Прочность древесины

В местах врубок или соединений деревянных деталей с металлическими (под башмаками, болтами и др.) существенное практическое значение имеет прочность древесины при сжатии поперек волокон. Классическим примером работы древесины на сжатие поперек волокон служат также железнодорожные шпалы (места под рельсами). Различают три случая сжатия древесины поперек волокон:

1. Нагрузка распределена по всей поверхности сжимаемой детали.

2. Нагрузка приложена на части длины, но по всей ширине детали.

3. Нагрузка приложена на части длины и ширины детали.

Все эти случаи встречаются в практике: первый случай — при прессовании древесины, второй — при использовании шпал под рельсами, третий — при употреблении древесины под головки металлических креплений. При сжатии поперек волокон древесины разных пород наблюдаются два типа деформирования: однофазное, как и при сжатии вдоль волокон, и трехфазное, характеризуемое более сложной диаграммой.

таблица прочности древесины при сжатии вдоль волокон

Порода Предел прочности, кГ/см2, при влажности Порода Предел прочности, кГ/см2, при влажности
15% 30% и более 15% 30 % и более
Лиственница 550 255 Дуб 510 310
Сосна 415 210 Ясень 500 325
Ель 390 195 Орех грецкий 485 240
Кедр 360 185 Бук 475 260
Пихта сибирская 345 175 Береза 465 225
Акация белая 665 415 Вяз 405 250
Граб 530 265 Липа 400 240
Клен 520 280 Ольха 385 235
Груша 515 265 Осина 375 190
Тополь 345 180

При однофазном деформировании на диаграмме хорошо выражен приблизительно прямолинейный участок, продолжающийся почти до достижения максимальной нагрузки, при которой образец древесины разрушается. При трехфазном деформировании процесс деформирования древесины при сжатии поперек волокон проходит три фазы: первая фаза характеризуется на диаграмме начальным, примерно прямолинейным участком, показывающим, что в этой стадии деформирования древесина условно подчиняется закону Гука, как и при однофазном деформировании; в конце этой фазы достигается условный предел пропорциональности; вторая фаза характеризуется на диаграмме почти горизонтальным или слабонаклонным криволинейным участком; переход из первой фазы во вторую более или менее резкий; третья фаза характеризуется на диаграмме прямолинейным участком с крутым подъемом; переход из второй фазы в третью в большинстве случаев постепенный.

По характеру деформирования при радиальном и тангенциальном сжатии породы можно подразделить на две группы: к первой группе относятся хвойные и кольцесосудистые лиственные породы (за исключением дуба), а ко второй — рассеяннососудистые лиственные породы. Древесина хвойных пород (сосна, ель) и колъцесосудистых лиственных пород (ясень, ильм) при радиальном сжатии дает диаграмму, характерную для трехфазного деформирования, а при тангенциальном сжатии — диаграмму однофазного деформирования.

Отмеченный характер деформирования древесины названных пород может быть объяснен следующим. При радиальном сжатии деформация первой фазы протекает в основном из-за сжатия ранней зоны годичных слоев, слабой в механическом отношении; первая фаза продолжается до тех пор, пока стенки элементов ранней зоны не потеряют устойчивости и не начнут сминаться. С потерей устойчивости этих элементов начинается вторая фаза, когда деформация протекает в основном в результате смятия элементов ранней зоны; это происходит при почти неизменной или мало возрастающей нагрузке. По мере вовлечения в деформацию элементов поздней зоны годичных слоев вторая фаза плавно переходит в третью. Третья фаза протекает главным образом за счет сжатия элементов поздней зоны, состоящей преимущественно из механических волокон, которые могут сминаться только при больших нагрузках.

При тангенциальном сжатии деформирование происходит с самого начала за счет элементов обеих зон годичного слоя, причем характер деформирования, естественно, определяется элементами поздней зоны. В конце деформирования наступает разрушение образца, яснее выраженное у древесины хвойных пород: образцы обычно выпучиваются в сторону выпуклости годичных слоев, которые при тангенциальном изгибе ведут себя, как кривые брусья при продольном изгибе.

