Научная статья на тему 'Исследование прочности древесины при длительной постоянной нагрузке'

Исследование прочности древесины при длительной постоянной нагрузке Текст научной статьи по специальности «Строительство. Архитектура»

CC BY
286
33
Поделиться
Ключевые слова
ДРЕВЕСИНА / ДОЛГОВРЕМЕННОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ / ПРЕДЕЛ ПРОЧНОСТИ / УПРУГИЕ ДЕФОРМАЦИИ / ДЕФОРМАТИВНОСТЬ / ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТЬ НАГРУЖЕНИЯ / ПЛОТНОСТЬ ДРЕВЕСИНЫ / КАЧЕСТВО ДРЕВЕСИНЫ

Аннотация научной статьи по строительству и архитектуре, автор научной работы — Курьянова Татьяна Казимировна, Платонов Алексей Дмитриевич, Федоткин Никита Михайлович, Фокина Ирина Сергеевна

В статье представлены результаты экспериментальных исследований прочности древесины при длительно действующих нагрузках. Эксплуатационное качество древесины, с учетом фактора времени, определяется прочностью при длительных нагрузках. Установлено, что характер изменения прочности древесины зависит от времени и условий эксплуатации деревянных конструкций. При воздействии мгновенной нагрузки у древесины проявляются упругие деформации. Эти деформации мгновенные, обратимые и у древесины незначительные. При длительных нагрузках (фактор времени) в древесине кроме упругих деформаций возникают высокоэластические и остаточные деформации. Высокоэластические деформации обусловлены перегруппировкой звеньев макромолекулы целлюлозы без разрыва связей. Эти деформации обратимые с течением времени и значительно больше упругих. Остаточные деформации (вязкотекучие) обусловлены разрывом межмолекулярных связей и образованием новых связей. Это деформации необратимые. На деревянных конструкциях элеватора установлено наличие химической окраски на поверхности древесины березы. На древесине сосны установлено поражение деревоокрашивающей гнилью (синева) на площади 40-45 %. Эта гниль незначительно понижает прочность древесины. В работе были также рассчитаны пределы долговременного сопротивления для деревянных конструкций элеватора. Установлено, что в сооружении после 80 лет эксплуатации в благоприятных условиях древесина сосны и берёзы не достигла предельного значения прочности на сжатие вдоль волокон, при котором возможно разрушение древесины и всей конструкции. Снижение прочности древесины при длительном действии нагрузки объясняется накоплением повреждений, происходящих на молекулярном уровне из-за развития упругих высокоэластических и вязкотекучих деформаций.

Похожие темы научных работ по строительству и архитектуре , автор научной работы — Курьянова Татьяна Казимировна, Платонов Алексей Дмитриевич, Федоткин Никита Михайлович, Фокина Ирина Сергеевна,

The paper presents results of experimental investigations of strength of wood with long-acting loads. The operational quality of wood, taking into account the time factor, is determined by the strength during long loads. It was found that the variation of strength of wood depends on the time and conditions of use wooden constructions. Under the influence of instantaneous load wood manifests elastic deformation. These deformations are instantaneous, reversible and insignificant in timber. During long-term loads (time factor) in wood except the elastic deformations highly elastic and residual deformations appear. Highly elastic deformations are caused by rearrangement of parts of the macromolecules of cellulose without breaking of links. These deformations are reversible with time and significantly more elastic. The residual deformations (viscous flow) are due to rupture of intermolecular bonds and formation of new bonds. This is irreversible deformation. On the wooden elevator constructions presence of chemical stains on the surface of birch wood is found. The wood of pine wood-rot damage (blue) is found in an area of 40-45 %. This decay significantly reduces the strength of wood. We have also calculated the limits of long-term resistance for the wooden constructions of elevator. It was found that in the construction after 80 years of operation under favorable conditions the wood of pine and birch trees had not reached the limit of compressive strength along the fibers, which can damage wood and the whole structure. Reducing the strength of wood under long-term loads is explained by the accumulation of damage occurring at the molecular level due to the development of elastic and highly elastic viscose flow deformations.

