Механическая прочность древесины (1100342), страница 30
Текст из файла (страница 30)
Определение прочности.Испытания на сжатие являются наиболее простыми и доступными дляанализа прочности древесины. На практике сжатие как вдоль, так и поперекволокон, в деревянных конструкциях едва ли не самый распространенный виднапряженногосостояния.Примероммогутслужитьсваи,колонны,строительные фермы, стойки лесов и т.п.Известны сотни экспериментальных работ по определению пределапрочности на сжатие, но все они были выполнены с пошаговым приращениемнагрузки.
Наш же эксперимент претендует на новизну подходом, а именноиспользованием «жесткой» машины и нагружения с помощью пошаговогоприращения перемещений захвата пресса. Традиционная схема нагруженияиспользовалась только в качестве контроля получаемых результатах наотдельных образцах каждой серии.При проведении испытаний величины нагружения и деформированияпередавались с пресса на компьютер. В табличном виде сохранялисьследующие параметры:- Порядковый номер образца;- величина нагрузки для каждого приращения перемещения пресса;- перемещение пресса;- вид кривой нагружения;- время нагружения;- скорость нагружения.232Также в журнал испытаний заносились измерения геометрическихпараметров образцов, влажность, температура в лаборатории в моментиспытаний, вид нагружения (по нагрузке или по перемещениям), количествоциклов нагружения (для циклических испытаний), качество образца, а именнопараллельность волокон и отсутствие (или наличие) угла наклона.Основным вопросом, который предстояло выяснить в первой сериииспытаний, было влияние масштабного фактора на прочность древесины ивыбор оптимального типоразмера образца для дальнейших испытаний понахождению упругих постоянных.При проведении и, особенно при обработке результатов испытаний насжатие, следует учитывать факторы, оказывающие наибольшее влияние напрочность древесины.
По Ванину СИ. к таковым относятся, в первую очередь,влажность,объемныйвес,местоположениедревесинывстволеиколичественное соотношение поздней и рашшй древесины (что отчастиучитывается объемным весом).Влажность рекомендуется приближать к стандартной величине в 12%, таккак наиболее сильное возрастание прочности наблюдается от 15% доабсолютно сухого состояния и может достигать различия в 300%.Зависимость прочности от объемного веса носит эмпирический характер ивыражается уравнением прямой, которое для сосны имеет следующий вид7:£>12=1250/12-93(7.3)где Yi2 — объемный вес при стандартной влажности 12%.Сопротивление сжатию древесины, взятой из одного и того же дерева,зависит от местоположения древесины в стволе.
По данным Яхонтова, у соснысопротивление сжатию уменьшается от комля к вершине и зависит от возраста7При влажности 12%.233дерева. Так у сосны 150-180 лет уменьшение предела прочности можетдостигать 34%, тогда как в 60-80 лет не более 14%.По данным Кальнина, сопротивление сжатию у сосны уменьшается,начиная от пня к вершине, на 8,19% на каждые 6 метров длины.Сопротивление сжатию, так же как и другие механические свойства,зависят от условий произрастания дерева.
Для каждой породы древесинысуществуют оптимальные области с почвенно-грунтовыми и климатическимиусловиями, в которых прочность достигает наивысших значений.Всеуказанныефакторы учитывалисьпри выборедревесины иизготовлении образцов для проведения испытаний.7.2.2. Определение влияния масштабного фактора на прочность древесиныпри сжатии.Чтобы при испытаниях избежать влияния потери устойчивости образцов,было принято для всех типоразмеров отношение высоты к ширине 3:1. Особоеакцентирование внимания на данном соотношении обусловлено различием впонятиях «объема древесины» и «площади поперечного сечения», какрешающих факторов для понимания масштабного эффекта. Однако, на нашвзгляд, различие в терминах при сжатии не носит такого пршщипиальногохарактера, как при изгибе, когда возможны широкие вариации по длинепролета.Проведение испытаний началось с наиболее мелкого типоразмера, так какданные образцы стали самыми сухими, и их влажность являлась идеальнорекомендуемой — 12%, тогда как образцы сечением 7x7 см имели влажностьпорядка 14% и досушивались естественным образом.
