CC BY
13
2016. -№ 6 (10). - С. 30-33.
3. Лакуткина Ю.С., Скоблярова И.В. Управление талантами в современных организациях // Современные технологии управления персоналом: сборник научных трудов. Симферополь. - 2016. С. 265-269.
4. Нужина Н.И. Актуальность деятельности по управлению талантами в современных организациях // Современные инновации. - 2016. -№ 2 (4). - С. 16-17.
5. Устинова И.С., Никонова М.А. Управление талантами как инновация в управлении персоналом // В сборнике: Экономика России в XXI веке // Сборник научных трудов XII Всероссийской научно-практической конференции «Экономические науки и прикладные исследования». В 2-х томах. Под редакцией Г.А. Барышевой, Л.М. Борисовой; Томский политехнический университет. 2015. С. 92-96.
УКД 1418
Пушкина Т. М. аспирант
Северный арктический федеральный университет имени М.В. Ломоносова научный руководитель: Мелехов В.И., д.т.н.
профессор
кафедра технологии лесозаготовительных и деревообрабатывающих производств Россия, г. Архангельск ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ
ДРЕВЕСИНЫ ИЗ СУХОСТОЙНЫХ НАСАЖДЕНИЙ Аннотация: Статья посвящена исследованию физико-механических свойств древесины из сухостойных насаждений (усохших на корню). Объектом исследования является древесина из сухостойных насаждений; предмет - физико-механические свойства древесины из сухостойных насаждений.
Ключевые слова: сухостойные насаждения, свойства, метод исследования.
Pushkina T.M. postgraduate Northern (Arctic) Federal University STUDY OF PHYSICO-MECHANIC PROPERTIES OF TIMBER FROM DEAD SPACES. Annotation: The purpose of this work is the study ofphysical and mechanical properties of timber from dead plants (dried on the vine). The object of study is the wood of dead plantings; the subject - physical and mechanical properties of timber from dead trees.
Keywords: dead spaces, properties, method of the study.
1. Актуальность темы исследования
Деревянный дом — это уютное, теплое пространство, наиболее полно отвечающее природной сущности человека, в настоящее время строительство деревянных домов переживает свое возрождение. Тенденция роста строительства из дерева наблюдается во всех странах: с каждым годом количество таких построек увеличивается.
Но мода диктует свои условия рынка, все чаще строительные компании предлагают дома из «сухостоя» и позиционируют древесину из сухостойных насаждений как одного из самых редких и качественных природных стройматериалов.
Такую древесину можно встретить в виде одиночных деревьев или групп, бывают случаи усыхания целых лесных массивов. Причины усыхания деревьев могут быть разные: предельный возраст растений (естественная старость), лесные пожары, засуха, кислотные дожди, понижение уровня грунтовых вод, заболачивание, морозы, заморозки, солнечные ожоги, уплотнение почвы при неправильной пастьбе скота в лесу, массовое распространение вредных насекомых и грибных болезней, в основном наблюдается у деревьев хвойных древесных пород. Если рассматривать лиственные породы, то испытавшие подобное повреждение деревья, продолжают иногда весьма долго расти, зеленеть, в то время как их древесина более или менее быстро, в зависимости от её прочности, загнивает и разрушается, обусловливая образование дупла; внешним фактор медленного разрушения дерева лиственной породы часто выражается в засыхании вершины, так называемой «суховершинности». У поражённых чем-либо хвойных деревьев засыхание ветвей также начинается обыкновенно с вершины, но в то же лето, или на следующее, засыхает и всё остальное, так что дерево становится сухостоем. В научной работе планируется изучить физико-механические свойства древесины из сухостойных насаждений для дальнейшего подтверждения гипотезы о возможности применения данного материала в конструкциях при реставрации объектов культурного наследия.
Для достижения цели определены следующие задачи:
1. Провести подготовку, отбор и изготовление образов древесины.
2. Выполнить теоретические исследования.
3. Выявить взаимосвязь между входящими и выходящими параметрами и представление их в виде регрессионной математической модели.
4. Разработать математическую модель.
5. Обобщить существующие знаний о физико-механических свойствах древесины.
Метод исследования. В процессе исследования использован метод определения прочности древесины при сжатии поперек волокон.
2. Подготовка, изготовление и отбор образцов
Порода древесины для исследования выбрана обыкновенная сосна. Т.к.
для строительства, важно чтобы древесины обладала превосходными физико-механическими свойства, желательно сосну, которая произрастает в северной полосе - ангарская, карельская, архангельская. В своей работе будем использовать основной материал используемый в строительстве сосну следующих видов: обыкновенная, гибкая, смолистая, болотная, корейская. Самым распространённым видом в северных широтах является сосна обыкновенная, качество древесины сосны обыкновенной зависит от места произрастания дерева.
