Механическая прочность древесины тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.04 ВАК РФ

На правах рукописи

Тутурнн Сергей Викторович

МЕХАНИЧЕСКАЯ ПРОЧНОСТЬ ДРЕВЕСИНЫ

Специальность: 01.02.04. - Механика деформируемого твердого тела

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва - 2005 г.

Работа выполнена на механико-математическом факультете МГУ им. М.В. Ломоносова (г. Москва)

Научный консультант

доктор технических наук, академик Шемякин Е.И.

Официальные оппоненты:

Трещев Александр Анатольевич

доктор технических наук

Чирков Сергей Ефимович

доктор технических наук

Шашкин Александр Иванович

доктор физико-математических наук

Ведущая организация - Воронежский государственный аграрный университет

Защита диссертации состоится 28 октября 2005 года в 14 часов на заседании диссертационного совета Д. 212.262.02 в Тверском государственном техническом университете по адресу: 170026 г. Тверь, Набережная Афанасия. Никитина, 22

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тверского государственного технического университета

Автореферат разослан _______________2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук

Гараников Валерий Владимирович

ы тс

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Изучение вопросов прочности древесины имеет два важных практических направления. Во-первых, как конструкционный материал древесина применяется во многих отраслях промышленности (строительство, судостроение, горное дело и т.д.), что предъявляет повышенные требования к знаниям прочностных характеристик, особенностям сопротивления нагрузкам при различных видах нагружения.

Во-вторых, древесина как сложный природный композит с анизотропией свойств является замечательным материалом для исследований. Знания, полученные при изучении прочности древесины, могут быть успешно применены для горных пород и искусственных композитов, а также для общей теории прочности твердых тел.

Касаясь первого вопроса, следует отметить, что, несмотря на долгое использование человечеством древесины, успехи в определении прочности более чем скромны. До настоящего времени нет однозначного мнения о пределе прочности древесины при сдвиге, кручении, а также различных видах двух - и трехосных напряженных состояний. Практически отсутствует информация о сопротивлении нагрузкам образцов с дефектами строения искусственного (трещины) или естественного (различные пороки) происхождения.

Второй вопрос дополняет исследования, начатые еще в середине 19-ого века Треска и продолженные Сен-Венаном, Карманом, Гестом, Надаи и Лоде, группой Новосибирских ученых под руководством Шемякина Е.И. и др., результатом которых стала Синтетическая теория прочности, предложенная академиком Шемякиным Е.И.

Проведенные в работе эксперименты дополняют сведения о деформировании и разрушении твердых тел и являются новыми для древесины.

Цель работы заключается в проведении исследования механической прочности древесины при использовании жесткого

рА&ймЫ*алружения.

библиотек*

С Петер

Выделим круг поставленных задач, которые были решены в ходе работы.

1. Определение прочности и изучение особенностей поведения древесины под нагрузкой при жестком режиме нагружения.

2. Проверка применимости критериев синтетической теории прочности к сложному анизотропному материалу, которым является древесина;

3. Наблюдение за разрушением древесины;

4. Построение полной диаграммы «напряжение - деформации» с учетом нисходящей ветви при сжатии и изгибе;

5. Определение упругих постоянных.

6. Учет масштабного фактора при определении механических характеристик.

7. Применение положений синтетической теории прочности к древесине;

8. Создание современной методики проведения испытаний на прочность древесины;

9. Анализ поведения образцов с искусственной трещиной при изгибе;

Ю.Обобщение существующих знаний о механической прочности древесины.

В качестве материала для исследований была принята древесина сосны. Сосна является одной из наиболее распространенных пород, произрастающих на территории России; занимает промежуточное положение по механическим характеристикам - прочности, весу; легко добывается и обрабатывается; содержит относительно небольшое количество пороков строения, что облегчает изготовление образцов и не оказывает заметного влияния на полученные результаты.

Достоверность результатов обусловлена применением высокоточного современного экспериментального оборудования, тщательной подготовкой к проведению эксперимента, большим объемом полученных данных, а также проведенной математической оценкой достоверности опытов.

Главной отличительной характеристикой представленной работы является использование современного испытательного оборудования с возможностью задания так называемого «жесткого» режима нагружения, когда

воздействие на материал идет путем приращения перемещений захватов пресса. Подобный тип нагружения впервые позволил получить полную диаграмму «нагрузка - деформации» для деревянного образца при сжатии и изгибе.

При решении поставленных задач использовались работы следующих выдающихся ученых, как в области механики твердого тела - Сен-Венана Б., Тимошенко С.П., Надаи А., Шемякина Е.И., так и в древесиноведении -Иванова Ю.М., Ванина С.И., Знаменского Е.М., Хухрянского П.Н., и др.

Кроме того, вся работа и сделанные выводы опирались на данные по исследованию других материалов: эквивалентных (Шемякин Е.И., Ревуженко А.Ф., Бобряков А.П.), горных пород (Протодьяконов М.М., Чирков С.Е.), композитных материалов (Ишлинский А.Ю., Черный Г.Г.), а также на общие работы по прочности и разрушению твердых тел, в частности, посвященные работам по симметрии в твердых телах (Сиротин Ю.И., Шаскольская М.П. и др.). Для математического описания упругих свойств древесины использовались работы Лява А. и Лехницкого С.Г..

Из поставленных задач вытекает научная новизна исследования, которая заключается в наблюдении за процессами деформирования и разрушения древесины при жестком режиме нагружения.

- для сплошных деревянных образцов жесткий режим нагружения был применен впервые;

- впервые была получена полная диаграмма «нагрузка - деформации» при сжатии и изгибе различно ориентированных деревянных образцов;

- впервые в деревянном образце удалось наблюдать возникновение линий скольжения и разрушение при их развитии;

- экспериментально была доказана применимость к древесине положений синтетической теории прочности;

- впервые упругие постоянные древесины находились при жестком режиме нагружения на образцах, взятых с учетом масштабного фактора, что позволило обнаружить различие в симметричных константах упругости;

- было показано влияние масштабного фактора на прочность;

- учитывая масштабный фактор, а также очевидные преимущества жесткого режима нагружения перед нагружением по приращению усилия, даны рекомендации по испытаниям деревянных образцов на сжатие и изгиб.

Кроме того, удалось оценить влияние касательного напряжения на прочность при изгибе в цельном образце и в образце с искусственной трещиной.

Личный вклад автора в решение поставленных задач заключается в самостоятельной разработке методики проведения экспериментов, подготовке материалов и оборудования, наблюдении за опытами и анализ всех полученных результатов.

Вся работа, как в теоретической, так и экспериментальной частях, была выполнена самостоятельно при поддержке со стороны научного консультанта академика Шемякина Е.И.

Неоценимая помощь при подготовке и проведении эксперимента была оказана автору Институтом Горного дела в г. Новосибирске и лично Ревуженко А.Ф., Жигалкиным В.М., Бабичевым A.B.

Практическая значимость исследования заключается в:

- применимости положений Синтетической теории прочности к древесине;

- существенном пополнении знаний о прочности и разрушении древесины, как анизотропного материала со сложной внутренней структурой;

- разработке современной методики подготовки и проведения эксперимента;

- получении представлений об остаточной прочности древесины при сжатии и изгибе (нисходящая ветвь на диаграмме «нагрузка - деформация»);

- определении влияния масштабного фактора на прочность деревянных образцов и конструкций;

- решении ряда задач о прочности деревянных образцов с трещиной;

- определении упругих постоянных древесины при жестком режиме нагружения и др;

Апробация работы. Основные результаты работы активно обсуждались на семинарах и конференциях по механике твердого тела, древесиноведению,

строительным конструкциям и материалам, а также в различных научных коллективах и организациях, с которыми сотрудничал автор в процессе постановки задач, подготовки и проведения эксперимента, а также обработки полученных данных.

Разрушение древесины по площадкам скольжения и демонстрация полученных образцов, как правило, вызывали оживленные дискуссии в самых разнообразных научных кругах, в том числе на:

- 39-ой Научной конференции в г. Владивосток, 1997 г.;

- региональной научно-технической конференции «Приморские зори», г. Владивосток, 1998 г.;

- 2-ой научной-техничсекой конференции молодых ученых в МГСУ, г. Москва, 1999 г.;

- Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых, г. Москва, 2000 г.;

научной конференции аспирантов и докторантов МГУЛ, г. Москва,

2003 г.

- научной конференции по современным проблемам механики и прикладной математики, г. Воронеж, 2004 г.;

- конференции по проблемам прочности материалов, используемых в авиастроении, г. Воронеж, 2004 г.;

- конференции по механике, математике и информатике в г.Тула, 2004 г.;

- на семинаре в Тверском государственном университете, 2005 г.;

- а также в лаборатории деревянных конструкций ЦНИИСК, г. Москва, в лаборатории Института горного дела, г. Новосибирск, на семинарах механико-математического факультета МГУ.

Реализация исследований. Предложенная методика экспериментального исследования прочности древесины была внедрена в Центре коллективного пользования «Геофизических и геодинамических измерений» СО РАН.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 20 печатных работ, из них две монографии.

g

Структура н объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, приложений, списка используемых литературных источников из 149 наименований, содержит 320 страниц, включая таблицы и рисунки.

Автор выражает глубокую благодарность своему научному консультанту и учителю академику Шемякину Е.И., профессору Короткиной М.Р., коллективу института Горного дела СО РАН, особенно Ревуженко А.Ф., Жигалкину В.М. и Бабичеву A.B.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. Синтетическая теория прочности.

Первые экспериментальные исследования прочности твердых тел проводились с целью определения максимальных нагрузок и деформаций, которые выдерживал образец вплоть до разрушения. До середины 19-ого века описание поведения материала под нагрузкой являлось лишь второстепенным замечанием относительно определения предела прочности. Тому подтверждением служат масса опытных данных, полученных известными исследователями; Кулоном, Навье, Кориолисом и др.

Только в 1863 году Треска провел свои знаменитые опыты при больших необратимых деформациях. Обширный анализ полученных данных был выполнен в терминах константы материала - фиксированного коэффициента К, определяемого, как предельное значение максимального касательного напряжения.

Экспериментатору удалось наблюдать за образованием линий скольжения на платиновом стержне.

Сен-Венан сразу признал и затем развил экспериментальные положения, выдвинутые Треска, дав им математическую формулировку и решив плоскую задачу о течении пластичного материала. Став основателем теории прочности, Сен-Венан сопоставил наблюдения за линями скольжения с теоретическими выводами о линиях максимальных касательных напряжений и пришел к выводу, что экспериментальные данные Треска могут быть положены в основу теории.

Начало экспериментального исследования больших деформаций твердых тел, при которых более чем один компонент напряжения был отличен от нуля, положено Гестом в 1900 году. Он испытывал тонкостенные трубы из стали, железа и меди либо на простое растяжение, либо на сочетание растяжения с внутренним гидростатическим давлением. Гест заметил, что формула для построения поверхности текучести согласовывалась с наблюдениями Треска, и

«максимальный сдвиг является правильным критерием упругой прочности для пластичного материала».

Первым экспериментатором, которому удалось подвергнуть тело большим деформациям при трех, отличных от нуля напряжениях, был Карман (1911 г.). Он подвергал цилиндрический образец из мрамора и песчаника гидростатическому давлению при одновременном независимом приложении дополнительного осевого напряжения. Были сделаны выводы о влиянии второго главного напряжения на прочность, а также наблюдались линии скольжения при резком перегибе диаграммы «напряжение, деформация» в момент уменьшения напряжений.

Продолжением опытов Геста в 1926 году стали эксперименты, проведенные Лоде при одновременном действии одноосного растяжения и гидростатического внутреннего давления на трубках из меди, стали и никеля. Варьируя отношение значений внутреннего давления и осевой нагрузки, он мог получать разные сочетания двух главных напряжений. Влияние второго главного напряжения на отклик тела при воздействии нагрузок описывается коэффициентом, называемом в литературе параметром Лоде - Надаи.

