Основные виды напряженного состояния элементов деревянных конструкций
Прочность деревянных конструкций
Прочность деревянных конструкций зависит от прочности составляющих их досок, брусьев и бревен, наличия пороков древесины (сучков), которые ослабляют прочность.
По своему строению древесина имеет пористое строение, вследствие этого она является анизотропным материалом, и имеет отличающиеся механические свойства по различным направлениям. Максимального значения прочность древесины достигает, когда направление действующей силы совпадает с направлением волокон, с увеличением угла между воздействующей силой и направлением волокон прочность древесины уменьшается в несколько раз.
Определение предела прочности древесины производится путем испытания стандартных образцов на специальных машинах. Образцы выполняются из древесины, не содержащей каких-либо пороков. Испытания показали большой разброс прочности даже у образцов одной породы, как следствие неоднородности древесины. При испытании хвойных пород, наиболее широко используемых в строительстве, обнаружилось, что прочность ранней древесины в 2-3 раза ниже прочности поздней древесины. Содержание поздней древесины и толщина стенок ее трахеид отличаются от более ранней. Со временем стенки трахеид становятся толще, объемный вес древесины растет, прочность увеличивается.
Прочность разных пород древесины зависит также от ее влажности и возраста; древесина молодых деревьев имеет значительно меньшую прочность, чем у взрослых деревьев, а при увеличении влажности прочность может уменьшиться почти вдвое.
Деформативностью называется изменение формы и размеров материалов под действием внешних сил (нагрузки, влажности, температуры). Если после снятия нагрузки деформация материала остается, она называется остаточной.
Упругость — свойство тела (материала) сопротивляться изменению его объема и формы под воздействием механических напряжений от нагрузок и восстанавливать свои объем и форму после снятия нагрузок. Древесина — упругий материал, устойчивый к деформации. Она выдерживает большие нагрузки без изменения формы и размеров. Изделия из древесины не теряют первоначального вида при эксплуатации в течение 20…25 лет.
Пластичность — способность материала под действием нагрузки изменять свою форму и без признаков разрушения полностью сохранять полученную форму после снятия нагрузки. На этом свойстве основано тиснение и гнутье древесины. Пластичность древесины зависит от степени ее влажности и возраста (молодая и влажная древесина обладает большей пластичностью).
Истираемость — способность материала сопротивляться воздействию истирающих усилий (разрушению под действием трения). Важное значение для линолеумов и синтетических плиток имеет стойкость материалов к истиранию, так как толщина безподосновного линолеума 1,2…2 мм. Истираемость паркета, линолеума и синтетических плиток определяют в лабораторных условиях на машинах Шоппера и Грассели, а покрытий полов из текстильных синтетических ковров — на машинах МИВ-2 и ВНИИК.
Сопротивление удару — способность материала сопротивляться ударным воздействиям. Таким воздействиям подвергаются материалы в конструкциях полов.
Твердость — свойство материала сопротивляться проникновению в него более твердых тел. Чем плотнее древесина, тем больше ее твердость. Наибольшей твердостью отличается древесина самшита, граба, дуба, ясеня, бука, клена; древесина сибирского кедра, ели, липы и пихты обладает меньшей твердостью.
Ценным механическим свойством древесины является ее способность оказывать сопротивление выдергиванию гвоздей и шурупов. Его величина зависит от твердости породы древесины и направления движения гвоздя или шурупа по отношению к ее волокнам. Сопротивление уменьшается, когда гвоздь забивают вдоль волокон, и увеличивается, когда его забивают поперек волокон. Для выдергивания гвоздя из древесины граба плотностью 780 кг/м3 требуется в 4 раза большее усилие по сравнению с древесиной сосны, плотность которой 440 кг/м3. Сопротивление выдергиванию гвоздей и шурупов, забитых во влажную древесину, снижается при последующем ее высыхании.
Сопротивление раскалыванию — способность древесины сопротивляться разделению вдоль волокон. По характеру это разрушение близко к разрушению при растяжении древесины поперек волокон. У хвойных пород сопротивление раскалыванию по плоскости тангентального разреза меньше, чем по радиальной плоскости. У лиственных пород из-за влияния сердцевинных лучей, наоборот, сопротивление раскалыванию по радиальной плоскости ниже, чем по тангентальной.
