ИСПЫТАНИЯ ФРАГМЕНТА МХМ-ПАНЕЛИ

В Якутии действует ряд мер поддержки. Прежде всего, предоставление муниципальным образованиям субсидий на обеспечение инженерной инфраструктурой земельных участков под ИЖС, в том числе участков, выделяемых многодетным семьям. В 2022-2023 гг. в государственном бюджете республики на эти цели заложено 190 млн. рублей, которые по итогам конкурсного отбора распределены между 10 муниципальным образованиям. Также запланировано обеспечение отдельными видами инженерной инфраструктуры 1051 земельный  участок, из них 885 для многодетных семей.

Объёмы ежегодного выпуска и строительства домов из МХМ-панелей в Республике Саха (Якутия) показывают следующую динамику (Рис. 1).

Производственные мощности ООО ЛПК «Алмас» могут реализовать гораздо большие объёмы производства домокомплектов из МХМ-панелей, выпуск ограничивается заказами на изготовление и поставку. В свою очередь, для увеличения спроса необходимо расширить варианты объёмно-планировочных решений выпускаемых домов. Нужны проекты, в которых совмещены МХМ-панели и элементы стоечно-балочной системы, позволяющие расширить архитектурное разнообразие фасадов домов, их интерьерные решения, получить новые объёмно-планировочные решения в современных домах.

Габаритные размеры панелей устанавливают исходя из планировки помещений здания в соответствии с проектной документацией. Максимальные допустимые размеры определяют исходя из технологической возможности производства, условий транспортирования и не должны превышать 6 м по длине и 3 м по высоте.

При проектировании и сборке стеновых МХМ-панелей в ООО ЛПК «АЛМАС» впервые были разработаны и использованы технические условия ТУ 16.23.20-001-25158601-2018. Панели деревянные массивные стеновые [9]. Дата введения в действие – 10.08.2018.

В соответствии с техническими условиями МХМ-панели изготавливают из пиломатериалов древесины хвойных пород по ГОСТ 8486-88 «Пиломатериалы хвойных пород. Технические условия» [1].

Конструкция панелей должна обеспечивать их прочность и жесткость при транспортировании, складировании, монтаже и эксплуатации при всех возможных видах воздействий включая ветровые, температурно-влажностные, осадочные, сейсмические, при сроке эксплуатации не менее 50 лет с соблюдением требований ГОСТ 27751-2014 [2].

В настоящее время стоят задачи дальнейшего совершенствования МХМ-панелей, подтверждения действующих технических условий, по которым регламентируется выпуск панелей якутского производства. Для дальнейшего совершенствования и развития ТУ необходимо проводить исследования несущей способности и деформативности, длительной прочности в реальных условиях эксплуатации, термического сопротивления, конструктивных возможностей повышения огнестойкости и класса пожарной опасности деревянных МХМ-панелей и узлов монтажа.

Общая гипотеза сопротивления МХМ-панели.

Разрушение фрагмента панели может произойти по пластическому или хрупкому виду разрушения от сжатия, смятия вдоль волокон. Процесс разрушения может начаться с накопления микротрещин, преимущественно между продольно направленными волокнами вертикально расположенных дощатых слоёв. Для последующего визуального контроля и анализа общей картины возникновения и распространения трещин возможно покрытие лаком поверхности испытуемого фрагмента панели. Микротрещины образуются из-за потери местной устойчивости волокон, в местах присутствия естественных природных пороков древесины – сучков, наклона волокон, различных локальных зон нарушения и изменения плотности. При этом предполагается, что гвозди, на которых собираются данные панели из перекрёстно расположенных досок, не вызывают потери местной устойчивости волокон. Микротрещины постепенно сливаются в видимые трещины, которые образуют магистральные трещины, создающие общую картину деформирования. Сопутствующие микротрещинам участки потери устойчивости волокон древесины развиваются в видимые складки на поверхности досок. Видимые складки на поверхности досок свидетельствуют о перемещениях центра сопротивления продольных досок как отдельных элементов системы сопротивления продольной нагрузке. При дальнейшем нагружении панели может возникнуть ситуация, при которой, в какой-то момент, центр сопротивления панели существенно переместится, даже за пределы геометрических размеров ядра сопротивления поперечного сечения панели. Положение ядра сопротивления не стабильно, по мере роста внешней нагрузки, ядро меняет свое положение и форму, «рыскает» по площади поперечного сечения со скоростями, сопоставимыми со скоростью нарастания внешней нагрузки. Положение ядра сопротивления в различных рассматриваемых плоскостях в сжатом элементе меняется в зависимости от потери устойчивости волокон в прилегающих к рассматриваемой плоскости объёмах массива материала.  В сжатой части поперечного сечения панели, на ограниченных площадях, может быть достигнут предел прочности древесины. При этом начнется потеря общей устойчивости испытуемого фрагмента панели, и панель может разрушиться из-за потери общей устойчивости при гораздо низких показателях предела прочности, чем нормативная прочность фрагмента панели при продольном сжатии. Чтобы исключить такое явление,  возможно применение дополнительной поддерживающей обоймы из швеллеров, которая исключит общую потерю устойчивости, и приблизит предел прочности древесины фрагмента панели к его нормативному сопротивлению.

