Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса
1.1 Область применения клееной древесины, требования к клееным конструкциям, условия эксплуатации
1.2 Технология склеивания и контроль качества клеевых швов
1.3 Влияние различных факторов на качество склеивания
1.4 Методы оценки прочности клеевых швов
1.5 Существующие методы определения напряжений в клееных конструкциях
1.6 Используемые методы оценки прочности клееных конструкций
1.7 Выводы, цели и задачи исследования
2. Теоретические основы оценки прочности клееных композиций
2.1 Постановка задачи
2.2 Характеристики трещин
2.3 Критерии разрушения клееной древесины
Механические характеристики древесины и клеевых соединений
3.1 Характеристики статической прочности
3.2 Характеристики прочности клеевых соединений
3.3 Характеристики статической трещиностойкости древесины
3.3.1 Методика проведения испытаний
3.3.2 Влияние формы и размеров образцов на критические коэффициенты интенсивности напряжений
3.3.3. Влияние положения годичных слоев древесины на вязкость разрушения 71
3.3.4 Влияние влажности древесины 72
3.3.5 Влияние отрицательных температур на трещиностойкость увлажнённой древесины
3.4 Характеристики статической трещиностойкости клеевых соединений 74
3.5 Выводы 75
4. Исследование напряжённого состояния 77
4.1 Постановка задачи 77
4.2 Основные расчётные зависимости метода конечных элементов
4.3 Анализ напряжённого состояния древесины в окрестностях трещины
4.3.1 Влияние размеров и расположения дефекта 86
4.3.2 Влияние анизотропии материала 92
4.3.3 Влияние неоднородностей клееной композиции 115
4.4 Выводы 115
5. Коэффициенты интенсивности напряжений 119
5.1 Методы определения коэффициентов интенсивности 119
напряжений
5.2. Анализ влияния различных факторов на коэффициенты интенсивности напряжений 122
5.2.1 Влияние размеров и расположения дефекта 123
5.2.2 Влияние анизотропии материала 126
5.2.3 Влияние неоднородности материала 138
5.3 Выводы 139
6. Исследование прочности клееных композиций с учётом дефектов склеивания 143
6.1 Анализ влияния различных факторов на величину разрушающих напряжений при простых случаях натружения 145
6.1.1 Влияние длины трещины 145
6.1.2 Влияние положения дефекта 147
6.1.3 Влияние анизотропии и неоднородности древесины
6.2 Определение допускаемых длин дефектов при простых случаях нагружения 151
6.3 Анализ влияния различных факторов на величину разрущашщих напряжений при сложном механизме развития 152 трещин
6.4 Определение допускаемых длин дефектов при сложном нагружении 155
6.5 Определение коэффициентов влияния дефектов склеивания
6.6 Выводы 160
7. Экспериментальная проверка результатов исследований 162
7.1 Постановка эксперимента 162
7.2 Результаты испытаний и сравнение их с теоретическими 164
Выводы и рекомендации 166
Список литературы 170
- Влияние различных факторов на качество склеивания
- Характеристики трещин
- Характеристики статической трещиностойкости древесины
- Влияние размеров и расположения дефекта
Влияние различных факторов на качество склеивания
Физико-механические характеристики материалов оказывают существенное влияние не только на процесс склеивания, но и на качество клеевых соединений. Прочность клеевых соединений рассматривается с учётом прочности материала [9]. Недостаточная подготовка материала не даёт возможности получить прочное и долговечное соединение даже при применении лучших клеёв и оптимальных параметров склеивания. Качество изготовления деревянных клееных конструкций определяется ещё так же процессом сборки и запрессовки склеиваемых многослойных элементов. Технология склеивания и контроль качества клеевых швов подробно рассмотрены в работах [2,10,11,12,13,14,15,16].
Основные этапы подготовки материала к склеиванию следующие: доведение материала до требуемой влажности; раскрой и механическая обработка материалов для придания им требуемых форм и размеров; очистка поверхностей от пыли, жировых пятен; выдержка материалов до склеивания.
К основным показателям, характеризующим пригодность древесины для изготовления деревянных клееных конструкций, относятся порода древесины, размеры и качество пиломатериалов.
Действующими нормативными документами для изготовления деревянных клееных конструкций рекомендуется использовать пиломатериалы хвойных пород - ель и сосну [17]. Допускается применение древесины лиственных пород [18], при наличии специальных указаний об их использовании.
Размеры пиломатериалов принимаются согласно [19], исходя из необходимых проектных размеров и формы готовых конструкций и потерь, связанных с выполнением технологических операций. Номинальные размеры пиломатериалов по ширине и толщине установлены для древесины влажностью 20%. Фактические размеры толщины и ширины должны быть более или менее номинальных размеров на соответствующую величину усушки, установленную [20] для хвойных пород и [21] для лиственных пород древесины.
