Главная | Обратная связь

Напряжение в древесине

Напряжения в древесине - напряжения, возникающие без приложения внешних усилий вслед­ствие неоднородных деформаций древесины при её сушке, увлажнении, пропитке.

Полные внутренние напряжения в древесине удобно рассматривать как совокупность двух составляющих — влажностных и остаточных напряжений.Наиболее изучены внутренние напряжения, возникающие при сушке древесины. В основе их лежит неравномерное удаление связанной влаги из сортимента. Возникающий при этом градиент влажности вызывает стеснение усушки древесины и как следствие появление влажностных внутренних напряжений. Они обусловлены неоднородными остаточными деформациями, которые вызваны тем, что древесина не является идеально упругим материалом. В поверхностных зонах доски, где влажность ниже, чем в центре, из-за стеснения свободной усушки возникают растягивающие напряжения, а внутри доски сжимающие. Чаще всего внутренние напряжения o6paзyются во время роста дерева. Внутренние напряжения уравновешены в пределах данного тела. Остаточные напряжения обусловлены появлением в древесине неоднородных остаточных деформаций. В основном они образуются из-за перерождения части упругих деформаций в ≪замороженные≫ остаточные вследствие увеличения жесткости нагруженной древесины при сушке. Остаточные напряжения в отличие от влажностных не исчезают при выравнивании влажности в доске и наблюдаются как во время сушки, так и после ее полного завершения. Остаточные напряжения в высушенном материале приводят к его короблению при механической обработке. Эти напряжения определяют по упругим деформациям полосок поперечного среза доски. Значение остаточных внутренних напряжений после атмосферной сушки в несколько раз ниже, чем после камерной. Знаки влажностных и остаточных напряжений противоположны, и результирующие полные напряжения представляют собой алгебраическую сумму. В первый период сушки влажностные напряжения больше остаточных и полные напряжения проявляются как растягивающие у поверхности доски и как сжимающие внутри. Во второй период остаточные напряжения превышают влажностные, и результирующие напряжения меняют знак.

Если растягивающие напряжения достигают предела прочности древесины на растяжение поперек волокон, появляются трещины. Так образуются поверхностные трещины в начале сушки и внутренние трещины (свищи) в конце сушки. Эти наружные и внутренние трещины обычно имеют радиальное направление, так как разрыв тканей происходит вдоль сердцевинных лучей вследствие сравнительно слабой связи между древесинными волокнами и сердцевинными лучами. Растрескивание бревен и крупных брусьев происходит из-за напряжений, обусловленных различием тангенциальной и радиальной усушек. Внутренние напряжения, сохраняющиеся в высушенном материале (остаточные напряжения), могут быть причиной изменения заданной формы деталей при механической обработке древесины. Из-за внутренних напряжений усадка поверхностных и внутренних зон доски (т. е. фактическое уменьшение размеров) отличается от их свободной усушки.

Рис.1 Поверхностные трещины при сушке.

Внутренние напряжения в древесине могут быть легко обнаружены при помощи силовых секций. Для этого из доски выпиливают секцию, два размера которой определяются сечением сортимента, а третий размер (по длине волокон) равен 10÷15мм.

Из секции изготовляют двузубую вилку согласно рис. 2 г. [1]Зубцы сразу же после ее изготовления могут изогнуться наружу, вовнутрь или остаться прямыми, что свидетельствует соответственно о наличии растягивающих, сжимающих напряжений или отсутствии их в поверхностных зонах[1]

Рис.2 Растрескивание древесины: а — наружные трещины в бревне; б — то же, в доске; в — внутренние трещины.

Количественная характеристика внутренних напряжений может быть дана с помощью метода, разработанного автором для измерения остаточных напряжений в древесине с выровненной влажностью. По этому стандартизованному методу (ГОСТ 11603 - 73) из доски выпиливают рядом две секции толщиной (по волокну) 15 мм. После выравнивания влажности одну из секций раскалывают параллельно ее длине на слои толщиной 4 мм. Измерением длины этих слоев до и после раскроя определяют изменение их размеров и находят относительную деформацию е каждого слоя. Вторую секцию распиливают на образцы толщиной 8... 10 мм, которые служат для определения модуля упругостиЕпри статическом изгибе. Средние напряжения для каждого слоя, МПа, вычисляют по формуле:

σ = Eɛ

По полученным данным строят кривую распределения — эпюру напряжений по толщине доски (рис. 3).[2]

C некоторыми усложнениями описанный метод может быть применен для измерения полных внутренних напряжений в древесине в процессе атмосферной сушки или при камерной сушке и использовании охлажденных секций. Внутренние напряжения могут появляться в древесине не только при сушке, но и при пропитке ее жидкостями, а также в процессе роста дерева.

Прежде всего, необходимо остановиться на некоторых особенностях деформирования древесины, от которых зависит характер развития внутренних напряжений.

Как известно, приложение к какому-либо телу нагрузки и возникновение в нем напряжений вызывает деформацию тела, т.е. изменение его размеров. Влажностные деформации полностью исчезают после снятия нагрузки и прекращения действия напряжений, а остаточные сохраняются и после этого

Допустим, что к образцу, имеющему в свободном состоянии размер (в) приложена сжимающая нагрузка Р. В напряженном состоянии образец принял размер (в1), получив деформацию укорочения (e)=(в1) - (в2). Выдержав образец некоторое время под нагрузкой, разгрузим его; Если после этого образец примет первоначальный размер (в1) значит, деформация была полностью упругой, что характерно для идеально упругого материала. Если же после разгрузки размер образца не изменится и останется равным (в2) значит, деформация была полностью остаточной, характерной для идеально пластичного тела. Древесина относится к упругопластическим материалам, и которых под действием напряжений одновременно развиваются как влажностные, так и остаточные деформации. При разгрузке образца из такого материала восстанавливается упругая часть деформации (ев). Образец приобретает размер (в3), который меньше первоначального размера (в1) на величину остаточной деформации (е0). Если древесина в нагруженном состоянии подвергалась сушке и влажность образца опустилась ниже 30%, то размер его после разгрузки (в4) будет меньше первоначального (в1) на величину, складывающуюся из остаточной деформации (е0) и усушки. Такое суммарное изменение, размера, обусловленное как усушкой, так и остаточными деформациями, принято называть, в отличие от свободной усушки, усадкой древесины. Очевидно, если древесина сохнет под действием сжимающих напряжений, ее усадка больше свободной усушки на величину остаточной деформации укорочения. Если же древесина сохнет под действием, растягивающих напряжений, усадка меньше усушки на величину деформации удлинения.

Величина остаточных деформаций древесины зависит от продолжительности действия напряжений и в значительной мере от состояния (влажности и температуры) материала. В сухой древесине (с влажностью ниже 12—15%) остаточные деформации очень малы. С повышением влажности доля остаточной составляющей в общей деформации заметно возрастает. Наибольшей величины эта доля достигает в древесине, имеющей повышенную температуру и влажность, равную или выше предела насыщения клеточных стенок.

Важно отметить, что остаточные деформации высыхающей под нагрузкой древесины значительно больше, чем древесина, воздерживающаяся под такой же нагрузкой при стабильной влажности. Объясняется это «перерождением» упругих деформаций в остаточные вследствие увеличения в процессе сушки жесткости находящейся под нагрузкой древесины.

Внутренние напряжения, сохраняющиеся в высушенном материале (остаточные напряжения), могут быть причиной изменения заданной формы деталей при механической обработке древесины.[2]