Masters thesis RU

28 мая 2012 года в Латвийском Сельскохозяйственном университете была
защищена и представлена магистерская работа студента Кафедры деревообработки
Лесного факультета Эдгара Кретаиниса «Механическая прочность и огнеупорность
перфорированных гвоздевых крепежей в деревянных строительных элементах».
Для написания магистерской работы использованы 49 литературных источников, в том
числе
стандарты
древесных
материалов.
В
магистерской
работе
разработана
исследовательская методика для подготовки и испытания образцов, проведены
эксперименты
с
целью
определения
механических
свойств
перфорированных
металлических крепёжных пластин, проведена проверка огнеупорности различных
противопожарных
контрольных
решений
испытаний.
для
Все
соединений,
приведено
полученные
результаты
сравнение
были
результатов
обобщены
и
проанализированы. На основании результатов были сделаны выводы и сформулированы
предложения.
Дальнейшее
описание
работы
полностью
составлено
из
цитат
исследования Э. Кретайниса.
Для
проведения исследований
механической
прочности
и
огнеупорности
использованы пиломатериалы из древесины ели, так как они наиболее часто
используются в создании деревянных конструкций. В качестве образцов для
экспериментов были использованы пиломатериалы класса прочности C24. Образцы
изготовлены согласно нормативу ЕС EN 14 250. Перед изготовлением соединений
каждый образец был спроектирован и его свойства рассчитаны с помощью программы
RoofCon TrussCon. Учитывая размеры поперечного сечения и необходимую для образцов
прилагаемую растягивающую нагрузку, программа выбирает пластины определённого
размера. Изначально выбранная нормативная растягивающая нагрузка составляла 5000
N, однако при перерасчёте с помощью программы и применении коэффициентов
надёжности расчётная нагрузка достигла силы 9000 N, которую образцам было
необходимо выдержать. В интересах предприятия было проверить, смогут ли
проектируемые программами материалы фактически достигнуть той силы, которую
показывают осуществлённые программой расчёты. Таким образом можно выяснить,
являются ли проектируемые программой фермы по-настоящему надёжными.
Сначала пиломатериалы были распилены на раскряжевочной машине с круглыми
пилами на куски необходимой длины. Затем к платформе пресса были прикручены
шаблоны, между которыми были помещены пиломатериалы. С помощью пресса «Wolf
sistems» в древесину были впрессованы перфорированные металлические гвоздевые
пластины. Кондиционирование древесных материалов проводилось при температуре 23
°C и относительной влажности 50% согласно методике LVS EN 13238:2010.
Кондиционирование продолжалось 1 неделю. Согласно показаниям капацитивного
измерителя
влажности
средняя
влажность
образцов
после
кондиционирования
составляла 14,79%.
Исследование механической прочности
Для исследования механической прочности было изготовлено 30 образцов. Из них
10 изготовлены с использованием комбинированной перфорированной металлической
гвоздевой пластины GNT-150 S-K толщиной 1,5 мм и размером 84x221 мм. Ещё 10
образцов изготовлено с использованием перфорированной металлической гвоздевой
пластины GNT-100-S толщиной 1мм и размером 76x119 мм, при этом длина гвоздей
составляла
8
мм.
Остальные
10
образцов
изготовлены
и
использованием
перфорированных металлических гвоздевых пластин TOP W толщиной 1,5 мм и
размером 84x150 мм, длина гвоздей – 13 мм.
Во время проверки оба конца образца подвергались силовому воздействию.
Направление прилагаемой силы совпадало с направлением волокон образцов. Таким
образом, растягивающему напряжению подвергались как доски образцов, так и
испытываемые
перфорированные
гвоздевые
пластины.
Механическая
прочность
испытываемых образцов определялась с помощью испытательного устройства «Instron
KN600» с измерительным диапазоном 600 кН и точностью – 0.1 Н.
Для определения объёма была измерена масса каждого образца. Это было сделано
с
помощью
электронных
весов
«Santorius
CP
3202S-OCE»
с
максимальным
измерительным диапазоном 3200 г и точностью 0,01 г. Плотность образцов была
использована, чтобы выяснить, влияет ли плотность на механическую прочность
образцов.
Чтобы определить прочность каждого соединения с помощью растягивающего
напряжения, были проведены расчёты разрушающей силы для соединений F max (Н).
Была определена также удельная разрушающая сила (Mpa) для каждого образца
соединения
с
перфорированными
гвоздевыми
пластинами.