Опытным путем удалось обнаружить прямо пропорциональную зависимость между пределом прочности древесины и ее объемным весом. На прочность древесины влияет и ширина годовых слоев, слишком широкие и слишком узкие годовые слои снижают прочность древесины.
| 
|
| Косослой: а – природный, волокна направлены винтообразно вдоль ствола; б – искусственный, полученный при распиловке сбежистого бревна; в – изменение косослоя | Пороки древесины: а – неправильности строения древесины (1 – косослой; 2 – свилеватость; 3 крепь); б – трещины (1 – метик; 2 – морозобой; 3 – отлуп); в – сучки (1 – округло-овальный; 2 – сшивной в еловой доске; 3 – лапчатый в сосновой доске) |
Анизотропия (означает неодинаковость свойств материала в различных структурных направлениях) является следствием особенностей анатомического строения древесины, в которой ее механические и упругие свойства резко отличаются для направлений вдоль и поперек волокон. Помимо строения древесины, на механические свойства оказывает влияние неоднородность древесины, обусловленная наличием поздней и ранней древесины годовых колец. Прочность поздней древесины годичных колец в 3-4 раза выше прочности ранней древесины. Необходимо отметить, что теплофизические свойства, теплопроводность, линейное тепловое расширение, электропроводность древесины также различны по трем направлениям структурной симметрии, т.е. древесина анизотропна также в отношении этих свойств.
| 
|
| Оси плоскости симметрии элементарного объема древесины: а) – плоскости симметрии ортотропной анизотропии; б)- схема цилиндрической анизотропии изотропного тела | Диаграмма деформирования древесины при растяжении вдоль волокон |
Расчетная модель предполагает наличие трех взаимно перпендикулярных плоскостей структурной симметрии. Такие материалы называют ортотропными. Предположение об ортотропности применительно к элементарному объему древесины является упрощенной схемой (см. рис.выше, а). Механические свойства древесины различны в разных направлениях и зависит от угла между направлением действующего усилия и направлением волокон (см. рис.выше, б). При совпадении направления усилия и волокон прочность древесины достигает максимального значения. Поэтому, при выведении формул для определении расчетных сопротивлений под углом к волокнам, древесина рассматривался как ортотропный материал.
Основные виды напряженного состояния элементов деревянных конструкций
Растяжение. Сопротивление чистой древесины растяжению вдоль волокон весьма велико; в среднем для сосны около R=100 МПа. Из диаграммы видно, что при кратковременном нагружении деформации возрастают пропорционально напряжению почти до момента разрушения, т.е. закон Гука соблюдается до конца разрушения. Тем не менее, за предел пропорциональности принимается нагрузка равная 0,5 от временного сопротивления. Разрушение наступает при очень малой относительной деформации равной 0,7%. Этот факт показывает, что древесина при растяжении вдоль волокон работает подобно хрупким материалам, т.е. более напряженные волокна разрушаются почти мгновенно, передавая свою долю растягивающих усилий оставшимся волокнам.
Прочность пиломатериала на растяжение существенно снижается за счет неоднородности древесины. В зоне сучков, отверстий концентрируются напряжения, величина которых зависит от размера. При наличии наклона волокон (косослой) растягивающее усилие раскладывается на две составляющие: вдоль наклонно расположенных волокон и перпендикулярно к ним, что вызывает растяжение поперек волокон. Чем больше наклон волокон, тем больше составляющая растягивающих усилий поперек волокон и тем меньше прочность элемента, т.к. прочность древесины поперек волокон при растяжении в 25-30 раз меньше, чем вдоль волокон. В связи с этим при проектировании конструкций необходимо избегать приложения усилий, действующих поперек волокон.
| 
|
| Характер влияния дефектов при растяжении вдоль волокон | Диаграмма деформирования древесины при сжатии вдоль волокон |
Предел прочности древесины при растяжении вдоль волокон в стандартных образцах (влажность 15%) имеет высокое значение: для сосны и ели он в среднем равен 1 000 кг/см2. Величина модуля упругости 110 000 — 140 000 кг/см2. 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 от предела прочности древесины стандартных образцов. Отсюда видно, насколько важен правильный отбор древесины по размерам сучков для растянутых элементов конструкций.
Дата добавления: 2018-08-06; просмотров: 1103; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!