Исследование прочностных свойств деревянных конструкций с наличием механических повреждений

Размещено на http: //www. allbest. ru/

Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России

Исследование прочностных свойств деревянных конструкций с наличием механических повреждений

Киселев Вячеслав Валериевич, старший преподаватель

Аннотация

Различные виды деревянных конструкций успешно применяются в современном строительстве. Из дерева возводятся покрытия, перекрытия, стены и перегородки зданий и многие инженерные сооружения, несущие на себе значительные нагрузки. В работе проведены результаты испытаний деревянных образцов с механическими повреждениями. Определены прочностные свойства образцов.

Различные виды деревянных конструкций успешно применяются в современном строительстве. Из дерева возводятся покрытия, перекрытия, стены и перегородки зданий и многие инженерные сооружения, несущие на себе значительные нагрузки [1].

Деревянные строения, а также разнообразные конструкции применяются достаточно широко -- это и сельская местность, где большинство домов и подсобных построек построено из дерева, но и в городах. Кроме этого этот конструкционный материал применяется и для изготовления различных деталей. В процессе эксплуатации деревянные элементы конструкций или детали подвергаются механическим воздействиям -- ударам, срезам, проколам и т.д. Если говорить о металлических деталях, то здесь все достаточно просто. Наличие в сечении металлической детали, например отверстий или других механических дефектов снижает площадь сечения детали, и, следовательно, пропорционально снижает прочность на растяжение или сжатие. Каким же образом влияет наличие механических повреждений на прочностные свойства деревянных деталей, попытаемся разобраться в данной работе. Известно, что дерево является анизотропным волокнистым материалом, то есть материалом, у которого прочностные свойства могут быть различными при разных видах нагружения.

Для оценки прочностных свойств деревянных конструкций были подготовлены шесть деревянных образцов в виде кубиков размером 40х40 мм для последующего испытания на сжатие. При испытании на сжатие пользуются образцами небольшой высоты, которые сжимают между плоскими плитами испытательной машины. При испытаниях приходится считаться с двумя обстоятельствами: силами трения, возникающими между торцами образца и плитами испытательной машины, и возможностью изгиба образца. Влияние сил трения уменьшается с увеличением высоты образца, но во избежание искривления необходимо применять короткие образцы.

Первые два кубика будут являться эталоном, в них отсутствуют механические повреждения, сучки. В двух других аналогичных кубиках сверлится по одному отверстию диаметром 10 мм перпендикулярно действию нагрузки. В пятом и шестом образцах сверлятся такие же отверстия, но в продольном направлении. Эти отверстия имитируют наличие в деревянной детали механических повреждений.

Испытания прочностных свойств деревянных деталей производим на гидравлическом прессе ПСУ-10 (рисунок 1).

Рисунок 1 Пресс гидравлический ПСУ-10

При испытании на сжатие используется гидравлический пресс ПСУ -- 10, изображенный на рисунке 1, предназначенный для статических испытаний стандартных образцов строительных материалов. Он состоит из собственно пресса (рама, рабочий цилиндр, плунжер с плитой, винтовая пара с верхней плитой) и пульта управления (корпус-бак, гидронасос, устройство управления, силоизмеритель). Нижняя опорная плита монтируется на плунжере с помощью самоустанавливающейся сферы для устранения возможного перекоса образцов. Управление электродвигателем осуществляется кнопочной станцией. Ручка сброса -- для слива масла из цилиндра в бак, регулятор скорости -- для подачи масла в цилиндр от насоса. Гидравлический пресс ПСУ-10 способен развивать нагрузку на испытуемый объект до 10 тонн.

Вообще следует сказать, что испытание на сжатие деревянных образцов представляет особый интерес. Дерево является, как было сказано выше, анизотропным материалом -- его свойства в разных направлениях различны. Поэтому испытание на сжатие образцов (особенно из хвойных пород дерева) проводят вдоль и поперек волокон.

Диаграмма сжатия древесины вдоль волокон близка к диаграмме сжатия хрупких материалов. Разрушение сопровождается образованием трещин и обмятием торцевых поверхностей образца (рис. 2). По данным испытания определяется лишь предел прочности при сжатии вдоль волокон.

Рисунок 2 Схема разрушения древесины при сжатии

Диаграмма сжатия древесины поперек волокон имеет другой вид. До некоторой точки А наблюдается прямо пропорциональная зависимость между напряжением и деформацией. Эта точка соответствует пределу пропорциональности материала упц. При дальнейшем увеличении нагрузки древесина уплотняется без видимых признаков разрушения. Момент разрушения уловить практически невозможно. За разрушающую силу Fразр. условно принимают такую нагрузку, под действием которой образец укорачивается на 1/3 исходной высоты. В результате испытания определяют две характеристики: предел пропорциональности упц и предел прочности при сжатии поперек волокон ув.

Прочность древесины вдоль волокон в 5 … 8 раз выше прочности поперек волокон. Иногда эту разницу оценивают коэффициентом анизотропности. В нашем эксперименте определялись предел прочности деревянной детали вдоль и поперек волокон.

Перейдем к полученным результатам испытаний. Образец первый (эталон). Предел прочности вдоль волокон составил 24 МПа, поперек волокон 6 МПа. Образец второй (с одним отверстием 10 мм). Предел прочности вдоль волокон составил 22 МПа, поперек волокон 5,5 МПа. Образец третий (с двумя отверстиями вдоль и поперек волокон по 10 мм). Предел прочности вдоль волокон составил 18 МПа, поперек волокон 4 МПа.

Анализируя полученные данные, можем отметить, что уменьшение площади поперечного сечения деревянного образца не приводит к пропорциональному снижению прочности. Испытанию подвергались образцы, изготовленные из хвойных пород дерева. Выбор именно такой древесины объясняется тем, что именно эти породы находят наибольшее применение в строительстве. Таким образом, при уменьшении поперечного сечения деревянного третьего и четвертого образца на четверть, его прочность снизилась на 10 %. Что касается пятого и шестого образцов -- тех, где были просверлены по два отверстия, то там прочность также снизилась, но снижение составило 33 %. Следовательно, деревянные элементы конструкций и детали более стойки к механически повреждениям, нежели детали, изготовлены из металлических конструкционных материалов.

Поведение деревянных образцов при других видах нагружения, например при изгибе, будет рассмотрено в следующей работе.

деревянный износоустойчивость прочностной

Список литературы

1. Киселев В.В. О проведении исследований прочностных характеристик деревянных конструкций при решении задач прикладной механики. // NovaInfo.Ru (Электронный журнал.) - 2017 г. - № 71-1.

2. Киселев В.В. Определение наиболее опасного сечения бруса при деформции растяжение - сжатие // NovaInfo.Ru (Электронный журнал.) - 2016 г. - № 56.

3. Киселев В.В. Использование интерактивных форм обучения для формирования профессионально-значимых качеств обучающихся // NovaInfo.Ru (Электронный журнал.) - 2016 г. - № 54.

Размещено на Allbest.ru