Прочность древесины при сжатии

Сжатие вдоль волокон. Показатели этого основного свойства древесины определяются при испытании образцов в виде прямоугольной призмы (рис. 46, а). Основание призмы соответствует базисному сечению (20x20 мм), а высота - 30 мм. Фактические поперечные размеры а и b оп­ределяют с погрешностью 0,1 мм на уровне половины высоты образца. Испытания проводят с помощью приспособления (рис. 46, б).

Рис. 46. Испытание древесины на сжатие вдоль волокон: а - образец; 6 - приспособление: 1, 6 - съемная шаровая опора; 2 - обра­зец; 3 – пуансон; 4 - шаровая опора; 5 – корпус

Образец нагружают рав­номерно с постоянной скоро­стью роста нагрузки или пе­ремещения активного захвата машины. Скорость должна быть такой, чтобы образец разрушился через 0,5 -1,5 мин с момента начала нагружения. Разрушение образца устанавливают по началу возврата стрелки силоизмерителя, кон­трольная стрелка указывает по шкале максимальную нагрузку P_max, H. Предел прочности σ_W МПа, вычисляют по формуле

. (87)

Вычисление производят с округлением до 0,5 МПа. Влажность древесины в момент испытаний определяют высушива­нием разрушенных образцов. Минимальное количество проб на влажность вычисляют по формуле (82). Затем по формуле (69) пересчитывают полу­ченные для каждого испытанного образца значения пределов прочности к влажности 12 %. Поправочный коэффициент α для всех пород принимают равным 0,04. Данные, полученные для всех испытанных образцов, подвер­гают статистической обработке, используя формулы (74) - (81).

Пределы прочности древесины при сжатии вдоль волокон для ос­новных пород приведены в табл. 30 (Характеристики механических свойств в этой главе даются в соответствии с РТМ [26] и таблицами ССД «Древесина. Показатели физико-механических свойств ма­лых образцов без пороков» В данной и нижеследующих таблицах (если нет особых указаний) приведены округленные средние показатели РТМ, пересчитанные на влаж­ность 12 %, а также на влажность 30 % и более. В РТМ и таблицах ССД имеются более подробные данные для большинства наших пород из разных районов произрастания).

Как видим, предел прочности древесины при сжатии вдоль воло­кон сильно зависит от влажности. Прочность комнатно-сухой древесины в 2-2,5 раза выше чем свежесрубленной.

В среднем для всех изученных пород при влажности 12 % предел прочности на сжатие вдоль волокон примерно равен 50 МПа. Предел про­порциональности при сжатии вдоль волокон для некоторых наших пород (лиственница, сосна, пихта, дуб, ясень) составляет в среднем 0,7 предела прочности.

30. Прочность древесины при сжатии вдоль волокон

Порода	Предел прочности, МПа, при влажно­сти, %	Порода	Предел прочности, МПа, при влажности, %
	30 и более		30 и более
Лиственница Сосна Ель Кедр Пихта сибирская Акация белая Граб Клен Ясень Груша			Дуб Бук Орех грецкий Береза Вяз Липа Ольха Осина Тополь

Можно выделить типичные виды разрушения при сжатии вдоль во­локон (рис. 47). У пород с легко деформируемой древесиной, а также у всех пород при высокой влажности древесины наблюдается смятие торцев образца (рис 47, а) У пород с древесиной повышенной жесткости при раз­рушении появляется косая складка, обычно расположенная под углом 60 -70 ° на тангенциальной поверхности образца (рис 47, б). Довольно часто можно обнаружить у разрушенного образца две встречные косые складки, образующие клиновидный участок, под которым видна трещина от про­дольного раскола (рис 47, в). 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.

Исследования В.Е. Моска­левой, Ю.М. Иванова и других показали, что изменения в мик­роскопическом строении происходят только в зоне разрушения, а в ос­тальном объеме образца древесина остается неповрежденной Сложное на­пряженное состояние возникает в приторцовых зонах образца из-за стес­нения, вследствие трения, поперечных деформаций Наблюдается также и стеснение угловых деформаций.

