Механическая прочность древесины (1100342), страница 9
Текст из файла (страница 9)
Однако, в принятом пониманиисостояние чистого сдвига имеет немного общего со скалыванием иперерезыванием, в первую очередь, из-за наличия дополнительныхнапряжений при испытаниях. Для определения прочности при скалывании«отдирают»тонкуюполоскуотобразца,приперерезывании —воздействуют на плоскость образца режущим инструментом, что приводитк разрушению от местного смятия и внедрения резца1.ОднимизпервыхнапряженийнадревесшгуисследователейявляетсявоздействияизвестныйкасательныхрусскийинженерЖуравский Д.И., который в 1850 году изучил прочность врубок припостройке мостов на Октябрьской железной дороге и установил, чтонесущая способность плоскости скалывания растет с увеличением еедлины до предельного отношения 9\1 к глубине врубки.Из более поздних работ, посвященных скалыванию,следуетотметить монографию Белянкина Ф.П., [12] труды Мраморнова В.В., [67]Савкова Е.И., [87] Знаменского Е.М., [31]Ашкенази Е.К., [4] иОсвенского Б.А.
[73].При многообразии различных методов до настоящего времени неопределена величина сопротивления древесины сдвигу, что отчастисвязаноспроблемамивыбораоптимальногообразцадляэкспериментальных исследований. Так, например, Белянкин проводилиспытания древесины сосны на различных образцах, формы которыхутверждены нормативами, как отечественными, так и зарубежными. Он1Более понятная схема исследования сдвигающих напряжений осуществляется при щгибе, когдаразрушение происходит из-за действия касательных напряжений.
Хотя при опытах на изгибдополнительно работают «обжимающие» напряжения на опорах и нагружающем устройстве, тампонятие «чистый сдвиг» выглядит нагляднее.63получил средние пределы прочности в серии из десяти испытаний 41,3кг\см2 (двухголовый образец), 142,8 кг\см2 (образец Ланге), и 129,3 кг\см(по американским стандартам). Подобные расхождения объясняютсянеравномерностью распределения касательных напряжений по площадкам,влияния испытательного оборудования, в том числе различных зажимныхприспособлений, воздействия на плоскость разрушения нормальныхнапряжений.Длялучшего понимания вопросарассмотримсхемуработыдеревянного образца при сдвиге (рис.
3.1).Пусть на одну часть образца (обычно выступающую относительнодругой) действует сдвигающая сила Р.Тогда при проведении испытаний возникает сложное напряженноесостояние, так как действующая сила, сдвигающая одну часть образцаотносительно другой, вызывает смятие в месте приложения, сжатие наплощадке выступа, а также при определенных условиях еще и изгиб (когдаодна часть отдирается относительно другой).Поэтому сила Р только до некоторой величины работает на сдвиг,затем начинаются необратимые деформации образца из-за смятия.зона/ смятиясжатие•Рис. 3.1/РСхематическое изображение испытаний на сдвиг (скалывание)Величина сдвигающего касательного напряжения т изменяется подлине выступа от максимального в месте приложения нагрузки до64минимального, уменьшаясь в зависимости от расстояния от точкиприложения нагрузки.Еслипроследитьисториюпроведенияэкспериментальныхисследований прочности древесины при сдвиге, можно выделить триосновные группы [4]:-получение сдвигающих напряжений путем воздействия на образецравных и взаимно перпендикулярных напряжений растяжения исжатия;-испытания на изгиб или кручение;-косвенные методы, в которых предлагается определять пределпрочности при сдвиге по прочности на растяжение или сжатиеобразцов с различной ориентацией усилия относительно волокон.Также следует отдельно упомянуть предложенную Освенскимтеориюопределениямикроструктурысопротивлениюдревесины,сдвигу,на примерегде, исходясосны, былаизполученаследующая формула для максимального напряжения при чистом сдвигевдоль волокон:°Т=2Fma;^/1,125 cos у(3.1)где С7Р — напряжение растяжения поперек волокон;Fcn — площадь поперечного сечения микрофибрилл.При этом сумма слоев одинаково направленных микрофибриллзаменяется стержнем, в результате чего получается стержневая системас четырьмя различными направлениями стержней.Указанныйподходрекомендуетсявкачественаиболеедостоверного Слицкоуховым Ю.В [48] и соавторами.Однако, на наш взгляд, подобный подход имеет существенныенедостатки:65- знания о микроструктуре древесины постоянно пополняются, аданнаясхемасущественноупрощаетреальныймеханизмсопротивления конечного объема древесины нагрузкам;- толщина и взаимное расположение структурных элементов (угол у)существенно изменяются в пределах одного дерева, а также зависятне только от породы, но и возраста, условий произрастания и другихвнешних факторов;- не ясен механизмпереходаот микрообъемовк реальнымконструкциям, а также учет влияния масштабного фактора напрочностные свойства.Наиболее простой из известных способов определения максимальныхсдвигающих усилий, но также не получивший широкого распространенияв древесине, предложил Марголин Г.Г.
