Механическая прочность древесины, страница 6

При несимметричной кроне (что чащевсего встречается у хвойных деревьев из-за влияния сторон света на рост)действие ветра вызывает кручение ствола. Эти силы, как указывалХухрянскийП.Н., можно разделить на объемные (собственный вес),равномерно распределенные (сила давления ветра) и распределенные поособому закону в зоне кроны дерева. В местах прикрепления отдельныхветвей к стволу силы, воспринимаемые каждой веткой, передаютсясосредоточенно.Прочность древесины ствола изменяется по диаметру и по высоте,уменьшаясь от нижней (комлевой) части к кроне.Древесина, как основной материал ствола, постоянно находится внапряженном состоянии, причем величина и характер напряженийпостоянно меняются.

В дереве форма ствола и качество древесины тесносвязаны между собой. В сечениях наибольшей концентрации силовыхфакторов диаметр дерева достигает наибольшей величины, а древесина наивысшей прочности.В местах размещения ветвей ствол получает местное утолщение иместное увеличение прочности на скалывание.Рассмотрим подробнее ствол дерева.1 [21, 77, 132]. Мы легко видимосновные элементы его макроструктуры — кору, камбий и основнуюдревесину. Кора обеспечивает защитные функции, камбий отвечает за ростдерева,1Для простоты рассмотрим сечение ствола хвойного дерева. Строение лиственных деревьев значительносложнее.39В центре сечения ствола расположена сердцевина, имеющая формукруглого пятна небольшого диаметра.Вся основная древесина состоит из двух частей, отличающихсяцветовыми оттенками. Внутренняя зона, более темная, называется ядром, аболее светлая заболонью.На поперечном сечении ствола видны концентрические круги,обеспечивающие годовой прирост дерева и называемые годовыми слоями.Продольныйразрезпоказываетоднонаправленнуюволокнистуюструктуру, идущую вдоль всего ствола дерева.Макроструктура образует три основныхразреза ствола: поперечный, радиальный итангенциальный (рис.

2.2). Естественно, чтостроение оказывает решающее влияние намеханические свойства.Наиболеепростымявляетсяпредположение о симметрии упругих свойствРис. 2.2. Основныеразрезы ствола. 1 поперек волокон; 2 вдоль волоконрадиально; 3-вдольволокон тангенциальнодревесинывпоперечныхнаправленияхотносительно оси ствола, другими словами отрансверсальной изотропии древесины, тоесть о наличии в каждом ее элементарномобъеме одной оси симметрии строения, совпадающей с направлениемволокон и обладающей таким свойством, что все перпендикулярные к нейнаправления эквивалентны в отношении упругих свойств.По-видимому, впервые в русской технической литературе своивзгляды о древесине, как о трансверсально-изотропном теле, высказалМитинский Н.Н.При описании трансверсальной изотропии тела удобно ввестицилиндрическую систему координат (рис.

2.3). Мы видим изменение40свойств по оси ствола z, по радиусу г и по углу (р, соответственно,смещения будут us ип и^Общие формулы, выражающие деформации, в новой системекоординат приобретают вид [59]:ди.- •£'дг'1 диигди._г д(ргdz(2.1)1 ди.'0Zг д(рди* .дгдигdzУгг=—lzrди.дг+ —-lJL.+I ГФдгl d urг дер\'IРис.2.3 Трансверсальнаяизотропия древесиныДругое, более распространенное мнение, заключается в описаниидревесины с точки зрения ортогонально анизотропного тела. За плоскостиупругойсимметриикаждогоэлементарногообъемапринимаютсярадиальная и тангенциальная по отношению к годичным слоям плоскостии плоскость, перпендикулярная к направлению волокон. Другими словами,вкаждомэлементарномобъемедревесинысуществуюттри41ортогональные плоскости симметрии.Приверженцами такого взглядавыступали Савар Ф., Кольман Ф., Ванин С И . и другие.Вданной системекоординатные оси проходятпо основнымнаправлениям симметрии древесины, и все основные соотношенияпринимаются, как и в декартовой системе координат.диг* = dzK(dwду,Уди(2.2)Га~{~дх+1к;дуdw** = &Г*у =,dydxJгде u, v, w - проекции перемещения точки на координатные оси при приложениивнешних усилий.Противникитрансверсально-изотропноймоделидревесиныобосновывают свою позицию влиянием сердцевидных лучей на свойства,древесины в каждой точке в плоскости, перпендикулярной к волокнам.Также они учитывают различие в свойствах ранней и поздней древесиныпо всему сечению ствола.Бесспорно,обеточкизренияучитываютреальноестроениедревесины и имеют право на существование.