Для уменьшения влияния приторцового эффекта предпринимались попытки увеличить высоту образца Однако это приводило к потере устой­чивости образца при испытаниях в конечной стадии нагружения. Исследо­вались возможности изменения формы образца путем увеличения сечения приторцовой зоны [56]. При испытаниях сосновых образцов общей высо­той 35 мм с головками 26x26x4 мм и плавным переходом к средней части (сечением 20x20 мм), в которой действуют достаточно равномерно рас­пределенные основные напряжения σ_а, пределы прочности оказались в среднем на 8,5 % выше, чем при испытаниях стандартных образцов Как видим, различие в показателях не слишком значительно Образцы услож­ненной формы, учитывая трудности их изготовления, целесообразно при­менять лишь для исследовательских целей.

Следует отметить, что 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 действия усилий и удобством их приложения.

Сжатие поперек волокон. Возможны две типичные диаграммы сжатия (рис. 48), отражающие связь между напряжениями и деформациями [49].

Рис 48 Диаграммы сжатия древесины поперек волокон: 1 - трехфазная, 2 - однофазная

Трехфазная диаграмма наиболее четко выра­жена при сжатии в радиальном направлении древе­сины хвойных пород. Начальный, почти прямоли­нейный, участок (первая фаза) этой диаграммы от­ражает сопротивление слабой ранней древесины годичных слоев. После потери устойчивости ана­томических элементов происходит процесс их смя­тия, не требующий больших дополнительных уси­лий, и на диаграмме появляется второй, слегка на­клоненный к оси абсцисс, участок (вторая фаза). Постепенно начинают оказывать сопротивление более прочные и жесткие анатомические элемен­ты поздних зон, что находит отражение в участке, расположенном под большим углом к оси абсцисс (третья фаза) Последняя фаза деформирова­ния, несмотря на большие нагрузки, приводит лишь к уплотнению древе­сины и не завершается разрушением образца

У лиственных пород при сжатии как в радиальном, так и в тангенци­альном направлении происходит смятие анатомических элементов и на­блюдается трехфазная диаграмма, хотя и менее явно выраженная Одно­фазная диаграмма характерна для древесины хвойных пород при сжатии в тангенциальном направлении. В этом случае усилия воспринимают одно­временно ранние и поздние зоны годичных слоев. Однако наибольшие на­пряжения возникают в жестких поздних зонах Эти более прочные зоны и определяют сопротивление разрушению всего образца. Нагружение при­водит к явному разрушению образцов; они выпучиваются в сторону вы­пуклости годичных слоев. Однофазная диаграмма обнаруживается при ра­диальном сжатии сухой древесины дуба, что связано с наличием широких сердцевинных лучей По наблюдениям О.С. Мыльниковой (ЛТА) разру­шение имеет вид, схематично показанный при сжатии вдоль волокон на рис. 47, в.

Поскольку в большинстве случаев при действии сжимающих усилий поперек волокон не удается установить максимальную нагрузку, приводя­щую к окончательному разрушению образца, ограничиваются определени­ем предела пропорциональности, который принимают за условный предел прочности.

Различают два вида испытаний — на сжатие и местное смя­тие поперек волокон. При первом виде испытаний нагрузка прикладыва­ется равномерно по всей поверхности образца, при втором - по всей ши­рине, но лишь на части длины. Возможен и третий вид испытаний, при ко­тором нагрузка прикладывается на площадку, ограниченную частью ши­рины и длины образца.

Для испытаний используют образцы, формы и размеры которых ука­заны на рис. 49, а, б Испытания при действии усилий в радиальном и тан­генциальном направлениях проводят на отдельных образцах. У образца для испытания на с ж а т и е измеряется длина l и на половине длины ши­рина а с точностью до 0,1 мм. У образца для испытания на местное смятие измеряется с той же точностью только его ширина а.

Для испытаний используют приспособление, изображенное на рис. 49, в, которое имеет два съемных пуансона Плоский пуансон (без высту­па) применяют при испытании на сжатие; пуансон с выступом длиной 20 мм и закругленными ребрами (радиус 2 мм) - для испытаний на смятие.

Непрерывно нагружая образец не менее 10 раз через равные интер­валы нагрузки Р, определяют укорочение образца Δ l с погрешностью не более 0,01 мм и строят график зависимости Р = ƒ(Δ l). Ординату точки, в которой тангенс угла между касательной к графику и осью Р на 50 % больше, чем на линейном участке графика, принимают за нагрузку Р_у.п. со­ответствующую условному пределу прочности. Если испытательная ма­шина снабжена устройством, обеспечивающим запись нагрузки в масшта­бе не более 50 Н/мм и укорочения Δ l в масштабе не более 0,01 мм/мм, то величину Р_у.п. можно определить по диаграмме сжатия, вычерченной ма­шиной. Во всех случаях продолжительность равномерного нагружения до достижения условного предела прочности должна быть 1-2 мин.