Методика испытания фрагмента МХМ-панели.

В рамках решения вышеуказанных задач, в СВФУ им. М.К. Аммосова проведены испытания фрагментов МХМ-панелей, выпускаемых ООО ЛПК «Алмас». Испытания проведены совместно с ОА ЯкутПНИИС, с участием студентов-дипломников группы БА-ТДО-19. Часть материалов испытаний использована в выпускных квалификационных работах бакалавров по профилю ТДО – «Технология деревообработки».

Испытуемый фрагмент выделяется распиливанием из панели в натуральную величину (высота, длина, толщина BхLхН  2500х3000х176 мм). Необходимая ширина (размер L_фр)   определяется возможностями прессового оборудования и характеристиками силовых элементов испытательного стенда. Перед испытаниями фрагмент панели тщательно очищается от пыли, грязи. Испытания фрагмента стеновой панели нагружением выполняются с целью определения фактической несущей способности конструкции и её деформативных характеристик.

Испытания относятся к промежуточным испытаниям опытного образца, в порядке текущего контроля прочности и деформативности продукции в процессе заводского серийного производства, в соответствии с требованиями ГОСТ Р 15.201-2000 «Система разработки и постановки продукции на производство (СРПП). Продукция производственно-технического назначения. Порядок разработки и постановки продукции на производство» [3], и выполняются в соответствии с требованиями ГОСТ 33082-2014 «Конструкции деревянные. Методы определения несущей способности узловых соединений» [4]. Порядок и правила проведения испытаний конструкции приняты согласно ГОСТ 8829-94 «Изделия строительные железобетонные и бетонные заводского изготовления. Методы испытаний нагружением. Правила оценки прочности, жесткости и трещиностойкости» [5].

В случае несоответствия конструкции фрагмента стеновой панели требованиям проекта разработчика, производителя и нормативных документов, будут рекомендованы мероприятия по их устранению.

При соответствии испытуемой конструкции по результатам испытаний принимается решение о готовности фрагмента к приемочным испытаниям согласно ГОСТ Р 15.201-2000 [3].

Разработана методика испытаний в соответствии с требованиями вышеуказанных нормативных документов и ГОСТов. Для изготовления фрагмента перекрестно-собранных на гвоздевом забое деревянных стеновых панелей (тип МХМ) использованы дощатые заготовки из пиломатериала лиственницы, высушенной в заводских условиях, толщиной 22,0 мм и шириной 140 мм в чистоте. Исходя из производственных условий, использованы пиломатериалы сечением 25х150 мм.

Конструкция стеновой панели представляет собой конструкцию из 8 слоёв перекрестно расположенных дощатых заготовок, собранную на гвоздевом забое. Испытуемые панели собраны на гвоздевом забое вручную. Дощатые заготовки профилированы под ребристый профиль с одной стороны, с обеих кромок выбрана четверть. Гвоздевой забой односторонний, рифлеными гвоздями длиной 40 мм, диаметром 3 мм. Расход гвоздей принят, согласно нормативному документу ООО ЛПК «Алмас» 896  шт на 1 кв. метр, при 8 слоях панели. В пересчете на объём, расход составляет 4928 шт/м³.

Панель представляет собой массивную, жесткую конструкцию. Общий вес панели 860 кг, вес 1 кв метра 114 кг. На представленных для испытания панелях оконные и дверные проёмы не предусмотрены.

Возможности прессового оборудования и испытательного стенда ограничены, поэтому из стеновой панели выделен фрагмент шириной 600 мм. Общие размеры испытуемого фрагмента B_фрхL_фрхН_фр  2500х600х176 мм.

