Механическая прочность древесины, страница 3

Владивосток, 1997 г.;- Региональной научно-технической конференции «Приморские зори», г.Владивосток, 1998 г.;-2-ой научной-техничсекой конференции молодых ученых в МГСУ, г.Москва, 1999 г.;Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых, г.Москва, 2000 г.;Научной конференции аспирантов и докторантов МГУЛ, г. Москва,2003 г.Научной конференции по современным проблемам механики иприкладной математики, г. Воронеж, 2004 г.;Конференции по проблемам прочности материалов, используемых вавиастроении, г. Воронеж, 2004 г.;Конференции по механике, математике и информатике в г.Тула, 2004Г "А также в лаборатории деревянных конструкций ЦНИИСК, г.

Москва,в лаборатории Института горного дела, г. Новосибирск, на семинарахмеханико-математического факультета МГУ и т.д.19Перечень положений, выносимых на защиту,вытекает изпоставленных задач, решенных в ходе работы:1. Применимость к древесине гипотезы Треска о максимальномсопротивлении сдвигу.2. Применимость критериев синтетической теории прочности ксложному анизотропному материалу, которым является древесина.3. Принципиально новый вид сопротивления нагрузке, которыйпоказал эксперимент.4. Построение полной диаграммы «напряжение - деформации» сучетом нисходящей ветви при сжатии и изгибе в различныхнаправлениях относительно анизотропии свойств.5. Упругие постоянные для древесины сосны при жестком режименагружения.6.

Выбор нового размера испытуемого образца взамен стандартного,обусловленный влиянием масштабного фактора.7. Новая, современная методика проведения эксперимента при«жестком» нагружении.Здесьсознательноне упоминаютсянекоторыелюбопытныерезультаты, полученные при испытаниях образцов с трещиной, так какбольшая часть из них представлена в предыдущей диссертационнойработе.1.2.Роль исследований древесины в развитии научной мысли, атакже основные этапы пополнения знаний о древесине.Человека всегда волновал вопрос, что может выдержать тот или инойматериал, каким способом легче его обрабатывать и в каких отрасляххозяйства использовать с максимальной выгодой.20Трудно с достоверностью сказать, когда он впервые задумался опроведении эксперимента с целью понять механизм разрушения того илииного материала.

Первыми зафиксированными подтверждениямиоразмышлениях над подобными проблемами являются рисунки великогоЛеонардо да Винчи с присутствием идеи провести опыт по измерениюудлинения образца под действием сил тяжести.Но точно известно, что большинство величайших механиков всехвремен использовали древесину в качестве уникального материала дляпроведения экспериментов и создания новых открытий, описывающихповедение твердых тел вообще, а не только деревянных, под нагрузкой.В эпоху Возрождения Галилею приписывают создание первойтеории прочности.

Он заметил, наблюдая разрушение балок при изгибе,что разрыв продольных волокон наступает в момент, когда наибольшеенормальное напряжение достигает предельной величины, свойственнойданному материалу.Галилей не обошел вниманием и древесину. Рассматривая стволдерева, выдерживающий нагрузки сотню и более лет, он пришел к выводу,что трубчатые балки лучше сопротивляются изгибу, чем балки сплошныеи наглядно продемонстрировал это явление на примере соломинки.Следующееупоминаниеобэкспериментальномприменениидревесины датируется последней четвертью 17-ого века.

Роберт Гук приоткрытиисвоегознаменитогозаконапроводилчетыретипаэкспериментов. Одним из них было определение прогибов конца консолидеревянной балки с целью получить подтверждение закона упругости.В 17 - 18-ых столетиях исследователи в области механики твердоготела ограничивались исключительно проблемой разрушения.

В тех работахможно найти длинный список разрушающих нагрузок для различныхматериалов, в том числе и для древесины.21Большинствоэкспериментаторовтоговременииспользовалодревесину в своих опытах для попытки объяснить различные явления,происходящие во всех твердых телах под нагрузкой [7].Например, Дюамель в 1742 году определял положение нейтральнойлинии и примыкающих к ней зон растяжения-сжатиянепосредственноперед разрушением в призматической балке, выполненной из ивы.

Онпытался определить, как влияет положение нейтральной линии наразрушающую нагрузку. В поперечном сечении посередине пролета онпропиливал щели на различную глубшгу, после чего вставлял в эти щелидубовые клинья. Дюамель исследовал 24 образца свободно опертых балок.Ему удалось обнаружить интересный, как он утверждал, парадокс вповедении балок. Свободно опертые ивовые балки одинаковых размеров сдубовыми клиньями, вставленными в щель, пропиленную на три четвертивысоты, оказались более прочными, чем такие же ивовые балки, неимеющие разрезов.На год раньше Дюамеля Бюффон измерил не только силу,требующуюся для разрушения свободно опертых дубовых балок, но ивеличинупрогибапосерединепролетанепосредственнопередразрушением.