<т, -сг3

Физический смысл параметра Лоде-Надаи заключается во влиянии нормального напряжения о2 на площадки с максимальным действием касательных напряжений. Также параметр Лоде-Надаи определяет вид напряженного состояния, указывая на работу и направление наклонных площадок с экстремальными касательными напряжениями на этих площадках.

В 1931 году Тейлор и Квини, проведя исследования алюминия, меди, свинца, кадмия и мягкой стали, сделали выводы, что в плоскостях сдвига скорости скольжения пропорциональны касательным напряжениям.

В начале 70-х годов в Институте горного дела г. Новосибирска были начаты работы по моделированию процессов поведения эквивалентных материалов под нагрузкой. Первым этапом было создание «ящика» - прибора для осуществления однородного сдвига при жестком режиме нагружения. При этом наиболее важной задачей при проведении эксперимента было наблюдение за нисходящей ветвью (запредельное поведение материала).

В ходе испытаний обнаружено:

1. Существование нисходящей ветви и ее зависимость от масштаба опыта, появление блоков в изначально изотропном эквивалентном материале, проявление «проскальзывания» (перемещения) по берегам площадок скольжения;

2. Несимметрия функционирования ожидаемых площадок с Т=ттах и их проявления оказались связаны с появлением локальных поворотов. В целом проявилась новая ранее неизвестная возможность деформаций твердого тела за пределом упругости: разделяться на регулярные блоки так, что эти блоки поворачиваются и образуют в новом состоянии сплошное тело.

По результатам опытов были приняты новые инварианты напряженного состояния, связанные с действием касательного напряжения, и предложена Синтетическая теория прочности, основанная на «языке» площадок скольжения.

Первый инвариант описывает действие максимального касательного напряжения на наклонной площадке и, соответственно, скольжения по ней. Второй инвариант - действие нормального напряжения на наклонной площадке, которое оказывает сопротивление проскальзыванию. Третий

инвариант - параметр Лоде-Надаи, описывающий не только вид напряженного состояния и влияние второго главного напряжения, но и вид наклонных площадок, по которым происходит скольжение.

Таким образом, набор инвариантов имеет наглядный физический смысл -скольжение и сопротивление скольжению на определенной паре наклонных площадок.

После получения схожих моделей разрушения на различных материалах (мрамор, песчаник, сталь, медь, эквивалентные материалы и т.д.) возник естественный вопрос: является ли подобное сопротивление разрушению общим для всех твердых тел? Насколько критерий по максимальным касательным напряжениям применим к твердым телам в целом?

Благодаря использованию «жесткой» испытательной машины, впервые удалось наблюдать за развитием линий скольжения в древесине и утвердительно ответить на вопрос о применимости к ней метода максимальных касательных напряжений и положений Синтетической теории прочности.

2. Экспериментальные исследования и основные результаты.

Согласно общепринятым стандартам проведения испытаний древесины, с момента их утверждения и до настоящего времени повсеместно используются так называемые «малые» образцы из чистой древесины с рабочим сечением 2x2 см2.

Однако, если опираться на современные достижения в области изучения микро- и макроструктуры древесины, напрашивается вывод, что стандартный образец занимает промежуточное положение между структурами и содержит неоправданно большое количество элементарных элементов (молекулы целлюлозы, клеточные структуры), не включая в себя достаточное количество ранней и поздней древесины, различных дефектов строения, присущих реальным конструкциям и сооружениям.

Основатель стандартов профессор Иванов Ю.М. неоднократно предупреждал о недопустимости переноса полученных экспериментальным

путем значений прочности с чистой древесины на реальные конструкции, но уже более полувека прочность пород определяется исключительно на малых образцах, что приводит к получению неверных расчетных характеристик материала.

Перед началом работы было решено не принимать за основу малые «чистые» образцы, которые искажают реальные механические характеристики древесины, из-за чего эксперимент разделился на две части: в первой определялось влияние масштабного фактора на прочность при сжатии и изгибе для того, чтобы во второй вычислить упругие постоянные древесины сосны.

Для изготовления образцов выбиралось дерево с максимально ровным стволом, диаметром не менее 20 см3, чтобы обеспечить, насколько это возможно, параллельность волокон.

Стандартный способ разделки на кряжи и место выпиливания брусьев из ствола, используемый в работе, показан на рисунке 1.

А-А

2 кряж

1 кряж

7 м.

Рис. 1 Разделка деревьев на кряжи и брусья

Деревья выбирались приблизительно одного возраста и диаметра, из одного географического региона.

Количество образцов, необходимое для каждого вида испытаний, выбиралось по рекомендациям ГОСТ и Леонтьева Н.Л.

Особое внимание уделялось расположению брусьев в кряже. В кряже отмечали середину, из которой проводили четыре радиуса под утлом в 90°. Место выпила бруса размечали так, чтобы все брусья лежали на одинаковом расстоянии от середины, радиус проходил через центр бруса, а его грани были бы перпендикулярны радиусам. Дополнительным условием являлось отсутствие в брусьях сердцевины и прикорных частей ствола.

Итого было получено 14 брусьев длиной 3,2 метра и поперечным сечением 80x80 мм2. Торцы каждого замазывались краской с целью уменьшения усушечных трещин. Предполагалось, что перед распиловкой на образцы брусья будут обрезаны на 10-15 см с каждой стороны, чтобы удалить появившиеся трещины.

Все брусья были аккуратно доставлены и уложены на полу отапливаемой комнаты в одном здании с испытательным прессом параллельно друг другу. Между ними, для свободной циркуляции воздуха были оставлены зазоры, приблизительно равные ширине бруса. Брусья были промаркированы и оставлены для приобретения равновесной влажности. Температура в комнате держалась около 25°С, относительная влажность воздуха - 50-60%. Окна были зашторены, чтобы избежать попадания прямого солнечного света.

После трех месяцев естественной сушки влажность брусьев достигла 15±1%.

Для измерения влажности использовался влагомер немецкой фирмы Оапп модели НТ-85Т.

Опираясь на исследования Знаменского Е.М., Свеницкого Г.В. и ряда других авторов, была проведена выборка типоразмеров образцов с целью

определения влияния масштабного фактора на прочность. Общее количество образцов и размеры приведены в таблице 1.

Таблица 1. Спецификация изготовления деревянных образцов.

Требуемые Количество Поперечная Получаемое Всего

размеры брусьев, распиловка количество (после

поперечного шт мм образцов выбраковки)

сечения, мм2 шт гат

70x70 4 70x70x500 6 10

70x70x500 6

70x70x500 6

70x70x210 14 7

60x60 3 60x60x400 7 7

60x60x400 7

60x60x180 16 12

50x50 3 50x50x350 8 10

50x50x350 8

50x50x150 20 9

40x40 3 40x40x280 10 11

40x40x280 10

40x40x120 25 11

30x30 1 30x30x90 66 15

После распиловки все полученные образцы сложили в испытательном цехе, каждый тщательно обмерили и взвесили, и затем оставили досушиваться до 12 - 13%-ой влажности.

Не допускались к испытаниям образцы с искривлением волокон более чем на 15°, с видимыми пороками строения, а также отбраковалась целая серия, пораженная плесенью.

В каждый новый рабочий день перед началом испытаний проводилась обязательная автоматическая калибровка пресса.

Все испытания проводились на прессе Seven Furnaces Limited SF868E, произведенном в Великобритании в 2000 году.

Было возможно наблюдать за процессами, происходящими в образце, на мониторе компьютера непосредственно при нагружеиии, по ходу испытаний вносить корректировки в скорость нагружения, выбирать режимы циклического нагружения с целью выявить остаточные деформации и тд.

Общая скорость нагружения принималась не более 2 мм\мин, причем на отдельных образцах мы сознательно изменяли скорость в ту или другую сторону от основного значения, чтобы определить возможные расхождения в результатах. Однако, в диапазоне от 0,1 до 5 мм\мин существенных расхождений в форме получаемых кривых, в достижениях критических значений нагрузок и деформаций обнаружено не было, в связи с чем, скорость в 2 мм\мин приняли за основную.

Подавляющее большинство образцов испытывал ось по приращению перемещений, и лишь отдельные образцы, для проверки достоверности полученных результатов - по максимальной нагрузке.

На основании обработки полученных результатов, в сочетании с уже известными трудами Знаменского и Свеницкого, удалось сделать следующие выводы о влиянии масштабного фактора на прочность:

- при сжатии вдоль волокон масштабный фактор оказывает лишь незначительное влияние на прочность, значительно важнее объемный вес древесины (рис.2);

- при изгибе поперек волокон прочность зависит от длины и поперечного сечения образца, оптимальное соотношение, рекомендуемое для проведения испытаний, составляет более 1100 см3 для объема древесины при поперечном сечении не менее 6x6 см2 (р ис. 3).

200 f-

100 ------- - ----

! „ - напряжение ж, -объемный вес

„ ! И KrtCM2 W ^

—— - линейная аппроксимация

¿2 3x3 4x4 5x5 6x6 7x7

поперечное сечение образца, см2

Рис. 2 Масштабный эффект и объемный вес при сжатии

объем V, смЗ

Рис 3. Влияние масштабного фактора на прочность при изгибе.

Таким образом, для определения упругих постоянных был принят образец сечением 6x6 см2 и длиной 20 см, чтобы отношение длины к поперечным размерам было больше, чем 3:1.

Наиболее интересным результатом испытаний стало обнаружение и исследование линий скольжения, а также получение полной диаграммы «нагрузка - перемещение пресса» при сжатии и изгибе в различных направлениях к волокнам.

Полная диаграмма представлена на рис. 4. Участок достижения максимальной нагрузки в увеличенном виде представлен на рисунке 5.

-18000 ,

Рис. 4 Полная диаграмма «нагрузка - перемещение» при сжатии

На диаграмме, до достижения максимальной нагрузки, видны три различных участка. К первому относится местное смятие под захватами пресса, когда рост деформаций существенно опережает рост прикладываемого усилия

Приблизительно у отметки 800 кг начинается упрочнение материала, завершение процесса местного смятия и выравнивания зависимости «нагрузка-перемещение» до прямой линии. Большую часть опыта материал подчиняется закону Гука и ведет себя упруго. При нагрузке около 60% от начала нагружения кривая постепенно отклоняется от линейной зависимости между усилием и деформациями. Это хорошо соотносится с общепринятыми представлениями о начале необратимых деформаций в зоне 0,6?*^. (второй участок на диаграмме, рис. 4)

-18000 !

Далее угол наклона кривой с осью нагрузок постепенно увеличивается, доходя в вершине графика до 90.

Сразу за максимумом возникают линии скольжения в виде тонких, едва заметных полос на гранях образца. По мере дальнейшего перемещения пресса линии становятся все заметнее глазу наблюдателя, благодаря начавшемуся движению образца вниз по этим линиям. Одна часть образца «скользит» по

другой. На графике с этого момента начинается участок нисходящей ветви «усилие - перемещение пресса». Нагрузка уменьшается, и это падение происходит более плавно, если сравнивать с изгибом. Дело в том, что при изгибе происходит резкое возникновение поперечной трещины в образце, здесь же структура остается плотной, изменения касаются лишь зоны, непосредственно примыкающей к линиям (рис. 6).

Рис. 6. Участки нисходящей ветви диаграммы «нагрузка - перемещение» при сжатии.

Нисходящая ветвь диаграммы состоит гакже из нескольких участков, каждому из которых соответствуют свои процессы, происходящие в образце.

На первом этапе (I, рис. 6) происходит развитие линий скольжения. Никаких иных изменений в структуре не наблюдается, кроме разделения образца на два блока.

Второй участок (И) характеризуется временным упрочнением: по-прежнему отсутствуют какие-либо видимые дефекты структуры, однако

«скольжение» начинает встречать внутреннее сопротивление. Волокна загибаются достаточно сильно и, по-видимому, начинают работать силы сцепления волокон между собой вдоль образца, что приводит к временному росту напряжения.

