CC BY
0УДК 642.16.04
Авдяков Д.В.
канд. техн. наук, доцент кафедры промышленного и гражданского строительства Курский государственный университет (г. Курск, Россия)
Руденко Е.В.
магистрант Курский государственный университет (г. Курск, Россия)
ВЛИЯНИЕ ДЛИТЕЛЬНОСТИ НАГРУЖЕНИЯ НА ТРЕЩИНОСТОЙКОСТЬ ИЗГИБАЕМЫХ ДЕРЕВЯННЫХ КЛЕЕНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ
Аннотация: в работе представлено исследование влияния длительности нагружения на трещиностойкость изгибаемых деревянных клееных элементов
Ключевые слова: трещиностойкость, длительность нагружения, клееная древесина, клееные деревянные конструкции, деревянные конструкции.
Одним из наиболее распространенных видов разрушения деревянных клееных конструкций является разрушение из-за действия нормальных напряжений, когда трещина зарождается в нижнем растянутом слое древесины, прорастает до некоторой величины в направлении, нормальном к направлению волокон, разрывая их, (ЯЬ направление), а затем поворачивает и движется вдоль волокон в направлении LR.
Такие трещины называют трещинами с поворотом, а траектория их роста связана прежде всего с высокой анизотропностью упругих характеристик материала, коими обладает древесина. Если считать, что в вершине такой
трещины действуют только растягивающие напряжения, а сдвигающие пренебрежимо малы, то поле напряжений можно охарактеризовать величиной критического коэффициента интенсивности напряжений К ю.
С целью выявления длительности нагружения на трещиностойкость изгибаемых деревянных клееных элементов были проведены испытания образцов с трещиной с поворотом (БОТП-образцы) пролетом L=450 мм, высотой h=45 мм, шириной Ь=40 мм и глубиной инициированной трещины а=5 мм (а/И=0,11) на четырехточечный изгиб при уровнях нагружения 0,9, 0,8, 0,7 Кю (рис.1).
Образцы вырезали из крупноразмерных элементов сечением 140х170 мм, толщиной слоёв 27 мм из сосновых досок 2-го сорта на клее ФР-12. Клеёные пакеты изготовлены на Волоколамском ЭЗСК с соблюдением требований к качеству материалов и технологии под наблюдением специалистов лаборатории деревянных конструкций ЦНИИСК им. Кучеренко. Начальную трещину задавали с помощью ножовочного полотна. Влажность во время испытаний колебалась в пределах 12-14%.
Величина критического коэффициента интенсивности напряжений принята по результатам ранее проведенных автором кратковременных испытаний БОТП-образцов, в результате которых при отношении а/И=0,11 Кю=118,93 кПа*м1/2 (у=19%), при а/И=0,2 Кю=348,2 кПа*м1/2 (у=20%), при а/И=0,33 Кю=770,45 кПа*м1/2 (у=32%), влажность образцов составляла 13-14%. Критический КИН вычисляли по формуле [1]
(1)
где М - изгибающий момент в вершине трещины.
В результате испытаний при уровне 0,9 Кю трещина в элементе прорастала сразу, не успев воспринять заданную нагрузку полностью. Очевидно, это связано с большой вариацией характеристик трещиностойкости древесины. При уровне 0,8 Кю было испытано 3 образца, трещина в элементе прорастала в среднем через 2,5 часа (1,74, 2,39, 3,32 часа, коэффициент вариации у=26%). При уровне 0,7 Кю было также испытано 3 образца, трещина появилась через 7,9 суток (6,4, 10,1 7,2, у=20,1%). Средний прогиб, при котором образовывались трещины в образцах при всех уровнях нагружения, составил 8=1/201Ь (1/197, 1/261, 1/165, 1/181, 1/242, 1/194, у=15%).
Клеевой шов
1
£7}
Пропил X
_ /77777
-'г
Ь/4 * Ь/4 * Ь/4 Ь/4 * * г ь *
4 4 / 4 4 4
в
Рис. 1. Схема испытаний БОТП-образцов.
Рис. 2. Схема длительных испытаний и разрушения крупноразмерного элемента на трещиностойкость при изгибе.
