CC BY
86
УДК 691.112 БЫЗОВ В. Е.
Исследование прочностных характеристик брусьев из древесины лиственницы для несущих строительных конструкций
В статье приводятся результаты испытаний прочности и деформативности брусьев для изготовления несущих строительных конструкций из древесины лиственницы. Образцы для проведения испытаний изготовлены из брусьев, полученных из пиловочного сырья, заготовленного в Западно-Сибирском регионе России. По результатам испытаний делается вывод о соответствии брусьев из древесины лиственницы требованиям нормативно-технической документации для элементов несущих строительных конструкций.
Ключевые слова: строительство, несущие конструкции, брусья из древесины лиственницы, напряженно-деформированное состояние, образцы для проведения испытаний, вершинная и комлевая части бруса, испытания образцов, прочностные характеристики брусьев из древесины лиственницы, нормальный закон распределения результатов испытаний, статистическая обработка результатов испытаний.
Бызов Виктор Евгеньевич
кандидат технических наук, доцент Санкт-Петербургского архитектурно-строительного университета
e-mail: mapana@inbox.ru
BYZOV V E.
STUDY OF STRENGTH CHARACTERISTICS OF THE BOARDS FROM LARCH WOOD FOR LOAD-BEARING BUILDING STRUCTURES
The article presents the results of tests of the strength and deformability of beams for the fabrication of load-bearing construction design larch wood. Samples for testing are made from bars obtained from of lumber harvested in the Western Siberian region of Russia. According to test results the conclusion about conformity of the boards of larch wood with the requirements of normative-technical documentation for load-bearing elements of building construction.
Keywords: construction, structural engineering, beams of larch wood, the stress-deformation condition, samples for testing, at the top and butt end of the bench, test specimens, mechanical properties of boards from larch wood, a normal distribution of test results, statistical processing of test results.
Н
есущие строительные конструкции из древесины широко применяются в строительстве. Их изготавли-.вают из древесины хвойных пород, в основном из сосны и ели. Однако в наиболее ответственных случаях применяют древесину лиственницы. Она обладает повышенными механическими свойствами и долговечностью, а также большой изменчивостью свойств, в том числе прочностных характеристик. Поэтому для изготовления элементов несущих строительных конструкций необходимо знать прочность и деформативность пиломатериалов.
С этой целью проведены испытания пиломатериалов из древесины лиственницы для изготовления несущих строительных конструкций. Для испытаний использовались брусья, полученные из пиловочного сырья, заготовленного в Западно-Сибирском регионе России. Брусья имели размеры поперечного сечения 120x200 мм
и длину 12 м. Количество брусьев для проведения исследований составляло 236 шт. Влажность древесины брусьев составляла 12±2%. В соответствии с требованиями ГОСТ 16483.0-89 «Общие требования к физико-механическим испытаниям» использовали одностадийную выборку методом случайных чисел. Первоначально из общего количества брусьев отобрали 32 бруса, что составляет 13,6%. Далее из комлевой и вершинной части каждого бруса вырезали пробы для изготовления образцов.
Пробы вырезались из комлевой и вершинной части брусьев ввиду того, что прочностные характеристики древесины изменяются по высоте ствола дерева [1]. Пробы нумеровались следующим образом: первая цифра обозначает порядковый номер бруса (из партии), второе буквенное обозначение указывает на комлевую (К) или вершинную (В) части, например 20К, 20В и т. д.
82
© Бызов В. Е., 2015
АКАДЕМИЧЕСКИЙ ВЕСТНИК УРАЛНИИПРОЕКТ РААСН 4|2015
№ п/п Показатель Вариационный коэффициент, % Количество образцов, шт.
требуемое фактическое
1 Модуль упругости 20 60 60
2 Предел прочности при изгибе 15 36 60
3 Предел прочности при сжатии вдоль волокон 13 28 36
4 Плотность 10 16 36
Элементы несущих конструкций работают в основном при напряженно-деформированном состоянии изгиба, сжатия и изгиба со сжатием. В связи с этим определяли прочностные характеристики древесины при статическом изгибе и сжатии. Образцы вырезали из проб и имели маркировку, например, 20К1, 20К2, 20В1 и т. д. Размеры образцов соответствовали требованиям ГОСТ 16483-84 «Метод определения прочности при статическом изгибе», ГОСТ 16483.9-73 «Метод определения модуля упругости при статическом изгибе» и ГОСТ 16483.10-73 «Методы определения предела прочности при сжатии вдоль волокон». Используя образцы для определения прочности при сжатии вдоль волокон, определяли плотность древесины в соответствии с требованиями ГОСТ 16483.1-84 «Метод определения плотности».
