Механическая прочность древесины, страница 13

Для бруска с (3=0° плоскость углов а совпадала с плоскостьюгодовых слоев, т.е. являлась тангенциальной плоскостью. Угол а точноопределял угол наклона усилия у волокнам. Когда Р принимали равным90°, а показывал угол наклона к годовым слоям, а плоскость углов асовпадала с радиальным направлением. При изменении р от 0° до 90° и аот 0° до 90° Иванов получил значения предела пластического течения а тдля всего спектра изменения углов.Обработка результатов показала, что а ^ при а=90° для радиального итангенциального направлений составляет около 1\10 его величины приа=0°, т.е. вдоль волокон. При промежуточном расположении годовых91слоев (между радиальным и тангенциальным) и при углах а, близких к 90°,Стпт имеет сниженное значение, примерно, до 1Y20 от ат вдоль волокон.Данные также показывают существенный разброс по разным углам Р,несмотря на тщательный раскрой и подбор образцов, выполненныйисследователем.Интересно проверить опыты Иванова Ю.М.

для образцов различныхпоперечныхразмеров,чтобыисключитьвлияниегеометрическихпараметров на изменение прочности при сжатии под различными углами,определив предельное минимальное значение поперечного сечения.Обобщая обширные вышеизложенные данные можно сделать вывод,что работа древесины при сжатии исследована достаточно полно докритических нагрузок вдоль, поперек и под различными углами кволокнам. Однако налицо и наличие «белых» пятен.Подавляющее большинство экспериментальных данных полученыдля малых образцов из «чистой» древесины, в которой влияние различныхособенностей внутреннего строения древесины может быть достаточновелико.Нет данных о работе древесины при запредельных нагрузках (натретьем участке диаграммы «<Т-Е»).Не исследован эффект упрочнения древесины при сжатии поперекволокон после смятия клеток и значительного уменьшения размеровобразца.Лишь у одного автора удалось найти опыты по определениюустойчивости деревянных стержней, в которых также ничего не говоритсяо влиянии геометрических параметров стержней на потерю устойчивости.В настоящих условиях представляется оченьзатруднительнымпровести исчерпывающие эксперименты по всем спектру проблем работыдревесины на сжатие ввиду многообразия комбинаций углов, разрезов(радиальный, тангенциальный) и различных размеров сечений.92При проведении эксперимента на сжатие древесины необходимоучитыватьтакназываемые«контактные»деформациивместевзаимодействия образца с источником нагружения.

Так как сопротивлениесмятию у древесины более чем в десять раз меньше сопротивлениясжатию, остаточные «контактные» деформации могут быть сопоставимыпо величине с деформациями всего сжимаемого образца.По Иванову Ю.М. контактные деформации присутствуют во всемдиапазоне напряжений [42]. Их развитие можно разделить на три этапа. Напервом этапе происходит уплотнение соприкасаемых с оборудованиемслоев образца. На втором участке уплотнение заканчивается, и контактныедеформации пропорциональны общим. Абсолютнаявеличина этогоотношения будет изменяться в зависимости от высоты образца и качестваобработки торцевых частей.

Нет точных данных о влиянии поперечногосечения на отношение деформаций15. На третьем участке снова можнонаблюдать увеличение контактных деформаций, что можно объяснитьменьшим пределом прочности древесины на смятие, которое начинаетсяраньше, чем необратимые деформации сжатия.Таким образом, проведение испытаний древесины на сжатие, помимосложностей, связанных с различной ориентацией нагрузки и плоскостейсимметрии древесины, затрудняется также наличием деформаций смятияв местах контакта образца с оборудованием.Подготовка такого испытания требует всестороннего пониманияособенностей строения древесины и ее поведения во время эксперимента,,sИванов Ю.М.

проводил очень ограниченные эксперименты, которые не дают четкой картины ввидумалого количества взятых размеров и испытаний. Применялись образцы размерами 20x20x60, 25x25x80,30x30x100 и 100x100x180 мм. Получилось, что самый большой образец обладает наименьшимиконтактными деформациями и более точно показывает общие деформации при сжатии (что опять жеговорит не в пользу стандартных малых образцов).

Но, у Иванова Ю.М. исследование проводилось наодинаковом оборудовании с одинаковой площадкой смятия. Хотя автор и учитывал введениемпоправочных коэффициентов отношение площади смятия к площади грани образца, все же сделанныевыводы 1гуждаются в дополнительной проверке.93чтобыполученныеданныенесталиочереднымзаблуждениемвисследовании прочности древесины.В заключение, в качестве сравнительной характеристики, приведемданные по пределу прочности древесины при различной ориентациинагрузки к волокнам (таблица 3.6).Таблица 3.6Предел прочности древесины при сжатии.Порода Объемный ПределПределПределПределвес,прочности прочности при прочности прочностиг/см3присжатии,припри сжатии,сжатии,кгс/см2сжатии,кгс/смкгс/смпопереккгс/см2попереквдольволоконволоконтангентальном волоконрадиальномнаправлениинаклоннонаправлениив поперекволоконЕль0,45555713958Пихта0,50482842241Сосна0,59753*(?)1324467Дуб0,74762117172Граб0,80724156256Бук0,69445103135в* - автором получено значительно меньшее значение сопротивления сжатию (глава 67), в литературе по древесиноведению также встречаются существенные разбросыприведенных значений.943.4.Работа древесины при изгибе.Одной из самых распространенных задач, требующих точногорешения, является задача об изгибе деревянной балки одной или двумясосредоточенными силами.В такой задаче балку и усилия можно взаимно ориентировать так,чтобы оси выбранной системы координат (см.

