Механические свойства древесины

Опубликовано: 05.09.2018

видео Механические свойства древесины

Презентация на тему Физико механические свойства древесины

Механическая прочность древесины зависит от многих факторов: породы, строения, объемного веса, температуры, влажности и др. Напряжение, соответствующее максимальной нагрузке, называется пределом прочности.



Средние округленные значения пределов прочности древесины для сосны и ели при влажности 15% приведены в табл. 2.

Таблица 2

Средние значения предела прочности и средние вариационные коэффициенты свойств древесины сосны и ели

Вид напряженного состояния Предел прочности Вариационные коэффициенты в %
обозначение Значение
Изгиб статический Ru 750 15
Растяжение вдоль волокон Rp 1000 20
Сжатие Rc 400 13
Скалывание вдоль волокон Rck 68 20

Модуль упругости древесины вдоль волокон независимо от породы ее принимается при определении деформаций конструкций, защищенных от увлажнения и нагрева и находящихся иод воздействием постоянной и временной нагрузок E = 100 000 кг/см2.


Физико механические свойства древесины

При повышенных влажности и температуре, при воздействии на конструкции только постоянной нагрузки величина модуля упругости принимается как произведение указанной выше величины на следующие коэффициенты: при кратковременном увлажнении древесины с последующим ее высыханием - 0,85; при воздействии установившейся температуры воздуха в пределах от 35 до 50° (например, в производственных цехах), а также при воздействии постоянной нагрузки - 0,80 (см. табл. 6).

Неоднородность строения древесины и зависимость ее свойств от различных факторов значительно затрудняют изучение ее механических характеристик. Существенным обстоятельством при механических испытаниях древесины является влияние скорости загружения. Чем быстрее повышается нагрузка, тем большим оказывается предел прочности. С другой стороны, этот предел уменьшается при длительном действии нагрузки.

При выдерживании образца под нагрузкой наблюдается постепенный рост деформаций, который со временем прекращается (затухает), если нагрузка не превышает определенного предела. При снятии нагрузки часть деформации исчезает, а другая постепенно уменьшается (затухает). Описанное явление называется упругим последействием, а предел нагрузки, дальше которого это явление не наблюдается, называется пределом длительного сопротивления древесины.

Если нагрузка превзойдет указанный предел, то рост деформаций не прекратится, образец через некоторое время разрушится. Процесс непрерывного роста деформаций при постоянной нагрузке называется ползучестью, а этап ползучести, при котором наблюдается установившаяся (равномерная) скорость деформации, называется пластическим течением.

Явления упругого последействия и ползучести усиливаются при увеличении напряжения, влажности и температуры.

С предыдущим явлением тесно связано наблюдаемое уменьшение внутренних напряжений при постоянной деформации, получившее название релаксации.

Явление последействия можно наблюдать на деревянных балках перекрытий, которые при длительном действии нагрузки дают с течением времени прирост деформаций. Указанное влияние времени вносит существенные поправки в результаты обычных лабораторных испытаний древесины. Учет этих явлений также необходим при рассмотрении изменяющихся во времени внешних воздействий, как например, вибраций, влияния быстрой затрузки и разгрузки, подвижных нагрузок и т. и.

Ф. П. Белянкин на основании исследований сопротивления древесины во времени установил новую механическую характеристику, которую назвал пределом долговременного сопротивления древесины (Rдл).

Эта характеристика является нижним пределом прочности древесины при длительном действии нагрузки. Иллюстрацией зависимости сопротивления oт времени действия нагрузки служат графики, составленные Ф. П. Белянкиным. На рис. 24 показан график длительного сопротивления для древесины сосны. Ф. П. Белянкин построил и кривые пластических деформаций древесины при длительном действии нагрузки. На рис. 24,б показана зависимость пределов прочности от длительного действия нагрузки. Вертикальный участок диаграммы деформаций (рис. 24, я) отвечает моменту нагружения образца, первый криволинейный участок соответствует деформациям упругого последействия, прямолинейный восходящий участок диаграммы отражает развитие пластических деформаций при установившейся скорости их (пластическое течение) и, наконец, восходящий криволинейный участок диаграммы представляет ускоренное развитие деформаций, заканчивающееся разрушением образца.

Расчетное значение предела долговременного сопротивления древесины определяется умножением предела прочности, полученного при машинных испытаниях малых стандартных образцов, на коэффициент долговременного сопротивления, который принят ныне действующими нормами для изгиба, растяжения и сжатия равным 0,66.

Кроме сказанного выше, на сопротивление элементов деревянных конструкций оказывают влияние различные пороки древесины.

При растяжении деревянных образцов строительных размеров значительную роль играет наличие сучков, их величина и расположение в сечении, направление волокон, а также размеры образцов, в результате чего возникают значительные колебания предела прочности.