Необходимая длина фрагмента (размер L_фр), равная 600 мм,   определена возможностями прессового оборудования и характеристиками силовых элементов испытательного стенда.

Вес испытуемого фрагмента (2500х600х176 мм) панели длиной 600 мм равна 170 кг.

Заготовки стеновой панели изготовлена на производственной базе ООО ЛПК «Алмас» из высушенной в заводских условиях древесины лиственницы. Влажность древесины после камерной сушки должна составлять 8-12%. Фактическая средняя влажность составила 11,2%.

Для измерения усилий применяются манометры по ГОСТ 2405-88 «Манометры, вакуумметры, мановакуумметры, напоромеры, тягомеры и тягонапоромеры. Общие технические условия» [6].

Для измерения ширины раскрытия и глубины трещин применяются наборы щупов №1, №2 и №3.

Для измерения вертикальных и горизонтальных перемещений используются прогибомеры и индикаторы часового типа с ценой деления 0,01 мм.

При проведении испытаний для нагружения использован специальный испытательный стенд, расположенный в испытательном цехе ИТИ СВФУ им. М.К. Аммосова,  сконструированный специально для данных испытаний.

Испытания конструкции проводятся при положительной температуре воздуха.

Предварительно испытательный стенд обследуется, при необходимости выполняются работы по ремонту и усилению элементов конструкции стенда, подготавливаются необходимые приспособления, проверяется действительность поверки средств измерения и их работоспособность. За день до проведения испытаний фрагмент панели устанавливается в проектное положение. После монтажа фрагмента выполняется монтаж испытательного оборудования (распределительная балка, траверсы стенда и гидродомкраты). Перед испытанием гидродомкраты оттарированы на поверенном гидравлическом прессе П-125. По результатам тарировки составляется протокол аттестации оборудования, в котором приводится таблица зависимости между фактическими значениями  нагрузки и показаниями манометра для каждого домкрата.

Под основанием фрагмента панели и под стальной балкой нагружения для выравнивания поверхности контактов, размещены прокладки из многослойной фанеры толщиной 40 мм.

Рисунок 2. Фрагмент панели на стенде перед испытанием (торец у оси 1)

 Рисунок 3. Фрагмент панели на стенде перед испытанием (фасад 1-2)

В процессе испытания регистрировались:

а) значение нагрузки, время нагружения и снятия показаний со средств измерений на каждой ступени;

б) значения горизонтальных перемещений на точках установки индикаторов часового типа и значений вертикальных перемещений прогибомеров;

в) значение нагрузки при разрушении и характер разрушения фрагмента;

Значение нагрузок в процессе испытаний регистрируются по тарированным манометрам гидравлических домкратов. Трещины фиксируются с помощью рулеток и набора щупов. Значения перемещений регистрируются индикаторами часового типа ИЧ-10 и ИЧ-10 и прогибомерами 6-ПАО.

Нагрузка прикладывается поэтапно ступенями не превышающими 10% от контрольной нагрузки по прочности.

На каждой ступени нагружения фрагмент выдерживается под нагрузкой в течении времени регистрацией отсчётов на средствах измерения.

После приложения контрольной нагрузки фрагмент выдерживается под этой нагрузкой в течении 30 мин., после чего следует продолжать нагружение.

Во время выдерживания конструкции под контрольной нагрузкой проводится тщательный осмотр поверхности конструкций и фиксируются появившиеся трещины, перемещения точек конструкции. Во время наблюдений за различными изменениями в журнал записывают моменты появления тресков, перекосов и т.п.

Значение нагрузки и характер деформаций, размеры, направление, глубина трещин записываются в таблицу, приведенную в приложении.

Разрушение фрагмента панели при нагружении характеризуется проявлением нарушения сплошности материала (например разрыв, раскалывание деревянных элементов – досок, из которых составлена панель). Моментом разрушения фрагмента стены без проявления нарушения сплошности считается резкое падение усилия и непрерывный рост деформаций без изменения величины прилагаемого усилия.

Значение контрольной нагрузки по проверке прочности и схема нагружения фрагмента панели назначается в соответствии с предварительными расчетами.

Назначаются три контрольные нагрузки по прочности:

- по величине расчетной проектной для двухэтажного жилого дома 1650 кг/см;

- по величине расчетной проектной для трехэтажного дома равной 2235 кгс/см;

- по величине расчетной проектной с учетом коэффициента безопасности 1,6, равной 3576 кгс/см.

