Работа древесины на растяжение, сжатие и поперечный изгиб

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 φ_р, выраженное в долях от предела прочности
(так называемая приведенная диаграмма), при φ_р < 0,5 имеет незначительную кривизну и в расчетах может приниматься прямолинейной. Значение φ_р = 0,5 рассматривается при этом как предел пропорциональности.

Рис. 1 Совмещенная диаграмма σ - ε растяжения и сжатия древесины

вдоль волокон в относительных координатах напряжений φ_р и φ_с

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 φ_с>0,5 более
криволинейна, чем при растяжении. При меньших значениях φ_с 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.