Дефекты формы и толщины склеиваемых слоев древесины существенно влияют на эксплуатационную прочность конструкции, поэтому в [22] введены ограничения по дефектам формы слоев.
Выбор вида и состава клея производится в зависимости от требуемой долговечности и прочности клеевого соединения, а так же от себестоимости клея. То есть вид и назначение выпускаемой продукции является основным фактором, определяющим выбор клея. При этом клеевое соединение должно обеспечивать целостность и формоустойчивость конструкций в течение всего периода эксплуатации. Технологические свойства клеёв должны соответствовать условиям эксплуатации конструкции.
При изготовлении клееных конструкции для строительства в настоящее время используются чаще всего термореактивные клеи. На практике применяют карбамидные, фенольные, резорциновые клеи, их комбинации, а так же эпоксидные, каучуковые и модифицированные поливинилацетатные клеи.
Фенолформальдегидные клеи получили наибольшее применение в производстве клееных деревянных конструкций, так как клеевые соединения на их основе обладают высокой эксплуатационной прочностью. Резорциновые клеи менее токсичны, чем фенольные и обеспечивают получение стабильных и долговечных соединений древесины. Карбамидные клеи в первую очередь применяются для склеивания фанеры и производства древесно - стружечных плит. Применение поливинилацетатных клеёв ограничивается их слабой водостойкостью. Эпоксидные клеи обладают высокой адгезией к большинству материалов, малой усадкой, высокой когезионной прочностью, предпочтительны для склеивания древесины с металлами. Технологический процесс и оборудование для сборки и запрессовки конструкции определяется видом склеиваемых изделий и объёмом их выпуска.
По принятому способу склеивания технологический процесс и оборудование могут быть предназначены для склеивания при нормальной температуре и для ускоренного склеивания при повышенной температуре.
По принципу работы оборудование и процесс склеивания подразделяется на: позиционное склеивание в установках периодического типа; непрерывное склеивание в установках проходного типа.
Для эффективного использования клеевых составов необходимо оборудование, для дозирования и смешивания смолы и отвердителя.
Нанесение клеевых составов производится с помощью специального оборудования на одну или обе склеиваемые поверхности.
В зависимости от способа приложения давления используют гвоздевую запрессовку; запрессовку в винтовых, гидравлических или пневматических прессах.
Гвоздевая запрессовка используется при небольшом объёме выпуска конструкций. Учитывая, что забивка гвоздей является трудоёмкой операцией, максимально используется ручной механизированный инструмент.
Склеивание многослойных конструкций с запрессовкой в винтовых прессах нашло широкое распространение из-за своей простоты. Винтовые прессы могут иметь как вертикальное, так и горизонтальное расположение прижимающих винтов, позволяют изготавливать конструкции различных размеров и формы.
Характеристики трещин
Изучению физико-механических свойств древесины посвящены многочисленные работы [62,63,64,65,66]. Методы по определению характеристик прочности в настоящее время утверждены стандартами и их реализация не вызывает затруднений.
Свойства древесины характеризуются её ярко выраженной анизотропией и неоднородностью. В деревянных конструкциях расчётная схема анизотропии определяется формой, размерами и расположением сечений по отношению к элементам строения древесины. При достаточно больших размерах сечений и отсутствии правильной их ориентации по отношению к годичным кольцам принято считать направление волокон древесины ось симметрии, а плоскость, перпендикулярная этой оси -плоскостью изотропии всех её свойств.
Для элементов древесины малого объёма принята гипотеза об ортогональной анизотропии её свойств. Эта гипотеза соответствует результатам испытаний «малых чистых» образцов. На основании такого предположения считается, что в малых объёмах древесины существует три плоскости симметрии. В качестве плоскостей симметрии приняты плоскости, перпендикулярные радиальному г и тангенциальному t (по отношению к годичным слоям) направлениям, а так же плоскость, перпендикулярная направлению волокон а ( рис. 3.1). Рис. 3.1. Схема анизотропии
Рассмотрение древесины как материала, малым объёмам которого соответствуют свойства ортогональной анизотропии, является в настоящее время наиболее обоснованным опытными данными.
Наиболее полно изучены характеристики прочности древесины в различных направлениях при различных типах деформаций. Это связано с тем, что в настоящее время оценка прочности древесины базируется на классических теориях наступления предельного состояния.
Сопротивление древесины сжатию вдоль волокон принято за основную характеристику. Влияние пороков и воздействие среды учитывается особо, основные данные о механических свойствах древесины относятся к чистой древесине, без пороков при влажности 15% и температуре 20.