Сброс нагрузки начинает продолжаться на третьем участке (III) и начинается с появления первых вертикальных трещин. Происходит вертикальное расслаивание волокон, напоминающее расщепление на части. При этом два сформировавшихся блока продолжают «скользить» один по другому.

Третий участок обычно имеет самую большую протяженность, нагрузка уменьшается по мере возникновения новых продольных трещин, верхний блок медленно движется по нижнему и часто достигает основания пресса (хотя в некоторых опытах из-за продольного расщепления образец теряет устойчивость).

Затем снова происходит небольшое упрочение (IV). С физической точки зрения это означает достижение верхней частью образца нижней платформы пресса. Получается следующее явление: пресс начинает деформировать как бы удвоенное, продольно ослабленное, сечение. При этом, что примечательно, в местах развития линий скольжения, часть волокон разрывается, другая же часть продолжает загибаться вниз, сопротивляясь разрушению.

Если предположить, что верхняя часть образца была бы способна преодолеть нижний захват пресса и опуститься ниже, нет сомнений, что и до тех пор образец продолжал бы сопротивляться разрушению.

Пятый этап (V) является последним в нисходящей ветви. Здесь образец окончательно теряет устойчивость и распадается на блоки различных размеров, связанные между собой неразорвавшимися волокнами. Нагрузка стремительно падает.

Наблюдая за экспериментом, можно сделать вывод, что разрушение происходит как по линиям скольжения из-за разрыва крайних волокон, так и из-за появления продольных трещин и отщепления блоков образца друг от друга.

Этот процесс выглядит вполне логично, если вспомнить о межструктурных связях внутри древесины. Так взаимодействие макромолекул целлюлозы между собой, как главного составляющего вещества волокон, значительно прочнее, нежели силы сцепления волокон между собой. Возникают поперечные

напряжения, перпендикулярные линии действия нагрузки, растягивающие внутреннюю структуру образца на мелкие блоки.

Фотографии, сделанные при проведении эксперимента по наблюдению за линиями скольжения, показаны на рисунке 7.

При сжатии поперек волокон в радиальном направлении линии скольжения возникают на горизонтальном участке диаграммы (рис 8) и утолщаются по мере увеличения нагрузки. Сетка линий достаточно тонкая, ее звенья сопоставимы по размеру с расстояниями между слоями поздней древесины. Линии располагаются перпендикулярно годовым кольцам по всему образцу.

-4500

-4000 1

-3500

-3000

-1500 I

-1000

-500 | 30

0 -

10

5

перемещение пресса, мм

Рис. 8 Диаграмма «нагрузка - перемещение» при сжатии поперек волокон.

Фотографии эксперименте^

При сжатии в тангенциальном направлении также впервые построена полная диаграмма «нагрузка - перемещение», и исследован процесс деформирования образца вплоть до разрушения.

Работа древесины при сжатии поперек волокон в тангенциальном направлении принципиально отличается от радиального направления. Разрушение происходит хрупко, из-за выпуклости годовых слоев, которые ведут себя подобно кривому брусу при продольном изгибе. Образец сначала изгибается в направлении сердцевины предполагаемого ствола, а затем теряет устойчивость.

Типичная кривая при нагружении на «жесткой» машине выглядит следующим образом (рис.9):

перемещение, мм

Рис. 9 Диаграмма «нагрузка - перемещение» при сжатии в тангенциальном направлении

К сожалению, доводить испытание до полного разрушения не получалось из-за возможной поломки пресса, так как его захваты вместе с образцом стремились отклониться от оси.

При измерении поперечных деформаций следует так же, как и в случае радиального измерения, устанавливать датчик строго по радиусу кривизны годовых колец. Расположение в других зонах образца приводит к завышенным показаниям из-за прогибов образца.

Для испытаний на изгиб было изготовлено вспомогательное приспособление, состоящее из швеллера и стальных цилиндров, служивших опорами. В соответствии с программой испытаний в швеллере просверлили отверстия для закрепления и перенесения опор на различные расстояния в зависимости от размера образца и программы испытаний. Швеллер прочно закрепили непосредственно на рабочем столе пресса, строго отцентрировав с целью избегания возможных неточностей.

На рисунке 10 показана типичная диаграмма «нагрузка - перемещение пресса» при изгибе поперек волокон.

На диаграмме хорошо видны четыре участка нагружения, которые показывают различные процессы, происходящие в образце при увеличении нагрузки.

Визуально хорошо наблюдается первоначальное смятие, которое происходит в местах контакта образца с нагружающими цилиндрами. Они внедряются в деревянную поверхность, приводя к образованию пологого участка на диаграмме до значения 860-880 кг (уч.1, рис.10). Причем данная величина оказывается устойчивой при всех испытаниях образцов с поперечным сечением более 4 см. При изгибе балок сечением 4x4 см2 кривая существенно выпрямляется. Это связано, по-видимому, с величиной максимального напряжения, которая находится в непосредственной близости от значения 880.

Можно высказать предположение о пределе прочности древесины на смятие, который лежит около указанного диапазона. За ним начинается упрочнение нарушенной структуры межволоконного пространства в древесине,

обозначенное вторым участком (2, рис. 10), который можно назвать упругим. Прямой линией показана приблизительная конфигурация упругих деформаций без учета смятия.

-3000 -2500 -2000

| -1500

а

-1000

-500

110

0 1

100^' 90 £

прогиб образца, мм

40

Рис. 10 Зависимость между нагрузкой и прогибом образца при изгибе поперек волокон.

Третий участок диаграммы (3, рис.10), составляющий 7-10% от максимального напряжения, характеризуется началом заметных необратимых деформаций.

Затем, при достижении нагрузкой значений, близких к критическим, происходит появление первых признаков разрушения - поперечных трещин. И только при наибольшей нагрузке появляется большая магистральная трещина, которая начинает стремительное развитие при падающей нагрузке (участок 4).

По мере продвижения трещины вглубь образца на диаграмме появляются характерные «ступени», означающие разрушение очередного слоя поздней древесины. При достижении трещиной середины образца иногда в действие вступают касательные напряжения, и полное разрушение происходит из-за деформаций сдвига.

Следует добавить, что для изучения влияния касательных напряжений на прочность, были изготовлены образцы с искусственной трещиной. Трещина выпиливалась лобзиком посередине образца в направлении вдоль волокон на глубину 1\5 от длины. В ее вершине, как рекомендовано по стандартам механики разрушения, внедрялось лезвие на 5-7 мм. Эксперимент имеет важное практическое значение, особенно для клееных конструкций, в которых часто имеет место непроклей между элементами, и разрушение может происходить из-за касательных напряжений, так как сопротивление древесины сдвигу более чем в 10 раз меньше, чем изгибу.

Выводы, которые удалось получить при обработке данных, следующие:

- при увеличении нагрузки искусственная трещина начинает раскрываться, однако, необратимые продвижения по образцу начинаются при нагрузках, близких к критическим.

- При достижении нагрузкой приблизительно 9\10 от максимального значения в образце появляется поперечная трещина, и разрушение происходит как по сдвигу, так и поперек волокон.

- Нагрузка, которую выдерживает образец с продольной трещиной, приблизительно на 10% меньше, чем у цельного образца (933 кг и 1027 кг соответственно).

- Продольная трещина распространяется строго между слоями поздней древесины, не нарушая целостность этих слоев.

- Разрушение образца происходит быстрее, чем при обычном изгибе, и нисходящая ветвь на диаграмме «нагрузка - перемещение» отсутствует.

- Наличие продольной трещины приводит к уменьшению прогиба образца на 10% (среднее значение прогиба 29,37 мм при 31,52 мм в стандартной серии испытаний).

Таким образом, целесообразно проводить предварительный осмотр конструкций, работающих на изгиб, на предмет различных технологических дефектов в области действия максимальных касательных напряжений, так как

их влияние на прочность в целом образце может быть незаметным, но становится весьма существенным при наличии ослабляющих факторов.

Изгиб в продольном направлении ранее описывался в литературе, однако, впервые используя жесткий режим нагружения, здесь также были получены любопытные результаты.

Изгиб в тангенциальной плоскости имеет важную отличительную особенность, которую необходимо учитывать как при проведении эксперимента, так и при проектировании конструкций.

Эксперимент показал, что, оставляя неизменной схему нагружения, можно получить две группы значений максимальной нагрузки для образцов одинакового строения, изготовленных из одного бруса в 300 - 310 кг и 120-125 кг. Причем указанные значения вели себя устойчиво, не показывая рассеивания опытных результатов.

После более внимательного рассмотрения удалось обнаружить, что различие нагрузки практически в два с половиной раза обусловлено расположением образца на прессе. Если образец ставить так, что нагрузка прикладывается по центру годового кольца как бы от сердцевины в стволе и совпадает с естественным, природным радиусом дерева, то максимум усилия находится в области 125 кг. При этом при нагрузке приблизительно в 50 кг начинают появляться трещины, расположенные под углом в 45 градусов к линии действия нагрузки, которые практически не влияют на угол наклона кривой на диаграмме (рис. 11).

Разрушение происходит из-за скачкообразного роста трещин.

При другой ориентации образца, когда усилие направлено с внешней стороны ствола и также совпадает с природным радиусом, диаграмма «нагрузка-перемещение» существенно изменяется. Возрастает нагрузка, а разрушение происходит более резко, без образования нисходящей ветви. Причем трещина, по которой разрушается образец, как правило, располагается по середине нижней грани.

На диаграмме (рис. 12) хорошо виден момент зарождения трещины (при нагрузке около 150 кг), когда она сразу же доходит до ближайшего слоя поздней древесины (процесс напоминает разрушение при изгибе поперек

-140

Рис. 11 Диаграмма «нагрузка - перемещение пресса» при изгибе в тангенциальном

направлении.

волокон, только здесь поздняя древесина в форме окружностей). Чтобы преодолеть сопротивление данного слоя, нужна более существенная нагрузка (280 кг, вторая «ступенька» на диаграмме).

Отклонение от прямолинейного участка на начальном этапе нагружения обусловлено смятием образца под нагружающим устройством и на опорах.

Чтобы «растянуть» процесс разрушения во времени, мы уменьшали скорость нагружения, но желаемого результата так и не получили. Несмотря на измененную величину приращения перемещений, образец разрушался мгновенно при достижении критического значения.

Удивительно, но подобный эффект различия критических нагрузок для одинаковых образцов не удалось обнаружить в литературе, что связано с

многолетними опытами на малых образцах. В тонкой балке (высотой в 2 см и длиной от 16 до 30, как рекомендуют современные стандарты) сглаживается влияние годовых колец на механические свойства, и разница в способах приложения нагрузки невелика.

-350 ,

Рис.12 Диаграмма «нагрузка - перемещение» при изгибе в тангенциальном направлении

В проведенном эксперименте наглядно видна природная идея, заложенная в стволе дерева. Когда сила прикладывается от коры к сердцевине, годовые кольца взаимодействуют вместе с усилием, и, наоборот, если сила приложена в обратном направлении, кольца препятствуют «распрямлению» образца.

Хотя на практике древесина работает на изгиб поперек волокон достаточно редко, описанный эффект все же следует принимать во внимание.

В случае радиального изгиба применение жесткого режима нагружения не показало различий в работе древесины по сравнению с традиционными опытами по приращению усилия. Полная диаграмма показана на рис. 13.

После решения основных задач была проведена вторая часть эксперимента по определению упругих постоянных. Методика не отличалась от ранее описанной, кроме того, что образцы изготавливались с учетом влияния масштабного фактора.

Спецификация и количество образцов показаны в таблице 2.

Схема распиловки кряжей на брусья показана на рисунке 14.

Упругие постоянные определялись исходя из предположения, что в древесине присутствует ортотропная модель анизотропии. Такого мнения придерживались многие известные исследователи древесины, в том числе Савар Ф., Кольман Ф., Ванин С.И. и др. (Другая точка зрения о трансверсальной изотропии древесины больше подходит для образцов круглого сечения).