Значение
удельной
разрушающая силы – это отношение полученного показателя разрушающей силы к
площади соприкосновения перфорированной гвоздевой пластины с древесиной, так как
она находится посередине крепежа. Так как перфорированные металлические гвоздевые
пластины находятся с обеих сторон образца, то вместе получается полная площадь
соприкосновения.
Нагружение испытываемых образцов показано на изображении 1.
Изобр. 1. Нагружение образцов параллельно направлению волокон.
Результаты механических тестов с образцами, изготовленными с использованием
перфорированных металлических гвоздевых пластин типа GNT-150 S-K, обобщены в
таблице 1.
Таблица 1
Результаты испытаний механической прочности перфорированных металлических
гвоздевых крепежей типа GNT-150 S-K
Порядковый Разрушающая
Удельная
разрушающая
Плотность,
номер
сила, кН
1.
16,86
0,91
466,36
2.
16,12
0,87
527,23
3.
15,58
0,84
522,95
4.
18,15
0,97
420,84
5.
19,50
1,05
458,48
6.
15,13
0,81
515,63
7.
18,9
1,01
470,04
8.
20,62
1,11
495,44
9.
18,04
0,97
484,84
10.
14,70
0,79
452,77
сила, MПa
кг/м³
Из приведённых результатов видно, что результаты заметно отличаются, так как
разница между наиболее и наименее прочным образцом составляет 5,92 кН. Наименее
прочным оказался десятый образец. При его осмотре оказалось, что с одной стороны
образца якорные гвозди при монтировании соединения были вбиты точно в щель,
образовавшуюся в результате высыхания и находящуюся на конце пиломатериала. В
случае с шестым образцом, который является вторым наименее прочным образцом, было
констатировано несоответствие классу прочности пиломатериалов C 24, так как ширина
годичных колец составляла 9 мм. Была также установлена причина, по которой результат
восьмого образца был заметно лучше – причиной был сучок, находившийся
перпендикулярно направлению волокон пиломатериала. При создании соединения два
якорных гвоздя были вбиты прямо в сучок, что помешало выскальзыванию гвоздей из
древесины.
При исследовании вопроса, влияет ли плотность древесины на показатели
разрушающей силы соединений, был сделан вывод, что в случае соединений с
перфорированными металлическими пластинами типа GNT-150 S-K корреляция между
плотностью древесины и разрушающей силой является слабой.
Образец был спроектирован с помощью программ «Roofcon» и «Trusscon».
Согласно изначальным расчётам, соединение должно было выдержать нагрузку 9 кН,
однако практически этот вид соединений, с учётом показателей разрушающей силы всех
десяти образцов, выдержал 17,36 кН!
Результаты механических испытаний образцов, изготовленных с использованием
перфорированных металлических гвоздевых пластин типа GNT-100 S, обобщены в
таблице 2.
Таблица 2
Результаты испытаний механической прочности перфорированных металлических
гвоздевых крепежей типа GNT-100 S.
Порядковый Разрушающая
Удельная
разрушающая
Плотность,
номер
сила, кН
1.
34,63
3,83
519,18
2.
27,51
3,04
481,99
3.
31,38
3,47
521,29
4.
32,14
3,55
522,9
5.
28,03
3,10
527,51
6.
26,59
2,94
536,87
7.
26,64
2,95
516,49
8.
24,63
2,72
518,08
9.
36,47
4,03
637,15
10.
27,78
3,07
492,96
сила, MПa
кг/м³
Приведённые в таблице результаты значительно различаются: разница между
наименее и наиболее прочным образцом составляет 11,84 кН.
Девятый образец, разрушающая сила для которого являлась наименьшей, имел два
сучка с обеих сторон соединения, а также очень узкие годичные кольца – около 1 мм.
У восьмого образца обнаружены годичные кольца шириной 9 мм, что послужило
причиной того, что образец выдержал заметно меньшую разрушающую силу.
При изучении того, влияет ли плотность древесины на показатели разрушающей
силы соединений, был сделан вывод, что в случае соединений с перфорированными
металлическими пластинами типа GNT-100 S корреляция между плотностью древесины
и силой разрушения является слабой.
Образец был спроектирован с использованием программ «Roofcon» и «Trusscon».
Согласно изначальным расчётам образец должен был выдержать нагрузку 9 кН, однако
практически этот вид соединения, с учётом показателей силы разрушения всех 10
образцов, выдержал 29,58 кН!
