Содержание к диссертации
Введение
1. Введение '
1.1 .Древесина как сложный конструкционный материал ?
органического происхождения.
1.2. Роль исследований древесины в развитии научной мысли, а также основные этапы пополнения знаний о древесине .
2. Общие сведения о древесине . 30
2.1.Древесина как анизотропный материал органического происхождения.
2.1.1. Постановка вопроса. 30
2.1.2. Микроструктура древесины. 33
2.1.3. Особенности макроструктуры. 37 2.2.Факторы, оказывающие существенное влияние на прочность 42
древесины.
2.2.1. Влияние возраста дерева на прочность. 42
2.2.2. Влияние объемного веса древесины. 43
2.2.3. Влияние температуры и влажности . 45
2.2.4. Формулы пересчета к стандартной влажности и температуре. 54
2.2.5. Основные пороки строения и их влияние на прочность. 55
3. Современное состояние вопроса о прочности древесины . 1
3.1 .Простейший случай напряженного состояния — чистый сдвиг. " *
3.2.Прочность древесины при растяжении. 8
3.3.Прочность древесины при сжатии. '"
3.4.Работа древесины при изгибе. ^4
3.5.Кручение древесины. 98
З.б. Сложные виды напряженного состояния . 99
3.7.Краткие выводы. 100
4. Трещиностойкость древесины. Анализ прочности с позиций механики разрушения .
4.1.Прочность деревянного образца с позиций механики 103
разрушения.
4.2.Жесткие машины, и полный вид диаграммы «напряжение — ПО
деформация» для древесины при изгибе.
4.3.Новый критерий разрушения древесины, основанный на анализе 118
исследования трещиностой кости.
5. Синтетическая теория прочности 127
5.1 .Необходимые утверждения теории упругости. 127
5.2.Упругая симметрия древесины. 131
5.3.Технические постоянные. 137
5.4. Дифференциальные уравнения равновесия . 144
5.5.Синтетическая теория прочности. 148
5.5.1. История вопроса. 148
5.5.2. Параметр Лоде-Надаи и выбор инвариантов синтетической теории прочности.
5.5.3. Дальнейшее развитие синтетической теории прочности. 156
6. Подготовка и проведение экспериментального исследования механических свойств древесины .
6.1 .Содержание методики проведения эксперимента, а также основные известные подходы к испытаниям по определению прочности древесины.
6.2.Постановка задачи. 166
б.З.Проблемы, стоящие на пути к решению основной задачи. 167
6.4.Предварительные сведения для обеих серий эксперимента. 169
6.4.1. Выбор породы древесины для проведения испытаний. 169
6.4.2. Выбор дерева, методика разделки ствола на кряжи, изготовление образцов.
6.4.3. Об определении влажности образцов. 175
6.4.4. Сушка древесины. 177
6.4.5. Об изменении влажности сосны в зависимости от времени 179 года.
6.4.6. Математическая обработка полученных результатов с целью 181 обоснования достоверности эксперимента.
6.5.Первая серия испытаний. 183
6.5.1. Распиловка деревьев на брусья. 183
6.5.2. Выборка геометрических характеристик образцов. 185
6.5.3. Распиловка брусьев на образцы. 187
6.5.4. Дополнительные виды испытаний, проведенные параллельно 193 с испытаниями на сжатие, изгиб и растяжение.
6.5.5. Проведение эксперимента. 194
6.5.6. Проведение испытаний на растяжение. 197
б.б.Вторая серия испытаний. 198
6.6.1. Постановка задачи. 199
6.6.2. Выбор деревьев и распиловка на брусья. 199
6.6.3. Проведение эксперимента. 203
7. Результаты эксперимента. 205
7.1 .Работа деревянного образца при изгибе поперек волокон. 205
7.1.1. Типичная кривая работы образца при изгибе попере волокон.
7.1.2. Определение прочности образца. 211
7.1.3. Зависимость прочности от объемного веса древесины. 213
7.1.4. Влияние масштабного фактора на прочность при изгибе.
7.1.5. Краткие выводы. 220
7.1.6. Влияние касательного напряжения на прочность образца при изгибе. 221
7.1.7. Сопротивление сдвигу. 228
7.1.8. О скорости нагружения. 229 7.2. Работа деревянного образца при сжатии вдоль волокон. 231
7.2.1. Определение прочности. 231
7.2.2. Определение влияния масштабного фактора на прочность древесины при сжатии.
