лекции ч1
.pdf
Тема 4
МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДРЕВЕСИНЫ И ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА НИХ
МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ДРЕВЕСИНЫ
Современная теория прочности древесины рассматривает её как упруго-вязкий материал, в котором упругим элементом являются структурные волокна древесины, состоящие в основном из целлюлозы, а вязким – межклеточное вещество, состоящее преимущественно из лигнита.
Для расчёта конструкций необходимо знать, в первую очередь, значение нагрузки, её вид, а также прочностные и упругие характеристики материала.
нагрузка |
|
|
Факторы, |
|
|
|
|
влияющие на физико-механические |
|
|
|
|
|
свойства древесины: |
|
|
R |
|
|
F, W |
Расчётное |
1. Влажность |
||
сопротивление |
|
|||
b·h |
b·h2/6 |
Е |
|
|
Модуль
упругости
Т С 2. Температура
3. Длительность действия нагрузки
ВЛАЖНОСТЬ
Влажность отношение массы содержащейся в древесине влаги к массе абсолютно сухой древесины (30 200%). Влажность заболони свежесрубленных брёвен хвойных
пород (110 150%) значительно превышает |
влажность |
ядровой |
части |
древесины |
|||||
(30 40%). |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
В древесине различают физически два вида ВЛАГИ: |
|
|
|
H2O |
|||||
|
– свободная; |
|
|
|
|
|
|
||
|
– гигроскопическая. |
|
|
|
|
|
|||
|
Свободная влага находится в полости клеток. |
|
|
||||||
|
Её удаление при сушке не приводит к |
|
|
||||||
|
изменению линейных размеров, упругих и |
|
|
||||||
|
прочностных |
характеристик |
древесины, |
H2O |
|||||
H2O |
изменяется только масса. |
|
|
|
|
|
|
||
|
Гигроскопическая влага находится в стенках |
|
|
||||||
|
клеток, изменение её количества |
отражается |
|
|
|||||
|
на прочностных и упругих характеристиках |
|
|
||||||
|
древесины. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
При сушке древесины сначала удаляется свободная а затем |
||||||||
|
гигроскопическая влага. Состояние древесины, когда при сушке |
||||||||
|
полностью удалена свободная влага, а |
стенки клеток |
максимально |
||||||
H2O |
насыщены |
влагой, |
называется |
пределом |
гигроскопичности. При |
||||
|
температуре |
воздуха 20 С |
и относительной |
влажности |
100% Wп.гр |
||||
составляет 30%.
При нагревании древесины предел гигроскопичности снижается, так как часть гигроскопической влаги находящейся в стенках клеток перемещается в полости и превращается в свободную влагу.
ЗАВИСИМОСТЬ СВОЙСТВ ДРЕВЕСИНЫ ОТ ЕЁ ВЛАЖНОСТИ |
|||||
|
|
Влагу из воздуха могут поглощать только |
|||
МПа |
|
клеточные стенки, состоящие из волоконец – |
|||
|
|
||||
|
|
микрофибрилл. Увеличение влажности выше |
|||
|
|
предела гигроскопичности возможно только при |
|||
|
|
непосредственном контакте с водой. |
|||
|
|
Каждому температурно-влажностному режиму |
|||
|
|
среды |
соответствует |
определённая влажность |
|
0 |
|
древесины, которая называется равновесной. |
|||
Wп.гр |
W% |
|
|
||
|
|
|
|||
|
30% |
|
|
|
|
При изменении влажности на 1% |
Е , Rвр |
|
|||
прочность древесины |
меняется |
– прочность уменьшается, |
|||
на 3–5%. Повышение влажности |
|||||
деформативность увеличивается |
|||||
|
|||||
выше предела гигроскопичности |
разбухание |
||||
не приводит |
к дальнейшему |
разбухание |
|||
снижению прочности. |
0% |
|
30% |
||
Изменение влажности в указанных |
усушкаусушка |
||||
|
|
||||
пределах сопровождается явлением
разбухания или усушки пиломатериала. Е , Rвр
– прочность увеличивается,
деформативность уменьшается
ДЕФОРМАЦИИ УСУШКИ ДРЕВЕСИНЫ ВДОЛЬ ВОЛОКОН В РАДИАЛЬНОМ И ТАНГЕНЦИАЛЬНОМ НАПРАВЛЕНИЯХ
Чем больше плотность древесины, тем больше её усушка и разбухание. Деформации усушки и разбухания у поздней древесины больше, чем у ранней. Древесина проявляет себя как анизотропный материал в отношении показателей усушки. Различная усушка в радиальном и тангенциальном направлениях является причиной коробления пиломатериала.
Пример: |
W= 45% |
186 W=8% |
|
100 |
94.5 |
|
|
|
96 |
200 |
192 |
СПОСОБЫ СУШКИ ДРЕВЕСИНЫ
1.Атмосферная.
2.Вакуумная.
3.СВЧ-сушка.
4.Камерная:
–низкотемпературная T<100 C;
–высокотемпературная T>1000 C.
СУШИЛЬНЫЕ КАМЕРЫ:
• конвективные:
По принципу действия: |
По циркуляции воздуха: |
непрерывного; |
естественной; |
периодического. |
принудительной. |
По теплоносителю:
паровые;
электрические;
водяные;
газовые.
Katres
Гелиос мод. CКВ-25Ф, СКВ-50Ф
• аэродинамические; |
Гелиос-вакуум-4 |
• вакуумные. |
|
b |
ПРОЦЕСС СУШКИ ДРЕВЕСИНЫ |
||
W=30% |
|
||
|
|
||
W |
V |
V=const |
|
Wнач |
|||
|
|
||
W п.гр |
|
T= 75° , W=15% |
|
Wр |
|
T=70°, W=45% |
|
|
ЭТ |
||
|
W>Wп.гр |
Эw |
|
|
W<Wп.гр |
||
1.Образец в виде пластины с начальной влажностью Wнач >Wп.гр. помещён в нагретый воздух.