Влияние сучков при сжатии меньше, чем при растяжении. Велико влияние сучков и косослоя при изгибе. Небольшой сучок, расположенный в растянутой зоне, может снизить предел прочности более чем в два раза по сравнению с прочностью чистой древесины. В бревнах это влияние отражается в меньшей степени. На величину предела прочности древесины при изгибе влияет также высота элемента и форма его сечения, а также неоднородность строения древесины.

Рис. 24. а-кривая деформация во времени: 1-при Q>Qдл; 2 - при Q < Qдл: б-кривая длительного сопротивления для сосны

При исследовании напряженного состояния изгибаемого элемента обычно предполагается изменение деформаций по высоте сечения по прямолинейному закону, а соответствующие им напряжения определяются из испытаний того же элемента древесины

Рис. 25. Смятие древесины поперек волокон: а - на части длины; б - по всей поверхности; в - на части длины и ширины

на сжатие и растяжение. При этом модули упругости при сжатии и растяжении в пределах пропорциональности, определяемые в диаграмме «напряжения - относительные деформации» тангенсами углов наклона прямолинейных участков диаграммы, незначительно отличаются один от другого. Разрушение при изгибе обычно наступает от разрыва волокон с одновременным появлением признака разрушения сжатых волокон в виде образования складок.

Рис. 26. График влияния направления волокон на сопротивление смятию древесины в %

Наиболее слабое сопротивление оказывает древесина при сжатии или смятии поперек волокон, которое сопровождается значительными пластическими деформациями до «предела упрочнения древесины», после которого происходит быстрый рост нагрузки при замедленном росте деформаций.

При расчете на смятие древесины различают: смятие по всей поверхности поперек волокон, смятие поперек волокон на части длины и смятие на части длины и части ширины (рис. 25). При смятии под углом А (между направлением силы и волокон) величина предела прочности с уменьшением угла возрастает (рис. 26).

Сопротивление скалыванию поперек волокон и под углом к волокнам меньше, чем вдоль волокон. Наличие трещин, совпадающих с площадкой скалывания, сильно снижает сопротивление скалыванию. Здесь следует различать промежуточное скалывание (рис. 27, а, б, в) и одностороннее скалывание (рис. 28, а, б, в). Напряжение при промежуточном скалывании, как видно из рисунков на эпюрах в, распределяется более или менее равномерно по площадкам скалывания. Одностороннее скалывание вызывает неравномерные напряжения.

Рис. 28. Одностороннее скалывание (Р-прижимная сила, снижающая растягивающие отдирающие поперек волокон напряжения)

Скалывание обычно сопровождается расщеплением или отрывом волокон древесины в поперечном направлении, наличие которого объясняется внецентренным действием скалывающей силы на площадку скалывания (рис. 28,а).

Влажность оказывает существенное влияние на механическую прочность древесины только до точки насыщения волокон, т. е. при влажности до 30%. При сжатии, поперечном изгибе, скалывании и смятии влияние влажности велико, а при растяжении незначительно.

Предел прочности при любой влажности для сравнения приводится к одной стандартной влажности (в 15%) по формуле:

где

Q15 - искомый предел прочности при W=15%; Qw - предел прочности при данной влажности W%; а - поправочный коэффициент на влажность при статическом изгибе; для древесины всех пород принимается

Рис. 27. Промежуточное скалывание: а - при сжатии (шпонки); б - при растяжении; в - эпюра распределения напряжении

равным 0,04 и для скалывания вдоль волокон - 0,03. При сжатии вдоль волокон он принимается для сосны и лиственницы 0,05, а для ели, пихты и дуба - 0,04; три растяжении вдоль волокон для лиственных пород - 0,015, для хвойных пород перечисление на влажность не производится.

При повышении температуры от 20 до 50°, согласно данным Ф. П. Белянкина и Н. Л. Леонтьева, предел прочности при растяжении снижается на 12-15%, при сжатии-на 20-40% и при скалывании-на 15-20%. Модуль упругости также падает с повышением температуры, при этом возрастает и деформация древесины. При температурах ниже нуля предел прочности при любой влажности повышается - при поперечном изгибе на 40%, при сжатии -на 30% и при скалывании - на 70%. Древесина при этом становится более хрупкой, отчего сопротивление ударному изгибу снижается.

С увеличением объемного веса при одной и той же влажности предел прочности древесины повышается. На прочность оказывает свое влияние и ширина годичных слоев и содержание в ней поздней, более плотной древесины. Наблюдения показывают, что чем выше процент поздней древесины, тем она прочнее; мелкослойная древесина будет прочнее крупнослойной, при наличии не менее пяти-шести слоев на 1 см.

rss