7.2.3. Обнаружение и исследование линий скольжения. 237
7.2.4. Сопоставление поведения образца при жестком и традиционном режимах нагружения.
7.3.Работа древесины при сжатии поперек волокон. 246
7.3.1. Сжатие в радиальном направлении. 250
7.3.2. Сжатие в тангенциальном направлении. 252 7.4.Работа древесины при изгибе вдоль волокон. 254
7.4.1. Изгиб в тангенциальном направлении. 254
7.4.2. Изгиб в радиальном направлении. 257 7.5.Механическая прочность древесины. 259 7.6.0пределение упругих постоянных. 263
7.6.1. Общие сведения. 264
7.6.2. Определение главных упругих постоянных 264 ац, агг, и а3з, а также соответствующих модулей
упругости.
7.6.3. Применение положений синтетической теории прочности к 276
древесине.
Заключение.
Список литературы.
- Роль исследований древесины в развитии научной мысли, а также основные этапы пополнения знаний о древесине
- Влияние температуры и влажности
- Сложные виды напряженного состояния
- Дифференциальные уравнения равновесия
Введение к работе
Актуальность темы. Изучение вопросов прочности древесины имеет два важных практических направления. Во-первых, как конструкционный материал древесина применяется во многих отраслях промышленности (строительство, судостроение, горное дело и т.д.), что предъявляет повышенные требования к знаниям прочностных характеристик, особенностям сопротивления нагрузкам при различных видах нагружения.
Во-вторых, древесина как сложный природный композит с анизотропией свойств является замечательным материалом для исследований. Знания, полученные при изучении прочности древесины, могут быть успешно применены для горных пород и искусственных композитов, а также для общей теории прочности твердых тел.
Касаясь первого вопроса, следует отметить, что, несмотря на долгое использование человечеством древесины, успехи в определении прочности более чем скромны. До настоящего времени нет однозначного мнения о пределе прочности древесины при сдвиге, кручении, а также различных видах двух - и трехосных напряженных состояний. Практически отсутствует информация о сопротивлении нагрузкам образцов с дефектами строения искусственного (трещины) или естественного (различные пороки) происхождения.
Второй вопрос дополняет исследования, начатые еще в середине 19-ого века Треска и продолженные Сен-Венаном, Карманом, Гестом, Надай и Лоде, группой Новосибирских ученых под руководством Шемякина Е.И. и др., результатом которых стала Синтетическая теория прочности, предложенная академиком Шемякиным Е.И.
Проведенные в работе эксперименты дополняют сведения о деформировании и разрушении твердых тел и являются новыми для древесины.
Цель работы заключается в проведении исследования механической
прочности древесины при использовании жесткого рЙмН*Влружения.
БИБЛИОТЕК* С Петербург О» J007*
4 Выделим крут поставленных задач, которые были решены в ходе работы.
-
Определение прочности и изучение особенностей поведения древесины под нагрузкой при жестком режиме нагружения.
-
Проверка применимости критериев синтетической теории прочности к сложному анизотропному материалу, которым является древесина;
-
Наблюдение за разрушением древесины;
-
Построение полной диаграммы «напряжение - деформации» с учетом нисходящей ветви при сжатии и изгибе;
-
Определение упругих постоянных.
-
Учет масштабного фактора при определении механических характеристик.
-
Применение положений синтетической теории прочности к древесине;
-
Создание современной методики проведения испытаний на прочность древесины;
9. Анализ поведения образцов с искусственной трещиной при изгибе;
Ю.Обобщение существующих знаний о механической прочности древесины.
В качестве материала для исследований была принята древесина сосны. Сосна является одной из наиболее распространенных пород, произрастающих на территории России; занимает промежуточное положение по механическим характеристикам - прочности, весу; легко добывается и обрабатывается; содержит относительно небольшое количество пороков строения, что облегчает изготовление образцов и не оказывает заметного влияния на полученные результаты.
Достоверность результатов обусловлена применением высокоточного современного экспериментального оборудования, тщательной подготовкой к проведению эксперимента, большим объемом полученных данных, а также проведенной математической оценкой достоверности опытов.
Главной отличительной характеристикой представленной работы является использование современного испытательного оборудования с возможностью задания так называемого «жесткого» режима нагружения, когда
5 воздействие на материал идет путем приращения перемещений захватов пресса. Подобный тип нагружения впервые позволил получить полную диаграмму «нагрузка - деформации» для деревянного образца при сжатии и изгибе.