Результаты
испытаний
механической
прочности,
проведённых
с
перфорированными металлическими гвоздевыми пластинами типа TOP W, обобщены в
таблице 3.
Таблица 3
Результаты испытаний механической прочности перфорированных металлических
гвоздевых крепежей типа TOP W
Порядковый Разрушающая
Удельная
разрушающая
Плотность,
номер
сила, кН
1.
42,66
3,39
395,95
2.
48,87
3,89
518,62
3.
51,23
4,07
541,50
4.
39,52
3,14
437,92
5.
51,36
4,08
648,68
6.
45,84
3,64
449,64
7.
38,35
3,04
409,24
8.
43,18
3,43
446,83
9.
43,01
3,41
408,14
10.
42,29
3,36
446,57
сила, MПa
кг/м³
Приведённые в таблице результаты сильно различаются. Разница между наиболее
прочным и наименее прочным образцом составляет 13,01 кН.
При осмотре пятого образца, разрушающая сила для которого являлась
наибольшей, а также третьего образца, показавшего очень хороший результат, было
констатировано, что соединения на обеих сторонах имеют очень узкие годичные кольца примерно 1 мм.
При более близком рассмотрении седьмого образца, показавшего наихудший
результат, было констатировано, что на той стороне, где произошёл отрыв пластины,
ширина годичных колец составляла 4 мм.
При
изучении
вопроса,
влияет
ли
плотность
древесины
на
показатели
разрушающей силы соединения, был сделан вывод, что в случае соединений с
перфорированными металлическими гвоздевыми пластинами типа TOP W между
плотностью древесины и разрушающей силой имеется корреляция средней силы.
Образец был спроектирован с помощью программ «Roofcon» и «Trusscon».
Согласно проведённым расчётам, соединение должно было выдержать нагрузку 9 кН,
однако практически этот вид соединения, с учётом разрушающей силы всех десяти
образцов, выдержал 44,63 кН!
Исследование огнеупорности
Целью проведения испытаний на огнеупорность было выяснить, какое из решений
противопожарной
защиты
является
наиболее
эффективным
для
соединений
с
перфорированными металлическими гвоздевыми пластинами.
Для изучения огнеупорности было изготовлено 18 образцов соединений с
перфорированными металлическими гвоздевыми пластинами типа TOP W. Такая
пластина типа TOP W имеет ширину 1,5 мм и наиболее часто используется в
изготовлении строительных конструкций. Для обеспечения возможности сравнения
эффективности методов противопожарной защиты образцы были отделаны различными
методами. Размеры образцов, методы отделки и группы образцов обобщены в таблице 4.
Таблица 4.
Обозначение групп образцов, размеры образцов и отделочные материалы в испытаниях на
огнеупорность
Обознач.
группы
Размеры заготовок образцов
Толщина досок, мм Ширина досок, мм
образцов
Общая
длина
образца, мм
Число
образов,
Использованные средства
противопожарной защиты
шт
K
45
95
750
3
нет
KA
45
95
750
3
Антипирен Tents
KAu
45
95
750
3
KL
45
95
750
3
KK
45
95
750
3
KR
45
95
750
3
Пенистый антипирен «Unitherm
AWR»
Огнеупорная лента "PyroplastST 100 Bandage"
Деревянные дощечки толщиной
10 мм (со всех четырёх сторон)
Гипсокартонные пластины
толщиной 10 мм
(со всех четырёх сторон)
Для проверки изготовленных образцов в реальных условиях, которым подвергаются
строительные конструкции во время настоящего пожара, было создано вспомогательное
оборудование – рама для принятия силы, камера сгорания, опорная рама гидроцилиндра.
Общий вид вспомогательного оборудования показан на изображении 2.
Изобр. 2. Изготовленное вспомогательное оборудование для проверки огнеупорности.
Главной целью этого вспомогательного оборудования являлось одновременное
подвергание соединения с перфорированными металлическими гвоздевыми пластинами
условиям, сходным с условиями пожара, и растягивающему напряжению. Учитывая, что
конструкции испытывают нагрузку собственного веса, настила крыши, ветровую
нагрузку, соединения необходимо подвергать нагрузке, так как простое сжигание
конструкций не позволяет объективно оценить настоящую прочность соединений с
перфорированными металлическими гвоздевыми пластинами.