При этом общая нагрузка на опытный образец составляет соответственно 9900, 13410 кгс и 21456 кгс.

Нагружение фрагмента панели должно производиться ступенями, размер нагрузки на ступени не должна превышать 10% от контрольной, принятой по расчётному значению. Учитывая, что настоящие испытания проводятся впервые и неизвестно поведение конструкции, нагружение конструкции может выполняться с меньшими значениями нагрузок.

Схема опирания опытной конструкции – фрагмента панели соответствует проектной документации, предоставленной ООО ЛПК «Алмас».

Фрагмент стеновой панели будет испытываться в том положении, в котором стеновая конструкция эксплуатируется. Опытная конструкция устанавливается на выравнивающий элемент из многослойной фанеры толщиной 40 мм, причем такой же выравнивающий элемент устанавливается с верхней стороны под траверсой.

Распределённая нагрузка на фрагмент панели должна создаваться с помощью распределительной металлической балки-траверсы и гидродомкратов, сосредоточенных в двух точках на расстоянии 250 мм от краев испытуемого образца.

Рисунок 4. Средние значения нарастающих деформаций от нагрузки

Нарастающие деформации, мм.  Данные представлены АО ЯкутПНИИС. Обработка данных выполнена П.Г. Романовым (СВФУ).

 Рисунок 5. Выгиб фрагмента панели

Выводы.

При нагружении фрагмента панели на 1-6 ступенях происходила стабилизация испытательного стенда. Стенд собран из нескольких составных частей, которые при нагружении натягивались неравномерно. Влияния обоймы из швеллеров на несущую способность и деформативность не зафиксировано. Сопротивление оснастки, ввиду составности, происходило крайне неравномерно, к концу испытаний, после 30-й ступени началась потеря параллельности плоскостей (поверхностей) опирания, расчетная схема вышла из проектного положения. Результаты данных испытания следует считать весьма важными для последующих испытаний, для исключения при последующих испытаниях начальных деформаций оснастки, обусловленных конструктивными несовершенствами изготовления и монтажа. По этой причине представлен график средних значений нарастающих деформаций (Рис. 4.).

Заключение.

По результатам испытаний фрагмент деревянной стеновой панели выдержал контрольную (проектную) нагрузку равную 25750 кгс. Коэффициент безопасности (запаса) К_б по результатам испытаний составил 3,6 при требуемом 1,87. Производство МХМ-панелей обеспечивает соответствие выпускаемой продукции требованиям действующих технических условий – ТУ 16.23.20-001-25158601-2018. «Панель массивная деревянная стеновая и деревянные конструкции из хвойных пород древесины». ООО ЛПК «Алмас». Якутск, 2018 [9].

Рисунок 6. Во время испытаний

Благодарности:

Генеральному директору АО ЯкутПНИИС, к.т.н. О.И. Матвеевой, сотрудникам А.Т. Винокурову, Л.С. Саввинову, Д.М. Трофимову, К.Т. Павлову, В.Н. Иванову.

Список литературы:

1. ГОСТ 8486-88 «Пиломатериалы хвойных пород. Технические условия»
2. ГОСТ 27751-2014     «Надежность строительных конструкций и оснований. Основные положения».
3. ГОСТ Р 15.201-2000 «Система разработки и постановки продукции на производство (СРПП). Продукция производственно-технического назначения. Порядок разработки и постановки продукции на производство»;
4. ГОСТ 33082-2014 «Конструкции деревянные. Методы определения несущей способности узловых соединений»;
5. ГОСТ 8829-94 «Изделия строительные железобетонные и бетонные заводского изготовления. Методы испытаний нагружением. Правила оценки прочности, жесткости и трещиностойкости»;
6. ГОСТ 2405-88 «Манометры, вакуумметры, мановакуумметры, напоромеры, тягомеры и тягонапоромеры. Общие технические условия».
7. Рекомендации по испытанию соединений деревянных конструкций/ ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко. - М.: Стройиздат, 1981. - 40 с.
8. Ярцев Е.П., Киселева О.А. Проектирование и испытание деревянных конструкций. Учебное пособие. Тамбов, Издат-во ТГТУ., 2005., 128 с.
9. Технические условия ТУ 16.23.20-001-25158601-2018. Панель массивная деревянная стеновая и деревянные конструкции из хвойных пород древесины. ООО ЛПК «Алмас». Якутск, 2018.