Трансверсальная модельболее точно описывает большие, в особенности круглого сечения, объемыдревесины. Ортотропная модель выглядит наиболее подходящей дляописания свойств отдельныхучастков ствола.элементов, выпиленных из различных422.2.Факторы, оказывающие существенное влияние на прочностьдревесины.Древесина — живой органический материал. В этом заключается ееглавное отличие от искусственных композитов, прочность которыххарактеризуется заданными при производстве свойствами.Дерево, помимо естественного развития, подвергается в процессежизнивоздействиюмножествафакторов: атмосферным осадкам,климатическим изменениям, особенностям произрастания в той или инойместности и др.Поэтому, чтобы подходить к определению прочности древесины,необходимо представлять себе, какие факторы следует учитывать в первуюочередьпри выбореиспытуемогоматериалаипри введениисоответствующих поправок к получаемым результатам.В этом разделе коротко представлены основные факторы, которыеобязательно нужно учитывать при определении прочности древесины, какв теоретических разработках, так и в экспериментальных исследованиях.2.2.1.

Влияние возраста дерева на прочность.Вопрос влияния возраста древесины на прочность до настоящеговремени исследован недостаточно. Известно, что подробно даннымвопросом занимались русские исследователи Петровский, Богословский,Яхонтов и другие.Главная проблема, с которой они столкнулись,заключалась в определении правильного подхода к выбору образцов изствола, так как каждый участок дерева развивался в определенномвозрасте. Как указывает Ванин СИ., если у сосны 180-ти летнего возрастапредел прочности на сжатие у древесины, взятой в период роста,соответствующий 1-30 годам, составляет 469 юЛсм2, то из этого нельзя43делать вывод, что дерево имела такую же прочность на сжатие в возрасте30-ти лет.

Это объясняется анатомическим строением древесины: ввозрасте 30 лет у сосны ядро слабо выражено, тогда как у дерева в 180-тилетнем возрасте вся древесина периода до 30-ти лет находится в пределахядра.Наиболее существенной работой о влиянии возраста древесины напрочность, по-видимому, принадлежит Быкову М.К.. На основаниипроведенных исследований сосны различного возраста от 20 до 125 лет онпришел к выводу о том, что с увеличением возраста механическиесвойства сосны увеличиваются и достигают максимального значения к 95- 1 1 6 годам.

Также он определил, что степень влияния возраста дерева наразличныевидысопротивлениянеодинакова,инекоторыевидысопротивления, например скалывание, от возраста не зависят.Однако, данные исследования сосны нельзя переносить на другиепороды.Таким образом, целесообразно для определения прочности выбиратьдерево промыслового возраста (для сосны обычно от 50-ти до 100 лет) иобязательно указывать продолжительность жизни дерева перед началомиспытаний.Для корректного сопоставления результатов испытанийследует изготавливать образцы из древесины одинакового возраста.2.2.2.