Целью испытаний на огнеупорность было определение огнеупорности решения по
улучшению пожароустойчивости соединений с перфорированными металлическими
гвоздевыми пластинами во временном выражении (секундах).
С помощью датчиков температуры была определена температура в камере сгорания,
внутри пиломатериала толщиной 13 мм (соответствует длине гвоздей перфорированной
пластины типа TOP W) и в середине образца. С помощью измерения температуры
оценивают, насколько быстро на определённой глубине нагревается древесина у
образцов с различными решениями противопожарной защиты.
Средние значения огнеупорности образцов во временном выражении показаны на
изображении 3.
1200
1007
950
1000
748
800
600
400
325
202
198
K
KA
200
0
Kau
KL
KK
KR
Изобр. 3. Время разрушения образцов.
Данные изображения 3 свидетельствуют о том, что наихудшие результаты имеют
образцы, обработанные антипиреном. Их средние показатели были на 4 секунды меньше,
чем у образцов, соединения которых вообще не были защищены. Соединение с
металлическими
перфорированными
гвоздевыми
пластинами,
обработанное
антипиреном, после проведения испытания показано на 4 изображении.
Изобр. 4. Соединение, обработанное антипиреном, после разрушения в результате испытания на
огнеупорность.
Как показывает изображение 4, под влиянием жара на поверхности образца образовался
слой кокса толщиной примерно 3 мм, препятствующий процессу горения древесины. На
поверхности перфорированной металлической гвоздевой пластины этого пенистого слоя
нет, потому что на неё не был нанесён антипирен, так как содержащиеся в антипирене
соли могли повредить перфорированную металлическую гвоздевую пластину. Поэтому
пластины были впрессованы в древесину только после того, как древесина была
обработана антипиреном. Так как незащищённое соединение с перфорированными
металлическими гвоздевыми пластинами и соединение, обработанное антипиреном,
показывают очень похожие результаты, рассмотренный вид противопожарной защиты с
помощью антипирена является неудачным и на практике его не рекомендуется
применять именно для защиты соединений с перфорированными металлическими
гвоздевыми пластинами от воздействия огня.
Незащищённое
соединение
с
перфорированными
металлическими
гвоздевыми
пластинами после разрушения показано на изображении 5.
Изобр. 5. Разрушение незащищённого соединения после проведения теста на огнеупорность.
На изображении 5 видно, что поверхность древесины слегка обуглена.
Несколько
лучшие
металлическими
результаты
гвоздевыми
показали
пластинами,
соединения
обработанные
с
перфорированными
пенистым
антипиреном.
Образцы выдержали 325 секунд, что на 38% дольше, чем незащищённое соединение.
Разрушение этого соединения под воздействием открытого огня при напряжении силой
10 кН показано на изображении 6.
Изобр. 6. Разрушение соединения, обработанного пенистым антипиреном.
На изображении 6 видно, что соединение полностью покрыто пенистым слоем толщиной
примерно 10 мм.
При повторном рассмотрении изображения 3 можно видеть, что наилучшие результаты
показали образцы, которые были покрыты гипсокартонными пластинами и те, которые
были обклеены клейкой лентой. Соединения, покрытые гипсокартонными пластинами,
сопротивлялись огню на 80% дольше. Похожий результат показали те соединения,
которые были защищены клейкой лентой – примерно на 78 % дольше, чем
незащищённые соединения. Все эти образцы показывают очень похожие результаты, так
как крепежи не развалились, но разделились скрепленные концы, при этом в месте, где
древесина не была защищена, она загорелась. Соединения с перфорированными
металлическими гвоздевыми пластинами, защищённые клейкой лентой и гипсокартоном,
показаны на изображениях 7 и 8.
Изобр. 7. Соединение, покрытое клейкой лентой, после испытания на огнеупорность.
На изображении 7 видно, что клейкая лента и связующее вещество, благодаря которому
лента крепится к соединению, заметно вздулись, образовав слой пены и клейкой ленты,
который
успешно
защищает
соединение с
перфорированными
металлическими
гвоздевыми пластинами от воздействия открытого огня, поэтому соединение разделилось
в том месте, где оно не было защищено. Таким образом, огнеупорность соединения
зависела от времени обугливания древесины.
Изображение 8. Соединение с обшивкой из гипсокартона после теста на огнеупорность.
На изображении 8 видно, что соединение перегорело и развалилось в том месте, которое
не имело никакой противопожарной защиты. Это значит, что огнеупорность этого
соединения зависит от скорости обугливания древесины.