Новизна представленных в работе результатов определения упругих постоянных заключается в двух положениях:

- впервые опыты проводились при жестком режиме нагружения;

- образец выбирался с учетом масштабного фактора, а не по традиционным рекомендациям «малый из чистой древесины».

Упругие постоянные определялись на сосновых образцах. Для того чтобы считать упругие постоянные корректными для любого вида сосны (например, сибирская, карельская и т.п.) нужно добавить поправочный коэффициент в уравнениях, учитывающий объемный вес древесины.

Таблица 2. Количество образцов для второй серии эксперимента.

Направление волокон Количество Необходимое количество для эксперимента

Вдоль волокон 70 16

Поперек волоков, радиальное 46 16

Поперек волокон, тангенциальное 13 16

Рис. 13 Диаграмма «нагрузка - перемещение» при изгибе вдоль волокон в радиальном

направлении.

' г

Рис. 14 Схема распиловки бруса размером 7x7x24 см3

Если влияние влажности и температуры на результаты опытов четко регламентируются стандартами (12% и 20-25°С соответственно), то объемный вес может оказаться принципиальной величиной, из-за которого полученные в работе упругие постоянные могут отличаться у последующих исследователей.

По Ванину, зависимость прочности при сжатии и изгибе от объемного веса имеет эмпирическое происхождение и выражается уравнением прямой:

0|2—!250у12— 93 - при сжатии; 0,2=1250у,2- 227-при изгибе.

где 0)2 - предел прочности у древесины сосны с влажностью 12% , а уп -• объемный вес древесины.

Обычно объемный вес сосны изменяется в пределах от 0,48 до 0,56 г\см3, поэтому несложно определить диапазон влияния этого изменения на прочность. Но вопрос, несомненно, нуждается в более тщательной проверке, так как указанные уравнения получены, опять же, на малых образцах из чистой древесины, у которой предел прочности является существенно завышенной величиной.

Закон Гука для ортотропного тела запишется в следующем виде:

Г» =

= сььУч

(3)

Если направление вдоль волокон принять за х, направление поперек волокон радиальное - за г, поперек волокон тангенциальное - за 1, то упругие постоянные вычисляются через коэффициенты Пуассона и соответствующий модуль упругости (таблица 3 - 4).

Таблица 3. Упругие постоянные.

Эгг а« -Зг< -а*

21.0 39.4 1.25 7.28 0.11 0.24

Примечание: Измерения в 10"5 см^/кг

|«>С НЛЦНОНА ' БИБЛИОТЕК-

С. Петербург

< . оэ N0 т

Таблица 4. Модули упругости

От Сп С» с„ с„ с*

4990 2662 78922 1410 617 592

Примечание: измерения в кг/см

При обработке результатов эксперимента бы обнаружен интересный эффект неравенства парных упругих констант в плоскости, перпендикулярной древесным волокнам. аа не равно а^ (11,13х10"5 и 3,43х10'5 соответственно, в таблицах указано среднее значение), что дает основания предположить о возникновении крутящего момента при осевом сжатии.

Если бы не экспериментальные работы Шемякина Е.И. и соавторов, проведенные при жестком режиме нагружения на эквивалентных материалах, в которых после появления линий скольжения блоки материала поворачивались относительно друг друга, возникновение крутящего момента можно было бы списать на погрешности в определении коэффициентов поперечной деформации. Здесь же, по результатам сопоставления работ, имеет место экспериментально полученный факт стремления новой структуры к закручиванию.

При дальнейшем изучении древесины, которое обязательно последует вслед за представленной работой, предполагается дать деревянным образцам при сжатии дополнительную степень свободы, изготовив либо шарнирное закрепление на прессе, либо (возможно, этого будет достаточно) густо смазав маслом основания пресса. Практически не остается сомнений в том, что помимо скольжения блоков образца друг по другу, можно будет наблюдать закручивание блоков вокруг центральной оси. Возможно, структура образца при разрушении будет более долго сопротивляться нагрузкам, а поперечное растрескивание образцов будет начинаться раньше, чем разрушение волокон.

Главный вывод, который следует сделать о применимости подходов синтетической теории прочности к древесине, заключается в следующем: древесина при сопротивлении разрушению ведет себя похожим образом с

металлами, сплавами, эквивалентными материалами, т.е. разрушается по площадкам скольжения. Предлагаемые инварианты напряженного состояния и сам язык площадок скольжения полностью применимы к расчету деревянных образцов и конструкций и отвечают их реальному поведению в эксперименте и на практике.

Определенно, следует двигаться дальше в указанном направлении, помня, что предлагаемый подход не дает повода к переходу в трехмерное напряженное состояние, однако может успешно применяться в случае одноосного и двухосного напряженных состояний.

Данные о прочности образцов, выбранных с учетом влияния масштабного фактора, показаны в таблице 5. Ниже даны основные соотношения прочности с учетом анизотропии.

Таблица 5. Прочность при сжатии и изгибе с учетом масштабного фактора

Напряжение при сжатии (кЛсм') Напряжение при изгибе (кг\смг)

Вдоль Поперек Поперек Вдоль Поперек Поперек

волокон волокон волокон волокон волокон волокон

радиальпо тангенц. и радиалыто тангенц.

Ис Тс Л, т,

434 39 33 456 135 52

Соотношения:

Ц/Тс=13,15 Я/Гс=и2

171^=3,38 ЦТ,=8,77 К/Г,=2,60

Ц/Ь,=0,95 1^=0,29 ТЛ>0 63

В заключение, следует коротко остановиться на структурном содержании работы.

Первая глава посвящена вопросам актуальности рассматриваемой проблемы. Начиная с известной деревянной консоли Галилея и до конца двадцатого века, известные теоретики и экспериментаторы обращались к изучению древесины как одной из уникальных природных структур. В 18-ом

веке Дюамель на ивовой балке определял положение нейтральной линии при изгибе, Буффон, изучая балку из дуба, находил максимальную нагрузку и прогиб при изгибе, а также дал, по-видимому, первое указание на анизотропию свойств материала.

В 19-ом веке Дюпен подтвердил справедливость закона Гука для древесины при малых деформациях и первым дал точное определение величины прогиба посередине изгибаемой балки.

В 1846 году Вертгейм и Шевандье дали первое законченное описание упругой анизотропии дерева, в 1874 году Швенденер провел специальные исследования ствола растений с точки зрения применимости принципов строения дерева к инженерным сооружениям.

В прошлом веке изучением физических свойств занимались Филиппов H.A., Ванин С.И., Хухрянский П.Н. и многие другие.

Вторая глава посвящена анализу строения древесины и факторам, оказывающим существенное влияние на прочность. Выделим основные из них:

- объемный вес породы;

- влажность;

- пороки строения

- температура;

Третья глава полностью посвящена обзору существующих достижений в определении прочностных свойств древесины. Проведен подробный анализ современного состояния вопроса прочности для различных видов напряженного состояния. Сделанные выводы позволили отойти от общепринятой методики проведения испытаний на малых образцах из «чистой» древесины и учесть в работе влияние масштабного фактора.

Четвертая глава посвящена вопросам трещиностойкости древесины. Ранее автором выполнялись работы по исследованию изгибаемых образцов с трещиной (дуб, тополь, ель), искусственно изготовленной в радиальном направлении вдоль волокон, и был предложен критерий поверхностная энергия разрушения, определяемая по формуле:

где Те - критическое значение напряжений при скачкообразном страгивании трещины, а (Ц, критическое значение раскрытия трещины, при котором происходит скачкообразный прирост данной величины.

Радиус зоны разрушения, в предположении, что зона имеет форму окружности, вычислялся следующим образом:

где \У1ф - величина скачкообразного прироста трещины в момент достижения максимальной нагрузки.

В четвертой главе представленной работы исследования были существенно дополнены. Выяснилось, что поверхностная энергия и радиус зоны разрушения являются менее волатильными величинами, чем вязкость разрушения (рис. 15) и могут успешно применяться в качестве характеристик трещиностойкости материала.

Также было проведено сравнение радиуса зоны разрушения а и величины скачкообразного прироста трещины \У,ф для дуба, тополя и ели по экспериментальным данным. Дуб является одной из самых твердых и прочных пород, и у него среднее значение Wltp/a = 3,00. Ель заняла промежуточное положение - 2,71, а тополь, являясь самой мягкой породой из трех, показал значение 2,41.

Поскольку дуб и тополь находятся в противоположных концах на шкале плотности древесины, можно предположить, что весь диапазон значений АУ,ф/а для всех пород находится в пределах от 2,4 до 3,0, а среднее значение, которое можно было бы принимать для любой породы древесины, равно 2,7.

В пятой главе приводится математическое описание упругих свойств древесины с учетом анизотропии.

а^/41^

(5)

Шестая и седьмая главы посвящены подготовке, проведению и обработке результатов эксперимента, о чем уже достаточно сказано выше.

Рис 15 Диаграмма вязкости разрушения Д радиуса зоны разрушения а (ммх103)

и поверхностной энергии Н(М\тт) у дуба.

Заключение

Начиная с Галилея эксперименты, выполненные с использованием древесины, вносили существенно новые знания о прочности твердых тел. Древесина - как конструкционный, так и естественный материал со сложной внутренней структурой, представляет собой привлекательное сочетание для проверки практических и теоретических положений теории прочности.

В представленной работе была дополнена серия опытов Треска, Кармана, Лоде, Сибирского отделения Академии наук и др. новым материалом -древесиной, который показал схожую картину сопротивления нагрузкам.

Впервые удалось наблюдать за локализацией и развитием линий скольжения в древесине.

Имея достаточно солидный набор экспериментов над различными по внутренней структуре материалами можно утверждать, что гипотеза Треска о сопротивлении максимальному сдвиговому напряжению является общей для твердых тел. Причем любой из испытуемых материалов стремится максимально долго сопротивляться разрушению, если ему позволять свободно деформироваться без задания запредельных нагрузок.

В качестве продолжения исследований в указанном направлении интересно проверить возникновение крутящего момента при сжатии, задав дополнительную степень свободы путем создания шарнирного закрепления на прессе. Не исключено, что при такой постановке эксперимента деревянный образец станет закручиваться, стремясь к сохранению целостности структуры.

Положения синтетической теории прочности очередной раз доказали свою состоятельность при экспериментальной проверке и могут быть рекомендованы в качестве основы для построения общей теории прочности не только древесины, но и твердых тел в целом.

Помимо пополнения общих знаний о прочности твердых тел, в работе был решен ряд практических задач. Наиболее важным, на взгляд автора, является попытка обратить внимание инженеров, экспериментаторов и исследователей древесины на недопустимость переноса полученных данных с малых образцов «чистой» древесины на реальные конструкции. Развитие техники, в том числе, позволяющей проводить изучение микроструктуры, дают основания предполагать, что образец, принятый по стандартам 1950 года в качестве основного, занимает промежуточное положение между микро - и макроструктурой древесины. Он содержит неоправданно большое количество микроэлементов, что не позволяет детально изучать влияние каждого из них на

механические свойства, и, одновременно, в нем недостаточно макроэлементов, которыми богата древесина, применяемая на практике.

В качестве дальнейшего этапа работы следует более детально изучить влияние масштабного фактора на прочность, особенно на образцах с поперечным сечением больше, чем 7x7 см2. Вполне вероятно, что при испытаниях на сжатие удастся найти критическую величину напряжений, к которой будут стремиться образцы больших размеров.

В работе, по ряду объективных причин, совершенно не затрагиваются лиственные породы древесины. Исследование проводилось лишь на одной породе - сосне, хотя многообразие пород и, соответственно, механических свойств, несомненно, может дать большую информацию для размышления. Хотелось бы провести эксперименты на одной из самых твердых и прочных пород древесины, используемых в промышленности - дубе, чтобы более полно оценить результаты проделанной работы.

Впервые проведенное построение полной диаграммы «нагрузка -перемещение пресса» или «напряжение - деформация» дает почву для изучения остаточной прочности древесины, что особенно актуально при реставрации старинных зданий и сооружений, в том числе, памятников архитектуры. Вопрос долговечности и запаса прочности в уже работающих конструкциях является весьма актуальным на практике.