2.С поверхности начинает испаряться влага. Перемещение влаги внутри пластины пока не происходит.
3.Движение влаги внутри пластины начнется с того момента, когда влажность на поверхности достигнет
предела гигроскопичности Wп.гр. Между внутренними слоями, где влага находится в полости клеток, и поверхностью, где влага находится только в стенках, возникает разность капиллярных давлений, которая является побудителем движения влаги. Скорость сушки V в этот момент постоянна.
4.Влажность древесины в зоне, приграничной к наружной поверхности, становится ниже Wп.гр.. По толщине
пластины образуются две зоны с влажностью меньшей и большей W п.гр. . Движение влаги продолжается. По мере удлинения пути движения свободной влаги скорость V уменьшается. Побудителями движения влаги являются неодинаковая послойная влажность и температура. Перепад температур будет несколько тормозить процесс сушки.
5.После удаления всей свободной влаги процесс сушки продолжается до заданной влажности, близкой к равновесной Wр.
НАПРЯЖЁННОЕ СОСТОЯНИЕ В ДРЕВЕСИНЕ ПРИ СУШКЕ
После снижения влажности ниже Wп.гр. поверхностные слои стремятся к усушке. Этому препятствуют |
||
внутренние слои, влажность которых вышеWп.гр.. |
W |
|
Начавшуюся усушку можно выявить, если контрольный образец разрезать на пластины. |
||
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Wнач |
|
|
|
|
Усушечная трещина |
|
|
|
|
- |
|
|
Wп.гр |
|
|
|
ℓ0 |
|
|
|
|
|
|
|
σ |
|
|
|
|
ℓ |
|
|
ℓ0 |
+ |
|
|
+ |
|
|
|
||
|
ф |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Wр |
|
|
|
|
|
|
Обнаружится, что внутренние слои сохранили |
|
|
|||||||
|
|
|
первоначальный размер по ширине сортамента, |
|
||||||||
|
|
|
а поверхностные – усохли. |
|
|
|
|
|||||
|
- |
- σ |
Целая, неразрезанная пластина имеет фактический |
|||||||||
|
размер меньше внутренних пластин и больше наружных. |
|||||||||||
|
+ |
ℓф ℓн |
||||||||||
|
В результате поверхностные слои испытывают |
|
|
|||||||||
|
|
|
растяжение, а внутренние сжатие. |
|
|
|
||||||
|
|
|
Если напряжения в какой-либо точке сортамента |
|||||||||
|
|
|
По мере снижения влажности древесина становится |
|||||||||
|
|
|
достигнут предела прочности на растяжение, то |
|
|
|||||||
|
|
|
менее податливой, в результате усадка на поверхности |
|||||||||
|
|
|
образуются усушечные трещины. В начальной |
стадии – |
||||||||
|
|
|
окажется меньше , чем усадка внутренних слоев. |
|
||||||||
|
|
|
на |
поверхности, |
а |
на |
конечной |
стадии |
– |
внутри |
||
|
|
|
На поверхности появятся сжимающие, а во внутренних |
|||||||||
|
|
|
сортамента. |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
слоях – растягивающие напряжения. |
|
|
|
||||||
Πa
ТЕМПЕРАТУРА
C повышением температуры прочность уменьшается, повышается деформативность.
E
При отрицательных T C получается замороженная древесина.
Т С
Замораживание вызывает дальнейшее увеличение прочности древесины. Для влажной древесины влияние температуры сильнее, чем для сухой. Значительное повышение температуры при высокой влажности вызывает пластификацию древесины, что используется при гнутье деревянных элементов. При замораживании влажной древесины увеличивается хрупкость и опасность её раскалывания (при забивке гвоздей, тёске и рубке топором).
ФАКТОР ВРЕМЕНИ
Несущие деревянные конструкции работают при постоянных и переменных нагрузках в течении многих лет. Это приводит к усталости и определенному снижению уровня прочности. Поэтому очень важно знать прочностные характеристики древесины с учетом длительности действия нагрузки (срока эксплуатации). Возьмём три одинаковых образца, загруженных разной по величине нагрузкой. Как известно, нагружение древесины сопровождается переходом усилий с вязкого межклеточного вещества на волокнистую целлюлозную структуру. Если в результате перераспределения сил прочность целлюлозной основы будет превзойдена, то наступает разрушение через определённый промежуток времени. Чем выше уровень нагрузки, тем быстрее разрушится образец. Два первых образца разрушатся через время T1 и T2
соответственно. Третий образец не разрушится – как бы долго не действовала нагрузка.
Имея зависимость между разрушающим напряжением и временем от начала нагружения до разрушения образца, можно построить кривую длительного сопротивления древесины.
Любая точка этой кривой показывает, что для разрушения древесины при данном напряжении необходимо некоторое время. Понижение показателей прочности наблюдается лишь до определенной величины – предела длительного сопротивления древесины σдл. При напряжениях ≥ σдл разрушение неизбежно. Машинные испытания, при которых нагрузка прикладывается быстро (при t=0), дают нам Rпр – предел прочности.
, Па
R пр
σ1 σ2 
σдл = σ3 
т т2
Предел длительного сопротивления это наименьшая величина предела прочности древесины, полученная при испытании постоянной статической нагрузкой, действующей достаточно длительное время.
σдл – характеризует то предельное значение нагрузки, под действием которой образец не разрушится, как бы долго ни действовала нагрузка. σдл равно примерно 0,67 Rпр.
Кривая длительного сопротивления
1 |
не разрушится |
Т дни |
разрушится через |