CC BY
6УДК 674.815
В.П. ЯРЦЕВ, д-р техн. наук, О.А. КИСЕЛЕВА, канд. техн. наук, С.В. ЕРМАКОВ, инженер (ermakovsergey68@mail.ru), Тамбовский государственный технический университет
Влияние концентраторов напряжений на прочность древесины и древесно-полимерных композитов
Строительные конструкции и изделия из древесины и древесно-полимерных композитов широко используют в жилищном строительстве. Для их транспортировки и монтажа при изготовлении сверлят отверстия, забивают гвозди, делают пропилы и пазы. В процессе эксплуатации под нагрузкой они являются концентраторами напряжений и оказывают существенное влияние на прочность конструктивного остова здания.
В работе изучено влияние размера, формы, количества и расположения концентраторов напряжений в виде отверстий и пропилов на прочность образцов из древесины, фанеры, древесно-стружечной и древесноволокнистой плит. Образцы в виде пластин размерами 170x10x10 мм, 120x10x6,5 мм, 120x10x16,4 мм и 120x20x3,3 мм соответственно испытывали при поперечном изгибе сосредоточенной силой в режиме заданной постоянной скорости нагружения. Отверстия получали сверлением и забиванием гвоздя, пропилы — ножовкой с разной толщиной полотна. Результаты
испытаний показали [1], что способ ослабления по-разному влияет на прочность исследованных древесных материалов. Так, для древесины наиболее опасными являются концентраторы напряжений, полученные сверлением. При этом величина условной прочности (ст) снижается на 25%. Для древеснополимерных композитов опаснее концентраторы напряжений, полученные при забивании гвоздей. Условная прочность ослабленных образцов фанеры и ДВП падает на 30% и 60% соответственно. Напротив, величина истинной прочности образцов из древесины и композитов на ее основе, с концентратором напряжений практически не меняется.
При наличии пропилов в образцах также наблюдается снижение условной прочности (от 9% для ДВП до 17% для фанеры). При этом наиболее опасным оказалось расположение нескольких пропилов навстречу друг другу.
При увеличении расстояния от дефекта до центра образца (точки приложения разрушающей нагрузки)
Таблица 1
Материал образцов Диаметр отверстия (мм) после Глубина пропила мм Безопасное расстояние (х), мм
сверления забивания гвоздя теоретическое экспериментальное
Древесина - 3,2 - 26,7 15
3,7 - - 16,2 15
ДСП - 2,3 - 7,4 15
5 - - 16,2 15
Фанера - 3,2 - 16,6 15
2,7 - - 14 15
- 4 21 25
ДВП - 3,7 - 17,3 30
- 8 21 25
* Приложение нагрузки (центра образца) при пролете 10 см.
Таблица 2
Материал образцов Пролет образца, мм Диаметр отверстия после сверления, мм Безопасное расстояние, мм Соотношение пролетов Соотношение безопасных расстояний, полученных
теоретическое экспериментальное теоретически экспериментально
Древесина 10 3,7 16,2 15 1 1 1
20 4 37,91 30 2 2,33 2
25 4 47,39 35 2,5 2,92 2,33
ДСП 10 5 16,2 15 - - -
15 5 22,86 20 1,5 1,41 1,33
20 5 30,47 25 2 1,88 1,67
www.rifsm.ru научно-технический и производственный журнал ï^
52 июнь 2010 ШГ^ШЫ *
Таблица 3
Материал образцов Полимерные составы Прочность, МПа
Древесина - 61,06
- 30,74
Эпоксидная смола 60,17
Эпоксидная смола: АФО* = 1:1 59,66
ДСП - 8,92
- 5,74
Эпоксидная смола 9,28
Эпоксидная смола: АФО=1:1 8,67
Полиэфирная смола 5,84
* Асбофрикционные отходы.
