АНИЗОТРОПИЯ И НЕОДНОРОДНОСТЬ ДРЕВЕСИНЫ. РАБОТА ДРЕВЕСИНЫ ПРИ РАСТЯЖЕНИИ, СЖАТИИ И ИЗГИБЕ.

Строение древесины в различных направлениях неодинаково => и ее свойства в различных структурных направлениях неодинаковы (анизотропия). При рассмотрении анизотропии древесины в первом приближении не учитывается неоднородность строения и изменчивость свойств по радиусу и по высоте ствола. Обычно исп-ют схему ортогональной анизотропии (наличие 3 взаимно перпендикулярных плоскостей структурной симметрии). Такие материалы называются ортотропными или ортогонально изотропными. За плоскости симметрии в этом случае принимают:

1. Торцевой или поперечный разрез. Нормаль – продольная ось, N.

2. Радиальный или лучевой разрез (проходит через ось ствола). Нормаль - R.

3. Тангенциальный разрез, параллельный оси ствола и проходящий через касательную к кольцу поперечного сечения. Нормаль - Т.

Эти нормали - главные осями анизотропии.

Целесообразно использовать ортотропную модель древесины в том случае ,когда можно четко определить положение всех трех главных осей анизотропии и после этого указать в проекте наиболее рациональную их ориентацию. В противном случае можно использовать более простую трастропную модель, плоскость изотропии - плоскость поперечного сечения, перпендикулярную к продольной оси ствола.

Анизотропная структура древесины оказывает влияние, как на физические, так и на механические (упругие и прочностные) свойства. Упругие характеристики используются при исследовании деформативности деревянных конструкций. При изучении прочностных свойств исследуемые образцы всегда приходится доводить до разрушения, причем начало разрушения обязательно образуется в зоне какого-либо локального дефекта. В этом случае существенное влияние оказывает нерегулярная неоднородность материала, что явилось одной из важнейших причин, не позволивших до настоящего времени создать единую теорию прочности древесины. Поэтому для практического пользования рассматривают разрушение при: растяжении, сжатии, изгибе, смятии и скалывании.

Исследуют на малых чистых образцах при приложении мгновенной нагрузки (а не длительно действующей во времени). Чистые - образцы, выполненные из древесины без пороков. Это необходимо для того, чтобы можно было исследовать характерные свойства данной породы, не искаженные локальными неоднородностями. Малые образцы берутся для того, чтобы можно было визуально убедиться в отсутствии дефектов. После испытаний проводится статическая обработка => выбираются min значения с вероятностью 97,5%.=> получают Нормативное сопротивление. Для получения действительной прочности его необходимо умножить на коэффициент длительности (0,5-0,6) и коэффициент однородности.

Получаем значительный разброс прочности для одной и той же породы. Это объясняется неоднородностью древесины, из-за особенности ее строения. Например, у хвойных пород прочность поздней древесины в 3-5 раз выше прочности ранней, тк у поздней толще стенки трахеид = > больше плотность древесины = > больше прочность.

• Растяжение

Для испытаний используются стандартные образцы с размером поперечного сечения в рабочей зоне 20х4 мм. Древ. обладает высокой прочностью на растяжение вдоль волокон (для сосны и ели предел прочности 100 МПа). При растяжении древесина ведет себя как хрупкий материал => наличие местных дефектов существенно снижет ее прочность. Значение имеет величина дефекта, и его расположение. Опасно наличие сучков или косослоя, выходящих на кромку элемента (если сучок занимает ¼ доски, находится в середине, то сохраняется 35% прочности, а если сучок находится вблизи кромки, остается 27% прочности. Характер разрушения – защемистый разрыв.

R крупных образцов из-за большей неоднородности строения меньше, чем у мелких.

R растяжение поперек волокон = 2 – 2,5% от R вдоль волокон => стремятся исключить работу древесины на растяжение поперек волокон.

Диаграмма напряжений для древесины имеет криволинейный характер, => предел пропорциональности (точка, где кончается прямолинейная часть диаграммы) этого материала вообще отсутствует. Для удобства расчетов вводят понятие условного предела пропорциональности. При растяжении и сжатии его принимают равным половине предела прочности.

• Сжатие

Стандартные образцы параллелепипед 20х20х30 мм. При работе древесины на сжатие вдоль волокон ее прочность в 2-2,5 раза ниже аналогичной прочности на растяжение. Для хвойных пород предел прочности 40 МПа.

При сжатии древесина ведет себя как пластичный материал. => влияние местных пороков сказывается меньше, чем при растяжении. Наличие сучков, занимающих 1/3 ширины элемента, снижают его прочность на 30-40%.

работа древесины на сжатие вдоль волокон является более надежной, чем при растяжении, => широкое применение металлодеревянных конструкций, где основные растянутые элементы их стали. Сжатие древесины поперек волокон аналогично ее смятию по всей поверхности.

Характерным признаком начала разрушения образца при сжатии является возникновение складки, образующейся в результате потери устойчивости волокон

• Изгиб

При работе древесины на изгиб наблюдается и растяжение, и сжатие волокон, и межслойный сдвиг.

Предел прочности древесины при изгибе - промежуточное значение между пределом прочности при растяжении и сжатии. для древесины сосны равен 75 МПа

Влияние пороков (сучков и косослоя) значительно, особенно при расположении в растянутой зоне. Если сучек занимает 1/3 пласти элемента, в наиб. опасной части (у кромки в растянутой зоне) R снижается на 50-55%. В бревнах пороки сказываются меньше, чем в пиломатериалах (падает всего на 20-25%). Т.к. в бревнах отсутствуют выходы на кромку перерезанных при распиловке волокон.

Закон распределения нормальных напряжений при изгибе в расчетах обычно принимается линейным, определяется по обычной формуле (=M/W), т.к. максимальные напряжения не превышают ¼ от временного сопротивления. НО при приближении нагрузки к предельному значению и ↑ кривизны, эпюра напряжений становится нелинейной (в сжатой зоне максимально напряженные волокна смещены от кромки к центру зоны). Это объясняется поддерживающим влиянием волокон (волокна в древесине находятся в упруго-пластичной среде, поэтому при возникновении в крайних волокнах критических напряжений они не разрушаются, а просто перестают воспринимать дополнительную нагрузку). => устойчивость внутренних удаленных от кромки волокон выше =>воспринимают большую критическую нагрузку.

Предел прочности при изгибе зависит от формы поперечного сечения. При одинаковом моменте прочности предел круглого сечения > прямоугольного, а у двутаврового < прямоугольного. С ↑ высоты сечения предел прочности ↓

Разрушение изгибаемых элементов начинается в результате:

либо образования складки в сжатой зоне,

либо разрыва растянутых волокон,

либо от скалывания.