Методика дослідження механічних властивостей круглих лісоматеріалів з вадами

Размещено на http://www.allbest.ru/

Методика дослідження механічних властивостей круглих лісоматеріалів з вадами

Дерев'яні елементи в конструкціях у більшості випадків працюють на поперечний та поздовжній згин, на стискання вздовж і впоперек волокон та зминання. При різних напрямках дії сил відносно поздовжньої осі елемента, деревина сучків буде підлягати стисканню вздовж або поперек волокон, розтягу або сколюванню. Тіло сучка у поперечному перерізі є круглим, тому при стисканні його поперек волокон одночасно буде відбуватися стискання у радіальному, тангенціальному та проміжному напрямку. Крім того, слід враховувати додаткові складнощі, що виникають при прикладанні сили під різними кутами до напрямку волокон. При цьому на показники механічних властивостей будуть впливати особливості будови розтягнутої та стиснутої зон деревини сучка.

У інженерних конструкціях деревина застосовується у круглому вигляді або у вигляді пиляного матеріалу з прямокутним поперечним перерізом. У балках з круглим поперечним перерізом однією з основних вад є сучки різних діаметрів. Якщо балка встановлена, у нижній товстій частині стовбура, сучки мають менший діаметр, у верхній, більш тонкій, - більший діаметр. Крім того, періодично зустрічаються сучки більшого діаметру.

Розташування сучків є зазвичай поодиноким, виключення складають сосни, у яких вони розташовуються через певні невеликі проміжки, що дорівнюють річному приросту дерева за висотою. Також може бути розташування сучків групами у одному поперечному перерізі і різного діаметру з різним кутом нахилу до поздовжньої осі стовбура.

У дошках і брусках форма сучків, їх розташування та розміри більш різноманітні і залежать від напрямку розпилювання та орієнтації пиляних матеріалів відносно серцевини стовбура.

Отже, випадкове розташування сучків заважає однорідному відбору зразків.

Прилади і матеріали зразки колод деревини сосни з вадами; випробувальна машина УММ-200; випробувальна машина ZD--40; тензометричний підсилювач 8АНЧ-23; аналогово-цифровий перетворювач АЦП марки Е14-140; динамометр ДОС-100; комп'ютерна програма "Меаз8уз"; штангенциркуль (ГОСТ 166-89) [95]; рулетка (ТОСТ 7502-98) [96];

Для випробування впливу сучків та тріщин на міцність та деформативність деревини за стискання вздовж волокон та статичного поперечного згину за різних способів прикладання навантаження відібрані круглі лісоматеріали з Київської, Рівненської та Житомирської областей. Кожну партію зразків заготовлено в одному типі лісу на однаковій висоті стовбура. Зразки для випробувань на стиск вздовж волокон випилювали з колод, причому перший зразок без вад був контрольним, другий зразок з сучками, розташованими на середині його висоти. В деяких випадках один зразок був контрольним двом суміжним зразкам з сучками, що давало можливість дещо скоротити трудомісткість випробувань та витрати деревини. Висоту зразка прийнято рівною двом його діаметрам [97].

Межу міцності за статичного згину, деформацію в разі дії повторного статичного навантаження визначено на окремих ділянках балок за відстані між опорами машини 100 см при навантаженні в одній точці. Для цього використано випробувальні машини Інституту проблем міцності НАН України УММ-200, та ZD-Ю (рис. 1).

Машина УММ-200 обладнана шаровою опорою, що самовстановлюється та рухомими циліндричними опорами, що також само встановлюються, (сІ=50 мм) для випробування на статичний згин. Діаметр опори для випробування на стиск становить 200 мм. Кінематично машина являє собою дві з'єднані рами, з яких одна є нерухомою, а інша - рухомою. Нерухома рама складається з основи та траверси циліндра, які з'єднані двома колонами. В траверсі встановлена гідравлічна пара, що являє собою робочий циліндр та поршень.

На подушку поршня через кульку та корпус опирається рухома рама. Зміна тиску в робочому циліндрі випробувальної машини, який зв'язаний з циліндром маятникового силовимірювача за допомогою трубопроводу, передається плунжеру силовимірювача. У верхній частині циліндра силовимірювача встановлено клапан, який виконує роль гідравлічного гальма.

Рис. 1. Зразки деревини у випробувальних машинах для визначення межі міцності на стиск та статичний згин: а) випробувальна машина УММ-200; б) випробувальна машина ZD-40

Дія клапана полягає в тому, що при скиданні навантаження у випробувальній машині під час розриву зразка або швидкому знятті навантаження, олія з циліндру силовимірювача витікає не миттєво, а поступово з певною швидкістю, тому штанга з вантажем опускається плавно.

Похибка становить не більше 4 % від граничного навантаження.