В соответствии с задачами, поставленными в настоящей работе, для опыта были заготовлены образцы древесины в соответствии ГОСТ 16483.0-89 в количестве 120 штук из них было отбраковано 42 шт., для исследования отобрано 78 штук чистых образцов.
Район отбора образцов находится на северо-западе европейской части Российской Федерации, на юго-западе Архангельской области, Каргопольском районе. Климат района умеренно-континентальный, формируется под влиянием холодных воздушных арктических масс с Северного Ледовитого океана и более теплых атлантических. Характерные черты климата района - крайняя неустойчивость погоды в течение всего года, повышенная влажность воздуха, развитая метелевая деятельность. Самый холодный месяц - январь, самый тёплый - июль. Продолжительность вегетационного сезона со среднесуточной температурой выше +5°С составляет 122-125 дней, а общая продолжительность сезона со среднесуточной температурой выше + 11°С - 70-110 дней. Годовая сумма осадков в среднем равна около 650-700 мм. Средняя продолжительность безморозного периода составляет 112 дней. Общая продолжительность морозного периода - 139 дней. Среднегодовая температура поверхности почвы составляет +2°С. [2].
Образцы изготовляют в форме ширина, толщина 20х20 мм и длиной вдоль волокон 30 мм, 300 мм.
2.2 Разработка математической модели эксперимента
Для построения математической модели необходимо раскрыть суть физических явлений. Рассмотрим процесс сжатие древесины.
На сжатие в строительных конструкциях работают стойки, подкосы, верхние пояса и отдельные стержни ферм. В сечениях элемента от сжимающего усилия К, действующего вдоль его оси, возникают почти одинаковые по величине сжимающие напряжения о (эпюра прямоугольная).
Древесина работает на сжатие надежно, но не вполне упруго. Примерно до половины предела прочности рост деформаций происходит по закону близкому к линейному, и древесина работает почти упруго. При росте нагрузки увеличение деформаций все более опережает рост напряжений, указывая на упруго-пластический характер работы древесины.
Разрушение образцов без пороков происходит при напряжениях, достигающих 44 МПа, пластично, в результнаилате потери устойчивости ряда волокон, о чем свидетельствует характерная складка. Пороки меньше
снижают прочность древесины, чем при растяжении, поэтому расчетное сопротивление реальной древесины при сжатии выше и составляет для древесины 1 сорта Rс=14^16 МПа, а для 2 и 3 сортов эта величина немного ниже.
Испытания механических свойств древесины выполняют по соответствующим ГОСТам. В соответствии с ГОСТами испытания должны выполняться при стандартной влажности 12%. Если влажность отличается от стандартной, показатели механической прочности пересчитываются с учетом поправочных коэффициентов, указанных в ГОСТах.
Предел прочности при сжатии древесины поперек волокон в зависимости от направления сжатия (радиального, тангентального) и породы деформация древесины может быть неравномерной — трехфазной и равномерной — однофазной. Равномерное при испытании вначале проявляется повышение напряжений и деформации (1 фаза), затем прирост напряжений практически прекращается и наблюдается только увеличение деформации образца (2 фаза), далее напряжения начинают возрастать (3 фаза). Напряжение принимается за условный предел прочности при сжатии поперек волокон, соответствующее пределу пропорциональности, т. е. максимальное значение напряжения на прямолинейном участке диаграммы [3].
Определим тип планирования эксперимента, в нашем случае тип задач планирования будет интерполяционный, т.к. наш эксперимент проводится с целью установления связи между некоторыми свойствами системы и рядом факторов.
Входным параметром данного эксперимента: плотность образца древесины из сухостойных насаждений.
Для наших расчетов характеристику плотности древесины подобрали, не зависящую от ее влажности — условную плотность древесины. Условная плотность древесины определяется по формуле:
Русл = m0/Vmax , кг/м3 (2.1)
где то — масса образца древесины в абсолютно сухом состоянии, кг; Ушах — объем образца при влажности выше предела гигроскопичности, м3.
Для экспериментального определения плотности древесины использовали заранее приготовленные образцы в виде прямоугольной призмы основанием 20*20 мм и высотой (вдоль волокон) 30 мм. Массу образца определили методом — взвешивания на рычажных весах. Взвешивание на весах с точностью до 0,001 г. Объём образца определен по трем линейным измерениям (ширине, толщине и высоте). Установили влажность образца в момент испытаний и коэффициент объемного разбухания с помощью сушильного шкафа образец довели до абсолютно сухого состояния и измерили его массу.
