На каждый день | Древесина

МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДРЕВЕСИНЫ

Древесина обнаруживает эластические деформации, называемые ползучестью. К, эластическим деформациям относятся в I области деформирования упругое последействие и приращение деформаций (остаточных) при колебаниях влажности и температуры, а во II области - вынужденные эластические деформации воздушно-сухой древесины (преимущественно остаточные) и высокоэластические деформации набухшей древесины (примерно на 1/3 остаточные).

Развитие эластической деформации (в отличие от мгновенно устанавливающейся упругой, обусловленной изменением междучастичных расстояний), связано с релаксационными процессами, происходящими в целлюлозе под действием теплового движения; скорость этих процессов характеризуется временем релаксации. Проявление эластических свойств зависит от скорости вынужденной деформации. Если продолжительность силового воздействия сравнима с временем релаксации и скорость вынужденной деформации мала, эластические свойства проявляются полностью; если скорость вынужденной деформации велика, эластические свойства проявляются частично. Поэтому при быстро прилагаемом кратковременном силовом воздействии (сейсмические, ударные, ветровые нагрузки) деформации древесины уменьшаются, а сопротивление растет. Предел прочности зависит от скорости нагружения и определяется из испытаний, проводимых со стандартной скоростью малых образцов чистой (без пороков) древесины. Наименьшее сопротивление длительной нагрузке древесины в конструкциях принимается равным около 0,5 предела прочности при кратковременном испытании; наименьшее сопротивление фанеры определяется длительной прочностью древесины продольных шпонов. Древесностружечные плиты длительным сопротивлением не обладают (незатухающая ползучесть при минимальных напряжениях).

Время релаксации зависит от температуры, которая оказывает влияние на показатели механических свойств древесины; однако благодаря высокой ориентации макромолекул целлюлозы древесина не имеет температуры хрупкости. При увлажнении до ~30% и набухании деформации древесины увеличиваются, и сопротивление ее снижается.

Для древесины характерны две области деформирования, границей которых является напряжение σ_I-II - предел пластического течения, представляющий собой предел вынужденной эластичности воздушно-сухой древесины и начало появления высокоэластических деформаций набухшей древесины. На величину обсказывает влияние скорость нагружения. В воздушно-сухой древесине под действием напряжений σ>σ_I-II происходит нарастание остаточных деформаций, которые называются задержанными (т. е. невозвратившимися вследствие большого времени релаксации) эластическими деформациями; накопление этих деформаций не является показателем приближающегося разрушения. Одновременно с развитием остаточных деформаций происходит некоторое снижение модуля упругости, проявляющееся также при последующих нагружениях ниже σ_I-II. В насыщенной водой набухшей древесине под действием напряжений σ>σ_I-II появляются большие высокоэластические деформации, достигающие, например, при равномерном сжатии вдоль волокон величины 10% и более.

Две области деформирования отчетливо проявляются под повторной статической и пульсирующей нагрузкой: в I области древесина характеризуется постоянным модулем упругости и прочным сопротивлением при числе циклов 30 000 и более, т. е. ведет себя упруго; это позволяет принимать упругую работу древесины при расчете конструкций на эксплуатационную статическую, а также импульсную нагрузку. Во II области при действии усилия вдоль волокон происходит ускоренное разрушение древесины.

Основными характеристиками полимерных материалов и древесины, как природного полимера, являются длительная прочность и деформации ползучести. При расчете деревянных конструкций по методу предельных состояний исходными для определения расчетных сопротивлений древесины являются минимальные вероятные пределы прочности, принимаемые за нормативные сопротивления. Деля последние на коэффициент безопасности по материалу, учитывающий влияние пороков древесины, масштабного фактора и длительности действия нагрузки, получают расчетные сопротивления. Расчетный модуль упругости древесины вдоль волокон принимается одинаковым при сжатии, растяжении и изгибе и равным 1·10⁵ кГ/см² для нормальных температурно-влажностных условий службы конструкций.

В несущих конструкциях применяется древесина хвойных пород, преимущественно сосна и ель. Показатели физико-механических свойств древесины пород России и стран СНГ приведены в табл. 1.

Таблица 1. Прочность и деформативность древесины основных пород России и стран СНГ (средние показатели для стандартных образцов при влажности 15%)

Сопротивление местному смятию древесины поперек волокон характеризуется условным пределом прочности, составляющим в среднем для сосны 29-43, пихты 23-32; лиственницы 56-86, дуба 84-49 и березы 60-47 кГ/см².

Древесина обнаруживает значительную анизотропию сопротивления - соотношение крайних величин пределов прочности по главным осям анизотропии (вдоль и поперек волокон) составляет (для малых образцов) при растяжений 1:1/15:1/30 и при сжатии (по всей площади образца) 1:1/10:1/20. Вместе с тем при различных видах напряженного состояния характер и работа раз рушения древесины сильно различаются. При концентрации напряжений появляется хрупкое разрушение, происходящее с отрывом поперек волокон и скалыванием при малой работе разрушения: например, растянутый стержень с местным ослаблением разрушается с образованием продольных трещин, касательных к контуру ослабления; сопротивление клеевого соединения сдвигу полностью используется лишь при отсутствии или восприятии отрывающих усилий.

Задачей конструирования в дереве (выбор схемы конструкции и вида соединения элементов) является обеспечение достаточного запаса работы деформации пластического характера при потере несущей способности, исключая возможность хрупкого разрушения, а также устранение влияния на работу конструкции деформаций древесины поперек волокон, при минимальной трудоемкости изготовления и быстром монтаже конструкции; известными преимуществами в этом отношении обладают статически неопределимые системы.

Повышения несущей способности достигают в клееных конструкциях, в которых материал используется лучше: возможно удаление крупных местных пороков (сучков) со склеиванием на зубчатом соединении, помещение более прочной древесины в растянутую зону клееных изгибаемых элементов. Современные синтетические клеи и технология склеивания обеспечивают долговечность конструкций. С их помощью получают эффективные сочетания древесины с другими конструктивными материалами - алюминием, асбестоцементом, пластмассами (например, панели асбестоцементные с деревянным клееным каркасом, фанерные со средним слоем из пенопласта).

Ярко выраженная анизотропия сопротивления древесины несколько сглаживается в фанере с взаимно перпендикулярным расположением шпонов, имеющей соотношение максимального (вдоль волокон в рубашках) и минимального (под углом 45° к волокнам в рубашках) пределов прочности при растяжении около 1:0,4÷0,5; в специальной фанере, склеенной с поворотом соседних шпонов на углы меньшие 90°, это соотношение может быть еще улучшено.

Улучшение механических показателей натуральной древесины может быть достигнуто путем ее модификации полимерами (повышение плотности, прочности, химической стойкости, исключение большой деформативности в набухшем состоянии, снижение формоизменяемости при увлажнении).

обсудить на форуме

объявления: стройка и ремонт

Поделитесь ссылкой в социальных сетях