При решении поставленных задач использовались работы следующих выдающихся ученых, как в области механики твердого тела - Сен-Венана Б., Тимошенко СП., Надай А., Шемякина Е.И., так и в древесиноведении -Иванова Ю.М., Ванина СИ., Знаменского Е.М., Хухрянского П.Н., и др.
Кроме того, вся работа и сделанные выводы опирались на данные по исследованию других материалов: эквивалентных (Шемякин Е.И., Ревуженко А.Ф., Бобряков А.П.), горных пород (Протодьяконов М.М., Чирков С.Е.), композитных материалов (Ишлинский А.Ю., Черный Г.Г.), а также на общие работы по прочности и разрушению твердых тел, в частности, посвященные работам по симметрии в твердых телах (Сиротин Ю.И., Шаскольская М.П. и др.). Для математического описания упругих свойств древесины использовались работы Лява А. и Лехницкого С.Г..
Из поставленных задач вытекает научная новизна исследования, которая заключается в наблюдении за процессами деформирования и разрушения древесины при жестком режиме нагружения.
для сплошных деревянных образцов жесткий режим нагружения был применен впервые;
впервые была получена полная диаграмма «нагрузка - деформации» при сжатии и изгибе различно ориентированных деревянных образцов;
впервые в деревянном образце удалось наблюдать возникновение линий скольжения и разрушение при их развитии;
экспериментально была доказана применимость к древесине положений синтетической теории прочности;
- впервые упругие постоянные древесины находились при жестком режиме
нагружения на образцах, взятых с учетом масштабного фактора, что позволило
обнаружить различие в симметричных константах упругости;
- было показано влияние масштабного фактора на прочность;
- учитывая масштабный фактор, а также очевидные преимущества жесткого
режима нагружения перед нагружением по приращению усилия, даны
рекомендации по испытаниям деревянных образцов на сжатие и изгиб.
Кроме того, удалось оценить влияние касательного напряжения на прочность при изгибе в цельном образце и в образце с искусственной трещиной.
Личный вклад автора в решение поставленных задач заключается в самостоятельной разработке методики проведения экспериментов, подготовке материалов и оборудования, наблюдении за опытами и анализ всех полученных результатов.
Вся работа, как в теоретической, так и экспериментальной частях, была выполнена самостоятельно при поддержке со стороны научного консультанта академика Шемякина Е.И.
Неоценимая помощь при подготовке и проведении эксперимента была оказана автору Институтом Горного дела в г. Новосибирске и лично Ревуженко А.Ф., Жигалкиным В.М., Бабичевым А.В.
Практическая значимость исследования заключается в:
применимости положений Синтетической теории прочности к древесине;
существенном пополнении знаний о прочности и разрушении древесины, как анизотропного материала со сложной внутренней структурой;
разработке современной методики подготовки и проведения эксперимента;
получении представлений об остаточной прочности древесины при сжатии и изгибе (нисходящая ветвь на диаграмме «нагрузка - деформация»);
- определении влияния масштабного фактора на прочность деревянных
образцов и конструкций;
- решении ряда задач о прочности деревянных образцов с трещиной;
- определении упругих постоянных древесины при жестком режиме
нагружения и др;
Апробация работы. Основные результаты работы активно обсуждались на семинарах и конференциях по механике твердого тела, древесиноведению,
7 строительным конструкциям и материалам, а также в различных научных коллективах и организациях, с которыми сотрудничал автор в процессе постановки задач, подготовки и проведения эксперимента, а также обработки полученных данных.
Разрушение древесины по площадкам скольжения и демонстрация полученных образцов, как правило, вызывали оживленные дискуссии в самых разнообразных научных кругах, в том числе на:
39-ой Научной конференции в г. Владивосток, 1997 г.;
региональной научно-технической конференции «Приморские зори», г. Владивосток, 1998 г.;
2-ой научной-техничсекой конференции молодых ученых в МГСУ, г. Москва, 1999 г.;
Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых, г. Москва, 2000 г.;
научной конференции аспирантов и докторантов МГУЛ, г. Москва, 2003 г.
научной конференции по современным проблемам механики и прикладной математики, г. Воронеж, 2004 г.;
конференции по проблемам прочности материалов, используемых в авиастроении, г. Воронеж, 2004 г.;
конференции по механике, математике и информатике в г.Тула, 2004 г.;
на семинаре в Тверском государственном университете, 2005 г.;
а также в лаборатории деревянных конструкций ЦНИИСК, г. Москва, в лаборатории Института горного дела, г. Новосибирск, на семинарах механико-математического факультета МГУ.
