Puitkonstruktsioonide paigutiste katseline uurimine

Käesolevas lõputöös käsitletakse puitkonstruktsioonide paigutiste katselist uurimist. Klassikalise ehitusmehaanika ja tugevusõpetuse teooria põhineb Hooke’i seadusel, mis sätestab lineaarse seose koormuse ja selle poolt põhjustatud paigutise vahel. Paraku see seadus, mis sobib küllaltki väikeste mööndustega kasutamiseks mineraalsete materjalide ja terase puhul, on piiratud paljude lisatingimustega, kui koormatavaks materjalideks on polümeerid. Selgub, et ka puit ja puidupõhised materjalid, mille oluliseks koostisosaks on looduslik polümeer tselluloos, deformeerub pikaajalisel koormamisel purustava koormuse lähedase jõuga mittelineaarselt. Lineaarne seos koormuse ja paigutise vahel kehtib vaid suhteliselt väikeste koormuste lühiajalisel rakendamisel. Vaadeldavas lõputöös tehti esimene kokkuvõte TTK ehitusteaduskonna ehitiste õppetoolis tehtud pikaajalisest eksperimentaalsest tööst puitvarraste deformatiivsete omaduste uurimisest. Vaadeldi olukordi, kui muutuvateks suurusteks olid koormuse kestvus, koormuse rakendamise viis ja suurus. Kehtivates normdokumentides on puidu füüsikalis-mehaaniliste omaduste muutust ajas reglementeeritud vaid ligikaudsete arvutusvõtetega, kasutades selleks modifikatsioonitegurit, mille abil teatud olukordades muudetakse arvutustugevuse ja elastsusmooduli väärtusi. Samas on teada, et puittarindite paigutised aja jooksul suurenevad, kusjuures paigutise muutus on ajas sumbuv protsess, mis teatud aja möödudes kustub. On üldiselt teada, et ajas sumbuvate deformatsiooniprotsesside kirjeldamiseks on sobiv kasutada võrrandeid, kus ajateljel on kasutusel logaritmskaala. Nii oli TTK ehitusteaduskonnas plaanitud korraldada pikaajaline eksperiment, et leida puidu füüsikalis-mehaaniliste näitajate muutusi kirjeldatavatesse võrranditesse vajalikke parameetreid. Katsekehadeks olid männipuidust 600 mm arvutusliku pikkusega vardad ristlõikega 12×30 mm. Katsetuste läbiviimiseks oli projekteeritud ja ehitatud spetsiaalne stend, kus sai korraga koormata 8 proovikeha. Koormamiseks olid tarreeritud raskused, mida paigutati selliselt, et varda 300 mm pikkusel keskmisel lõigul tekkis puhtpainde olukord. Paindemomendi poolt põhjustatud varda läbivajumisipaigutist mõõdeti mehaaniliste paigutisanduritega vastavalt ajagraafikule kogu katseperioodi jooksul. Katseperioodi summaarne pikkus kestis neli aastat. 37 Teatavasti sellistes olukordades on mehaanilised andurid elektrilistest ja elektroonilistest anduritest töökindlamad. Elektrilisi andureid kasutati vaid episoodiliselt. Katseandmete töötlemiseks koostati Excel-programmis algoritm, mille tulemusena saadi paigutise graafikud, kus ajateljeks oli logaritmskaala. Vastavalt eeldusele, et paigutise juurdekasv ajas väheneb, saime logaritmskaalal paigutise graafiku, mis oli lähedane sirgjoonele. Meie poolt koostatud võrrandid arvutustugevuse ja elastsusmooduli vähenemiseks vastavalt koormatud aja pikkusele ja paigutise suurusele sisaldavad dimensioonita parameetreid α (arvutustugevuse leidmiseks) ja β (elastsusmooduli leidmiseks). Nende dimensioonita parameetrite katsetulemustest leidmise algoritmi, mis sisaldab paigutiste suurusi koormamise alghetkel ja mingil ajahetkel. Kui α ja β on leitud, on meie poolt loodud algoritmide abil leitav männipuidu oodatav tugevus ja paigutis prognoositaval suvalisel ajahetkel. Meie poolt loodud arvutusalgoritm on heas kooskõlas katsetulemustega. Pikaajalisest katsest võime teha mõned olulised järeldused: 1. Normdokumentides sätestatud tugevus- ja paigutisarvutustes kasutatamiseks soovitatud modifikatsioonitegurid on üldjoontes õiged, kuid nende täpsusklass (vaid üks tüvenumber!) vähegi täpsemate arvutuste jaoks ebapiisav. 2. Pikaajalise konstantse koormusega puitkonstruktsioonide tugevus- ja paigutisarvutustes on normdokumentides toodud arvutuseeskirjad meie arvates liialt ranged. Meie katsetulemuste järgi on männipuidu tugevus- ja jäikusomadused tunduvalt paremad kui normdokumentides vastava tõenäosuskriteeriumiga soovitatavad. 3. Tehnilistel põhjustel jäi puidu katseteseeria niiskes keskkonnas pooleli. Puidu kestvuskoormustega katseid erinevate niiskusrežiimidega võiks uuesti alustada.

