Деформативность древесины при повышении температуры

Влияние влажности, температуры и времени действия нагрузки на механические свойства древесины и пластмасс.

При повышении влажности древесины от нулевой точки до точки насыщения волокон, ее прочность, в том числе и длительная, уменьшается, деформативность увеличивается и модуль упругости снижается.

Для сравнения прочности древесины необходимо показатели прочности приводить к одной влажности. За стандартную принята влажность 12 %. Приведение к стандартной влажности производят по формуле:

Где: _w – предел прочности при влажности в момент испытания, W – влажность в момент испытания,  — поправочный коэффициент, зависящий от породы древесины и от вида испытания.

Формула приведения действительна в пределах изменения влажности 8-23 %.

Опыты показывают, что предел прочности при любой влажности зависит от температуры, с ее повышением прочность уменьшается, с понижением – увеличивается. При большой влажности и отрицательных температурах влага в древесине превращается в лед, получается так называемая, замороженная древесина, прочность которой значительно возрастает, но она становится очень хрупкой.

Модуль упругости при повышении температуры уменьшается, что увеличивает деформативность древесины.

Предел прочности при данной температуре к прочности при стандартной температуре 20 0 С можно пересчитывать по формуле:

Где: ₂₀ – искомая прочность при 20 0 С, _Т – прочность при данной температуре,  — поправочное число на температуру, принимаемое по таблице.

Данная формула действительна в пределах положительных температур 10-50 0 С.

Механические свойства древесины, являющейся природным полимером, изучаются на основе реологии – науки об изменении свойств веществ во времени под действием тех или иных факторов, в данном случае нагрузок. Известно, что при быстром, кратковременном действии нагрузки древесина сохраняет значительную упругость и подвергается сравнительно малым деформациям. При длительном действии нагрузки деформации во времени существенно увеличиваются.

Влияние влажности, температуры и времени действия нагрузки на механические свойства пластмасс.

Расчетное сопротивление пластмасс R при нормальных температурно-влажностных условиях принимают равным произведению кратковременного расчетного сопротивления R_кр на коэффициент длительного сопротивления k_дл

Расчетные сопротивления материалов, эксплуатируемых в условиях воздействия атмосферной среды, повышенной температуры и влажности, определяют умножением соответствующих расчетных сопротивлений на коэффициенты условий работы

Кратковременные значения модулей деформации E и сдвига G находят из стандартных испытаний, а длительные модули упругости и сдвига – по длительным статическим испытаниям стандартных образцов при уровне напряжений, равном расчетному длительному сопротивлению материала, как отношение напряжения к максимальной относительной деформации образца.

Защита деревянных конструкций от возгорания.

При использовании деревянных конструкций следует соблюдать мероприятия по их защите от возгорания и повышения их огнестойкости.

Огнестойкость – способность строительных элементов и конструкций сохранять несущую способность, а также сопротивляться прогреву до критических температур и распространению огня.

Деревянные конструкции должны быть разделены на части противопожарными перегородками из несгораемых материалов. В поперечном направлении здания противопожарные диафрагмы устанавливают вдоль несущих конструкций с шагом 6 м. Деревянные конструкции не должны иметь сообщающихся полостей с тягой воздуха, по которым может распространиться пожар.

В противопожарном отношении предпочтительнее деревянные конструкции массивного сечения, с закруглениями, имеющие большие пределы огнестойкости, чем дощатые или фанерные.

Опасны в пожарном отношении металлические элементы, закрепленные на древесине, которые нагреваясь, значительно снижают пределы огнестойкости древесины.

К химическим мерам защиты деревянных конструкций от возгорания относится применение пропитки огнезащитными средствами или нанесение огнезащитных красок. Защитные средства, предохраняющие древесину от возгорания, называются антипиренами. Антипирены представляют собой вещества, которые при нагревании способны разлагаться с выделением большого количества негорючих газов, либо, увеличиваясь в объеме, создавать защитный слой, препятствующий возгоранию.

Кислота  древесина (под действием температуры кислота превращается в аммиак, который обугливает древесину) уголь (температура вспышки угля выше, чем у древесины)

Важно заметить, что огнестойкость древесины пропитанной антипиреном, ниже чем у обыкновенной, а предел возгораемости — выше.

Источник

15.Влияние температуры на прочность древесины.

