Информация

 

Прочность и деформативность — это базовые свойства, которые не­обходимо знать для определения конструктивных параметров изде­лий из древесины в процессе их разработки. Помимо названных часть механических свойств принято выделять в особую группу—техноло­гические и эксплуатационные. Сегодня мы ограничимся рассмотре­нием прочности — способности тела противостоять разрушению под воздействием внешних сил.

В древесине, как и в любом другом материале, под действием внеш­них нагрузок происходят изменения размеров и формы тела - де­формации. При этом в материале возникают силы сопротивления, ко­торые обычно характеризуют напряжениями (силами, отнесенны­ми к площади сечения детали). Сростом напряжений растет и риск разрушения тела. Максимальное напряжение, предшествующее разру­шению тела, называют пределом прочности.

Большинство задач, с которыми приходится сталкиваться на прак­тике конструирования изделий из древесины, решается в рамках до­пущений теории упругости и обобщенного закона Гука, тем не менее структурные особенности древесины определяют явно выраженные различия свойств по разным направлениям, т.е. применительно к древесине должна использоваться теория упругости анизотропного тела.

В том случае, когда размеры детали из древесины малы (настолько, что можно пренебречь кривизной годичных слоев), для расчетов при­нимают обычно схему ортогональной анизотропии, для которой ха­рактерны три плоскости симметрии: две продольные — радиальная и тангенциальная и одна перпендикулярная направлению волокон.

Для крупных сортиментов древесины, когда нельзя пренебречь кри­визной годичных слоев, а зачастую наблюдается еще и неправильная ориентация сечений по отношению к годичным слоям (бруски, дос­ки), учитывается различие только между свойствами вдоль и поперек волокон (трансверсальная анизотропия).

Между анизотропией упругих и прочностных свойств существует тесная связь. Однако различия в показателях прочности по разным направлениям выражены слабее, чем в показателях упругих свойств.

При расчете прочности элементов деревянных конструкций учиты­вают величину действующих усилий (напряжений) и непременно их направленность относительно волокон и годичных слоев. Наиболее опасны растягивающие напряжения, направленные поперек волокон и приводящие к появлению в материале трещин, параллельных волок­нам. Хрупкое разрушение древесины также происходит в виде скалы­вания из-за касательных напряжений, действующих в радиальной и тангенциальной плоскостях

В некоторых случаях нагружение элементов конструкции носит сложный характер. Из-за анизотропии древесины, повышающей уро­вень сложности задачи, разработаны методики расчета прочности только для случая плоского напряженного состояния. Здесь вместо обычных уравнений используются критерии прочности.

Для прочностных расчетов используются такие характеристики ма­териала, как модуль упругости, модуль сдвига, пределы прочности на растяжение и сжатие, сдвиг. Эти характеристики определяются экспе­риментально на специально подготовленных образцах и по специаль­ной методике. Однако свойства древесины зависят не только от поро­ды, но и от места произрастания и многих других факторов. Поэтому значения параметров упругости и прочности носят несколько приближенный (усредненный) характер.

Существуют определенные закономерности, определяющие зависимость этих параметров от структуры древесины, кото­рая в свою очередь определяется условиями произрастания и т.д. Эти закономерности используются для внесения поправок в расчеты. Влияние на прочность древесины оказывает и ее влажность. Поэтому испытания проводятся при нормализован­ной влажности (12%), но для некоторых пород древесины есть данные и для влажности более 30%. Характеристики механи­ческих свойств можно найти в таблицах Государственной Сис­темы Стандартных Справочных Данных (ГСССД) «Древесина. Показатели физико-механических свойств малых образцов без пороков».

 

Сжатие вдоль волокон. Предел прочности при сжатии вдоль волокон наименее изменчив по сравнению с показателями других свойств древесины. В конструкциях и изделиях древе­сина очень часто работает на сжатие вдоль волокон, что объяс­няется ее высокой прочностью при данном виде воздействия и удобством их приложения.

Можно выделить типичные виды разрушения при сжатии вдоль волокон. У пород с легко деформируемой древесиной, а также у всех пород при высокой влажности древесины наб­людается смятие торцов образца. У пород с повышенной жес­ткостью при разрушении появляется косая складка, обычно расположенная под углом 60-70" на тангенциальной повер­хности образца. Довольно часто можно обнаружить у разру­шенного образца две встречные косые складки, образующие клиновидный участок, под которым видна трещина от про­дольного раскола. Иногда наблюдается расслоение образца и другие виды разрушения. Все это свидетельствует о существен­ном влиянии на показатели прочности при сжатии вдоль воло­кон особенностей строения и анизотропии механических свойств древесины.

Данные о пределах прочности наиболее распространенных в России пород приведены в таблице 1.

 

Сжатие поперек волокон. Возможны три типичных слу­чая разрушения для этого типа нагружения. Первый характе­рен для древесины хвойных пород (радиальное направление). Сначала происходит сжатие слабой ранней древесины годич­ных слоев, затем, после потери устойчивости анатомических элементов, происходит процесс их смятия, не требующий больших дополнительных усилий. Последняя фаза деформи­рования не связана с разрушением, т. к. здесь начинает оказы­вать сопротивление более прочная и жесткая поздняя древеси­на и, несмотря на большие нагрузки, происходит лишь уплот­нение древесины. Второй тип характерен для лиственных по­род как в радиальном, так и в тангенциальном направлениях. В данном случае вторая фаза выражена менее явно. Совсем иная картина наблюдается для древесины хвойных пород при сжатии в тангенциальном направлении. При этом усилия вос­принимают одновременно ранние и поздние зоны годичных слоев. Это более прочные зоны и это обстоятельство приводит к разрушению образца. Он выпучивается в сторону выпуклос­ти годичных слоев. Примерно такой же характер разрушения наблюдается для сухой древесины дуба в радиальном направлении. Результаты исследований показывают, что предел прочности при сжатии поперек волокон для всех пород примерно в 10 раз меньше предела прочности при сжатии вдоль волокон.