Приведённые справочные данные механических свойств в нормативных документах относятся к влажности 15%. Пересчёт показателей прочности и упругости для других значений влажности рекомендуется производить по формулам [67] для упругих характеристик: Ew = E -a(W-\5), (3.1) где Ew - модуль упругости древесины при влажности W%; E15 - табличное значение модуля упругости; а - поправочный коэффициент. Для влажности более 30% упругие характеристики принимаются равные тем, которые получены для влажности 30%. Определение показателей прочности для различных значений влажности производится по формуле: crw = — , (3.2) Kw где Kw - поправочный коэффициент Влияние строения древесины на её механические свойства очень велико. Для древесины всех пород характерна сильно выраженная анизотропия: её модули упругости для направлений вдоль и поперёк волокон различаются по величине почти в 20 раз, а пределы прочности в 40 раз. Деформативные свойства древесины в главных осях анизатропии, в области упругой податливости, определяется девятью постоянными. В соответствии с принятой расчётной схемой необходимые для дальнейших расчётов упругие постоянные приведены в табл. 3.2.
Средние значения коэффициентов поперечной деформации при различной влажности, в среднем для всех пород, по данным [65] приведены в табл. 3.3.
Для полной характеристики прочности древесины как ортотропного материала, необходимо экспериментально определить пятнадцать исходных величин, перечисленных в [63]. Полные данные обо всех величинах пределов прочности древесины при сжатии и растяжении в направлениях осей симметрии а, г и t и в диагональных по отношению к этим осям направлениях имеются для ограниченного числа пород.
Следует отметить, что древесина характеризуется большой изменчивостью свойств как по высоте и радиусу ствола, так и в пределах породы. Вариация механических свойств достигает 15%.
Характеристики статической трещиностойкости древесины
Наиболее существенное влияние на прочностные свойства древесины оказывает влажность. Увеличение влажности древесины с 7 до 30% приводит к заметному снижению механических характеристик и прочностных свойств. При достижении влажности в 30% происходит полное насыщение волокон древесины водой и в дальнейшем она начинает скапливаться внутри капилляров и перестаёт влиять на прочностные свойства.
Между прочностью древесины и её влажностью до 30% существует зависимость в виде квадратичной параболы, свыше 30%- в виде прямой линии, параллельной оси абсцисс (рис. 3.2).
Влияние льда в структуре древесины рассматривалось в [68]. Образование льда приводит к некоторому повышению пределов прочности. Следует отметить, что имеющиеся в этой области исследования не являются достаточно полными. предел прочности
Характеристики прочности клеевых соединений изучались многими авторами [29,36,69,70,71]. Имеются исследования свойств клеевых соединений древесины по различным схемам нагружения. Методика проведения испытаний разработана и утверждена стандартами.
В настоящее время оценка прочности производится на основании классических теорий наступления предельного состояния. При этом экспериментально определяется показатель средней прочности клеевого соединения при различных схемах нагружения. Необходимые для дальнейших расчётов показатели прочности приведены в табл.3.4. Широкое применение показателя средней прочности обусловлено простотой расчётной формулы. Однако следует отметить, что на этот показатель сильно влияют геометрическая форма образца и его деформативные свойства.
Альтернативными показателями прочности являются максимальное напряжение и энергия разрушения. Методами оценки максимального напряжения являются расчётные. Наиболее точно определяемая экспериментально величина - нагрузка, поэтому надёжность расчётов определяется, насколько точно совпадают теоретические кривые с экспериментальными зависимостями прочности от различных параметров. В инженерных расчётах максимальные напряжения могут быть приравнены к значениям расчётных напряжений.
Энергетический показатель прочности применяется для оценки соединений при неравномерном отрыве. При разрушении конструкционных материалов (металл, древесина) напряжения по длине клеевого шва распределяются крайне неравномерно, поэтому энергия разрушения определяется не достаточно точно. Расчёт энергии связан с напряжённо- деформированным состоянием, она зависит от параметров образца.
Разрушение клеевого соединения древесины хвойных пород в основном происходит по древесине. В связи с этим значительный разброс данных при испытаниях (20-25%) для клеевых соединений объясняется разницей в прочности древесины, причём свойства клеёв не проявляются. Выявить преимущество того или иного клея из таких испытаний не удаётся, поскольку соединения сосны разрушаются по древесине, а в соединениях более твёрдых пород, например дуба, разрушение носит смешенный характер (древесина - клей) и различие между отдельными клеями невелико.
В процессе склеивания клей проникает в древесину, пропитывая стенки сосудов, образуя модифицированную древесину. Модификация повышает прочность древесины при сжатии и скалывании, менее - при растяжении. Особенно прочность повышается по направлению осей г и t (см. рис. 3.1)., перпендикулярных волокнам. Вследствие этого разрушение происходит по не модифицированной древесине.