Он подробно описал состояние, вероятный возраст и датупорубки девяноста дубовых деревьев, из которых изготавливал балкикруглого и квадратного поперечных сечений. Балки брались из различныхчастей ствола на разной высоте свежесрубленных живых и сухостойныхдеревьев, возраст которых оценивался от 33 до 110 лет.Бюффон составил обширные таблицы прогибов деревянных балокперед образованием трещин и непосредственно перед разрушением, атакже попытался оценить влияние числа годовых слоев, плотностидревесины, а также взаимного расположения слоев иприложеннойнагрузки.

По-видимому, это первое указание в научной литературе наанизотропию свойств.22Первой обширной работой по поведению дерева под нагрузкойсчитают исследованияФрансуа Дюпена в 1811 году, проведенные помалымобразцовдеформациямпринагрузках,намногоменьшеразрушающих, подтвердив справедливость закона Гука для древесины допределаупругости.Дюпензаинтересовалсяизменениемформыдеревянных судов после спуска на воду.

В примитивных условиях онпровел серию экспериментов, в которых измерял прогибы и устанавливалвид упругих кривых свободно опертых двухметровых призматическихбалок, выполненных из кипариса, дуба, сосны и березы. Для каждойбалки, которая в поперечном сечении представляла собой квадрат состороной в 3 см. был определен удельный вес. Сравнивались два типавнешнихнагрузок:сосредоточеннаясилапосерединепролетаиравномерно распределенная нагрузка.Дюпен обнаружил, что при очень малых действующих нагрузкахпрогибы пропорциональны им. Однако по мере увеличения нагрузкиприращения прогибов перестают быть пропорциональными приращениямнагрузки.НаоснованиисвоихисследованийДюпенпредложилпараболический закон зависимости прогиба от действующей нагрузки.Он также обнаружил, что для балок одинаковых размеров иодинаковыми историями нагружения сопротивление прогибу возрастает сувеличением плотности древесины.Дюпен был первым, кто точно определил величину прогибапосередине свободно опертой балки в начальной стадии нагружения.В 1822 году Ходкинсон проводил испытания балок из сосны,данцигской пихты и квебекского дуба.

Он еще до начала экспериментаотошел от общепринятого в те времена представления об упругой работематериала и положении нейтральной линии посередине балки.Чтобы определить положение нейтральной линии при малыхдеформациях Ходкинсон прикладывал к свободно опертым балкам23больших размеров сосредоточенные нагрузки посередине пролета. Емуудалось измерить изменение длины крайних волокон и установить, чтоотношение высоты зоны сжатия к высоте зоны растяжения в среднем длятрех пород дает 4\5.На протяжении более чем 20 лет Ходкинсон проводил экспериментыне только с деревом, но и чугуном, ковким железо и камнем. Он писал, чтов этих материалахдаже самые маленькие нагрузки приводят квозникновению остаточных деформации, "ни одно тело не возвращается ксвоей исходной форме, после того как в его конфигурации произведеныизменения".В 1846 году Вертгейм и Шевандье дали первое законченноеисследование упругой анизотропии дерева [133, 134].

Выбрав дляисследований 94 дерева таких пород, как дуб, бук, пихта, сосна, граб,береза, акация, вяз, ясень, платан, клен, осина, тополь и ольха, ониприступили к исследованию различных упругих свойств и прочностиобразцов, взятых из различных частей одного и того же дерева, при разныхвлажностных условиях в сравнении с характеристиками влажности деревав целом. Они систематически изучали модули упругости и скорости звука,определенные по продольным и поперечным колебаниям.

Однаконаибольший интерес представляет их детальное исследование анизотропиидревесины2наобразцах,которыевырезалисьврадиальномитангенциальном направлениях на различных уровнях по высоте ствола ипри разных средних значениях радиусов. Они сравнивали эти результатысо значениями модулей упругости, найденных для образцов, вырезанных ввертикальном направлении вдоль волокон.Среди шестнадцати выводов, каждому из которых соответствует своятаблица данных, были весьма значимые не только для древесиноведения,но и для механики и прочности древесины:2Эти исследования были высоко оценены Сен-Венаном.24- модуль упругости у маленьких образцов хорошо согласуется смодулем в больших брусках, взятых из того же дерева;- остаточные деформации всегда измеримы даже при сравнительномалой" полной деформации; древесина обнаруживаетзаметнуюанизотропию;- дляполучениявоспроизводимыхрезультатовнеобходимоопределять содержание влага;- модули упругости и прочность уменьшаются в одинаковой степени свозрастом дерева;- различие в почвах произрастания деревьев оказывает существенноевлияние на упругие свойства древесины одного и того же вида;- при условии учета содержания влаги механические свойствадревесины не зависят от промежутка времени, прошедшего смомента порубки дерева;- место, из которого взят образец, вдоль ствола или вдоль радиусасреза, оказывает заметное влияние на значения констант упругости ипрочности, которые уменьшаются с высотой или удалением от осиствола.Практически все выводы имеют большое значение и в наши дни.До конца 19-ого столетия древесина применялась как один из рядаматериалов,применяемыхдляопределениямодулейупругости,коэффициента Пуассона, изучения текучести и упругости.