Работа древесины и конструкционных пластмасс

Стандартные определения механических характеристик древесины и пластмасс проводят на малых образцах по методикам, строго регламентированным соответствующими ГОСТами. При этом для испытания древесины применяются малые, чистые (т. е. без пороков) образцы (рис. 21).

Для исследования свойств армированных пластмасс образцы для испытаний вырезают из тонких листов или толстых плит по направлениям главных осей анизотропии (рис. 22). Испытание крупных образцов производится лишь в отдельных случаях для получения показателей работы древесины и пластмасс в условиях наиболее близких к действительным.

Результаты испытания образца обычно записываются в виде зависимостей ?—? (напряжение — деформация). На основании стандартных испытаний образцов могут быть получены: предел прочности ?_пч — напряжение, соответствующее разрушающей кратковременной нагрузке; предел пропорциональности ?_пп — напряжение, соответствующее точке перехода прямого участка зависимости в криволинейный (для некоторых видов работ материалов зависимость может быть без четко видимого перехода); модуль упругости Е — показатель жесткости материала, равный тангенсу угла наклона зависимости ?—? к оси абсцисс. В качестве рабочей принимается величина модуля упругости на прямолинейном участке зависимости.

Древесина

Типичные зависимости ?—? для основных видов сопротивления древесины сосны приведены на рис. 23. Испытание древесины на сжатие вдоль волокон проводится на призмочках размером 2X2X3 см. Предел прочности древесины сосны составляет 40... 50 МПа. Перед разрушением наблюдается некоторое развитие пластических деформаций (график 2 на рис. 23). Примерно так же работает Древесина при сжатии вдоль волокон по торцовой поверхности, т. е. при смятии.

Показатели прочности древесины при сжатии и смятии поперек волокон (графики 3, 4 на рис. 23) значительно ниже, чем вдоль волокон (сказывается трубчатое строение древесины). Сопротивление древесины смятию зависит от размеров сминаемой части и отношения ее ко всей площади грани образца (рис. 24). Чем меньше сминаемая часть по отношению ко всей площади, тем выше сопротивление древесины смятию. Это объясняется поддерживающим влиянием волокон ненагруженной части сминаемого элемента. В расчетах это явление учитывается повышенным расчетным сопротивлением, которое можно находить по формуле

где R_c90 определяется по табл. 15; L_см — длина площадки смятия, см.

Предел прочности древесины сосны при растяжении вдоль волокон составляет 80...100 МПа (кривая 1 на рис. 23). Однако эта высокая прочность чистой древесины не может быть использована в строительных элементах из-за наличия пороков. Разрушение древесины при растяжении происходит хрупко, без заметного развития пластических деформаций (диаграмма ?—? практически прямолинейна).

При изгибе зависимости Р—f криволинейные без явно выраженного прямолинейного участка, но не такие крутые, как при сжатии. Изгиб происходит со значительной деформацией и сопровождается перераспределением напряжений по сечению изгибаемого элемента на разных этапах нагружения. В пределах пропорциональности распределение напряжений соответствует треугольному закону (поз. 1 рис. 25). Разрушение начинается в крайних волокнах сжатой зоны, где образуются складки, отражающие появление пластических деформаций (поз. 2 рис. 25). Затем зона пластичности развивается вглубь сечения, нейтральная ось перемещается в сторону растянутой зоны и растут напряжения растяжения. Разрушение заканчивается разрывом наиболее растянутых волокон (поз. 3 рис. 25).

Наибольшее сопротивление при работе на сдвиг древесина оказывает в случае перерезывания волокон в плоскости, перпендикулярной к волокнам. При этом (рис. 23, кривая 6) проверка на перерезывание волокон редко является решающей в определении размеров сечений элементов строительных конструкций.

Самым слабым видом сопротивления древесины является сопротивление при скалывании — сдвиге в плоскости, параллельной волокнам, происходящем вдоль или поперек направления волокон (рис. 23, кривые 7 и 8). Предел прочности на скалывание вдоль волокон для сосны составляет 6...7 МПа, разрушение имеет хрупкий характер. Предел прочности на скалывание поперек волокон примерно в два раза меньше. В конструкциях чаще всего приходится иметь дело со скалыванием вдоль волокон — в изгибаемых элементах во всех видах соединений. Скалывание поперек волокон встречается реже.

Пластики

Во многом аналогично древесине работают при растяжении, сжатии, изгибе древесные пластики и стеклопластики (рис. 26).

Прочность древесины, анизотропных и ортотропных пластиков на растяжение, сжатие, смятие зависит от угла а между действующей силой и волокнами древесины или армирующего материала в композиционных материалах. Для некоторых материалов такие зависимости показаны на рис. 27. Аналогичный характер имеют зависимости модулей упругости материалов от угла ?. Типичные качественные зависимости прочности и модуля упругости стеклопластиков от угла между направлением усилия и осями анизотропии для рассмотренных на рис. 13 схем армирования показаны на рис. 28 (? — угол между направлением расчетного усилия и осью абсцисс).

Сопротивление стеклопластиков касательным напряжениям из-за ортотропности материалов определяется направлением сдвигающих усилий относительно плоскости упругой симметрии (рис. 16, б). Сдвиг в плоскости х—у называется междуслойным, а сдвиг в плоскостях х—z и у—z называется сдвигом из плоскости листа. Естественно, слабым видом сопротивления является сопротивление междуслойному сдвигу, которое характеризуется, главным образом, прочностью связующего и структурным критерием (см. §7), зависящим от толщины слоя, по которому происходит сдвиг. Применение прошивной схемы армирования заметно увеличивает сопротивление междуслойному сдвигу. В конструкциях и элементах появление сдвигов из плоскости листа не характерно и такая работа не является определяющей при расчете.