Текст научной работы на тему «Исследование прочности древесины при длительной постоянной нагрузке»

УДК 630.812.78:630.812

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЧНОСТИ ДРЕВЕСИНЫ ПРИ ДЛИТЕЛЬНОЙ

ПОСТОЯННОЙ НАГРУЗКЕ Т. К. Курьянова, А. Д. Платонов, Н. Н. Федоткин, И. С. Фокина

ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия»

vgltawood@yandex.ru

Несущая способность деревянных элементов, выдерживающих нагрузку непрерывно в течение длительных периодов, как, например, балок, опор и т.д., значительно ниже той, которая приведена в стандартах (стст).

Деревянный элемент, непрерывно несущий нагрузку, способен выдерживать только часть нагрузки, которая требуется, чтобы при стандартном машинном испытании вызывать полное разрушение образца.

Эксплуатационное качество древесины, с учетом фактора времени, определяется прочностью при длительных нагрузках. Это свойство необходимо исследовать в связи с применением древесины в строительных конструкциях.

Исследованию прочности древесины при длительно действующих нагрузках и её связи с возникающими при нагружении деформациями посвящен ряд работ отечественных и зарубежных ученых (Д.П. Белянкин, Ю.И. Иванов, Н.Я. Леонтьев, П.Н. Хухрянский, А. Армстронг, Г. Христенсен и др.).

Исследования посвящены установлению величины предела прочности при длительном действии нагрузок. Установлено, что характер изменения прочности древесины в зависимости от времени действия нагрузки отражает кривая, асимпто-

тически приближающаяся к прямой, соответствующей напряжению, называемому пределом долговременного сопротивления.

В среднем для всех видов напряженного применения предел долговременного сопротивления составляет примерно 0,5-

0,6 от (ост). Кроме прочности очень важным фактором является и деформатив-ность - это важная инженерная характеристика. Общие законы деформирования под действием нагрузки с учетом фактора времени рассматривает наука реология.

Носителем реологических свойств в древесине является длинная цепная макромолекула целлюлозы - гибкая цепная макромолекула.

Древесина - это биополимер частично кристаллический (70-80 %), в результате биосинтеза находится в стеклообразном состоянии (при ^20 °С и Ждр<30 %).

В этом твердом агрегатном состоянии при воздействии мгновенной нагрузки у древесины проявляются упругие деформации (связанные с преодолением упругих сил притяжения или отталкивания частиц вещества - движением атомов в макромолекуле целлюлозы). Эти деформации мгновенные, обратимые и у древесины незначительные.

При длительных нагрузках (фактор времени) в древесине кроме упругих де-

формаций возникают высокоэластические и остаточные деформации. Высокоэластические деформации обусловлены перегруппировкой звеньев макромолекулы целлюлозы без разрыва связей. Эти деформации обратимые с течением времени и значительно больше упругих. Остаточные деформации (вязкотекучие) обусловлены разрывом межмолекулярных связей и образованием новых связей. Это деформации необратимые.

Снижение прочности древесины при длительном действии нагрузки объясняется накоплением повреждений, происходящих на молекулярном уровне из-за развития упругих высокоэластических и вязкотекучих деформаций.

Цель работы - определение качества и прочности древесины после длительного срока эксплуатации (80 лет) деревянного сооружения.

Методика проведения исследований

Образцы древесины были взяты из элеватора ОАО «Сампурский элеватор», Тамбовской области. Образцы представляли собой сколы из бревен и пиломатериалов конструкции элеватора. Породы образцов - береза и сосна.

Из сколов были изготовлены стандартные образцы для определения влажности, плотности и прочности древесины. Определение влажности древесины выполнено по методике ГОСТ16483.7-82, плотности - ГОСТ 16483.1-84 и прочности - ГОСТ 16483.10-73.

Определение предела прочности при любой заданной продолжительности дей-

ствия нагрузки было выполнено по формуле [1]:

С = °ст + а^с - 1§г)> (1)

где сТ - предел прочности при заданной продолжительности нагрузки, МПа; Сст - предел прочности при стандартных испытаниях, МПа; тст - время, потребное для разрушения образца при стандартных испытаниях, с;

а - поправочное число, МПа. Значение сст и а - для различных пород и видов действия силы приведены в РТМ [2].

Результаты исследований

В результате внешнего осмотра установлено наличие химической окраски на поверхности скола из древесины березы (рис. 1).