Під час випробувань проводилося записування діаграми деформування у координатах Р (навантаження) - АІ (деформування). Для записування діаграми стиску використовувався спеціальний вимірювальний комплекс блок-схема якого наведена на рис. 2.

Рис. 2. Блок-схема вимірювання та реєстрації зусиль та деформацій: 1, 2, 3, 4 - датчики зусилля та осьових деформацій; 5 - монітор комп'ютера

Він складається з тензометричної месдози для поточного контролю зусилля стиску, електромеханічних тензометрів для вимірювання деформацій стиску, тензометричного підсилювача 8АНЧ-23 (рис. 3), аналогового цифрового перетворювача (АЦП) Е14-140 (рис. 4), що включає систему збирання даних вимірювання Ь-САГРГ, яка дозволяє за допомогою спеціальної програми "Меаз8уз" виводити ці дані у пам'ять комп'ютера та на його монітор. Записування зусиль відбувається за допомогою месдози (рис. 5).

Месдоза для контролю зусиль випробувальної машини являє собою порожній циліндр, виготовлений з високо модульної сталі з високою межею пружності, на який з діаметрально протилежних сторін у поздовжньому напрямку наклеєні робочі тензорезистори з базою вимірювання 20 мм.

Рис. 3. Тензометричний підсилювач 8АНЧ-22

Рис. 4. Аналоговий цифровий перетворювач (АЦП) Е14-140

Компенсаційні тензорезистори клеються на месдозу в тангенціальному напрямку. Месдоза для вимірювання зусиль з'єднана у силовий ланцюг, пройшовши попередньо тарировку з застосуванням сертифікованого динамометра ДОС-100.

Рис. 5. Пристрої для вимірювання зусиль: а) месдоза з тензодатчиками; б) встановлення месдози під час випробувань

Для вимірювання деформації зразків використовують П-подібні електромеханічні тензометри з базами вимірювання переміщень, що регулюються (рис. 6). Тензометр складається з жорсткої стійки, двох пружних елементів з наклеєними тензорезисторами та спеціальних ножів для кріплення на об'єкт вимірювання.

На рис. 7 схематично показаний електромеханічний тензометр, який дозволяє вимірювати деформації на базі розміром 80 мм. Тензометр кріпиться на зразку, за допомогою спеціальних еластичних ниток. У разі зміни розмірів зразка в результаті його навантаження стискаючим зусиллям, змінюється відстань між точками дотику ножів тензометра та перерізами зразка. При цьому відбувається вигин пружних елементів зі сталі 65 Г, на яких наклеєні тензорезистори. Чотири тензорезистори, які наклеєні на пружні елементи з двох сторін, розпаяні за мостовою схемою та під'єднані до тензопідсилювача. При збалансованій мостовій схемі у діагональних мостах струм дорівнює нулю.

Рис. 6. Електромеханічний тензометр

При деформуванні тензорезисторів в результаті згину пружних елементів і розбалансування електричного мосту, між діагоналями виникає напруга, величина якої пропорційна зміні бази вимірювання деформації зразка.

Рис. 7. Схематичне зображення елементів тензометра для вимірювання осьової деформації: 1 - пружний елемент, 2 - тензодатчики, 3 - стійка, 4 - ножі

Перед випробуванням зразків тензометри тарирувалися на спеціальному тарировочному пристрої фірми "Ішігоп" з ціною фіксації переміщення ножів тензометра 2 мкм. При цьому різниця в показниках трьох тарирувань не перевищувала 2 %. Тарирування месдози за зусиллями здійснювалося за допомогою зразкового динамометра.

Перед випробуваннями вимірювали діаметри зразків, розмічалася база вимірів деформації, яка дорівнювала 80 та 100 мм. Частина зразків мала вологість УзР=16-18 %, частина зразків мала вологість вищу за межу насичення клітинних стінок Ґзр > Ґмн . Деформацію зразків рекомендується вимірювати у декількох місцях, а потім визначати середню величину. В круглих зразках з сучками різних розмірів, розташованих у одному поперечному перерізі, місця для встановлення бази вимірювання повинні бути ідентичними за спрямуванням волокон у всіх зразках, що випробуються. Це дає можливість співставляти результати випробувань.

Для визначення місця встановлення тензодатчиків були проведені попередні дослідження з визначення деформацій в зоні розташування сучків при стисканні вздовж волокон за допомогою тензодатчиків. Були випробувані по 5 зразків з вологістю Ґ>30 % за середнього навантаження Р=7,5 МПа. Схема розташування датчиків на зразках показана на рис. 8.

В зразках з круглим поперечним перерізом у місцях, позначених цифрами 1 та 12, де волокна зберігають поздовжню орієнтацію, відносна поздовжня деформація приблизно однакова та за величиною така ж, як і в зразках без сучків; вище та нижче сучка на ділянках, помічених цифрами 2 та 5, відносна поздовжня деформація також майже однакова, але в середньому більша на 50 % від ділянок з регулярним розташуванням волокон (табл. 1).