Примененный в работе жесткий режим нагружения является более информативным с точки зрения изучения прочностных свойств и особенностей разрушения материалов.

Основные положения диссертации были опубликованы в следующих работах:

1. Тутурин C.B. Исследование величины раскрытия и прироста трещин от нагрузки у различных пород древесины. В сб. «Труды 39 региональной научной конференции». В пади восток, 1997.

2. Тутурин C.B. Анализ современных достижений в области исследования прочности дерева методами механики разрушения. В сб. «Научные труды научно-технической конференции «Приморские зори». Владивосток,

1998.

3. Тутурин C.B. К вопросу о применимости концепций линейной и нелинейной механики разрушения для расчетов деревянных конструкций. В сб. «Научные труды научно-технической конференции «Вологодинские чтения», Владивосток, 1998.

4. Тутурин C.B. Исследование прочности дерева методами механики разрушения. В сб. «Региональная научно-техническая конференция». Владивосток, 1999.

5. Тутурин C.B., Григорьев С.А., Мартынова В.А., Об особенностях разрушения клееной деревянной балки. - В сб.: "Строительные конструкции-2000", всероссийской научно-практической конференции молодых ученых. М., 2000, т.З, с.95-98.

6. Тутурин C.B. Исследование величины раскрытия трещин древесины для повышения безопасности сооружений. М., 1998.

7 Тутурин C.B. Исследование величины раскрытия трещин древесины при статических нагрузках для повышения безопасности сооружений. М.,

1999.

8. Тутурин C.B. Новый критерий разрушения древесины - величина поверхностной энергии. В сб. "Материалы 2 научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и докторантов". Часть 2, М„ 1999г.

9. Тутурин C.B. Развитие линий скольжения в анизотропной среде. В сб. «Современные проблемы механики и прикладной математики», ч.1, т.2. Воронеж, 2004.

10.Тутурин C.B. О размере образца при построении теории прочности древесины. В сб. «Сборник научных статей докторантов и аспирантов МГУ Л», М., 2003.

П.Тутурин C.B. Математическое описание поведения древесины под нагрузкой через упругие постоянные. В сб. «Сборник научных статей докторантов и аспирантов МГУЛ», М., 2003.

12.Тутурин C.B. О влиянии масштабного фактора на прочность древесины. В сб. «Сборник научных статей докторантов и аспирантов МГУЛ», М., 2003.

П.Тутурин C.B. Исследование механической прочности деревянного образца с трещиной. Вестник МГУ, №3,2004.

14.Тутурин C.B. Механическая прочность древесины. «Физическая мезомеханика», 7, 6,2004. с. 85-88.

15.Тутурин C.B. Развитие линий скольжения в анизотропном материале. В сб. «Научно-техническая конференция «Авиакосмические технологии АКТ-2004», Воронеж, 2004.

16.Тутурин C.B., Короле ина М.Р. Влияние масштабного фактора на прочность древесины. Вестник МГУЛ, №3(34), 2004.

Отпечатано на полиграфической базе издательства Московского государственного университета леса в полном соответствии с качеством представленного оригинал-макета

Подписано в печать и 09 о5~ . Формат 60x90 1/16 Бумша 801/м2. Ризография Уел печ л Я,»5- Тираж -/00 экз Заказ № (41 141005, Мытищи-5, Московская обл , 1-я Институтская, 1, М1~УЛ, Издательств. Тел (095) 588-5762,588-5348,588-5415 Факс 588-5109

»155 06

РНБ Русский фонд

2006-4 12105

1. Введение

1.1 .Древесина как сложный конструкционный материал ? органического происхождения.

1.2.Роль исследований древесины в развитии научной мысли, а 19 также основные этапы пополнения знаний о древесине.

2. Общие сведения о древесине.

2.1 .Древесина как анизотропный материал органического 30 происхождения.

2.1.1. Постановка вопроса.

2.1.2. Микроструктура древесины.

2.1.3. Особенности макроструктуры. 37 2.2.Факторы, оказывающие существенное влияние на прочность древесины.

2.2.1. Влияние возраста дерева на прочность.

2.2.2. Влияние объемного веса древесины.

2.2.3. Влияние температуры и влажности.

2.2.4. Формулы пересчета к стандартной влажности и температуре.

2.2.5. Основные пороки строения и их влияние на прочность.

3. Современное состояние вопроса о прочности древесины.

3.1 .Простейший случай напряженного состояния — чистый сдвиг.

3.2.Прочность древесины при растяжении.

3.3.Прочность древесины при сжатии.

3.4.Работа древесины при изгибе. ^

3.5.Кручение древесины.

3.6.Сложные виды напряженного состояния.

3.7.Краткие выводы.

4. Трещиностойкость древесины. Анализ прочности с позиций 103 механики разрушения.

4.1.Прочность деревянного образца с позиций механики 103 разрушения.

4.2.Жесткие машины, и полный вид диаграммы «напряжение — 110 деформация» для древесины при изгибе.

4.3.Новый критерий разрушения древесины, основанный на анализе 118 исследования трещиностой кости.

5. Синтетическая теория прочности

5.1 .Необходимые утверждения теории упругости.

5.2.Упругая симметрия древесины.

5.3 .Технические постоянные.

5.4.Дифференциальные уравнения равновесия.

5.5.Синтетическая теория прочности.

5.5.1. История вопроса

5.5.2. Параметр Лоде-Надаи и выбор инвариантов синтетической 151 теории прочности.

5.5.3. Дальнейшее развитие синтетической теории прочности.

6. Подготовка и проведение экспериментального исследования 161 механических свойств древесины.

6.1 .Содержание методики проведения эксперимента, а также 161 основные известные подходы к испытаниям по определению прочности древесины.

6.2.Постановка задачи.

6.3.Проблемы, стоящие на пути к решению основной задачи.

6.4.Предварительные сведения для обеих серий эксперимента.

6.4.1. Выбор породы древесины для проведения испытаний.

6.4.2. Выбор дерева, методика разделки ствола на кряжи, 170 изготовление образцов.

6.4.3. Об определении влажности образцов.

6.4.4. Сушка древесины.

6.4.5. Об изменении влажности сосны в зависимости от времени 179 года.

6.4.6. Математическая обработка полученных результатов с целью 181 обоснования достоверности эксперимента.

6.5.Первая серия испытаний.

6.5.1. Распиловка деревьев на брусья.

6.5.2. Выборка геометрических характеристик образцов.

6.5.3. Распиловка брусьев на образцы.

6.5.4. Дополнительные виды испытаний, проведенные параллельно 193 с испытаниями на сжатие, изгиб и растяжение.

6.5.5. Проведение эксперимента.

6.5.6. Проведение испытаний на растяжение.

6.6.Вторая серия испытаний.

6.6.1. Постановка задачи.

6.6.2. Выбор деревьев и распиловка на брусья.

6.6.3. Проведение эксперимента.

7. Результаты эксперимента.

7.1 .Работа деревянного образца при изгибе поперек волокон.

7.1.1. Типичная кривая работы образца при изгибе поперек 206 волокон.

7.1.2. Определение прочности образца.

7.1.3. Зависимость прочности от объемного веса древесины.

7.1.4. Влияние масштабного фактора на прочность при изгибе.

7.1.5. Краткие выводы.

7.1.6. Влияние касательного напряжения на прочность образца при изгибе.

7.1.7. Сопротивление сдвигу.

7.1.8. О скорости нагружения.

7.2. Работа деревянного образца при сжатии вдоль волокон.

7.2.1. Определение прочности.

7.2.2. Определение влияния масштабного фактора на прочность 233 древесины при сжатии.

7.2.3. Обнаружение и исследование линий скольжения.

7.2.4. Сопоставление поведения образца при жестком и 245 традиционном режимах нагружения.

7.3.Работа древесины при сжатии поперек волокон.

7.3.1. Сжатие в радиальном направлении.

7.3.2. Сжатие в тангенциальном направлении.

7.4.Работа древесины при изгибе вдоль волокон.

7.4.1. Изгиб в тангенциальном направлении.

7.4.2. Изгиб в радиальном направлении.

7.5.Механическая прочность древесины. 259 7.6.0пределение упругих постоянных.

7.6.1. Общие сведения.

7.6.2. Определение главных упругих постоянных 264 ац, агг, и а33, а также соответствующих модулей упругости.

7.6.3. Применение положений синтетической теории прочности к 276 древесине.

1.1. Древесина, как сложный конструкционный материал органического происхождения.

С бурным развитием научной мысли, с созданием множества новейших материалов как никогда раньше возникает серьезная проблема определения их физико-механических свойств исходя из ограниченного количества испытаний. Каждый материал ведет себя обособленно от других, однако большинство из них можно объединить в группы по схожим признакам, применяя к каждой подобной группе известные методы исследований, основанные на расчетах и экспериментах.

Для определения механических свойств необходима идеализация вещества, создание модели, в которой отбрасываются несущественные признаки. По общепринятой классификации твердых тел можно уверенно выделить три идеализированных вещества по механическим характеристикам и реакциям на воздействие нагрузок:

- упругое;

- вязкое;

- пластичное.

Для иллюстрации приведем рис.1.1, где показаны зависимости между напряжениями и деформациями для каждого состояния. Так упругие тела

Напряжение

Касательное напряжение

Напряжение В

Предел текучести деформация скорость сдвига деформация

Рис. 1.1 А - упругая деформация, Б - вязкая деформация, В - пластическая деформация при приложении нагрузок реагируют пропорциональной деформацией вплоть до разрушения, вязкие — пропорциональной касательным усилиям скорости сдвига, и пластичные - ростом деформаций без увеличения нагрузок.

Реальные материалы редко полностью подчиняются какой-либо из представленных схем. Как правило, поведение материалов включает в себя сочетания нескольких видов деформаций.

Большинство конструкционных материалов имеют линейный участок диаграммы «напряжение - деформация» при малых нагрузках. После достижения нагрузками некоторого предельного значения — предела пропорциональности, диаграмма начинает искривляться, и приращения деформаций перестают соответствовать приращениям напряжений, начинается пластическое течение материала с необратимыми деформациями.

Применяя следующую классификацию твердых тел, можно выделить две большие группы. В первой группе механические свойства материалов одинаковы во всех направлениях в заданном объеме. К таким материалам можно отнести стекло, стали, некоторые сплавы и многие другие вещества, называемые изотропными. Во второй группе материал может иметь несколько различно ориентированных плоскостей, по которым механические свойства могут существенно различаться. Это горные породы, древесина, бетон, композиты, кристаллы и др.

Объединяя вышесказанное естественно предположить, что если вещество сочетает в себе несколько видов деформаций, а изделие из этого вещества имеет ярко выраженную анизотропию, заметно усложняются исследования реакции на приложенные усилия и их математическое описание. Такие материалы могут дать ответы на многие вопросы, касающиеся прочности твердых тел, привести к неожиданным результатам и умозаключениям.

В представленной работе в качестве исходного материала для исследований выбрана сложная природная структура - древесина.

Целью работы является проведение исследования прочности древесины при «жестком» режиме нагружения.

Древесина находит широкое применение в следующих отраслях промышленности [80]:

- промышленное и гражданское строительство (перекрытия большепролетных сооружений, производственные и складские помещения с химически агрессивной средой);

- дорожное и железнодорожное строительство (мосты, настилы, перила, сваи, шпалы, платформы и др.);

- судостроение;

- вспомогательные сооружения.

Причины, по которым следует углубиться в изучение прочности древесины следующие:

- богатая история использования человечеством древесины в хозяйственных нуждах с древнейших времен и до наших дней;

- выдающиеся с практической точки зрения качества данного материала, такие как легкость обработки, естественная возобновляемость ресурсов, низкий удельный вес конструкций при удовлетворительных прочностных параметрах;

- огромные запасы древесины в России. Последний пункт требует более подробного описания.