Отделка соединения с помощью перфорированных металлических гвоздевых пластин
деревянными дощечками толщиной 10 мм также значительно повысила огнеупорность. В
среднем соединения выдерживали комбинированную нагрузку в 3,7 раза дольше, чем
незащищённые
соединения.
металлическими
гвоздевыми
Разрушение
пластинами,
соединения
отделанного
с
перфорированными
деревянными
дощечками,
показано на изображении 9.
Изобр. 9. Разрушение соединения с перфорированными металлическими гвоздевыми пластинами,
отделанного деревянными дощечками.
Эффективность показанного на изображении 9 решения по улучшению огнеупорности
соединений с помощью перфорированных металлических гвоздевых пластин в
строительных элементах деревянных конструкций свидетельствует о том, что это
удачное решение. Это утверждение основано на прогнозируемости скорости обугливания
древесины, удобности использования в производстве, так как этот метод не является
сложным и дорогим, и если конструкции видны, то это улучшает внешний вид
соединений конструкций.
Выводы
• При испытаниях механической
прочности
соединений
с перфорированными
металлическими гвоздевыми пластинами наилучшие результаты показали пластины
типа TOP W, а наихудший результат – пластина комбинированного типа GNT-150 SK.
• При проведении испытаний механической прочности был сделан вывод, что средняя
граница прочности перфорированных металлических гвоздевых пластин типа GNT150 S-K составляет 17,36 кН, GNT-100 S – 29,59 кН, а пластин типа TOP W – 44,63 кН.
• Сравнение результатов с данными, рассчитанными в программах «Roofcon» и
«Trusscon», позволяет сделать вывод, что соединения с пластинами типа GNT-100 S
выдерживают на 92% большую разрушающую силу, соединения с помощью пластин
типа GNT-100 S выдерживают на 228% большую разрушающую силу, а соединения с
помощью пластин типа TOP W выдерживают на 395% большую разрушающую силу.
• Так как все образцы, сконструированные с помощью программ «Roofcon» и
«Trusscon», выдержали разрушающую силу, которая была намного больше
предусмотренной, надо сделать вывод, что используемые программы являются
надёжными и имеют большой резерв надёжности, что делает деревянные
конструкции, в которых используются перфорированные гвоздевые пластины,
надёжными в эксплуатации.
• У пластин TOP W корреляционная связь между разрушающей силой и плотностью
древесины является средней, в то время как у пластин типа GNT-150 S-K и GNT-100 S
эта связь является очень слабой.
• На результаты испытаний механической прочности повлияли сучки, имеющиеся на
образце древесного материала, находившиеся в зоне крепления перфорированной
металлической гвоздевой пластины.
• Проверку на огнеупорность дольше всех выдержали соединения с перфорированными
металлическими гвоздевыми пластинами с обшивкой из гипсокартона.
• В случае образца соединения с перфорированными металлическими гвоздевыми
пластинами, обработанного антипиреном, улучшение огнеупорности констатировано
не было.
• Соединения, покрытые деревянными дощечками, показали на 270 % более
продолжительное время разрушения по сравнению с незащищёнными соединениями.
• В случае соединений с перфорированными металлическими гвоздевыми пластинами,
отделанными дощечками, при нагревании древесины до температуры 445 °C
разрушение происходило путём расслоения древесины.
• Соединения, обработанные пенистым антипиреном, в начале испытания, примерно в
течение одной минуты, демонстрировали быстрое нагревание гвоздевой пластины,
однако при образовании пенистого слоя интенсивность нагревания уменьшалась.
• Наиболее
медленную
динамику
нагревания
перфорированных
металлических
гвоздевых пластин показал вариант улучшения огнеупорности соединений с
гипсокартонной обшивкой.
• Наиболее быстрая динамика нагревания перфорированных металлических гвоздевых
пластин констатирована у соединений, обработанных антипиреном.
• Наибольший
удельный
вес
обугливания
древесины
у
образцов,
покрытых
деревянными дощечками, а наименьший – у соединений, покрытых огнеупорной
лентой.
• Граница
огнеупорности
соединений
с
перфорированными
металлическими
гвоздевыми пластинами является очень низкой, поэтому на практике необходимо
использовать какой-либо из механизмов защиты соединений, чтобы обеспечить
выполнение необходимых нормативов противопожарной безопасности!