Рассмотрев все факторы, влияющие на выходную единицу нашего эксперимента, можно сделать выводы что у нас - однофакторный эксперимент, т.е. у нас имеется одна регулируемая переменная (плотность). В однофакторном планировании влияние входных параметров (факторов) на
выходной параметр изучается постепенно, причем в серии опытов меняется уровень лишь одного фактора, а остальные остаются неизменными.
Цель регрессионного анализа - определить количественные связи между зависимыми случайными величинами изучаемого объекта. Одна из этих величин полагается зависимой и называется откликом (прочность), другие - независимые, называются факторами (плотность, влажность). Для установления степени зависимости между откликом и факторами используются вычисляемые величины ковариации и коэффициент корреляции. Если коэффициент корреляции по абсолютной величине будет близок к единице, то для построения зависимости используется линейная модель. В данной работе будет линейная модель [4].
Таким образом, целевая функция для математического планирования экспериментов, будет иметь вид: уравнение линейной регрессии
Y = a1X1 + a2X2 + ... + akXk, (2.2)
где а1, а2, ..., ak - параметры, подлежащие определению методом наименьших квадратов (МНК).
В эксперименте планируем найти первые два параметра, которые обозначим a и b. В этом случае уравнение линейной регрессии имеет вид
Y = a*X + b. (2.3)
2.3 Методика и результаты исследования предела прочности при сжатии древесины из сухостойных насаждений поперёк волокон
Перед экспериментом, был проведен двухстадийный отбор при котором первая стадия является отбор деревья из насаждения, вторая стадия отбор кряжей и изготовление из каждого кряжа по одной заготовке для образца согласно ГОСТ 16483.0-89.
На изменение предела прочности при сжатии поперёк волокон существенное влияние оказывает плотность древесины. При испытаниях с целью определения показателей физико-механических свойств древесины влажность кондиционируют, приводя к нормализованной влажности, показатель равен 12%, поэтому влияние фактора влажности не учитывалось. Зависимость прочности древесины из сухостойных насаждений от плотности древесины носит линейный характер.
В основу методики определения прочности образца положен принцип нагружения образца, путем его деформации с заданной скоростью и измерением сил сопротивления образца этой деформации.
Основное оборудование для проведения эксперимента: Испытательная машина AG-50kNX, SHIMADZU; нагрузочная ячейка; штангенциркуль с точностью измерения не менее 0,1 мм; весы электронные Vibra AJ-620CE; образцы древесины в виде прямоугольной призмы основанием 20x20 мм и высотой 30 мм.
Определились с фактическими поперечными размерами образца с помощью штангенциркуля, после измерения образец установили на шаровую опору приспособления. Измерение нагрузки осуществлялось средствами
измерения силы и перемещения универсальной испытательнои машины и штатным программным обеспечением TRAPEZIUM X. Испытания проводились в режиме сжатия, предварительно задав режимы прессования: предел хода, предельную силу, размеры образца, скорость процесса. Достигнув предельного значения хода, испытательная машина вручную останавливалась.
После испытаний определяют вид деформации образца (Рисунок 3.1).
Рисунок 2.1 - Вид образца №4-17с после испытания на сжатие древесины поперёк волокон
Процесс считался завершенным, когда прилагаемое максимальное усилие переходило в стационарный режим, т.е. становилось постоянным
(Рисунок 2.2).
4 5 6 Удлинение! мм)
Рисунок 2.2 - Диаграмма работы силы смятия древесины поперек
волокон
Сразу же после испытаний определяют влажность образцов древесины весовым методом.
Обработка результатов испытаний.
о = Ртах/аЬ (2.4)
где Ртах - максимальная нагрузка, кгс;
а, Ь - размеры поперечного сечения образца, см.
Предел прочности пересчитывался на влажность 12%
Для образцов с влажностью, меньшей предела гигроскопичности
30%):
о 12=о^Г+а^-12)] (2.5)
где а - поправочный коэффициент на влажность, равный 0,04 для всех пород: W - влажность образца в момент испытания, %. Выбор основных факторов и их уровней. Основные физические параметры образца являются: - плотность образца.
Для выбранного фактора (плотность, кг/м3) определим интервалы их
варьирования, которые представлены в таблице 2.1. _Таблица 2.1. Интервалы варьирования фактора.
Уровни Кодовые значения х1 Натуральные значения р
варьирования
и интервалы
Основной уровень 0 404
Интервал варьирования 1 101
Верхний уровень +1 416
Нижний уровень -1 392
В качестве основной функции (уравнения регрессии) для получения математической модели процесса сжатия поперёк волокон от выбранного фактора была принята парная линейная регрессия:
у = а + Ьх (2.6)
Где а - коэффициенты регрессии, х - влияющие переменные, к - число факторов.
