.Г., Ковальчук С.Л., Успенская Г.Б. Влияние качества древесины на прочность однослойных и многослойных образцов при продольном сжатии. Печатный. Депонировано во ВНИИИС 17.03.88. № 8739. 9 с.

21.       Черных А.Г., Корольков Д.И., Букелиа А. Обзор и анализ зарубежных моделей накопления повреждений деревянных конструкций. Инновации в деревянном строительстве: Материалы 12-й Международной научно-технической конференции 20–21 апреля 2023 года / Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет. Санкт-Петербург: СПбГАСУ. 2023. С. 5–17.

22.       Черных А.Г., Корольков Д.И., Букелиа А. Обзор и анализ зарубежных исследований по моделированию усталостного повреждения клееных конструкций на основе кинетического подхода. Инновации в деревянном строительстве: Материалы 12-й Международной научно-технической конференции 20–21 апреля 2023 года / Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет. Санкт-Петербург: СПбГАСУ. 2023. С. 229–240.

23.       Романов П.Г. К постановке задачи о волновых проявлениях сопротивления крупноразмерных деревянных однонаправленно и перекрестно склеенных панельных конструкций. Современные проблемы строительства и жизнеобеспечения: безопасность качество энерго- и ресурсосбережение. Сборник материалов III Всеросс. научно-практ. конф. Якутск, СВФУ им. М.К. Аммосова, 3–4 марта 2014 г. С. 171–174.

24.       Романов П.Г., Сивцев П.В. Численное моделирование волновых проявлений сопротивления деревянного образца с идеализированной анизотропией упругих параметров // Строительная механика и расчет сооружений. 2020. № 1. С. 37–44

25.       Романов П.Г., Сивцев П.В. Численный эксперимент по испытаниям на сдвиг перекрестно-склеенного деревянного элемента // Строительная механика и расчет сооружений. 2023. № 1. С. 56–64. DOI 10.37538/0039-2383.2023.1.56.64.

26.       Romanov P.G., Sivtsev P.V. Features of the deformation of cross-glued wooden panel structures for northern construction. 5th International Conference "Arctic: History and Modernity".18–19 March 2020, Saint-Petersburg, Russia. IOP Publishing. IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science 625 (2021) 012018. doi:10.1088/1755-1315/625/1/012018

27.       Romanov P.G., Sivtsev P.V. Features of modeling of stress and strain waves in an anisotropic medium on the example of a wooden element. 6th International Conference "Arctic: History and Modernity".14–15 April 2021, Saint-Petersburg, Russia. IOP Publishing. IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science 625 (2021). 032089 doi:10.1088/1742-6596/2131/3/032089

28.       Romanov P.G., Sivtsev P.V. Numerical modeling of deformation of cross-glued pine wood samples. (Численное моделирование деформаций перекрестно-склеенных образцов из древесины сосны). AIP Conference Proceedings 2528, 020017 (2022); https//doi.org/ 10.1063/5.0106881. Published Online: 06 September 2022. 4 p.

29.       Romanov P.G., Sivtsev P.V. Visualization of deformation and stress waves in wooden solid and glued elements of building structures. Scientific Visualization. Электронный журнал открытого доступа. Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ». Научная визуализация. 2024. Том 16. № 1. С. 95 –104. DOI: 10.26583/св.16.1.08

30.       Лабудин Б.В., Чередниченко В.В., Карельский А.В., Попов Е.В. Численные исследования конструктивных решений высотных зданий из деревокомпозитных элементов // Известия высших учебных заведений. Строительство. 2024. № 6. С. 29–40. DOI: 10.32683/0536-1052-2024-786-6-29-40.