Механическая прочность древесины (1100342), страница 32
Текст из файла (страница 32)
в40-е годы двадцатого столетия [123].1). Первая фаза характеризуется начальным, близким к прямолинейномувиду, участком, показывающим, что в этой стадии деформирования древесинаподчиняется закону Гука, а в конце этой фазы достигается условный пределпропорциональности;2).Втораяфазахарактеризуетсякриволинейнымучастком,расположенным горизонтально или с пологим подъемом; переход из первойфазы во вторую в большинстве случаев резко перегибается;3). Третья фаза отличается прямолинейным участком с крутым подъемом,в конце которого в образце появлялись трещины и разрушения от боковыхвыпучиваний.251Все три процесса наблюдались в нашем эксперименте.
К классификацииХухрянского можно лишь добавить, что третья фаза при нагружении поперемещениям, еслискоростьнагружениямала,можетпродолжатьсяпродолжительный период времени, и упрочнение древесной структуры можетпродолжаться сколь угодно долго до первых «выпадений» частей образца.^500 ;-4000УПоявление линийскольжения•-3500•-3000 ;£2500••52000 :Sо.{§1500I1-1000I-500/-—С,,..-8.-10.-12.!!-14-16-18-20перемещение, ммРис. 7.20Типичная диаграмма «нагрузка—перемещение» при сжатии поперек волокон врадиальном направленииВо второй фазе происходит заметное изменение формы образца. Изпрямоугольнойпризмыонпревращаетсявокруглуюконструкцию.Прямолинейные торцы изгибаются по окружностям.
Именно в начале второйфазы возникают линии скольжения, которые образуют сетку по всему образцу спрямоугольными ячейками. При этом вертикальные составляющие сеткивсегда располагаются перпендикулярно к годовым кольцам.По мере возрастания деформаций сетка на образце становится рельефнее.252Наличие линий скольжения в образце - основной вывод, который можносделать из анализа данных по радиальному сжатию. Сам же вид диаграммы иразрушения уже давно известны исследователям.Некоторыесложностивозникаютпри размещениидатчиков дляизмерения поперечной деформации.
Дело в том, что на большом образце(относительно диаметра ствола дерева) мы имеем разброс участков с различнойплотностьюрасположения поздней древесины.Крайние участкибруса,располагавшиеся у сердцевины и в прикоровой зоне, имеют более плотноерасположение колец, средний участок - более редкое. Соответственно,расположение датчика влияет на измерения поперечной деформации, котораяменьше на участках с более плотной древесиной.В экспериментах поперечная деформация измерялась в средней частиобразца.73.2.
Сжатие в тангенциальном направлении.Работа древесины при сжатии поперек волокон в тангенциальномнаправлениипринципиальноотличаетсяотрадиальногонаправления.Разрушение происходит хрупко, из-за выпуклости годовых слоев, которыеведут себя подобно кривому брусу при продольном изгибе. Образец сначалаизгибается в направлении сердцевины предполагаемого ствола, а затем теряетустойчивость.Типичная кривая при нагружении на «жесткой» машине выглядитследующим образом (рис.7.21):На первом участке материал ведет себя упруго, зависимость междуперемещением и усилием выражается прямой линией.
Затем начинается второйучасток, характеризующийсяначалом необратимых деформаций. Третийучасток, параллельный оси перемещений, показывает, что образец начинаетпрогибаться при постоянной нагрузке и приращении деформаций.253К сожалению, доводить испытание до полного разрушения не получалосьиз-за возможной поломки пресса, так как его захваты вместе с образцомстремились отклониться от оси.При измерении поперечных деформаций следует так же, как и в случаерадиального измерения, устанавливать датчик строго по радиусу кривизныгодовых колец. Расположение в других зонах образца приводит к завышеннымпоказаниям из-за прогибов образца.-1400перемещение пресса, ммРис.7.21Диаграмма «нагрузка- перемещение» при сжатии поперек волокон втангенциальном направленииФотографии, сделанные при проведении эксперимента, представлены вприложениях.2547.4.
Работа древесины при изгибе вдоль волокон.Помимо одной из задач - нахождения упругих постоянных, вторая серияиспытаний дала почву для размышлений по многим вопросам, на которыхнеобходимо остановиться подробнее.Одним из результатов стало наблюдение за работой деревянных образцовпри изгибе в наиболее слабом направлении — поперек волокон. Многое изсказанного уже известно в теории прочности древесины, но отдельныемоменты представляют несомненный интерес для дальнейших исследований.Изгиб поперек волокон подразделяется на две разновидности: на изгиб врадиальном и в тангенциальном направлениях.7.4.1.
Изгиб в тангенциальном направлении.Изгиб в тангенциальном направлении имеет важную отличительнуюособенность,которуюнеобходимоучитыватькакпри проведенииэксперимента, так и при проектировании конструкций.Эксперимент показал, что, оставляя неизменной схему нагружения, можнополучить две группы значений максимальной нагрузки для образцоводинакового строения, изготовленных из одного бруса в 300 — 310 кг и 120-125кг.
Причем указанные значения вели себя устойчиво, не показывая рассеиванияопытных результатов.После более внимательного рассмотрения удалось обнаружить, чторазличие нагрузки практически в два с половиной разаобусловленорасположением образца на прессе. Если образец ставить так, что нагрузкаприкладывается по центру годового кольца как бы от сердцевины в стволе исовпадает с естественным, природным радиусом дерева, то максимум усилиянаходится в области 125 кг. При этом при нагрузке приблизительно в 50 кгначинают появляться трещины, расположенные под углом в 45 градусов клинии действия нагрузки.255Разрушение происходит из-за скачкообразного роста трещин.
