Экспериментальное определении прочности древесины
Прочностные показатели древесины определяют стандартными испытаниями в соответствии с процедурами, описанными в ГОСТах двух типов:
1. Испытания чистой (без существенных пороков) древесины на мелкоразмерных образцах по ГОСТ 16483 «Древесина. Общие требования к физико-механическим испытаниям» (рис. 1-5) и более десятка его разделов на каждый вид испытаний.
2. Испытания натуральной древесины по ГОСТ 21554 на образцах пиломатериалов с размерами по сортаментам хвойных и лиственных пород.
Рис. 1 Образец для определения прочности на растяжение вдоль волокон
Рис. 2 Образец для определения прочности на сжатие вдоль волокон и форма разрушения от сжатия
Рис. 3. Образец для определения прочности на изгиб по ГОСТ 16483.3-84
Образцы изготовляют в форме прямоугольной призмы с поперечным сечением 20×20 мм и длиной вдоль волокон 300 мм, загружают одной сосредоточенной силой в середине пролета, составляющего 240 мм.
Рис. 4. Образец для определения прочности на смятие поперек волокон
Рис. 5. Образцы для определения прочности на скалывание по
тангентальной и радиальной плоскостям (ГОСТ 16483.5—73)
Испытания по стандартам первой названной группы производятся в настоящее время для сравнительной оценки прочности древесины разных пород и заготовленных в разных регионах, а также для выяснения степени снижения ее прочности в конструкциях, эксплуатировавшихся в разнообразных сложных условиях продолжительное время. Здесь следует заметить, что во всех известных учебниках изображена схема испытания балочки на изгиб по четырехточечной схеме загружения, что не соответствует стандартной схеме ГОСТ 16483.3-84, показанной на рис. 3.
Натуральную древесину испытывают для оценки влияния на прочность пороков древесины, для сортировки пиломатериалов по сортам или классам прочности, для нормирования коэффициентов условий работы и др.
Испытания показывают большой разброс показателей прочности древесины. Коэффициент вариации при разных видах напряженного состояния колеблется в пределах 0,13-0,25. Это намного больше, чем у других конструкционных материалов.
Работа древесины на растяжение, сжатие и поперечный изгиб
Предел прочности древесины при растяжении вдоль волокон в стандартных чистых образцах (влажностью 12 %) высок - для сосны и ели он в среднем 100 МПа. Модуль упругости 11... 14 ГПа. Наличие сучков и присучкового косослоя значительно снижает сопротивление растяжению.
Особенно опасны сучки на кромках с выходом на ребро. Опыты показывают, что при размере сучков в 1/4 стороны элемента предел прочности составляет всего 0,27 предела прочности стандартных образцов. Отсюда видно, насколько важен правильный отбор древесины по размерам сучков для растянутых элементов конструкций.
При ослаблении деревянных элементов отверстиями и врезками их прочность снижается больше, чем получается при расчете по площади нетто. Здесь сказывается отрицательное влияние концентрации напряжений у мест ослаблений. Опыты показывают также, что прочность при растяжении зависит от размера образца; (т.е. от масштабного фактора): прочность крупных образцов в результате большей неоднородности их строения меньше, чем мелких.
При разрыве поперек волокон вследствие анизотропности строения древесины предел прочности в 12...17 раз меньше, чем при растяжении вдоль волокон. Следствием этого является большое влияние косослоя, при котором направление усилия не совпадает с направлением волокон. Чем значительнее косослой, тем больше составляющая усилия, перпендикулярная волокнам, и тем меньше прочность элемента. Косослой (наклон волокон) - второй по значимости порок, величина которого в растянутых элементах должна строго ограничиваться.
Диаграмма работы сосны на растяжение (рис. 1), в которой по оси абсцисс откладывается относительная деформация ε, а по оси ординат относительное напряжение φр, выраженное в долях от предела прочности (так называемая приведенная диаграмма), при φр < 0,5 имеет незначительную кривизну и в расчетах может приниматься прямолинейной. Значение φр = 0,5 рассматривается при этом как предел пропорциональности.