Среди кольцесосудистых лиственных пород отмеченным закономерностям не подчиняется дуб, древесина которого при радиальном сжатии деформируется по однофазному типу, а при тангенциальном обнаруживает тенденцию к переходу на трехфазное деформирование. Это объясняется тем, что при радиальном сжатии сильное влияние на характер деформирования оказывают широкие сердцевинные лучи. При тангенциальном сжатии тенденция к переходу на трехфазное деформирование объясняется радиальной группировкой мелких сосудов в поздней зоне.

Древесина рассеяннососудистых лиственных пород (березы, осины, бука) обнаружила трехфазное деформирование как при радиальном, так и при тангенциальном сжатии, что, по-видимому, надо объяснить отсутствием заметной разницы между ранней и поздней зонами годичных слоев. У древесины граба наблюдается переходная форма деформирования (от трехфазного к однофазному); очевидно, в этом случае сказывается влияние ложношироких сердцевинных лучей.

Начало разрушения древесины можно наблюдать лишь при однофазном деформировании; при трехфазном деформировании древесина может уплотниться до четверти начальной высоты без видимых следов разрушения. По этой причине при испытаниях на сжатие поперек волокон ограничиваются определением напряжения при пределе пропорциональности по диаграмме сжатия, не доводя образец до разрушения.

Древесину испытывают двумя методами: при сжатии по всей поверхности образца и при сжатии на части длины, но по всей ширине (смятие). Для испытаний на сжатие поперек волокон изготовляют образец такой же формы и размеров, как и при сжатии вдоль волокон; годичные слои на торцах в этом образце должны быть параллельны одной паре противоположных граней и перпендикулярны другой паре. Образец располагают на опорной части машины боковой поверхностью и подвергают ступенчатой нагрузке по всей верхней поверхности со средней скоростью 100 ±20 кГ/мин. Деформацию древесины мягких пород измеряют индикатором с точностью 0,005 мм через каждые 20 кГ нагрузки и твердых пород — через 40 кГ; испытание продолжается до явного перехода предела пропорциональности. На основании парных отсчетов (нагрузка-деформация) вычерчивают диаграмму сжатия, на которой определяют с точностью до 5 кГ нагрузку при пределе пропорциональности как ординату точки перехода прямолинейного участка диаграммы в явно криволинейный. Условный предел прочности при сжатии поперек волокон подсчитывают путем деления найденной указанным способом нагрузки при пределе пропорциональности на площадь сжатия (произведение ширины образца на его длину).

Для испытаний на смятие применяют образец в форме брусочка квадратного сечения 20X20 мм, длиной 60 мм. Нагрузка на такой образец передается по всей ширине через стальную призму шириной 2 см, помещаемую посредине образца перпендикулярно длине; прилегающие к образцу ребра призмы имеют закругления радиусом 2 мм. В остальном порядок и условия испытания те же, что и по первому способу, но условный предел прочности подсчитывается путем деления нагрузки при пределе пропорциональности на площадь сжатия, равную 1,8 а, где а — ширина образца, 1,8 — средняя ширина нажимной поверхности призмы в сантиметрах.

Условный предел прочности при смятии поперек волокон получается на 20—25% выше, чем при сжатии; это объясняется дополнительным сопротивлением от изгиба волокон у ребер призмы. При третьем случае сжатия поперек волокон показатели условного предела прочности немного превышают показатели, полученные во втором случае в результате дополнительного сопротивления скалыванию поперек волокон у ребер штампа, идущих параллельно волокнам древесины.