пункт 2.1.) совпадали сприродными осями анизотропии и при этом являлись нормалями главныхплощадокнапряжений.Тогдакасательныенапряжениябудутотсутствовать, а стг^сгз^О и а2=0. Такое исследование называется плоскойзадачейтеорииупругостиипластичности.Ееотличительнойособенностью является действие напряжений и развитие деформаций (присоблюдении необходимой точности эксперимента) только в плоскостиXoY. Поэтому в выбранной нами раньше системе координат измененияпараметров по углу ф не учитываются.Решению задачи об изгибе деревянного бруса посвящены сотниработ, и это не удивительно.

С точки зрения практики, именно работаизгибаемого элемента наиболее интересна инженерам и исследователям.Изгибаемый деревянный элемент вбирает в себя все те особенностиреакции внутреннего строения на приложенную нагрузку, какие былиперечисленыв разделах, посвященных растяжениюи сжатиювотдельности, что вполне очевидно, если рассматривать балку при чистомизгибе. В такой балке найдется два типа волокон — сжатые и растянутые,разделенные между собой так называемой нейтральной поверхностью.В настоящее время, как и при испытаниях на растяжение и сжатие, заосновной взят малый образец с поперечным сечением 20x20 мм.Большой объем исследований предела прочности при изгибе проводилХухрянский П.Н.

К сожалению, не удалось найти подробного описания95проведенных им экспериментов,но некоторые полученные выводы,несомненно, будут полезны нам для последующего изложения.Итак, по исследованиям Хухрянского П.Н. [123] при изгибе балкидеформация' растяжения волокон протекает почти до самого моментаизлома только за счет упругих деформаций, что подтверждает ранеесделанное утверждение об упругой работе древесины при растяжениипрактически до самого предела прочности.В сжатом поясе деформации протекают как за счет упругости, так иза счет необратимых деформаций. Как указывалось выше, пределупругости при сжатии вдоль волокон составляет в среднем около 0,7, а прирастяжении вдоль волокон - около 0,9 предела прочности древесины.

Таккак предел прочности при сжатии составляет около 0,4 - 0,5 пределапрочности при растяжении, то по своей абсолютной величине пределпластического течения при растяжении выше предела пластического присжатии вдоль волокон в среднем в 2,5 - 3,5 раза. Вполне естественно, чтотакое различие в свойствах, объединенное в единый образец, при изгибе,оказывает существенное влияние, а именно: предел пластического течениясжатых волокон повышается за счет поддерживающего действия упругихволокон растянутого пояса.Нормальные напряжения крайних растянутых и сжатых волокон приизгибе имеют одну и ту же величину, пока напряжение сжатых волокон недостигнет предела пластического течения.

При дальнейшем увеличениинагрузки напряжение крайних сжатых волокон изменяется незначительно,приближаясь к пределу прочности. При достижении крайними сжатымиволокнами предела пластического течения в зону пластического ядравовлекаются нижележащие сжатые волокна, и так продолжается до самогомомента излома. Растянутые же волокна быстрее достигают своейпредельной деформации.96Однако, до настоящего времени не установлена взаимосвязь междупределом пластического течения при изгибе и пределом пластическоготечения при сжатии и растяжении. Не выявлено, в какой части балки,растянутой или сжатой, разрушение происходит в первую очередь.Статистика экспериментов не дает однозначного ответа на поставленныйвопрос, так как, по-видимому, момент начала разрушения зависит отнезначительных дефектов в деревянном образце.

В каком поясе,растянутом или сжатом, влияние дефектов окажется весомее, там иначнется разрушение.Иногда после появления складок в сжатом поясе наблюдается эффектуплотнения (прессования) древесины, после чего разрушение происходиттолько по растянутому поясу.О влиянии размеров образца на модуль упругости проводилэксперименты Знаменский Е.М. [31]. Вид кривой, полученный им,приводится на рисунке 7.5.Очевидно, и эти выводы мог сделать и сам Знаменский Е.М., чтомалые образцы существенно искажают реальные физические свойствадревесины и ее способность сопротивляться нагрузкам.

И только придостижении образцами необходимых объемов, включающих в себя вполной мере все детали анатомического строения древесины, модульупругости сохраняетсяпостоянным. По графику видно, что придостижении рабочей зоной образца размера, например, 11x11x11 см3,результаты исследований можно принимать, как достоверные. Еслиразмеры меньше, то данные испытания можно рассматривать, какпогрешность вплоть до наиболее малых чистых образцов, на которыхизучают чистую древесину, ошибочно перенося результаты на реальныеконструкции.97Полученная Знаменским кривая, очевидно, имеетважнейшеезначение для определения корректности испытаний на растяжение исжатие, так как оба этих состояния присутствуют в изгибаемом элементе.На основании сказанного в последующих разделах будут приведенырекомендации по выборуоптимальныхгеометрическихпараметровобразца для различных видов испытаний.Современная идеализация работы балки при изгибе заключается вследующих тезисах:- древесина работает как абсолютно упругий материал;- модули упругости равны в сжатой и растянутой зонах;- принимаетсяпрямолинейное распределениенапряжений повысоте элемента;- неучитываютсяместныенапряжения,вызываемыесосредоточенной силой.Совокупность предположений совершенно не согласуются с реальнойработой древесины, что приводит к различию расчетных и реальныхпоказателей прочности порой более чем в два раза.