Всего было проведено 28 опытов из них 14 опытов на исследования предела прочности при сжатии поперёк волокон (тангентальном направлении), 14 опытов на исследования предела прочности при сжатии вдоль волокон (радиальном направлении). Общая методическая сетка проведения экспериментальных исследований с выходными параметрами приведена в таблице 2.2.
Таблица 2.2. Методическая сетка опытов для проведения экспериментальных исследований предела прочности древ...при сжатии поперёк волокон (тангентальном направлении)_
№ опыта х1 у, кгс/мм2
Серии образцов №2 Серии образцов №3 Серии образцов №4
Тангентальное направление
1 -1 74,06 86,91 65,89
2 +1 69,66 79,04 53,55
3 -1 63,70 77,36 56,73
4 +1 96,00 75,41 60,97
5 -1 80,25 — 29,05
Радиальное направление
1 -1 74,06 41,72 41,03
2 -1 69,66 38,14 46,10
3 +1 63,70 33,30 37,60
4 +1 96,00 45,99 39,19
5 -1 80,25 -- 47,10
Обработка результатов эксперимента.
Для оценки параметров используется метод наименьших квадратов, согласно которому неизвестные параметры а и Ь выбираются таким образом, чтобы сумма квадратов отклонений фактических значений отклика у от прогнозных (полученных по уравнению регрессии) у была минимальна, т. е.
(2.7)
Коэффициенты а и Ь вычисляются следующим образом по формуле 3.8:
д £"= ±.хг-Уг -I"= .х{ I1 yi
(2.8)
а =
Ъ =
у" к-уи г-У™ гч
где i - номер измерения, xi и у{ - значения переменных при ьтом измерении, п - число измерений при моделировании системы.
Определили расчетное значение Урасч. и сравнили его с экспериментальным.
В результате обработки данных экспериментальных исследований получено уравнение регрессии в таблице 2.3:
Таблица 2.3. Уравнение регрессии по полученным данным эксперимента
№ серии образцов Тангентальное направление Радиальное направление
2 У расч.=0,878 +0.15*х/ У расч.=-3,74+0.20* х1
3 У расч.=0,49 +0.07* х1 Урасч.=0,96+0.15* х1
4 У расч.=0,695 +0.128* х1 У расч.=0,541 +0.10* х1
Проведем корреляционный анализ, который состоит в определении степени связи между двумя случайными величинами X и Y таблица. В качестве меры такой связи используется коэффициент корреляции, коэффициент корреляции оценим по выборке объема п связанных пар наблюдений (х^ у^ из совместной генеральной совокупности X и Y в таблице 2.4.
Таблица 2.4. Определение степени связи по качественной оценке, тесноты связи на основе шкалы Чеддока.
№ Линейный коэффициент Теснота связи
серии корреляции
образц Тангентальное Радиальное Тангентальное Радиальное
ов направление направление направление направление
2 0,79 0,77 сильная сильная
3 -0,17 0,35 очень слабая слабая
4 -0,60 0,90 умеренная весьма сильная
Коэффициент корреляции показывает, что зависимость между пределом прочности на сжатие поперёк волокон и плотностью древесины носит линейный характер.
Рассмотрены графические зависимости образцов, построенные по таблице 1.5. В работе последовательно проанализировано влияние одиночного фактора на трех образцах.
Таблица 2.5. Исходные данные для графика
№ обр Объем образца V, мм3 Масса образц а т, гр Плотност ь древесин ы р, кг/м3 (Х) Прочнос ть древеси ны а, Па (У) X*2 У расч.
2-3с 11602,85 4,709 405,85 37,98 164712,93 15412,68 49,486
2-23с 10219,26 4,78 467,74 62,62 218784,58 29288,28 68,059
2-19с 11152,34 5,362 480,80 162,17 231164,51 77969,72 71,975
Итого: среднее значение 1354,39 262,76 614662,02 122670,69
> <
с
Ъ ^
и ш ее ш о_
ч .0 I-
и
0
1 т О
180,00
160,00
140,00
120,00
100,00
80,00
60,00
40,00
20,00
0,00 400,
у = 0,3001х - 72,294 R2 = 1
00 420,00 440,00 460,00 480,00 ПЛОТНОСТЬ ДРЕВЕСИНЫ Р, КГ/М3 (Х)
500,00
Рисунок 2.3 - Зависимость прочности древесины из сухостойных насаждений от плотности (при радиальном направлении) на серии образцов №2
Как мы видим на графике (Рисунок 3.3), R2 отображает близость линии тренда к фактическим данным. Т.к. на графике линия тренда R2 равна 1, то можно утверждать, ошибка аппроксимации равняется нулю, прогноз будет точным.