условный предел прочности при смятии поперек волокон

Порода Условный предел прочности, кГ/см2, при смятии Порода Условный предел прочности, кГ/см2. при смятии
радиальном тангенциальном радиальном тангенциальном
Сосна 34 51 Карагач 52 50
Лиственница 44 63 Граб 147 111
Дуб 76 56 Бук 78 52
Ясень 90 99 Клен 112 73
Вяз 51 39 Береза 65 41
Ильм 52 55 Осина 36 29

Древесина пород с широкими или очень многочисленными лучами (дуб, бук, клен, отчасти береза) характеризуется более высоким условным пределом прочности при радиальном смятии (примерно в 1,5 раза); для прочих лиственных пород (с узкими лучами) показатели условного предела прочности при смятии в обоих направлениях практически одинаковы или мало различаются.

Для древесины хвойных пород, наоборот, условный предел прочности при тангенциальном смятии в 1,5 раза выше, чем при радиальном вследствие резкой неоднородности в строении годичных слоев; при радиальном смятии деформируется главным образом более слабая, ранняя, древесина, а при тангенциальном сжатии нагрузка с самого начала воспринимается и поздней древесиной. По сравнению с пределом прочности при сжатии вдоль волокон условный предел прочности при смятии поперек волокон составляет в среднем около 1/8 (от 1/6 для твердых лиственных пород до 1/10 для хвойных и мягких лиственных пород).

прочность древесины при статическом изгибе

Для испытания на статический изгиб применяются образцы в форме бруска размерами 20X20X300 мм. Неподвижные опоры и ножи должны иметь закругление радиусом 15 мм; расстояние между центрами опор l = 24 см. После измерения посредине длины сечения (ширины b и высоты h) образец располагают на опорах и нагружают в двух точках на расстоянии 8 см от каждой опоры, равномерно со скоростью 700 ±150 кГ/мин на весь образец, который доводится до полного излома. По шкале машины отсчитывают максимальную Нагрузку Рmах с точностью 1 кГ.

Предел прочности при статическом изгибе существенно зависит от влажности. При изгибе в древесине возникают нормальные напряжения (на растяжение и сжатие вдоль волокон) и касательные напряжения (на скалывание вдоль волокон). Первые достигают максимума в крайних волокнах, наиболее удаленных от нейтральной плоскости, а вторые — в нейтральной зоне, которая теоретически должна проходить посредине высоты бруска.

В древесине из-за различий прочности при растяжении и сжатии вдоль волокон нейтральная плоскость смещается в сторону растянутой зоны, что обусловливает неравенство нормальных напряжений (на растяжение и сжатие вдоль волокон). Деформация при изгибе внешне выражается прогибом образца и измеряется стрелой прогиба. Так как прочность древесины при сжатии вдоль волокон значительно меньше, чем прочность при растяжении, разрушение при изгибе начинается в зоне сжатия в виде складок, хотя на глаз оно редко заметно. Окончательное разрушение происходит в зоне растяжения и заключается в разрыве или отщепе крайних волокон и полном изломе образца. Излом древесины высокого качества волокнистый или защепистый, при низком качестве — раковистый, почти гладкий.

Защепистость излома более резко выражена в растянутой зоне образца; пучки волокон там крупнее и длиннее; в сжатой зоне, наоборот, эти пучки мелкие и короткие. В табл. приведены показатели предела прочности при статическом изгибе для древесины основных наших лесных пород.

Прочность древесины при статическом изгибе по величине занимает промежуточное положение между прочностью при растяжении и сжатии вдоль волокон и может быть в среднем для разных пород принята равной около 900 кГ/см2. Если прочность при сжатии вдоль волокон принять за единицу, прочность при статическом изгибе будет примерно в 2 раза, а прочность при растяжении вдоль волокон — в 2,7 раза выше. Предел пропорциональности при статическом изгибе составляет в среднем 0,7 от предела прочности.