Влияние объемного веса древесины на прочность.Древесина различных пород по объемному весу подразделяется нашесть классов:-очень тяжелые (более 0,80 г\см при влажности 15%) — самшит,кизил, черное дерево, эвкалипт и др;-тяжелые (0,80 — 0,71) - акация белая, береза каменная, груша, дуб,тис и др;44- умереннотяжелые(0,70-0,61)-боярышник,березаобыкновенная, бук, лиственница сибирская, ясень, яблоня и др;- умеренно легкие (0,60 - 0,51) — арча, вяз, каштан;- легкие (0,50 - 0,40) - бархатное дерево, ель, ива, кедр, сосна, липа,тополь;- очень легкие (менее 0,40) — пихта сибирская, сосна веймутова.Кроме того, среди экзотических пород известны деревья с объемнымвесом менее 0,1 г\см .Объемный вес дерева в пределах одной породы зависит от условийпроизрастания, возраста, местоположения древесины в стволе и другихлесоводческих факторов: вида почв, положения дерева в насаждении и т.п.Объемныйвесявляетсяважнымфактором,определяющиммеханические характеристики древесины, без учета которого не обойтисьпри построении прочностной теории.

Очевидно, что для каждого класса пообъемномувесунеобходимовводитьдополнительныепоправки,учитывающие этот параметр. В пределах одной породы у пределапрочности могут возникать существенные расхождения из-за условийпроизрастания.Поэтому для сопоставления результатов испытаний на прочностьнеобходимо изготавливать образцы из деревьев одной породы, взятых водинаковыхусловияхпроизрастания,тщательновзвешиватьипроизводить обмеры перед установкой на испытательное оборудование.Наибольшим воздействием на прочность объемный вес оказывает присжатии и растяжении вдоль волокон, (уравнение зависимостей выражаетсяпрямой), при скалывании и перерезывании, при статическом изгибе вдольволокон.Объемный вес почти не оказывает влияния на прочность при сжатиии растяжении поперек волокон.452.23. Влияние температуры и влажности.Из внешних воздействий наибольшее влияние на механическиехарактеристики древесины оказывают влажность и температура.С середины 19 - ого века исследователей интересовал вопрос овлиянии окружающей среды на эксплуатационные показатели древесины.Конструкциям приходится работать в условиях многократного изменениятемпературы и влажности.К настоящему времени накопилось достаточное количество данныхпо основным видам напряженного состояния и их связью с температурновлажностным режимом.Основная часть исследований приходилась на середину двадцатогостолетия, в последние годы лишь вносятся уточнения и некоторыедополнения, в основной своей массе, подтверждающие ранее выведенныезакономерности [18,19, 25, 26,42, 55, 61, 66].Коротко остановимся на способности древесины впитывать влагу.Как известно, влага в древесине может содержаться в клеточныхоболочках, в межклеточном пространстве и в химических соединениях.Соответственно, влагу подразделяют на три категории:-свободная(капиллярная), заполняющаяполостиклеток имежклеточные пространства;- связанная (гигроскопическая), пропитывающая клеточные оболочки;- химически связанная, входящая в состав химических веществдревесины.Свободная и связанная влага оказывают существенное влияние намеханические свойства древесины.Максимально возможный предел насыщения древесных клетокколеблется у разных пород древесины около 30%, количество свободнойвлаги превышает 100%.46Интерес для исследователей, проектировщиков и строителей имеют,в первую очередь, зависимости эксплуатационных характеристикотколебаний температур в годовом диапазоне какой-либо местности приосновных влажностных состояниях древесины.Температурный диапазон исследований находится в пределах от - 40до +40 °С.

Уже давно отказались от использования древесины в цехах стемпературой 60°С и выше из-за быстрого разрушения древесины,растрескивания и потери несущей способности.Основных влажностных состояний несколько:- абсолютно-сухая древесина (около 0%);- комнатно-сухая древесина (8-10%);- воздушно-сухая древесина (15-20%);- свежесрубл енная древесина (50-100%);- мокрая древесина, длительное время находящаяся в воде, (более100%).Наиболее полное исследование проведено, на наш взгляд, Бойко М.Д.[17] и Белянкиным Ф.П.