Требуемое количество образцов определялось в зависимости от вариационных коэффициентов прочностных свойств древесины при соответствующих видах испытаний. ГОСТ 16483-84 «Метод определения прочности при статическом изгибе» допускает проведение испытаний для определения модуля упругости и предела прочности при изгибе на одних и тех же образцах. Однако для получения достоверных прочностных характеристик неравнопрочных по длине брусьев, а также учитывая то, что испытанию подвергались как комлевые, так и вершинные зоны, в работу было взято увеличенное по сравнению с требуемым количество образцов при испытаниях на сжатие, изгиб и для определения плотности древесины. В Таблице 1 приведены результаты расчета требуемого количества образцов и фактически принятых к испытаниям.
С целью пересчета результатов испытаний к показателям стандартной влажности после проведения испытаний определялась влажность древесины образцов сушильно-весовым методом в соответствии с требованиями ГОСТ 16483.7-71 «Метод определения влажности». Определение влажности дало следующие результаты: влажность древесины образцов из проб комлевой части составляла 11-14%, а влажность древесины образцов из проб вершинной части — 10-13%.
Испытания по определению модуля упругости проводились в соответствии с требованиями ГОСТ 16483.9-73 «Метод определения модуля упругости при статическом изгибе» на испытательной универсальной машине 1ш^оп 5969. Испытания по определению предела прочности при изгибе проводили в соответствии с требованиями ГОСТ 16483-84 «Метод определения прочности при статическом изгибе» также на испытательной машине 1ш1хоп 5969. Испытания
Таблица 2. Оценка закона распределения случайных величин
по определению предела прочности при сжатии вдоль волокон проводили в соответствии с требованиями ГОСТ 16483.10-73 «Методы определения предела прочности при сжатии вдоль волокон» на испытательной универсальной машине 1ш1:гоп 5982. Для того чтобы определить статистические характеристики, предварительно проверили подчинение массивов результатов каждого вида испытаний нормальному закону распределения. Для оценки закона распределения в соответствии с ГОСТ Р ИСО 5479-2002 «Статистические методы. Проверка отклонения распределения вероятностей от нормального закона распределения» вычислили направленные критерии:
I ГГ\ т3
— на асимметрию угц = —з/у,
1 1 пП3 т4
— на кривизну Ь2 = —2,
т2
где т, т3, т4 — моменты соответствия второго, третьего и четвертого порядка.
Гипотеза нормального распределения принимается, если
И < |лЬ|табЛ', Ь < Ьтабл'.
Значения критериев для оценки закона распределения случайных величин приведены в Таблице 2.
Таким образом, гипотеза о нормальном законе распределения подтверждена при уровне значимости а = 0,05 и р -а = 0,95.
После подтверждения подчинения массивов результатов испытаний нормальному закону распределения провели статистическую обработку результатов испытаний. Статистические характеристики результатов испытаний приведены в Таблице 3. Анализ данных, приведенных в Таблице 3, показывает, что вариационные коэффициенты, характеризующие изменчивость свойств, равны или близки приведенным в ГОСТ 16483.0-89. Таким образом, исследования массивов, включающих древесину комлевой или вершинной части, позволяют объективно оценить нормативные показатели неравнопрочных по длине брусьев из древесины лиственницы.
Далее провели сравнительную оценку определенных при испытаниях и требуемых прочностных характеристик древесины лиственницы. Нормативные характеристики механических свойств чистой древесины определяли по формуле
№ п/п Показатели физико-механических свойств древесины Критерии у[ь1\ Закон распределения Критерии ¿2 Закон распределения
факт. табл. факт. табл.
1 Сжатие вдоль волокон 0,49 0,6 Норм. 1,55 4,3 Норм.
2 Модуль упругости при изгибе 0,33 0,49 Норм. 2,0 3,99 Норм.
3 Предел прочности при изгибе 0,02 0,49 Норм. 2,15 3,99 Норм.
4 Плотность древесины 0,53 0,6 Норм. 1,56 4,1 Норм.
АКАДЕМИЧЕСКИЙ ВЕСТНИК УРАЛНИИПРОЕКТ РААСН 4 | 2015
83
Примечание: М — среднее арифметическое значение; 5 — среднее квадратичное отклонение; V — вариационный коэффициент; т — ошибка среднеарифметического значения; р — показатель точности вычислений.