Реализация исследований. Предложенная методика экспериментального исследования прочности древесины была внедрена в Центре коллективного пользования «Геофизических и геодинамических измерений» СО РАН.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 печатных работ, из них две монографии.
Структура н объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, приложений, списка используемых литературных источников из 149 наименований, содержит 320 страниц, включая таблицы и рисунки.
Автор выражает глубокую благодарность своему научному консультанту и учителю академику Шемякину Е.И., профессору Короткиной М.Р., коллективу института Горного дела СО РАН, особенно Ревуженко А.Ф., Жигалкину В.М. и Бабичеву А.В.
Роль исследований древесины в развитии научной мысли, а также основные этапы пополнения знаний о древесине
Реальные материалы редко полностью подчиняются какой-либо из представленных схем. Как правило, поведение материалов включает в себя сочетания нескольких видов деформаций.
Большинство конструкционных материалов имеют линейный участок диаграммы «напряжение - деформация» при малых нагрузках. После достижения нагрузками некоторого предельного значения — предела пропорциональности, диаграмма начинает искривляться, и приращения деформаций перестают соответствовать приращениям напряжений, начинается пластическое течение материала с необратимыми деформациями.
Применяя следующую классификацию твердых тел, можно выделить две большие группы. В первой группе механические свойства материалов одинаковы во всех направлениях в заданном объеме. К таким материалам можно отнести стекло, стали, некоторые сплавы и многие другие вещества, называемые изотропными. Во второй группе материал может иметь несколько различно ориентированных плоскостей, по которым механические свойства могут существенно различаться. Это горные породы, древесина, бетон, композиты, кристаллы и др.
Объединяя вышесказанное естественно предположить, что если вещество сочетает в себе несколько видов деформаций, а изделие из этого вещества имеет ярко выраженную анизотропию, заметно усложняются исследования реакции на приложенные усилия и их математическое описание. Такие материалы могут дать ответы на многие вопросы, касающиеся прочности твердых тел, привести к неожиданным результатам и умозаключениям. В представленной работе в качестве исходного материала для исследований выбрана сложная природная структура - древесина.
Целью работы является проведение исследования прочности древесины при «жестком» режиме нагружения. Древесина находит широкое применение в следующих отраслях промышленности [80]: - промышленное и гражданское строительство (перекрытия большепролетных сооружений, производственные и складские помещения с химически агрессивной средой); - дорожное и железнодорожное строительство (мосты, настилы, перила, сваи, шпалы, платформы и др.); - судостроение; - вспомогательные сооружения.
Причины, по которым следует углубиться в изучение прочности древесины следующие: - богатая история использования человечеством древесины в хозяйственных нуждах с древнейших времен и до наших дней; - выдающиеся с практической точки зрения качества данного материала, такие как легкость обработки, естественная возобновляемость ресурсов, низкий удельный вес конструкций при удовлетворительных прочностных параметрах; - огромные запасы древесины в России. Последний пункт требует более подробного описания.
Россия прочно занимает одно из первых мест по запасам древесины. Леса нашей страны занимают около 700 млн. га. площадей. На огромных площадях произрастают десятки разновидностей деревьев, однако для промышленного производства пригодны далеко не все.
Наиболее распространены в производстве хвойные породы, особенно, сосна и ель, хотя наибольшие запасы в нашей стране лиственницы. Из лиственных деревьев незначительное использование находит лишь дуб. Остальные породы ввиду их невысокой прочности и не исследованности свойств пока используются слабо, в последние годы, в основном, для производства мебели, паркета и т.п. Однако необходимо упомянуть, что изучение именно дуба представляет огромную ценность, так как большинство старинных бесценных памятников архитектуры России сооружены из древесины этой породы и нуждаются в реконструкции, замене или усилении отдельных частей.
Как видно из приведенной диаграммы, подавляющее большинство лесных запасов России составляют хвойные деревья; лиственница, сосна и ель. Известно, что по внутреннему строению древесина хвойных пород имеет существенные отличия от лиственных, наличие и промышленное использование в стране хвойных деревьев преобладает, поэтому в работе было решено использовать древесину сосны, как наиболее актуальный материал для исследований.
Вопрос актуальности работы по прочности и разрушению древесины нельзя рассматривать отдельно от современных проблем прочности конструкционных, анизотропных и композитных материалов, которые используются человечеством.