Весьпроцесс нагружения представлен на диаграмме, которая является типичной дляданного вида изгиба (рис. 7.22).-140-0,5-1-1,5-2,5перемещение, ммРис. 7.22 Диаграмма «нагрузка - перемещение пресса» при изгибе в тангенциальномнаправлении. (Образец lt-b)При другой ориентации образца, когда усилие направлено с внешнейстороны ствола и также совпадает с природным радиусом, диаграмма«нагрузка-перемещение» существенно изменяется. Нагрузка возрастает, иразрушение происходит более резко, без образования нисходящей ветви.Причем трещина, по которой разрушается образец, как правило, располагаетсяпо середине нижней грани.На диаграмме (рис. 7.23) хорошо виден момент зарождения трещины (принагрузке около 150 кг), когда она сразу же доходит до ближайшего слояпоздней древесины.
Чтобы преодолеть сопротивление данного слоя, нужнаболее существенная нагрузка (280 кг).256-350-3,5перемещение, ммРис.7.23Диаграмма «нагрузка — перемещение» при изгибе в тангенциальном направлении(образец lt-c)Отклонение от прямолинейного участка на начальном этапе нагруженияобусловлено смятием образца под нагружающим устройством и на опорах.Небольшие скачки, которые можно видеть на графике (особенно хорошопросматривается скачок при нагрузке около 150 кг), показывают появлениетрещин на нижней грани образца.Затем, при увеличении нагрузки, трещины не проявляют стремления кросту, и образец благополучно выдерживает порядка 300 кг. По-видимому,развитие трещин сдерживается слоем поздней древесины, которая являетсяболее прочной.Чтобы «растянуть» процесс разрушения во времени, мы уменьшалискорость нагружения, но желаемого результата так и не получили.
Несмотря на257измененнуювеличинуприращенияперемещений,образецразрушалсямгновенно при достижении критического значения.Удивительно, но подобный эффект различиякритических нагрузок дляодинаковых - образцов не удалось обнаружить в литературе, что связано смноголетними опытами на малых образцах. В тонкой балке (высотой в 2 см идлиной от 16 до 30, как рекомендуют современные стандарты) сглаживаетсявлияние годовых колец на механические свойства, и разница в способахприложения нагрузки невелика.В проведенном эксперименте наглядно видна природная идея, заложеннаяв стволе дерева. Когда сила прикладывается от коры к сердцевине, нижний поястакого образца «помогает» изгибу, так как поздние слои, определяющиеповедение структуры, уже направлены по действующему усилию.В противоположном случае необходимо еще и преодолеть сопротивлениеколец распрямлению.Строениемаксимальнойдревесиныобуславливаетнагрузки,требуемойдляпочтитроекратноеразрушенияразличиеобразцапританенциальном изгибе поперек волокон.Данные проведешюго эксперимента легко можно перенести в реальныеусловия.
Например, если к обычной, но достаточно широкой доске, лежащей наопорах, сверху приложить точечное изгибающее усилие, получается такой жеэффект, как и на опытных образцах. Доска выдержит значительно большуюнагрузку, если ее положить вниз сердцевиной.Хотя на практике древесина работает на изгиб поперек волокондостаточно редко, описанный эффект все же следует принимать во внимание.7.4.2. Изгиб в радиальном направлении.Данный вид изгиба достаточно полно описан в соответствующейлитературе.
Главная особенность и новизна нашего эксперимента заключается258лишь в применении жесткого режима нагружения к древесине, а также виспользовании образцов, размер которых отличен от стандартных.Однако, вид разрушения и поведение образца под нагрузкой в целомсовпадает с -известными данными. В случае радиального изгиба применениежесткого режима нагружения не показало различий в работе древесины.Типичная кривая «нагрузка - деформации» имеет вид, представленный нарисунке (7.24).-600-0.5-1,5-2,5-2перемещение, ммРис.
7.24. Типичная кривая «нагрузка — перемещение» при изгибе в радиальномнаправлении поперек волокон (образец 3R-3c)Наличие пологого участка на кривой в начале нагружения обусловленосмятием образца на опорах и в точке приложения силы.Главное отличие изгиба поперек волокон в радиальном направлении отостальныхвидов изгиба заключаетсяв достаточношироком разбросемаксимальных нагрузок. Были испытаны более 20 образцов, изготовленных из259различных брусьев, при этом значение усилия, при котором начиналасьнисходящая ветвь на диаграмме, колебалось от 300 до 780 кг.При достижении нагрузкой максимального значения в образце появляласькрупная трещина на нижней грани. Затем, при незначительных перемещенияхпресса, она стремительно развивалась и разваливала образец на две части.Трещина, как правило, располагалась ближе к середине образца, но моглапоявиться и у опоры.Не удалось обнаружить корреляцию максимальной нагрузки с объемнымвесом, но мы отметили прямую зависимость прочности от плотностирасположения годовых колец ближе к середине образца.Чем плотнеерасполагались кольца в месте наиболее вероятного появления трещины, темдольше образец сопротивлялся прилагаемому усилию.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
