Механическая прочность древесины, страница 5

Причинойпослужилоиспользованиедревесинывсамолетостроении,вбольшепролетных строительных конструкциях в период первой мировойвойны, а такжеразвитиецеллюлозно-бумажнойпромышленности,заставившее ученых обратить внимание на микроструктуру древесины.Из работ советских ученых отметим исследования А.Н. Митинского[62], А.Л. Рабиновича [82], Я.И. Секерж-Зеньковича, Н.Г. Ченцова, К.К.[124], Кнопа[46] и др.Несмотря на наличие достаточно большого количества работ, перваяпопытка систематизации знаний по вопросу об анизотропии свойствдревесины была предпринята Митинским А.Н. в середине 20-ого века.Ему удалось выделить наиболее важные работы, а также поставитьвопросы, на которые не удавалось найти однозначного ответа.

Одним изосновных вопросов при изучении свойств древесины, как анизотропногоматериала, является вид анизотропии.Наиболее часто среди конструкционных материалов встречаетсяортотропная (ортогонально анизотропная) структура. В таком случаеконечному объему материала можно приписать равенство свойств покаждой из трех взаимно перпендикулярных плоскостей, являющихсяплоскостями симметрии.

Оси пересечения плоскостей являются осямисимметрии свойств.Данная гипотеза наилучшим образом описывает небольшие объемыдревесины, на ней основаны все современные стандарты испытаний так32называемых «малых чистых» деревянных образцов, в которых влияниекривизны годовых колец невелико, и им обычно пренебрегают.Для изучения конструкций и сооружений, выполненных из цельнойдревесины, наоборот, предпочтительнее выглядит предположение, что вдревесине существует ось симметрии, совпадающая с природной осьюствола, и все свойства симметричны в плоскостях, перпендикулярных ей —трансверсальная изотропия.Припроведениииспытанийважнымаспектомвыступаетприменимость гипотезы об однородности и непрерывности сплошнойсреды, что также накладывает специфические ограничения на размерыиспытуемых образцов.Таким образом, еще до начала изучения прочности появляетсяпроблема: какой объем древесины считать наиболее оптимальным дляраспределенияосновныхэлементовмикросоответственно, механических свойств.и макроструктурыи,Иными словами, необходимоопределение влияния масштабного фактора на прочность древесины приразличных видах напряженного состояния.О принятыхеще в 50-ые годы двадцатого века стандартах дляпроведения испытаний будет подробнее сказано в главе 3, здесь отметимлишь, что современное развитие испытательной техники ставит подсомнение предположение о том, что «малый чистый» образец наилучшимобразом описывает поведение древесины под нагрузкой.Чтобыосвещениевопроса о выборехарактераанизотропиипредставлялось более полным, приведем основные сведения о микро — имакростроении древесины.332.1.2.

Микроструктура древесины.Для правильного понимания особенностей поведения древесины привоздействиивнешнихсил,необходимочеткопредставлятьсебеособенности ее макро - и микроструктуры. Данный вопрос изучается свосемнадцатого века, накоплен огромный объем знаний, систематизациикоторых посвящено сотни работ. Подробное описание всех структурныхособенностей дерева относитсяк древесиноведению, и неявляетсяприоритетнымвСледуетупомянутьлишьнаправлениемосновныепредставленнойсведения,работе.позаимствованныеисточников по древесиноведению [21, 33, 78, 118, 149], какизряданаиболеесущественные для понимания механических характеристик.Древесина - материал органического происхождения,содержащийнесколько основных химических элементов, из которых складывается егомикро и макроструктура.В процентном содержании химическое содержание, определяющееорганическое строение древесины выглядит так (табл.2.1) [69]:Таблица 2.1.Химическое строение древесины (в процентах).СОНNЗола5043,46Д0,20,3Из вышеприведенных элементов складывается все многообразиедревесной структуры, представленной на схеме рисунка 2.1.Основная составляющая древесины - целлюлоза.

Ее количествозависит от породы древесины и колеблется в пределах 41 - 58%, лигнинасодержится от 20 до 28%, гемицеллюлозы от 20 до 35%.ДРЕВЕСИНАПопутные элементыОсновные элементыt*целлюлозагемицеллюлозаt*гексозаныпентозанылигнинпервичныевторичныежирыминералыкрахмалкрасителисахарсмолыалкалоидыкаучукдубильные веществаРис. 2.1Химическая структура древесины (по Р.Вагенфюру [149]).35Химическиесоединенияопределяютклеточнуюструктурудревесины.Анатомическоестроение клеточной стенки древесиныизученодостаточно полно.