Актуальность работы заключается в том, что изучение древесины, помимо чисто научных интересов расширяющее общее представление о прочности твердых тел с анизотропной внутренней структурой, имеет еще и важное практическое значение. Знания о дереве можно переносить на многие похожие по структуре материалы, особенно композитные с ярко выраженной анизотропией свойств.
Создание точной теории прочности в настоящее время рыночных отношений имеет как никогда высокую значимость. Экономия материалов и денежных средств путем увеличения эффективности их использования позволит открыть новые области применения древесины и других материалов подобного класса, привлечь капитал в развитие, например, деревообрабатывающей отрасли в нашей стране.
Исследования прочности могут быть полезны не только в инженерном деле (конструкции и сооружения), но и также в деревообработке, - отрасли, в которой у нас заметное отставание от развитых стран.
Влияние температуры и влажности
Сжатие - наиболее изученный вид напряженного состояния, один из самых простых по реализации эксперимента и по практической важности вид испытаний. Испытания на сжатие освобождены от различных гипотез, не стеснены возможностями оборудования и формой образцов, могут проводиться на образцах различной формы, и оттого очень удобны в практическом применении.
Прочность древесины при сжатии определяется вдоль и поперек волокон, в последнем случае - в радиальном и тангентальном направлениях.
Каждое из направлений при сжатии имеет свои особенности, которые нельзя обходить стороной. Так, например, при сжатии поперек волокон необходимо учитывать площадь образца, на которую действует нагрузка. Возможны два случая: нагрузка приложена на всю поверхность образца, и на часть поверхности. Во втором случае в образце высокие деформации могут быть вызваны смятием.
Деформацию древесины всех пород при сжатии поперек волокон в радиальном, а рассеяннопоровых лиственных пород и в тангентальном Хухрянский П.Н. [123] описывает в три стадии:
В первой фазе деформация протекает до предела пластического течения ранней древесины. По терминологии Иванова Ю.М. [40] первая фаза соответствует "области неполной упругости" ранней древесины. Первая фаза для древесины разной влажности заканчивается при относительной деформации в 3-6%. Кривые упругой и пластической деформации имеют вид параболы, обращенной выпуклостью вверх.
Во второй фазе все кривые имеют горизонтальный или со слабым подъемом участок. Величина пологой части как для упругой, так и для пластической деформации в сильной степени зависит от влажности древесины в момент сжатия.
В третьей фазе кривые вновь направлены вверх, с увеличением нагрузки растут деформации, в большей степени, необратимые.
Деформация в первой фазе протекает за счет сжатия ранней древесины годовых слоев. Фаза продолжается до предела пластического течения оболочек клеток ранней древесины.
Вторая фаза начинается с пластического течения ранней древесины, с потерей устойчивости клеток. Деформация происходит в основном из-за смятия клеток ранней древесины. По мере вовлечения в деформацию клеток поздней древесины годовых слоев вторая фаза деформации плавно переходит в третью.
Величина полной деформации во второй фазе может быть определена по процентному содержаїшю ранней древесины, понимая при этом отношение ширины ранней части годовых слоев к их общей ширине.
Третья фаза протекает, главным образом, за счет сжатия клеток поздней древесины. Из-за прочности стенок клетки сминаются при относительно больших напряжениях.
При всех степенях сжатия древесины, имеющих комнатную температуру, отношения упругой и пластической деформации6 к полной, есть величины довольно устойчивые для определенной влажности. При сжатии поперек волокон сухой древесины всех пород в радиальном, а некоторых лиственных пород и в тангенталыюм направлении общая деформация может доходить до 75%. Величина деформации" обратно пропорциональна объемному весу древесины: чем больше вес, тем меньше деформации.
При величине относительной деформации, близкой к 50%, наблюдается боковое выпучивание, сопровождаемое микроразрушением древесины.
Сжатие вдоль волокон существенно отличается от поперечного сжатия по многим показателям. В отличие от прессования древесины при поперечном сжатии разрушение вдоль волокон происходит по линиям скольжения, которые развиваются под разными углами в зависимости от породы древесины и ее плотности. Чем плотней древесина, тем меньше угол наклона. С вертикальной линией угол разрушения составляет у дуба 57, у сосны 59,5, у пихты 84,5.
