Экспериментальное исследование состояния клееных армированных балок с предварительным гнутьем древесины

Размещено на http://www.allbest.ru/

Экспериментальное исследование состояния клееных армированных балок с предварительным гнутьем древесины

Савельев В.В.

Левинский Ю.Б.

Исследователями отмечается, что качество профилирования древесины методом гнутья в основном зависит от сечения заготовок, пластификации материала, величины и направления прилагаемой нагрузки. При этом оценкой получаемого профиля заготовок является относительная величина стрелы их прогиба (показатель сохраненной изогнутости) [1, 2].

Экспериментальные исследования по изучению процесса пластификации древесины сосны, березы и осины проводились на образцах с радиальным направлением волокон и при различных условиях тепловой обработки деталей. Подтверждено, что наибольшая податливость древесины гнутью достигается при ее гидротермической обработке и кратковременной выдержки в высокочастотных полях (СВЧ и ТВЧ). Последующее за этой процедурой гнутье показало, что предельная величина остаточного прогиба (стрела прогиба f_к) предварительно пластифицированных заготовок существенно изменяется в зависимости от породы древесины и вида их обработки (табл.1).

Таблица 1Характеристики пластификации и гнутья древесины

Примечание: 1. Размеры экспериментальных образцов радиальной распиловки 20х50х250мм.

Отмечается также, что динамика нарастания пластичности древесины имеет нелинейный характер и незначительно зависит от породы древесины. Для исследуемых способов тепловой пластификации установлено, что сухой прогрев образцов в поле токов высокой частоты (СВЧ, ТВЧ) оказывается более эффективным по затратам времени. Для сосны фиксированный средний прогиб (f_к) за 14 минут составляет 5, 7мм (4, 2мм - при тридцатиминутном кипячении заготовок). Для древесины березы и осины разница в показателях (f_к) менее очевидна и не превышает 7….17%. Проведены лабораторные наблюдения за релаксацией внутренних напряжений изогнутых сосновых образцов после снятия с них прессовой нагрузки и свободной выдержки в течение 45 суток (табл.2).

Они показали, что величина (f_к) радиальной древесины, обработанной в ТВЧ и СВЧ, за первые 10 суток не изменилась (5, 7мм), но затем (на 15-е сутки) уменьшилась на 10%, а по истечение 45 суток остаточный прогиб составил около половины начального.

Таблица 2 Динамика релаксации гнутых образцов сосны

Примечание: размеры экспериментальных образцов 20х50х250мм,

На основании полученных результатов отмечается, что сосновая древесина радиальной распиловки релаксирует более плавно, чем тангентальная. Это подтверждает ее пригодность для использования в качестве исходного материала при получении изогнутых заготовок.

Для оценки стабильности профиля балок арочного типа проведено исследование с использованием предварительно изогнутых сосновых заготовок толщиной 20мм с радиальным направлением волокон, имеющих физико-механические показатели, представленные в табл.3.

Таблица 3 Физико-механические показатели профилированных образцов из сосны

Примечания: относительная твердость определена по шкале (НВ) твердомера ТЭМП-2

За счет предварительной пластификации древесины и поперечной упрессовки ее структуры при гнутье пластевая твердость возрастает незначительно (от 1, 5 до 7%). Следовательно, упрочняющего эффекта этот параметр не показывает, а стабилизация изогнутости заготовок гарантируется другими изменениями древесины, например, кинетикой ее напряженно-деформированного состояния.

Из обычных и предварительно изогнутых заготовок были получены экспериментальные модели трехслойных гнутоклееных балок двух типов - БПГ и ПГ. Склеивание проведено в специальном зажимном устройстве, обеспечивающем получение заданного радиуса кривизны (см. рис.). Предварительное гнутье каждой заготовки выполнено в специальном гнутарном устройстве.

Таблица 4 Физико-механические показатели образцов гнутоклееных трехслойных балок из сосновых заготовок

Примечание: 1. (БПГ/ПГ) - без предварительного и с предварительным гнутьем; 2. f₀, f₂₄, f_P - прогибы: предварительный начальный; со свободной выдержкой (24 месяца); при нагрузке (0, 8Р_max).

У гнутоклееных образцов после их двухлетней свободной выдержки прогиб (f_24м) уменьшился соответственно на 9, 1% и 7. Это значительно меньше тех показателей, которые характеризуют величину восстановления формы цельной древесины после ее гнутья и длительной выдержки. Следовательно, в новых балках за счет предварительного гнутья заготовок и склеивания их при минимальных внутренних напряжениях в структуре древесины, отрицательные упруго-деформационные процессы заметно угасают. Тем не менее, при длительной свободной выдержке экспериментальных клееных балок все же произошло изменение их первоначального профиля. Следовательно, в подобных конструкциях ожидаются значительные колебания внутренних напряжений, причем, именно в клеевых соединениях. Это в свою очередь снижает несущую способность конструкций и ведет к появлению дефектов в виде расслоений по клеевому соединению. Чтобы обеспечить повышенную стабильность изогнутой формы клееных балок, предложено армировать клеевые прослойки специальной тканью из углеродных волокон. Толщина армирующей ткани - 0, 29мм, плотность - 1, 8 г/см³, прочность на растяжение - 3800Н/мм². Эффект достигается при послойном полосовом армировании (1… 3%) наиболее напряженных зон сжатия и растяжения гнутокленой балки (табл.4.).

Таблица 4 Оценочные показатели армированной углеволокном гнутоклееной балки

Примечание: 1. Размеры моделей клееной изогнутой балки 40х40х250мм; клей - на основе фенолрезорциновой смолы ФРФ-50

Наблюдения за состоянием профилированной балкой в течение трех и девяти месяцев выдержки моделей показали, что при армировании конструкций их форма и кривизна стабилизируются через пять-семь дней и в дальнейшем сохраняются практически без изменений (табл. 5).

Таблица 5 Формоустойчивость армированной гнутоклееной балки

Примечания:

1. Размеры экспериментальных образцов - 40х40х250мм с вариантом набора заготовок по высоте сечения - (10/1-20/1-10/1), шт.;

2. f₀, f_k - величина стрелы прогиба образца (начальная, конечная).

Выводы

1. Предварительное гнутье древесины и армирование криволинейных клееных балок (от 1, 0 до 3, 0% содержания углеволоконной ткани в крайних клеевых прослойках) обеспечивают повышение прочности в 2-2, 5раза, а также формоустойчивости и эксплуатационной надежности конструкций.

2. Стабильность заданной формы гнутоклееных балок и элементов рам обеспечивается за счет уменьшения внутренних напряжений в деревянной клееной конструкции и усиления ее высокопрочным углеволоконным материалом, не оказывающем отрицательного деформационного влияния на клеевое соединение.

пластификация склеивание древесины тепловой

Библиографический список

1. Леонтьев Н.А. Длительное сопротивление древесины. - Л.: Гослесбумиздат, 1957, 28с.

2. Уголев Б.Н. Древесиноведение. - М., МГУЛ, 2005, 340с.

3. Бойцова И.Н. Исследование технологии склеивания древесины и прогнозирование долговечности клеевых соединений /автореф. дис.канд. техн. наук. - Л.: ЛЛТА, 1981, с.21.

Размещено на Allbest.ru