Россия прочно занимает одно из первых мест по запасам древесины. Леса нашей страны занимают около 700 млн. га. площадей. На огромных площадях произрастают десятки разновидностей деревьев, однако для промышленного производства пригодны далеко не все.

Наиболее распространены в производстве хвойные породы, особенно, сосна и ель, хотя наибольшие запасы в нашей стране лиственницы. Из лиственных деревьев незначительное использование находит лишь дуб. Остальные породы ввиду их невысокой прочности и не исследованности свойств пока используются слабо, в последние годы, в основном, для производства мебели, паркета и т.п. Однако необходимо упомянуть, что изучение именно дуба представляет огромную ценность, так как большинство старинных бесценных памятников архитектуры России сооружены из древесины этой породы и нуждаются в реконструкции, замене или усилении отдельных частей.

Ниже представлена диаграмма распределения наиболее распространенных на территории России пород древесины (рис. 1.2).

Лесные запасы в России по породам в % 8 о 2 20%

1 - лиственница; 2 - сосна; 3 - ель; 4 - кедр; 5 - пихта; 6 - береза; 7 - осина; 8 - дуб; 9 - прочие породы.

Рис. 1.2 Лесные запасы России по породам в процентах.

Как видно из приведенной диаграммы, подавляющее большинство лесных запасов России составляют хвойные деревья; лиственница, сосна и ель. Известно, что по внутреннему строению древесина хвойных пород имеет существенные отличия от лиственных, наличие и промышленное использование в стране хвойных деревьев преобладает, поэтому в работе было решено использовать древесину сосны, как наиболее актуальный материал для исследований.

Вопрос актуальности работы по прочности и разрушению древесины нельзя рассматривать отдельно от современных проблем прочности конструкционных, анизотропных и композитных материалов, которые используются человечеством.

Актуальность работы заключается в том, что изучение древесины, помимо чисто научных интересов расширяющее общее представление о прочности твердых тел с анизотропной внутренней структурой, имеет еще и важное практическое значение. Знания о дереве можно переносить на многие похожие по структуре материалы, особенно композитные с ярко выраженной анизотропией свойств.

Создание точной теории прочности в настоящее время рыночных отношений имеет как никогда высокую значимость. Экономия материалов и денежных средств путем увеличения эффективности их использования позволит открыть новые области применения древесины и других материалов подобного класса, привлечь капитал в развитие, например, деревообрабатывающей отрасли в нашей стране.

Исследования прочности могут быть полезны не только в инженерном деле (конструкции и сооружения), но и также в деревообработке, - отрасли, в которой у нас заметное отставание от развитых стран.

В качестве иллюстрации сказанного приведем следующую диаграмму, показывающую распределение мировых лесных ресурсов (рис. 1.3).

800700-600-t 500 e x 400 i

300 200 100

O-r-J

O.OD.DOOOOO

О, OOP p., ». ш ». к к

5 с

О £-> с. а

CL Ш

I о

Х К >■

X £ г> в I о в х a i I i S s: S >•

I S I x а; к а

VAX lit I § < * « а. о в;

X X ff 5 x я » ^ S a 1 <3

ЕЛИ

3 5 a < г |

5 3 3 0 с t* С

Рис. 1.3

80% всех мировых ресурсов леса

Как видно из диаграммы, Россия занимает твердое первое место. Но подавляющее большинство российского леса экспортируется в другие страны в первозданном состоянии. В результате лесные ресурсы стремительно сокращаются, а бюджет страны не получает тех средств, которые мы теряем из-за отсутствия технологий деревообработки и возможностей их внедрения. По экспорту чистого леса с нами сравнима лишь Бразилия, а развитые страны, такие как Канада, США, Финляндия и Китай, мы опережаем по данному показателю в десятки раз. Но та же Финляндия имеет в десятки раз больше заводов по производству клееных деревянных конструкций, чем Россия.

Современная теория прочности должна учитывать не только механические свойства тех или иных материалов, но и работать для предотвращения разрушения конструкций или их элементов, а также быть пригодной для создания направленного управляемого разрушения — разделения тела на части, дробление, измельчение материалов и т.п. [129].

Создание теории прочности древесины, даже обособленно от других материалов, "невозможно осуществить в рамках одного исследования. Последние попытки таких работ предпринимались в шестидесятые годы прошлого века (о чем подробнее будет сказано в обзорной главе). С тех пор накоплено много новых знаний о прочности твердых тел, появилось современное испытательное оборудование, позволившее расширить круг задач, поставленных исследователем.

За основу в представленной работе взяты постулаты так называемой синтетической теории прочности, которая создавалась, опираясь на исследования таких теоретиков и экспериментаторов как Треска, Сен-Венан, Лоде, Надаи, Христианович, Шемякин и др. [7, 68, 70, 91, 92, 122, 128, 129, 130, 141].

В качестве испытательного оборудования применялся многофункциональный пресс Instron, изготовленный в 2000 году в Великобритании1.

Сочетание теоретических основ и испытательного оборудования, безусловное влияние на автора трудов перечисленных выше ученых, а также постоянное взаимодействие с научным консультантом и руководителем по аспирантуре академиком Шемякиным Е.И. привело к осознанию широкого круга задач, решение которых вносит вклад не только в знания о прочности древесины, но и в развитие представлений о прочности твердых тел в целом.

К сожалению, не все задачи были решены, что связано, в первую очередь, с трудностями в подготовке и проведении эксперимента. Однако осознание факта незавершенности исследований, постоянное появление

1 Certificate №2632-055, serial No: 36, Readout device DK38, P31637, Date 03/07/1999, calibration setting 2.0171. Verifiable to BS EN 10002-4, 1995, ASTM E83 and ISO 9513 when used with Instron machines. Instron certifies to National Physical Laboratory. Registered in England. новых идей в результате обмена мнениями о полученных результатах на конференциях, семинарах и т.п. стимулирует к продолжению научной деятельности в выбранном направлении.

Выделим круг поставленных задач, которые были решены в ходе работы.

1. Определение прочности и изучение особенностей поведения древесины под нагрузкой при жестком режиме нагружения.

2. Проверка применимости критериев синтетической теории прочности к сложному анизотропному материалу, которым является древесина;

3. Наблюдение за разрушением анизотропного материала при жестком режиме нагружения;

4. Построение полной диаграммы «напряжение - деформации» с учетом нисходящей ветви при сжатии и изгибе;

5. Определение упругих постоянных при жестком режиме нагружения.

6. Учет масштабного фактора при определении механических характеристик.

7. Применение положений синтетической теории прочности к древесине;

8. Создание современной методики проведения испытаний на прочность древесины;

9. Обобщение существующих знаний о механической прочности древесины.

Главной отличительной характеристикой представленной работы является использование современного испытательного оборудования и применение для древесины так называемого «жесткого» режима нагружения, когда воздействие на материал идет путем приращения перемещений захватов пресса. Подобный тип нагружения впервые позволил получить полную диаграмму «нагрузка — деформации» для деревянного образца при сжатии и изгибе.

При решении поставленных задач использовались работы следующих выдающихся ученых, как в области механики твердого тела - Сен-Венана Б. [91, 92], Тимошенко С.П. [98, 99], Надаи А. [68], Шемякина Е.И. [70, 122, 127-131], так и в древесиноведении - Иванова Ю.М.[34-42], Ванина С.И. [21], Знаменского Е.М. [31], Хухрянского П.Н. [123], и др. Кроме того, вся работа и сделанные выводы опирались на исследования других материалов, например, эквивалентных (Шемякин Е.И., Ревуженко А.Ф., Бобряков А.П. [15, 16, 50, 51, 84, 85]), горных пород (Протодьяконов М.М., Чирков С.Е. [80]), композитных материалов (сборник под ред. Ишлинского АЛО. и Черного Г.Г. [44]), а также на общие работы по прочности и разрушению твердых тел [32, 43, 45, 60], в частности, посвященные работам по симметрии в твердых телах (Сиротин Ю.И., Шаскольская М.П. и др. [47, 94]). Для математического описания упругих свойств древесины использовались работы Лява А. и Лехницкого С.Г. [58, 59].

Из поставленных задач вытекает научная новизна исследования, которая заключается в наблюдении за процессами деформирования и разрушения древесины при жестком режиме нагружения.

- для сплошных деревянных образцов жесткий режим нагружения был применен впервые;

- впервые была получена полная диаграмма «нагрузка — деформации» при сжатии и изгибе различно ориентированных деревянных образцов;

- впервые в деревянном образце удалось наблюдать возникновение линий скольжения и разрушение при их развитии;

- экспериментально была доказана применимость к древесине положений синтетической теории прочности; впервые упругие постоянные древесины находились при жестком режиме нагружения, на образцах, взятых с учетом масштабного фактора, что позволило обнаружить различие в симметричных константах упругости;

- было показано влияние масштабного фактора на прочность, что игнорировалось исследователями на протяжении последних десятилетий;

- учитывая масштабный фактор, а также очевидные преимущества жесткого режима нагружения перед нагружением по приращению усилия, даны рекомендации по испытаниям деревянных образцов на сжатие и изгиб.

Кроме того, в первом приближении удалось оценить влияние касательного напряжения на прочность при изгибе в цельном образце и в образце с искусственной трещиной.

Личный вклад автора в решение поставленных задач заключается в самостоятельной разработке методики проведения экспериментов, подготовке материалов и оборудования, наблюдении за опытами и анализ всех полученных результатов.

Вся работа, как теоретическая, так и экспериментальная части, была выполнена самостоятельно при постоянном наблюдении со стороны научного консультанта академика Шемякина Е.И.

Неоценимая помощь при подготовке и проведении эксперимента была оказана автору Институтом Горного дела в г. Новосибирске и лично Ревуженко А.Ф., Жигалкиным В.М., Бабичевым А.В.

Практическая значимость исследования заключается в существенном пополнении знаний о прочности и разрушении древесины, как анизотропного материала со сложной внутренней структурой, разработке современной методики подготовки и проведения эксперимента, получении представлений об остаточной прочности древесины при сжатии и изгибе (нисходящая ветвь на диаграмме «нагрузка - деформация»), определении влияния масштабного фактора на прочность деревянных образцов и конструкций, решении ряда задач о прочности деревянных образцов с трещиной, определении упругих постоянных древесины и др.

Основные положения представленной диссертации активно обсуждались' на семинарах и конференциях по механике твердого тела, древесиноведению, строительным конструкциям и материалам, а также в различных научных коллективах и организациях, с которыми сотрудничал автор в процессе постановки задач, подготовки и проведения эксперимента, а также обработки полученных данных.

Разрушение древесины по площадкам скольжения и демонстрация полученных образцов, как правило, вызывали оживленные дискуссии в самых разнообразных научных кругах, в том числе на:

- 39-ой Научной конференции в г. Владивосток, 1997 г.;

- Региональной научно-технической конференции «Приморские зори», г. Владивосток, 1998 г.;

- 2-ой научной-техничсекой конференции молодых ученых в МГСУ, г. Москва, 1999 г.;

Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых, г. Москва, 2000 г.;

Научной конференции аспирантов и докторантов МГУЛ, г. Москва, 2003 г.

Научной конференции по современным проблемам механики и прикладной математики, г. Воронеж, 2004 г.;

Конференции по проблемам прочности материалов, используемых в авиастроении, г. Воронеж, 2004 г.;

Конференции по механике, математике и информатике в г.Тула, 2004 г *

1 •»

А также в лаборатории деревянных конструкций ЦНИИСК, г. Москва, в лаборатории Института горного дела, г. Новосибирск, на семинарах механико-математического факультета МГУ и т.д.

Перечень положении, выносимых на защиту, вытекает из поставленных задач, решенных в ходе работы:

1. Применимость к древесине гипотезы Треска о максимальном сопротивлении сдвигу.

2. Применимость критериев синтетической теории прочности к сложному анизотропному материалу, которым является древесина.

3. Принципиально новый вид сопротивления нагрузке, который показал эксперимент.

4. Построение полной диаграммы «напряжение — деформации» с учетом нисходящей ветви при сжатии и изгибе в различных направлениях относительно анизотропии свойств.