С повышение температуры прочность древесины уменьшается, с понижением увеличивается, что касается модуля упругости, то он понижается при повышении температуры, что в свою очередь увеличивает деформативность деревянных конструкций. Предел прочности при текущей температуре приводят к стандартной температуре равной 20 о С по формуле:

R_T — прочность при данной температуре ( 0 С);

R₂₀ — искомая прочность при температуре = 20 0 С;

β – поправочное число на температуру, в зависимости от вида напряжённого состояния.

β = 3,5 – при сжатии;

β = 4,0 – при растяжении;

β = 4,5 – при изгибе.

Эта формула приведений действительна в пределах от 10 -50 0 С.

Примечание: пересчёт температуры на 20 0 С должен производится после перерасчёта к влажности 12%.

16.Строительная фанера как конструктивный материал.

Строительную фанеру получают на основе древесины. Это слоёный листовой материал, состоящий из нечётного числа слоёв (может быть 3,5,7). Эти слои называют шпонами. Эти шпоны получают лущением прямолинейных отрезков ствола дерева.

Смежные шпоны фермы имеют взаимоперпендикулярное расположение волокон и склеиваются между собой горячим холодным прессованием.

Наружные шпоны фанеры называются рубашками. Фанеру толщиной 15 мм называют фанерной плитой. Из-за перекрёстной структуры фанера обладает меньшей анизотропностью свойств, чем природная древесина. Явление усушки и разбухания фанеры соответствует таковым у древесины вдоль волокон. Т.е. этими явлениями пренебрегают. Фанера имеет высокие прочностные свойства, малую массу (в 4 раза меньше алюминия), низкую тепло и звукопроводность. Повышенную химическую стойкость и водостойкость (когда фанера изготовлена на водостойких клеях), низкий коэффициент линейного расширения. Фанера используется в качестве элементов несущей конструкции, а так же в качестве отделочных материалов.

Влагосодержание фанеры колеблется в пределах от 5 до 10%, а у фанерных плит не превышает 12%. Для изготовления клейфанерных конструкций рекомендуют использовать фанеру марки ФСФ (фанера на смоляном фенолформальдегидном клее), эта фанера обладает повышенной водостойкостью. Для конструкций используемых внутри помещения допускается применять фанеру ФК (фанера карбонильном клее), фанера средней водостойкости. По породе древесины иногда используют фанеру хвойных пород, лиственных пород (березовая фанера [очень дорогая]) и комбинированная фанера. В строительстве так же используют бакелизпрованну (или что-то такое) фанеру (модифицированную), которая выпускается толщиной от 5 до 18 мм, длиной от 1,5 до 7,7 м, шириной от 1,2 до 1,5 м. Эта фанера обладает высокой прочностью и водостойкостью, её часто используют для изготовления многоразовой опалубки.

17.Временное, нормативное и расчётное сопротивление древесины.

Расчётное сопротивление является предельным напряжением в материале реальных элементов отличающихся от стандартных образцов размерами и наличием неизбежных пороков и дефектов в пределах допустимого их содержания. Кроме этого в расчётном сопротивлении отражено влияние длительно действующих нагрузок при условии эксплуатации. Лабораторные испытания большого числа стандартных образцов материала дают значение величин временных сопротивлений. R_вр – предел прочности.

R_вр1, R_{вр2 …} R_врN– предел прочности временного сопротивления соответствующего этим образцам. В законе больших чисел средний квадрат.

Положительное значение квадратного корня называется средним квадратическим отклонением материала от прочности или стандарт δ I = — коэффициент изменчивости, тогда ; α — коэффициент на который следует уменьшать среднеарифметическое значение придела прочности, чтобы получить нормативное сопротивление с вероятностью достаточной до безопасной эксплуатации конструкции.

Опыт эксплуатации деревянных конструкций показывает, что нормативное сопротивление древесины достаточно определить для 95% от всех испытаний. Это требование меньше среднеарифметического с учётом коэффициента изменчивости α = 0,23 – для древесины, α = 2,5 – для древесных пластиков.

R_u –нормативное сопротивление обеспеченностью 95% (только 5% может разрушится при большом напряжении – min вероятное значение).

Нормативное длительное сопротивление это min вероятное значение длительного сопротивления определяется путём испытаний малых чистых (без пороков) стандартных образцов.

Источник

Деформативность древесины

При кратковременных нагрузках в древесине возникают преимущественно упругие деформации, исчезающие после разгрузки; остаточные деформации сравнительно малы.