Для выявления влияния кинетики роста трещин в изгибаемых элементах была испытана деревянная клееная балка пролетом Ь=2500 мм, шириной Ь=130 мм, высотой h=152 мм, длиной пропила а=18 мм ^^=0,11) на четырехточечный изгиб (рис.2). Балка была вырезана из того же материала, что и БОТП-образцы.
Трещины ТР1 и ТР2 появились при нагрузке 27,4 кН, что соответствует критическому коэффициенту интенсивности напряжений для этого образца 161,73 кПа*м1/2 при прогибе элемента 5=1/145L. Далее нагрузку увеличили до 1,235*Кю=200 кПа*м1/2. В результате крупноразмерный элемент разрушился через 99,6 сут. от разрыва верхних волокон под точкой приложения нагрузки после того, как трещина ТР1 прошла вдоль волокон зону чистого изгиба. При этом критический прогиб элемента составил 5=1/73L.
300 250 200 150 -100 -50 0
5 (мм)
t (сут)
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
28,0 21,0 14,0 7,0 0,0
Ltpi (мм)
t (сут)
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
2,0 -1,5 -1,0 0,5 0,0
0тр1 (мм)
t (сут)
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
Рис. 3. а - рост прогиба балки во времени, б - рост длины трещины ТР1 во времени, в - рост ширины раскрытия трещины ТР1 во времени.
В процессе систематических измерений силовых деформаций поперек волокон вблизи трещин зафиксировано немонотонное их изменение во времени. Регистрация длин силовых трещин показала, что рост не был непрерывным, а имел скачкообразный характер. Очевидно, это объясняется тем, что начало роста трещин ТР1 и ТР2 происходит после достижения ими
а
б
в
некоторой критической величины раскрытия, зависящей от характеристик материала. На рис.3 и 4 показаны графики кинетики роста параметров трещин и прогибов элемента.
250 200 1 150 100 -50 -0
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
2,5 -2,0 1,5 -1,0 0,5 i
0,0
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110
Рис. 4. а - рост длины трещины ТР2 во времени, б - рост ширины раскрытия трещины ТР2 во времени.
Рис. 5. Схема расположения волокон и траектория роста трещин в крупноразмерном элементе при длительном действии нагрузки.
Анализ строения слоя древесины, где прорастали трещины показал, что угол наклона волокон по отношению к клеевому шву в среднем составил 50 (рис. 5). По этой причине трещина ТР2 двигалась по клеевому шву и имела ширину раскрытия в среднем в 2,6 раза выше, чем трещина ТР1, двигавшаяся по цельной древесине (табл.1). Вследствие этого скорость роста ТР1 оказалось
выше скорости роста ТР2, а следовательно, причиной разрушения элемента стало именно эта трещина.
Таблица 4.2. Статистические характеристики изменения отношения ширины трещины ТР2 к ширине трещины ТР1 при одинаковой их длине.
Длина трещин (мм) Ширина ТР2 (мм) Ширина ТР1 (мм) Отношение ширины ТР2 к ширине ТР1 Среднее значение а V %
126 0,640 0,240 2,667
208 0,930 0,368 2,527
212 0,930 0,395 2,354
214 0,970 0,409 2,372 2,636 0,222 8,42
222 1,270 0,470 2,702
223 1,350 0,480 2,813
225 1,510 0,500 3,020
Следует отметить, что длительные статические испытания на силовую трещиностойкость носили поисковый характер. В настоящее время исследования в этом направлении продолжаются как на предмет совершенствования методик испытаний, первичной регистрации, обработки и анализа кинетики роста силовых трещин, так и изменения несущей способности изгибаемых деревянных клееных элементов во времени.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Smith F.W., Piney P.T. Fracture mechanics analysis of butt joints in laminated wood beams. Wood sci.-1980.-v.12.-N4.-p.227-235.
2. Масалов А.В. Трещиностойкость изгибаемых клееных элементов // Автореф. дис. канд. техн. наук. - Воронеж, 1992. - 25с.
Avdyakov D.V.
Kursk State University (Kursk, Russia)
Rudenko E.V.
Kursk State University (Kursk, Russia)
INFLUENCE OF LOAD DURATION ON THE CRACK RESISTANCE OF BENDING GLUED WOODEN ELEMENTS
Abstract: the paper presents a study of the influence of loading duration on the crack resistance of bending laminated wood elements
Keywords: crack resistance, loading duration, laminated wood, laminated wood structures, wooden structures.