Надо заметить, что наблюдение линий скольжения являлось трудновыполнимой задачей. При пошаговом нагружении образца в нем развиваются деформации вплоть до критической нагрузки (определяется в серии испытаний), при достижении которой следующее приращение силы приводит к лавинообразному разрушению. Причем заранее неизвестно с удовлетворительной точностью данное критическое значение. Приходилось при появлении первых признаков разрушения мгновенно разгружать образец. По Иванову, если время до начала разгрузки превышало 0,5 секунды, то образец тут же разрушался, и наблюдать линии скольжения не представлялось возможным [36, 37].
Визуально, даже при успешном разгружении, вид получающихся линий скольжения давал мало поводов для успешных выводов о свойствах материала, поэтому применялись различные дополнительны приборы и методы. При изучении под микроскопом явления разрушения древесины сосны при сжатии вдоль волокон обнаружено, что имеющиеся на стенках трахеид мельчайшие, едва уловимые в поляризованном свете, линии скольжения развиваются в крупные, составляющие с осью трахеид угол около 70. В дальнейшем линии соединяются в линии разрушения, при этом каждое волокно ведет себя, как стержень при продольном изгибе.
Углы наклона линий скольжения в ранней древесине значительно больше, чем в поздней. Для сосны, по данным Баженова В.А., углы составляют соответственно 29,2 и 17,3. Для лиственницы, по данным Вихрова В.Е., 27 и 15,8.
Второй вид обнаружения линий скольжения, по Иванову Л.А., [33] на начальных стадиях разрушения, заключается в рассмотрении в микроскоп окрашенную хлор-цинк-йодом древесину. В местах разрушения целлюлоза соприкасается с раствором, в результате чего происходит сине-фиолетовое окрашивание.
Подробнее о линиях скольжения будет сказано при анализе собственного эксперимента в следующих главах.
Если сравнивать деформативность древесины в зависимости от влажности, то существуют следующие данные: При сжатии вдоль волокон наименьшая деформация наблюдается у сухой древесины. Общая деформация у большинства пород не превосходит 1-2%, а упругая - 0,5 -1,0%.
Сложные виды напряженного состояния
Современная теория прочности древесины основана на анализе экспериментальных данных. Чтобы записать соответствующее значение расчетного сопротивления в главу СНиП [95] проводится серия испытаний, состоящая ігз нескольких тысяч отдельных опытов, на основании которых, с необходимыми поправками, выбирается расчетное значение.
При построении или проверке любой теории прочности выбор образца и создание методики испытаний играют решающую роль. При разработке методики испытания необходимо предусмотреть следующее [57]: - цели и задачи при проведении испытаний; - вид испытаний; 162 - получение достоверных данных; - количество образцов для каждого вида испытаний; - количество необходимого материала; - метод отбора материала и его маркировка; - размеры и место выреза образцов из лесоматериалов; - необходимое испытательное и измерительное оборудование; - способы обработки полученных результатов.
Изменчивость свойств древесины по радиусу и высоте ствола, наличие пороков строения, размеры, расположение и степень влияния которых на свойства древесины различны, заставляют исследователей применять различные методики проведения испытаний.
До 1950 года преобладали испытания образцов различных размеров и формы. К сожалению, отсутствие единых стандартов проведения испытаний, каких-либо разработанных рекомендаций, не позволяют на основании данных тех лет проводить анализ механических свойств древесины. Первостепенным фактором, который влияет на пригодность тех испытаний, является, безусловно, несоблюдение единого температурно-влажностного режима. Как говорилось выше, влажность оказывает решающее влияние на прочность древесины, а в трудах до 1950 года, в подавляющем большинстве, не описываются окружающие условия, при которых проводились испытания, а также характеристики испытуемой древесины.
В 1950 году вышли первые нормы проектирования деревянных конструкций в СССР, в которых расчетные величины были составлены на основании данных, полученных при испытаниях малых чистых образцов. В настоящее время наибольшее распространение получили малые образцы сечением 20x20 мм2. Они широко применяются при испытаниях во всех странах Европы, за исключением Англии, в которой, как и в США, приняты стандарты с образцами сечением 50x50 мм2.