По современным представлениям она имеет сложнуюслоистуюоболочку.Слои существуют двух видов:первичные ивторичные, разделенные срединной пластинкой. Срединная пластинка,состоящаяпреимущественноиз лигнина (до90%)свключениемнебольшого количества гемицеллюлоз и пектинов, обеспечивает связьмеждуклетками. Она отличаетсяпористым строением; капиллярызанимают до 20% ее площади.Первичныеслоиобразованыизбеспорядочнопереплетенныхмикрофибрилл целлюлозы, способных смещаться относительно другдруга.Пустотымеждумикрофибрилламизаполненылигниномгранулярной структуры.Вторичные слои определяют технологические свойства древесины ииграют решающую роль при восприятии нагрузок.

Микрофибриллы вовторичной оболочке ориентированы, в основном, параллельно друг другу,что обусловливает высокую механическуюпрочность древесины наразрыв вдоль волокон.Клеточная структура объединяется в более сложные элементы,которые можно свести к нескольким типам, в зависимости от их функцийв древесине:-древесная паренхима - клетки, являющиеся местом отложенияпитательных веществ;-древесные волокна - клетки, играющие рольмеханическихволокон древесины;-сосуды - система клеток, служащая для проведения воды срастворенными в ней минеральными веществами;36- трахеиды - клетки, служащие для проведения воды, а у хвойныхпород играющие роль механических волокон;- сердцевидные лучи - система клеток, служащих для проведенияводы и воздуха в поперечном направлении ствола;- смоляные ходы - система клеток для накопления и выделениясмолы.Размеры и количественное соотношение анатомических элементовдревесины у одной и той же породы изменяются в зависимости от возрастаи условий произрастания дерева.Величина анатомических элементов в стволе древесных пород неотличается постоянством, изменяясь по диаметру и высоте ствола.Если рассматривать объем древесины более 10" мм , то древесноевещество можно принимать сплошным и однородным, так как количествоструктурныхэлементов достаточно большое, а их индивидуальныесвойства выражены не резко и влияют только на средние показателимеханических свойств вещества клеточной стенки.Наибольшее значение для восприятия механических нагрузок имеютполимерные целлюлозные волокна.

По данным различных авторов степеньполимеризации макромолекул целлюлозы изменяется от 200 до 10 000,причем макромолекулы с низкой степенью полимеризации по восприятиюмеханических воздействий относят к "слабым", с высокой - к "сильным".Микроэлементы,объединяясь,определяютмакроструктурудревесины. Если в стволе дерева провести поперечный разрез, можнообнаружить следующие части ствола: кору, тонкий слой камбия, заболонь(у лиственных пород), ядро (у дуба, каштана, вяза, тополя, сосны, кедра,лиственницы и др.) и сердцевину [27].Сердцевина состоит из мягкой рыхлой ткани с очень низкойпрочностью и совершенно непригодна для проведения испытаний поопределению механических свойств древесины.37У многих пород ближайшие к коре, т.е.

более молодые годовые слоиотличаются более светлой окраской, образуя заболонь.На поперечном разрезе видно, что древесина состоит из рядаконцентрических слоев,расположенных вокруг сердцевины. Эти слоиназываютсякольцами или кольцами прироста. Кромегодичнымигодичных колец обращают на себя внимание узкие радиальные полоски,идущие из коры в древесину - сердцевидные лучи.По особенностям макростроения древесшгу можно причислить ккомпозитным материалам. Можно невооруженным глазом наблюдатьволокна и "заполнитель" - межволокошгую ткань.

Но по сравнению собычным композитом в древесине существует заметное усложнение наличие годовых слоев. Каждый годовой слой состоит из двух частей поздней и ранней древесины, образуемой в разные времена года. Поздняядревесина отличается повышенными механическими характеристиками.Поэтому при исследованиях важно учитывать не только угол наклонадействующих нагрузок к волокнам, но и их ориентацию относительногодовых колец.2.13. Особенности макроструктуры.Любое дерево имеет идеалыгую несущую конструкцию - ствол.Крона дерева воспринимает нагрузку от атмосферных осадков, имеетсущественный собственный вес, колеблется при ветре. Напряжения встволе достигают высоких значений, изменяясь как по величине, так и познаку.

Если учитывать срок жизни дерева, который для некоторых видовможет достигать тысячи и более лет, становится понятным, насколькомудра была природа, создававшая на протяжении сотен тысяч летэволюцииидеальнуюконструкциюпо обеспечениюнеобходимой38прочности растения и проводимости жизненно важных ресурсов от корнейк верхней части дерева.Изучение строения стебля растения и, в частности, ствола дерева далоценные сведения для конструирования инженерных сооружений.Ствол дерева, как естественное природное сооружение, можнорассматривать в виде консоли, находящейся под действием силы ветра,собственного веса и веса кроны.