Прогнозирование прочности древесины с учетом геометрии строения древесины

Размещено на http://www.allbest.ru/

Прогнозирование прочности древесины с учетом геометрии строения древесины

Левинский Ю.Б.,

Агафонова Р.И.

Многие исследователи заметили, что прочность древесины меняется в зависимости от величины угла между направлением её волокон и вектором внешней нагрузки [1, 2, 3, 4].

Это явление объясняется анизотропией древесного материала. Известно, что клетки, отвечающие за механическую прочность (трахеиды) также анизотропны.

Авторами [1] была предложена схема стержневой системы, для теоретического определения и оценки напряженного состояния и прочности древесного материала. Заявленная схема является плоской, но при рассмотрении силовых взаимодействий, возникающих в деталях и конструкциях из древесины, представляется более обоснованным и корректным её объёмный (пространственный) аналог (рис. 1.).

Рис. 1. Схема расчетной стержневой системы для анизотропного тела

Используя предложенную методику расчета [1], и известные геометрические соотношения, произведем расчет напряжения, возникающего в древесине, при разных углах наклона вектора силового воздействия к направлению волокон.

Предельное сопротивление суммарного слоя (Z) с поперечной ориентацией микрофибрилл определяется по формуле:

Z= N₉₀/ (1+2cos³(90-г)F_сп/F_h), ( 1)

где Z- предельное сопротивление суммарного слоя с поперечной ориентацией микрофибрилл;

N₉₀ - предельное сопротивление разрыву поперек волокон;

л - угол между приложенной нагрузкой и направлением волокон;

г - средний угол спиральных слоев для сосны

г_ран= 30⁰, г_позд= 17, 3⁰;

F_сп, F_h - площади поперечного сечения соответственно, и спиральных поперечных слоев.

Предельное сопротивление разрыву под углом л? г, под углом л< г и предельное состояние при чистом сдвиге вдоль волокон определяются соответственно по формулам 2-4:

у _{р л} ^пред =[ 1+0.25/(sin л +tq г cos л)1.125] у _{р 90} ^пред_, (2)

у _{р л} ^пред =([ sin л +0.25 cos(г -л)]/ [0.25 cos(г -л) (sin л +tq г cos л)1.125])у _{р 90} ^пред_, (3)

у _сдв^пред =2 F_сп у _{р 90} ^пред / cos г *1, 125, (4)

Таблица 1 Расчетное предельное сопротивление древесины при растяжении под углом к волокнам

Полученные расчетным методом величины предельных напряжений подтверждены экспериментально при испытании на прочность заготовок древесины сосны. Подбор и комплектование образцов по направленности распиловки позволил выявить зависимость прочностных показателей от угла встречи вектора силового воздействия и направлению волокон.

Рис. 2. Схема испытания образцов с учетом ориентации волокон древесины

Для определения модуля упругости и напряжения при сжатии и растяжении под углом в 30, 45 и 60⁰ были сформированы группы образцов для каждого угла с допустимым изменением его величины в пределах ± 5^0.

Испытания показывают, что прочность древесины резко уменьшается с увеличением угла наклона волокон относительно вектора действующих внешних сил (табл.2, рис.3-5).

Таблица 2 Физико- механические показатели древесины сосны и осины при растяжении и сжатии образцов с различной направленностью волокон

*величина модуля упругости относительно базовой характеристики, принимаемой для испытаний образцов вдоль волокон древесины. выраженная в процентах.

Рис.3. Зависимость предела прочности древесины при растяжении от направления волокон

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.4. Зависимость модуля упругости при растяжении от направления волокон

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.5. Зависимость модуля упругости при сжатии от направления волокон

В результате проведенных экспериментально - теоретических исследований выявлено следующее:

1. Прочностные характеристики и, следовательно, конструкционные возможности древесины существенно зависят от её микростроения.

2. Механические показатели древесины, которые служат основой для расчета несущих конструкций, необходимо связывать с анатомическими особенностями древесины, учитывая при этом структуру материала по внешним, визуально определимым признакам.

3. Методы теоретического расчета напряжений в анизотропном материале, каковым является древесина, позволяют получить вполне достоверные значения напряжений, в том числе, и для комбинированных или сборно- клееных несущих конструкций.

4. Предельное напряжение разрыву достигает максимального значения при угле 30, что свидетельствует о равномерности напряженного состояния и сбалансированности деформаций во всех слоях и направлениях.

При проведении эксперимента в образцах с углом 30 град во время разрушения не замечено характерного потрескивания (показатель начала разрушения), а разрушение происходило резко и сопровождалось хлопком. Это ещё раз подтверждает теоретическое описание разрушения.

5. Модуль упругости древесины резко снижается, причем наиболее значительно его уменьшение происходит в диапазоне л=0... 30⁰.

6. При проектировании конструкций необходимо учитывать полученные в исследовании данные, поскольку они позволяют наиболее рационально назначить состав пакета для склеивания в зависимости от структуры древесины и вида изделий.

7. Характер изменения модуля упругости остается практически одинаковым на всех этапах испытаний и не зависит от породы древесины (осина, сосна).

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

прочность нагрузка анизотропия древесный

1. Ю.В. Слицкоухов, В.Д. Буданов, М.М. Гаппоев и др. «Конструкции из дерева и пластмасс», под ред. Г.Г. Карлсена - М.: Стройиздат, 1986г.-543с.

2. Е.И. Савков «Прочность пиломатериалов»-Гослесбумиздат, 1962г.-85с.

3. А.М. Калугин «Деревянные конструкции», М. издат. АСВ, 2003г.-224с.

4. В.М. Хрулев «Долговечность клееной древесины», лесная промышленность, 1971г. -160с.

Размещено на Allbest.ru