Конструкции из дерева — главные виды напряженного состояния
Главные виды напряженного состояния частей древесных конструкций (растяжение, сжатие, смятие, извив, скалывание)
Растяжение. Сопротивление незапятанной древесной породы растяжению повдоль волокон очень велико; в среднем для сосны около R = 100 МПа. (рис. 1.4).
Из диаграммы видно, что при краткосрочном нагружении деформации растут пропорционально напряжению практически до момента разрушения, т.е. закон Гука соблюдается до конца разрушения. Все же, за предел пропорциональности принимается нагрузка равная 0,5 от временного сопротивления. Разрушение наступает при очень малой относительной деформации равной 0,7%. Данный факт указывает, что древесная порода при растяжении повдоль волокон работает подобно хрупким материалам, т.е. более напряженные волокна разрушаются практически одномоментно, передавая свою долю растягивающих усилий оставшимся волокнам.
Крепкость пиломатериала на растяжение значительно понижается за счет неоднородности древесной породы. В зоне сучков, отверстий концентрируются напряжения, величина которых находится в зависимости от размера (рис. 1.5). При наличии наклона волокон (косослоя) растягивающее усилие раскладывается на две составляющие: повдоль наклонно расположенных волокон и перпендикулярно к ним, что вызывает растяжение поперек волокон. Чем больше наклон волокон, тем больше составляющая растягивающих усилий поперек волокон и тем меньше крепкость элемента, т.к. крепкость древесной породы поперек волокон при растяжении в 25 - 30 раз меньше, чем повдоль волокон. В связи с этим при проектировании конструкций нужно избегать приложения усилий, действующих поперек волокон.
При растяжении воздействие природных изъянов проявляется более существенно, чем при других видах напряженного состояния, что отыскало отражение при предназначении расчетных сопротивлений.
Сжатие. Сопротивление сжатию повдоль волокон является одной из более устойчивых механических черт древесной породы, сравнимо не достаточно зависящей от разных причин, а именно от пороков древесной породы. Предел прочности древесной породы при сжатии повдоль волокон, получаемый в итоге испытаний малых образцов, обширно употребляется для оценки прочности древесной породы, а именно при обследовании старенькых конструкций.
В среднем предел прочности при сжатии повдоль волокон равен R = 44 МПа. Нрав разрушения образцов при сжатии повдоль волокон находится в зависимости от свойства и состояния древесной породы. У образцов из сухой древесной породы наблюдается складка разрушения, направленная на тангенциальной грани приблизительно под углом 60°. У образцов из увлажненной древесной породы, имеющей низкую крепкость, наблюдается смятие волокон у торцов.
Из графика видно (рис. 1.6), что пропорциональность меж деформациями и напряжениями при сжатии повдоль волокон не наблюдается. Меж тем, на участке графика до 0,5 <твр наблюдается зависимость близкая к линейной, и дела о - е принимается неизменным.
Нарастание пластических деформаций на втором участке разъясняется тем, что слои более крепкой поздней древесной породы, которые и сопротивляются нагрузке, начинают терять устойчивость. Но их некое время подкрепляют примыкающие наименее крепкие слои ранешней древесной породы. В момент наибольшей нагрузки ранешняя древесная порода исчерпывает свои способности подкрепления, и происходит образование складки т. е. утраты стойкости слоев поздней древесной породы. Благодаря пластическим деформациям работа древесной породы при сжатии является более надежной, чем при растяжении.
Смятие. В отличие от сжатия смятие - это напряженное состояние элемента на поверхности, воспринимающей нагрузку. Смятие древесной породы происходит повдоль волокон, поперек волокон и под углом. При стандартных испытаниях на сжатие повдоль волокон малых образцов, имеющих отлично приторцованные поверхности, обычно не наблюдается понижения сопротивления в итоге смятия торцов. Для практических целей нормы проектирования не дают различие меж прочностью на сжатие повдоль волокон и смятие повдоль волокон.
Таким макаром, предел прочности смятия повдоль волокон принимается также, как и Rf = 44 МПа .
Древесная порода сжатию и смятию поперек волокон сопротивляется существенно слабее, чем сжатию повдоль волокон. Предел прочности смятию поперек волокон находится в спектре =2,8-4,5 МПа . Стоит отметить, что предел прочности как черта теряет свою определенность, так как при увеличении нагрузки происходит спрессовывание древесной породы без нарушения ее сплошности. Потому за нормируемый предел прочности принимаются значения допустимых в эксплуатации деформаций.
