Деформации возникающие в брусе при растяжении
Главная> БЛОГ о строительстве деревянных домов из сруба> БЛОГ о строительстве деревянных домов из бруса, стр.1> Деформация бруса
11 ноября 2019г.
Виды деформации бруса при высыхании
Деформация бруса при строительстве дома происходит при его неправильном хранении. Причиной искажения горизонтальности бруса, его коробление и кручение служит резкое изменение температурно-влажностного режима, из-за чего возникает внутреннее напряжение в древесине и ее начинает гнуть и скручивать.
На открытом участке, где идет стройка, происходят перепады температур и влажности из-за погоды и осадков, а дерево – гигроскопичный материал.
Гигроскопичность древесины — это способность дерева изменять влажность в зависимости от изменения температурно-влажностного состояния окружающей среды. Таким образом, под влиянием сухости или влажности воздуха, высоких или низких температур брус может разбухать или усыхать, влажность внутри древесины может не соответствовать влажности снаружи, его «распирает» изнутри, из-за чего стройматериал может «повести», что и приводит к различным деформациям.
Брус может изгибаться, вытягиваться, перекручиваться по причине неравномерного распределения влаги в теле древесины и неравномерного усыхания. Существует несколько видов деформации древесины:
кручение,
поперечный и продольный изгиб,
растяжение или сжатие,
сдвиг.
Чаще всего простым обывателем без специальной профессиональной подготовки и соответствующего инструмента замечается два первых вида деформации – кручение и изгиб, потому что они видны и невооруженным глазом. Любая деформация бруса происходит за счет неравномерного натяжения волокон в теле древесины. При изгибе волокна древесины с одной стороны натягиваются, а с другой сжимаются, а при кручении натяжения и сокращения волокон происходят в разных плоскостях деревянного стройматериала.
Признаки изгиба бруса говорят сами за себя – со стороны брус выглядит искривленным разной степени деформации, от легкой неровности до дугообразного вида. Это значит, что в бруске произошло сокращение волокон с одной стороны и растяжение с противоположной.
Это может происходить по разным причинам: например, если одна сторона стройматериала состоит из сердцевины, а другая из оболони. В сосне, например, сердцевина суше, следовательно, она быстрее усыхает и сжимается, а влажная оболонь натягивается под воздействием напряжения.
Иногда изгибы в брусе происходят при неправильном его хранении, когда середина бруска провисает и, таким образом, усыхает, принимая окончательно заданную форму.
Причиной кручения бруса, чаще всего, является разное расположение оболони и ядра в одной плоскости пиломатериала, т.е. когда деталь выпиливалась из бревна не строго горизонтально, а под углом или со смещением в сторону. Тогда волокна древесины в разных ее частях натягиваются и сжимаются не одновременно, а разбросанно, тогда брус и начинает «крутить». Со стороны это напоминает, как будто кто-то пытался свернуть брусок в жгут. Скручивание бывает также слегка заметным или ярко выраженным.
Брус любой степени деформации не поддается исправлению и должен быть отбракован.
Чтобы деревянный стройматериал не подвергался искривлению, его нужно правильно хранить: в штабелях на подложках с расстоянием в 30-50 см. Такой способ хранения пиломатериала называется атмосферная сушка.
При атмосферной сушке древесина должна находиться в тени, под навесом и сквозняке. Если брус хранится на солнце, то одна сторона у него накаляется, усыхает, а вторая медленнее отдает влагу, появляется угроза деформации.
То же происходит, если брус находится долгое время на открытом пространстве без укрытия – одну сторону заливает дождем, она разбухает, а вторая усыхает.
Следует отметить, что накрывать брус сверху пленкой или другим укрывным материалом в целях защиты от дождя надолго не стоит. При отсутствии сквозняка появляется парниковый эффект и образуется благоприятная среда для бактерий и грибков – брус покроется плесенью. Чем теплее в атмосфере, тем быстрее начнет темнеть брус.
Лучше всего не затягивать стройку, когда брус уже привезен и разгружен на участке. Желательно приступать сразу к возведению сруба, не хранить долго брус под открытым небом. За 2-3 недели, пока идет строительство, никакой значительной, угрожающей деформации, с брусом не произойдет.
Когда брус уложен в ряды, «прошит» нагелями, скреплен замками в углах, а сверху «придавлен» крышей, то ему уже не грозит никакое искривление, кручение, сжатие и растягивание. Он будет продолжать усушку в заданном положении и направлении.
