Прочность и деформации образцов из сосны и лиственницы при кратковременном растяжении поперёк волокон Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

УДК 624.011:620.17.001.5 С. В. МИРОНОВА

ПРОЧНОСТЬ И ДЕФОРМАЦИИ ОБРАЗЦОВ ИЗ СОСНЫ И ЛИСТВЕННИЦЫ ПРИ КРАТКОВРЕМЕННОМ РАСТЯЖЕНИИ ПОПЕРЁК ВОЛОКОН

Рассматриваются результаты экспериментальных исследований образцов древесины при растяжении поперек волокон. Исследованы модуль упругости и предел прочности при растяжении поперек волокон. Установлена линейная зависимость между напряжениями при растяжении поперек волокон и относительными деформациями. Построены кривые распределения и кривые нормального распределения для сибирской сосны и лиственницы при растяжении поперек волокон в радиальном и тангенциальном направлениях и дана оценка расхождения кривых фактического распределения с кривыми нормального распределения.

Деформации древесины поперек волокон возникают в балках с подрезкой на опоре, во врубках, в сопряжениях на нагелях и т.д. [1].

В СНиПе 11-25-80* [2] расчетные характеристики при растяжении поперек волокон даны только для элементов из клееной древесины, что подтверждает нужность практического значения исследований.

Рассмотрим результаты экспериментальных исследований образцов древесины из сосны и лиственницы при растяжении поперек волокон. Раскалывание древесины характеризуется разрывом поперек волокон при неравномерном распределении напряжений. Предельное сопротивление древесины при раскалывании так же, как и при растяжении лимитируется максимальными напряжениями. Поэтому для получения достоверных результатов испытаний образцы на растяжение поперек волокон и на раскалывание были изготовлены из одних и тех же кряжей сосны и лиственницы, заготовленных в леспромхозе Томской области.

Сосна и лиственница в возрасте около 200 лет имели диаметр в комлевой части 50-55 см. Образцы были изготовлены из трех сосновых бревен длиной 6, 6,3 м и из двух бревен лиственницы длиной 6 м. Бревна разделывались на кряжи длиной 1,5 и 2,0 м.

Минимальное количество образцов (п) для доверительной вероятности

0,95 составило: п = 0,16 - и2 = 0,16 • 202 = 64, где и - коэффициент вариации в процентах.

Для испытаний на растяжение поперек волокон при кратковременной нагрузке было отобрано, соответственно, из сосны и лиственницы 285 и 104 образцов в радиальном направлении; 190 и 101 образцов - в тангенциальном направлении.

Для определения предела прочности и модуля упругости при растяжении поперек волокон были приняты образцы по ГОСТ 16483.28-73 (рис. 1).

Образцы на растяжение поперек волокон выполнены цельными, без склеивания, с обработкой на фрезерном станке. На образцы, предназначенные для испытаний на кратковременную нагрузку, наклеивались пластинки

5*5х0,3 мм под призмы рычажных тензометров с базой 20 мм и четыре тензо-резистора с базой 5 и 10 мм. Тензорезисторы на бумажной основе наклеивались на образцы клеями холодного отверждения 192 Т, 88-Н. Фольговые тензорезисторы наклеивались на образцы цеакриновым клеем.

РЗО

мирі їм и К тп О со

45 22.5 45 22 5 45

Тензометр

Тензорезисторы

ш

180

Рис. 1. Форма и размеры образца на растяжение поперек волокон

Для определения основных показателей древесины сосны и лиственницы испытывались образцы на растяжение, сжатие, скалывание вдоль волокон и на статический изгиб.

Основное внимание было уделено изучению механических и упругих характеристик сибирской сосны и лиственницы при растяжении поперек волокон в радиальном и тангенциальном направлениях [3, 4].

Головки образцов зажимались между рифлеными щечками специально изготовленных захватов, которые шарнирно крепились в испытательной машине и имели возможность боковых перемещений.

Рис. 2. Общий вид испытаний образцов на растяжение поперек волокон

В отличие от способа крепления образцов, рекомендованного в ГОСТ 16.483.28-73 [3], щечки захватов плотно прилегали к боковым поверхностям головок образцов. Таким образом, головки образцов зажимались в захватах поперек, а не вдоль волокон, что обеспечивало более равномерное распределение нормальных напряжений в рабочей части образца.

Перед нагружением кратковременной нагрузкой образцы на растяжение поперек волокон тщательно центрировались в захватах согласно показаниям тензопреобразователей.

Модуль упругости и предел прочности при растяжении поперек волокон определялись на одних и тех же образцах. С этой целью образцы подвергались шестикратному нагружению и разгрузке в пределах от 100 до 400 Н.

Результаты испытаний по определению модулей упругости обработаны методами математической статистики.

После определения модуля упругости древесины при растяжении поперек волокон образец нагружался до разрушения с целью определения предела прочности.

Результаты исследований показали, что зависимость между нормальными напряжениями и относительными деформациями при растяжении образцов сосны и лиственницы поперек волокон линейная.