Такое утверждение можно проиллюстрировать данными по временному сопротивлению различных видов клеёв, древесины и модифицированной древесины (табл. 3.5). Таблица 3.5 Временные и нормативные сопротивления клеевых соединений древесины (сдвиг при сжатии), МПА
Изменение прочности клееной древесины при изменении влажности является следствием двух причин. Первая - это падение прочности древесины вследствие увлажнения. Вторая - изменение прочности клеевого шва, носит не однозначный характер. Увлажнение приводит к возникновению дополнительных напряжений в клеевом шве; с другой стороны усиление релаксации усадочных напряжений может несколько повысить среднюю прочность. Конечный эффект зависит от преобладания того или иного фактора. Старение клеевого шва под влиянием увлажнения следует рассматривать отдельно.
Влияние размеров и расположения дефекта
Для изучения влияния влажности на величину критических коэффициентов интенсивности напряжений клееной древесины были проведены испытания с использованием увлажнённых образцов.
Методика изготовления образцов не отличалась от приведённой в пункте 3.3.1, то есть при склеивании применялась древесина, имеющая влажность 7- 12%. Увлажнение образцов производилось после набора прочности клеевым швом. Данная методика испытаний была принята, так как деревянные клееные конструкции производятся из сухой древесины (влажностью 10-12%), которая в дальнейшем, при неправильной эксплуатации может увлажняться.
В опытах не представилась возможности охватить широкий диапазон изменения влажности с чёткой градацией. Поэтому испытывались образцы, имеющие влажность порядка 30%, после которой, как известно, механические характеристики практически не изменяются. Для получения требуемой влажности, сухие образцы замачивались в воде на 6- 8 часов, после чего для достижения равномерной по всему объёму влажности выдерживались на воздухе в течение 2 суток.
Испытания проводились при нормальных условиях.
Измерение влажности образцов проводилось при помощи влагомера ЭВ-2К с учётом требований [100]. Влагомер ЭВ-2К представляет собой переносной измеритель электрического сопротивления древесины. Прибор позволял проводить измерения с погрешностью не более 2% при влажности древесины от 7 до 12%, 3% - при влажности от 12 до 28%.
Влажность измерялась у каждой половинки образца и за контрольную величину принималось её большее значение. Проводилось по 3 измерения по середине пласти на половине длинны на расстоянии 10-15 мм друг от друга по ширине. За результат измерения влажности принималось среднее арифметическое значение трёх измерений. Результат округлялся до 1%.
Анализ полученных результатов позволяет отметить следующее: при увеличении влажности клееной древесины в области положительных температур её способность сопротивляться развитию трещин снижается. Это согласуется с опытами по определению стандартных характеристик прочности древесины.
При влажности клееной древесины порядка 30% её трещиностойкость ниже, чем в сухом состоянии в среднем на 20%.
Исследовалась вязкость разрушения увлажнённой клееной древесины при отрицательных температурах. До настоящего времени ещё точно не установлен срок выдерживания образцов из различных материалов, в том числе и древесины, для достижения ими требуемой температуры и превращения влаги в лёд [68]. В различных исследованиях оно отличается и колеблется от нескольких часов до нескольких суток. Ввиду сравнительно небольших размеров образцов в проводимых исследованиях, замораживание производилось на открытом воздухе в течение 2-3 суток, причём колебания температуры в последние 12 часов не превышали 2-3 С. Замораживание производилось до температуры -10-13 С. Влажность образцов составляла порядка 30% и измерялась до замораживания.
Значения трещиностойкости древесины при отрицательных температурах оказались выше, чем при положительных при прочих равных условиях. Это подтверждает закономерности для остальных механических характеристик древесины.
Как было установлено в ходе проведения экспериментов, дефекты клеевых соединений, представляющие собой начальные трещины, в последующем переходят в массивную древесину. Такой результат наблюдался как для образцов, изготовленных из древесины хвойной породы (сосны), так и из более плотной лиственной породы (берёзы). Образцы разрушались по клеевому шву только в том случае, если было нарушено качество клеевого соединения. По-видимому, именно это обстоятельство оказывается причиной того, что вязкость разрушения не зависит от марки применяемого клея. То есть, определить преимущество того или иного клея из таких испытаний не представляется возможным. Здесь наблюдается тот же результат, что и при определении других механических характеристик клееной древесины, когда после набора прочности клеевым швом разрушение происходит по массивной древесине.
Следовательно, влияние технологии производства клееных деревянных конструкций сводится к соблюдению требуемых параметров склеивания. Если они не нарушались, то в дальнейшем, при надлежащей эксплуатации конструкции, марка клея не имеет принципиального влияния на характеристики трещиностойкости. Влияние старения клеевого шва на характеристику его трещиностойкости следует рассматривать отдельно.