Рис. 1. Химическая окраска на сколе древесины березы:

1 - химическая окраска (краснина)

На сколе древесины сосны установлено поражение деревоокрашивающей гнилью (синева) на площади 40-45 % (рис. 2). Эта гниль незначительно (не более 5 %) понижает прочность древесины.

Рис. 2. Поперечный разрез древесины сосны с наличием деревоокрашивающей гнили (синева)

Влажность образцов в сооружении у древесины сосны 11,2 %, у берёзы - 7,8 %. При такой влажности дальнейшее развитие гнили невозможно.

Подтверждением незначительного влияния указанных поражений на качество древесины является её плотность. У древесины берёзы плотность образцов - р12=564

кг/м3 (стандартная плотность - р12=614 кг/м3), у древесины сосны плотность образцов - р12=504 кг/м3 (стандартная плотность - р12=505 кг/м3), т.е. качество древесины из сооружения соответствует качеству натуральной древесины, т.к. плотность изменилась очень незначительно.

Экспериментально определенная прочность древесины по стандартным образцам составила у березы а^=32,4 МПа, у сосны а12=30 МПа. Согласно рекомендациям РТМ: предел долговременного сопротивления примерно равен 0,5-0,6 от

сут . Пределы прочности сст) на сжатие вдоль волокон для древесины Центральной европейской части [2] равны: у берёзы -52,5 МПа, у сосны - 48,2 МПа.

В работе были также рассчитаны пределы долговременного сопротивления по формуле (1). Для чего определялись логарифмы времени испытания стандартных образцов (тст) и времени эксплуатации сооружения (т). Время испытания стандартных образцов составило для березы - 31,5 с, для сосны 29 с.

Результаты исследования показателей предела прочности долговременного сопротивления для древесины сосны и берёзы представлены в табл. 1.

Таблица 1

Показатели предела прочности долговременного сопротивления древесины

Вид показателя Единица измерения Береза Сосна

Предельные значения (РТМ) МПа 28,76 26,5

Расчетные предельные значения МПа 31,5 29,4

Экспериментальные значения МПа 32,4 30,0

Анализ данных, представленных в табл. 1, показывает, что прочность конструкций из древесины березы и сосны на момент проведения исследований превышает численные значения предела долговременного сопротивления для указанных пород. Отсюда следует, что конструкции элеватора обладают достаточным запасом прочности и могут эксплуатироваться без угрозы разрушения.

Выполненный проверочный аналитический расчет предела прочности долговременного сопротивления на примере древесины березы и сосны показал хорошую сходимость результатов с экспериментальными данными. Следовательно, пределы прочности при любой заданной продолжительности действия силы в строительных сооружениях могут быть рассчитаны по формуле, используя стандартные значения пределов прочности

(°\т) и поправочного числа (а) в зависимости от вида действия силы и породы.

Выводы

Результаты исследований показыва-

ют, что древесина является прекрасным конструкционным материалом. Долговечность деревянных конструкций во многом определяется условиями окружающей среды. При поддержании стабильной температуры и влажности древесины (эксплуатационной) в условиях статической нагрузки происходит медленное накопление повреждений структуры на молекулярном уровне, приводящее к развитию упругих высокоэластических и вязкотекучих деформаций. Снижение прочности, как у древесины березы, так и древесины сосны, происходит приблизительно с одинаковой скоростью.

Библиографический список

1. Леонтьев Н.Я. Техника испытания древесины. - М.: Лесн. пром-сть, 1970. 469 с.

2. Древесина. Показатели физикомеханических свойств. РТМ. - М.: Комитет стандартов при СМ СССР, 1962. 48 с.

УДК 630.181

О ВЛИЯНИИ СЛАБЫХ ФЛУКТУАЦИЙ ТЕМПЕРАТУРЫ НА НАКОПЛЕНИЕ

ГУМУСА В ПОЧВЕ С. М. Матвеев, В. И. Лисицын, Н. С. Камалова, Б. М. Кумицкий, Н. А. Саврасова

ФГБОУ ВПО «Воронежская государственная лесотехническая академия»

rc@icmail.ru

На современном этапе развития науки в области лесного хозяйства по-прежнему актуален вопрос контролируемого лесоразведения. Для решения этой

сложной, глобальной задачи с точки зрения авторов необходимо: систематизировать имеющиеся знания о факторах, влияющих на прирост лесных массивов,