При кратковременных нагрузках (до определенного предела) наблюдается близкая к линейной зависимость между напряжениями и деформациями, т. е. древесина подчиняется закону Гука. Показателями деформативности древесины служат модули упругости, модули сдвига и коэффициенты поперечной деформации. Для определения модулей упругости при испытаниях необходимо измерять не только нагрузку, но и деформации.

Модули упругости древесины зависят от породы. Вдоль волокон модуль упругости в 20-25 раз выше, чем поперек волокон. В радиальном направлении поперек волокон модуль упругости на 20-50% выше, чем в тангенциальном.

Модули сдвига представляют собой коэффициенты пропорциональности между касательными напряжениями и угловыми деформациями. При растяжении или сжатии стержня его удлинение или укорочение сопровождается соответственно сужением или расширением стержня в поперечном направлении.

Реологические свойства древесины. Основные вещества, слагающие древесину, представляют собой природные полимеры с длинными гибкими цепными молекулами. Поэтому механические свойства древесины, так же как и других полимеров, должны изучаться на базе реологии (от гр. rheos — течение и logos — наука). Реология рассматривает общие законы деформирования материалов под действием нагрузки с учетом фактора времени. При кратковременных нагрузках древесина, как уже отмечалось, обладает свойствами сравнительно жесткого малодеформируемого тела. При увеличении времени действия нагрузок древесина ведет себя как весьма податливое тело, деформации которого довольно велики.

Было установлено, что под действием постоянной нагрузки, кроме упругой деформации, появляющейся в древесине немедленно после приложения нагрузки, с течением времени развиваются эластические деформации и остаточные деформации ползучести. Упругие и эластические деформации составляют обратимую часть общих деформаций. Они исчезают после снятия нагрузки (упругие деформации — сразу, а эластические — по истечении некоторого времени). Деформации ползучести (необратимая часть общих деформаций) сохраняются в древесине после снятия нагрузки при длительной выдержке в среде с постоянной температурой и влажностью.

Реологические показатели, характеризующие закономерности развития упругоэластических деформаций (мгновенный и длительный модули упругости, а также время релаксации), с повышением влажности и температуры древесины уменьшаются, что свидетельствует об увеличении ее податливости.

Гигро- и термомеханические деформации древесины. Увлажнение или нагревание нагруженной древесины приводит к увеличению общей деформации из-за снижения жесткости древесины. При этом образуются так называемые влажностно-силовые или температурно-силовые деформации. При последующей сушке или охлаждении они не исчезают и общая деформация нагруженной древесины сохраняется неизменной. После разгрузки обнаруживаются «замороженные» деформации. Поскольку они обусловлены превращением упругоэластических, т. е. обратимых деформаций, увлажнение или нагревание древесины приводит к их «размораживанию», исчезновению.

Таким образом, «замороженные» деформации образуются вследствие временной перестройки структуры древесины под управляющим воздействием нагрузки в процессе высыхания или охлаждения. Они вызывают эффект деформационной «памяти» древесины на температурно-влажностные воздействия, подробно исследованный в МЛТИ — МГУЛ автором совместно с Э. Б. Щедриной, Г. А. Горбачевой и Н. В. Скуратовым. Древесина «запоминает» также вид нагрузки и соответствующие ему деформации сжатия или растяжения. Нагревание (увлажнение) разгруженного объекта из древесины почти полностью восстанавливает его форму и размеры.

«Замороженные» деформации учитывают при расчете сушильных напряжений. В остаточные деформации после сушки древесины, обозначаемые в мировой литературе как «сет-деформации», кроме «замороженных» деформаций входят также необратимые деформации ползучести.

При многократных циклических изменениях влажности нагруженной древесины жесткость (и прочность) ее снижается, т. е. наблюдается гигроусталость. Это явление было исследовано автором совместно с Н. В. Скуратовым и Л. В. Поповкиной при растяжении ели в тангенциальном направлении поперек волокон. После шести циклов увлажнения-сушки в пределах от 20 до 12 % при напряжениях 1,2 МПа модуль упругости снизился примерно на 30%.

Гигроусталость необходимо учитывать при использовании древесины в строительных конструкциях.

Данные о деформативности древесины поперек волокон, определенные в МЛТИ при реологических испытаниях, используются для расчета сушильных напряжений в пиломатериалах, при обосновании режимов резания древесины и для других целей.

Источник