This thesis deals with experimental research of timber structural displacements. The classical theory of structural mechanics and mechanics of materials is based on Hooke's law, which provides for the linear relationship between the load and the induced displacement. Unfortunately, the above-mentioned law, suitable for use in the case of relatively small deviations of mineral materials and steel, is limited by an array of additional conditions if the loaded materials are polymers. It also turns out that timber and wood-based materials, an important component of which is natural polymer cellulose, deforms under long-term load with a force similar to destructive load in a non-linear manner. The linear relationship between the load and the displacement applies only in the case of a short-term implementation of relatively small loads. The given thesis for the first time summarises a long-term experimental research of the study of the deformation properties of timber poles carried out by the Engineering Faculty (Chair of Construction) of Tallinn University of Applied Sciences (TTK). Such cases have been looked into, where load duration as well as the loading method and size represented the alternant. The existing normative documents have regulated the changes in the physico-mechanical properties of timber solely applying approximate computational techniques, using a modification factor that enables to amend the values of strength calculation and elastic modulus in some cases. However, it is also known that timber structural displacements tend to increase over time, whereas the change in displacements pertaining to time is a fading process, which goes off after a certain period time. It is generally known that to describe the fading deformation processes the equations where the time axis uses the logarithmic scale are suitable for use. Thus, the Engineering Faculty of TTK intended to carry out a long-term experiment to find the changes in the physico-echanical characteristics of timber in the required parameters of the equations. The specimens were pinewood bars with the approximate length of 600 mm and the cross-section of 12 × 30 mm. To conduct the experiments, a special stand has been designed and built to bear a simultaneous load of 8 samples. Tarred loads have been placed in such a way 39 that in the middle section of the pole's length (300 mm) a pure bending condition occurred. The dip displacement of the pole caused by the bending moment was measured with a mechanic displacement sensor in accordance with the time schedule throughout the entire experimental period. The total length of the experimental period amounted to four years. It is known that in similar conditions mechanical sensors are more reliable than the electrical and electronic ones. Electrical sensors have been used occasionally. To process experimental data, an algorithm has been developed in Microsoft Excel; as a result, displacement graphs have been obtained with the logarithmic scale acting as the timeline. Under the assumption that the increment of displacements decreases over time, we got a displacement graph on the logarithmic scale, which was close to a straight line. Our equations for the reduction of calculation strength and elastic modulus in accordance with load duration and extent of displacement contain dimensionless parameters α (to find the value of calculation strength) and β (to find the value of elastic modulus). Applying the experimental results obtained using the dimensionless parameters, we developed an algorithm containing extents of displacement at the moment of loading and at a random point in time. Once α and β were found, the expected pinewood strength and displacement could be found at a predictable random point in time using the algorithms developed by us. The algorithm for calculation developed by us complies with the experimental results. The long-term experiment allows us to make some important conclusions: 1. The modification factors provided for by the normative documents and advisable for use in strength and displacement calculations are broadly correct, but the accuracy class (only one significant digit!) in the case of more accurate calculations is insufficient. 2. In our opinion, the calculation rules for timber constructions with long-term constant load in the strength and displacement calculations provided for by the normative documents are too strict. According to our experimental results, pinewood strength and stiffness properties are significantly better than the ones with the corresponding likelihood criterion recommended by the normative documents. 3. For technical reasons, the series of experiments using wood in a humid environment remained unfinished. The experiments on timber featuring durable load with different moisture regimes could be initiated anew.