для стеклопластиков.Плоский образец подвергается растяжению вдоль оси и сжатию нанекотором участке длины перпендикулярно оси образца. При этом подуглом 45° действуют касательные напряжения. Однако переход отстеклопластиковк древесине представляетсямаловероятным из-засущественного влияния нагружающих устройств и разрушения образца вместах, где не действуют либо растягивающие, либо сжимающиенапряжение.Такжеиз дальнейшегообсуждениябудетвидно, с какимитрудностями при испытаниях древесины на растяжение может столкнутьсяисследовательколичествоприсозданииструктурныхобразцов,элементовсодержащихдляоценкидостаточноепрочностныххарактеристик материала. Также далее будет понятно, почему, когда речьзаходит о растяжении древесины, возрастает влияние воздействиянагружающихэксперимента.и обжимающих образец устройствна корректностьч66Другие, достаточно очевидные методы определения сдвигающегоусилия, относятся к изгибу и кручению образцов.
При этом при изгибелегко определить сдвигающие касательные напряжения по формуле:(3-2)*",»»=—™VAbhпри условии, что разрушение происходит не по нижней грани от действиянормального напряжения, а вдоль образца.Нетрудно получить, что при l<5h (где 1 - длина образца, a h -высота),разрушение балки должно происходить по нейтральному слою.1Главная проблема применения указанного метода заключается вопределении влияния поперечных сил на распределение касательныхнапряжений по образцу, а также возникновения и распространенияплощадок смятия при нагружении образца при изгибе.2Белянкинымэкспериментальнодоказананесостоятельностьопределения сдвигающих усилий путем испытаний на кручение [9].
Онпоказал, что разрушение при кручении от скалывания происходит крайнередко, при существенном влиянии растягивающих усилий в волокнах иконцентрации напряжений в местах захватов и приложения нагрузки.Короткоупомянемокосвенныхметодахизучениясдвига,предложенных Ашкенази и рядом других исследователей.Суть метода - в определении предела прочности при растяжении исжатии различно ориентированных образцов, исходя из предположения,что при угле 15-30 градусов между линией действия силы и направлениемволокон разрушение происходит1по наклонным площадкам путемАшкенази Е.К. получила данное соотношение, исходя из экспериментального факта, что пределпрочности при скалывании вдоль волокон в 10 раз ниже, чем предел прочности при сжатии вдольволокон. (Что в дальнейшем подтверждено автором при проведении эксперимента).2Отметим также, что подавляющее большинство экспериментальных исследований проводилось ипроводится до настоящего времени на малых «чистых» образцах, в которых, в силу отношения размера кэлементам макрострутуры древесины, влияние нагружающих устройств значительно.67скалываниявдольволокон.Одновременнооцениваетсявлияниенормальных напряжений, которые действуют на площадки сдвига.Получаемыерезультатынесколькозавышеныотносительнодействующих стандартов.Митинским А.Н.
предложен еще более простой способ определениясопротивления сдвигу3. Подвергая испытанию на сжатие образец снаклоном волокон 45° к направлению действующей силы, необходимоизмерить продолыгую и поперечную деформации, а затем вычислитьмодуль сдвига по формуле:G = —-^—2(1 + / 0(3.3)где Е45 — модуль упругости древесины при наклоне волокон к оси образца под углом45° к приложенной нагрузке;И45° - коэффициент поперечной деформации в том же случае.В завершении обзора состояния вопроса о сопротивлении древесинысдвигу приведем общепринятые значения сопротивления древесины приразличной ориентации действующейсилы к волокнам вкачествесравнительных характеристик [21].Представив в этой главе краткий обзор наиболее значимых работ поопределению прочности древесины при простейшем виде напряженногосостояния — чистом сдвиге, можно заметить, что до настоящего временивсе исследования (за исключением, отчасти, теории Освенского) носятчисто эмпирический характер.
Не получено единого значения пределапрочностиприсдвиге,отсутствуютрекомендацииповыборуоптимального образца для проведения испытаний (что вполне вероятнодостигнуть не удастся и в дальнейшем), а также не даны конкретныеКоторый выглядит наиболее достоверно из всех перечисленных, исключая влияние испытательногооборудования, если речь, конечно, не идет о малых образцах.68Таблица 3.1Сопротивление древесины различных пород скалыванию.СкалываниеСкалываниеПеререзываниевдоль волокон ввдоль волокон в(скалываниерадиальнойтангентальнойпоперек волокон)плоскостиплоскостикг\см2кг\см2кг\смДуб8191Сосна96Ель59Береза62Порода21459264380Примечание: Значения даны для древесины при влажности 15%.рекомендации по определению сопротивления действию касательныхнапряжений в реальных сооружениях.
Учитывая, что ориентировочноесопротивление скалыванию по Перелыгину [79] в 5-6 раз меньше пределапрочности при сжатии, а также наличие в деревянных конструкцияхврубок, работы древесины на изгиб и т.п. повышается опасностьвозникновения различных дефектов и аварий.Одна из первейших задач при определении прочности древесины,научиться правильно оценивать ее ресурсы при простейших видахнагружения.Далее остановимся на методах определения прочности древесины прирастяжении.3.2.Прочность древесины при растяжении.В отличие от других видов напряженного состояния в вопросеопределения прочности древесины при растяжении (также, как и приMfi-4?uc l.Za Образец для испытания древесины на растяжение вдольволокон.fuc.3 2.8 Образец для испытания древесины на растяжение поперекволокон70изгибе) существует относительная ясность поведения материала приданном виде нагружения.Основнаясложность,скоторойсталкиваетсяисследователь,заключается в выборе и изготовлении образца для проведения испытаний.Стандартный образец показан на рисунке 3.2а.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
