Введение: Древесина как природный материал имеет широкий спектр свойств, которые дают возможность повсеместно использовать ее в разных отраслях жизнедеятельности человека: домостроении, деревообрабатывающей, энергетике, транспорте, и др. [1], [2].  Перед исследователями стоит ключевая техническая задача - увеличение эффективности применения древесины за счет использования конструкций и изделий с малой материалоемкостью и высокими эксплуатационными характеристиками. В настоящее время целесообразно применять новые материалы и технические решения на основе наноклеевых композиций, которые дают возможность оптимально использовать древесину при производстве новых видов деревянных конструкций, при усилении сопряжений и узлов. Подобные решения способствуют повышению надежности деревянных конструкций при эксплуатации, помогают снизить расход древесины и создать конструкции с повышенными прочностными и жесткостными характеристиками и параметрами [3].Методология: Наиболее эффективно исследовать напряженно-деформированное состояние строительных конструкций можно при проведении экспериментальных исследований с использованием следующих методов: метода муаровых полос, метода фотоупругости, метода голографической интерферометрии и метода тензометрии [4]. В отличие от метода тензометрии первые три метода позволяют получить из эксперимента общую картину деформирования элемента в наглядной форме. Необходимой детализации в отдельных областях элемента при исследовании напряжений и деформаций можно достигнуть с помощью соответствующей обработки области и привлечения уравнений теории упругости.Метод тензометрии был выбран для проведения экспериментальных исследований композитных балок, так как он один дает количественную картину перемещений и напряжений, а не качественную, как остальные вышеперечисленные методы. Численные значения напряжений важны в данной работе для подтверждения теоретических исследований. Метод конечных элементов (МКЭ) позволяет получить наглядное представление о распределении напряжений в теле конструктивного элемента. Лабораторная и экспериментальная база Владимирского государственного университета имеет в своем распоряжении необходимую аппаратуру для проведения тензометрических измерений. Большое количество испытаний проведено с применением тензометрической аппаратуры, этот метод является апробированным. При планировании эксперимента определено требуемое количество образцов для установления статистических характеристик материала моделей, а также оптимальное число испытываемых конструкций. Исследования были проведены на четырех вариантах композитных балок, они основывались на вопросах теоретических расчетов прочности и деформативности композитных балок, применяемых в деревянном домостроении, опирались на результаты системного анализа современных деревоклееных конструкций, а также на вопросы теоретических расчетов прочности. Основная часть. Работа по исследованию деревокомпозитных балок была разбита на два этапа. Задачей первого этапа было определение интегрального модуля упругости деревокомпозитной балки, который в отличии от расчетного модуля упругости учитывает пороки и неоднородность структуры древесины. По тождественным показателям на этом этапе была выполнена подборка заготовок балок. Балка, выполненная из цельной древесины, являлась эталонной, поэтому ее показатели сравнивались с исследуемыми балками (рис.1).     Рис. 1. Геометрические параметры и характеристики испытуемых балок       Рис. 2. Три стадии напряженно–деформированного состояния армированного деревянного элемента, работающего на изгиб: а) условно – упругая; б) упруго – пластическая; в) стадия разрушения  Связь между древесиной и предложенным усилением на всех трех стадиях нагружения не нарушается вплоть до момента разрушения, которое происходит из-за разрыва растянутых волокон древесины в зоне наибольших усилий или скалывания (раскалывания поперек волокон) древесины в приопорных зонах от действия главных растягивающих напряжений [6]. Таким образом, в основу расчета деревокомпозитных конструкций положена первая стадия напряженно-деформированного состояния. При этом считается, что связь между элементом усиления и древесиной непрерывна по длине конструкции и обеспечивает их полную совместную работу на весь срок эксплуатации. Рассмотрим стадии напряженно-деформированного состояния испытуемых балок.1. Первая стадия – стадия условно-упругой работы (рис. 2, а), характеризуется значением деформаций, не превосходящим предельные значения упругих деформаций древесины и армирующего слоя. Для древесины – eд  £  eупр; для армирующего слоя – eа  £ eТ. После снятия нагрузки у армированных элементов на первой стадии ос­таточные деформации незначительны или вообще отсутствуют, что дает право их не учитывать. Так как при малых на­пряжениях несколько наруша­ется линейная взаимосвязь между напряжениями и дефор­мациями древесины (особенно при сжатии) (рис. 3), разбирать первую стадию напряженно-дефор­мированного состояния можно лишь как условно-упругую. 2. Вторая стадия – стадия упругопластической работы (рис. 2, б), характеризуется появлением пластических деформаций в сжатых волокнах древесины. Пластическая зона формируется в сжатой части сечения, при возрастании нагрузки она распространяется вглубь сечения. При этом нейтральная ось смещается в сторону растянутых волокон древесины, так как происходит перераспределение напряжений. Деформации растянутых волокон древесины увеличиваются до значения предела пропорциональности, а в армирующем слое достигают предела прочности. Работа элемента на этой стадии характеризуется появлением значительных остаточных деформаций. %Рис. 3. Приведенные диаграммы работы древесины (сосна) по Белянкину-Прагеру:                1 – растяжение, 2 – сжатие 3. Третья стадия – стадия разрушения (рис. 2, в), характеризуется значительным увеличением деформативности армированного элемента при малом увеличении нагрузки. Пластические деформации древесины и армирующего слоя достигают максимальных значений. Происходит разрушение элемента, характер которого зависит от вида армирования (усиления) нижней краевой зоны. С помощью теории упругости анизотропного тела можно оценить напряженно-деформированное состояние армированного элемента на первой стадии работы. Для практических расчетов можно воспользоваться аппаратом сопротивления материалов для частного случая анизотропного тела – транстропного тела [7].