5. Упругие постоянные для древесины сосны при жестком режиме нагружения.

6. Выбор нового размера испытуемого образца взамен стандартного, обусловленный влиянием масштабного фактора.

7. Новая, современная методика проведения эксперимента при «жестком» нагружении.

Здесь сознательно не упоминаются некоторые любопытные результаты, полученные при испытаниях образцов с трещиной, так как большая часть из них представлена в предыдущей диссертационной работе.

Начиная с Галилея эксперименты, выполненные с использованием древесины, вносили существенно новые знания о прочности твердых тел.Древесина - как конструкционный, так и естественный материал со сложной внутренней структурой, представляет собой привлекательное сочетание для проверки практических и теоретических положений теории прочности.Полученные результаты имеют важное значение как для изучения механической прочности древесины, так и для общих представлений механики деформируемого твердого тела.В ходе экспериментального исследования были проведены испытания макро-образцов, взятых в трех направлениях анизотропии, при <окестком» режиме нагружения. Получены принципиально новые, ранее неизвестные виды сопротивления древесины нагрузкам.Основные выводы, которые можно сделать на основании проведенной работы, таковы:

1. Была дополнена серия опытов Треска, Кармана, Лоде, Сибирского отделения Академии наук и др. новым материалом — древесиной, который показал схожую картину сопротивления нагрузкам. Имея достаточно солидный набор экспериментов над различными материалами можно утверждать, что гипотеза Треска о сопротивлении максимальному сдвиговому напряжению является общей для твердых тел.2. Впервые удалось наблюдать за локализацией и развитием линий скольжения в древесине при сжатии вдоль и поперек волокон.3. Впервые получены полные диаграммы «нагрузка — перемещение» при сжатии и изгибе вдоль и поперек волокон.4. Впервые показана нисходящая ветвь на диаграмме «нагрузка - перемещение», которая содержит информацию об остаточной прочности.5. Разрушение происходит как по линиям скольжения из-за разрыва волокон, так и из-за вертикального расщепления образца на части, причем нарушаются «слабые» структурные связи между волокнами, сами же волокна загибаются и работают на растяжение.6. Вопреки распространенному мнению, что древесина при сжатии обладает конечными деформациями при максимальной нагрузке, результаты эксперимента показали, что древесина может деформироваться вплоть до полного разрушения.7. На основании экспериментальных исследований можно заключить, что положения Синтетической теории прочности применимы к древесине, и можно рекомендовать для построения теории прочности древесины набор инвариантов, предложенных Шемякиным Е.И.

8. Предлагается отказаться от изучения прочности древесины на малых образцах из «чистой» древесины, а применять образцы с учетом влияния масштабного фактора. При сжатии влияние масштабного фактора на предел прочности несущественно, однако при изгибе его необходимо принимать во внимание. Даны рекомендации по выбору оптимального образца для проведения испытаний.9. При изучении образцов с трещиной применение положений механики разрушения к древесине весьма ограничено из-за невозможности создания направленного разрушения в большинстве наиболее актуальных направлений анизотропии.10. В качестве характеристики трещиностойкости материала можно рекомендовать использование величины поверхностной энергии, которая является устойчивой для различных пород древесины.11. При сосредоточенном изгибе образца поперек волокон наличие продольной трещины в зоне действия касательных напряжений уменьшает предел прочности на 10%.12. Впервые обнаружен эффект неравенства парных констант упругости.13. Примененный в работе жесткий режим нагружения является более информативным с точки зрения изучения прочностных свойств и особенностей разрушения материалов и может быть рекомендован в качестве основного при проведении испытаний древесины.Резюмируя сказанное, можно добавить, что в работе получены принципиально новые сведения о механической прочности древесины, решен ряд важных практических задач, разработана новая методика проведения эксперимента при «жестком» нагружении с учетом масштабного фактора, а также обозначены направления для дальнейших исследований.

1. Александров А.В., Потапов В.Д., Державин Б.П. Сопротивление материалов. М.: Высшая школа, 1995. 560 с.

2. Аннин Б.Д., Жигалкин В.М. Поведение материалов в условиях сложного нагружения. Новосибирск: Изд-во Сибирского отд. РАН, 1999.-342 с.

3. Ашкенази Е.К., Боксберг И.П., Рубинштейн Г.М. Анизотропия механических свойств древесины. М.: Гослесбумиздат, 1958. 140 с.

4. Ашкенази Е.К. Анизотропия прочности древесных и синтетических материалов: Автореф. дис... д-ра техн. наук. Л., 1969.

5. Ашкенази Е.К. Анизотропия древесины и древесных материалов.М.: 1978.

6. Баженов В.А., Перелыгин Л.М., Семенова Е.А. Об испытании древесины на сжатие поперек волокон. Труды института леса. М.: АН СССР, 1953. Т.9 с. 315-331.

7. Белл Д.Ф. Экспериментальные основы механики деформируемых твердых тел. М.: Наука, 1984. Т1-2.

8. Белянкин Ф.П., Яценко В.Ф. Деформативность и сопротивляемость древесины. Киев: 1957.

9. Белянкин Ф.П. Прочность и деформативность деревянных стержней при кручении. Киев: 1949.

10. Белянкин Ф.П. Метод расчета деревянных конструкций по предельным состояниям и задачи исследования длительной сопротивляемости древесины. Сб.: Исследования прочности и деформативности древесины. М.: 1956. с. 5-20.

11. Белянкин Ф.П. Механические характеристики дуба и сосны при разных гадротермических состояниях. Киев: 1939.

12. Белянкин Ф.П. Прочность древесины при скалывании вдоль волокон. Киев: 1955. 1 З.Бехтерев П., Аналитическое исследование обобщенного закона Гука.М.: 1925. Н.Бобрышев А.Н., Корвяков В.Г., Соломатов В.И. Прочность композитных материалов. Липецк: 1995.

13. Бобряков А.П., Ревуженко А.Ф. Однородный сдвиг сыпучего материала. Дилатансия. Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 1982. №5 23-29.

14. Бобряков А.П., Ревуженко А.Ф., Шемякин Е.И. Однородный сдвиг сыпучего материала. Локализация деформаций. Физикотехнические проблемы разработки полезных ископаемых. 1983. №5- 7-21.

15. Бойко М.Д. Влияние температурно-влажностного строительству и архитектуре, 1952.- 96 с.

16. Болденков Р.П. Обосновшше метода пересчета показателей механических свойств древесины к стандартной температуре. Автореф. дис... д-ра техн. наук. М., 1960.

17. Бывших В.Д. Исследование влияния температуры и влажности древесины на ее упругопластические характеристики. Химки, 1958.

18. Быковский В.Н. Применение механики упруго-вязких тел к построению теории сопротивления древесины с учетом фактора времени. Сб.: Исследования прочности и деформативности древесины.-М.: 1956.- с. 32-41.

19. Ванин СИ. Древесиноведение. М. Л.: Гослесбумиздат, 1949.472 с. состояния древесины на ее прочность. М.: Гос. изд-во литературы по

20. Варданян Г.С., Андреев В.И., Атаров Н.М. Сопротивление материалов с основами теории упругости и пластичности. М.: Изд-во ассоциации строительных ВУЗов, 1995. 573 с.

21. Гаппоев М.М. Оценка несущей методами механики способности разрушения. деревянных Дис...д-ра конструкций техн.наук. М., 1996.

22. Гениев Г.А. О критерии прочности древесины при плоском напряженном состоянии. Строительная механика и расчет сооружений. 1981. №3. 15 20.

23. Денеш Н.Д. Влияние пониженной температуры на прочность элементов деревянных конструкций. Сб.: Исследование в области деревянных конструкций. М.: 1985.

24. Денеш Н.Д. Прочность покрытий при деревянных элементов конструкций эксплуатационных воздействиях: основных Дис...канд.техн.наук. -М., 1991.

25. Джонс B.C. Древесные породы. Их строение и отличительные признаки. М.: Гос. лесное техническое издательство, 1932, 172 с.

26. Дроздовский Б.А., Фридман Я.Б. Предисловие к русскому изданию. Прикладные Мир, 1968.-552 с. вопросы механики разрушения. М.:

27. Езепов Г.Г. Прочность древесины при двухосном напряженном состоянии: Автореф. дис.канд.техн.наук.- М., 1986. 3О.Зайцев Ю.В. Механика разрушения для строителей. М.: Высшая школа, 1991.-288 с.

28. Знаменский Е.М. Несущая способность элементов деревянных конструкций при статическом и динамическом нагружении. М.: 1956.

29. Журков Н. Кинетическая концепция прочности твердых тел. Вестник АН СССР. 1968.- №3. 46-52.

30. Иванов Л.А. Анатомия растений. М.: 1939.

31. Иванов Ю.М. Две области деформирования древесины и предел пластического течения. Сб.: Труды института леса. М.: АН СССР, 1953. Т.9 431-444.

32. Иванов Ю.М. Деформации древесины под действием повторной статической нагрузки при сжатии вдоль волокон. Сб.: Вопросы прочности и изготовления ЦНИПС, 1952.-С. 7 4 7 Зб.Иванов Ю.М. Изменения микроскопического строения древесины в процессе ее деформирования и разрушения. Сб.: Труды института леса. М АН СССР, 1953.- Т.9 89-114.

33. Иванов Ю.М. К вопросу исследования складки разрушения деревянных конструкций. М.: древесины при сжатии вдоль волокон. Сб.: Труды института леса. М АН СССР, 1953.- Т.9- 115-121.

34. Иванов Ю.М. Сопротивление древесины сосны сжатию под разными углами к волокнам. Сб.: Труды инсггитута леса. М.: АН СССР, 1953.- Т.9 347-371.

35. Иванов Ю.М. Предел пластического течения древесины. М.: 1948.

36. Иванов Ю.М. Сопротивление древесины сосны сжатию. Сб.: Труды института леса. М.: АН СССР, 1952.- Т.9 347 370.

37. Иванов Ю.М. Температурно-влажностная закономерность прочности древесины. Лесной журнал. М.: ИВУЗД982. -№5. 74-77.

38. Иванов Ю.М., Баженов В.А. Исследования физических свойств древесины. М.: АН СССР, 1959.-76 с.

39. Ивлев Д.Д. Теория идеальной пластичности. М.: 1966. 232 с.

40. Неупрутие свойства композитных материалов. Под ред. Ишлинского А.Ю., Чернотой Г.Г. М.: Мир, 1978. 294 с.

41. Качанов Л.М. Основы теории пластичности. М.: Наука, 1969. 420 с.

42. Кноп К.К. Симметрия в древесине. Техника воздушного флота. 1935.- №4.- 75-87.

43. Кокс Р., Голд А. Симметрия в твердом теле. М.: Наука, 1970. 424 с.

44. Конструкции из дерева и пластмасс. Под ред. Карлсена Г.Г и Слицкоухова Ю.В. М.: Стройиздат, 1986. -544 с. 49.Вся высшая математика. Краснов М.Л., Киселев А.И., Макаренко Г.И. и др. М.: Эдиториал УРСС, Т1-5, 2000.

45. Крамаренко В.И. Развитие линии скольжения в брусе при изгибе. ПМТФ. 1979. №2. 159-165.

46. Крамаренко В.И., Ревуженко А.Ф. О формировании блочной структуры при сдвиге сыпучей среды. Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 1987. №5. З10.

47. Клименко В.З. Работа конструкций го клееной древесины при сложном напряженном состоянии материала: Автореф. дис...д-ра техн. наук. Киев, 1990.

48. Колмогоров В.Л. Напряжения, деформации, разрушения. М.: Металлургия, 1970.

49. Ланин А.А. Расчеты и испытания на прочность. Руководящие указания. Санкт-Петербург: 1994. Вып.61.

50. Леонтьев Н.Л. Влияние температуры на механические свойства древесины сосны. Вестник инженеров и техников. —1952. №1. 21-23.

51. Леонтьев Н.Л. О поперечной деформации древесины. Сб.: Труды ЦНИИМОД.-М.:1950.