Для смятия поперек волокон хвойных пород наблюдается две обычные диаграммы ст-? (рис. 1.7). Диаграмма смятия поперек волокон в круговом направлении характеризуется 3-мя шагами. На первом шаге (АВ)
происходит сжатие годичных слоев ранешней древесной породы, и участок диаграммы практически прямолинейный. 2-ой шаг (ВС) характеризуется смятием оболочек клеток ранешней древесной породы. Этот шаг работы древесной породы не просит огромных усилий, и на диаграмме наблюдается участок, немного наклоненный к оси абсцисс. 3-ий шаг (СД) протекает за счет сжатия клеток поздней древесной породы, т.е. уплотнения древесинного вещества. Потому древесная порода вновь приобретает способность сопротивляться действию нагрузки, и, обычно, разрушения древесной породы не происходит.
При сжатии поперек волокон в тангентальном направлении свойственна одноэтапная диаграмма. Усилия воспринимаются сразу ранешними и поздними зонами годовых слоев. Нагружение заканчивается часто разрушением древесной породы.
У древесной породы лиственных пород при сжатии, как в круговом, так и в тангентальном направлениях, имеет место диаграмма с 3-мя шагами.
Сопротивление древесной породы на местное смятие выше, чем при смятии по всей поверхности. Увеличение происходит в главном за счет рассредотачивания напряжений на огромную поверхность в направлении повдоль волокон, благодаря поддерживающему воздействию не нагруженных примыкающих волокон, работающих при всем этом на растяжение.
Извив. Крепкость при извиве одна из важных черт древесной породы. При испытании на образчиках разрушение начинается с практически невидимых складок в сжатой зоне, а окончательное разрушение происходит в растянутой зоне в виде разрыва либо отслоения последних волокон. Предел прочности занимает по величине среднее положение меж сжатием и растяжением и равен R'"' = 80 МПа .
Обычно напряжения при извиве определяют по формуле:
W и;
но эта формула справедлива для упругой стадии работы до возникновения пластических деформаций (рис. 1.8, а). В данном случае закон конфигурации а- сбудет прямолинейным и именуется условно упругой стадией работы древесной породы.
С повышением нагрузки эпюра напряжений становится нелинейной (рис. 1.7, б, в) за счет того, что последние волокна начинают терять устойчивость, и усилие сжатия все более и поболее воспринимают волокна, находящиеся поближе к нетральной оси. В растянутой зоне напротив: в последних волокнах возрастает напряжение, которое обосновано равенством плеча внутренних сил, сопротивляющихся изгибающему моменту.
Скалывание. Скалывание является более неблагоприятным, хрупким нравом разрушения древесной породы и, все же, менее изученным явлением, не доведенным до корректной методики определения предела прочности. Существующая сейчас методика тесты образцов на скалывание, к примеру, не учитывает наличие изгибающего момента от деяния приложенного усилия, вызывающие дополнительные растягивающие напряжения по площадке скалывания.
В реальных конструкциях в опорных зонах, где в большинстве случаев происходит скалывание, имеет место сложное напряженное состояние (различное сочетание касательных и обычных напряжений) неадекватное напряженному состоянию стандартных образцов при испытании. Потому в нормах проектирования расчетные сопротивления на скалывание повдоль волокон даны
применительно к виду конструкции либо узла на основании локальных исследовательских работ. В отличие от других видов напряженного состояния воздействие пороков на скалывание сказывается некординально. Предел прочности равен =6-7 МПа . Разница меж прочностью на скалывание в тангенциальной и круговой плоскостях малозначительна.
Различают два вида скалывания древесной породы: однобокое и промежуточное. В первом случае силы скалывания размещены по одну сторону от площадки скалывания, что приводит к неравномерному рассредотачиванию по ее длине скалывающих напряжений г (рис. 1.9). Процесс скалывания в данном случае обычно сопровождается расщеплением либо отдиранием волокон. Предпосылкой тому служит момент М=Те.
Во 2-м случае площадка скалывания находится в промежутке меж 2-мя действующими на нее силами, в итоге чего напряжения распределяются по длине площадки скалывания более умеренно.
Для инженерных способов расчета нередко употребляют формулу для определения расчета сопротивления на скалывание (рис. 1.9). Как проявили исследования в МИСИ, эта формула имеет припас прочности.