таблица прочности древесины при статическом изгибе

Порода Предел прочности, кГ/см2, при влажности Порода Предел прочности, кГ/см2, при влажности
15 % 30 % и выше 15% 30 % и выше
Лиственница 985 615 Орех грецкий 975 605
Сосна 760 495 Береза 965 595
Ель 705 440 Бук 955 645
Кедр 045 425 Дуб 945 680
Пихта сибирская 605 405 Вяз 840 590
Акация белая 1390 975 Липа 775 540
Граб 1210 735 Ольха 710 495
Ясень 1085 745 Осина 685 455
Клен 1055 775 Тополь 610 405
Груша 975 635

Высокая прочность и легкость приложения усилия обусловливают широкое применение древесины для деталей, работающих на изгиб: всевозможные балки, стропила, фермы, мосты, ригели шахтных креплений, подмости, обрешетка и т. д. Различие между прочностью при радиальном и тангенциальном изгибе обнаруживается только у хвойных пород: предел прочности при тангенциальном изгибе может быть на 10—12% выше, чем при радиальном; у лиственных пород прочность при изгибе в обоих направлениях практически можно считать одинаковой (разница 2—4%). Кроме обычного поперечного изгиба, когда волокна древесины направлены вдоль оси: бруска, могут быть случаи, когда волокна направлены поперек оси бруска. В двух последних случаях предел прочности древесины ели и сосны составляет 1—5%, а бука — около 20% предела прочности при обычном изгибе.

прочность древесины при сдвиге

Надежность соединения элементов деревянных конструкций и изделий во многих случаях определяется способностью древесины сопротивляться действию касательных напряжений. Для того чтобы при механических испытаниях древесины установить предельные значения касательных напряжений, следовало бы создать условия чистого сдвига рабочей части образца. Однако это сопряжено со значительными трудностями в технике эксперимента. Вместе с тем для инженерных расчетов можно ограничиться результатами более простых испытаний на сдвиг. При этих испытаниях к образцу прикладываются две равные и противоположно направленные силы, вызывающие разрушение в параллельной им плоскости. Учитывая волокнистое строение древесины, различают три вида испытаний на сдвиг: скалывание вдоль волокон, скалывание поперек волокон и перерезание древесины поперек волокон. Схемы действия сил при этих испытаниях, а также плоскости разрушения, которые задаются принудительно. Каждый вид испытаний на сдвиг может быть проведен не только в радиальном, как показано на схемах, но и в тангенциальном направлении.

прочность при скалывании вдоль волокон

Для испытаний на скалывание применяют образец. В каждом образце с двух сторон (по линии ожидаемого скалывания) с точностью до 0,1 мм измеряют толщину образца b и длину скалывания l; из каждой пары измерений вычисляется среднее.

Для испытания образец укрепляют в приборе. Прибор с образцом помещают на опорную платформу машины; нагружение проводится через стальной брусочек на верхний торец образца равномерно со средней скоростью 1250±250 кГ/мин. Образец доводят до разрушения. По шкале машины отсчитывают максимальную нагрузку Рmах. Значения пределов прочности при скалывании вдоль волокон, полученные при использовании прибора, оказываются завышенными в среднем на 15% в результате трения образца об опорную стенку и подвижную опору прибора. Древесина обладает невысокой прочностью при скалывании вдоль волокон; при этом древесина лиственных пород лучше сопротивляется скалыванию по сравнению с древесиной хвойных пород: прочность лиственных пород примерно в 1,5 раза выше. Более высокая прочность (на 10—30%) древесины лиственных пород наблюдается при тангенциальном скалывании по сравнению с радиальным; это превышение тем больше, чем лучше развиты в древесине сердцевинные лучи (бук). Для древесины хвойных пород прочность при скалывании в обоих случаях надо считать примерно одинаковой.По сравнению с прочностью при сжатии вдоль волокон прочность при скалывании составляет для древесины хвойных пород 1/5 — 1/7, а для древесины лиственных пород 1/4 — 1/5, в среднем для всех пород это отношение, по имеющимся данным, можно принять равным около 1/5. Несмотря на невысокую прочность, древесина довольно часто работает на скалывание, например при сопряжении стропильной ноги с затяжкой.

Прочность при скалывании вдоль волокон подвержена сильной изменчивости, что можно объяснить влиянием малейших отклонений от правильного расположения волокон (свилеватостью, мелкими искривлениями волокон и т. д.). В табл. приведены данные о прочности при скалывании вдоль волокон древесины основных лесных пород.

