ЦНИИСК

1.

Новые конструкционные материалы и
ресурсосберегающие
технологии
в
балочных
элементах
на
основе
древесины
Усов А.С., аспирант 3 курса ВлГУ
Фадеев Р.Н., аспирант 3 курса ВлГУ
кафедра Строительные Конструкции
Руководитель: зав. каф., д.т.н., профессор Рощина С.И.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего
образования Российской Федерации в рамках государственного задания в области
научной деятельности (тема FZUN-2024-0004, государственное задание ВлГУ).

2.

Новые тенденции в строительстве
из древесных материалов
2

3.

3
Разработка конструктивных и
технологических решений балок из
древесно - полимерного композита
на основе полилактида (PLA) и
древесной муки осины
изготовленных методом FDM
печати.

4.

Цель, научная новизна и
задачи исследования
Научная новизна
Разработка нового конструкционного
материала на основе
биоразлагаемого термопласта (PLA)
и отходов деревообрабатывающих
предприятий
4
Цель работы
Практическая значимость
Определение напряженнодеформированного состояния балки
из древесно-полимерного композита
на основе полилактида и древесной
муки осины.
Определение возможности
применение балки из исследуемого
ДПК в качестве несущей
конструкции.
Задачи исследования
изучить мировой опыт применения биоразлагаемых термопластов в
качестве конструкционного материала;
выполнить теоретические исследования НДС балок из ДПК;
выявить оптимальные геометрические параметры сечения балки, а
также процент армирования;
разработать рекомендации по подбору параметров балок,
направленные на оптимизацию ресурсных и экономических
показателей эффективности.

5.

Создание опытных образцов
Параметры
создания нити
• Использовались гранул PLA,
комбинированные
с
древесной мукой.
• Температура плавки 160 ° C.
• Диаметр сопла 1.75 мм.
Параметры печати
Экструдер собственного производства
Образцы выполнялись методом
FDM-печати на 3D принтере
Bambu Lab X1 Скорость печати
образцов составила 40-60 мм/с.
Температура печати составила
170-180 ° С.
Размеры образцов
• Растяжение – по ГОСТ 11262–
2017;
• Сжатие - по ГОСТ 4651-2014;
• Изгиб - по ГОСТ 4648-2014
Полученные образцы
3D принтер Bambu Lab X1
5
Наименование
свойства
Ед.
изм.
Значение
Плотность
г/см
3
1.24
Температура
плавления
°C
152.4
Температура
стеклования
°C
59.5
Прочность на изгиб
МПа
55.3
Прочность на
растяжение
МПа
34.8
Прочность на сжатие
МПа
45.4
Параметры полилактида марки 3052D
Наименование
свойства
Ед.
изм.
Значение
Влажность
%
≤8
Массовая доля золы
%
≤1
%
≤4
%
≤0.0016
%
≤5
%
≤5
Массовая доля
окрашенных
примесей
Массовая доля
металломагнитных
примесей
Массовая доля
остатка на сетке
0.18
Массовая доля смол
и масел не более
Параметры древесной муки М200

6.

Испытания полученных образцов
Испытание на изгиб
Испытание на растяжение
Испытание на сжатие
Вид нагрузки
Показатели
Нагрузка, H
Деформация, мм
Предел
прочности, МПа
Растяжение
Сжатие
Изгиб
Среднее
значение
935
5360
78,8
min ÷ max
869 ÷ 971
4780 ÷ 5470
74 ÷ 81,3
Среднее
значение
8.4
2.4
6.9
min ÷ max
6.7 ÷ 9.6
2.2 ÷ 2.5
6.7 ÷ 7.3
Среднее
значение
23.4
53.6
47.3
min ÷ max
21.8 ÷ 24.3
47.8 ÷ 54.7
41.2 ÷ 49.8
Полученные значения пределов прочности
Внешний вид испытанных образцов
6

7.

Результаты испытаний
60
55,3
53,6
50
7
80
47,3
45,4
40
69,1
70
59,6
60
53,6
47,3
50
34,8
40
30
23,4
33,6
30
20
23,4
20
10
10
0
0
Сжатие
Растяжение
Сжатие
Изгиб
Древесина осины
ДПК на ПЛА
Изменение физико-механических свойств полилактида
после добавления 25 масс. % древесной муки осины
Анализ результатов
• Предел прочности на сжатие ДПК
выше ЦД и PLA на 66 % и 18 %
соответственно.
• Предел прочности на растяжение
ДПК ниже, чем у ЦД и PLA 66% и 33
соответственно.
• Предел прочности на изгиб ДПК
ниже, чем у ЦД и PLA на 21% и 7%
соответственно.
Изгиб
Предел прочности, МПа
Предел прочности, МПа
ПЛА
Растяжение
WRC на PLA
Сравнение физико-механические свойства цельной
древесины и ДПК на ПЛА
Название
параметра
Предел
прочности
при сжатии,
МПа
Предел
прочности
при
растяжени
и, МПа
Предел
прочности
при изгибе,
МПа
Цельная
древесина
осины 1
Цельная
древесина
осины 2
Цельная
древесина
осины 3
Цельная
древесина
осины 4
Цельная
древесина
осины 5
Цельная
древесина
осины
(гарантир
ованные
значения )
43
38,9
35,2
36.7
42.5
33,6
121
-
80
142.2
102.2
69,1
77
68,6
64
65.9
79.9
59,6
Значения временных сопротивлений древесины осины из разных источников

8.

Формирование моделей
Е1
10000
Модуль упругости, МПа
Е2
400
ν12
0.02
ν21
0.5
8
Модуль сдвига, МПа
G13
500
Е3
G12
400
500
Коэффициент Пуассона
ν13
ν23
0.02
0.5
G23
500
ν31
0.5
ν32
0.5
Свойства древесины
Модуль упругости Е, МПа
Коэффициент Пуассона
Модуль упругости Е, МПа
Коэффициент Пуассона
4300
0.3
65000
0.3
Свойства ДПК
Свойства АСК
Размеры балок и поперечных сечений
Поперечные сечения моделей
Оптимальный коэффициент армирования

9.

Выполнение расчета в Лира Софт
Изополя перемещений и нормальных напряжений балки из ЦД
9
Изополя перемещений и нормальных напряжений балки из ДПК
Изополя перемещений и нормальных напряжений балки из ДПКа

10.

Выполнение расчета в Ansys
Изополя нормальных напряжений балки из ДПКа
Изополя полных напряжений балки из ДПКа
Изополя нормальных напряжений в арматуре
Изополя полных перемещений балки из ДПКа
Изополя перемещений по верт. оси балки из ДПКа
Изополя полных перемещений балки из ДПКа
(у опоры)
10

11.

Результаты расчета
30
25
20
15
10
11,7
19,8
20
Нормативное значение
прогиба при длине балки
3м
Напряжение, МПа
Перемещение,мм
11
25
24,2
19,8
15,6
15
10
12,41
18,9
12,28
12,41
12,28
10,84
8,32
5
5
0
0
ЦД
ДПК
ЦД
ДПКа
ДПК
Сжатие
1
2
3
Тип балки
Цельная
древесина
ДПК на PLA
ДПК на PLA арм.
стеклопластиковой
арматурой
Прогиб, мм
Сравнение
прогиба
исследуемых
балок с цельной
древесиной, %