Співпадання числових значень деформації на ділянках 2 та 5 пояснюється тим, що кути нахилу волокон від поздовжнього напрямку майже не відрізняються. круглий сортимент деформація навантаження

Рис. 8. Схема розташування тензодатчиків на зразку з сучками

Таблиця 1. Відносна поздовжня деформація в різних місцях зразка W>30 %

Збільшення відхилення від поздовжнього напрямку викликає подальше збільшення відносної поздовжньої деформації (ділянки 6 та 7;8 та 11). Найбільша деформація спостерігається в сучку - точки 3, 4, 9, 10.

В місцях переходу волокон із стовбура в сучок (ділянка 2) можна визначити тільки середню величину деформації, оскільки тензометр охоплює зону річного шару стовбура, де волокна відхиляються на деякій протяжності переходячи в сучок. У розтягнутій та перехідній зонах сучка деформація майже однакова і за величиною декілька більше деформації присучкової зони, яка безпосередньо прилягає до сучка. Деформація у стиснутій зоні сучка декілька менша, ніж у розтягнутій.

Відносна поперечна деформація на ділянках з поздовжнім напрямком волокон (ділянки 1 та 2) не однакова - на ділянці 12 вона у два рази менша, що може бути пояснено положенням цієї ділянки, яка знаходиться на границі між сусідніми присучковими зонами, тобто у стиснутих умовах (табл. 2).

Таблиця 2. Відносна поперечна деформація в різних місцях зразка W>30 %

У присучковій зоні на ділянках 6 та 7; 8 та 11 поперечна деформація в 9-10 разів перевищує деформацію на ділянці 12. У межах сучка у розтягнутій зоні (точки 9, 10), стиснутій (точки 3, 4) та перехідних зонах деформація майже однакова та дорівнює деформації присучкової зони на ділянках 8 та 11. Така деформація свідчить про нерівномірність розподілу напружень у різних перерізах зразка з сучками, тому її за стискання зразка вирішено вимірювати у трьох місцях. Одну базу вимірювання розташувати між сучками у місцях з поздовжнім напрямком волокон, другу - вздовж поздовжнього діаметра самого великого сучка у мутовці, де спостерігалася найбільша деформація, третю - вздовж самого малого сучка, що дасть можливість визначити середню величину деформації (рис. 9).

Рис. 9. Зразок із закріпленими тензодатчиками

Для виявлення межі міцності за стиску вздовж волокон на зразках з вологістю - Ш>30 % тріщини утворювали штучно. Н.Л. Леонтьев [6] проводив дослідження для малих чистих зразків розпилюючи їх навпіл, а потім склеюючи половинки, залишаючи не склеєними деякі проміжки різної довжини. В.П. Левченко [128] досліджував зразки великих розмірів розпилюючи їх навпіл, а потім зв'язуючи. Однак, під час розпилювання колод порушується цілісність волокон, тому був застосований метод розколювання деревини, а потім її зв'язування (рис. 10, а). Таким чином було утворено дві бокові тріщини.

Як контрольні були взяті цілі зразки з тією ж вологістю. Для визначення межі міцності колод з однією боковою тріщиною, були відібрані зразки з природніми тріщинами всихання, та на частині зразків вони утворювалися штучно, методом розпилювання на 2/3 глибини колоди (рис. 10, б) . Діаметр зразків при стисканні вздовж волокон визначали як середнє значення двох вимірювань на торцевих зрізах; за статичного згину - за величиною двох кіл, виміряних на відстані 150 мм по обидві сторони мутовки.

Рис. 10. Зразки деревини з тріщинами для випробування на стиск вздовж волокон: а) з двома тріщинами; б) з однією тріщиною Випробування на згин проводилися за схемою одноточкового навантаження (рис. 11) на випробувальній машині німецького виробництва 2Б-40.

Рис. 11. Схема випробування зразків на згин: 1 - зразок; 2- прикладання зусилля; 3 - опори.

Величина межі міцності деревини залежить від швидкості прикладання навантаження під час випробувань, форми та розмірів поперечного перерізу та гідротермічного стану зразків.

Відомо, що міцність деревини, залежить від швидкості навантаження у момент випробування зразка. Тому у всіх стандартах на методи випробування регламентовано цей фактор. За малих швидкостей випробування межа міцності знижується, отже, є деяка межа довгострокового навантаження, яку даний зразок може витримати на протязі необмеженого терміну експлуатації. Ця умова відповідає швидкості прикладання навантаження, яка дорівнює нулю [87]. За даними Н.Л. Леонтьева [129] міцність деревини лінійно залежить від логарифму часу Іп, дії навантаження. Цей факт узгоджується з кінетичною концепцією міцності твердого тіла. Протягом досліджень впливу швидкості навантаження на результати випробувань В.Н. Волинський [87] відмічав виникнення ще одного важливого фактору - швидкості навантаження в МПа/с, або швидкості деформування в 1с. Він вважав, що їх вплив на механічні показники є ідентичним.

