Длительная прочность и сопротивление усталости древесины

Способность древесины сопротивляться разрушению от длительно действующих и периодически изменяющихся нагрузок явилась предметом многочисленных исследований в связи с применением древесины в строи­тельных конструкциях. Поскольку эти свойства зависят от фактора време­ни, их также можно считать реологическими.

Прочность древесины при длительных постоянных нагрузках. Исследованию прочности древесины при длительно действующих нагруз­ках и ее связи с возникающими при нагружении деформациями посвящены работы Ф.П. Белянкина, Ю М. Иванова, Н.Л. Леонтьева, П.Н. Хухрянского, В Н. Быковского, В.Ф. Яценко, Б.И. Огаркова и других отечественных, а также ряда зарубежных авторов (Л. Армстронг, Г. Христенсен, Р Кинг­стон, Р. Дэвидсон, Ф Кольман, Р. Пентоней, А. Шнивинд и др) Целью большинства исследований явилось установление величины предела проч­ности при длительном действии нагрузок в направлении вдоль волокон. Характер изменения прочности древесины в зависимости от времени дей­ствия нагрузки отражает кривая, асимптотически приближающаяся к пря­мой, соответствующей напряжению, называемому пределом долго­временного сопротивления (рис. 69). В среднем для всех видов напряженного состояния предел долговременного сопротивления состав­ляет примерно 0,5-0,6 величины предела прочности при кратковременных статических испытаниях.

Н.Л. Леонтьев предложил уста­навливать предел прочности при лю­бой заранее заданной продолжитель­ности нагрузки по формуле

σ_τ=σ_ст+α(lgτ_ст-lgτ), (111)

где σ_τ - предел прочности при данной продолжительности действия на­грузки, МПа, σ_ст - предел прочности при стандартных испытаниях, МПа; τ_ст - время, потребное для разрушения образца при стандартных испыта­ния, α - поправочное число, МПа.

Значения σ_ст и α для различных пород и видов действия сил приве­дены в РТМ [26]. Расчеты по формуле (111) показывают, что, например, для древесины сосны при изгибе под действием постоянной нагрузки в те­чение 3 лет предел прочности составит 0,61 предела прочности при крат­ковременных испытаниях.

Ю.М. Иванов использовал для обобщения имеющихся данных о влиянии времени нагружения на прочность древесины разработанную акад. С.Н. Журковым и его последователями кинетическую теорию проч­ности твердых тел Это позволяет объяснить разрушение древесины разви­вающимся во времени процессом накопления повреждений, происходящих на молекулярном уровне Снижение прочности древесины при длительном действии нагрузки учитывается при расчете строительных конструкций.

Прочность древесины при переменных нагрузках. Некоторые де­ревянные конструкции во время эксплуатации подвергаются воздействию переменных по величине и направлению, т е. вибрационных, нагрузок. Частота колебаний при этом обычно менее 50 Гц. При таких низкочастот­ных механических воздействиях в древесине возникают необратимые ос­таточные деформации, вызванные повреждениями на молекулярном уров­не. Вследствие большого количества перемен (циклов) нагрузки эти по­вреждения накапливаются и приводят к разрушению древесины, даже если величина напряжений сравнительно невелика. Указанное явление называ­ют усталостью древесины.

По характеру изменения величины и знака напряжений циклы могут быть симметричными и асимметричными: знакопеременными и знакопо­стоянными, в том числе отнулевыми

Испытания древесины на усталость проводят на специальных маши­нах, поддерживающих заданный закон нагружения В момент разрушения образца по счетчику определяют общее число циклов Испытывают несколько серий образцов при различной величине напряжений цикла и строят кривую усталости, напоминающую кривую длительного сопротив­ления (рис. 69), только в этом случае по оси абсцисс отложено не время, а число циклов. Со снижением величины напряжения кривая асимтотически приближается к прямой, параллельной оси абсцисс. Ординатой этой пря­мой является напряжение, носящее название предела выносливо­сти.

В опытах К.К. Симинского и др. испытания древесины на усталость проводились на образцах круглого сечения, подвергавшихся переменному изгибу при вращении. По данным акад. Ф.П. Белянкина средняя величина предела выносливости для древесины равна примерно 0,2 статического предела прочности.

Усталостные испытания древесины с учетом ее анизотропии провел А.А Поздняков на клееных образцах из березового шпона с параллельным расположением волокон (параллельная фанера). Отношение предела вы­носливости к пределу прочности при растяжении вдоль волокон парал­лельной фанеры из березового шпона составляет около 1/3, поперек воло­кон - примерно 1/2.

Обычно определяют ограниченный предел выносли­вости для заданного числа циклов. Число циклов, или база усталостных испытаний, задается при этом из условий работы материала в той или иной конструкции. Н М. Фигурнов проводил усталостные испытания древесины для мостов на скалывание вдоль волокон при несимметричном отнулевом цикле. База испытаний равнялась 5 млн. циклов. Отношение ограниченно­го предела выносливости к статическому пределу прочности при скалыва­нии вдоль волокон (сосна) составляло при 10 %-ной влажности 0,25 и уменьшилось при 42 %-ной влажности до 0,17.

По данным А.Ю. Педдера изменение частоты колебаний от 1 до 50 Гц не отражалось на величине предела выносливости. С повышением частоты колебаний до 100 Гц предел выносливости, как и следовало ожи­дать, увеличивался.

Дата добавления: 2015-04-30