происходит увеличение прочности до прочности бездефектных образцов. Так, смещение концентратора напряжений относительно центра образца более чем на 15 мм не оказывает влияния на прочность древесины, фанеры и ДСП. Для ДВП это расстояние увеличивается до 30 мм. При наличии пропилов безопасное расстояние составляет более 25 мм (табл. 1). Здесь же приведены величины безопасных расстояний, полученных эмпирически по формулам сопротивления материалов.
Из табл. 1 видно, что теоретические и экспериментальные результаты близки только для фанеры. После забивания гвоздя в древесно-стружечные и древесноволокнистые плиты теоретические значения безопасных расстояний оказываются заниженными в два раза. Это связано с разрушением структуры древесно-поли-мерных композитов вокруг поверхности гвоздя. При забивании гвоздя в древесину теоретические значения (х) почти в два раза завышены.
При наличии отверстий после сверления в древесностружечных плитах и древесине экспериментальные и теоретические значения безопасного расстояния практически совпадают. Наличие пропилов в фанере и ДВП занижают теоретические значения на 16%, что также связано с нарушением структуры композитов по периметру концентратора.
Результаты исследования влияния размеров образца на безопасное расстояние до концентратора напряжения представлены в табл. 2.
Из таблицы видно, что с увеличением длины образца безопасное расстояние существенно увеличивается. При этом также увеличивается расхождение теоретических и экспериментальных значений.
Из полученных результатов очевидно, что для образцов из древесно-полимерных композитов наиболее опасны концентраторы напряжений в виде отверстий, полученных забиванием гвоздя.
Экспериментально установлено, что количество отверстий по длине образца не оказывает существенного влияния на место разрушения древесно-полимерных композитов (33% образцов разрушилось по одному отверстию и 33% по двум). Исключение составляют древесно-волок-нистые плиты, которые всегда разрушались по двум отверстиям. При этом прочность уменьшилась на 5—6%.
Восстановления прочности древесных материалов можно добиться заделкой дефектов полимерными составами.
В качестве таких составов использовали эпоксидную и полиэфирную смолы, а также эпоксидный композит, наполненный 50% асбофрикционных отходов [2]. В
табл. 3 представлены значения прочности исследованных образцов до и после заделки концентраторов напряжения — отверстий 05 мм.
Из табл. 3 видно, что составы на основе эпоксидной смолы дают наилучшие результаты. После заделки разрушение происходит не по концентратору напряжений, а прочность близка прочности бездефектных образцов. Для снижения стоимости герметика в смолу вводили 50% асбофрикционных отходов. При этом потери прочности незначительны. Использование полиэфирной смолы не привело к увеличению прочности древесных образцов, поскольку разрушение происходило по концентратору напряжений.
Таким образом, при проектировании строительных изделий из древесины и древесно-полимерных композитов необходимо учитывать форму, размеры, количество, местоположение и способы получения ослаблений, скорректировать расчетные величины напряжений с учетом полученных результатов; для повышения прочности ослабленных изделий использовать для заделки дефектов эпоксидные герметизирующие составы.
Ключевые слова: древесные композиты, концентратор напряжения, прочность.
Список литературы
1. Ярцев В.П., Киселева О.А., Ермаков С.В. Влияние концентраторов напряжений на прочность и термо-активационную долговечность материалов на основе древесины // Вестник центрального регионального отделения. Вып. 8. Воронеж, 2009. С. 149-154.
2. Ярцев В.П., Воронков А.Г.Эпоксидный полимерраст-вор // Патент на изобретение № 2248950. 27 марта 2005. Бюл. № 9. Заявка № 2003132021.
В ВЫСТАВКА
Ваше Жилище
21-23 сентября Ярославль
16-я выставка энергоэффективных технологий для строительства и ЖКХ в рамках межрегиональной конференции «Строительство и ЖКК: Энергоэффективность. Инвестиции. Инновации»
(4852) 45-06-46, www.energo-resurs.ru
Су ■. ■ научно-технический и производственный журнал www.rifsm.ru
Ы -- - ® июнь 2010 53