В нашей компании «Чухломская усадьба» так, примерно, и происходит. После изготовления брус некоторое время (недолго) может находиться на хранении до погрузки. В это время пиломатериал размещен на подложки в штабели под навесом: проветривается, в дереве уже происходит процесс усушки.
Далее брус отгружается и доставляется на участке заказчика для возведения сруба. Весь пиломатериал снова укладывается в штабели. Только «рабочий» брус подтаскивается максимально близко к месту строительства или поднимается наверх, где будет использован в ближайшие часы или назавтра.
Брусья крепятся на углах, еще большую надежность устойчивости сруба и его равномерному проседанию придают нагели, которые располагаются в древесине через метр в шахматном порядке. Следует отметить, что у нас срубы собираются по традиционным технологиям, т.е. как и в старину, без единого гвоздя, только на деревянные нагели.
Сруб накрывается крышей, которая способствует усадке – под ее тяжестью венцы еще лучше придавливает друг другу, пока брус усыхает. В таком положении – скрепленном по углам, прошитым деревянными нагелями, придавленным сверху крышей, у бруса нет не единого шанса, чтобы иметь возможность к деформации. Стены такого дома из бруса становятся со временем монолитными, без единого зазора между рядами.
Статьи на нашем сайте, которые могут быть полезны и интересны вам:
Строительство деревянных домов из сруба
Какой деревянный дом лучше для постоянного проживания
10 секретов о строительстве домов из бруса, о которых обычно умалчивают профессионалы
Из чего построить деревянный дом?
Стойкость и защита древесины
Эксплуатация дома из бруса
Осторожно: халтурщики! Дом из бруса на гвоздях…
Что лучше: дом под усадку или под ключ?
Домовой в доме
Жизнь в частном доме… Житейская история
Решили строиться с этой компанией, потому что доверяете рекламе на ТВ?
Срок службы дома из бруса
Современные деревянные дома
Эхо войны: неожиданные находки при строительстве деревянного дома
Источник
В машиностроении, строительстве и архитектуре при расчетах прочности и жесткости материалов используется математический аппарат технической механики. Деформация растяжения – одно из ключевых понятий, характеризующее механические процессы, происходящие в материалах при приложении к ним внешних воздействий. Для наглядности изучаются изменения, происходящие в брусе с постоянным сечением, характерные для упругой деформации при приложении внешних усилий.
Закон Гука (английский физик Р. Гук, 1653-1703) для упругой деформации растяжения/сжатия гласит, что нормальное напряжение находится в линейной зависимости (прямо пропорционально) к относительному удлинению/укорочению. Математический аппарат технической механики описывает эту формулу следующим образом:
Коэффициент пропорциональности E (модуль упругости, модуль Юнга) – величина определяющая жесткость материала, единица измерения – паскаль (ПА).
Его значения были установлены эмпирическим путем для большинства конструкционных материалов, необходимую информацию можно почерпнуть в справочниках по машиностроению. Относительная деформация является отношением изменения длины бруса к его изначальным размерам, это безразмерная величина, которая иногда отражается в процентном соотношении.
При растяжении или сжатии у бруса меняется не только длина, но происходят поперечные деформации: при сжатии образуется утолщение, при растяжении толщина сечения становится меньше. Величины этих изменений находятся в линейной зависимости друг от друга, причем установлено, что коэффициент пропорциональности Пуассона (фр. ученый С. Пуассон, 1781-1840) остается всегда неизменным для исследуемого материала.
Внутренние усилия при растяжении и сжатии
При приложении к брусу с постоянным сечением внешних воздействий, действие которых в любом поперечном разрезе направлено параллельно его центральной оси и перпендикулярно сечению, с ним происходит следующий вид деформации: растяжение или сжатие. На основе гипотезы о принципе независимости внешнего воздействия для каждого из поперечных разрезов можно рассчитать внутреннее усилие как векторную сумму всех приложенных внешних воздействий. Растягивающие нагрузки в сопромате принято считать положительными, а сжимающие отрицательными.
Рассмотрев произвольный разрез бруса или стержня, можно сказать что внутренние напряжения равны векторной сумме всех внешних сил, сгруппированных по одной из его сторон. Это верно только с учетом принципа Сен-Венана (фр. инженер А. Сен-Венан, 1797-1886) о смягчении граничных условий, т.к. распределение внутренних усилий по поверхности разреза носит сложный характер с нелинейными зависимостями, но в данном случае значением погрешности можно пренебречь как несущественным.
Применяя гипотезу Бернулли (швейцарский математик, И. Бернулли, 1667-1748) о плоских сечениях, для более наглядного представления процессов распределения сил и напряжений по центральной оси бруса можно построить эпюры. Визуальное представление более информативно и в некоторых случаях позволяет получить необходимые величины без сложных расчетов. Графическое представление отражает наиболее нагруженные участки стержня, инженер может сразу определить проблемные места и ограничиться расчетами только для критических точек.
Все вышесказанное может быть применимо при квазистатической (система может быть описана статически) нагрузке стержня с постоянным диаметром. Потенциальная энергия системы на примере растяжения стержня определяется по формуле:
U=W=FΔl/2=N²l/(2EA)
Потенциальная энергия растяжения U концентрируется в образце и может быть приравнена к выполнению работы W (незначительное выделение тепловой энергии можно отнести к погрешности), которая была произведена силой F для увеличения длины стержня на значение абсолютного удлинения. Преобразуя формулу, получаем, что вычислить значение величины потенциальной энергии растяжения можно, рассчитав отношение квадрата продольной силы N помноженной на длину стержня l и удвоенного произведения модуля Юнга E материала на величину сечения A.
Как видно из формулы, энергия растяжения всегда носит положительное значение, для нее невозможно применить гипотезу о независимости действия сил, т.к. это не векторная величина. Единица измерения – джоуль (Дж). В нижней части формулы стоит произведение EA – это так называемая жесткость сечения, при неизменном модуле Юнга она растет только за счет увеличения площади. Величина отношения жесткости к длине бруса рассматривается как жесткость бруса целиком.
Напряжения при растяжении сжатии
Используя гипотезу Бернулли для продольной упругой деформации стержня, можно определить продольную силу N как равнодействующую всех рассредоточенных по сечению внутренних усилий. Гипотеза Бернулли совместно с гипотезой о ненадавливании волокон позволяет сказать, что σ в произвольной точке разреза будут постоянны, т.к. реакция продольных волокон одинакова на всем поперечном разрезе. Для определения величины нормального напряжения σ используется следующая формула:
Напряжение для упруго деформированного стержня описывается как отношение внутренней силы N к площади сечения A. Считается положительным при растяжении, при сжатии рассматривается как отрицательное.
Абсолютная деформация зависит от жесткости сечения, величины продольной силы и длины бруса. Зависимость можно описать по следующей формуле:
Δl=Nl/EA
Таким образом, методика расчета величины абсолютного изменения длины такова: необходимо просчитать отношение значения продольной силы N умноженной на длину стержня l и жесткости сечения (произведение модуля Юнга E на площадь сечения A).
В реальных расчетах на брус действует достаточно много разнонаправленных сил, для решения таких задач требуется построение эпюр, которые могут наглядно показать какие напряжения действуют на разных участках, чем обусловлена деформация при растяжении и сжатии.
В рамках такой квазистатической (условно статической) системы, как брус или стержень с переменным сечением или отверстием, потенциальная энергия растяжения может быть рассмотрена как сумма энергий однородных участков. При проведении расчетов важно правильно разделить стержень на участки и смоделировать все участвующие в процессе силы и напряжения. Для реальных расчетов построение эпюр – сложная задача, которая требует от инженера хорошего понимания действующих на деталь нагрузок. Например, вал со шкивами разного диаметра требует сначала определения критических точек и разбивки на соответствующие участки, затем построения графиков по ним.
Деформации при растяжении сжатии
При растяжении/сжатии бруса могут возникать 2 вида деформации. Первый – упругая, второй – пластическая. Для упругой деформации характерно восстановление первоначальных параметров после прекращения воздействия. В случае пластической стадии деформации материала он утрачивает и не восстанавливает форму и размеры. Величина воздействия для перехода одного вида в другой называется пределом текучести.
Для расчета перемещения при растяжении бруса или стержня следует использовать метод разделения на участки, в рамках которых осуществляется приложение внешних воздействий. В точках воздействия силы следует вычислить величину изменения длины, используя формулу: Δl=Nl/EA. Как видно она зависит от жесткости сечения, длины бруса или стержня и величины действующей продольной силы. Итоговым перемещением для бруса целиком будет сумма всех частичных перемещений, рассчитанных для точек приложения силы.
Поперечные деформации бруса (становится более толстым при сжатии и тонким при растяжении) также характеризуются абсолютной и относительной величиной деформации. Первая – разность между размером сечения после и до приложения внешних воздействий, вторая – отношение абсолютной деформации к его исходному размеру. Коэффициент Пуассона, отражающий линейную зависимость продольной и поперечной деформаций, определяет упругие качества материалов и считается неизменным для растяжения и сжатия. Продольные наиболее наглядно отражают процессы, происходящие в брусе или стержне при внешнем воздействии. Зная величину любой из них (продольной или поперечной) и используя коэффициент Пуассона, можно рассчитать значение неизвестной.
Для определения величины деформации пружины при растяжении можно применить закон Гука для пружин:
F=kx
В данном случае х – увеличение длины пружины, k – коэффициент жесткости (единица измерения Н/м), F – сила упругости, направленная в противоположную от смещения сторону. Величина абсолютной деформации будет равна отношению силы упругости к коэффициенту жесткости. Коэффициент жесткости определяет упругие свойства материала, используемого для изготовления, может быть использован для выбора материала изготовления в условиях решения конкретной задачи.
Расчеты на прочность и жесткость
Прочность характеризует способность конструкционного материала сопротивляться внешним воздействиям без разрушений и остаточных изменений. Жесткость находится в линейной зависимости от модуля Юнга и размера сечения. Чем больше площадь, модуль упругости не меняется, тем больше жесткость. В общем случае жесткость подразумевает способность деформироваться без значительных изменений. Коэффициент запаса прочности – безразмерная величина, равная отношению предельного напряжения к допустимому. Запас прочности характеризует штатный режим работы конструкции даже с учетом случайных и не предусмотренных нагрузок. Наименьшим запасом прочности обладают пластические (1.2-2.5) и хрупкие (2-5) материалы.
Применение в расчетах этих коэффициентов позволяет, например, рассчитать опасную толщину для стержня, при которой может возникнуть максимальное нормальное напряжение. Используя коэффициент прочности и возможное предельное напряжение возможно произвести расчет необходимого диаметра вала, который гарантированно обеспечит упругую деформацию и не приведет к пластической. Для инженеров-экономистов важны расчеты наименьших безопасных размеров деталей конструкции по заданным нагрузкам.
Большинство практических расчетов на прочность и жесткость производятся для получения минимальных значений геометрических размеров конструкционных элементов и деталей машин в условиях известных внешних воздействий и необходимого и достаточного запаса прочности. Может решаться обратная задача получения значений предельных нагрузок при условии сохранения геометрических размеров и для конкретного материала.
Сложные конструкции могут быть разделены на элементарные части, для которых будут производиться расчеты, затем полученные результаты интерпретируются в рамках всей системы, для этого удобно строить эпюры распределения внешних воздействий и внутренних напряжений статически определенной системы.
С помощью известной жесткости материала делают расчеты максимально возможной длины балки или стержня (вала) при условии неизменности его сечения. Для ступенчатых валов необходимо строить эпюры воздействия внешних сил и возникающих в точках их приложения внутренних напряжений в критических точках. От правильно построенной теоретической модели будет зависеть насколько эффективно и долго прослужит вал для станка, не разрушится ли он от динамических крутящих моментов. На этапе проектирования можно выявить потенциальные слабые точки и рассчитать необходимые параметры для заданного предела прочности.
С расчетами на прочность связаны такие понятия, как срез и смятие. Срез проявляется в виде разрушения детали соединения в условиях возникновения в ее поперечном сечении перпендикулярной к нему и достаточной силы.
При расчетах соединений используют пределы текучести используемых материалов и коэффициенты запаса прочности, вычисляют максимально возможные напряжения.
Исследования на прочность обычно подразумевают решение нескольких задач: в условиях проведения поверочного расчета на проверку прочности при известных усилиях и площади сечения оценивают фактический коэффициент запаса прочности; подбор оптимального диаметра при заданных нагрузках и допустимом напряжении; вычисляют грузоподъемность или несущую способность с помощью определения внутреннего усилия при известной площади сечения и напряжении.
Прочностные расчеты при разных видах воздействий в рамках условно статических систем сложны, требуют учета многих, иногда не очевидных, факторов, их практическая ценность заключается в вычислении допустимых размеров конструкционных материалов для заданных параметров запаса прочности.
Источник