52. Леонтьев Н.Л. Техника испытаний древесины. промышленность, 1970. 161 с.

53. Лехницкий Г. Теория упругости анизотропного тела. Л.: Издво технико теоретической литературы, 1950 301 с. М.: Лесная

54. Марганец Д.В., Влияние влажности на прочность древесины. Сб. научных трудов МИСИ. М.: МИСИ, 1958. №13. 41-52.

55. Митинский А.Н. «Некоторые вопросы сопротивления древесины, как ортотропного тела». Л.: НИС ЛТА, 1940.

56. Митинский А.Н. Упругие постоянные древесины, как ортотропного материала. Сб.: Труды лесотехнической академии имени Кирова. Л.: ЛТА, 1948. №63. 22-54.

57. Митинский Н.Н. Теоретическое изучение основных явлений упругой деформации. 1911.-С. 4 6 5 4 9 1

58. Москалева В.Е. Строение древесины. Сб.: Труды института Сб.: Строительная механика. СПб.: леса. М.: АН СССР, 1949. Т.4.- 237 238. бб.Москалева В.Е. Строение древесины и его изменение при физических и механических воздействиях. Сб.: Труды института леса. М.: АН СССР, 1957.

59. Надаи А. Пластичность и разрушение твердых тел. М.: Изд-во иностранной литературы, 1954. Т. 1. 648 с.

60. Надаи А. Пластичность и разрушение твердых тел. М.: Мир, 1969.-Т.2.-864 с.

61. Никитин В.М. Химия древесины и целлюлозы. М.: Госл есбумиздат, 1951. 496 с.

62. Никифоровский B.C., Шемякин Е.И. Динамическое разрушение твердых тел. —Новосибирск: 1979. 71,Орлович Р.Б., Езепов Г.Г., Найчук АЛ. К оценке некоторых критериев прочности анизотропных тел при плоском напряженном состоянии. Сб.: Техника, технология, организация и экономика

63. Панферов К.В Исследования по деревянным конструкциям. Сб.: Вопросы прочности и изготовления деревянных конструкций. Сборник научных трудов ЦНИПС. М.: 1950. 78 94.

64. Панферов К.В. Деформации древесины под действием повторной статической нагрузки при сжатии вдоль волокон. Сб.: Вопросы прочности и изготовления деревянных конструкций. Сборник научных трудов ЦНИПС. М.: 1952. 48 67.

65. Панферов К.В. Влияние скорости нагружения на прочность и деформативность древесины при действии повторной нагрузки. Сб.: Вопросы прочности и изготовления деревянных конструкций. Сборник научных трудов ЦНИПС. М.: 1952. 68 79. 77.Пен Р., Пен В. Кинетика делигнификации древесины. Красноярск, 1998.

66. Перелыгин Л.М. Древесиноведение. М. Л.: 1949.

67. Перелыгин Л.М., Певцов А.Х. Механические свойства и испытание древесины. М.: Гослестехиздат, 1934.

68. Прокофьев А.С. Конструкции из дерева и пластмасс. М.: Стройиздат, 1996.-220 с.

69. Протодьяконов М.М., Койфман М.И., Чирков С Е Паспорта прочности горных пород и методы их определения. М.: АН СССР, 1964.-78 с.

70. Рабинович А.Л. Об упругих постоянных и прочности анизотропных материалов. Сб.: Труды ЦАГИ. М.: 1946. №582.

71. Работнов Ю.Н. Механика деформируемого твердого тела. М.: Наука, 1979. -744 с.

72. Ревуженко А.Ф. Механика сыпучей среды. Новосибирск: ИПП «Офсет», 2003.-373 с.

73. Ревуженко А.Ф., Стажевский С Б Шемякин Е.И. О механизме деформирования сыпучего материала при больших сдвигах. Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых. 1974. 3 130-133.

74. Розен Б., Дау Н. Механика разрушения волокнистых композитов. М.: 1976.

75. Савков Е.И. Методы физико-механических испытаний древесины. Сб.: Труды ЦАГИ. М.: 1926.

76. Сапожников И.В. состояния 1993.

77. Саусвелл Р.В. Введение

78. Свеницкий Г.В. О пределе пластического течения при поперечном изгибе и при сжатии с изгибом. Сб.: Вопросы прочности и изготовления деревянных конструкций. Сборник научных трудов ЦНИПС. М.: 1952. 80 99. 91. Сен-Венан Б. Мемуар о кручении призм. М.: Гос. изд-во физикоматематической литературы, 1961. 380 с.

79. Сиротин Ю.И., Шаскольская М.П. Основы кристаллофизики. М.: Наука, 1975.-680 с. 95.СНиП 2-25-

80. Деревянные конструкции. 1996.

82. Сроули Д., Браун У. Методы испытаний на вязкость разрушения. Прикладные вопросы вязкости разрушения. М.: Мир, 1968. 213 -297.

83. Тимошенко СП., Гере Д.Ж. Механика материалов. М.: Мир, 1976.-670 с.

84. Тимошенко СП., Гудьер Дж. Теория упругости. М.: Наука, 1975. -576 с.

85. Тутурин С В Исследование величины раскрытия и прироста Древесина как конструкционный материал. М.: трещин от нагрузки у различных пород древесины. Сб.: Труды 39 региональной научной конференции. Владивосток: 1997. С 17-24.

86. Тутурин С В Анализ современных достижений в области исследования прочности дерева методами механики разрушения. Сб.: Труды научно-технической конференции «Приморские зори». -Владивосток: ТАНЭБ, 1998. 7-12.

87. Тутурин СВ. К вопросу о применимости концепций линейной и нелинейной механики разрушения для расчетов деревянных конструкций. Сб.: Труды 39 региональной научной конференции. Владивосток: 1997. 34-39.

88. Тутурин СВ. при Исследование величины раскрытия трещин статических нагрузках для повышения древесины 104. безопасности сооружений: Дис.канд.техн.наук. М., 1998. -Тутурин СВ. Исследование прочности дерева методами Сб.: Труды А., региональной научноОб механики 105. разрушения. технической конференции. Владивосток: 1999. 21

89. Тутурин СВ., Григорьев Мартынова В.А., всероссийской особенностях разрушения клееной деревянной балки. Сб.: «Строительные -Т.З.-С95-98. 90. Тутурин СВ. Исследование величины раскрытия трещин древесины для повышения безопасности сооружений. М.: Диалог, 1998. 41 с.

91. Тутурин СВ. Развитие линий скольжения в анизотропной среде. Сб.: «Современные проблемы механики и прикладной математики», трудов международной школы семинара. Воронеж: ВГУ, 2004. 4.1, Т.2. С 501 502. ПО. Тутурин СВ. О размере образца при построении теории прочности древесины. Сб.: Научные статьи докторантов и аспирантов Московского государственного университета леса. М.: МГУЛ, 2003. 16 18.

92. Тутурин СВ. Математическое и описание поведения Московского древесины под нагрузкой через упругие постоянные. Сб.: Научные 37.

93. Тутурин СВ. О влиянии масштабного фактора на прочность древесины. Сб.: Научные статьи докторантов и аспирантов Московского государственного университета леса. М.: МГУЛ, 2003.-С 38-43.

94. Тутурин СВ. Исследование механической прочности деревянного образца с трещиной. Вестник Московского государственного университета. Математика и механика. М.: МГУ, 2004. №3, С 31-35. 114.

95. Тутурин СВ. Механическая прочность древесины. Физическая мезомеханика. Томск: 2004. -Т.7. №6. С 85-

96. Тутурин СВ. Развитие линий скольжения в анизотропном Труды научно-технической конференции материале. Сб.: С 34-37.

97. Тутурин СВ., Короткина М.Р. Влияние масштабного фактора на прочность древесины. Вестник Московского государственного университета леса. Физика. М.: 2004. №3(34). С 186-195.

98. Тутурин СВ., Шемякин Е.И., Короткина М.Р. Разрушение древесины при сжатии. Вестник Московского государственного университета леса. М 2005. №3(39). С 56-71.

99. Уголев Б.Н. Древесиноведение с основами лесного товароведения. М.: 2001. статьи докторантов аспирантов государственного университета леса. М.: МГУЛ, 2003. 19 «Авиакосмические технологии АКТ-2004». Воронеж: ВГУ, 2004.

100. Уголев Б.Н., Лапшин Ю.Г., Кротов Е.В. Контроль напряжений при сушке древесины. М.: Лесная промышленность, 1980.-204 с.

101. Фигурнов Н.М. Исследование напряженного состояния и особенностей древесины при скалывании. Сб.: Исследования прочности и деформативности древесины. М.: 1956. 167-170.

102. Флаксерман А.И. Влияние наклона волокон на механические свойства древесины сосны. Сб.: Труды ЦАГИ. М.: ГОНГИ, 1931.- В. 78. 122. 123. 124. 125.

103. Христианович А., Шемякин ЕЛ. К теории идеальной Хухрянский ПН. Прочность древесины. М.: 1

104. Ченцов Н.Г. Технические постоянные. 7/ Сб.: Технические Черепанов Г.П Механика хрупкого разрушения. М.:Наука, Чернецов М.М. поперек Исследование прочности древесины при волокон. Деревообрабатывающая пластичности. ММТ. 1967. №4. заметки ЦАГИ. М 1936. №91. 1974.-640 с. растяжении 127. 128. промышленность. —1957. №

105. Шемякин Е Л Введение

106. Шемякин Е Л Синтетическая теория прочности, Ч.

107. Шемякин ЕЛ. Хрупкое разрушение горных пород. Физическая мезомеханика. —Томск: 1999. Т.2. -№6.-С. 63-

108. Горный вестник. 1998. №2. 10-16.

109. Шемякин Е.И. О хрупком разрушении твердых тел. 4.2. (О сдвиговой прочности горных пород). Вестник МГУ, сер.

110. Математика. Механика. М.: МГУ, 2003. №3. 132. 133. 134. 135. 136. 137. 138. 1902. 139. 1951. 140. 610. 141.

111. Saint-Venant Comptesrendues. -Paris, 1

112. Sakai M., Inagaki M. Dimensionless Load-Displasement relation Madsen B. Recommended moisture adjustment factor for lumber stresses. Can. J. Civil Engineering. 1982 Vol. 9. №4.- P. 602Kolmann F. Technologic des Holzes und der Holzwerkstoffe. Эсау К. Анатомия растений. М.: 1

113. Chevandier Е., Wertheim G. Метопе sur les proprietes mecaniques des bois. Paris: 1

114. Chevandier E., Wertheim G. Proprietes mecaniques des bois. Garatt G.A. The mechanical properties of wood. London: 1

115. Guest J.J. On the strength of ductile materials under combined Griffith A.A. Trans. Phil. Roy. Soc, 221 A, 163, 1

116. Helmholtz H. Vorlesungen uber theoretische Physik. Leipzig, Paris: 1861. -276 p. stress. Phil. Mag. 1900. 50. P. 69-132. and its application to crack-propagation problems. Journal of the American Ceramik Society. 1989. №72. 143. 144.

117. Schatz T. Zur bruchmechanischen Modellirung des KurzzeitSmith F.W., Penney D.T. Fracture mechanics analysis of butt Spencer R.A., Madsen B. Duration of load tests for shear Bruchverchaltens von Holz in Rissofrhungmodus

118. Stuttgart, 1994. joints in laminated wood beams. Wood Science. 1978. -VI2. strength. Canadian Journal of civil engineering 1986. V.13. №2.

119. Stanzl-Tschegg S.E., Tan D., Tschegg E.K. Fracture resistance to the crack propagation in wood. International journal of fracture.75,1996. 147. 148.

120. Taylor S. Bender D. Comparing length effect models for lumber Taylor G., Quirmey H. The plasticdistortion of metals. Phil. R-Wagenfuhr Anatomie des Holz. Berlin, 1989. tensile strength. Forest Products Journal. 1992. №2. P.23-

121. Trans. Roy. Soc. 1931, London: Ser.A 230. P. 323-362.