Рис. 49 Испытания древесины на сжатие и местное смятие поперек волокон: а - образец для испытания на сжатие, б - образец и схема испытаний на смятие, в - приспособление для испытаний: 1 - индикатор, 2 - корпус, 3 - шток, 4 - подстав­ка, 5 - съемный пуансон, 6 – образец

Условный предел прочности вычисляют с округлением до 0,1 МПа при сжатии поперек волокон по формуле

, (88)

где Р_у.п.- нагрузка, Н; а - ширина образца, мм; l - длина образца, мм,

а при местном смятии поперек волокон по формуле

, (89)

где 18 - средняя ширина выступа пуансона, мм

Прочность при сжатии и смятии поперек волокон исследована сла­бо. Некоторые средние данные, приведенные в табл. 31, следует рассмат­ривать как ориентировочные.

Определение влажности древесины в момент испытаний, приведение значений условного предела прочности к нормализованной влажности (поправочный коэффициент α = 0,035) и их статистическую обработку проводят так же, как и при испытаниях на сжатие вдоль волокон.

31. Условные пределы прочности при сжатии и местном смятии

поперек волокон

Порода	Условный предел прочности, МПа
Сжатие поперек волокон при влажности, %	Местное смятие поперек волокон при влажности, %
	30 и более		30 и более		30 и более		30 и более
Лиственница Сосна Пихта Граб Ясень Дуб Бук Вяз Липа Ольха Осина	4,3 5,1 2,1 6,5 - - 6,1 5,7 5,5 6,7 5,4	2,6 3,0 1,3 3,9 - - 3,6 3,4 3,3 4,1 3,2	6,1 7,5 2,4 6,0 - - 6,3 4,6 5,1 3,7 3,5	2,4 3,0 1,0 3,6 - - 3,8 2,8 3,0 2,3 2,1	6,1 - 2,5 13,7 8,3 9,1 11,4 11,0 9,6 8,0 6,3	3,6 - 1,5 8,0 5,1 5,5 6,9 6,7 5,9 4,9 3,8	9,3 13,6 3,5 11,3 10,6 5,3 10,8 11,0 9,8 5,3 4,8	3,8 5,6 1,4 6,9 6,5 3,2 6.7 6,7 6,0 3,2 2,8

Примечание. Цифра 1 обозначает радиальное направление, цифра 2 – тангенциальное

Как видим, условный предел прочности при сжатии поперек волокон для всех пород в среднем примерно в 10 раз меньше предела прочности при сжатии вдоль волокон

Предел прочности при местном смятии из-за дополнительного со­противления изгибу волокон оказывается выше, чем при простом сжа­тии поперек волокон. Однако эта разница не столь большая, как можно заключить из данных табл. 31, в которой представлены ориентировоч­ные и поэтому трудно сопоставимые для разных видов испытаний дан­ные. В работе [49] отмечается, что это увеличение составляет 20 - 25 %. При испытании древесины с помощью штампа, передающего нагрузку на часть длины и ширины образца, значения условного предела прочно­сти оказываются еще несколько выше из-за сопротивления древесины скалыванию поперек волокон у ребер штампа, расположенных вдоль во­локон

Следует заметить, что пока стандартизованы методы только для двух видов испытаний Вначале был разработан стандартный метод испытания на местное смятие (с целью определения по существу контактной прочно­сти древесины), а позднее - на сжатие поперек волокон. Форма, размеры и ориентация волокон в образце (рис. 49, а) такова, что его можно изготав­ливать из той же возрастной зоны ствола, что и образец на местное смятие (рис. 49, б), обеспечивая лучшие условия для сравнения показателей. Од­нако на результаты испытания образца по схеме рис 49, а оказывает влия­ние стеснение его деформаций на поверхностях, контактирующих с пуансоном и подставкой. Для исследовательских целей можно использовать образец с усиленными торцовыми частями, что повышает предел прочно­сти, как показано в работе [56]: для сосны в радиальном направлении на 13 %, а в тангенциальном - на 42 %.

Все три возможных случая действия сжимающих нагрузок встреча­ются в практике. Например, сжатие поперек волокон происходит при изго­товлении прессованной древесины, местное смятие наблюдается в шпалах под рельсами, а третий вид нагружения - при использовании древесины в качестве подкладок под стойки и т д.

Дата добавления: 2015-04-30