прочность древесины при скалывании и перерезании поперек волокон

Напряжения на скалывание поперек волокон возникают в деревянных шпонках и шпунтовых соединениях, а на перерезание поперек волокон — под металлическими креплениями: шайбами, головками болтов и др. Для испытаний на скалывание поперек волокон применяют образец, изображенный на рис. 60; для испытаний на перерезание поперек волокон образец имеет форму пластинки сечением 5X20 мм и длиной (вдоль волокон) 50 мм.

таблица прочность древесины при скалывании вдоль волокон

Порода Предел прочности, кГ/см2, при скалывании Порода Предел прочности, кГ/см2, при скалывании
радиальном при влажности тангенциальном при влажности радиальном при влажности тангенциальном при влажности
15% 30% и выше 15% 30% и выше 15% 30%, и выше 15% 30 % и выше
Лиственница 91 63 86 56 Орех грецкий 100 59 106 61
Сосна 69 43 67 45 Дуб 93 76 111 90
Ель 63 41 62 44 Береза 85 50 102 59
Кедр 60 40 64 43 Вяз 83 65 93 73
Пихта сибирская 58 45 59 42 Груша 81 56 126 81
Граб 141 88 177 106 Липа 78 56 74 50
Ясень 126 94 122 87 Ольха 74 52 91 63
Клен 113 84 129 90 Осина 57 36 78 50
Бук 106 70 132 89 Тополь 55 34 66 42

Испытания на скалывание поперек волокон проводятся так же, как и на скалывание вдоль волокон: образец укрепляют в таком же приборе, нагружают со скоростью 200 ±50 кГ/мин. Испытания на перерезание поперек волокон проводят в особом приборе, в котором образец по концам зажимают и посредине длины перерезают ножом плоской формы (схема испытании показана на рис. 60). Нагружение производится со скоростью 1000 ±200 кГ/мин на весь образец. Характеристика соотношения: если предел прочности при скалывании вдоль волокон принять за единицу, предел прочности при скалывании поперек волокон будет в 2 раза ниже, а при перерезании поперек волокон в 4 раза выше.

Прочность древесины при кручении

Прочность при кручении может быть характеризована величиной прочности при скалывании вдоль волокон. При кручении в материале возникают касательные напряжения в двух взаимно перпендикулярных плоскостях: в плоскости, параллельной оси, и в плоскости, перпендикулярной оси закручиваемого стержня. Эти напряжения возрастают от центра, где они равны нулю, по направлению к периферии, где они достигают максимума.

Разрушение образца из древесины, ось которого совпадает с направлением волокон, происходит в виде продольной трещины от скалывания вдоль волокон, так как прочность древесины при скалывании в 4 раза меньше, чем при перерезании поперек волокон. Из сказанного ясно, что прочность древесины при кручении в значительной мере определяется прочностью при скалывании и, следовательно, не может быть высокой.

предел прочности при кручении

Порода Предел прочности, кГ/см2 Порода Предел прочности, кГ/см2
Сосна 98 Ясень 198
Лиственница 139 Бук 171
Береза 135
Ель 110 Береза желтая 210
Пихта кавказская 92
Липа 115
Дуб 150

Древесина работает на кручение в валах, осях повозок и т.д.; в самолетах напряжение кручения испытывают лопасти винта — очень ответственной детали. Для пород, перечисленных в таблице, прочность при кручении в 1.5 раза выше прочности при скалывании. Наряду с описанным случаем кручения, когда ось закручивания совпадает с направлением волокон, может быть и случай кручения, когда волокна в образце расположены перпендикулярно оси закручивания. В этом случае образцы будут разрушаться уже от касательных напряжений в плоскости, перпендикулярной оси закручивания, т. е. от скалывания поперек волокон, и прочность поэтому будет ниже (для сосны и ели в 2 — 3 раза).

Закладка Постоянная ссылка.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *