Работа древесины при растяжении сжатии и изгибе

· Растяжение

Для испытаний используются стандартные образцы с размером поперечного сечения в рабочей зоне 20х4 мм. Древ. обладает высокой прочностью на растяжение вдоль волокон (для сосны и ели предел прочности 100 МПа). При растяжении древесина ведет себя как хрупкий материал => наличие местных дефектов существенно снижет ее прочность. Значение имеет величина дефекта, и его расположение. Опасно наличие сучков или косослоя, выходящих на кромку элемента (если сучок занимает ¼ доски, находится в середине, то сохраняется 35% прочности, а если сучок находится вблизи кромки, остается 27% прочности. Характер разрушения – защемистый разрыв.

R крупных образцов из-за большей неоднородности строения меньше, чем у мелких.

R растяжение поперек волокон = 2 – 2,5% от R вдоль волокон => стремятся исключить работу древесины на растяжение поперек волокон.

Диаграмма напряжений для древесины имеет криволинейный характер, => предел пропорциональности (точка, где кончается прямолинейная часть диаграммы) этого материала вообще отсутствует. Для удобства расчетов вводят понятие условного предела пропорциональности. При растяжении и сжатии его принимают равным половине предела прочности.

· Сжатие

Стандартные образцы параллелепипед 20х20х30 мм. При работе древесины на сжатие вдоль волокон ее прочность в 2-2,5 раза ниже аналогичной прочности на растяжение. Для хвойных пород предел прочности 40 МПа.

При сжатии древесина ведет себя как пластичный материал. => влияние местных пороков сказывается меньше, чем при растяжении. Наличие сучков, занимающих 1/3 ширины элемента, снижают его прочность на 30-40%.

работа древесины на сжатие вдоль волокон является более надежной, чем при растяжении, => широкое применение металлодеревянных конструкций, где основные растянутые элементы их стали. Сжатие древесины поперек волокон аналогично ее смятию по всей поверхности.

Характерным признаком начала разрушения образца при сжатии является возникновение складки, образующейся в результате потери устойчивости волокон

· Изгиб

При работе древесины на изгиб наблюдается и растяжение, и сжатие волокон, и межслойный сдвиг.

Предел прочности древесины при изгибе — промежуточное значение между пределом прочности при растяжении и сжатии. для древесины сосны равен 75 МПа

Влияние пороков (сучков и косослоя) значительно, особенно при расположении в растянутой зоне. Если сучек занимает 1/3 пласти элемента, в наиб. опасной части (у кромки в растянутой зоне) R снижается на 50-55%. В бревнах пороки сказываются меньше, чем в пиломатериалах (падает всего на 20-25%). Т.к. в бревнах отсутствуют выходы на кромку перерезанных при распиловке волокон.

Закон распределения нормальных напряжений при изгибе в расчетах обычно принимается линейным, определяется по обычной формуле(=M/W), т.к. максимальные напряжения не превышают ¼ от временного сопротивления. НО при приближении нагрузки к предельному значению и ↑ кривизны, эпюра напряжений становитсянелинейной (в сжатой зоне максимально напряженные волокна смещены от кромки к центру зоны). Это объясняется поддерживающим влиянием волокон (волокна в древесине находятся в упруго-пластичной среде, поэтому при возникновении в крайних волокнах критических напряжений они не разрушаются, а просто перестают воспринимать дополнительную нагрузку). => устойчивость внутренних удаленных от кромки волокон выше =>воспринимают большую критическую нагрузку.

Предел прочности при изгибе зависит от формы поперечного сечения. При одинаковом моменте прочности предел круглого сечения > прямоугольного, а у двутаврового < прямоугольного. С ↑ высоты сечения предел прочности ↓

Разрушение изгибаемых элементов начинается в результате:

либо образования складки в сжатой зоне,

либо разрыва растянутых волокон,

либо от скалывания.

Можно выделить 3 стадии работы древесного элемента при поперечном изгибе:

1) h1=h2, δ-<δ+ — здесь определение краевого напряжения древесины при изгибе по формуле Навье δ=M/W соответствует линейному распределению напряжений по высоте сечения и это действительно в пределах небольших напряжений.

2) h1>h2, δ+>δ- — на второй стадии при дальнейшем росте нагрузки и увеличении кривизны эпюры, эпюра сжимающих напряжений примет криволинейный характер, а нейтральная ось сдвинется в сторону растянутой кромки сечения, при этом фактическое краевое напряжение сжатия меньше, а напряжение растяжений больше величины по формуле.

3) h1>>h2, δ+>>δ- В третьей стадии проходит разрушение деревянного элемента. В стадии разрушения сначала в сжатой зоне происходит разрыв наружных волокон. Волокна древесины сжатой зоны теряют устойчивость.

Дата добавления: 2016-11-18; просмотров: 2010 | Нарушение авторских прав | Изречения для студентов

Читайте также:

Рекомендуемый контект:

Поиск на сайте:

© 2015-2020 lektsii.org — Контакты — Последнее добавление

Работа древесины на растяжение, сжатие и поперечный изгиб.

Предел прочности древесины при растяжении вдоль волокон в стандартных чистых образцах высок для сосны и ели, он в среднем равен 100 МПа. Модуль упругости Е0=110000-120000 кг/см2. Наличие сучков и косослоев значительно снижает сопротивление древесины растяжению. При разрыве поперёк волокон предел прочности в 12 – 17 раз меньше, чем вдоль волокон. Это связано с анизотропностью древесины. Испытание стандартных образцов на смятие вдоль волокон дают значение предела прочности в 2-2.5 раза меньше, чем при растяжении. Для сосны и ели при влажности 12% — предел придел прочности на сжатие в среднем составляет 40МПа, а модуль упругости вдоль волокон примерно такой же, как при растяжении. На работу древесины при сжатии пороки оказывают значительно меньшее влияние, чем при растяжении. Работа сжатых элементов конструкции более надёжна, чем растянутых. Поэтому широкое применение получили металлодеревянные конструкции, имеющие растянутые элементы из стали (нижние пояса ферм, растянутые раскосы) и сжатые, сжатые изгибаемые элементы из древесины. Предел прочности древесины при поперечном изгибе занимает промежуточное положение между прочностью нам растяжение и сжатие, в среднем он составляет 75Мпа (при влажности 12%). Что касается модуля упругости, то он примерно такой же, как при сжатии, так и при растяжении. Здесь влияние сучков и косослоев значительно, поскольку при изгибе имеется растянутая зона. Влияние пороков в брёвнах при работе на изгиб меньше, чем в пиломатериалах, поскольку в брёвнах отсутствует выход на кромку перерезанных при распиловке волокон, а так же нет отщеплений волокон в их присучковом косослое. Можно выделить 3 стадии работы древесного элемента при поперечном изгибе:

1) h1=h2, δ-<δ+ — здесь определение краевого напряжения древесины при изгибе по формуле Навье δ=M/W соответствует линейному распределению напряжений по высоте сечения и это действительно в пределах небольших напряжений.

2) h1>h2, δ+>δ- — на второй стадии при дальнейшем росте нагрузки и увеличении кривизны эпюры, эпюра сжимающих напряжений примет криволинейный характер, а нейтральная ось сдвинется в сторону растянутой кромки сечения, при этом фактическое краевое напряжение сжатия меньше, а напряжение растяжений больше величины по формуле.

3) h1>>h2, δ+>>δ- В третьей стадии проходит разрушение деревянного элемента. В стадии разрушения сначала в сжатой зоне происходит разрыв наружных волокон. Волокна древесины сжатой зоны теряют устойчивость.

В древесине различают смятие вдоль волокон, поперёк волокон и под углом к ним. Прочность древесины на смятие вдоль волокон мало отличается от прочности на сжатие вдоль волокон и современные нормы не делают между ними различий. Смятию древесины поперёк волокон древесина сопротивляется слабо. Это связано со строением древесины, из-за трубчатого строения смятие древесины поперёк волокон характеризуется значительными деформациями. После сплющивания и разрушения стенок клеток происходит уплотнение древесины. Уменьшение деформации и соответственно сопротивления сжимаемого образца увеличивается. О работе на смятие поперёк волокон древесины главным образом судят по значению допустимых в эксплуатации деформаций. Здесь велико значение фактора времени. Предельным здесь является напряжение при условном пределе пропорциональности. Этот придел минимален при смятии по всей поверхности, максимален при смятии на части длины и ширены. Среднее значение предела пропорциональности соответствует смятию на части длины. Это связано с поддержкой сжимаемой площадки соседними незагруженными участками. Т.е. сопротивление тем выше, чем уже сжимающий штамп.

Что касается работы древесины на смятие под углом к волокнам, то её сопротивление при этом возрастает с уменьшением угла. Это можно показать на диаграмме. Из диаграммы видно, что максимальное сопротивление древесина имеет при смятии вдоль волокон (при 0о). Сопротивление древесины на смятие под углом к волокнам определяют по формуле:

Термин «скалывание» древесины означает разрушение материала в результате сдвига одной части материала относительно другой (той же самый срез)

Термин «раскалывание» древесины означает разрушение материала от действия растягивающих усилий, направленных перпендикулярно волокнам древесины.

Стандартный образец для определения временного сопротивления (предела прочности древесины при растяжении вдоль волокон).

Предел прочности древесины про растяжении вдоль волокон в стандартных образцах (влажность 12%) высок: для сосны и ели 100 МПа.

Модуль упругости 11-14 ГПа. Наличие сучков и косослоя значительно снижает сопротивление растяжения. Опасны сучки на кромках (при размере сучка ширины – предел прочности составляет 27% предела прочности стандартных образцов). При ослаблении отверстиями и врезкой прочность снижается больше чем при расчете по Fнт. При разрыве поперек волокон вследствие анизотропности строения древесин предел прочности в 12-17 раз меньше, чем при растяжении вдоль волокон (большое влияние косослоя, усилие направлено под углом к волокнам).

Диаграмма работы сосны на растяжение.

При испытании на сжатие вдоль волокон предел прочности в 2-2,5 разаменьше чем при растяжении. Для сосны и ели при влажности 12% σвр=40 МПа, а модуль упругости такой же, как при растяжении. При наличии сучков ширины элемента прочность при сжатии 60 – 70 %. Кроме того, в ДК размеры сжатых элементов назначаются из работы на продольный изгиб, т. е. при пониженном направлении, а не из расчета на прочность. Поэтому работа сжатых элементов более надежна, чем растянутых. Эти объясняет применение металлодеревянных конструкций. Растянутые элементы –м/к, сжатые ДК.

При поперечном изгибе значение предела прочности занимает промежуточное положение между прочностью на сжатие и растяжение σвр=75 МПа, модуль упругости тот же. Поскольку при изгибе есть растянутая зона влияние сучков и косослоя значительно.

Опыты и теоретические исследования показывают, что условный предел прочности при изгибе зависит от формы поперечного сечения

Фактическое краевое напряжение сжатия меньше, а напряжение растяжения больше вычисленных по формуле

С увеличением высоты сечения предел прочности снижается.

Все эти факторы учитываются в расчете введения коэффициента к расчетному сопротивлении.

Стандартный образец для определения σвр при изгибе

Работа древесины на смятие, скалывание и раскалывание.

Различают смятие вдоль волокон, поперек и под углом. Существующие нормы не делают различия между сжатием вдоль волокон смятием вдоль волокон. Смятию поперек волокон древесина сопротивляется слабо. Смятие поперек волокон характеризуется в соответствии с трубчатой формой волокон значительными деформациями сминаемого элемента. После сплющивания и разрушения стенок клеток происходит уплотнение древесины, уменьшение деформаций и рост сопротивления сминаемого образца.

В отличие от ранее рассматриваемых случаев судить о работе древесины на смятие поперек волокон приходится главным образом по значению допустимых в эксплуатации (с учетом фактора времени) деформаций.

За нормируемый предел принимают напряжение при некотором условном пределе пропорциональности. Этот предел имеет наименьшее значение при смятии по всей поверхности, среднее значение при смятии на части длины и максимальное при смятии на части длины и ширины.

При смятии под углом значение σпр возрастает с уменьшением угла.

Скалывание

Может происходить в плоскости, параллельной волокнам, в направлении вдоль волокон, поперек волокон и под углом к ним.

Предел прочности σск вдоль волокон 6-7 МПа. Сопротивление скалыванию поперек волокон и под углом к волокнам меньше, чем вдоль волокон. Как показывают исследования скалывающие напряжения распределяются по длине площадки скалывания неравномерно. Средний предел прочности уменьшается с увеличением длины площадки скалывания и зависит от отношения длины lск к плечу ℮ приложенных скалывающих сил, а также наличия приложения сил Q препятствующих раскалыванию.

Предел прочности древесины при растяжении вдоль волокон в стандартных чистых образцах (влажностью 12%) высок — для сосны и ели он в среднем 100 МПа. Модуль упругости 11-14 ГПа. Наличие сучков и присучкового косослоя значительно снижает сопротивление растяжению. Особенно опасны сучки на кромках с вы­ходом на ребро. Опыты показывают, что при размере сучков ¼ стороны элемента предел прочности составля­ет всего 0,27 предела прочности стандартных образцов

При ослаблении деревянных элементов отверстиями и врезками их прочность снижается больше, чем получа­ется при расчете по площади нетто. Здесь сказывается отрицательное влияние концентрации напряжений у мест ослаблений. Опыты показывают также, что прочность при растяжении зависит от размера образца; прочность крупных образцов в результате большей неоднородности их строения меньше, чем мелких.

При разрыве поперек волокон вследствие анизотроп­ности строения древесины предел прочности в 12— 17 раз меньше, чем при растяжении вдоль волокон. Следствием этого является большое влияние косослоя, при котором направление усилия не совпадает с направ­лением волокон. Чем значительнее косослой, тем боль­ше составляющая усилия, перпендикулярная волокнам, и тем меньше прочность элемента. Косослой — второй по значимости порок,» величина которого в растянутых эле­ментах должна строго ограничиваться.

Испытания стандартных образцов на сжатие вдоль волокон дают значения предела прочности в 2—2,5 раза меньшие, чем при растяжении. Для сосны и ели при влажности 12% предел прочности на сжатие в среднем 40 МПа, а модуль упругости примерно такой же, как при растяжении. Влияние пороков (сучков) меньше, чем при растяжении. При размере сучков, составляющих ‘/з сто­роны сжатого элемента, прочность при сжатии будет 0,6—0,7 прочности элемента тех же размеров, но без суч­ков. Кроме того, в деревянных конструкциях размеры сжатых элементов обычно назначаются из расчёта на продольный изгиб, т. е. при пониженном напряжении, а не из расчета на прочность. Благодаря указанным осо­бенностям работа сжатых элементов в конструкциях бо­лее надежна, чем растянутых. Приведенная диаграмма сжатия (см. рис. 1.11) при oi>0,5 более криволинейна, чем при растяжении. При меньших значениях <ф криволинейность ее невелика и она может быть принята прямолинейной до условного преде­ла пропорциональности, равного 0,5. Разрушение сопро­вождается появлением характерной складки (рис. 1.12), образуемой местным изломом волокон.

При поперечном изгибе значение предела прочности занимает промежуточное положение между прочностью на сжатие и растяжение. Для стандартных образцов из сосны и ели при влажности 12 % предел прочности при изгибе в среднем 75 МПа. Модуль упругости примерно такой же, как при сжатии и растяжении. Поскольку при изгибе имеется растянутая зона, то влияние сучков и ко­сослоя значительно. При размере сучков в 7з стороны сечения элемента предел прочности составляет 0,5—0,45 прочности бессучковых образцов. В брусьях и особенно в бревнах это отношение выше и доходит до 0,6—0,8. Влияние пороков в бревнах при работе на изгиб вообще меньше, чем в пиломатериалах, так как в бревнах отсут­ствует наблюдаемый в пиломатериалах выход на кром­ку перерезанных при распиловке волокон и отщепление их в присучковом косослое при изгибе элемента.

Определение краевого напряжения при нзгибе по обычной формуле a=M/W соответствует линейному рас­пределению напряжений по высоте сечения и действительно в пределах небольших напряжений (рис. 1.13). При дальнейшем росте нагрузки и увеличении кривизны эпюра сжимающих напряжений в соответствии с диаг­раммой работы на сжатие (рис. 1.11, кривая б) прини­мает криволинейный характер (рис. 1.13,6, в). Одновре­менно нейтральная ось сдвигается в сторону растянутой кромки сечения. При этом фактическое краевое напряже­ние сжатия меньше, а напряжение растяжения больше вычисленных по формуле.

Определение предела прочности по формуле a=M/W удобно для сравнительной оценки прочности различной древесины. В стадии разрушения сначала в сжатой зоне образуется складка, затем в растянутой зоне происходит разрыв наружных волокон. Разрушение клеток в сжатой и растянутой зонах аналогично разрушению при осевом сжатии и растяжении.

Опыты и теоретические исследования показывают, что условный предел прочности при изгибе зависит от формы поперечного сечения. При одном и том же момен­те сопротивления у круглого сечения он больше, чем у прямоугольного, а у двутаврового сечения меньше, чем у прямоугольного. С увеличением высоты сечения предел прочности снижается. Все эти факторы учитываются в расчете введением соответствующих коэффициентов: к расчетным сопротивлениям.

Скалывание древесины всегда происходит в плоскости параллельной волокнам, скалывающая сила может быть направлена вдоль волокон, поперек и под углом к ним. Прочность древесины наибольшая, когда скалывающая сила приложена вдоль волокон. Сопротивление скалыванию в зависимости от угла (между направлением силы и направлением волокон) описывается той же формулой что и при смятии. .

Скалывание в узловых соединениях всегда происходит с эксцентриситетом пары сил Т. При одностороннем скалывании эпюра τ имеет наименьшую полноту. При промежуточном скалывании, коэф полноты эпюры значительно выше, соответственно прочность выше.

Среднее сопротивление скалыванию при одностороннем приложении пары сил Т вычисляются по эмперической формуле: .

— сопротивление для максимального напряжения τmax вычисленное по результатам испытаний стандартных образцов. β – эмперический коэф = 0,25 при одностороннем приложении нагрузки.

Разрушение при скалывании имеет хрупкий характер. Для предотвращения аварий в наиболее ответственных узлах в сквозных конструкциях, на врубках обязательно

проектируют аварийные связи (болты).

36. Пневмокаркасные конструкции.

Среди преимуществ пневматических конструкций следует отметить малый собственный вес, высокую мобиль­ность, быстроту и простоту возведения, возможность перекрытия больших пролетов, высокую степень заводской готовности и др. Пневматические строительные конструкции в зависимости от характера работы обычно разделяются на две самостоятельные группы — пневмокаркасные (надувные) и воздухоопорные. Пневмокаркасные конструкции — это надувные стержни или панели, несущая способность которых (сопротивление сжатию, изгибу, кручению) обеспечивается повышенным давлением воз­духа в замкнутом объеме элемента. Большое внутреннее давление воздуха (до 150 кПа) требует высокой степени герметичности и прочности материала. Это же условие ограничивает пролет конструкций, который с учетом эко­номической целесообразности для рядовых сооружений не превышает 15—16 м. Стоимость пневмокаркасных конструкций в 3—5 раза выше, чем воздухоопорных. Основным достоинством пневмокаркасных конструк­ций является отсутствие избыточного давления воздуха в эксплуатируемом пространстве и, как следствие этого, потребности в процессе шлюзования.

Варианты крепления пневмокаркасной конструкции к грунту:
— с помощью анкеров в грунт, к которым через узлы крепления и спомощью металических карабинов крепится, данное изделие;
— с помощью песконасыпных емкостей, распологаемых в донной части надувных арок, к которым крепится через узлы крепления здание;
— с помощью водоналивного балона располагаемого по периметру здания.

— с помощью анкерных болтов с креплением к бетонному основанию (ж/б плита).

Пневмокаркасные конструкции состоят из ряда несущих надувных элементов. Пневмоэлементы представляют собой герметически зарытые баллоны, чаще всего трубчатой формы диаметром до 60-70 см.

Пневмокаркасные конструкции применяются в виде пневмобалок, пневмостоек, пневмоарок, пневмокуполов и других конструкций.

Пневмоарка (Ризб=0,5-1,5 атм)

Пневмобалка

Пневмостойка

Пневмокупол

Опоры пневмоарок шарнирные. Торец пневмоэлементов надевают на стальной стакан и закрепляют нагелями или хомутами. Наиболее целесообразно для ПК использовать арки кругового очертания. Пролет пневмоарок следует принимать 12-16 м., шаг 2,5-3 м. Проектное положение ПК сохраняется благодаря избыточному давлению воздуха (0,5-1,5 атм.)

Внутри помещения с пневмокаркасными конструкциями в отличие от воздухоопорных, сохраняется нормальное давление воздуха. Однако, конструкции этого типа сложнее в изготовлении и требуют установки для нагнетания воздуха под значительно большим давлением. Для этой цели используют обычно компрессоры, а иногда баллоны со сжатым воздухом или газом.

1. Многоугольные металлодеревянные фермы.

Рекомендуется для пролетов до 36м. нижний пояс из стальных уголков или швеллеров. Верхний пояс склеивается из досок, ширина не более 17см. Решетка раскосная без стоек. Раскосы могут выполняться из брусьев или клееные из низкосортных элементов. Верхний пояс очерчен по дуге окружности, близкой к кривой давления, поэтому все элементы решетки мало нагружены. Панели верхнего пояса между узлами имеют выгиб вверх, что автоматически создает эксцентриситет и разгружает моменты в нем. Поэтому фермы выполняется крупнопанельными с расстоянием между узлами не менее 6м. При пролетах до 24м включительно, фермы целесообразно изготавливать с неразрезным верхним поясом, а при больших пролетах с разрезным. Высота принимается от1/6-1/7 пролета, в фермах с неразрезными поясами (линзообразными) до 1/8.

Расчет.

Сегментные фермы рассчитываются в два этапа:

1. определение продольных сил. Все узлы считаются шарнирными, все дуги заменены хордами.

2. определение изгибающих моментов в верхнем поясе. При этом учитывается разгружающий момент от эксцентриситета, вызванный выгибом оси.

Результирующий момент в поясе при удачном выборе очертания решетки может быть на порядок меньше момента от межузловых нагрузок, т.е. Мq и Мf – соизмеримы. В фермах с неразрезным верхним поясом изгибающие моменты определяют как в неразрезных балках. В средних панелях пролетные моменты М=qd02/24, опорные М= qd02/12. в первой приопорной панели М=qd02/10 и в пролете М=qd02/14. В ферме с неразрезным верхним поясом целесообразно обе приопорные панели проектировать на 20%. Верхний пояс проверяют задавшись сечением:

Размер сечение раскосов задается по следующим правилам: ширина равна ширине верхнего пояса, высота сечения определяется по предельной гибкости – равной 150, далее проверяют на устойчивость самый длинный центральный раскос, обычно он проходит с запасом, остальные раскосы принимают такого же сечения, проверяют на растяжение. Нижний пояс выполняют со строительным подъемом не менее 1/200 пролета. В узлах центровые болты рассчитывают на изгиб под действием равнодействующих усилиях в двух приходящих раскосах. Металлические пластины в неразрезных фермах проверяют на смятие от этой же равнодействующей.

38. Клеефанерные балки с волнистой стенкой.

Клеефанерная балка с волнистой стенкой относится к классу малогабаритных балок. Пояса состоят из одиночных досок 2-го сорта. Они располагаются горизонтально плашмя, и в их плоскостях образуется волнистые по длине клиновидного сечения.

Фанерная стенка имеет волнистую форму, вклеиваются краями в пазы.

Благодаря волнистой форме стенка лучше сопротивляется потере устойчивости, чем плоская.

Расчет плоских балок производится с учетом того, что стенка практически не работает на нормальные напряжения при изгибе и эти напряжения воспринимаются только поясами. Кроме того благодаря своей форме стенка является податливой, поэтому расчет таких балок по прочности и прогибам при изгибе производят как составных балок с податливой стенкой.