Первым и наиболее последовательным приверженцем испытаний древесины на малых «чистых» образцах был, по-видимому, профессор Иванов Ю.М.. Критикуя исследователей, которые испытывали крупные образцы или уменьшенные формы реальных конструкций, он отмечал, что «результатом данного подхода является недостаточное внимание к особенностям механических свойств древесины, связанных с высокомолекулярным строением слагающих ее веществ... Отсутствие данных свидетельствовало лишь о том, что эти вопросы до сих пор ускользали из внимания исследователей. Такой пробел особенно бросается в глаза в сравнении с успехами, достигнутыми в изучении строения и свойств высокомолекулярных соединений. В этой области науки фактически возникла новая отрасль — физика и физико-химия высокополимеров. Одним из существенных разделов ее является учение об упругих свойствах полимеров, имеющих иной, отличный от обычных твердых тел, характер, обусловленный сложным строением и большими размерами молекул. С точки зрения этих представлений следует подходить к изучению механических свойств древесины».
Безусловно, существует связь между свойствами древесины и ее высокомолекулярными составляющими. И только малые образцы, в которых отсутствует влияние пороков строения, кривизны годовых колец, и тп., что в сумме дает нам так называемый масштабный эффект, могут дать нам четкое представление о работе макромолекул древесины, лигнина и прочих составляющих при нагрузках. Но нельзя забывать, что при оценке конструкционных качеств древесины нельзя переносить данные, полученные на малых образцах, на реальные конструкции. А подобное непонимание разницы последние пятьдесят лет можно увидеть повсеместно.
Можно также предположить, что образец 20x20 мм2, содержащий несколько десятков тысяч разноразмерных макромолекул целлюлозы, также не может дать точное представление о действии нагрузок на микроструктуру древесины. В соответствии с [96] к элементам микроструктуры относят структуры, имеющие размер менее 0,1 мм. Так, например, трахеиды, сосуды, волокна либриформа имеют размеры от 0,001 до 0,1 мм. Макромолекулы целлюлозы, объединяясь в пучки, образуют элементарные фибриллы, в составе которых насчитывается до 30-40 молекул целлюлозы. Поперечные размеры элементарной фибриллы по данных разных авторов лежат в довольно широких пределах, от 3,5 до 15 нм.
Не будем подробно останавливаться на микроструктуре древесины, так как этот вопрос не является целью исследования. Отметим лишь, что наименьший объем древесины, рассматриваемый на данном уровне, должен быть больше 1 мм . Если сравнивать с данным объемом образец с размерами 20x20x20 мм3, т.е. с объемом 8000 мм3, то закрадываются сомнения, способен ли такой огромный образец показать особенности развития деформаций, вплоть до разрушения, на микроуровне. Как указывается в недавней работе Сапожникова И.В.[88], наибольший интерес для изучения микропроцессов в древесине представляют размеры от 0,1 до 100 нм. Там же можно найти подробное описание микроструктуры согласно современным представлениям.
Резюмируя сказанное, можно сделать вывод, что принятые повсеместно малые образцы совершенно уничтожают основную природную идею при создании ствола дерева — наличие волокон, стянутых годовыми кольцами в пучки, не дают ответа на вопросы как о поведении древесины в целом, так и об ее микроструктурных изменениях при нагружении.
Дифференциальные уравнения равновесия
Нисходящая ветвь диаграммы состоит также из нескольких участков, каждому из которых соответствуют свои процессы, происходящие в образце.
На первом этапе происходит развитие линий скольжения. Никаких иных изменений в структуре не наблюдается, кроме разделения образца на два блока.
Второй участок характеризуется временным упрочнением: по-прежнему отсутствуют какие-либо видимые дефекты структуры, однако «скольжение» начинает встречать внутреннее сопротивление. Волокна загибаются достаточно сильно и, по-видимому, начинают работать силы сцепления волокон между собой вдоль образца, что приводит к временному росту напряжения.
Сброс нагрузки начинает продолжаться на третьем участке и начинается с появления первых вертикальных трещин. Происходит вертикальное расслаивание волокон, напоминающее расщепление на части. При этом два сформировавшихся блока продолжают «скользить» один по другому.
Третий участок обычно имеет самую большую протяженность, нагрузка уменьшается по мере возникновения новых продольных трещин, верхний блок медленно движется по нижнему и часто достигает основания пресса (хотя в некоторых опытах из-за продольного расщепления образец теряет устойчивость).
Последний участок упрочнения обозначен цифрой 4. С физической точки зрения это означает достижение верхней частью образца нижней платформы пресса. Получается следующее явление: пресс начинает деформировать как бы удвоенное, продольно ослабленное, сечение. При этом, что примечательно, в местах развития линий скольжения, часть волокон разрывается, другая же часть продолжает загибаться вниз, сопротивляясь разрушению.
Если предположить, что верхняя часть образца была бы способна преодолеть нижний захват пресса и опуститься ниже, нет сомнений, что и до тех пор образец продолжал бы сопротивляться разрушению.