Предел прочности при растяжении поперек волокон зависит от плотности древесины. Получены линейные корреляционные уравнения между пределом прочности и плотностью для сосны:

У = 319,07-Х - 126,37 (1) в радиальном направлении образцов серий

1-УП;

У = 143,39-Х - 33,62 (2) в тангенциальном направлении. Соответственно, для лиственницы корреляционные уравнения имеют вид:

У = 305,0-Х - 117,8 (3) в радиальном направлении;

У = 75,8-Х - 3,05 (4) в тангенциальном направлении для образцов серии I. В уравнениях (1)-(4);

У - предел прочности при растяжении поперек волокон, X - плотность. Коэффициенты корреляции и ошибки коэффициентов корреляции, равные, соответственно, в уравнениях:

- 0,839 и 0,021 (1);

- 0,948 и 0,0076 в (2);

- 0,61 и 0,069 в (3);

- 0,324 и 0,0965 в (4) свидетельствуют о достоверности связи между пределом прочности и плотностью.

По опытным данным построены и представлены на рис. 3 кривые распределения и кривые нормального распределения для сибирской сосны и лиственницы при растяжении поперек волокон в радиальном и тангенциальном направлениях.

Для оценки расхождения кривых фактического распределения с кривыми нормального распределения способом сумм вычислены показатели асимметрии (А) и показатели эксцесса (Е), их ошибки (тА) и (тЕ), отношения показателей асимметрии и эксцесса к их ошибкам.

ст15, МПа

ст15, МПа

Рис. 3. Кривые распределения предела прочности при растяжении поперек волокон: а) в радиальном направлении; б) в тангенциальном направлении

При растяжении поперек волокон в радиальном направлении:

А1 = 0,291; Е\ = -0,635; тА1 = ±0,152; тЕ1 = ±0,304 - для сосны;

А2 = -0,259; Е2 = -0,692; тА2 = ±0,265; тЕ2 = ±0,530 - для лиственницы. При растяжении волокон в тангенциальном направлении:

А3 = 0,032; Е3 = -0,793; тА3 = ±0,19; тЕ3 = ±0,38 - для сосны;

А4 = -0,129; Е4 = -0,572; тА4 = ±0,264; тЕ4 = ±0,528 - для лиственницы.

ВЫВОДЫ

1. Данными исследованиями установлена линейная зависимость между напряжениями при растяжении поперек волокон и относительными деформациями.

2. Экспериментальные кривые распределения имеют недостоверные отрицательные эксцессы, недостоверные положительные асимметрии для сосны и недостоверные отрицательные асимметрии для лиственницы. Следовательно, варьирование предела прочности при растяжении поперек волокон в радиальном и тангенциальном направлениях сибирской сосны и лиственницы подчиняется закону нормального распределения.

3. Среднеарифметические значения предела прочности поперек волокон при влажности древесины сосны 15 % и 12 % равны соответственно:

5,45 и 5,61 МПа при среднеарифметической плотности 0,550 г/см3 -в радиальном направлении;

4,36 и 4,69 МПа при плотности 0,542 г/см3 - в тангенциальном направлении.

Среднеарифметические значения предела прочности поперек волокон при влажности древесины лиственницы 15 % и 12 % равны соответственно: 5,48 и 5,64 МПа при плотности 0,618 г/см3 - в радиальном направлении; 4,30 и 4,62 МПа при плотности 0,590 г/см3 - в тангенциальном направлении.

Практическое значение работы заключается в том, что результаты исследований могут быть рекомендованы в инженерных расчетах элементов деревянных конструкций, напряженное состояние которых вызывает раскалывание древесины.

Библиографический список

1. Конструкции из дерева и пластмасс / Под ред. Г.Г. Карлсена и Ю.В. Слицкоухова. -М.: Стройиздат, 1986. - 543 с.

2. СНиП II-25-80. Деревянные конструкции. Нормы проектирования. - М.: Госстрой СССР,1982. - 66 с.

3. ГОСТ 16483.28-73. Древесина. Метод определения предела прочности при растяжении поперек волокон. - М.: Изд-во стандартов, 1974.

4. ГОСТ 16483.22-73. Древесина. Метод определения модуля упругости при растяжении поперек волокон. - М.: Изд-во стандартов, 1974.

Материал поступил в редакцию 20.02.04.

S.V. MIRONOVA

STRENGTH AND DEFORMATION OF PINE AND LARCH SAPMLES AT SHORT-TIME CROSSWISE STRETCHING OF GRAINS

The paper considers the results of experimental researches of timber samples at crosswise stretching of grains. Modulus of elasticity and ultimate tensile strength are investigated and calculated by method of mathematical statistics. The linear dependence between tension stresses at crosswise stretching of grains and relative deformations is established. The curves of actual and normal distributions for the Siberian pine and larch are drowen at stretching crosswise of grains in radial and tangential directions and the estimation of their divergence is given.