Рис. 1 Совмещенная диаграмма σ - ε растяжения и сжатия древесины
вдоль волокон в относительных координатах напряжений φр и φс
Испытания стандартных образцов на сжатие вдоль волокон дают значения предела прочности в 2-2,5 раза меньше, чем при растяжении. Для сосны и ели при влажности 12 % предел прочности на сжатие в среднем равен 44 МПа, а модуль упругости примерно такой же, как при растяжении. Влияние пороков (сучков) меньше, чем при растяжении. При размерах сучков, составляющих 1/3 стороны сжатого элемента, прочность при сжатии будет равна 0,6 - 0,7 прочности элемента тех же размеров, но без сучков. Кроме того, в деревянных конструкциях размеры сжатых элементов обычно назначаются из расчета на продольный изгиб, т.е. при пониженном напряжении, а не из расчета на прочность.
Благодаря указанным особенностям работа сжатых элементов в конструкциях более надежна, чем растянутых. Этим объясняется широкое применение металлодеревянных конструкций, имеющих основные растянутые элементы из стали, а сжатые и сжато-изгибаемые из дерева.
Приведенная диаграмма сжатия древесины (рис. 1) при φс>0,5 более криволинейна, чем при растяжении. При меньших значениях φс криволинейность ее невелика, диаграмма может быть принята прямолинейной до условного предела пропорциональности, равного 0,5. Разрушение сопровождается появлением характерной складки (рис. 2), образуемой местным изломом волокон.
Рис. 2 Складка при разрушении сжатого короткого образца древесины
При поперечном изгибе значение предела прочности занимает промежуточное положение между прочностью на сжатие и растяжение. Для стандартных образцов из сосны и ели при влажности 12 % предел прочности при изгибе в среднем равен 80 МПа. Модуль упругости примерно такой же, как при сжатии и растяжении.
Поскольку при изгибе имеется растянутая зона, влияние сучков и косослоя значительно. При размере сучков в 1/3 стороны сечения элемента предел прочности составляет половину предела прочности «чистых» бессучковых образцов. В брусьях и особенно в бревнах это отношение выше и доходит до 0,6...0,8.
Влияние пороков в бревнах при работе на изгиб вообще меньше, чем в пиломатериалах, так как в бревнах отсутствует наблюдаемый в пиломатериалах выход на кромку перерезанных при распиловке волокон и отщепление их в присучковом косослое при изгибе элемента.
Определение краевого напряжения при изгибе по обычной формуле σ = М/W соответствует линейному распределению напряжений по высоте и действительно в пределах небольших напряжений (рис. 3). При дальнейшем росте нагрузки и увеличении кривизны эпюра сжимающих напряжений в соответствии с диаграммой работы на сжатие (рис. 1, кривая 2) принимает криволинейный характер (рис. 3 б, в). Одновременно нейтральная ось сдвигается в сторону растянутой кромки сечения. При этом фактическое краевое напряжение сжатия меньше, а напряжение растяжения больше вычисленных по формуле сопромата.
Рис. 3 Изменение напряженного состояния балочки при изгибе
Определение предела прочности по формуле σ = М/W удобно для сравнительной оценки прочности различной древесины. В стадии разрушения сначала в сжатой зоне образуется складка, затем в растянутой зоне происходит разрыв наружных волокон. Разрушение клеток в сжатой и растянутой зонах аналогично разрушению при осевом сжатии и растяжении.
Опыты и теоретические исследования показывают, что условный предел прочности при изгибе зависит от формы поперечного сечения. При одном и том же моменте сопротивления W у круглого сечения предел прочности больше, чем у прямоугольного, а у двутаврового сечения меньше, чем у прямоугольного. С увеличением высоты сечения предел прочности снижается, что учитывается коэффициентом к расчетному сопротивлению m б <1.