Тутурин С.В. [130] під час досліджень міцності балок сосни різного поперечного перерізу на стиск вздовж волокон, встановив, що за швидкості навантаження у межах від 0,1 до 5 мм/хв, суттєвих відмінностей у формі кривих, при досягненні критичних значень навантажень і деформацій, відмічено не було. Тому рекомендував швидкість навантаження не більше 2 мм/хв.

У разі випробувань малих контрольних зразків межу міцності деревини визначають звичайно за швидкості навантаження та температурно-вологісного стану, які рекомендовано в стандартах.

Для круглих зразків з чистою деревиною та з вадами рекомендацій щодо швидкості навантаження при випробуваннях немає, тому були проведені попередні випробування для визначення швидкості навантаження.

Було випробувано чотири пари зразків за швидкостей навантаження - 100, 50 та 0,5 мм/хв (рис. 12).

Визначено, що межа міцності змінюється залежно від швидкості навантаження та збільшується з її збільшенням, прагнучи до верхньої межі, тобто до абсолютного значення, а при повільному навантаженні - до нижнього значення або межі довготривалого опору.

Рис. 12. Експериментальні криві впливу швидкості навантаження за стискання вздовж волокон

Для визначення впливу швидкості на деформації чистої деревини та деревини з сучками проведені аналогічні випробування. Результат деформацій деревини за прийнятих швидкостей навантажень наведений на рис. 13. За всіх швидкостях навантаження величина деформацій була більшою у деревині з сучками. Зі зменшенням швидкості навантаження та збільшенням навантаження деформація деревини з сучками збільшується більш різко (крива 3').

Рис. 13. Експериментальні криві впливу швидкості навантаження за стискання вздовж волокон

У зв'язку з тим, що криві зміни межі міцності о, МПа чистої деревини та деревини з сучками та деформації мають однаковий характер та відрізняються лише за величиною масштабу для випробувань на стиск вздовж волокон прийнято швидкість навантаження V, мм/хв, яку рекомендовано у стандартах [120, 131], що дало можливість співставляти отримані результати з відомими для малих зразків.

Для визначення необхідної кількості зразків для випробування були проведені попередні досліди з метою встановити коефіцієнт варіації. Для різних діаметрів стовбурів він коливався в межах від 15 до 29 %. Для зменшення впливу невидимих вад (смоляних кишеньок, елементів кренєвої деревини, відхилення волокон тощо) кількість випробуваних зразків було збільшено. Для визначення впливу здорових зрослих з деревиною сучків на межу міцності за стиску вздовж волокон було випробувано 884 парних круглих зразка, у тому числі 400 контрольних. Діаметр зразків коливався у межах від 7 до 26 см. Висота зразків прийнята рівною двом діаметрам. Розміри найбільших сучків коливалися у межах від 43 до 129 мм (табл. 3).

Таблиця 3. Методична сітка досліду для визначення межі міцності за стиску вздовж волокон

Випробування проводилися на зразках з вологістю більшою за межу насичення клітинних стінок Ш > 30 % і висушених до вологості Ш = 17 %. Зразки були поділені на три партії, залежно від діаметрів стовбурів та середніх розмірів сучків. Тому в кожній партії середні розміри сучків були приблизно однаковими. Це дало можливість визначити величини зниження міцності залежно від розмірів сучків та діаметра зразків.

Аналіз існуючих методик з визначення сучковатості стовбурів сосни дозволив вибрати методику визначення зарослих сучків методом дослідного розпилювання. При підрахунку сучків, які вийшли на бічну поверхню, обрано спосіб врахування найбільшого сучка у мутовці сІт та суми відносних розмірів всіх сучків у мутовці, -- які найбільше характеризують розповсюдженості вади у стовбурі.

Визначення фізико-механічних властивостей деревини регламентується стандартами. Зважаючи на те, що з деревини сучків отримати зразки встановлених розмірів представляє певні труднощі, була вибрана методика зі зменшеними розмірами зразків, до таких, при яких зберігалися основні вимоги стандартів - паралельність волокон, відсутність дефектів та вад деревини.

Розроблено методику визначення межі міцності круглих сортиментів на стиск та згин. Експериментальним шляхом визначені точки найбільших деформацій для встановлення тензодатчиків для фіксації деформацій та визначена швидкість навантаження, що в подальшому забезпечить можливість проведення експериментальних досліджень деревини у широкому діапазоні зміни навантаження, діаметрів колод, вологості, тощо.

Размещено на Allbest.ru