На испытания каждоготипоразмера выделялось, в среднем, по два рабочих дня.Все полученные значения с особой тщательностью заносились в журналиспытаний.Напряжение вычислялось по общеизвестной формуле:234(7.4)*-£где P — максимальная нагрузка, a S — площадь поперечного сечения.Общееколичествоиспытанныхобразцов(несчитаятестовых,предварительных и калибровочных испытаний) сведено в таблицу 7.4:Таблица 7.4Испытание на сжатиеСечениеКоличествоОбъемсреднееобразцаопытоврабочейОпихчастикгс/см2см25тViРо%%образцасм 33x3168145235,89,67,92,14x41219252018,95,73,61,15x51037539051,217,113,14,46x61364843435,010,18,12,37x78102937534,212,99,93,75 - среднее квадратичное отклонение; m — ошибка средней арифметической; Vj —окоэффициент изменчивости; Р0 — точность опыта .Графическоепредставлениезависимостимеждумаксимальнымнапряжением и поперечным сечением образца представлено на рисунке 7.11:Значение 413 кгс/см на диаграмме соответствует прочности стандартногообразца по испытаниям Леонтьева.Как видно из диаграммы, проследить какую-либо закономерностьдостаточно затруднительно.
Максимальное напряжение плохо соотносится собъемом образца и имеет существенный разброс значений.Коэффициент изменчивости во всех сериях опытов меньше максимально допустимого значения в 13%.235Так как образцы выбирались из разных деревьев с разным отношениемпоздней и ранней древесины и, соответственно, с различной плотностьюстроения, было решено добавить на график объемный вес каждой сериииспытаний, что существенно прояснило картину (рис. 7.12).600I!Ж500452Х / S 5^GL1w 400413\з49^—""""о—х^*""*^ лзл——"-•375L.X1 300Q.С2 200100200Рис. 7.11400600объем образца, смЗ80010001200Прочность на сжатае и масштабный фактор.Аппроксимировав полученные данные, мы видим две практическипараллельные линии, идущие с понижением от наименьшего объема кнаибольшему. Объемный вес, судя по полученным результатам, оказываетвлияние на прочность, в то время как размер образца является второстепеннымпараметром.
Наиболее ярко закономерность между прочностью и весомпрослеживается на больших образцах, и, по-видимому, именно объемный веснаряду с влажностью являются определяющими факторами для прочностныхкачеств.В целом влияние количества древесного вещества сказывается лишь нанезначительном отклонении от параллельности двух прямых.длябольшихобъемовимеетсянекотораякритическаяПо-видимому,величина,при600ео. 2ооа>ш>s3X5ФfiюО- линейная аппроксимацияоJ2x23x34x45x56x67x7поперечное сечение образца, см'Рис. 7.12 Масштабный эффект и объемный вес при сжатии237приближениикпорекомендоватькоторойнапряжениепроведениеостаетсядальнейшихпостоянным.исследованийвМожноуказанномнаправлении.7.23.
Обнаружение и исследование линий скольжения.Наиболее интересным результатом испытаний стало обнаружение линийскольжения в деревянном брусе и наблюдение за их развитием.В целом разрушение деревянных образцов из-за появления «складок», какэто явление часто называется в технической литературе, наблюдалось ещепрофессором Ивановым Ю.М. с помощью микроскопа при увеличении в 100200 раз. Сложность наблюдения заключалось не только в выборе освещения,введения в древесное вещество различных окрашивающих растворов, но имгновенным разрушением образца при образовании «складки». Именномгновенное разрушение заставляла «внимательно следить за деформированиемобразца... При ускорении деформаций нужно было быть наготове. Вследующий момент, когда стрелка индикатора начинала быстро двигаться,необходимо было сразу разгружать образец.