Не менее интересны данные испытаний на местное смятие попе­рек волокон (определение контактной прочности древесины). Здесь воздействие происходит не на всю поверхность детали (образца), а лишь на ее часть. Предел прочности на местное смятие из-за дополни­тельного сопротивления волокон изгибу оказывается несколько (на 20-25%) выше, чем при простом сжатии.

Сжатие поперек волокон происходит в случае изготовления прес­сованной древесины, местное смятие— в случае местного воздей­ствия на паркет и т. д.

 

Растяжение вдоль волокон. Предел прочности древесины на рас­тяжение вдоль волокон сравнительно слабо зависит от влажности дре­весины, но резко падает при малейшем отклонении волокон от нап­равления продольной оси образца. В среднем для всех пород предел прочности на растяжение вдоль волокон составляет около 130 МПа, Несмотря на столь высокую прочность, древесина в конструкциях и изделиях крайне редко работает на растяжение вдоль волокон из-за трудности предотвращения разрушения деталей в местах закрепления (под действием сжимающих и скалывающих нагрузок).

Растяжение поперек волокон. Из данных, приведенных в раз­личных источниках, следует, что прочность древесины при растяже­нии поперек волокон в радиальном направлении больше, чем в танген­циальном, у хвойных пород— на 10-50%, у лиственных— на20-70%. Наибольшую прочность имеют твердые рассеяннососудистые листвен­ные породы, затем идут кольцесосудистые лиственные и далее мягкие рассеяннососудистые лиственные. Хвойные породы по сравнению с лиственными имеют значительно меньшую прочность при растяже­нии как в радиальном, так и в тангенциальном направлении.

В среднем прочность при растяжении вдоль волокон примерно в 20 раз превышает прочность при растяжении поперек волокон.

Характеристики прочности для рассматриваемого вида усилий не­обходимы для разработки режимов резания и сушки древесины. Именно они ограничивают предельные значения сушильных напря­жений, достижение которых вызывают растрескивание материала. При расчете безопасных режимов сушки древесины учитывают зави­симость пределов прочности от влажности и температуры, а также длительность действия нагрузки. Л при конструировании изделий они практически не применяются, т. к. конструкторы стараются избегать нагружеиия. в котором действуют заметные растягивающие нагрузки поперек волокон.

 

Эта характеристика является наиболее важной для практических це­лей. Здесь возникают растягивающие напряжения в нижней части се­чения образца и сжимающие - в верхней (относительно точки при­ложения усилия). Поскольку прочность на сжатие вдоль волокон зна­чительно меньше прочности на растяжение, разрушение начинается с образования практически невидимых складок в сжатой зоне детали. Окончательное разрушение происходит в растянутой зоне в виде раз­рыва или отслоения крайних волокон и полного разлома образца. Для тех деталей, прочность которых низка или мгновенно приложенная нагрузка значительно превышает предел прочности, получается поч­ти гладкий излом, а при высокой прочности — защепистый (особенно в растянутой зоне). Данные о пределе прочности при статическом из­гибе приведены в таблице 2.

Различие между прочностью при радиальном и тангенциальном изгибах обнаруживаются только для хвойных пород предел проч­ности при тангенциальном изгибе на 10-12% выше, чем при радиаль­ном, для лиственных пород эти показатели можно считать одинако­выми.

Вследствие высокой прочности при действии изгибающих нагру­зок и удобства их приложения древесина очень часто работает в конструкциях на изгиб (балки, лаги, детали машин, мебели, та­ры и т.д.).

 

Прочность древесины при сдвиге. Различают три показателя прочности на сдвиг: скалывание вдоль и поперек волокон и перереза­ние древесины поперек волокон.

Древесина довольно часто работает в деревянных конструкциях на скалывание вдоль волокон (например, в соединениях стропильных ферм способом лобовых врубок); реже встречаются случаи на скалы­вание поперек волокон (в шпонках и некоторых шпунтовых соедине­ниях) и перерезание поперек волокон (нагели, шканты).

Прочность древесины при скалывании вдоль волокон у лиственных пород примерно в 1,6 раза выше, чем у хвойных. При тангенциальном скалывании прочность древесины лиственных пород на 10-30% вы­ше, чем при радиальном, это превышение тем больше, чем больше развиты в древесине сердцевинные лучи (граб, бук). Для хвойных по­род прочность при скалывании в обоих случаях примерно одинакова.

Более подробные сведения о методах прочностных испытаний, ме­ханических свойствах древесины и методах прочностных расчетов деревянных конструкций можно почерпнуть из следующих изданий:

•  Б. Н. Уголев. Древесиноведение с основами лесного товароведе­ния.- М.: МГУЛ, 2001.- 340 с.

•  10. С. Соболев. Древесина как конструкционный материал. — М.: Лес­ная промышленность, 1979- — 248 с.

№ 11-12 I  ноябрь-декабрь  2002