Пятый этап является последним в нисходящей ветви. Здесь образец окончательно теряет устойчивость и распадается на блоки различных размеров, связанные между собой неразорвавшимися волокнами. Нагрузка стремительно падает.
Наблюдая за экспериментом, не возникает сомнений, что разрушение происходит не столько по линиям скольжения из-за разрыва крайних волокон, сколько из-за появления продольных трещин и отщепления волокон друг от друга. Этот процесс выглядит вполне логично, если вспомігать о межструктурных связях внутри древесины. Так взаимодействие макромолекул целлюлозы между собой, как главного составляющего вещества волокон, значительно прочнее, нежели силы сцепления волокон между собой. Возникают поперечные напряжения, перпендикулярные линии действия нагрузки, растягивающие внутреннюю структуру образца на мелкие блоки.
Следует также заметить, что получение полной картины разрушения связано с некоторыми трудностями. Во-первых, играет существенную роль скорость изменения перемещений пресса. При высоких скоростях графическое изображение «теряет» некоторые участки, спрямляя нисходящую ветвь на диаграмме. Во-вторых, и что самое важное, только образцы с идеальной структурой, показывают полную картину разрушения. Волокна должны быть строго параллельны, с одинаковыми расстояниями между слоями поздней древесины. Если угол наклона волокон хотя бы на несколько градусов отличается от угла действия силы, то при появлении линий скольжения начинается потеря устойчивости всего образца, и он попросту «заваливается» на бок, не позволяя блокам «скользить» один по другому. Само же появление линий скольжения не зависит от структуры образца и является общей характеристикой для всего процесса разрушения при сжатии.
Если рассматривать вопрос об остаточной прочности, на котором, безусловно, следует останавливаться подробно и проводить специальное исследование, то потенциальные запасы механической прочности в древесине достаточно - велики. После возникновения линий скольжения процесс упрочнения структуры начинается при нагрузках, составляющих более 0,5 от максимальной. При этом если не задавать дополнительных перемещений, образец продолжает сопротивляться действующей силе, хотя структура в зоне линий скольжения претерпела существенные изменения.
Типичные кривые «нагрузка — перемещение» для различных размеров образцов приведены на рисунке 7.17. Для взятых сечений структура диаграмм одинакова (также, можно предположить, что и для стандартного образца сечением 2x2 см2 действует все вышеперечисленные закономерности при разрушении).
В качестве проверки корректности полученных данных, кроме жесткого режима нагружения, на некоторых образцах усилие подавалось традиционным способом — путем приращения нагрузки.
Данный способ нагружения дает гораздо меньше информации для анализа процесса работы древесины при сжатии. Полностью отсутствует нисходящая ветвь на диаграмме «нагрузка - перемещение», а сам образец разрушается мпювенно на мелкие щепки. Верхняя часть образца словно вдавливается в нижнюю, разрывая последнюю на части.
Максимальное напряжение, полученное путем приращения нагрузки, не отличается от аналогичного, полученного при жестком режиме нагружения. Так, например, для образцов сечением 4x4 см, нагруженных по перемещению, среднее напряжение составляет 520 кгс/см (при колебаниях в диапазоне от 490 до 533 кгс/см2), тогда как среднее напряжение по нагрузке равно 525 кгс/см2.
Впервые проведенное построение полной диаграммы «нагрузка — перемещение пресса» или «напряжение — деформация» дает почву для изучения остаточной прочности древесины, что особенно актуально при реставрации старинных зданий и сооружений, в том числе, памятников архитектуры. Долговечность и запас прочности в уже работающих конструкциях является весьма актуальным на практике.
Примененный в работе жесткий режим нагружения является более информативным с точки зрения изучения прочностных свойств и особенностей разрушения материалов. Можно рекомендовать именно подобный подход для дальнейших исследований.
Преимущество эксперимента при жестком нагружении наглядно видно при сравнении двух диаграмм (рис. 7.18 и 7.19).
На первой диаграмме, где представлено нагружение по приращению усилия, можно наблюдать упругий участок, накопление необратимых деформаций и максимум нагрузки, которой соответствует некоторое значение деформаций сжатия.
Полная диаграмма (рис. 7.19) значительно нагляднее демонстрирует весь процесс сопротивления разрушению, включая в себя явления «сброса» нагрузки после достижения максимума, временное упрочнение и разделение образца на вертикальные составляющие