Таким путем удавалось сохранятьот полного разрушения образцы с образовавшимися на них складками...Складка, раз образовавшаяся в своей самой зачаточной стадии, настолькобыстро развивается, что достаточно промедлить с разгрузкой лишь долисекунды, чтобы образец полностью разрушился... При анализе обстоятельств,непосредственно предшествующих разрушению, невольно возникает вопрос:чем иным, как не достижением предельной деформации, можно объяснитьразрушение образца не в момент приложения нагрузки, а по прошествии238некоторого времени, в течение которого деформация непрерывно растет притой же неизменно величине напряжения?9» [36].При проведении опытов действительно наблюдалось лавинообразноеразрушение образцов при схеме нагружения по приращению усилия. Причем,зная заранеесознательно,приблизительнуюввеличинумаксимальнойнесколько раз, замедлялипроцесснагрузки,нагружениямыпередкритическим участком, как только на мониторе компьютера угол наклонакривой «нагрузка-перемещение» с осью х приближался к нулю.
Однако,растяжения во времени процесса разрушения достигнуть так и не удалось.Образец эффектно разлетался на мелкие осколки, причем верхняя его часть какбы вдавливалась в нижнюю, разрывая последнюю на части.Если же анализировать значение деформации при максимальной нагрузкедля образцов различного сечения, то эта величина оказывается менееустойчивой, нежели максимальное напряжение, а высказывание по поводудостижения предельной деформации и, как следствие, разрушение образца,опровергается ходом испытания. При сбросе усилия при нагружении поперемещениям, деформации могут расти достаточно долго, о чем наглядносвидетельствует нисходящая ветвь на диаграмме.По Иванову разрушение древесины есть чисто местное явление, прикотором зона разрушения ограничивается объемом самой складки.
На всехобразцах соседние со складкой участки остаются не поврежденными, спервоначальнойформойиструктуройанатомическихэлементов.Непосредственные наблюдения в микроскоп показали, что до моментаобразования складки никаких микроскопических упругих или неупругихискажений первоначальной формы клеточныхстенок нет. Разрушениепроисходит мгновенно, но подготавливается постепенно накапливающимисясубмикроскопическими изменениями в стенках клеток.9От себя добавим, что не только при неизменной величине напряжения, но и при его уменьшении (см.графики).239С этим утверждением трудно не согласиться, так как наблюдаемые намиобразцы имели следы разрушения только в зоне действия линии скольжения иее самых ближайших окрестностей.Необходимо отметить, что во всех без исключения образцах линиискольжениярасполагалисьна тангенциальныхграняхнаклонно (уголварьировался от 35 до 45 градусов, чаще 35°), а на радиальных —перпендикулярно к волокнам (85°±10°).Предположение о подобном расположении линий скольжения впервыебыло высказано Москалевой В.Е., которая сделала заключение, что высокоесопротивление сердцевидных лучей способствует именно такому направлениюразвития линий.
Однако позднее Иванов Ю.М. подверг критике подобныепредположения и провел ряд экспериментов, которые опровергли влияниесердцевидных лучей на вид деформирования. Он предположил, что объяснениетакому явлению следует искать в особенностях напряженного состоянияобразца, а разрывы сердцевидных лучей при сдвиге следует считать вторичнымявлением.По наблюдениям Иванова Ю.М. складка при приложении усилияначинается на ребре, где сдвигу не препятствуют соседние целые волокна, какесли бы это происходило внутри образца. Но мы не разделяем такой точкизрения. Если исходитьиз полученныхрезультатов,складка являетсяпроявлением внутренних изменений в структуре образца и проявляетсяодновременно на всех четырех гранях призмы, как только на пресс задаетсяследующий шаг приращения деформаций после достижения максимальногоусилия.Такимобразом,объяснениевозникновениюлинийскольженияоднозначно связано с внутренними структурными изменениями в материале, ивнешние факторы, такие как форма образца, не могут оказывать существенноговлияния на наличие, расположение и развитие линий скольжения.Поскольку раньше исследователи не могли наблюдать за развитием линийскольжения, а ограничивались лишь наблюдением начальной стадии их240образования,нашиэкспериментыпретендуютнановизнуиимеютпрактическую ценность, в первую очередь, с точки зрения изучениянисходящей ветви10.Благодаря жесткой форме нагружения удалось наблюдать и запечатлеть навидеокамеру полную картину работы древесины при сжатии.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