Производить оценку предельной несущей способности и напряженно-деформированного состояния на второй и третьей стадиях работы необходимо с учетом упругопластической работы материалов, составляющих композицию [8], [9], [10], [11]. С точки зрения проектирования прикладным является инженерный метод расчета деревянных конструкций по приведенным геометрическим характеристикам. Этот метод опираясь на действующие нормы проектирования деревянных конструкций с достаточной степенью точности позволяет оценивать их несущую способность и деформативность в упругой стадии работы. При выполнении расчета определялась несущая способность и деформативность композитных балок, выполнялся подбор количества слоев стеклоткани в растянутой зоне [12].На первичном этапе расчета были установлены приведенные геометрические характеристики сечения деревоклееной композитной балки, необходимые для расчета конструкции инженерным методом:- площадь приведенного сечения:                        (1)- статический момент инерции:                  (2)- момент инерции:   (3)- момент сопротивления соответственно для сжатой и растянутой зон:                             (4)                           (5),где  – площадь древесины;  – коэффициент армирования; – площадь армирующего слоя;  – коэффициент приведения;  – толщина армирующего слоя;   – высота сечения;    – высота сжатой зоны сечения; - положение центра тяжести сечения.         Расчет был произведен по известным формулам сопротивления материалов по двум группам предельных состояний [10].Расчет по древесине на действие максимального изгибающего момента выполнен для сечений с наибольшими напряжениями, которые находятся в середине пролета балки.Для шарнирно опертой балки на двух опорах при загружении ее точечной нагрузкой в середине пролета изгибающий момент определяется по следующей формуле:                             (6)Расчетное сопротивление древесины при растяжении с учетом усиления должно превышать максимальные нормальные напряжения в древесине растянутой зоны:                    (7)kyw – коэффициент «усиления», получаемый экспериментально [13].Расчетное сопротивление древесины на сжатие должно превышать максимальные нормальные напряжения в сжатой зоне древесины:                            (8)Расчет на устойчивость плоской формы деформирования выполнен с учетом нормальных напряжений при действии максимального изгибающего момента, определяемых по формуле:                    (9)где .                (10)Расчет по второй группе предельных состояний состоит в определении максимального вертикального перемещения и сравнении его с предельно допустимым.На первоначальном этапе вычисляют прогиб балки постоянного сечения высотой h пролетом l без учета деформаций сдвига на действие равномерно распределенной нагрузки P;             (11)Наибольший прогиб в середине пролета балки не должен превышать предельно допустимого прогиба:                 (12)где k=1 – коэффициент, учитывающий влияние переменности высоты сечения;  – коэффициент, учитывающий влияние деформаций сдвига от поперечной силы; kуж - коэффициент «ужесточения», который определен экспериментально [14].Усиление стеклотканью повышает несущую способность деревокомпозитных балок на 34…56 % и уменьшает деформативность на 24…42 % по сравнению с обычными деревянными балками. Усиление стеклотканью с применением наноклеевой композиции повышает их несущую способность на 25…27 % и уменьшает деформативность на 20…25 % по сравнению с балками без применения углеродных нанотрубок [15]. Результаты испытаний композитных балок пролетом 2,25 м представлены в табл. 1. Таблица 1Результаты испытаний композитных балок пролетом 2,25 мСериибалокСечениеНагрузка Р, кгДеформации e´10-4Прогибы, мм Разрушающая нагрузка, кгh, ммb, ммДревесинасжатрастБД-1БД-2БД-3100,070,1104019,6321,627,471180100,269,0-”-19,6021,757,52120099,870,0-”-19,5721,727,451160БК-1-1БК-1-2БК-1-3101,160,8125015,9413,488,881750100,870,0-”-15,8813,598,921830101,070,3-”-15,8813,448,901820БК-2-1БК-2-2БК-2-3101,970,0140020,4814,549,092120102,370,1-”-20,4814,469,222150102,170,0-”-20,5314,509,252030БКУНТ-1-1БКУНТ-1-2БКУНТ-1-3101,269,7125015,3110,957,952400101,069,9-”-15,2610,907,902420101,269,9-”-15,3210,877,932400БКУНТ-2-1БКУНТ-2-2БКУНТ-2-3102,470,0140020,5011,008,02680102,470,2-”-20,5310,987,982690102,269,8-”-20,4411,028,022730Маркировка балок: Серия БД – деревянные балки без армирования;Серия БК-1  – то же, с армированием растянутой зоны стеклотканью в 2 слоя, проклеенной эпоксидной смолой ЭД-20;Серия БК-2 – то же, с армированием растянутой зоны стеклотканью в 4 слоя, проклеенной эпоксидной смолой ЭД-20;Серия БКУНТ-1 – то же, с армированием растянутой зоны стеклотканью в 2 слоя, приклеенной эпоксидной смолой ЭД-20 с включением в ее состав углеродных нанотрубок концентрацией 0.3 %;Серия БКУНТ-2 – то же, с армированием растянутой зоны стеклотканью в 4 слоя, приклеенной эпоксидной смолой ЭД-20 с включением в ее состав углеродных нанотрубок концентрацией 0.3 %.   Выводы. В ходе проведения исследований быто установлено, что инженерный метод расчета рекомендуется применять для деревокомпозитных конструкций в упругой стадии работы древесины. Для расчета усиленных элементов в общепринятые формулы определения краевых напряжений и прогибов необходимо вводить коэффициенты «упрочнения» kyw=1,25…1,5 и коэффициенты «ужесточения» kуж=1,3…1,55, полученные экспериментальным путем [15].