Оценим значимость коэффициента корреляции. С этой целью рассмотрим две гипотезы. Основную Н0: гху=0 и альтернативную Н1: гху^О.
Для проверки гипотезы НО рассчитаем ^статистику Стьюдента по формуле 2.9
сравним полученное значение с критическим значением 1^,а,табл распределения Стьюдента (при V = 2 и доверительной вероятности а = 0,05, 1^,а,табл = 4,30), сделаем вывод о наличии связи между исследуемыми величинами - так как 1расч > 1^,а,табл (12,70 > 4,30), то между переменными существует зависимость и найденный коэффициент корреляции значим.
Приведем графические зависимости в натуральном выражении на серии образцов №2,3,4 (при сжатии древесины из сухостойных насаждений поперёк волокон в тангентальном, радиальном направлениях) на рисунках 3. 4 - 3.6.
100,00
95,00
90,00
85,00
80,00
75,00
70,00
65,00
60,00
440,00
у = 0,1527х + 0,8787 R2 = 1
460,00 480,00 500,00 520,00 Плотность древесины р, кг/м3 (Х)
540,00
Рисунок 2.4 - Зависимость прочности древесины из сухостойных насаждений от плотности (при тангентальном направлении) на серии
образцов №2
48,00 46,00 44,00 42,00 40,00 38,00 36,00 34,00 32,00 30,00
490 510 530 550 Плотность древесины р, кг/м3 (Х)
88,00
>
ГС 86,00
П
о 84,00
ы
н и 82,00
се
в е 80,00
др
ь т 78,00
с
о н 76,00
о
р П 74,00
у = 0,1498х + 0,9643 R2 = 1
510 520 530 540 550 Плотность древесины р, кг/м3 (Х)
Рисунок 2.5 - Зависимость прочности древесины из сухостойных насаждений от плотности (при радиальном, тангентальном направлении) на
серии образцов №3.
Рисунок 2.6 - Зависимость прочности древесины из сухостойных насаждений от плотности (при радиальном, тангентальном направлении) на
серии образцов №4. 3. Сравнение результатов испытаний образцов древесины с нормативными показателями
Таблица 3.1. Результаты испытаний и расчетов серии образцов №2 при сжатии древесины из сухостойных насаждений поперёк волокон_
№п/п образца Размеры сечения образца, мм Максим альная нагрузка Pmax, кгс Влажн ость, Wабс., % Предел прочности, кгс/см2 Откл онени е от РТМ, %
а, мм b, мм 1, мм gw g12 g12 по РТМ
1. Радиальное направление
2-3с 20,36 20,01 28,48 216,422 8,228 37,98 32,25 53,02 -0,39
2-23с 18,9 18,69 28,93 338,566 7,730 62,62 51,92 53,02 -0,02
2-19с 19,47 19,43 29,48 928,893 7,627 162,17 133,8 0 53,02 1,52
Среднее значение: 87,59 72,66 53,02 0,37
При сравнении полученных результатов исследований с нормативными документами (ГОСТы, СП, РТМ и пр.), можно увидеть, что в отдельных случаях присутствует превышение нормативных показателей. Из чего можно сделать предположение, согласно методическим стандартам (ГОСТы, СП, РТМ и пр.) все деревянные конструкции должны удовлетворять требованиям расчета по несущей способности (первая группа предельных состояний) и по деформациям, не препятствующим нормальной эксплуатации (вторая группа предельных состояний), с учетом характера и длительности действия нагрузок.
Использованные источники:
1. Подъяпольский С.С. Реставрация памятников архитектуры: Учебное пособие для вузов/ Бессонов Г.Б., Беляев Л.А., Постникова Т.М./ Под общей редакцией С. С. Подъяпольского. — Москва: Стройиздат. - М.: 1988. - 264 с.
2. Бирюков С.Ю, Эколого - биологическая характеристика сосны скрученной и сосны обыкновенной в северной подзоне европейской тайги (архангельская область): автореф. дис. канд. биол. наук: 03.00.16. - Архангельск, 2007. - 189 с.
3. Механические свойства древесины // woodtechnology.ru: ежедн. интернет -изд. 2009.18 июн. URL: http://www.woodtechnology.ru/drevesinovedenie/mexanicheskie-svoistva-drevesiny.html.
4. Стрижов В.В., Крымова Е.А. Методы выбора регрессионных моделей. М.: ВЦ РАН, 2010. 60 с.