Таблица 4. Сравнительная оценка результатов испытаний и требований к прочностным характеристикам древесины лиственницы при влажности 12%
Таблица 3. Статистические характеристики результатов испытаний
№ п/п Показатель Ед. изм. Кол-во образцов, шт. М 5 V, % т Р, %
1 Плотность древесины кг/м3 36 649,0 66,0 10,2 11,0 3,3
2 Модуль упругости древесины при изгибе ГПа 60 17,894 3,037 17,0 0,392 4,3
3 Предел прочности при изгибе МПа 60 101,68 14,46 14,0 1,87 4,0
4 Предел прочности при сжатии вдоль волокон МПа 36 57,8 7,6 13,2 1,3 4,3
№ п/п Наименование показателей Результаты испытаний Требуемое значение Выводы
1 Модуль упругости при изгибе Еи, МПа, средний для чистой древесины 17 894 14 300 [3] Соответствует. Больше на 25,1 %
2 Модуль упругости при изгибе чистой древесины Еи, МПа, при р = 0,95 12 882 12 000 [2] Соответствует. Больше на 7,4%
3 Временное сопротивление изгибу чистой древесины, Яврчи, МПа 101,7 96,0 [2] Соответствует. Больше на 5,9%
4 Временное сопротивление изгибу древесины 1 сорта, Лвр 1ч , МПа 53,5 50,4 [2] Соответствует. Больше на 6,2%
5 Нормативное сопротивление изгибу чистой древесины, Ян ч и , МПа 77,8 68,4 [2] Соответствует. Больше на 13,7%
6 Нормативное сопротивление изгибу древесины 1 сорта, Ян 1и , МПа 40,9 36,0 [2] Соответствует. Больше на 13,6%
7 Временное сопротивление сжатию вдоль волокон чистой древесины, Лвр ч сж , МПа 57,8 52,8 [2] Соответствует. Больше на 9,5%
8 Временное сопротивление сжатию вдоль волокон древесины 1 сорта, Лвр 1сж, МПа 43,8 39,6 [2] Соответствует. Больше на 10,6%
9 Нормативное сопротивление сжатию вдоль волокон чистой древесины, Ян ч сж , МПа 45,3 39,6 [2] Соответствует. Больше на 14,4%
10 Нормативное сопротивление сжатию вдоль волокон древесины 1 сорта, Ян , МПа 34,3 30,0 [2] Соответствует. Больше на 14,3%
где Лвр ч — среднее значение временного сопротивления при испытании стандартных образцов; t — квантиль распределения Стьюдента. При доверительной вероятности р = 0,95; t = 1,65; V — вариационный коэффициент.
Для перехода от нормативного сопротивления чистой древесины Лнч.к нормативному сопротивлению древесины определенного сорта с пороками Ян использовали формулу [2]:
п _ п К К
-"н.сорт. ЛН.Ч. ' ЛП ' Лр.
Значения Кп ■ Кр по данным [2] равны: для изгиба 0,5263, а для сжатия — 0,7575.
Результаты расчетов и их сравнение со значениями, указанными в нормативно-технической и справочной литературе, приведены в Таблице 4.
Анализ данных, приведенных в Таблице 4, показывает, что все расчетные прочностные характеристики, полученные в ходе испытаний, имеют значения выше требуемых. Модуль упругости чистой древесины имеет среднее значение на 25,1% выше требуемого, а минимальное значение на 7,4% больше требуемого. Временное сопротивление изгибу чистой древесины имеет среднее значение на 5,9% больше требуемого, а минимальное значение на 6,2% выше необходимого значения. Временное сопротивление сжатию чистой древесины также имеет среднее значение на 9,5% выше требуемого, а минимальное значение на 10,6% больше требуемого.
Заключение
1 Испытания по определению физико-механических свойств чистой древесины лиственницы выполнены в соответствии с требованиями нормативно-технической документации.
2 Полученные в результате статистической обработки результатов испытаний вариационные коэффициенты, характеризующие изменчивость свойств древесины, оказались равными или близкими к установленным в ГОСТ 16483.0-89. Проведенные исследования позволяют объективно оценить прочностные характеристики неравнопрочных по длине брусьев из древесины лиственницы.
3 Установлено, что по всем регламентируемым показателям прочности и деформативности брусья длиной 12 м из древесины лиственницы соответствует 1 сорту по ГОСТ 8486-86 «Пиломатериалы хвойных пород. Технические требования».
Список использованной литературы
1 Полубояринов О. И. Плотность древесины. М. : Лесная промышленность, 1976. 160 с.
2 СП 64.13330.2011 Деревянные конструкции. Актуализированная редакция СНиП 11-25-80.
3 Боровиков А. М., Уголев Б. Н. Справочник по древесине. М. : Лесная промышленность, 1989. 293 с.
84
АКАДЕМИЧЕСКИЙ ВЕСТНИК УРАЛНИИПРОЕКТ РААСН 4|2015
