Строительство и архитектура / 4. Современные строительные материалы

Морозова В. А., к. т. н. Майдан Д. А.

Самарский государственный технический университет, Россия

Исследование механических свойств
строительных круглых лесоматериалов

Круглые лесоматериалы (брёвна) — широко распространенные в строительстве материалы. Широкое распространение круглых лесоматериалов обусловлено положительными механическими свойствами древесины. К наиболее часто рассматриваемым механическим свойствам древесины относят: твердость, прочность при сжатии вдоль волокон и условный предел прочности при смятии поперек волокон.

Твердость характеризует сопротивление, которое оказывает древесина проникновению в неё других тел. Твердость древесины разных пород деревьев и даже деревьев одного и того же вида разная. Твердость древесины зависит от многих условий: породы дерева, его влажности, строения древесины. Неоднородность строения древесины является причиной разной твердости в разных точках древесины одного и того же дерева. Чем дальше от ядра (или центра дерева), тем твердость древесины меньше. Наиболее распространенным методом определения твердости древесины является метод Бринелля — вдавливания шарика. Сущность данного метода состоит в определении величины нагрузки при внедрении пуансона в древесину на заданную глубину и вычислении твердости, как отношения величины нагрузки к площади отпечатка. Образцы должны иметь форму прямоугольной призмы сечением 50×50 мм, длина вдоль волокон не менее 50 мм. В качестве породы образца была выбрана сосна. Количество образцов — четыре. Статическую твердость определяют на поверхностях радиального, поперечного и тангенциального разрезов древесины. Образец помещаем в приспособление на металлическую подставку, таким образом, чтобы пуансон был вдавлен на пересечении диагоналей по граням образца на глубину 5,64 (мм). Постоянная скорость при нагружении головки машины должна быть такой, чтобы необходимая глубина вдавливания пуансона была достигнута не менее чем через 1 минуту и не более чем 2 минуты после начала нагружения. На машине было 2 индикатора, по одному индикатору мы замеряли силу, которую необходимо применить для вдавливания пуансона в образец, по другому индикатору фиксировали количество циклов, которые проходили, пока образец «не дошел» до нужной глубины. Эти циклы показывали радиус вдавливания. Далее рассчитываем, по полученным данным статическую твердость сосны. Твердость составила 24 Н/мм². По твердости сосну можно отнести к мягким породам, так как ее твердость ниже 40 Н/мм².

Для проведения испытания определения предела прочности при сжатии вдоль волокон, требуются: испытательная машина и штангенциркуль. Образцы должны быть в форме прямоугольной призмы основанием 20×20 мм и длиной вдоль волокон 30 мм. Количество образцов — четыре, порода — сосна. Перед проведением испытания, с помощью штангенциркуля производим замеры образцов. Далее, помещаем образец в приспособление для испытания на сжатие. Нагрузку на образец передают через пуансон. Образец нагружают равномерно с постоянной скоростью нагружения или постоянной скоростью перемещения нагружающей головки машины. Скорость должна быть такой, чтобы образец разрушился через (1,0 ± 0,5) мин после начала нагружения. Суть данного опыта заключалась в наблюдении за двумя индикаторами. Первый индикатор показывал нагрузку (силу) при которой происходил «сброс» нагрузки, второй индикатор показывал время, которое требовалось на данный процесс. Одновременно машина графически рисовала диаграмму зависимости нагрузки от времени. По полученным данным, рассчитали предел прочности при сжатии вдоль волокон для образцов сосны, получили 34,4 МПа. Предел прочности при сжатии вдоль волокон наименее изменчив по сравнению с показателями других свойств древесины. В конструкциях и изделиях древесина очень часто работает на сжатие вдоль волокон, что объясняется ее высокой прочностью при данном виде воздействия и удобством их приложения. При сжатии дерева вдоль волокон, образцы претерпевали небольшие остаточные деформации, образовались поперечные складки и продольные трещины, смятие торцов, образовались две встречные косые складки, образующие клиновидный участок, под которым видна трещина от продольного раскола. Разрушение возникает вследствие сдвига одной части образца относительно другой.

Для определения предела прочности при испытании на местное смятие поперек волокон, должны применяться следующие аппаратура и материалы: испытательная машина, штангенциркуль, приспособление к испытательной машине со съемным пуансоном и индикатором. Образцы изготовляют в форме прямоугольной призмы с основанием 20×20 мм и длиной вдоль волокон 60 мм. Количество образцов — три, порода — сосна. Если годичные слои имеют ширину более 4 мм, размеры поперечного сечения должны быть увеличены так, чтобы образец включал не менее 5 слоев. Далее образец помещают в машину тангенциальной или радиальной поверхностью кверху и нагружают через пуансон, сверху кладется металлический «пресс», он должен располагаться строго на середине образца. Постоянная скорость нагружения или постоянная скорость перемещения нагружающей головки машины должна быть такой, чтобы условный предел прочности был достигнут через (1,5 ± 0,5) мин после начала нагружения. Через каждые 200 Н для мягких пород, измеряем с погрешностью не более 0,01 мм деформацию образца. Испытание продолжали до превышения условного предела прочности, что должно было характеризоваться резким увеличением деформации. Далее рассчитали предел прочности при местном смятии поперек волокон 65 МПа. При местном смятии, воздействие происходит не на всю поверхность детали (образца), а лишь на ее часть. Предел прочности на местное смятие из-за дополнительного сопротивления волокон изгибу оказывается несколько выше, чем при простом сжатии. В результате местного смятия, образцы по краям растрескались, откололись.

Древесина сосны наиболее часто используется именно при строительстве домов, из-за хороших механических показателей твердости, предела прочности при сжатии вдоль волокон и местном смятии.